1 概述
在工業控制領域,智能變送器因具有數字化處理、遠程通信等功能而得到日益廣泛的采用。在智能變送器的通信協議中,目前廣泛得到使用的是HART(high-way addressable remote transducer,可尋址遠程傳感器數據公路)協議[1],它采用Bell202標準的FSK頻移鍵控信號,在4~20mA的模擬信號上疊加了正弦調制波以
實現數字通信。HART協議以其兼容模擬電流信號和數字通信信號而得到了廣大用戶的歡迎,已經成為智能儀表/事實上(de fact)0的工業標準[2]。
目前市場上的模擬擴散硅壓力變送器具有價格低、靈敏度高等優點,但擴散硅傳感器對溫度的影響相當敏感,而且使用傳統的方法難以實現理想的溫度補償,該特性大大影響了變送器的精度,并限制了變送器的應用場合。
基于HART協議的擴散硅變送器,它不但具有智能變送器的所有優點,而且可以通過軟件補償傳感器的溫度漂移,達到全溫度壓力范圍內的高精度,使擴散硅變送器具有了更大的使用范圍。
2 基于HART協議的軟硬件設計
2.1 擴散硅傳感器的溫度和壓力特性分析擴散硅傳感器的輸出既與壓力有關,也受溫度影響,其輸出特性是一個三維曲面,圖1是EG&G96型擴散硅傳感器在壓力-溫度-輸出誤差坐標下的輸出曲面。由圖1可以看出:溫度漂移越大,擴散硅傳感器輸出誤差越大;在相同溫度下,輸入壓力越大,輸出誤差也越大。智能擴散硅壓力變送器的軟硬件設計就是針對擴散硅傳感器的這種溫度和壓力特性進行的。
圖1 擴散硅傳感器在壓力-溫度-誤差坐標下的曲面
2.2 總體框圖
基于HART協議擴散硅變送器的硬件結構框圖如圖2所示,傳感器的壓力和溫度信號的輸出通過多路開關和前級放大電路進入AD7715進行采樣,然后進入CPU中進行線性化處理、溫度補償、量程轉換、阻尼處理和工程量轉換,由AD421輸出相應的4~20mA電流信號。AD421和外部的場效應管T2、三級管T1組成電源電路,將環路24V電壓轉換為5V電壓給內部電路供電。HART MODEM則接收和解調環路上的HART信號,并交由CPU處理,將輸出的HART信號通過AD421耦合到環路上。針對可能存在的電磁干擾,采用了電源監控電路和WDT。當電源發生波動時,監控電路產生復位,保證了程序執行的安全性。HART硬件設計的關鍵是低功耗技術,其解決方法詳見文獻[1,3]。
2.3 溫度信號的獲取
溫度信號可采用集成溫度傳感器獲取,但由于安裝距離等問題,溫度傳感器和擴散硅傳感器之間17基于HART協議的智能擴散硅壓力變送器 陳東宇,等圖2 HART擴散硅變送器硬件結構框圖可能存在溫度梯度,使得測得的溫度可能和擴散硅傳感器的實際溫度不一致。因此采用如圖3所示一橋兩測方法,即在恒流供電情況下的Uab為傳感器的壓力信號差動輸出,Ucd為溫度信號的輸出。溫度變化引起各橋臂電阻向相同方向變化[4]。設壓力變化引起的橋臂電阻變化$R,溫度變化引起的橋臂電阻變化$Rt,則有:
R1=R4= R+$R+$Rt
R2=R3= R-$R+$Rt
Ucd=IRcd= IR+I$Rt
測量Ucd可以得到相應的溫度變化量,從而直接反映擴散硅傳感器電橋電阻的溫度。
圖3 傳感器的一橋兩測電路和后繼放大電路
2.4 信號處理
信號處理部分要解決采樣信號的放大和信號的一致性問題。
從擴散硅傳感器電橋輸出的差動電壓信號由于幅值較小,如果直接進入AD采樣,需要在AD7715中進行內部放大,但這會影響到AD的精度,因此需要進行前級放大;同時,對于不同的傳感器,即使是同種型號和批次的產品,其滿度輸出不同,這對后繼的軟件處理造成了難度,損害傳感器和變送器智能處理模塊互換性,為此提出下面方法加以解決:在EG&G96型傳感器內設置一個激光蝕刻的調校電阻r[5](如圖4),r的蝕
刻電阻值為
r =200Si2-Si
式中:Si為傳感器在標準激勵電流下(1mA)的滿度輸出。當采用圖4所示的放大電路時,放大器輸出為Uef= Sir+2Rr=2R100+Si(100-R)200
圖4 擴散硅傳感器的聯網標定
當R取100k8時,有Uef=2V,與傳感器的滿度輸出無關。這就使不同的傳感器輸出幅值一致,使其具有互換性,為建立數學模型進行補償和在實際工作中模塊的更換提供了方便。
2.5 溫度和非線性補償
