一種多通道壓力變送器的校準(zhǔn)臺

秦亭亭 洪扁 馬力 馮齊斌 徐煦/上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

壓力測量儀器儀表按照工作原理可分為液體式壓力計、彈性式壓力計、活塞式壓力計、壓力變送器和數(shù)字式壓力計五大類[1]。壓力變送器是通過某些轉(zhuǎn)換元件，將壓力變成電量來測量的壓力計，一般包括壓力變送器和壓力傳感器。

壓力變送器是一種將壓力信號轉(zhuǎn)換成氣動信號或電動信號來進行控制和遠傳的設(shè)備。它能感受壓力并將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓚魉偷臉?biāo)準(zhǔn)輸出電信號，如 4～20 mA 電流信號或 1～5 V 電壓信號[2]。壓力變送器的校準(zhǔn)通常利用數(shù)字壓力控制器作為壓力標(biāo)準(zhǔn)器，提供標(biāo)準(zhǔn)壓力值；利用直流電流表或直流電壓表作為電信號標(biāo)準(zhǔn)器。校準(zhǔn)過程中，每臺壓力變送器必須配備相應(yīng)的直流電流表或直流電壓表，多臺壓力變送器同時校準(zhǔn)時連線復(fù)雜，成本巨大。針對這一問題，本文設(shè)計了一種信號轉(zhuǎn)換箱和多通道校準(zhǔn)臺，該校準(zhǔn)臺利用精密電阻將壓力變送器的輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；利用多通道數(shù)據(jù)采集器作為電信號標(biāo)準(zhǔn)器，可同時采集20路壓力變送器的輸出電壓信號值，降低了校準(zhǔn)成本，提高了工作效率。

1 多通道壓力變送器校準(zhǔn)系統(tǒng)

本文設(shè)計的多通道壓力變送器校準(zhǔn)系統(tǒng)主要包括：數(shù)字壓力控制器、多通道數(shù)據(jù)采集器、自制信號轉(zhuǎn)換箱、直流電源、機械泵及分子泵組、多通道檢測臺、計算機和打印機。圖1為該系統(tǒng)的主要構(gòu)成，圖中被檢壓力變送器為兩線制電流輸出，多個壓力變送器通過氣路與數(shù)字壓力控制器串聯(lián)，其輸出信號線通過信號轉(zhuǎn)換箱與供電電源和多通道數(shù)據(jù)采集器相連。

圖1 多通道壓力變送器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)

該校準(zhǔn)系統(tǒng)的壓力標(biāo)準(zhǔn)器選用數(shù)字壓力控制器，數(shù)字壓力控制器準(zhǔn)確度等級為0.01級，量程可覆蓋真空～10 MPa。電信號標(biāo)準(zhǔn)器部分，常用的數(shù)字多用表僅有一路電壓或者電流信號，因此，當(dāng)同時校準(zhǔn)多臺壓力變送器時，需要同時連接多臺數(shù)字多用表，連接線路復(fù)雜且成本較高。目前市場上多通道信號采集器多為電壓信號，相對于多通道電流采集器，多通道電壓采集器精度較高且穩(wěn)定性較好，因此，本項目采用多通道電壓采集器作為電信號標(biāo)準(zhǔn)器，該采集器可同時采集20路電壓信號。

