基于HART協議智能壓力變送器的檢定方法

摘要:與常規壓力變送器相比,智能壓力變送器的功能和性能更具有優勢。基于HART協議的智能壓力變送器，提出采用-套壓力控制器對其進行檢定。實驗證明:通過使用一套壓力控制器和上位機軟件,對其進行自動調整和檢定,能對檢測點的數據進行自動計算,大幅度提升了檢定效率。
　　工業檢測與控制過程中，壓力變送器是一種常用的儀器,隨著自動化水平和監控技術的發展、DCS系統的應用，,正逐漸向智能化和數字化方向發展。與常規壓力變送器相比，智能壓力變送器的功能和性能更具有優勢。眾多智能壓力變送器中,常用的基于HART協議的智能壓力變送器,在檢定時一般需使用兩套壓力控制器進行調整和檢定。因此,提出使用一套壓力控制器對其進行檢定的方法。
1智能壓力變送器原理及自動調節模式
1.1 HART通信協議概述
　　HART通信協議是在現場的智能儀器儀表的工業信號上,疊加數字信號,使傳輸數據的內容豐富,并保留模擬信號傳輸功能,與DCS系統相兼容,使信號在不中斷的情況下,實現模擬回路的同時通信，操作更方便。該協議模型結構分為三層,即:(1)物理層對信號傳輸方式及介質進行規定,傳輸基于BELL202調制通信標準的FSK技術,常用介質為雙絞同軸電纜(2)數據鏈路層。用于保證數據的可靠傳輸,分為MAC(對網絡構成和數據幀傳輸規則進行規定)和LLC(對信息幀格式進行規定)兩個子層。其中信息幀共分為請求幀、應答幀和陣發幀,其格式如圖1所示。(3)應用層。采用命令集的形式,使主站和從站之間進行相互操作.
 
1.2智能壓力變送器的原理
　　基于HART協議的智能壓力變送器由機械、電路和微處理器等部件構成,其中微處理器是對數據運算， 如圖2所示,主要分為輸人模塊、轉換模塊和輸出模塊,且各模塊都能獨立進行調整和測試。
 
(1)輸人模塊。智能壓力變送器對壓力進行測量后，會根據廠家提供的數字表或根據某形式的方程式,將測量結果轉化為數字信號,將過程變量數值輸出。
(2)轉換模塊。該模塊按照嚴格的數學關系，將過程變量數值轉換為毫安。它是通過將智能壓力變送器的量程經轉換函數計算得到。其中，輸出值為智能壓力變送器輸出回路的電流數值。
(3)輸出模塊。該模塊將轉換模塊的輸出電流數值,通過D/A轉換器輸出(4 ~20)mA的模擬電流。該階段中,智能壓力變送器中的微處理器是通過內部的校準因素進行校準后,輸出正確的結果。
1.3智能壓力變送器的自動調整模式
　　傳統的智能壓力變送器調整方法,需連接電流表、手動操作器、電阻、壓力標準器等,步驟較復雜，且壓力標準器和手動操作器之間無法直接自動交互,需人工對數據進行讀取后,再錄人數據,工作效率較低,容易出現人為誤差。而基于HART協議的智能壓力變送器的自動調整模式,能從軟件上解決壓力標準器與手動操作器之間的功能自動交互，提高作效率。具有以下優點:
(1)不同生產廠家的智能壓力變送器的功能菜單位置不同,自動調整模式能統一-將檢定用指令全部提取,再進行重新分類,并將指令放置于統一-的位置,使不同的智能壓力變送器的操作方式-致,操作更簡單,杜絕了產品不同時反復對操作功能進行查找的問題。
(2)將不同生產廠家的智能壓力變送器的操作轉換為全中文的觸摸式操作，操作界面更加友好,操作更加便捷、高效,調整能一鍵實現,使工作人員的操作維護更加快捷。
(3)壓力控制器的兼容性較好,可使用網絡對壓力控制器進行升級,實現對各種常見和新出的基于HART協議智能壓力變送器的自動調整。
2基于HART協議智能壓力變送器的檢定工作
2.1檢定前的調整工作
(1)智能壓力變送器檢定前,需對輸人模塊和輸出模塊進行調整。其中,輸人模塊壓力值的調整工作為傳感器調整;輸出模塊輸出數值的調整工作為電流輸出調整。調整時,首先連接壓力控制器,然后進人控制器界面，對該變送器進行搜索,待搜索成功后,開始進行調整。
(2)電流調整時,需調整智能壓力變送器的電流輸出比例系數,使電流輸出數值與實際輸出的環路電流相同。首先,進入調整點,自動設置該變送器的零點或滿度點,當環路電流測量值在(4 ~ 20) mA范圍內時,手動輸人或在界面按“獲取”鍵錄入測量值,然后按照錄人數值調整零點或滿度點。
(3)傳感器調整時,需調整智能壓力變送器的壓力值,并與實際輸出的壓力值相同。調整壓力量程下限和上限時,可通過調整點自動設置輸出壓力量程的上、下限壓力值,也可通過壓力控制器的輸出值窗口改變輸出壓力值7]。壓力測量值可手動輸入或在界面中按“獲取”鍵直接錄人,然后按照錄人數值調整壓力值。
(4)溫度補償時,一般需進行高、低溫補償操作。首先,進行常溫時零位和滿量程的數據輸人,即先讀取常溫零位數據并輸入,再加壓至滿量程后,讀取常溫滿量程數據后錄入。同樣,將溫度升高或降低至所需高溫或低溫后,錄人高溫/低溫零位數據和滿量程數據[8]。然后,在界面中按“溫度補償"按鈕進行智能壓力變送器的溫度補償。此外, HART功能診斷界面可對電流環進行測試、壓力清零等工作。
2.2 檢定方法
　　將基于HART協議的智能壓力變送器調整后，按照檢定規程進行檢定。(1)根據其量程進行壓力標準模塊選擇,并安裝于壓力連接臺上,將輸出正極與壓力控制器的24V插孔連接,輸出負極與壓力控制器的電流測量插孔連接以]。(2)使用 上位機軟件建立檢定程序,錄人準確度、測量范圍等參數,通過控制指令,使其將壓力信號平穩的輸出至各檢定點,并對輸出的電流信號依次讀取記錄。(3)待壓力達到上限后,再降低，繼續反方向降低壓力信號并輸出至各檢定點,讀取并記錄輸出的電流信號,直至壓力降至下限，完成檢定循環，智能壓力變送器檢定流程圖如圖3所示。
 
