基于HART協(xié)議的智能擴(kuò)散硅壓力變送器-科儀自動(dòng)化

1 概述
在工業(yè)控制領(lǐng)域,智能變送器因具有數(shù)字化處理、遠(yuǎn)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(xié)議中,目前廣泛得到使用的是HART(high-way addressable remote transducer,可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路)協(xié)議[1],它采用Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號,在4~20mA的模擬信號上疊加了正弦調(diào)制波以
實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信。HART協(xié)議以其兼容模擬電流信號和數(shù)字通信信號而得到了廣大用戶的歡迎,已經(jīng)成為智能儀表/事實(shí)上(de fact)0的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。
目前市場上的模擬擴(kuò)散硅壓力變送器具有價(jià)格低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),但擴(kuò)散硅傳感器對溫度的影響相當(dāng)敏感,而且使用傳統(tǒng)的方法難以實(shí)現(xiàn)理想的溫度補(bǔ)償,該特性大大影響了變送器的精度,并限制了變送器的應(yīng)用場合。
基于HART協(xié)議的擴(kuò)散硅變送器,它不但具有智能變送器的所有優(yōu)點(diǎn),而且可以通過軟件補(bǔ)償傳感器的溫度漂移,達(dá)到全溫度壓力范圍內(nèi)的高精度,使擴(kuò)散硅變送器具有了更大的使用范圍。
2 基于HART協(xié)議的軟硬件設(shè)計(jì)
2.1 擴(kuò)散硅傳感器的溫度和壓力特性分析擴(kuò)散硅傳感器的輸出既與壓力有關(guān),也受溫度影響,其輸出特性是一個(gè)三維曲面,圖1是EG&G96型擴(kuò)散硅傳感器在壓力-溫度-輸出誤差坐標(biāo)下的輸出曲面。由圖1可以看出:溫度漂移越大,擴(kuò)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(kuò)散硅壓力變送器的軟硬件設(shè)計(jì)就是針對擴(kuò)散硅傳感器的這種溫度和壓力特性進(jìn)行的。
圖1 擴(kuò)散硅傳感器在壓力-溫度-誤差坐標(biāo)下的曲面