2 信號轉(zhuǎn)換箱

壓力變送器的供電電壓常為24 V DC，常見的接線方式分為兩線制電流輸出、三線制電壓輸出和四線制電壓輸出[3]，如圖2所示。

圖2 常見壓力變送器校準(zhǔn)接線圖

本文設(shè)計一多通道電流電壓轉(zhuǎn)換箱，可以利用精密電阻將壓力變送器的輸出信號統(tǒng)一為電壓信號，方便多通道數(shù)據(jù)采集器的采集與測量。圖3（a）為四通道電流電壓轉(zhuǎn)換箱外觀設(shè)計圖，圖3（b）為電阻箱內(nèi)部接線圖。如圖3（b）所示，信號轉(zhuǎn)換箱內(nèi)的每個電阻的一端均與六腳開關(guān)的一個公共端連接，另一端連接電源負極。該六腳開關(guān)的另一個公共端連接待校壓力變送器的信號輸出端，一個常閉端連接多通道數(shù)據(jù)采集器。該常閉端與一個常開端短接，另一個常開端與上述一個公共端短接。待校壓力變送器的電源正端與電源正極連接，圖3（a）四個插線孔分別對應(yīng)六腳開關(guān)的另一個公共端、一個常閉端以及電源正極、電源負極。圖3（b）中的六腳開關(guān)的1、6端為公共端，2、5端為常閉端，3、4端為常開端。按下開關(guān)，該六腳開關(guān)的連線由原來的2-6端，1-5端連接變?yōu)?-3端，4-6端連接，也可以選擇其他類型的六腳開關(guān)。該電路中的電源可以有220 V交流電通過整流模塊變?yōu)?4 V直流電，以為待校壓力變送器供電，也可以根據(jù)待校壓力變送器的電源類型進行選擇。這樣，通過六腳開關(guān)就可以實現(xiàn)與之相連的電阻接入或者斷開，測試人員可以根據(jù)與之相連的待校壓力變送器的輸出類型通過開關(guān)選擇是否接入電阻。接入電阻時，被檢壓力變送器的直流電流將被轉(zhuǎn)換為精密電阻兩端的輸出電壓。本文設(shè)計的信號轉(zhuǎn)換箱內(nèi)電阻選擇0.01級，250 Ω精密電阻。當(dāng)壓力變送器的輸出信號為4～20 mA時，串聯(lián)的精密電阻兩端的電壓應(yīng)為1～5 V。

圖3 信號轉(zhuǎn)換箱內(nèi)部圖

3 多通道校準(zhǔn)臺

為了實現(xiàn)多臺壓力變送器的同時校準(zhǔn)，必須將這些儀器通過氣路同時連接至數(shù)字壓力控制器的TEST +端。本文設(shè)計一轉(zhuǎn)四的氣路支架，如圖4所示。支架可以單獨使用，也可以相連同時使用，中間設(shè)計截止閥門。將信號轉(zhuǎn)換箱設(shè)置在檢測平臺上，更加方便上門校準(zhǔn)時攜帶。支架設(shè)置了輸出端口，多個支架相連可實現(xiàn)多臺變送器的同時校準(zhǔn)。

圖4 多通道檢測臺

4 實驗結(jié)果分析

本文設(shè)計的信號轉(zhuǎn)換箱如圖5所示，圖中被檢的壓力變送器為兩線制電流輸出，信號轉(zhuǎn)換箱表面的紅黑端口為電源端口，藍黃端口為信號端口，紅黑端口引線接到壓力變送器的電源正負端，藍黃端口引線接到數(shù)字多用表的相應(yīng)信號端。如圖5（a）所示，當(dāng)撥動開關(guān)處于電流檔時，藍黃端口連接至數(shù)字多用表的電流檔，輸出信號顯示為3.984 0 mA。圖5(b)中，撥動開關(guān)撥至電壓檔，此時被檢壓力變送器與精密電阻串聯(lián)，通過精密電阻的電流與被檢壓力變送器輸出電流相同，藍黃端口連接至數(shù)字多用表的電壓檔，此時理論輸出電壓應(yīng)為（250 Ω±250 Ω×0.01%）×3.984 0 mA=0.996 0 V±0.000 1 V，圖5（b）中的數(shù)字多用表輸出信號顯示為0.996 1 V，在理論輸出電壓范圍內(nèi)。一個多通道校準(zhǔn)臺可實現(xiàn)四臺壓力變送器的同時校準(zhǔn)，通過校準(zhǔn)臺串聯(lián)，并將信號線一次接入多通道數(shù)據(jù)采集器，可實現(xiàn)更多壓力變送器的同時校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)采集。另外，該校準(zhǔn)臺無需外接電源，使用方便，操作簡單，可大大提高壓力變送器的校準(zhǔn)效率。

圖5 信號轉(zhuǎn)換箱輸出

5 結(jié)語

本文針對壓力變送器輸出信號不統(tǒng)一導(dǎo)致的校準(zhǔn)效率低下的問題，設(shè)計了一種可切換電阻電壓信號轉(zhuǎn)換箱，通過六腳開關(guān)，可選擇是否接入精密電阻，進而實現(xiàn)了電流輸出的壓力變送器信號轉(zhuǎn)換為精密電阻兩端的電壓信號。其次，通過設(shè)計多通道校準(zhǔn)臺可方便實現(xiàn)多通道壓力變送器的同時校準(zhǔn)，該裝置體積輕便，方便上門校準(zhǔn)，可大幅度提高壓力變送器的校準(zhǔn)效率。