智能壓力變送器的硬件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要:壓力變送器作為工業(yè)上廣泛使用的測量設(shè)備,能夠滿足多種介質(zhì)在不同工作環(huán)境下的測量要求。在傳統(tǒng)壓力變送器結(jié)構(gòu)及原理的基礎(chǔ)上,智能化壓力變送器能夠通過微處理器實(shí)現(xiàn)對多種測量環(huán)境的誤差補(bǔ)償及測量方案優(yōu)化,通過對電容式智能壓力變送器的硬件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì),完成了對壓力變送器的工況模擬試驗(yàn)與調(diào).整,證明了智能壓力變送器設(shè)計(jì)的合理性。
　　現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)離不開各種儀器儀表的使用,智能儀表成為了現(xiàn)代化生產(chǎn)監(jiān)測和控制的必須工具,壓力變送器是一種在工業(yè)控制中廣泛使用的壓力參數(shù)監(jiān)測裝置,涉及的行業(yè)包括了水利水電、石化軍工、鐵路交通等眾多領(lǐng)域,智能化的壓力變送器能夠正確地測量氣體和液體等多種介質(zhì)的壓力或壓差參數(shù),通過其自帶的轉(zhuǎn)換功能將獲得的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，供報(bào)警儀、調(diào)節(jié)器以及其他控制系統(tǒng)等使用。為滿足各行業(yè)的使用要求,壓力變送器的產(chǎn)品種類十分豐富,測量的壓力范圍從微小到高壓均能勝任,智能化的壓力變送器由于精度高、體積小、功能豐富,顯著提升了工業(yè)生產(chǎn)的先進(jìn)化程度,具有較高的研究價(jià)值和意義。
1基本結(jié)構(gòu)及原理說明
　　壓力變送器的主要功能就是將壓力信號(hào)以有效的形式傳遞給電子接收設(shè)備,壓力變送器的轉(zhuǎn)換方式包括了硅壓阻式、電容式壓力變送器，電感式、力矩平衡式等多種類型,其基本原理是將測得的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)?~20mA電流或1~5V電壓，壓力的大小通常和轉(zhuǎn)換后電流或電壓的大小成正比關(guān)系。壓力變送器的主要測量結(jié)構(gòu)由兩個(gè)壓力室和測量膜片組成,低壓室通常為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,高壓室為被測量壓力,當(dāng)高壓室壓力增大,測量膜片會(huì)因?yàn)閴毫Φ淖饔枚a(chǎn)生位移,此時(shí)的位移量和壓力大小成正比關(guān)系。當(dāng)測量膜片發(fā)生位移,會(huì)引起膜片上的電路系統(tǒng)將變化量轉(zhuǎn)換為正比關(guān)系的電壓信號(hào),再經(jīng)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),提供給顯示或處理裝置使用。
　　不同的傳感器具備各自的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu),常用的傳感器類型包括電容式傳感器、電感式傳感器、硅壓阻式傳感器等幾種。電容式傳感器主要采用恒定彈性的不銹鋼作為測量膜片的材料，以獲得較高的精度和使用壽命,其壓力室由金屬材料制成,有利于減小裝配誤差并提高抗沖擊和振動(dòng)的能力,當(dāng)薄膜受壓力而發(fā)生形變時(shí),薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路可以輸出與電壓變化成--定關(guān)系的電信號(hào),經(jīng)轉(zhuǎn)換后即可獲得壓力的測量值。電感式傳感器主要由鐵芯、線圈、銜鐵、測量膜片、毛細(xì)管以及硅油組成,當(dāng)傳感器受到壓力作用時(shí),測量膜片會(huì)發(fā)生位移,引起安裝在測量膜片上的銜鐵發(fā)生位置變化,同時(shí)傳感器線圈的電量也發(fā)生了變化，因此,通過檢測測量線圈的電流變化就能正確得出壓力值的大小。硅壓阻式傳感器主要是利用硅電阻集成的單晶硅測量膜片作為主要工作部件,當(dāng)膜片受到壓力引起形變時(shí)，會(huì)引起硅電阻的電阻值發(fā)生變化,這種變化經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),再通過處理轉(zhuǎn)換為壓力值。
2智能化壓力變送器的設(shè)計(jì)
2.1總體方案設(shè)計(jì)