2.2 總體框圖

基于HART協(xié)議擴(kuò)散硅變送器的硬件結(jié)構(gòu)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(guān)和前級放大電路進(jìn)入AD7715進(jìn)行采樣,然后進(jìn)入CPU中進(jìn)行線性化處理、溫度補(bǔ)償、量程轉(zhuǎn)換、阻尼處理和工程量轉(zhuǎn)換,由AD421輸出相應(yīng)的4~20mA電流信號。AD421和外部的場效應(yīng)管T2、三級管T1組成電源電路,將環(huán)路24V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓給內(nèi)部電路供電。HART MODEM則接收和解調(diào)環(huán)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(huán)路上。針對可能存在的電磁干擾,采用了電源監(jiān)控電路和WDT。當(dāng)電源發(fā)生波動(dòng)時(shí),監(jiān)控電路產(chǎn)生復(fù)位,保證了程序執(zhí)行的安全性。HART硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是低功耗技術(shù),其解決方法詳見文獻(xiàn)[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(kuò)散硅傳感器之間17基于HART協(xié)議的智能擴(kuò)散硅壓力變送器 陳東宇,等圖2 HART擴(kuò)散硅變送器硬件結(jié)構(gòu)框圖可能存在溫度梯度,使得測得的溫度可能和擴(kuò)散硅傳感器的實(shí)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(dòng)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(shè)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(yīng)的溫度變化量,從而直接反映擴(kuò)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(kuò)散硅傳感器電橋輸出的差動(dòng)電壓信號由于幅值較小,如果直接進(jìn)入AD采樣,需要在AD7715中進(jìn)行內(nèi)部放大,但這會影響到AD的精度,因此需要進(jìn)行前級放大;同時(shí),對于不同的傳感器,即使是同種型號和批次的產(chǎn)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(nèi)設(shè)置一個(gè)激光蝕刻的調(diào)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(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)電流下(1mA)的滿度輸出。當(dāng)采用圖4所示的放大電路時(shí),放大器輸出為Uef= Sir+2Rr=2R100+Si(100-R)200
圖4 擴(kuò)散硅傳感器的聯(lián)網(wǎng)標(biāo)定
  當(dāng)R取100k8時(shí),有Uef=2V,與傳感器的滿度輸出無關(guān)。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(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償和在實(shí)際工作中模塊的更換提供了方便。
2.5 溫度和非線性補(bǔ)償
分析圖1的擴(kuò)散硅傳感器特性曲面可知,擴(kuò)散硅傳感器的輸出U是溫度t、壓力p坐標(biāo)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(yàn)數(shù)據(jù)擬合待定系數(shù)的多項(xiàng)式來確定傳感器的數(shù)學(xué)模型。在獲取傳感器特征曲面的擬合多項(xiàng)式時(shí),采取了一些簡化方法。只要特定的溫度壓力標(biāo)定點(diǎn)對傳感器特性進(jìn)行標(biāo)定,經(jīng)過運(yùn)算這些標(biāo)定數(shù)據(jù),就可確定傳感器特征曲面的擬合多項(xiàng)式。
3 擴(kuò)散硅壓力變送器的智能標(biāo)定
擴(kuò)散硅壓力變送器通過智能標(biāo)定來確定補(bǔ)償方程中參數(shù)。在標(biāo)定中,采用HART通信實(shí)現(xiàn)變送器補(bǔ)償數(shù)據(jù)的測試和存儲。標(biāo)定時(shí),可通過設(shè)置HART的多點(diǎn)模式將多臺HART擴(kuò)散硅變送器(zui多15臺)在一根總線上連成網(wǎng)絡(luò)(見圖4)。網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)多臺HART變送器數(shù)據(jù)標(biāo)定和存儲。標(biāo)定時(shí),使用HART上位主設(shè)備(手持編程器或HART-PC編程器)將下位變送器設(shè)置在標(biāo)定狀態(tài)。然后,在特定的壓力下,將擴(kuò)散硅變送器所處的溫場變化,以及在標(biāo)定狀態(tài)下自動(dòng)采集和存儲的傳感器溫度信號和壓力信號,計(jì)算出二次擬合曲面方程的相應(yīng)參數(shù),以確定其擬合曲面。經(jīng)過標(biāo)定后的擴(kuò)散硅壓力變送器就具有溫度和非線性自動(dòng)補(bǔ)償功能。
溫度和非線性補(bǔ)償效果
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,通過上述方法補(bǔ)償后的智能HART擴(kuò)散硅變送器在-20~+80e范圍內(nèi),其綜合精度達(dá)到011%。下面以一組擴(kuò)散硅變送器的測試數(shù)據(jù)說明補(bǔ)償效果,變送器在20e時(shí)設(shè)置0kPa壓力為下量程,100kPa壓力為上量程,表1和表2分別是擴(kuò)散硅壓力變送器在補(bǔ)償前后的測試數(shù)據(jù)。分析可知,補(bǔ)償前zui大誤差約為1.6%,補(bǔ)償后zui大誤差小于011%。實(shí)驗(yàn)證明,上述擴(kuò)散硅傳感器的補(bǔ)償方法簡便易行,很好地解決了擴(kuò)散硅傳感器的溫度影響問題,該HART擴(kuò)散硅變送器在完成智能化的同時(shí)使儀表的性能實(shí)現(xiàn)了飛躍。
表1 補(bǔ)償前擴(kuò)散硅變送器的輸出數(shù)據(jù)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(bǔ)償后擴(kuò)散硅變送器的輸出數(shù)據(jù)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(jié)束語
HART協(xié)議由于其模擬和數(shù)字兼容的特性,在向全數(shù)字信號過渡的時(shí)期內(nèi),還會有較大的發(fā)展[6]。目前國外有些大公司仍在為HART協(xié)議開發(fā)產(chǎn)品,如ALSTOM在開發(fā)WorldFIP與HART的通信網(wǎng)關(guān),Rose-mount的DeltaV系統(tǒng)也包含了HART、FF多種總線。在國外,目前所有已安裝的現(xiàn)場設(shè)備的80%為智能設(shè)備[7];而在國內(nèi),模擬儀表仍大量被使用情況下,原估計(jì)有10~15年生命力的HART協(xié)議將會有更長的生命周期。
國內(nèi)實(shí)際使用中的智能儀表大多數(shù)仍充作模擬儀表使用,只是使用其遠(yuǎn)程調(diào)校和設(shè)置量程零位的功能,只是/智能調(diào)校儀表0,而智能儀表的網(wǎng)絡(luò)化控制和智能補(bǔ)償特點(diǎn)卻沒有得到實(shí)現(xiàn)?；贖ART協(xié)議的智能擴(kuò)散硅壓力變送器實(shí)現(xiàn)了對溫度和非線性的智能補(bǔ)償,充分體現(xiàn)了HART協(xié)議智能儀表的優(yōu)點(diǎn),將在實(shí)際中獲得更大應(yīng)用范圍。