寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的設計

夏愛明，高 峰

（南京沃天科技有限公司，南京 211161）

寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的設計

夏愛明，高 峰

（南京沃天科技有限公司，南京 211161）

該文設計了一款寬溫度范圍工作、多參數(shù)測量的差壓變送器，以消減靜壓對差壓測量的影響。介紹了該款寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的基本原理；完成了寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的結(jié)構設計、信號調(diào)理電路設計、抗干擾和防靜電設計、變送器的工藝技術設計、多參數(shù)差壓變送器的寬溫區(qū)溫度補償；詳細介紹了該差壓變送器的結(jié)構和性能。經(jīng)過溫漂測試，該產(chǎn)品基本滿足設計要求。產(chǎn)品已經(jīng)投入使用。

差壓變送器；多參數(shù)；寬溫度；靜壓影響

多參數(shù)差壓變送器可以同時測量2個壓力點的差值及其中1個壓力點的靜壓，并將2種壓力信號轉(zhuǎn)換為標準電壓、電流、數(shù)字信號輸出，達到測量壓力目的，轉(zhuǎn)換后的信號可以直接與計算機、控制儀表、顯示儀表、無線發(fā)射裝置等連接。在油田集輸工藝中，多參數(shù)差壓變送器可用于測量沉降罐中油水混合物的含水率[1]；在醫(yī)療設備、液化天然氣汽車中，可以用來測量液體、氣體的剩余量[2]。

傳統(tǒng)的測靜壓、差壓方式多采用1個靜壓傳感器測出靜壓和1個差壓傳感器測出差壓。但在實際應用中，單獨靜壓傳感器和單獨差壓傳感器在引壓時存在一些問題，并且單獨差壓傳感器受靜壓影響會產(chǎn)生誤差，使得測試精度較低[3]。

寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器采用特制的一體式壓阻式擴散硅復合差壓傳感器，該傳感器規(guī)避了靜壓的影響，將單獨靜壓傳感器和單獨差壓傳感器合二為一，減小了傳感器的空間，并且采用一體化數(shù)字電路、抗干擾設計，使用數(shù)字電路進行寬溫區(qū)補償，使其具有高精度、寬溫區(qū)、抗干擾、小型化、穩(wěn)定性好、易安裝等特性。

1 變送器的測量原理

壓阻式壓力傳感器的基本原理是利用硅的壓阻效應，將被測壓力的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻變化，然后通過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為毫伏電壓輸出[4]。

寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器核心壓力元件，是1只特制的一體式壓阻式擴散硅復合差壓傳感器，這種傳感器采用在高壓端設置1個單壓芯片、低壓端設置2個單壓芯片，高壓端芯片使用正半橋，低壓端其中一個芯片也使用正半橋構成一個全橋測差壓，低壓端另一個芯片使用全橋測靜壓。壓阻式擴散硅復合差壓傳感器將差壓和靜壓轉(zhuǎn)換為毫伏級信號后，利用專用集成電路將毫伏信號放大，轉(zhuǎn)換為標準電壓、電流、數(shù)字信號輸出。其測量流程如圖1所示。

圖1 測量流程示意Fig.1 Measurement flow chart

2 變送器設計

2.1 變送器設計框架

寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的設計主要包括多參數(shù)差壓變送器的結(jié)構設計、擴散硅復合差壓傳感器信號調(diào)理電路設計、抗干擾和防靜電設計、多參數(shù)差壓變送器的寬溫區(qū)溫度補償?shù)取?/p>

2.2 多參數(shù)差壓變送器的結(jié)構設計

多參數(shù)差壓變送器的基本結(jié)構如圖2所示，主要包括主殼體、上蓋、復合差壓傳感器、側(cè)面緊固裝置、高壓端、低壓端、信號調(diào)理電路板。

