壓力變送器調(diào)試軟件的研究與應(yīng)用

戚衛(wèi)星

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 201114）

壓力變送器可以測量流速、壓力、液位等工業(yè)測量對象，其采用的壓力傳感器種類各不相同，包括壓阻型、電容型和微諧振器型，所有這些傳感器類型都使用硅單晶的薄膜作為壓力接收元件。智能壓力變送器集成了多個傳感器，同時測量差壓值、靜壓值和溫度值。壓力變送器可以采用電池供電或環(huán)路電源DC24V 供電，變送器對外接口 包 括：4mA ～20mA、HART、RS-485/RS-422/RS-232、PROFIBUS、Modbus 和foundation 等[1]。

1 系統(tǒng)原理和典型架構(gòu)

從產(chǎn)品設(shè)計的角度來看，工業(yè)壓力變送器系統(tǒng)設(shè)計需要同時兼顧產(chǎn)品硬件和調(diào)試軟件的功能，必須考慮諸多設(shè)計細(xì)節(jié)要求，包括精度、零漂移、溫度和靜態(tài)壓力補(bǔ)償[2,3]。

1）考慮溫度和靜態(tài)壓力信號對差壓值的特性補(bǔ)償。

2）可檢測出壓力傳感器老化或任何異常問題。

3）壓力變送器產(chǎn)品的最大量程可高達(dá)200:1，上限甚至可達(dá)15,000 psi。

圖1 集成信號調(diào)理的信號鏈Fig.1 Signal chain for integrated signal conditioning

4）測量精度最高可以達(dá)到滿量程范圍的0.04%，通常需要16 位至24 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

5）與不同現(xiàn)場總線的連接，例如HART、PROFIBUS、Modbus、foundation、RS-485/RS-422/RS-232、無線HART 等。

6）傳感器、調(diào)理電路、系統(tǒng)電源、通信和I/O 之間可能需要隔離；隔離等級從1 kV ～2.5 kV。

7）采用電池和環(huán)路供電的差分壓力變送器需要精心選擇的超低功耗元件，例如MCU、AMP、ADC 和基準(zhǔn)電壓源。

工業(yè)現(xiàn)場溫度環(huán)境非常復(fù)雜，甚至異常惡劣。為了能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，低溫漂移系數(shù)和低功耗對差分壓力變送器非常重要。ADI 公司提供完美的產(chǎn)品組合，包括精密放大器、精密基準(zhǔn)電壓源、精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器和低功耗Cortex-M3 內(nèi)核微處理器等。除此之外，低功耗系統(tǒng)中的抗電磁干擾能力(如電涌、EFT 和ESD 等)也是壓力變送器面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。ADI 器件的高ESD 抑制能力能夠大大改善產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

此外，壓力變送器內(nèi)部的空間有限，要求高系統(tǒng)密度，因而必須減小器件尺寸。近來，集成技術(shù)的進(jìn)步使得系統(tǒng)設(shè)計人員能夠采用尺寸更小、功耗更低、成本更低的解決方案，而其性能與那些大型系統(tǒng)不相上下。持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步要求既能不斷促進(jìn)這些解決方案集成，同時還提高其性能和診斷能力。ADI 公司提供面向市場定制的解決方案，以便簡化設(shè)計過程。這些解決方案采用業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，并提供眾多設(shè)計選項——從采用分立器件的實施方案到全集成式解決實施方案。

2 上位機(jī)軟件

2.1 功能分析

圖2 主窗口界面Fig.2 Main window interface

圖3 數(shù)據(jù)采集界面Fig.3 Data acquisition interface

ADI 公司官網(wǎng)針對壓力變送器提供了“Smart Pressure Transmitter.exe”軟件，軟件的主菜單包括：文件、編輯、操作、工具、窗口和幫助幾個部分。當(dāng)上位機(jī)軟件連接硬件變送器以后，可操作的界面有主窗口、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)數(shù)組、計算各溫度下曲線系數(shù)、各系數(shù)曲線生成和曲線應(yīng)用區(qū)域設(shè)定幾大部分。從功能來看主要是用來設(shè)置所連接壓力變送器的量程參數(shù)、壓力傳感器ADC 與壓力值的對應(yīng)關(guān)系、傳感器溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)、輸出4mA ～20mA 的PWM 標(biāo)定校準(zhǔn)幾大部分，其中最為復(fù)雜的是壓力傳感器的溫度補(bǔ)償系數(shù)修正和針對差壓傳感器的靜壓補(bǔ)償系數(shù)修正兩部分[5]。

2.2 壓力標(biāo)定

壓力變送器接通DC24 直流電源、串口線正確連接以后，打開“Smart Pressure Transmitter.exe”軟件，默認(rèn)顯示主窗口選項卡。選擇對應(yīng)的COM 串口號，默認(rèn)的通訊設(shè)置為9600-8-n-1，為了方便軟件與下位機(jī)的串口數(shù)據(jù)流調(diào)試，分別設(shè)置了串口輸入緩存區(qū)（Edit）、字符串接收（Memo控件）和字符串發(fā)送區(qū)（Edit）文本框。軟件還可以遠(yuǎn)程重啟目標(biāo)板和讀寫壓力變送器的版本號。

