智能壓力變送器的硬件設計與試驗

摘要:壓力變送器作為工業(yè)上廣泛使用的測量設備,能夠滿(mǎn)足多種介質(zhì)在不同工作環(huán)境下的測量要求。在傳統壓力變送器結構及原理的基礎上,智能化壓力變送器能夠通過(guò)微處理器實(shí)現對多種測量環(huán)境的誤差補償及測量方案優(yōu)化,通過(guò)對電容式智能壓力變送器的硬件進(jìn)行選型和設計,完成了對壓力變送器的工況模擬試驗與調.整,證明了智能壓力變送器設計的合理性。
　　現代化的工業(yè)生產(chǎn)離不開(kāi)各種儀器儀表的使用,智能儀表成為了現代化生產(chǎn)監測和控制的必須工具,壓力變送器是一種在工業(yè)控制中廣泛使用的壓力參數監測裝置,涉及的行業(yè)包括了水利水電、石化軍工、鐵路交通等眾多領(lǐng)域,智能化的壓力變送器能夠正確地測量氣體和液體等多種介質(zhì)的壓力或壓差參數,通過(guò)其自帶的轉換功能將獲得的測量數據轉換為標準電信號，供報警儀、調節器以及其他控制系統等使用。為滿(mǎn)足各行業(yè)的使用要求,壓力變送器的產(chǎn)品種類(lèi)十分豐富,測量的壓力范圍從微小到高壓均能勝任,智能化的壓力變送器由于精度高、體積小、功能豐富,顯著(zhù)提升了工業(yè)生產(chǎn)的先進(jìn)化程度,具有較高的研究?jì)r(jià)值和意義。
1基本結構及原理說(shuō)明
　　壓力變送器的主要功能就是將壓力信號以有效的形式傳遞給電子接收設備,壓力變送器的轉換方式包括了硅壓阻式、電容式壓力變送器，電感式、力矩平衡式等多種類(lèi)型,其基本原理是將測得的壓力轉變?yōu)?~20mA電流或1~5V電壓，壓力的大小通常和轉換后電流或電壓的大小成正比關(guān)系。壓力變送器的主要測量結構由兩個(gè)壓力室和測量膜片組成,低壓室通常為標準大氣壓力,高壓室為被測量壓力,當高壓室壓力增大,測量膜片會(huì )因為壓力的作用而產(chǎn)生位移,此時(shí)的位移量和壓力大小成正比關(guān)系。當測量膜片發(fā)生位移,會(huì )引起膜片上的電路系統將變化量轉換為正比關(guān)系的電壓信號,再經(jīng)轉換芯片轉化為標準電信號,提供給顯示或處理裝置使用。
　　不同的傳感器具備各自的特點(diǎn)與結構,常用的傳感器類(lèi)型包括電容式傳感器、電感式傳感器、硅壓阻式傳感器等幾種。電容式傳感器主要采用恒定彈性的不銹鋼作為測量膜片的材料，以獲得較高的精度和使用壽命,其壓力室由金屬材料制成,有利于減小裝配誤差并提高抗沖擊和振動(dòng)的能力,當薄膜受壓力而發(fā)生形變時(shí),薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測量電路可以輸出與電壓變化成--定關(guān)系的電信號,經(jīng)轉換后即可獲得壓力的測量值。電感式傳感器主要由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、測量膜片、毛細管以及硅油組成,當傳感器受到壓力作用時(shí),測量膜片會(huì )發(fā)生位移,引起安裝在測量膜片上的銜鐵發(fā)生位置變化,同時(shí)傳感器線(xiàn)圈的電量也發(fā)生了變化，因此,通過(guò)檢測測量線(xiàn)圈的電流變化就能正確得出壓力值的大小。硅壓阻式傳感器主要是利用硅電阻集成的單晶硅測量膜片作為主要工作部件,當膜片受到壓力引起形變時(shí)，會(huì )引起硅電阻的電阻值發(fā)生變化,這種變化經(jīng)過(guò)轉換成為標準信號,再通過(guò)處理轉換為壓力值。
2智能化壓力變送器的設計
2.1總體方案設計
　　壓力變送器的種類(lèi)和形式很多,本設計主要針對于工業(yè)廣泛使用的電容式壓力變送器進(jìn)行設計,其總體技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示:首先通過(guò)選擇合適的壓力傳感器來(lái)完成被測介質(zhì)的實(shí)時(shí)壓力測量,然后通過(guò)模數轉換處理將被測數據傳遞給單片機,所需處理的數據不僅包括壓力數據,還包括同時(shí)獲取到的溫度數據,這兩種數據在單片機中經(jīng)過(guò)程序運算處理后,由數模轉換器及通信電路的處理將壓力與溫度的數據完全轉換成為標準的直流電信號。進(jìn)而通過(guò)通信裝置傳遞給相關(guān)儀表控制單元或數據存儲器進(jìn)行存儲。.

