4~20mA壓力變送器的介紹

摘要:針對生產(chǎn)過(guò)程參數在線(xiàn)監測系統的需求,測量水網(wǎng)管線(xiàn)壓力的4~20mA壓力變送器。該變送器采用NSA2860芯片作為整個(gè)系統的核心,在線(xiàn)監測水網(wǎng)管線(xiàn)壓力參數,將監測到的壓力轉化為4~20mA的電流信號送入附近的RTU中,RTU通過(guò)以太網(wǎng)將壓力參數傳輸到石化控制室進(jìn)行集中顯示，實(shí)現參數超限報警。著(zhù)重介紹了壓力變送器供電、傳感器激勵、環(huán)境溫度采集、輸出V/I轉換、通信電路、機械結構、系統校準補償和測試結果。該變送器具有使用簡(jiǎn)單、可靠性好、采集壓力精度高等優(yōu)點(diǎn)。
0引言
　　在石化廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中,自動(dòng)化監控需要自動(dòng)采集流量、振動(dòng)、壓力、溫度等過(guò)程參數。為了實(shí)時(shí)監測生產(chǎn)過(guò)程參數信息,及時(shí)發(fā)現潛在故障,建立一個(gè)石化水網(wǎng)管線(xiàn)過(guò)程參數實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測系統尤為必要,通過(guò)對水網(wǎng)管線(xiàn)中介質(zhì)的溫度、壓力、流量的在線(xiàn)監測,將監測到的參數送人附近的控制室進(jìn)行集中顯示，實(shí)現參數超限報警。目前,在石化等基礎性行業(yè)中,使用的壓力變送器嚴重依賴(lài)進(jìn)口,在產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)上存在國際貿易壁壘,同時(shí)存在售價(jià)昂貴,供貨周期長(cháng),急需國產(chǎn)化替代,來(lái)解決國外引進(jìn)產(chǎn)品的“卡脖子”問(wèn)題。
1系統架構
　　石化廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程水網(wǎng)管線(xiàn)監測系統的架構如圖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,通過(guò)4~20mA電流信號將參數傳輸給RTU1,RTU將來(lái)自現場(chǎng)變送器的數據匯聚后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)送人控制中心進(jìn)行監控處理,在監控中心里實(shí)時(shí)顯示監測對象的參數,發(fā)生超限時(shí)進(jìn)行報警。
 
2壓力變送器設計
2.1調理電路方案選擇
　　4~20mA壓力變送器主要由壓力傳感器、調理電路、輸出轉換電路組成,目前調理電路的典型架構主要包括儀表放大器+變送放大器、ADC+MCU+DAC.集成式調理芯片三類(lèi)。
　　儀表放大器+變送器放大器架構通過(guò)可變電阻人工調整零點(diǎn)及靈敏度,溫度補償主要采用對芯體的補償,精度低。ADC+MCU+DAC架構使用MCU,校準算法靈活,精度高,但此類(lèi)架構對器件功耗要求高,成本相應高,分立元器件體積大,同時(shí)存在軟件可靠性的問(wèn)題。集成式調理芯片NSA2860架構的調理電路是一款國產(chǎn)化的調理芯片,集成度高,僅需最少的外部器件，即可實(shí)現壓力變送模塊的校準和變送,具有性能高、精度高等優(yōu)點(diǎn)。本壓力變送器主要實(shí)現國產(chǎn)化和精度高小型化,因此采用集成式調理芯片NSA2860的方案。
2.2硬件設計
2.2.1NSA2860簡(jiǎn)介
 
