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壓力變送器调试软件的研究与应用

戚衛星

       壓力變送器可以測量流速、壓力、液位等工業測量對象,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矽單晶的薄膜作爲壓力接收元件。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电池供电或环路电源DC24V 供电,變送器对外接口包括:4mA ~ 20mA、HART、RS-485/RS-422/RS-232、PROFIBUS、Modbus 和foundation 等。


一、系統原理和典型架構

       从老司机影院设计的角度来看,工业壓力變送器系統設計需要同時兼顧老司机影院硬件和調試軟件的功能,必須考慮諸多設計細節要求,包括精度、零漂移、溫度和靜態壓力補償。

1)考慮溫度和靜態壓力信號對差壓值的特性補償。

2)可檢測出壓力傳感器老化或任何異常問題。

图1 集成信号调理的信号链.png

图1 集成信号调理的信号链

3)壓力變送器老司机影院的最大量程可高达200:1,上限甚至可达15,000 psi。

4)测量精度最高可以达到满量程范围的0.04%,通常需要16 位至24 位的模数转换器。

5)与不同现场总线的连接,例如HART、PROFIBUS、Modbus、foundation、RS-485/RS-422/RS-232、無线HART 等。

6)傳感器、调理电路、系统电源、通信和I/O 之间可能需要隔离;隔离等级从1 kV ~ 2.5 kV。

7)采用電池和環路供電的差分壓力變送器需要精心选择的超低功耗元件,例如MCU、AMP、ADC 和基准电压源。工业现场温度环境非常复杂,甚至异常恶劣。为了能够在较宽的温度范围内工作,低温漂移系数和低功耗对差分壓力變送器非常重要。公司提供完美的老司机影院组合,包括精密放大器、精密基准电压源、精密模数转换器和低功耗Cortex-M3 内核微处理器等。除此之外,低功耗系统中的抗电磁干扰能力( 如电涌、EFT 和ESD 等) 也是壓力變送器面臨的嚴峻挑戰。

       此外,壓力變送器內部的空間有限,要求高系統密度,因而必須減小器件尺寸。近來,集成技術的進步使得系統設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不相上下。持續的技術進步要求既能不斷促進這些解決方案集成,同時還提高其性能和診斷能力。


二、上位機軟件

图2 主窗口界面.png

图2 主窗口界面


图3 数据采集界面.png

图3 数据采集界面

2.1 功能分析

      ADI 公司官网针对壓力變送器提供了“Smart PressureTransmitter.exe”软件,软件的主菜单包括:文件、编辑、操作、工具、窗口和帮助几个部分。当上位机软件连接硬件變送器以後,可操作的界面有主窗口、數據采集、數據數組、計算各溫度下曲線系數、各系數曲線生成和曲線應用區域設定幾大部分。從功能來看主要是用來設置所連接壓力變送器的量程參數、壓力傳感器ADC 与压力值的对应关系、傳感器温度补偿数据、输出4mA ~ 20mA 的PWM 标定校准几大部分,其中最为复杂的是压力傳感器的溫度補償系數修正和針對差壓傳感器的靜壓補償系數修正兩部分。

2.2 压力标定

图4 计算各温度下曲线系数界面.png

图4 计算各温度下曲线系数界面

        壓力變送器接通DC24 直流电源、串口线正确连接以后,打开“Smart Pressure Transmitter.exe”软件,默认显示主窗口选项卡。选择对应的COM 串口号,默认的通訊設置爲9600-8-n-1,爲了方便軟件與下位機的串口數據流調試,分別設置了串口輸入緩存區(Edit)、字符串接收(Memo控件)和字符串發送區(Edit)文本框。軟件還可以遠程重啓目標板和讀寫壓力變送器的版本號。數據采集頁面可以設置調試模式,實時讀取標定壓力變送器的溫度值℃,壓力源標准值和對應壓力變送器实时的ADC 值。最多可以设置4 个标定温度点和针对某个温度点下的5 个压力标定点,可以根据实际需求选择需要标定的温度点个数(1 ~ 4),标定时依次在特定温度下施加标准压力值点击对应的Read 按钮,待需要标定点填写完全后点击writeEE 按钮将数组数据写入下位机變送器硬件中,而當上位機軟件需要讀取壓力變送器中的标定数据时,只需要点击ReadEE 按钮。而数据数组界面中是将上述保存的16 进制HEX 数组转换为10 进制的数组便于标定人员读取判断。

2.3 温度补偿

       壓力變送器的標定操作方法已經比較成熟,目前壓力變送器所使用的傳感器有多種。如果壓力變送器用在常溫環境中,設備的計量性能普遍可以滿足精度要求,但是一旦設備用在溫差較大的工況環境下,如北方低溫或新疆地區的高溫差環境,就會出現明顯的零點漂移,計量准確度下降甚至遠遠偏離預期壓力值。爲了解決上述難題,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温度补偿难题,计算各温度下曲线系数界面相当于把1 ~ 4 个温度点下的5 个压力标定ADC 值分别创建多组补偿系数函数多项式关系,底层函数再将多组多项式的系数用最小二乘法进行二次拟合处理,得到针对这个压力傳感器的特征公式。各系數曲線生成界面顯示的是各組壓力傳感器ADC 值与标定温度值的对应关系,经过温度补偿处理后的压力傳感器,其在任何溫度工況下(前提標的溫度範圍已覆蓋),壓力變送器的計量特效都滿足精度要求,其所呈現出來的輸出特性與室溫標的輸出特性並無明顯變化,甚至一致。

2.4 输出标定

图5 各系数曲线生成界面.png

图5 各系数曲线生成界面

        壓力變送器输出两线制的4mA ~ 20mA 电流,控制输出的方式主要有PWM 输出和DAC 输出两种方式,都需要进行输出标定操作。由于PWM 和DAC 输出一般都满足16 位输出精度且线性度较高,一般标定4mA 和20mA 两点就可以满足整个量程的输出要求,写入壓力變送器设备的参数包括PWM4、PWM20、DAC4 和DAC20。以PWM输出为例,标定有两种方法:一种是填写PWM4 时标准表的电流值和PWM20 时标准表的电流值;另一种是回路中串联标准电流表,手动调整PWM4 的数值直至标准表电流显示4.000,手动调整PWM20 的数值直至标准表电流显示20.000。这两种方法相比较,第一种方法更适合上位机软件标定,填写标准表电流值比较方便,而第二种方法更适合现场仪表标定,因为现场仪表按键填写难度较大,直接按键上下调整比较便捷。


三、結論

       应用ADI 公司的Smart Pressure Transmitter 上位机软件实现了配套硬件设备的压力标定、温度补偿和输出校准,用多个温度点下标定系列压力值的方法实现了最小二乘法温度补偿。经测试标定软件操作简单,达到了壓力變送器設備出廠標定和溫度補償的預期效果,有效地提升了標定和測試效率。



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