高壓端、低壓端通過氬弧焊工藝焊接到變送器的主殼體上，主殼體內(nèi)與高壓端、低壓端連接處設計有緩沖腔，防止進壓端的瞬時壓力將復合差壓傳感器損壞；復合差壓傳感器通過側(cè)面緊固裝置固定在主殼體內(nèi)；信號調(diào)理電路板通過螺釘固定在主殼體上，密封在上蓋內(nèi)；放大信號引出線通過緊線盡頭緊固到上蓋上；多參數(shù)差壓變送器整體通過安裝孔固定到現(xiàn)場的安裝板上；考慮到變送器用于室外存在雨淋等狀況，其內(nèi)部多處都進行了防水設計；考慮到多參數(shù)差壓變送器的寬溫區(qū)范圍工作，所有材質(zhì)的選擇都符合耐低溫（-40℃）和高溫（85℃）的要求；考慮到原油、液化天然氣的腐蝕性，所有材料都采用耐腐蝕材料。

圖2 多參數(shù)差壓變送器的基本結(jié)構Fig.2 Basic structure of the differential pressure transmitter

當液體通過高壓端作用到復合差壓傳感器的高壓感知膜片，氣體通過低壓端作用到復合差壓傳感器的低壓感知膜片，使膜片產(chǎn)生與壓力成正比的微位移，從而將壓力傳遞到復合差壓傳感器的壓力芯片上，壓力芯片上的惠斯頓電橋電阻值發(fā)生變化，從而輸出毫伏級信號，利用信號調(diào)理電路將毫伏級信號轉(zhuǎn)換為標準電壓信號，實現(xiàn)壓力信號與電壓信號的線性轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)氣-液兩相流的氣態(tài)和液態(tài)的測量。

2.3 信號調(diào)理電路設計

基于寬溫區(qū)多參數(shù)復合差壓變送器多使用在室外，存在無外接電源的情況，該變送器的信號調(diào)理電路設計采用低電壓供電、低功耗的專用集成放大芯片，同時具備寬溫區(qū)數(shù)字化溫度補償?shù)墓δ堋?/p>

此專用集成放大芯片的控制電路由微型控制調(diào)節(jié)器（CMC）和控制電路模塊組成，這些控制電路模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字接口控制電路、PWM及數(shù)字串口接口電路組成。全部設備的工作模式通過E2PROM進行配置。CMC不僅是整個測量過程中的控制器，同時也實現(xiàn)對寬溫區(qū)多參數(shù)符合差壓變送器信號的修正和調(diào)節(jié)。計算機通過專用集成放大電路一線接口（one wire interface）進行通信，以實現(xiàn)信號調(diào)理目的。芯片的結(jié)構框圖如圖3所示。

圖3 專用集成放大芯片結(jié)構Fig.3 Structure block diagram of ASIC

調(diào)理電路調(diào)理后設計為模擬電壓輸出，電源供電后通過三端穩(wěn)壓管U12，U21將給專用集成放大芯片的供電降低以提高其工作時間。信號調(diào)理電路的設計原理如圖4所示。

圖4 調(diào)理電路原理Fig.4 Principle of conditioning circuit

2.4 抗干擾和防靜電設計

多參數(shù)差壓變送器的主殼體材質(zhì)為金屬，且裸露在外。外界中存在雷擊和很多帶電物，這些帶電體的電壓可以高到幾千伏[5]；外界中也存在著各種長波、短波電磁信號，這些電磁信號容易對多參數(shù)差壓變送器輸出產(chǎn)生影響，導致輸出失真。

為了保護多參數(shù)差壓變送器內(nèi)部信號調(diào)理電路不受超高電壓破壞，降低電磁信號對多參數(shù)差壓變送器輸出的影響。多參數(shù)差壓變送器內(nèi)部設有專用于防電磁干擾和靜電的保護電路。保護電路原理如圖5所示。

圖5 保護電路原理Fig.5 Protection circuit principle

如圖所示，D1為一級防靜電保護管，幾千伏的超高電壓可以先通過此保護管吸收，當靜電電壓超過一級保護管的承受能力時，此時保險絲R0熔斷，電路暫時斷開，當靜電電壓恢復到一級保護管的承受能力時，一級保護管發(fā)揮作用，信號繼續(xù)通過保險絲R0傳輸?shù)蕉壉Ｗo管D2，此時二級保護管D2吸收較低的靜電電壓，從而保護多參數(shù)復合差壓變送器的內(nèi)部電路。L1，L2，C1，C2，C3共同構成了防電磁干擾保護電路。當無效干擾信號通過這些器件時就會被濾除，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定，此時的接地端需要有效連接多參數(shù)復合差壓變送器的主殼體。

