4～20 mA壓力變送器的研制*

劉忠強(qiáng)，張 立，張春曉，胡延麗，申安安，郭志勇

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110043)

0 引言

在石化廠生產(chǎn)過(guò)程中,自動(dòng)化監(jiān)控發(fā)展需要自動(dòng)采集流量、振動(dòng)、壓力、溫度等過(guò)程參數(shù)。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)信息,及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障,建立一個(gè)石化水網(wǎng)管線(xiàn)過(guò)程參數(shù)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尤為必要,通過(guò)對(duì)水網(wǎng)管線(xiàn)中介質(zhì)的溫度、壓力、流量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè),將監(jiān)測(cè)到的參數(shù)送入附近的控制室進(jìn)行集中顯示,實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限報(bào)警。目前,在石化等基礎(chǔ)性行業(yè)中,使用的壓力變送器嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口,在產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)上存在國(guó)際貿(mào)易壁壘,同時(shí)存在售價(jià)昂貴,供貨周期長(zhǎng),急需國(guó)產(chǎn)化替代,來(lái)解決國(guó)外引進(jìn)產(chǎn)品的“卡脖子”問(wèn)題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

石化廠生產(chǎn)過(guò)程水網(wǎng)管線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、液位變送器分別采集水網(wǎng)管線(xiàn)的壓力、溫度、流量和液位信息參數(shù),通過(guò)4～20 mA電流信號(hào)將參數(shù)傳輸給RTU[1],RTU將來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)變送器的數(shù)據(jù)匯聚后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)送入控制中心進(jìn)行監(jiān)控處理,在監(jiān)控中心里實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)對(duì)象的參數(shù),發(fā)生超限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

圖1 水網(wǎng)管線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)圖

2 壓力變送器設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)理電路方案選擇

4～20 mA壓力變送器主要由壓力傳感器、調(diào)理電路、輸出轉(zhuǎn)換電路組成,目前調(diào)理電路的典型架構(gòu)主要包括儀表放大器+變送放大器、ADC+MCU+DAC、集成式調(diào)理芯片三類(lèi)。

儀表放大器+變送器放大器架構(gòu)通過(guò)可變電阻人工調(diào)整零點(diǎn)及靈敏度,溫度補(bǔ)償主要采用對(duì)芯體的補(bǔ)償,精度低。ADC+MCU+DAC架構(gòu)使用MCU,校準(zhǔn)算法靈活,精度高,但此類(lèi)架構(gòu)對(duì)器件功耗要求高,成本相應(yīng)高,分立元器件體積大,同時(shí)存在軟件可靠性的問(wèn)題。集成式調(diào)理芯片NSA2860架構(gòu)的調(diào)理電路是一款國(guó)產(chǎn)化的調(diào)理芯片,集成度高,僅需最少的外部器件,即可實(shí)現(xiàn)壓力變送模塊的校準(zhǔn)和變送,具有高性能、高精度等優(yōu)點(diǎn)。

本壓力變送器主要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化和高精度小型化,因此采用集成式調(diào)理芯片NSA2860的方案。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 NSA2860簡(jiǎn)介

NSA2860是一顆高集成度的用于阻式傳感器例如惠斯通電橋壓力傳感器信號(hào)調(diào)理和變送輸出的專(zhuān)用芯片,是中國(guó)蘇州納芯微電子股份有限公司研發(fā)和生產(chǎn)。圖2是NSA2860芯片框架圖[2]。NSA2860芯片主要由五部分組成。

圖2 NSA2860芯片框架圖

模擬前端模塊包含一個(gè)由儀表PGA和24位ADC構(gòu)成的主信號(hào)通道,一個(gè)內(nèi)置溫度傳感器和24位ADC構(gòu)成的輔助溫度測(cè)量通道,提供高精度的傳感器信號(hào)及溫度采集。內(nèi)置MCU及數(shù)字控制邏輯模塊包含了內(nèi)置MCU、寄存器表、EEPROM、控制邏輯及高精度內(nèi)部時(shí)鐘源等。芯片配置和傳感器校準(zhǔn)參數(shù)保存在57字節(jié)的EEPROM中。模擬輸出模塊由一個(gè)16位的DAC和一個(gè)可以靈活配置的具有多種電壓、4～20 mA電流或者PWM模式的輸出驅(qū)動(dòng)電路組成。電源及驅(qū)動(dòng)模塊包含一個(gè)高精度參考電壓源,傳感器驅(qū)動(dòng)恒壓源,雙路恒流源,JFET控制器。串行接口模塊包括SPI,I2C,OWI,用于配置參數(shù),校準(zhǔn)系數(shù)以及測(cè)量數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

