基于INA333和XTR115的壓力變送器

李　純，湛華海，程靜賢

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽(yáng)　621000)

0　引言

近年來，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，壓力測(cè)量已經(jīng)深入到科研和工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是近年來由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度∑-△、A/D與D/A變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測(cè)量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連接線，對(duì)于量程浮動(dòng)、輸出信號(hào)可遠(yuǎn)傳和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以及一機(jī)多用——即以同一檢測(cè)模板用于不同物理量的檢測(cè)場(chǎng)合，并滿足多種線性與非線性輸入信號(hào)的精度要求等課題，已越來越為廣大科技人員所關(guān)注[1]。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有大量的壓力測(cè)點(diǎn)需要測(cè)量。選擇高性能的信號(hào)調(diào)理器，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)傳輸，解決工控現(xiàn)場(chǎng)干擾的影響，顯得尤為關(guān)鍵。文中介紹了基于INA333和XTR115的壓力變送器，完成對(duì)傳感器信號(hào)調(diào)理，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出，外圍電路簡(jiǎn)單，具有精度高、抗干擾性能強(qiáng)、能耗低、安全可靠等特點(diǎn)。

1　研究原理

壓力變送器硬件包括傳感器模塊、信號(hào)放大模塊和V/I轉(zhuǎn)換模塊。傳感模塊將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)放大模塊通過儀表放大器對(duì)傳感器微弱信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，然后通過電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，實(shí)現(xiàn)4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[2-4]

2．1壓力敏感元件

設(shè)計(jì)中采用MPM280型壓阻式壓力敏感元件。它是一種不銹鋼波紋膜片隔離的充油式OEM壓力敏感元件。被測(cè)壓力通過隔離膜片和灌注的硅油傳遞到具有惠斯登電橋和精密力學(xué)結(jié)構(gòu)的硅壓敏芯片上，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)壓力和輸出信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。敏感元件經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試，通過激光調(diào)阻進(jìn)行零點(diǎn)和溫度性能補(bǔ)償。元件尺寸具有較強(qiáng)的互換性，可廣泛用于與不銹鋼和氟橡膠相兼容的各種流體壓力的檢測(cè)。

2．2壓力變送器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．2．1外形接口設(shè)計(jì)

壓力變送器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)接口，機(jī)械連接采用M20X1標(biāo)準(zhǔn)螺紋，通過六方進(jìn)行擰緊作業(yè)，電氣連接采用郝斯曼接頭。產(chǎn)品接口標(biāo)準(zhǔn)，安裝適用性強(qiáng)。

2．2．2變送器內(nèi)部設(shè)計(jì)

為了確保敏感芯片的高穩(wěn)定性、高可靠性和高精度，芯片在結(jié)構(gòu)體內(nèi)安裝采用“懸浮式”結(jié)構(gòu)，在徑向通過氟橡膠密封圈連接，在軸向可有一定間隙的余量，能自由浮動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)消除了敏感芯片在裝配時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力[5-6]。同時(shí)，變送器安裝螺紋及六方設(shè)計(jì)均遠(yuǎn)離敏感芯片安裝區(qū)域，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無應(yīng)力安裝。如圖1所示。

圖1　變送器安裝結(jié)構(gòu)圖

2．3變送器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變送器在設(shè)計(jì)上還考慮了壓力測(cè)量通道、變送器安裝、線纜輸出等各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，總體尺寸小。

3　變送電路設(shè)計(jì)及溫度補(bǔ)償

3．1電路設(shè)計(jì)

變送電路主要由傳感器信號(hào)放大和V/I轉(zhuǎn)換2個(gè)部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示[7-8]。

圖2　變送電路圖

傳感器信號(hào)放大選用INA333芯片。該芯片通過專有的開關(guān)電容型陷波濾波技術(shù)來消除斬波噪聲，確保了芯片50 nV/rt-Hz的超低輸入電壓噪聲；芯片采用零漂移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電路高精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性；芯片具有75 μA的靜態(tài)電流與1．8 V的電源工作電壓，大大提升了電源效率[9-10]。

V/I轉(zhuǎn)換部分的核心是XTR115電流環(huán)芯片。XTR115芯片是專為工業(yè)控制領(lǐng)域4～20 mA電流環(huán)設(shè)計(jì)的芯片，電流放大增益系數(shù)為100。 它的供電電壓為7．5～36 V，同時(shí)具有5 V的電源輸出和2．5 V的參考源輸出，這大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)提高了電流環(huán)輸出的精度[11-12]。

設(shè)計(jì)中，在XTR115前端增加由D1、D2、D3、D4組成的二極管整流橋，可以防止使用時(shí)電源線反向而導(dǎo)致電路損壞，并且采用電壓保護(hù)二極管D5，將電源門限控制在36 V之內(nèi)，防止電路電壓過載。INA333芯片和傳感器供電均由XTR115芯片提供，XTR115能提供小于4 mA的供電電流，INA333芯片的超低功耗，為傳感器供電提供了充分保障，傳感器供電能達(dá)到3．5 mA，可以保證傳感器正常工作[13]。在INA333的輸入端增加RC濾波器配合芯片特有的陷波濾波技術(shù)，大幅度降低了射頻干擾，顯著降低RF引起的失調(diào)電壓變化的影響。

