智能化壓力變送器的硬件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙芳

摘 要：? 壓力變送器作為工業(yè)上廣泛使用的測(cè)量設(shè)備，能夠滿足多種介質(zhì)在不同工作環(huán)境下的測(cè)量要求。在傳統(tǒng)壓力變送器結(jié)構(gòu)及原理的基礎(chǔ)上，智能化壓力變送器能夠通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)多種測(cè)量環(huán)境的誤差補(bǔ)償及測(cè)量方案優(yōu)化，通過(guò)對(duì)電容式智能壓力變送器的硬件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，完成了對(duì)壓力變送器的工況模擬試驗(yàn)與調(diào)整，證明了智能壓力變送器設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：? 壓力變送器;硬件設(shè)計(jì);試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：? TP216??????? ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.12.009

現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)離不開(kāi)各種儀器儀表的使用，智能儀表成為了現(xiàn)代化生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和控制的必須工具，壓力變送器是一種在工業(yè)控制中廣泛使用的壓力參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，涉及的行業(yè)包括了水利水電、石化、軍工、鐵路交通等眾多領(lǐng)域，智能化的壓力變送器能夠精確地測(cè)量氣體和液體等多種介質(zhì)的壓力或壓差參數(shù)，通過(guò)其自帶的轉(zhuǎn)換功能將獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，供報(bào)警儀、調(diào)節(jié)器以及其他控制系統(tǒng)等使用。為滿足各行業(yè)的使用要求，壓力變送器的產(chǎn)品種類十分豐富，測(cè)量的壓力范圍從微小到高壓均能勝任，智能化的壓力變送器由于精度高、體積小、功能豐富，顯著提升了工業(yè)生產(chǎn)的先進(jìn)化程度，具有較高的研究?jī)r(jià)值和意義。

1 基本結(jié)構(gòu)及原理說(shuō)明

壓力變送器的主要功能就是將壓力信號(hào)以有效的形式傳遞給電子接收設(shè)備，壓力變送器的轉(zhuǎn)換方式包括了硅壓阻式、電容式、電感式、力矩平衡式等多種類型，其基本原理是將測(cè)得的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA電流或1～5 V電壓，壓力的大小通常和轉(zhuǎn)換后電流或電壓的大小成正比關(guān)系。壓力變送器的主要測(cè)量結(jié)構(gòu)由兩個(gè)壓力室和測(cè)量膜片組成，低壓室通常為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，高壓室為被測(cè)量壓力，當(dāng)高壓室壓力增大，測(cè)量膜片會(huì)因?yàn)閴毫Φ淖饔枚a(chǎn)生位移，此時(shí)的位移量和壓力大小成正比關(guān)系。當(dāng)測(cè)量膜片發(fā)生位移，會(huì)引起膜片上的電路系統(tǒng)將變化量轉(zhuǎn)換為正比關(guān)系的電壓信號(hào)，再經(jīng)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，提供給顯示或處理裝置使用。

不同的傳感器具備各自的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)，常用的傳感器類型包括電容式傳感器、電感式傳感器、硅壓阻式傳感器等幾種。電容式傳感器主要采用恒定彈性的不銹鋼作為測(cè)量膜片的材料，以獲得較高的精度和使用壽命，其壓力室由金屬材料制成，有利于減小裝配誤差并提高抗沖擊和振動(dòng)的能力，當(dāng)薄膜受壓力而發(fā)生形變時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路可以輸出與電壓變化成一定關(guān)系的電信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后即可獲得壓力的測(cè)量值。電感式傳感器主要由鐵芯、線圈、銜鐵、測(cè)量膜片、毛細(xì)管以及硅油組成，當(dāng)傳感器受到壓力作用時(shí)，測(cè)量膜片會(huì)發(fā)生位移，引起安裝在測(cè)量膜片上的銜鐵發(fā)生位置變化，同時(shí)傳感器線圈的電量也發(fā)生了變化，因此，通過(guò)檢測(cè)測(cè)量線圈的電流變化就能精確得出壓力值的大小。硅壓阻式傳感器主要是利用硅電阻集成的單晶硅測(cè)量膜片作為主要工作部件，當(dāng)膜片受到壓力引起形變時(shí)，會(huì)引起硅電阻的電阻值發(fā)生變化，這種變化經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再通過(guò)處理轉(zhuǎn)換為壓力值。