2.5 多參數(shù)差壓變送器的寬溫區(qū)溫度補償

多參數(shù)差壓變送器的敏感元件是硅壓阻式復合差壓傳感器，采用半導體材料制成，受溫度影響較大，如果不進行溫度補償，就會產(chǎn)生溫度漂移，從而產(chǎn)生較大的測量誤差[6]。此多參數(shù)差壓變送器采用專用集成放大芯片，此芯片能對傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進行數(shù)字補償，補償范圍可以達到-40～125℃，它由一個16位的RISC微控制器進行補償，補償后變送器的溫漂可以達到0.5%FS（-40～125℃）。

3 試驗結(jié)果

根據(jù)寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器設計原理生產(chǎn)出的產(chǎn)品，選取2只進行溫漂測試（變送器輸出均為0.5～2.8 V）。1只進行IP67測試，另外1只進行對講機干擾測試，測試結(jié)果見表1~表3。由表可知此寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器基本滿足設計要求。

4 結(jié)語

提出了一種新型的寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的設計方案，可以實現(xiàn)變送器寬溫區(qū)、多參數(shù)的測量，解決了傳統(tǒng)差壓變送器受溫漂、靜壓影響誤差大，測量不準確，占用空間大，不易于安裝等問題。該寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器相關部分已經(jīng)申請了國家知識產(chǎn)權局的專利，本設計是在申請基礎上的改進型。產(chǎn)品在醫(yī)院液氧灌、液化天然氣汽車投入使用后，測試結(jié)果理想，性能穩(wěn)定。

表1 溫漂測試Tab.1 Temperature drift test

表2 IP67測試Tab.2 IP67 test

表3 對講機干擾測試Tab.3 Intercom interference test

[1] 張冬至，胡國清.油水混合物含水率在線檢測技術最新研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（10）：5-8.

[2] 胡浩，鐘麗瓊，周潛.差壓傳感器技術的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機床與液壓，2013，41（11）：187-190.

[3] 林木森，楊清風.復合功能差壓傳感器[J].國外傳感技術，2005，15（1）：19-21.

[4] 高峰，趙建立，李靜文.SOI寬溫區(qū)微型只能壓力傳感器的設計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2016，31（12）：18-22.

[5] 韓亞南，趙柏秦，吳南健.面向WSN的土壤鹽分、水分、溫度傳感器的設計[J].儀器技術與傳感器，2016，46（11）：5-9.

[6] 卞金洪，王吉林，周鋒.高精度壓力傳感器中溫度補償技術研究[J].哈爾濱理工大學學報，2011，16（6）：55-57.

Design of Multi-parameter Differential Pressure Transmitter in Wide Temperature Range

XIA Ai-ming，GAO Feng

（Nanjing Wotian Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211161，China）

A differential pressure transmitter with wide temperature range and multi parameter measurement is designed to reduce the influence of static pressure on differential pressure measurement.The basic principle of multiparameter differential pressure transmitter in the wide temperature range is introduced.Multi-parameter differential pressure transmitter in wide temperature range structure design，the signal conditioning circuit design，anti-interference and anti-static design，technology design of the transmitter，wide temperature range compensation of multi-parameter differential pressure transmitter is completed.The structure and properties of the differential pressure transmitter are introduced in detail.After the temperature drift test，the product basically meets the design requirements.The product has been put into use.The relevant parts have applied for national patent.

differential pressure transmitter；multiple parameter measurement；wide temperature range；influence of static pressure

TP212

B

1001-9944（2017）11-0028-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.007

2017-04-28；

2017-09-04

夏愛明（1985—），男，學士，工程師，研究方向為壓力變送器制造技術。