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二线制数字补偿扩散硅差压变送器的研制

来源:江苏创辉自动化仪表有限公司 时间:2018-09-27
为适应仪表行业日趋激烈的竞争形势 ,开发一种中高档差压变送器 。要求其性能(除通讯外) 基本等同于进口的智能差压变送器 ,而成本低于市面上的中档差压变送器 ,以求占领中档产品市场 。扩散硅差压传感器具有响应速度快 ,线性好 ,成本低 ,耐静压高等特点 ,但其温球大 ,必须对其进行温度补偿。在满足二线制仪表低功耗设计的基础上 ,采用单片机对传感器进行了数字补偿 ,并使其具备进口智能变送器的线性输出,开方输出 ,阻尼可调 ,电压电流液晶显示 ,小流量切除等各项功能。各项性能指标达到国内先进水平
 
1.补偿原理
扩散硅差压传感器采用便流源供电\压阻式惠斯登电桥连接而成,具有如下特性 :线性误差小于 0.5 %( - 100 %Fs一100 %Fs) ;温飘小于0.15 %Fs/℃ (- 30一80℃) ;在压力一定 温度范围较小的情况下 ,传感器的输出与温度成线性关系;在温度一定 \压力范围较小的情况下 ,传感器的输出与压力成线性关系。相应地 ,传感器的输出函数V = F(P,T )妨可分段线性化:温度一定 ,且压力范围较小时,V= aP+b (1)压力一定,且温度范围较小时, V= cT+ d (2)
式中: V一传感器的输出;
P一一传感器受到的压力;
T一一传感器温度 ;
a、b、 c、d一分段线性化系数 ,其值按两点决定
显而易见 ,该方法的实施步骤如下 :
第 一步是按特定温度和压力点列出传感器的输出;
第 二步是采样传感器的压力输出和温度 ,根据附表 ,对温度和压力进行分区 ;
第 三步是在这一特定区域内 ,根据方程(0) 和
(2)求解准确的差压值。
例如 :测得一只传感器的输出 Vxy及温度 Tx,求 Py。首先通过查附表,对 Tx、 Vxy。进行分区 ,假设Ti< Tx< T(i+1)< Vif<Vxy<Vi(f+1) ,根据方程(2)求出温度为Tx ,压力为 Pf 时,传感器的输出 Vx(f+1);
和温度为Tx, 压力为 P(f+1)时传感器的输出再根据 Vxf、Vx(f+1)及方程(1)求出真实压力值 Py。
该补偿方法的缺点是初始测试的数据偏多 ,测试的精度直接影响补偿效果 ,某一点测试误差直接影响该点附近的点的测量精度 ,不过自动测试可解决这一问题 。
该补偿方法的优点是要提高补偿的精度 ,只需适当地增加测试点即可 ,程序的兼容性强 ,该方法对每一只传感器的补偿有效 ,后续电路的功能扩展也容易实现 ,便于产品的批量生产 。
 
2.硬件设计
(1) 采用便流源给传感器供电 ,对传感器输出信号进行差分放大 ,并对放大倍数进行调整 ,以满足A/D 转换器对输入的要求 。
(2) 检测传感器温度 ,存贮初始化补偿数据和标定数据 。
(3) 通过键盘设定线性输出、开方输出方式和阻尼 ,调效仪表零点 .量程 。
(4) 用 CPU 采样传感器压力输出和温度 ,根据补偿初始化数据 ,对传感器进行温度 `线性补偿 ,计算出准确的压力值 ,需要时进行小流量切除 ,控制D/A 转换器.电压电流转换器进行电流输出 ,并控制液晶显示器显示压力值和电流 。
为了便于流水线生产 ,可将恒流源 ,差分放大电路 初始化补偿数据 温度传感器和差压传感器做成一体 ,这样一只进行了初始化补偿测试的传感器就能成为一个具有通用性的整体 ,能与任意 CPU 线路板连接使用 方便生产 。其硬件设计框图如图 1 所示。

3.低功耗设计
本仪表为 4一20 mA 的二线制仪表 ,这要求仪表的电路工作电流在 3. 800 mA 以下 ,同时还要保证传感器供电电流在 0. 6一1.0 mA ,这样电路的低功耗设计就成为该仪表的设计难点 ,通过以下方法能较好地解决这一问题 。
在器件选型方面 ,尽量选用低微功耗的器件 ,且要求器件的工作状态可控 ,能方便地进入掉电备用等状态 ,从而降低整个电路的工作电流 。电路设计方面 ,在满足电路正常工作的前提下 ,尽量采用低电压供电方式 ,降低每个器件的工作电流 。对于微处理器、.A/D 转换器.EEPROM 等工作速度与功耗成线性关系的芯片 ,降低工作频率可大大地减小工作电流。另外 ,通过 CPU 采用软件分时操纵外围器件 ,使其处于工作 ,掉电、备用的方式 ,并避免功耗大的器件同时工作 ,从而降低电路的工作电流 ,抑制电流尖峰。
通过以上方法的处理 ,本电路在满足传感器 1mA 供电的情况下 ,工作电流在 3.7 mA 时就能稳定地工作 ,较好地解决了低功耗的问题 。

4.软件设计
传感器的输出电压和温度采用定时中断采样、平均值滤波的方式获得 ;对传感器的线性和温度补偿采用 3 字节浮点数计算 ;输出电流的零点或量程的标定 ,零压满压的锁定 ,液晶显示压力的标定 `线性开方输出方式等各种辅助功能的实现采用键盘控制的方式解决。仪表处于测试状态时 ,程序的最长运行周期控制在 0.75 s 以内 
 
5.扩散硅差压变送器整机应用效果
对随机抽样的 40 多台样机进行了详细测试 ,对温度范围在 - 30一80 采样 5 个温度点 .量程范围在- 100 %Fs一100 %Fs 采样 7 个压力点进行温度补偿的变送器 ,其整机温球达到 0. 1 9/ 10 ,线性达到 0.1 多。同时仪表具有线性输出 \开方输出 ,阻尼可调 ,压力电流液晶显示 ,小流量切除等功能。由于采用单片机 ,仪表零点 ,量程调节方便,且互不影响 ,量程迁移达到 20 :1 ,各项性能指标达到国内先进水平 ,用户反应良好 。
 
 
 
 
 
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