　　壓力變送器的種類和形式很多,本設(shè)計(jì)主要針對于工業(yè)廣泛使用的電容式壓力變送器進(jìn)行設(shè)計(jì),其總體技術(shù)路線如圖1所示:首先通過選擇合適的壓力傳感器來完成被測介質(zhì)的實(shí)時(shí)壓力測量,然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理將被測數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī),所需處理的數(shù)據(jù)不僅包括壓力數(shù)據(jù),還包括同時(shí)獲取到的溫度數(shù)據(jù),這兩種數(shù)據(jù)在單片機(jī)中經(jīng)過程序運(yùn)算處理后,由數(shù)模轉(zhuǎn)換器及通信電路的處理將壓力與溫度的數(shù)據(jù)完全轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的直流電信號(hào)。進(jìn)而通過通信裝置傳遞給相關(guān)儀表控制單元或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。.

　　本設(shè)計(jì)所完成的智能化壓力變送器是在傳統(tǒng)壓力變送器的基礎(chǔ).上進(jìn)行的升級,壓力變送器仍以傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),并根據(jù)不同的功能要求來對傳感器和檢測電路進(jìn)行一定的調(diào)整和改造。本設(shè)計(jì)的智能變送器最大的特點(diǎn)在于引人了單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,這就在理論上實(shí)現(xiàn)了通過改變編程程序來滿足儀表的多種適應(yīng)性能力,采用單片機(jī)做為微處理器能夠使儀表在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中具有速度快、可靠性高以及靈活性好的特點(diǎn)。
2.2壓力傳感器的選擇
　　通過上文敘述可知壓力傳感器的種類很多,本設(shè)計(jì)所選用的壓力傳感器為電容式傳感器,其具備良好的使用壽命和較高的安裝精度,能夠有效降低因裝配或徑壓所引起的誤差,具備較高的測量穩(wěn)定性,電容式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示:由于電容式傳感器所采用的壓力室為金屬材料制成，能夠承受很大的壓力作用并有效抵抗沖擊和載荷,因此，能夠應(yīng)用于較為惡劣的工作環(huán)境,并完成精度高的壓力測量。

2.3溫度測量裝置的選擇
　　由于壓力變送器是一個(gè)體積較小的精密型儀器,其在工作的過程中對介質(zhì)溫度的測量是必要的,這樣能夠保證在不同溫度條件下對壓力傳感器的形變進(jìn)行一定的補(bǔ)償計(jì)算。為了保證溫度傳感器不對壓力變送器的整體及外形產(chǎn)生影響,本設(shè)計(jì)采用了將小型溫度傳感器,通過導(dǎo)熱硅膠粘放于壓力傳感器本體上,從而能夠快速的獲得介質(zhì)及壓力傳感器的溫度變化。溫度傳感器以半導(dǎo)體做為測溫原件,測溫原件集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,能夠?qū)y量的溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析轉(zhuǎn)化及存儲(chǔ),為保證溫度測量的正確性可采用三點(diǎn)或四點(diǎn)式溫度測量,使溫度的測量誤差控制在1℃以內(nèi)。
2.4數(shù)據(jù)處理單元的選擇
　　在壓力變送器的整個(gè)硬件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理是最核心的步驟，參數(shù)的轉(zhuǎn)化與處理直接影響到測量結(jié)果的精度,同時(shí)處理單元的工作擴(kuò)展能力也直接影響了壓力變送器的使用功能及壽命,通過對多種微型處理器的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行比較,單片機(jī)微型處理器集成了處理功能存儲(chǔ)功能、計(jì)時(shí)功能、計(jì)數(shù)功能以及數(shù)據(jù)接收和輸出功能等多種功能于一身。單片機(jī)處理器經(jīng)過了多年的改進(jìn)發(fā)展,其不僅在功能上滿足多方面的要求,更在程序的編制及運(yùn)行的速度、功能可靠性等方面具有自身優(yōu)勢,且市場價(jià)格相對較低。經(jīng)過多方對比,選用了單片機(jī)處理器作為智能壓力變送器的數(shù)據(jù)處理核心原件,利用其靈活的開發(fā)手段,解決壓力變送器數(shù)據(jù)處理的要求。
2.5數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的選擇