分析圖1的擴散硅傳感器特性曲面可知,擴散硅傳感器的輸出U是溫度t、壓力p坐標下的曲面,可以使用二次曲面擬合方程來描述其特性:U= a0+ a1p+ a2t+ a3p2+ a4pt+ a5t2+E
可以通過對傳感器的測試,用試驗數據擬合待定系數的多項式來確定傳感器的數學模型。在獲取傳感器特征曲面的擬合多項式時,采取了一些簡化方法。只要特定的溫度壓力標定點對傳感器特性進行標定,經過運算這些標定數據,就可確定傳感器特征曲面的擬合多項式。
3 擴散硅壓力變送器的智能標定
擴散硅壓力變送器通過智能標定來確定補償方程中參數。在標定中,采用HART通信實現變送器補償數據的測試和存儲。標定時,可通過設置HART的多點模式將多臺HART擴散硅變送器(zui多15臺)在一根總線上連成網絡(見圖4)。網絡上的所有變送器置于相同的溫度下,并連接相同壓力源,這樣就可以使用HART通信,一次實現多臺HART變送器數據標定和存儲。標定時,使用HART上位主設備(手持編程器或HART-PC編程器)將下位變送器設置在標定狀態。然后,在特定的壓力下,將擴散硅變送器所處的溫場變化,以及在標定狀態下自動采集和存儲的傳感器溫度信號和壓力信號,計算出二次擬合曲面方程的相應參數,以確定其擬合曲面。經過標定后的擴散硅壓力變送器就具有溫度和非線性自動補償功能。
溫度和非線性補償效果
經實驗測試,通過上述方法補償后的智能HART擴散硅變送器在-20~+80e范圍內,其綜合精度達到011%。下面以一組擴散硅變送器的測試數據說明補償效果,變送器在20e時設置0kPa壓力為下量程,100kPa壓力為上量程,表1和表2分別是擴散硅壓力變送器在補償前后的測試數據。分析可知,補償前zui大誤差約為1.6%,補償后zui大誤差小于011%。實驗證明,上述擴散硅傳感器的補償方法簡便易行,很好地解決了擴散硅傳感器的溫度影響問題,該HART擴散硅變送器在完成智能化的同時使儀表的性能實現了飛躍。
表1 補償前擴散硅變送器的輸出數據溫度/e
輸出百分比壓力/kPa
0 25 50 75 100
-20 -1.250% 23.406% 48.656% 73.869% 99.063%
0 -0.581% 24.506% 49.613% 74.669% 99.725%
20 -0.019% 24.975% 49.963% 74.988% 99.963%
50 -0.381% 24.444% 49.356% 74.325% 99.263%
80 -0.900% 23.988% 48.881% 73.863% 98.819%
zui大相對誤差 1.250% 1.594% 1.344% 1.137% 1.181%
表2 補償后擴散硅變送器的輸出數據溫度/e
輸出百分比壓力/kPa
0 25 50 75 100
-20 0.000% 25.031% 50.050% 75.056% 99.088%
0 -0.069% 24.956% 50.006% 75.056% 100.000%
20 0.000% 25.025% 50.050% 75.031% 99.994%
50 0.025% 24.944% 49.981% 74.975% 99.994%
80 0.000% 24.925% 49.938% 74.963% 100.019%
zui大相對誤差 0.069% 0.075% 0.062% 0.056% 0.019%
http:///jishuziliao/2013-12-03/566.html
5 結束語
HART協議由于其模擬和數字兼容的特性,在向全數字信號過渡的時期內,還會有較大的發展[6]。目前國外有些大公司仍在為HART協議開發產品,如ALSTOM在開發WorldFIP與HART的通信網關,Rose-mount的DeltaV系統也包含了HART、FF多種總線。在國外,目前所有已安裝的現場設備的80%為智能設備[7];而在國內,模擬儀表仍大量被使用情況下,原估計有10~15年生命力的HART協議將會有更長的生命周期。
國內實際使用中的智能儀表大多數仍充作模擬儀表使用,只是使用其遠程調校和設置量程零位的功能,只是/智能調校儀表0,而智能儀表的網絡化控制和智能補償特點卻沒有得到實現。基于HART協議的智能擴散硅壓力變送器實現了對溫度和非線性的智能補償,充分體現了HART協議智能儀表的優點,將在實際中獲得更大應用范圍。