2.2.2 電路原理圖

圖3 為壓力變送器的電路原理圖,P1端為4～20 mA的LOOP+,P3端為4～20 mA的LOOP-。P2端子為壓力傳感器的接口。

圖3 壓力變送器電路原理圖

采用NSA2860進(jìn)行電路設(shè)計(jì),需要考慮供電和防護(hù)模塊、傳感器激勵(lì)模式和溫度測(cè)量模塊、模擬輸出V/A轉(zhuǎn)換與通信電路的設(shè)計(jì)。

2.2.3 供電和防護(hù)模塊設(shè)計(jì)

本壓力變送器電源芯片U1選擇r1524,是超低功耗電源穩(wěn)壓器,輸出5V電壓,電源芯片輸出的電壓VCC接入NSA2860的AVDD管腳,作為NSA2860內(nèi)部電路的供電電源。電路原理圖中D1是防反接二極管,D2是雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS,電流環(huán)路上的兩個(gè)磁珠B1和B2對(duì)耦合到環(huán)路中的高頻信號(hào)起到一定的抑制作用[3]。

2.2.4 傳感器激勵(lì)模式和溫度測(cè)量模塊

本系統(tǒng)采用SOI壓力傳感器[4],SOI壓力傳感器是一種新型的、先進(jìn)的物性型壓力傳感器。沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司提供的SOI壓力傳感器具有高溫壓力傳感器性能指標(biāo)穩(wěn)定性好、寬溫區(qū)的性能分散性低,環(huán)境適應(yīng)性好、壽命長(zhǎng)和可靠性高等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。壓力傳感器輸出采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu),它由四個(gè)壓阻連接成電橋,電阻隨外界的壓力的變化而變化,在理想的情況下,外界壓力為零,四個(gè)電阻大小相等,壓力傳感器輸出電壓為零。當(dāng)外界施加壓力,輸出電壓與電阻變化量成線(xiàn)性關(guān)系。

圖4是壓力傳感器激勵(lì)和溫度測(cè)量電路。壓力傳感器既可以電壓源供電,也可以電流源供電[5],本設(shè)計(jì)壓力傳感器采用電流源供電,NSA2860有兩路恒流源輸出,為了降低恒流源的溫度系數(shù),提高壓力變送器的精度,本設(shè)計(jì)采用外部電阻模式恒流源,恒流源IEXC1為電流輸出管腳,IEXC2管腳接R5低溫漂電阻。恒流源輸出接傳感器的I+端,傳感器的I-端接地,傳感器的O+端接NSA2860的VIP管腳,傳感器的O-端接NSA2860的VIN管腳。

圖4 傳感器激勵(lì)及溫度測(cè)量電路

NSA2860內(nèi)部包含一個(gè)溫度傳感器,如果采用內(nèi)部的溫度傳感器,存在NSA2860與壓力傳感器溫度差異,以及溫度變化不一致問(wèn)題。本設(shè)計(jì)為了在環(huán)境溫度變化的情況下提高壓力變送器的測(cè)量精度,采用外部溫度傳感器的模式,就是利用壓力傳感器電橋本身作為溫度傳感器,直接反應(yīng)了傳感器的溫度變化,將壓力傳感器電橋的I+端接入NSA2860的TEMP管腳,作為外部溫度輸入。

2.2.5 輸出V/I轉(zhuǎn)換和通信電路

二線(xiàn)制變送器的核心設(shè)計(jì)思想是將所有的電流都包括在V/I電壓轉(zhuǎn)換電流的反饋環(huán)路內(nèi),如圖3電路原理圖所示,OUT引腳輸出電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)外圍電壓轉(zhuǎn)換電流電路,調(diào)節(jié)環(huán)路電流。反饋電阻R4串聯(lián)在電路的低端,所有的電流都將通過(guò)反饋電阻R4流回到電源負(fù)極,包含了所有電路的耗電,圖中的R4是50 Ω高精度低漂移電阻。這個(gè)電阻直接影響4～20 mA電路輸出的特性。

本壓力變送器通過(guò)4～20 mA的環(huán)路就能通信,完成校準(zhǔn)和測(cè)試任務(wù),4～20mA的通信控制通過(guò)調(diào)制電源信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn),電路原理圖中的R1電阻為5 kΩ,C5電容為22 nF,C5耦合電容把電源上的調(diào)制信號(hào)耦合到芯片的OWI引腳上。OWI信號(hào)返回是通過(guò)控制OUT引腳電壓,調(diào)制電流,輸出數(shù)字信號(hào)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力變送器整機(jī)由壓力傳感器,變送器電路板,變送器外殼,變送器電連接器組成。

