高精度新型调制变送器设计与应用

2011-10-15李正兵蒋兴加王小丽

火箭推进 2011年5期

李正兵，蒋兴加，王小丽

（西安航天动力试验技术研究所，陕西西安710100；广西机电职业技术学院，广西南宁530007）

0 引言

传感器就是将被测物理量按照一定的规律转换成电信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。由于受传感器结构等因素的影响，其输出信号一般需要经过变换器处理。变送器是将非标准的传感器输出的信号调理成标准电压或电流信号的电路单元，以方便数字仪表、PLC、计算机等测控系统使用。对于输出为电阻RX、电感LX或电容CX等参数类型的传感器，需要将可变参数RX，LX和CX变换成标准电流或电压输出，这种变送器称为调制变送器。对于传统电容或电感变送器，将传感器输出电容CX或电感LX作为振荡电路的阻抗元件，通过测量阻抗引起振动频率的变化，表征被测物理量，该类变送器通用性和线性较差，精度低，维护困难。本文针对连续式电容液面计设计的高精度新型调制变送器可以适用于电容、电阻及电感等参数的变换要求。

1 调制变送器设计原理

调制变送器需要把传感器输出的电信号变换为标准的电压或电流，即把物理量引起的电阻、电感、电容变化转换为电压信号，然后对电压进行放大、滤波、调零等处理。调制变送器设计原理框图如图1所示。

变送器信号提取电路利用欧姆定律的原理，其电路如图2所示。

在交流电源的作用下，把传感器阻抗变换为电压信号V˙X， ZX为传感器输出阻抗，ZS为变送器使用的标准阻抗，V˙为变送器施加标准激励电压。当阻抗ZX变化时，根据电路原理有：

当CS>>CX时，公式（4）变成

根据公式（5），当传感器随着被测物理量线性变化ΔX时，电压V˙X也将线性改变。

传感器输出为电容或电感时，需要交流激励源为信号提取电路提供标准电压V˙。已知传感器输出阻抗ZX，所设计变送器的标准阻抗ZS一般为ZX的10倍以上，式（2）成立，变送器转换信号的精度与线性方可满足需要。

由于信号提取电路获得的电压值较小，并且为交流电压，需利用高精度运算放大器组成绝对值电路、放大及滤波电路，对交流信号kΔX进行直流变换及线性放大、滤波处理。调零电路完成变送器输出零位V0调整，信号输出模块实现直流信号到标准电流或电压输出变换。

另外，当传感器输出电压与被测物理量不成线性变化时，可通过现场校验的办法对传感器进行原位校验，得到物理量与变送器输出电压的对应表。数据处理时，对采集到的电压按照校验结果进行插值或查表计算，得到其相应物理量。

2 调制变送器电路实现

2.1 精密交流电压源设计

精密交流电压源为变送器的关键电路模块，其稳定性直接关系到变送器与传感器的测试精度。通过对T型、LC及RC等振荡电路的分析、比较，选择使用文氏振荡阻容电桥与高精密稳压二极管结合技术，得到输出频率、幅值连续可调的高稳定激励交流电压源，其组成原理如图3所示。电路中的R31，W2，C5及C6为振荡选频网络，与IC8A，W1及R30组成正弦信号发生器；W3对振荡信号进行幅值调整；IC9与高精度稳压管对交流电源进行稳压与驱动。电路参数调整完毕后，为了确保电路的可靠性，应将电阻器W1，W2和W3替换成精密电阻，提高信号稳定性。为了验证所设计的精密交流激励源输出电压的精度和稳定性，每隔30 min对交流激励电压源进行了测试，测试结果如表1所示。测试结果表明，其赋值与频率精度分别优于0.1%和0.2%，完全能满足变送器激励电源的需要。

表1 交流激励电压源4 h稳定性测试数据Tab.1 Data of 4 h stability testing of AC excitation source

2.2 精密绝对值与滤波电路设计

根据二极管的单向导电性原理，对交流信号进行整流，精密绝对值与滤波电路设计如图4所示。电路工作过程：交流负半周信号通过IC2A、整流二极管D1、D2、电阻R5及R7输出；正半周信号通过IC2B通道输出；集成运放器IC3和IC4与电阻、电解电容组成放大与滤波电路，对整流后的直流信号进行二次放大与滤波；电阻器Wman为变送器灵敏度调整电位器；经过滤波的直流信号V0送到输出电路。

2.3 调零电路设计

由于传感器本身具有自身阻抗Z0，加上电路本身存在温漂与零漂等因素，信号变换过程中需对此进行调零。其电路原理如图5所示。调零电路的基准电压要求非常准确，采用稳定度优于0.02%的基准电压芯片5G1403。当输入电源变化时，其输出恒定为2.5 V。运放IC5A与调零电位器W0T组成幅值调整电路，输出信号经过IC5B缓冲器后送到IC3输入负端，实现对变送器输出信号的零位调整。

2.4 输出电路设计

通过放大滤波后的信号，分别经过两个缓冲器，一路直接输出0-10 V的电压信号；另一路连接到电压转换电流芯片AD694信号输入端。AD694芯片1、2脚短路，7、8脚短接，被设置成0-10 V变换成标准4-20 mA电流信号工作模式。其电路原理如图6所示。用户可根据实际需要选择电流或电压信号进行记录。

3 新型调制变送器在试车台液位远传系统中的应用

在试车台30 m3煤油容器加注中，新设计的调制变送器安装在容器附近接线箱中，通过低噪声电缆连接连续式电容液面计，输出电压或电流接至二次仪表，进行了实验测试及应用。系统上电后，先预热30 min，然后调整调零电位器，使二次仪表显示零。在容器加注过程中，分别记录液面高度与仪表显示数，记录数据与计算结果如表2所示。测试结果表明，系统标准偏差优于0.2%，精度明显优于传统的变送器。按表中A、B值设置仪表参数，仪表可直接显示容器液面高度或对应体积，多次试车标明，数据准确可靠。