3．2溫度補(bǔ)償

為提高傳感器精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，通過對(duì)硅壓阻式壓力傳感器采用PN結(jié)補(bǔ)償法對(duì)傳感器溫度偏差實(shí)施補(bǔ)償，以減小傳感器存在零點(diǎn)偏差和溫度漂移對(duì)變送器整體輸出信號(hào)的影響[14]。如圖3所示。

圖3　PN結(jié)補(bǔ)償法原理圖

通過利用PN結(jié)的偏置電壓靈敏度為-2 mV/℃的負(fù)溫度特性，在電橋電源部分增加一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)，對(duì)傳感器溫度漂移誤差進(jìn)行補(bǔ)償。二極管的數(shù)量由下述公式來決定：

式中：θ為二極管的溫度系數(shù)，一般取-2 mV/℃；ΔT為溫度變化范圍；ΔU為變化的電橋需要變化的電壓數(shù)值。

4　性能試驗(yàn)及結(jié)果

研制過程中，主要針對(duì)變送器進(jìn)行了抗高頻干擾對(duì)比試驗(yàn)、溫度性能試驗(yàn)、零點(diǎn)漂移試驗(yàn)和線性度測(cè)試。

4．1干擾對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境：常壓；試驗(yàn)溫度：20 ℃；試驗(yàn)方式：利用現(xiàn)有試驗(yàn)條件，采用高頻對(duì)講機(jī)為干擾源，對(duì)課題研究的變送器和采用普通放大器搭建的變送器進(jìn)行性能干擾測(cè)試對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)課題研究的變送器：對(duì)講機(jī)干擾源在20 cm范圍內(nèi)，變送器波動(dòng)小于40 mV；在20 cm之外，變送器波動(dòng)小于10 mV．

(2)普通變送器：對(duì)講機(jī)干擾源在20 cm范圍內(nèi)，變送器波動(dòng)達(dá)500 mV；在20 cm之外，變送器波動(dòng)達(dá)85 mV．

通過上述結(jié)果可見，課題研制的變送器抗干擾性能良好，即使在復(fù)雜環(huán)境下使用，也不會(huì)影響變送器正常工作。

4．2溫度性能試驗(yàn)

測(cè)試過程中通過串接250 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)量輸出電壓值，以下同。

溫度試驗(yàn)將溫度調(diào)節(jié)至指定溫度點(diǎn)，持續(xù)1 h后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，具體數(shù)據(jù)如表1，圖4為試驗(yàn)時(shí)間為1 h的溫度曲線圖。

表1　溫度性能試驗(yàn)

圖4　溫度曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果：在60 ℃以下溫度范圍內(nèi)，變送器溫度漂移為1.3 mV/℃，溫度漂移精度優(yōu)于0．05%FS/℃．

4．3零點(diǎn)漂移試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境：常壓；試驗(yàn)溫度：20 ℃；試驗(yàn)時(shí)間：3 h；試驗(yàn)結(jié)果：由原始值1．250 V變化至1．251 V，穩(wěn)定性優(yōu)于0．1%。

4．4線性度標(biāo)定

具體標(biāo)定參數(shù)如表2所示。

表2　線性度標(biāo)定

試驗(yàn)結(jié)果：線性度和重復(fù)性均優(yōu)于0．2%。

5　結(jié)論

通過一系列的性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了該變送器的實(shí)際精度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有較好的溫度性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和抗高頻干擾性能，該變送器滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]單繼忠．智能變送器設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文]．天津：天津大學(xué)．2004．

[2]費(fèi)業(yè)泰．誤差理論與數(shù)據(jù)處理．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995．

[3]王為，汪建曉．機(jī)械設(shè)計(jì)．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007．

[4]趙汝嘉．機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析．西安：西安交通大學(xué)出版社，1990．

[5]施涌潮，梁福平，牛春暉．傳感器檢測(cè)技術(shù)．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007．

[6]王平，王金文，董玉榮．壓力傳感器中安裝應(yīng)力的產(chǎn)生及解決措施．傳感器技術(shù)，2000，19(3)：49-50．

[7]XTR115，XTR116 4-20mA current loop transmitters[DB/OL]．[2003-07-21]．http：//www．ti．com．cn /cn/lit/ds/sbos124a/sbos124a．pdf．

[8]Using the XTR115 with the PGA309 to generate 4mA to 20mA output[DB/OL]．[2006-04-20]．http：//www．ti．com．cn/cn/lit/an/sboa107b/sboa107b．pdf．

[9]INA333 micro-power (50 μA)，zer φ-drift，rail-to -rail out instrumentation amplifier[DB/OL]．[2008-10-30]．http：//www．ti．com．cn/cn/lit/ds/sbos445b/sbos445b．pdf．

[10]陳楠．INA333：低功耗零漂移儀表放大器．世界電子元器件，2008(8)：90．

[11]張華棟，孫麗麗．用TMS320LF2407和XTR115設(shè)計(jì)電流環(huán)通訊口．電子產(chǎn)品世界，2005，21：90-91．

[12]昝勇，羅永紅，王沛瑩．XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用．電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(8)：190-192．

[13]沙占友，白云飛，安國(guó)臣．集成化精密電流變送器的原理與應(yīng)用．電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7(4)：235-237．

[14]樊尚春，彭春榮．硅壓阻式傳感器的溫度特性及其補(bǔ)償．微納電子技術(shù)，2003(7)：484-488．