2 智能化壓力變送器的設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

壓力變送器的種類和形式很多，本設(shè)計(jì)主要針對(duì)于工業(yè)廣泛使用的電容式壓力變送器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其總體技術(shù)路線如圖1所示：首先通過(guò)選擇合適的壓力傳感器來(lái)完成被測(cè)介質(zhì)的實(shí)時(shí)壓力測(cè)量，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理將被測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，所需處理的數(shù)據(jù)不僅包括壓力數(shù)據(jù)，還包括同時(shí)獲取到的溫度數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)在單片機(jī)中經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算處理后，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器及通信電路的處理將壓力與溫度的數(shù)據(jù)完全轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的直流電信號(hào)。進(jìn)而通過(guò)通信裝置傳遞給相關(guān)儀表控制單元或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。

本設(shè)計(jì)所完成的智能化壓力變送器是在傳統(tǒng)壓力變送器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的升級(jí)，壓力變送器仍以傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并根據(jù)不同的功能要求來(lái)對(duì)傳感器和檢測(cè)電路進(jìn)行一定的調(diào)整和改造。本設(shè)計(jì)的智能變送器最大的特點(diǎn)在于引入了單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這就在理論上實(shí)現(xiàn)了通過(guò)改變編程程序來(lái)滿足儀表的多種適應(yīng)性能力，采用單片機(jī)做為微處理器能夠使儀表在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中具有速度快、可靠性高以及靈活性好的特點(diǎn)。

2.2 壓力傳感器的選擇

通過(guò)上文敘述可知壓力傳感器的種類很多，本設(shè)計(jì)所選用的壓力傳感器為電容式傳感器，其具備良好的使用壽命和較高的安裝精度，能夠有效降低因裝配或徑壓所引起的誤差，具備較高的測(cè)量穩(wěn)定性，電容式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示：由于電容式傳感器所采用的壓力室為金屬材料制成，能夠承受很大的壓力作用并有效抵抗沖擊和載荷，因此，能夠應(yīng)用于較為惡劣的工作環(huán)境，并完成高精度的壓力測(cè)量。

2.3 溫度測(cè)量裝置的選擇

由于壓力變送器是一個(gè)體積較小的精密型儀器，其在工作的過(guò)程中對(duì)介質(zhì)溫度的測(cè)量是必要的，這樣能夠保證在不同溫度條件下對(duì)壓力傳感器的形變進(jìn)行一定的補(bǔ)償計(jì)算。為了保證溫度傳感器不對(duì)壓力變送器的整體及外形產(chǎn)生影響，本設(shè)計(jì)采用了將小型溫度傳感器，通過(guò)導(dǎo)熱硅膠粘放于壓力傳感器本體上，從而能夠快速的獲得介質(zhì)及壓力傳感器的溫度變化。溫度傳感器以半導(dǎo)體做為測(cè)溫原件，測(cè)溫原件集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，能夠?qū)y(cè)量的溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析轉(zhuǎn)化及存儲(chǔ)，為保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性可采用三點(diǎn)或四點(diǎn)式溫度測(cè)量，使溫度的測(cè)量誤差控制在1 ℃以內(nèi)。