壓力傳感器焊接在壓力接口內(nèi),變送器電路板焊接在壓力傳感器的引出線(xiàn)上,同時(shí)通過(guò)螺釘固定在壓力接口的固定柱上,變送器外殼通過(guò)焊接安裝在壓力接口上,變送器電連接器通過(guò)螺釘安裝在外殼頂部。整機(jī)結(jié)構(gòu)提升抗振動(dòng)沖擊性能,滿(mǎn)足小尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等高可靠要求。

3 壓力變送器的校準(zhǔn)補(bǔ)償

圖5是壓力變送器校準(zhǔn)補(bǔ)償系統(tǒng)框圖。壓力變送器校準(zhǔn)補(bǔ)償系統(tǒng)由壓力變送器,校準(zhǔn)測(cè)試通信轉(zhuǎn)換板,供電穩(wěn)壓源和裝有校準(zhǔn)補(bǔ)償測(cè)試軟件的上位機(jī)組成。校準(zhǔn)測(cè)試通信轉(zhuǎn)換板能將OWI協(xié)議與485通信協(xié)議進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

圖5 壓力變送器校準(zhǔn)補(bǔ)償系統(tǒng)框圖

校準(zhǔn)補(bǔ)償軟件主要包括芯片的參數(shù)配置、初始化、原始?jí)毫?shù)據(jù)的采集、校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算寫(xiě)入、EEPROM的鎖定與測(cè)試驗(yàn)證,正確的芯片寄存器參數(shù)配置是保證產(chǎn)品合格的關(guān)鍵步驟。圖6是校準(zhǔn)補(bǔ)償軟件芯片寄存器配置界面。傳感器激勵(lì)電流IEXC1輸出700uA,PGA放大倍數(shù)GAIN_P選擇16倍,溫度傳感器EXT_TEMP選擇external,放大倍數(shù)GAIN_T為1倍。

圖6 校準(zhǔn)補(bǔ)償軟件芯片寄存器配置

目前常用的溫度補(bǔ)償方法主要有兩大類(lèi):硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償方法存在調(diào)試?yán)щy、精度低、通用互換性差等缺點(diǎn)。軟件補(bǔ)償方法是利用微處理器采集壓力信號(hào)、溫度信號(hào),采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)溫度漂移產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償,得到高精度的壓力信號(hào)。

本設(shè)計(jì)采用軟件算法溫度補(bǔ)償,NSA2860支持對(duì)傳感器的零點(diǎn),靈敏度的最高二階溫度漂移校準(zhǔn)以及最高三階的非線(xiàn)性校準(zhǔn),校準(zhǔn)精度理論上可以達(dá)到0.1%以?xún)?nèi)。校準(zhǔn)算法為擬合校準(zhǔn),取3個(gè)溫度點(diǎn)-20 ℃、25 ℃和80 ℃,在每個(gè)溫度點(diǎn)采集3個(gè)壓力值。計(jì)算出校準(zhǔn)系數(shù)并存儲(chǔ)在EEPROM中。

4 壓力變送器的測(cè)試

本壓力變送器工作溫度范圍為-20 ℃～80 ℃,分別在-20 ℃,0 ℃,20 ℃,40 ℃,60 ℃,80 ℃溫度點(diǎn)測(cè)試,在每個(gè)溫度點(diǎn)上,分別給定6個(gè)壓力點(diǎn)(0.1 MPa,1 MPa,2 MPa,3 MPa,4 MPa,5 MPa),每個(gè)壓力點(diǎn)上分別記錄輸出的電流值,這是正行程,接著進(jìn)行反行程測(cè)試。正行程、反行程循環(huán)測(cè)試3次。用端距法計(jì)算出壓力變送器準(zhǔn)確度為0.14%,優(yōu)于準(zhǔn)確度0.2%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了石化廠水網(wǎng)管線(xiàn)過(guò)程參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的壓力變送器,壓力變送器所有元器件都采用了國(guó)產(chǎn)化元器件,自主可控,真正意義上實(shí)現(xiàn)了高精度壓力變送器國(guó)產(chǎn)化替代。壓力變送器輸出的4～20 mA電流信號(hào)經(jīng)過(guò)RTU匯聚后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)上傳到控制室進(jìn)行壓力參數(shù)的集中顯示,實(shí)現(xiàn)參數(shù)超越報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)石化廠水網(wǎng)管線(xiàn)過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè),具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。