圖4 計算各溫度下曲線系數(shù)界面Fig.4 Calculating the curve coefficient interface at each temperature

數(shù)據(jù)采集頁面可以設(shè)置調(diào)試模式，實時讀取標(biāo)定壓力變送器的溫度值℃，壓力源標(biāo)準(zhǔn)值和對應(yīng)壓力變送器實時的ADC 值。最多可以設(shè)置4 個標(biāo)定溫度點(diǎn)和針對某個溫度點(diǎn)下的5 個壓力標(biāo)定點(diǎn)，可以根據(jù)實際需求選擇需要標(biāo)定的溫度點(diǎn)個數(shù)（1 ～4），標(biāo)定時依次在特定溫度下施加標(biāo)準(zhǔn)壓力值點(diǎn)擊對應(yīng)的Read 按鈕，待需要標(biāo)定點(diǎn)填寫完全后點(diǎn)擊writeEE 按鈕將數(shù)組數(shù)據(jù)寫入下位機(jī)變送器硬件中，而當(dāng)上位機(jī)軟件需要讀取壓力變送器中的標(biāo)定數(shù)據(jù)時，只需要點(diǎn)擊ReadEE 按鈕。而數(shù)據(jù)數(shù)組界面中是將上述保存的16 進(jìn)制HEX 數(shù)組轉(zhuǎn)換為10 進(jìn)制的數(shù)組便于標(biāo)定人員讀取判斷。

2.3 溫度補(bǔ)償

壓力變送器的標(biāo)定操作方法已經(jīng)比較成熟，目前壓力變送器所使用的傳感器主要有藍(lán)寶石壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器和數(shù)字壓力傳感器這幾大類。如果壓力變送器用在常溫環(huán)境中，設(shè)備的計量性能普遍可以滿足精度要求，但是一旦設(shè)備用在溫差較大的工況環(huán)境下，如北方低溫或新疆地區(qū)的高溫差環(huán)境，就會出現(xiàn)明顯的零點(diǎn)漂移，計量準(zhǔn)確度下降甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離預(yù)期壓力值。

為了解決上述難題，目前多采用線性插值法、雙線性插值法、最小二乘法來解決壓力傳感器的溫度補(bǔ)償難題，計算各溫度下曲線系數(shù)界面相當(dāng)于把1 ～4 個溫度點(diǎn)下的5 個壓力標(biāo)定ADC 值分別創(chuàng)建多組補(bǔ)償系數(shù)函數(shù)多項式關(guān)系，底層函數(shù)再將多組多項式的系數(shù)用最小二乘法進(jìn)行二次擬合處理，得到針對這個壓力傳感器的特征公式。各系數(shù)曲線生成界面顯示的是各組壓力傳感器ADC 值與標(biāo)定溫度值的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過溫度補(bǔ)償處理后的壓力傳感器，其在任何溫度工況下（前提標(biāo)的溫度范圍已覆蓋），壓力變送器的計量特效都滿足精度要求，其所呈現(xiàn)出來的輸出特性與室溫標(biāo)的輸出特性并無明顯變化，甚至一致[6]。

2.4 輸出標(biāo)定

圖5 各系數(shù)曲線生成界面Fig.5 Each coefficient curve generation interface

壓力變送器輸出兩線制的4mA ～20mA 電流，控制輸出的方式主要有PWM 輸出和DAC 輸出兩種方式，都需要進(jìn)行輸出標(biāo)定操作。由于PWM 和DAC 輸出一般都滿足16 位輸出精度且線性度較高，一般標(biāo)定4mA 和20mA 兩點(diǎn)就可以滿足整個量程的輸出要求，寫入壓力變送器設(shè)備的參數(shù)包括PWM4、PWM20、DAC4 和DAC20。以PWM輸出為例，標(biāo)定有兩種方法：一種是填寫PWM4 時標(biāo)準(zhǔn)表的電流值和PWM20 時標(biāo)準(zhǔn)表的電流值；另一種是回路中串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電流表，手動調(diào)整PWM4 的數(shù)值直至標(biāo)準(zhǔn)表電流顯示4.000，手動調(diào)整PWM20 的數(shù)值直至標(biāo)準(zhǔn)表電流顯示20.000。這兩種方法相比較，第一種方法更適合上位機(jī)軟件標(biāo)定，填寫標(biāo)準(zhǔn)表電流值比較方便，而第二種方法更適合現(xiàn)場儀表標(biāo)定，因為現(xiàn)場儀表按鍵填寫難度較大，直接按鍵上下調(diào)整比較便捷[7]。

3 結(jié)論

應(yīng)用ADI 公司的Smart Pressure Transmitter 上位機(jī)軟件實現(xiàn)了配套硬件設(shè)備的壓力標(biāo)定、溫度補(bǔ)償和輸出校準(zhǔn)，用多個溫度點(diǎn)下標(biāo)定系列壓力值的方法實現(xiàn)了最小二乘法溫度補(bǔ)償。經(jīng)測試標(biāo)定軟件操作簡單，達(dá)到了壓力變送器設(shè)備出廠標(biāo)定和溫度補(bǔ)償?shù)念A(yù)期效果，有效地提升了標(biāo)定和測試效率。