压力变送器调试软件的研究与应用

2019-08-05戚卫星

仪器仪表用户 2019年9期

戚卫星

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114）

压力变送器可以测量流速、压力、液位等工业测量对象，其采用的压力传感器种类各不相同，包括压阻型、电容型和微谐振器型，所有这些传感器类型都使用硅单晶的薄膜作为压力接收元件。智能压力变送器集成了多个传感器，同时测量差压值、静压值和温度值。压力变送器可以采用电池供电或环路电源DC24V 供电，变送器对外接口包括：4mA ～20mA、HART、RS-485/RS-422/RS-232、PROFIBUS、Modbus 和foundation 等[1]。

1 系统原理和典型架构

从产品设计的角度来看，工业压力变送器系统设计需要同时兼顾产品硬件和调试软件的功能，必须考虑诸多设计细节要求，包括精度、零漂移、温度和静态压力补偿[2,3]。

1）考虑温度和静态压力信号对差压值的特性补偿。

2）可检测出压力传感器老化或任何异常问题。

3）压力变送器产品的最大量程可高达200:1，上限甚至可达15,000 psi。

图1 集成信号调理的信号链Fig.1 Signal chain for integrated signal conditioning

4）测量精度最高可以达到满量程范围的0.04%，通常需要16 位至24 位的模数转换器。

5）与不同现场总线的连接，例如HART、PROFIBUS、Modbus、foundation、RS-485/RS-422/RS-232、无线HART 等。

6）传感器、调理电路、系统电源、通信和I/O 之间可能需要隔离；隔离等级从1 kV ～2.5 kV。

7）采用电池和环路供电的差分压力变送器需要精心选择的超低功耗元件，例如MCU、AMP、ADC 和基准电压源。

工业现场温度环境非常复杂，甚至异常恶劣。为了能够在较宽的温度范围内工作，低温漂移系数和低功耗对差分压力变送器非常重要。ADI 公司提供完美的产品组合，包括精密放大器、精密基准电压源、精密模数转换器和低功耗Cortex-M3 内核微处理器等。除此之外，低功耗系统中的抗电磁干扰能力(如电涌、EFT 和ESD 等)也是压力变送器面临的严峻挑战。ADI 器件的高ESD 抑制能力能够大大改善产品的可靠性和稳定性[4]。

此外，压力变送器内部的空间有限，要求高系统密度，因而必须减小器件尺寸。近来，集成技术的进步使得系统设计人员能够采用尺寸更小、功耗更低、成本更低的解决方案，而其性能与那些大型系统不相上下。持续的技术进步要求既能不断促进这些解决方案集成，同时还提高其性能和诊断能力。ADI 公司提供面向市场定制的解决方案，以便简化设计过程。这些解决方案采用业界领先技术，并提供众多设计选项——从采用分立器件的实施方案到全集成式解决实施方案。

2 上位机软件

2.1 功能分析

图2 主窗口界面Fig.2 Main window interface

图3 数据采集界面Fig.3 Data acquisition interface

ADI 公司官网针对压力变送器提供了“Smart Pressure Transmitter.exe”软件，软件的主菜单包括：文件、编辑、操作、工具、窗口和帮助几个部分。当上位机软件连接硬件变送器以后，可操作的界面有主窗口、数据采集、数据数组、计算各温度下曲线系数、各系数曲线生成和曲线应用区域设定几大部分。从功能来看主要是用来设置所连接压力变送器的量程参数、压力传感器ADC 与压力值的对应关系、传感器温度补偿数据、输出4mA ～20mA 的PWM 标定校准几大部分，其中最为复杂的是压力传感器的温度补偿系数修正和针对差压传感器的静压补偿系数修正两部分[5]。

2.2 压力标定

压力变送器接通DC24 直流电源、串口线正确连接以后，打开“Smart Pressure Transmitter.exe”软件，默认显示主窗口选项卡。选择对应的COM 串口号，默认的通讯设置为9600-8-n-1，为了方便软件与下位机的串口数据流调试，分别设置了串口输入缓存区（Edit）、字符串接收（Memo控件）和字符串发送区（Edit）文本框。软件还可以远程重启目标板和读写压力变送器的版本号。

图4 计算各温度下曲线系数界面Fig.4 Calculating the curve coefficient interface at each temperature

数据采集页面可以设置调试模式，实时读取标定压力变送器的温度值℃，压力源标准值和对应压力变送器实时的ADC 值。最多可以设置4 个标定温度点和针对某个温度点下的5 个压力标定点，可以根据实际需求选择需要标定的温度点个数（1 ～4），标定时依次在特定温度下施加标准压力值点击对应的Read 按钮，待需要标定点填写完全后点击writeEE 按钮将数组数据写入下位机变送器硬件中，而当上位机软件需要读取压力变送器中的标定数据时，只需要点击ReadEE 按钮。而数据数组界面中是将上述保存的16 进制HEX 数组转换为10 进制的数组便于标定人员读取判断。

2.3 温度补偿

压力变送器的标定操作方法已经比较成熟，目前压力变送器所使用的传感器主要有蓝宝石压力传感器、扩散硅压力传感器、陶瓷压力传感器和数字压力传感器这几大类。如果压力变送器用在常温环境中，设备的计量性能普遍可以满足精度要求，但是一旦设备用在温差较大的工况环境下，如北方低温或新疆地区的高温差环境，就会出现明显的零点漂移，计量准确度下降甚至远远偏离预期压力值。

为了解决上述难题，目前多采用线性插值法、双线性插值法、最小二乘法来解决压力传感器的温度补偿难题，计算各温度下曲线系数界面相当于把1 ～4 个温度点下的5 个压力标定ADC 值分别创建多组补偿系数函数多项式关系，底层函数再将多组多项式的系数用最小二乘法进行二次拟合处理，得到针对这个压力传感器的特征公式。各系数曲线生成界面显示的是各组压力传感器ADC 值与标定温度值的对应关系，经过温度补偿处理后的压力传感器，其在任何温度工况下（前提标的温度范围已覆盖），压力变送器的计量特效都满足精度要求，其所呈现出来的输出特性与室温标的输出特性并无明显变化，甚至一致[6]。

2.4 输出标定

图5 各系数曲线生成界面Fig.5 Each coefficient curve generation interface

压力变送器输出两线制的4mA ～20mA 电流，控制输出的方式主要有PWM 输出和DAC 输出两种方式，都需要进行输出标定操作。由于PWM 和DAC 输出一般都满足16 位输出精度且线性度较高，一般标定4mA 和20mA 两点就可以满足整个量程的输出要求，写入压力变送器设备的参数包括PWM4、PWM20、DAC4 和DAC20。以PWM输出为例，标定有两种方法：一种是填写PWM4 时标准表的电流值和PWM20 时标准表的电流值；另一种是回路中串联标准电流表，手动调整PWM4 的数值直至标准表电流显示4.000，手动调整PWM20 的数值直至标准表电流显示20.000。这两种方法相比较，第一种方法更适合上位机软件标定，填写标准表电流值比较方便，而第二种方法更适合现场仪表标定，因为现场仪表按键填写难度较大，直接按键上下调整比较便捷[7]。