2.4 數(shù)據(jù)處理單元的選擇

在壓力變送器的整個(gè)硬件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理是最核心的步驟，參數(shù)的轉(zhuǎn)化與處理直接影響到測(cè)量結(jié)果的精確度，同時(shí)處理單元的工作擴(kuò)展能力也直接影響了壓力變送器的使用功能及壽命，通過(guò)對(duì)多種微型處理器的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行比較，單片機(jī)微型處理器集成了處理功能、存儲(chǔ)功能、計(jì)時(shí)功能、計(jì)數(shù)功能以及數(shù)據(jù)接收和輸出功能等多種功能于一身。單片機(jī)處理器經(jīng)過(guò)了多年的改進(jìn)發(fā)展，其不僅在功能上滿足多方面的要求，更在程序的編制及運(yùn)行的速度、功能可靠性等方面具有自身優(yōu)勢(shì)，且市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)較低。經(jīng)過(guò)多方對(duì)比，選用了單片機(jī)處理器作為智能壓力變送器的數(shù)據(jù)處理核心原件，利用其靈活的開(kāi)發(fā)手段，解決壓力變送器數(shù)據(jù)處理的要求。

2.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的選擇

本設(shè)計(jì)選擇了亞德諾公司所生產(chǎn)的12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，它能夠直接對(duì)壓力傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行接收和處理，由于采用了更為先進(jìn)的轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠有效防止丟失碼問(wèn)題的產(chǎn)生，并高效完成參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。這種轉(zhuǎn)換芯片可以選擇多種供電方式并具有靈活的輸入和輸出模式，具有精確度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足壓力變送器模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的要求。

2.6 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)不僅要滿足監(jiān)測(cè)和控制的全部要求，還必須做到簡(jiǎn)單易用。人機(jī)界面中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量參數(shù)的儀表化顯示、各工作部件的分析與診斷、量程調(diào)節(jié)等功能，用戶可以通過(guò)選項(xiàng)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力變送器工作狀態(tài)及測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，也方便了使用者對(duì)數(shù)據(jù)處理器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置的維護(hù)和觀測(cè)。本設(shè)計(jì)選用了施耐德公司生產(chǎn)的人機(jī)交互系統(tǒng)，能夠有效的對(duì)單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效智能顯示的工作要求。

3 試驗(yàn)與總結(jié)

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于條件所限壓力變送器的試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，除所設(shè)計(jì)的壓力變送器外，使用的試驗(yàn)儀器包括空氣壓縮機(jī)、浮球式壓力計(jì)、數(shù)字顯示萬(wàn)用表、恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱以及臺(tái)式電腦等。

試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)壓縮機(jī)和熱風(fēng)干燥箱創(chuàng)造空氣介質(zhì)的壓力測(cè)量環(huán)境，采用浮球式壓力計(jì)進(jìn)行壓力對(duì)比分析，試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱的溫度條件參數(shù)的修改，模擬壓力變送器在不同溫度條件下的壓力測(cè)量效果，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)處理器對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)分別選取了30 ℃、45 ℃、60 ℃溫度環(huán)境進(jìn)行，每個(gè)工作環(huán)境試驗(yàn)次數(shù)為5次，并在每次試驗(yàn)結(jié)束后記錄壓力變送器的測(cè)量壓力以及浮球式壓力計(jì)顯示的壓力，并做好表格供后續(xù)分析使用。

由于浮球式壓力計(jì)和恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱屬于外購(gòu)的精密儀器設(shè)備，因此在使用過(guò)程中應(yīng)注意閱讀其產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)并嚴(yán)格遵守操作過(guò)程要求，以免造成安全事故。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可對(duì)壓力變送器的處理單元、誤差補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)姆桨高M(jìn)行調(diào)整，并再次進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，直到達(dá)到規(guī)定的精度要求為止。

3.2 總結(jié)

通過(guò)上述的硬件選擇及試驗(yàn)分析與調(diào)整，本設(shè)計(jì)的壓力變送器在經(jīng)過(guò)實(shí)際的安裝與調(diào)試后能夠穩(wěn)定地完成多種情況下的壓力測(cè)量任務(wù)，具備良好的應(yīng)用價(jià)值。

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