高性能智能压力变送器的设计与实现

2014-08-02毕监勃

化工自动化及仪表 2014年5期

毕监勃

(重庆四联测控技术有限公司，重庆 401121)

工业生产中，压力变送器主要用于连续地测量工艺参数，因而用量最大，广泛应用于冶金、电力、化工、煤化工、核电、建材、船舶、机械制造、垃圾处理、高速公路及城市供热等领域。随着工业自动化控制的快速发展，其对压力变送器的应用要求也越来越高，比如：精度、稳定性和连续的工作模式，而且压力变送器长期与油、水、汽、高温、低温、振动冲击、电磁干扰、潮气、强酸、强碱或强腐蚀介质接触，故对其膜片材料、外壳及防腐性能等均提出了更高的要求[1～3]。近年来，随着国家安全法规的执行以及系统的智能升级，要求变送器必须具备SIL完整性安全认证、HART通信、ProfiBus或FF总线协议功能。

重庆四联测控技术有限公司组织研发队伍，设计了一款具有自主知识产权的高性能智能压力变送器，在此笔者着重给出其设计原理和实现方法。

1 系统组成①

高性能智能压力变送器(图1)由电源、复合传感器、显示器、SD2015 HART通信模块、CPU处理器、ADS1241信号采集模块和外部防雷模块组成。其中复合传感器、HART通信模块、CPU处理器是产品的核心部件。

图1 压力变送器组成框图

1.1 信号采集

采用应变电阻原理在半导体上制作复合传感器，传感器基体受力发生变化时应变电阻也发生变化，在恒流激励下，电阻上的电压变化量与压力变化量成正比关系。信号放大后经高速采样AD转换为数字信号，送入CPU处理器完成运算。

ADS1241是具有24位分辨率的高精度、动态特性的Δ-Σ型模拟/数字转换器，具有24位无丢码特性和21位有效分辨率。具有可选的输入缓冲，可以提高输入阻抗，使其可以直接与变送器或微小电平信号连接。而内置的熔断电流源则可以检测传感器的开路或短接状态。

1.2 显示模块

高性能智能压力变送器设计有专用液晶显示器，采用超宽温LCD，适用于-35℃～+85℃，解决了我国东北和西北地区超低温环境的变送器应用问题。配合CPU处理器，可显示压力、电流和百分比。进行压力显示的单位有mA、MPa、kPa、Pa、gf/cm2、kgf/cm2、mmH2O、inH2O、ftH2O、mbar、bar、psi、mmHg、inHg、Torr、atm共16种单位，可适用于全球不同的地区。

1.3 HART通信模块

采用新型SD2015 HART通信模块，SD2015是专为实现HART协议而设计的CMOS单芯片调制解调器，符合HART协议的通用命令、常用命令和专用命令。SD2015使用相位连续的频移键控FSK技术，传输速率1 200b/s，半双工通信，符合HART协议物理层要求。芯片的典型工作电流在5.0V电压时为150μA，3.3V时为90μA，低于现有的HART调制解调器芯片。误码率小于百万分之一，是HART协议要求的百分之一。

SD2015功耗低、可靠性强，尤其适用于关注功耗的应用场合。芯片只需外加少量无源元件，即可满足HART物理层规范功能要求，包括调制与解调、输入信号滤波、载波检测及发送信号波形整形等。低功耗的SD2015和CPU M3030RFC应用，使得产品功耗大为降低，为进一步开发无线变送器创造了有利条件。

1.4 CPU处理模块

高性能智能压力变送器采用了低功耗的M3030系列微处理器，其优势有：运行速度快，最大运行频率16MHz；24位单端差分；8KByte的FLASH存储器；有8种放大倍数设置，最大可达128倍；多功能UART串行通信功能；两个DMAC通道；CRC计算电路；监视定时器；主时钟产生电路和子时钟产生电路；87个I/O端口和10个外部中断管脚。

采用M3030处理器构成的控制的系统，主要实现故障信号的分类与识别、等级设置、屏蔽，显示驱动与中断触发；完成对变送器的非线性和温度影响的补偿校正时，进行自动运算功能；运行系统软件，对测量数据进行计算、存储和处理，还可以通过反馈回路进行自动增益比调节，以使采集数据达到最佳。

1.5 补偿系统

为提高变送器的量程比，提高温度性能、线性度及长期稳定性等指标，必须对传感器性能进行补偿校正[4]。高性能智能压力变送器采用数字滤波，能够有效抑制干扰，进行统计处理及去除异常数值等；应用最先进的神经元补偿算法；在信号较小时，实现增益自动调节，提高了产品的量程比，也提高了小量程时的产品精度、稳定性和可靠性；增加异常中断功能，识别传感器、电路、设置及数据采样等故障分析点，在产品出现相应故障时直接显示故障现象。软件编程采用C语言，系统主程序流程如图2所示。

2 硬件电路

高性能智能压力主送器的关键芯片是信号采集模块ADS1241、HART通信模块SD2015和CPU处理器，其硬件电路如图3～5所示。

图2 主程序流程

图3 信号采集模块电路

图4 HART通信模块电路

图5 CPU处理器

3 整机性能

高性能智能压力变送器采用了新型的低功耗高性能集成电路、先进的设计思路和优化的补偿算法，提升了产品的性能、质量、可靠性和功能。其主要性能指标如下：

基本精度 ±0.074%，±0.004%

量程比 100∶1

量程范围差压0～20MPa 压力0～70MPa

输出信号 4～20mA叠加HART协议

过载极限差压42MPa 压力105MPa

温度范围环境温度-40～85℃

温度影响量 ±0.072%/28℃

长期漂移不大于0.1%/5a

防爆本安型Ex ia IIC T6

隔爆型Ex d IIC T6

防护等级 IP67

高性能智能压力变送器除了常规的应用功能外，新增了独具特色的新功能，具体如下：

a. 集成自诊断功能。通过HART通信启动诊断功能，包括SENSOR、ROM、RAM、EEPROM和软件运行状况；工作计时器累计工作事件；超限监视器压力值、传感器温度和电子部件温度；维护定时器。

b. 操作灵活方便。常规智能压力变送器在设定参数时，必须使用HART手操器。为了提高笔者介绍变送器的使用灵活性，设计时增加了“本地组态”功能。可通过3个按键，在现场完成HART手操器的功能，如设定变送器的零点、量程、阻尼、输出显示、单位及零点校正等功能。此功能可在0区爆炸环境中使用。

c. 仿真。可以定时对过程及其自身进行监视，在超过定义数量的事件之后，发送相关的测量值，并同时进行响应，从一个简单的“数值指示器”升级为“数值分析器”。可以通过HART传输诊断事件，输出电流不受影响，诊断原理如图6所示。也可以在零压力条件下，模拟系统运行，仿真压力值、传感器温度、电子部件温度，输出不同的调试电流，用于系统开车前的检查、联调和系统故障分析。