　　本設計所完成的智能化壓力變送器是在傳統壓力變送器的基礎.上進(jìn)行的升級,壓力變送器仍以傳統的結構為基礎,并根據不同的功能要求來(lái)對傳感器和檢測電路進(jìn)行一定的調整和改造。本設計的智能變送器最大的特點(diǎn)在于引人了單片機技術(shù)進(jìn)行數據處理,這就在理論上實(shí)現了通過(guò)改變編程程序來(lái)滿(mǎn)足儀表的多種適應性能力,采用單片機做為微處理器能夠使儀表在數據轉換的過(guò)程中具有速度快、可靠性高以及靈活性好的特點(diǎn)。
2.2壓力傳感器的選擇
　　通過(guò)上文敘述可知壓力傳感器的種類(lèi)很多,本設計所選用的壓力傳感器為電容式傳感器,其具備良好的使用壽命和較高的安裝精度,能夠有效降低因裝配或徑壓所引起的誤差,具備較高的測量穩定性,電容式傳感器的結構如圖2所示:由于電容式傳感器所采用的壓力室為金屬材料制成，能夠承受很大的壓力作用并有效抵抗沖擊和載荷,因此，能夠應用于較為惡劣的工作環(huán)境,并完成精度高的壓力測量。

2.3溫度測量裝置的選擇
　　由于壓力變送器是一個(gè)體積較小的精密型儀器,其在工作的過(guò)程中對介質(zhì)溫度的測量是必要的,這樣能夠保證在不同溫度條件下對壓力傳感器的形變進(jìn)行一定的補償計算。為了保證溫度傳感器不對壓力變送器的整體及外形產(chǎn)生影響,本設計采用了將小型溫度傳感器,通過(guò)導熱硅膠粘放于壓力傳感器本體上,從而能夠快速的獲得介質(zhì)及壓力傳感器的溫度變化。溫度傳感器以半導體做為測溫原件,測溫原件集成了模數轉換功能,能夠將測量的溫度直接轉換為數字信號傳遞給單片機進(jìn)行數據處理、分析轉化及存儲,為保證溫度測量的正確性可采用三點(diǎn)或四點(diǎn)式溫度測量,使溫度的測量誤差控制在1℃以?xún)取?br /> 2.4數據處理單元的選擇
　　在壓力變送器的整個(gè)硬件系統中，數據處理是最核心的步驟，參數的轉化與處理直接影響到測量結果的精度,同時(shí)處理單元的工作擴展能力也直接影響了壓力變送器的使用功能及壽命,通過(guò)對多種微型處理器的結構和功能進(jìn)行比較,單片機微型處理器集成了處理功能存儲功能、計時(shí)功能、計數功能以及數據接收和輸出功能等多種功能于一身。單片機處理器經(jīng)過(guò)了多年的改進(jìn)發(fā)展,其不僅在功能上滿(mǎn)足多方面的要求,更在程序的編制及運行的速度、功能可靠性等方面具有自身優(yōu)勢,且市場(chǎng)價(jià)格相對較低。經(jīng)過(guò)多方對比,選用了單片機處理器作為智能壓力變送器的數據處理核心原件,利用其靈活的開(kāi)發(fā)手段,解決壓力變送器數據處理的要求。
2.5數模轉換芯片的選擇
　　本設計所生產(chǎn)的12位的數模轉換芯片,它能夠直接對壓力傳感器所產(chǎn)生的數據信號進(jìn)行接收和處理,由于采用了更為先進(jìn)的轉換技術(shù)能夠有效防止丟失碼問(wèn)題的產(chǎn)生,并高效完成參數信號轉換成數字信號的過(guò)程。這種轉換芯片可以選擇多種供電方式并具有靈活的輸人和輸出模式,具有精度高、抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn),能夠滿(mǎn)足壓力變送器模數轉換功能的要求。
2.6人機界面的設計
　　人機界面的設計不僅要滿(mǎn)足監測和控制的全部要求,還必須做到簡(jiǎn)單易用。人機界面中能夠實(shí)現對測量參數的儀表化顯示、各工作部件的分析與診斷、量程調節等功能,用戶(hù)可以通過(guò)選項按鈕實(shí)現對壓力變送器工作狀態(tài)及測量結果的實(shí)時(shí)監測與控制，也方便了使用者對數據處理器及數據轉換裝置的維護和觀(guān)測。本設計選用了人機交互系統,能夠有效的對單片機發(fā)送的數據進(jìn)行讀寫(xiě)、轉換、存儲,同時(shí)實(shí)現高效智能顯示的工作要求。
3試驗與總結
3.1實(shí)驗過(guò)程
　　由于條件所限壓力變送器的試驗采用實(shí)驗室的模擬實(shí)驗進(jìn)行,除所設計的壓力變送器外,使用的試驗儀器包括空氣壓縮機、浮球式壓力計、數字顯示萬(wàn)用表恒溫熱風(fēng)干燥箱以及臺式電腦等。
試驗過(guò)程通過(guò)壓縮機和熱風(fēng)千燥箱創(chuàng )造空氣介質(zhì)的壓力測量環(huán)境,采用浮球式壓力計進(jìn)行壓力對比分析,試驗中通過(guò)對恒溫熱風(fēng)干燥箱的溫度條件參數的修改,模擬壓力變送器在不同溫度條件下的壓力測量效果,以實(shí)現單片機處理器對溫度補償的正確性進(jìn)行試驗。
　　試驗分別選取了30℃、45℃、60℃溫度環(huán)境進(jìn)行,每個(gè)工作環(huán)境試驗次數為5次,并在每次試驗結束后記錄壓力變送器的測量壓力以及浮球式壓力計顯示的壓力,并做好表格供后續分析使用。
由于浮球式壓力計和恒溫熱風(fēng)干燥箱屬于外購的精密儀器設備,因此在使用過(guò)程中應注意閱讀其產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)并嚴格遵守操作過(guò)程要求，以免造成安全事故。在對數據進(jìn)行分析后,可對壓力變送器的處理單元、誤差補償和溫度補償的方案進(jìn)行調整,并再次進(jìn)行重復性試驗,直到達到規定的精度要求為止。
3.2總結
　　通過(guò)上述的硬件選擇及試驗分析與調整,本設計的壓力變送器在經(jīng)過(guò)實(shí)際的安裝與調試后能夠穩定地完成多種情況下的壓力測量任務(wù),具備良好的應用價(jià)值。