　　NSA2860是一顆高集成度的用于阻式傳感器信號調理和變送輸出的專(zhuān)用芯片。圖2是NSA2860芯片框架圖。
　　NSA2860芯片主要由五部分組成。模擬前端模塊包含一個(gè)由儀表PCA和24位ADC構成的主信號通道,一個(gè)內置溫度傳感器和24位ADC構成的輔助溫度測量通道，提供高精度的傳感器信號及溫度采集。內置MCU及數字控制邏輯模塊包含了內置MCU、寄存器表、EEPROM、控制邏輯及高精度內部時(shí)鐘源等。芯片配置和傳感器校準參數保存在57字節的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.4~20mA電流或者PWM模式的輸出驅動(dòng)電路組成。電源及驅動(dòng)模塊包含一個(gè)高精度參考電壓源,傳感器驅動(dòng)恒壓源，雙路恒流源,JFET控制器。串行接口模塊包括SPI,rC,OWI,用于配置參數,校準系數以及測量數據的讀寫(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4~20mA的LOOP+,P3端為4~20mA的LOOP-。P2端子為壓力傳感器的接口。
　　采用NSA2860進(jìn)行電路設計,需要考慮供電和防護模塊、傳感器激勵模式和溫度測量模塊、模擬輸出V/A轉換與通信電路的設計。
2.2.3供電和防護模塊設計
　　壓力變送器電源芯片U1選擇r1524,是超低功耗電源穩壓器,輸出5V電壓,電源芯片輸出的電壓VCC接人NSA2860的AVDD管腳，作為NSA2860內部電路的供電電源。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對耦合到環(huán)路中的高頻信號起到一定的抑制作用。
2.2.4傳感器激勵模式和溫度測量模塊
　　采用SOI壓力傳感器,S0I壓力傳感器是一種新型的、先進(jìn)的物性型壓力傳感器。壓力傳感器具有高溫壓力傳感器性能指標穩定性好、寬溫區的性能分散性低,環(huán)境適應性好、壽命長(cháng)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構,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是壓力傳感器激勵和溫度測量電路。壓力傳感器既可以電壓源供電,也可以電流源供電,本設計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,提高壓力變送器的精度,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1-端接地，傳感器的0+端接NSA2860的VIP管腳,傳感器的0-端接NSA2860的VIN管腳。
　　NSA2860內部包含一個(gè)溫度傳感器,如果采用內部的溫度傳感器,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。為了在環(huán)境溫度變化的情況下提高壓力變送器的測量精度,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,直接反應了傳感器的溫度變化,將壓力傳感器電橋的1+端接入NSA2860的TEMP管腳,作為外部溫度輸人。
2.2.5輸出V/I轉換和通信電路
　　二線(xiàn)制變送器的核心設計思想是將所有的電流都包括在V/I電壓轉換電流的反饋環(huán)路內,如圖3電路原理圖所示，OUT引腳輸出電壓信號,經(jīng)過(guò)外圍電壓轉換電流電路,調節環(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流回到電源負極,包含了所有電路的耗電,圖中的R4是50I精度高低漂移電阻。這個(gè)電阻直接影響4~20mA電路輸出的特性。
　　壓力變送器通過(guò)4~20mA的環(huán)路就能通信,完成校準和測試任務(wù),4~20mA的通信控制通過(guò)調制電源信號來(lái)實(shí)現,電路原理圖中的R1電阻為5kQ,C5電容為22nF,C5耦合電容把電源上的調制信號耦合到芯片的OWI引腳上。OWI信號返回是通過(guò)控制OUT引腳電壓,調制電流,輸出數字信號。
2.3結構設計
　　壓力變送器整機由壓力傳感器,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,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。整機結構提升抗振動(dòng)沖擊性能，滿(mǎn)足小尺寸結構設計等高可靠要求。
3壓力變送器的校準補償
 
　　圖5是壓力變送器校準補償系統框圖。壓力變送器校準補償系統由壓力變送器,校準測試通信轉換板,供電穩壓源和裝有校準補償測試軟件的上位機組成。校準測試通信轉換板能將OWI協(xié)議與485通信協(xié)議進(jìn)行相互轉換。
　　校準補償軟件主要包括芯片的參數配置、初始化原始壓力數據的采集、校準系數計算寫(xiě)人、EEP-ROM的鎖定與測試驗證,正確的芯片寄存器參數配置是保證產(chǎn)品合格的關(guān)鍵步驟。圖6是校準補償軟件芯片寄存器配置界面。傳感器激勵電流IEXC1輸出700uA,PGA放大倍數GAIN__P選擇16倍,溫度傳感器EXT_TEMP選擇external,放大倍數GAIN_T為1倍。
 
　　目前常用的溫度補償方法主要有兩大類(lèi):硬件補償和軟件補償。硬件補償方法存在調試困難、精度低、通用互換性差等缺點(diǎn)。軟件補償方法是利用微處理器采集壓力信號、溫度信號,采用數字信號處理技術(shù)對溫度漂移產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補償,得到精度高的壓力信號。
　　采用軟件算法溫度補償,NSA2860支持對傳感器的零點(diǎn),靈敏度的高二階溫度漂移校準.以及高三階的非線(xiàn)性校準,校準精度理論上可以達到0.1%以?xún)?。校準算法為擬合校準,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。計算出校準系數并存儲在EEPROM中。
4壓力變送器的測試
　 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)測試,在每個(gè)溫度點(diǎn)上,分別給定6個(gè)壓力點(diǎn)(0.1MPa,1MPa,2MPa,3MPa,4MPa,5MPa),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(zhù)進(jìn)行反行程測試。正行程、反行程循環(huán)測試3次。用端距法計算出壓力變送器精度為0.14%，優(yōu)于精度0.2%。
5結束語(yǔ)
　　石化廠(chǎng)水網(wǎng)管線(xiàn)過(guò)程參數在線(xiàn)監測系統中的壓力變送器,壓力變送器所有元器件都采用了國產(chǎn)化元器件,自主可控,真正意義上實(shí)現了高精度壓力變送器國產(chǎn)化替代。壓力變送器輸出的4~20mA電流信號經(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)行壓力參數的集中顯示,實(shí)現參數超越報警。整個(gè)系統實(shí)現石化廠(chǎng)水網(wǎng)管線(xiàn)過(guò)程參數的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測,具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。