2.3檢定數據的處理
　　使用上位機軟件,計算基于HART協議智能壓力變送器的檢定數據，并自動生成檢定記錄和證書。智能壓力變送器檢定為例,準確度等級0.1級,測量范圍(0~ 1. 6)MPa,檢定壓力控制器,準確度等級0.02級,測量范圍(0~1.6)MPa。該軟件可自動記錄檢定數據,并進行示值誤差和回程誤差計算，標識各超差點，實現對檢定結果的判定。三次檢定記錄如表1所示。
 
　　由表1可知,基本誤差最大允許值±0. 0l6mA;實際測量值-0.008mA;回差的最大允許值0.016mA;實際測量值0. 009mA ,檢定結果合格。
2.4檢定注意事項
　　隨著智能壓力變送器的準確度級別提高,目前,最高準確度已達0.05級,但操作過程中若出現錯誤，則會使檢定結果超出誤差。因此,使用壓力控制器對精度高基于HART協議的智能壓力變送器進行檢定時,需要注意以下幾點:
(1)壓力控制器的準確度等級滿足檢定規程規定,且綜合不確定度滿足1/4或1/3檢定智能壓力變送器的要求。
(2)檢定時,環境溫度對智能壓力變送器的檢定數據影響較大,需將被檢定的壓力變送器在滿足檢定溫度范圍內的實驗室內放置2h,待溫度達到平衡后,再進行檢定。
(3)壓力控制器的各穩定性指標設置要求較高,如設置壓力穩定的條件指標為0.003% FS,控制較小的超調量對控壓速度調小時,需使檢定時壓力上升和下降的過程平穩,并準確記錄檢定數據。
(4)部分智能壓力變送器需進行阻尼設置,且讀數前,需將其調整為零或待智能壓力變送器穩定。
(5)體積較大的智能壓力變送器進行檢定時，需增加壓力連接管，使標準器與檢定的智能壓力變送器的感壓點高度相等,若兩者不在同- -水平面,則需對液柱進行修正[10]。修正時,需注意修正值的正負情況,若修正錯誤,則會形成更大的誤差。
3結語
　　綜上所述,基于HART協議智能壓力變送器的檢定方法,自動化程度更高,準確度明顯提升。且該檢定方法只需使用一套壓力控制器進行檢定,不僅滿足檢定規程的相關要求,而且能實現檢定數據的自動記錄和處理,使檢定時間大大降低,是--種方便可行的用于周期性、大批量的智能壓力變送器的檢定方法。