基于HART协议的智能扩散硅压力变送器-科仪自动化

1 概述
在工业控制领域,智能变送器因具有数字化处理、远程通信等功能而得到日益广泛的采用。在智能变送器的通信协议中,目前广泛得到使用的是HART(high-way addressable remote transducer,可寻址远程传感器数据公路)协议[1],它采用Bell202标准的FSK频移键控信号,在4~20mA的模拟信号上叠加了正弦调制波以
实现数字通信。HART协议以其兼容模拟电流信号和数字通信信号而得到了广大用户的欢迎,已经成为智能仪表/事实上(de fact)0的工业标准[2]。
目前市场上的模拟扩散硅压力变送器具有价格低、灵敏度高等优点,但扩散硅传感器对温度的影响相当敏感,而且使用传统的方法难以实现理想的温度补偿,该特性大大影响了变送器的精度,并限制了变送器的应用场合。
基于HART协议的扩散硅变送器,它不但具有智能变送器的所有优点,而且可以通过软件补偿传感器的温度漂移,达到全温度压力范围内的高精度,使扩散硅变送器具有了更大的使用范围。
2 基于HART协议的软硬件设计
2.1 扩散硅传感器的温度和压力特性分析扩散硅传感器的输出既与压力有关,也受温度影响,其输出特性是一个三维曲面,图1是EG&G96型扩散硅传感器在压力-温度-输出误差坐标下的输出曲面。由图1可以看出:温度漂移越大,扩散硅传感器输出误差越大;在相同温度下,输入压力越大,输出误差也越大。智能扩散硅压力变送器的软硬件设计就是针对扩散硅传感器的这种温度和压力特性进行的。
图1 扩散硅传感器在压力-温度-误差坐标下的曲面