　　本設(shè)計(jì)所生產(chǎn)的12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,它能夠直接對壓力傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行接收和處理,由于采用了更為先進(jìn)的轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠有效防止丟失碼問題的產(chǎn)生,并高效完成參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程。這種轉(zhuǎn)換芯片可以選擇多種供電方式并具有靈活的輸人和輸出模式,具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),能夠滿足壓力變送器模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的要求。
2.6人機(jī)界面的設(shè)計(jì)
　　人機(jī)界面的設(shè)計(jì)不僅要滿足監(jiān)測和控制的全部要求,還必須做到簡單易用。人機(jī)界面中能夠?qū)崿F(xiàn)對測量參數(shù)的儀表化顯示、各工作部件的分析與診斷、量程調(diào)節(jié)等功能,用戶可以通過選項(xiàng)按鈕實(shí)現(xiàn)對壓力變送器工作狀態(tài)及測量結(jié)果的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，也方便了使用者對數(shù)據(jù)處理器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置的維護(hù)和觀測。本設(shè)計(jì)選用了人機(jī)交互系統(tǒng),能夠有效的對單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ),同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效智能顯示的工作要求。
3試驗(yàn)與總結(jié)
3.1實(shí)驗(yàn)過程
　　由于條件所限壓力變送器的試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,除所設(shè)計(jì)的壓力變送器外,使用的試驗(yàn)儀器包括空氣壓縮機(jī)、浮球式壓力計(jì)、數(shù)字顯示萬用表恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱以及臺(tái)式電腦等。
試驗(yàn)過程通過壓縮機(jī)和熱風(fēng)千燥箱創(chuàng)造空氣介質(zhì)的壓力測量環(huán)境,采用浮球式壓力計(jì)進(jìn)行壓力對比分析,試驗(yàn)中通過對恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱的溫度條件參數(shù)的修改,模擬壓力變送器在不同溫度條件下的壓力測量效果,以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)處理器對溫度補(bǔ)償?shù)恼_性進(jìn)行試驗(yàn)。
　　試驗(yàn)分別選取了30℃、45℃、60℃溫度環(huán)境進(jìn)行,每個(gè)工作環(huán)境試驗(yàn)次數(shù)為5次,并在每次試驗(yàn)結(jié)束后記錄壓力變送器的測量壓力以及浮球式壓力計(jì)顯示的壓力,并做好表格供后續(xù)分析使用。
由于浮球式壓力計(jì)和恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱屬于外購的精密儀器設(shè)備,因此在使用過程中應(yīng)注意閱讀其產(chǎn)品使用說明書并嚴(yán)格遵守操作過程要求，以免造成安全事故。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,可對壓力變送器的處理單元、誤差補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)姆桨高M(jìn)行調(diào)整,并再次進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn),直到達(dá)到規(guī)定的精度要求為止。
3.2總結(jié)
　　通過上述的硬件選擇及試驗(yàn)分析與調(diào)整,本設(shè)計(jì)的壓力變送器在經(jīng)過實(shí)際的安裝與調(diào)試后能夠穩(wěn)定地完成多種情況下的壓力測量任務(wù),具備良好的應(yīng)用價(jià)值。