4~20mA壓力變送器的介紹

摘要:針對生產過程參數在線監測系統的需求,測量水網管線壓力的4~20mA壓力變送器。該變送器采用NSA2860芯片作為整個系統的核心,在線監測水網管線壓力參數,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通過以太網將壓力參數傳輸到石化控制室進行集中顯示，實現參數超限報警。著重介紹了壓力變送器供電、傳感器激勵、環境溫度采集、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單、可靠性好、采集壓力精度高等優點。
0引言
　　在石化廠生產過程中,自動化監控需要自動采集流量、振動、壓力、溫度等過程參數。為了實時監測生產過程參數信息,及時發現潛在故障,建立一個石化水網管線過程參數實時在線監測系統尤為必要,通過對水網管線中介質的溫度、壓力、流量的在線監測,將監測到的參數送人附近的控制室進行集中顯示，實現參數超限報警。目前,在石化等基礎性行業中,使用的壓力變送器嚴重依賴進口,在產品營銷上存在國際貿易壁壘,同時存在售價昂貴,供貨周期長,急需國產化替代,來解決國外引進產品的“卡脖子”問題。
1系統架構
　　石化廠生產過程水網管線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管線的壓力溫度、流量和液位信息參數,通過4~20mA電流信號將參數傳輸給RTU1,RTU將來自現場變送器的數據匯聚后通過工業以太網送人控制中心進行監控處理,在監控中心里實時顯示監測對象的參數,發生超限時進行報警。
 
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。
　　儀表放大器+變送器放大器架構通過可變電阻人工調整零點及靈敏度,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,同時存在軟件可靠性的問題。集成式調理芯片NSA2860架構的調理電路是一款國產化的調理芯片,集成度高,僅需最少的外部器件，即可實現壓力變送模塊的校準和變送,具有性能高、精度高等優點。本壓力變送器主要實現國產化和精度高小型化,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由儀表PCA和24位ADC構成的主信號通道,一個內置溫度傳感器和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16位的DAC和一個可以靈活配置的具有多種電壓.4~20mA電流或者PWM模式的輸出驅動電路組成。電源及驅動模塊包含一個高精度參考電壓源,傳感器驅動恒壓源，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。
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是雙向瞬態電壓抑制器TVS,電流環路上的兩個磁珠B1和B2對耦合到環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,環境適應性好、壽命長和可靠性高等技術優點。壓力傳感器輸出采用惠斯通電橋結構,它由四個壓阻連接成電橋,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性關系
 
　　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題。為了在環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路內,如圖3電路原理圖所示，OUT引腳輸出電壓信號,經過外圍電壓轉換電流電路,調節環路電流。反饋電阻R4串聯在電路的低端,所有的電流都將通過反饋電阻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。這個電阻直接影響4~20mA電路輸出的特性。
　　壓力變送器通過4~20mA的環路就能通信,完成校準和測試任務,4~20mA的通信控制通過調制電源信號來實現,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上,同時通過螺釘固定在壓力接口的固定柱上，變送器外殼通過焊接安裝在壓力接口上，,變送器電連接器通過螺釘安裝在外殼頂部。整機結構提升抗振動沖擊性能，滿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協議與485通信協議進行相互轉換。
　　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品合格的關鍵步驟。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: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。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對溫度漂移產生的誤差進行補償,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,靈敏度的高二階溫度漂移校準.以及高三階的非線性校準,校準精度理論上可以達到0.1%以內。校準算法為擬合校準,取3個溫度點-20℃、25℃和80℃,在每個溫度點采集3個壓力值。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℃溫度點測試,在每個溫度點上,分別給定6個壓力點(0.1MPa,1MPa,2MPa,3MPa,4MPa,5MPa),每個壓力點上分別記錄輸出的電流值,這是正行程,接著進行反行程測試。正行程、反行程循環測試3次。用端距法計算出壓力變送器精度為0.14%，優于精度0.2%。
5結束語
　　石化廠水網管線過程參數在線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化元器件,自主可控,真正意義上實現了高精度壓力變送器國產化替代。壓力變送器輸出的4~20mA電流信號經過RTU匯聚后通過工業以太網上傳到控制室進行壓力參數的集中顯示,實現參數超越報警。整個系統實現石化廠水網管線過程參數的實時在線監測,具有一定的實用和推廣價值。