2.2 总体框图

基于HART协议扩散硅变送器的硬件结构框图如图2所示,传感器的压力和温度信号的输出通过多路开关和前级放大电路进入AD7715进行采样,然后进入CPU中进行线性化处理、温度补偿、量程转换、阻尼处理和工程量转换,由AD421输出相应的4~20mA电流信号。AD421和外部的场效应管T2、三级管T1组成电源电路,将环路24V电压转换为5V电压给内部电路供电。HART MODEM则接收和解调环路上的HART信号,并交由CPU处理,将输出的HART信号通过AD421耦合到环路上。针对可能存在的电磁干扰,采用了电源监控电路和WDT。当电源发生波动时,监控电路产生复位,保证了程序执行的安全性。HART硬件设计的关键是低功耗技术,其解决方法详见文献[1,3]。
2.3 温度信号的获取
温度信号可采用集成温度传感器获取,但由于安装距离等问题,温度传感器和扩散硅传感器之间17基于HART协议的智能扩散硅压力变送器 陈东宇,等图2 HART扩散硅变送器硬件结构框图可能存在温度梯度,使得测得的温度可能和扩散硅传感器的实际温度不一致。因此采用如图3所示一桥两测方法,即在恒流供电情况下的Uab为传感器的压力信号差动输出,Ucd为温度信号的输出。温度变化引起各桥臂电阻向相同方向变化[4]。设压力变化引起的桥臂电阻变化$R,温度变化引起的桥臂电阻变化$Rt,则有:
R1=R4= R+$R+$Rt
R2=R3= R-$R+$Rt
Ucd=IRcd= IR+I$Rt
  测量Ucd可以得到相应的温度变化量,从而直接反映扩散硅传感器电桥电阻的温度。
图3 传感器的一桥两测电路和后继放大电路
2.4 信号处理
信号处理部分要解决采样信号的放大和信号的一致性问题。
从扩散硅传感器电桥输出的差动电压信号由于幅值较小,如果直接进入AD采样,需要在AD7715中进行内部放大,但这会影响到AD的精度,因此需要进行前级放大;同时,对于不同的传感器,即使是同种型号和批次的产品,其满度输出不同,这对后继的软件处理造成了难度,损害传感器和变送器智能处理模块互换性,为此提出下面方法加以解决:在EG&G96型传感器内设置一个激光蚀刻的调校电阻r[5](如图4),r的蚀
刻电阻值为
r =200Si2-Si
式中:Si为传感器在标准激励电流下(1mA)的满度输出。当采用图4所示的放大电路时,放大器输出为Uef= Sir+2Rr=2R100+Si(100-R)200
图4 扩散硅传感器的联网标定
  当R取100k8时,有Uef=2V,与传感器的满度输出无关。这就使不同的传感器输出幅值一致,使其具有互换性,为建立数学模型进行补偿和在实际工作中模块的更换提供了方便。
2.5 温度和非线性补偿
分析图1的扩散硅传感器特性曲面可知,扩散硅传感器的输出U是温度t、压力p坐标下的曲面,可以使用二次曲面拟合方程来描述其特性:U= a0+ a1p+ a2t+ a3p2+ a4pt+ a5t2+E
  可以通过对传感器的测试,用试验数据拟合待定系数的多项式来确定传感器的数学模型。在获取传感器特征曲面的拟合多项式时,采取了一些简化方法。只要特定的温度压力标定点对传感器特性进行标定,经过运算这些标定数据,就可确定传感器特征曲面的拟合多项式。
3 扩散硅压力变送器的智能标定
扩散硅压力变送器通过智能标定来确定补偿方程中参数。在标定中,采用HART通信实现变送器补偿数据的测试和存储。标定时,可通过设置HART的多点模式将多台HART扩散硅变送器(zui多15台)在一根总线上连成网络(见图4)。网络上的所有变送器置于相同的温度下,并连接相同压力源,这样就可以使用HART通信,一次实现多台HART变送器数据标定和存储。标定时,使用HART上位主设备(手持编程器或HART-PC编程器)将下位变送器设置在标定状态。然后,在特定的压力下,将扩散硅变送器所处的温场变化,以及在标定状态下自动采集和存储的传感器温度信号和压力信号,计算出二次拟合曲面方程的相应参数,以确定其拟合曲面。经过标定后的扩散硅压力变送器就具有温度和非线性自动补偿功能。
温度和非线性补偿效果
经实验测试,通过上述方法补偿后的智能HART扩散硅变送器在-20~+80e范围内,其综合精度达到011%。下面以一组扩散硅变送器的测试数据说明补偿效果,变送器在20e时设置0kPa压力为下量程,100kPa压力为上量程,表1和表2分别是扩散硅压力变送器在补偿前后的测试数据。分析可知,补偿前zui大误差约为1.6%,补偿后zui大误差小于011%。实验证明,上述扩散硅传感器的补偿方法简便易行,很好地解决了扩散硅传感器的温度影响问题,该HART扩散硅变送器在完成智能化的同时使仪表的性能实现了飞跃。
表1 补偿前扩散硅变送器的输出数据温度/e
输出百分比压力/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大相对误差 1.250% 1.594% 1.344% 1.137% 1.181%
表2 补偿后扩散硅变送器的输出数据温度/e
输出百分比压力/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大相对误差 0.069% 0.075% 0.062% 0.056% 0.019%

http:///jishuziliao/2013-12-03/566.html
5 结束语
HART协议由于其模拟和数字兼容的特性,在向全数字信号过渡的时期内,还会有较大的发展[6]。目前国外有些大公司仍在为HART协议开发产品,如ALSTOM在开发WorldFIP与HART的通信网关,Rose-mount的DeltaV系统也包含了HART、FF多种总线。在国外,目前所有已安装的现场设备的80%为智能设备[7];而在国内,模拟仪表仍大量被使用情况下,原估计有10~15年生命力的HART协议将会有更长的生命周期。
国内实际使用中的智能仪表大多数仍充作模拟仪表使用,只是使用其远程调校和设置量程零位的功能,只是/智能调校仪表0,而智能仪表的网络化控制和智能补偿特点却没有得到实现。基于HART协议的智能扩散硅压力变送器实现了对温度和非线性的智能补偿,充分体现了HART协议智能仪表的优点,将在实际中获得更大应用范围。