智能化压力变送器的硬件设计与试验
赵芳
摘 要：? 压力变送器作为工业上广泛使用的测量设备，能够满足多种介质在不同工作环境下的测量要求。在传统压力变送器结构及原理的基础上，智能化压力变送器能够通过微处理器实现对多种测量环境的误差补偿及测量方案优化，通过对电容式智能压力变送器的硬件进行选型和设计，完成了对压力变送器的工况模拟试验与调整，证明了智能压力变送器设计的合理性。
关键词：? 压力变送器;硬件设计;试验
中图分类号：? TP216??????? ??文献标识码：? A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.12.009
现代化的工业生产离不开各种仪器仪表的使用，智能仪表成为了现代化生产监测和控制的必须工具，压力变送器是一种在工业控制中广泛使用的压力参数监测装置，涉及的行业包括了水利水电、石化、军工、铁路交通等众多领域，智能化的压力变送器能够精确地测量气体和液体等多种介质的压力或压差参数，通过其自带的转换功能将获得的测量数据转换为标准电信号，供报警仪、调节器以及其他控制系统等使用。为满足各行业的使用要求，压力变送器的产品种类十分丰富，测量的压力范围从微小到高压均能胜任，智能化的压力变送器由于精度高、体积小、功能丰富，显著提升了工业生产的先进化程度，具有较高的研究价值和意义。
1 基本结构及原理说明
压力变送器的主要功能就是将压力信号以有效的形式传递给电子接收设备，压力变送器的转换方式包括了硅压阻式、电容式、电感式、力矩平衡式等多种类型，其基本原理是将测得的压力转变为4～20 mA电流或1～5 V电压，压力的大小通常和转换后电流或电压的大小成正比关系。压力变送器的主要测量结构由两个压力室和测量膜片组成，低压室通常为标准大气压力，高压室为被测量压力，当高压室压力增大，测量膜片会因为压力的作用而产生位移，此时的位移量和压力大小成正比关系。当测量膜片发生位移，会引起膜片上的电路系统将变化量转换为正比关系的电压信号，再经转换芯片转化为标准电信号，提供给显示或处理装置使用。
不同的传感器具备各自的特点与结构，常用的传感器类型包括电容式传感器、电感式传感器、硅压阻式传感器等几种。电容式传感器主要采用恒定弹性的不锈钢作为测量膜片的材料，以获得较高的精度和使用寿命，其压力室由金属材料制成，有利于减小装配误差并提高抗冲击和振动的能力，当薄膜受压力而发生形变时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路可以输出与电压变化成一定关系的电信号，经转换后即可获得压力的测量值。电感式传感器主要由铁芯、线圈、衔铁、测量膜片、毛细管以及硅油组成，当传感器受到压力作用时，测量膜片会发生位移，引起安装在测量膜片上的衔铁发生位置变化，同时传感器线圈的电量也发生了变化，因此，通过检测测量线圈的电流变化就能精确得出压力值的大小。硅压阻式传感器主要是利用硅电阻集成的单晶硅测量膜片作为主要工作部件，当膜片受到压力引起形变时，会引起硅电阻的电阻值发生变化，这种变化经过转换成为标准信号，再通过处理转换为压力值。
2 智能化压力变送器的设计
2.1 总体方案设计
压力变送器的种类和形式很多，本设计主要针对于工业广泛使用的电容式压力变送器进行设计，其总体技术路线如图1所示：首先通过选择合适的压力传感器来完成被测介质的实时压力测量，然后通过模数转换处理将被测数据传递给单片机，所需处理的数据不仅包括压力数据，还包括同时获取到的温度数据，这两种数据在单片机中经过程序运算处理后，由數模转换器及通信电路的处理将压力与温度的数据完全转换成为标准的直流电信号。进而通过通信装置传递给相关仪表控制单元或数据存储器进行存储。
本设计所完成的智能化压力变送器是在传统压力变送器的基础上进行的升级，压力变送器仍以传统的结构为基础，并根据不同的功能要求来对传感器和检测电路进行一定的调整和改造。本设计的智能变送器最大的特点在于引入了单片机技术进行数据处理，这就在理论上实现了通过改变编程程序来满足仪表的多种适应性能力，采用单片机做为微处理器能够使仪表在数据转换的过程中具有速度快、可靠性高以及灵活性好的特点。
2.2 压力传感器的选择
通过上文叙述可知压力传感器的种类很多，本设计所选用的压力传感器为电容式传感器，其具备良好的使用寿命和较高的安装精度，能够有效降低因装配或径压所引起的误差，具备较高的测量稳定性，电容式传感器的结构如图2所示：由于电容式传感器所采用的压力室为金属材料制成，能够承受很大的压力作用并有效抵抗冲击和载荷，因此，能够应用于较为恶劣的工作环境，并完成高精度的压力测量。
2.3 温度测量装置的选择
由于压力变送器是一个体积较小的精密型仪器，其在工作的过程中对介质温度的测量是必要的，这样能够保证在不同温度条件下对压力传感器的形变进行一定的补偿计算。为了保证温度传感器不对压力变送器的整体及外形产生影响，本设计采用了将小型温度传感器，通过导热硅胶粘放于压力传感器本体上，从而能够快速的获得介质及压力传感器的温度变化。温度传感器以半导体做为测温原件，测温原件集成了模数转换功能，能够将测量的温度直接转换为数字信号传递给单片机进行数据处理、分析转化及存储，为保证温度测量的准确性可采用三点或四点式温度测量，使温度的测量误差控制在1 ℃以内。
2.4 数据处理单元的选择
在压力变送器的整个硬件系统中，数据处理是最核心的步骤，参数的转化与处理直接影响到测量结果的精确度，同时处理单元的工作扩展能力也直接影响了压力变送器的使用功能及寿命，通过对多种微型处理器的结构和功能进行比较，单片机微型处理器集成了处理功能、存储功能、计时功能、计数功能以及数据接收和输出功能等多种功能于一身。单片机处理器经过了多年的改进发展，其不仅在功能上满足多方面的要求，更在程序的编制及运行的速度、功能可靠性等方面具有自身优势，且市场价格相对较低。经过多方对比，选用了单片机处理器作为智能压力变送器的数据处理核心原件，利用其灵活的开发手段，解决压力变送器数据处理的要求。
2.5 数模转换芯片的选择
本设计选择了亚德诺公司所生产的12位的数模转换芯片，它能够直接对压力传感器所产生的数据信号进行接收和处理，由于采用了更为先进的转换技术能够有效防止丢失码问题的产生，并高效完成参数信号转换成数字信号的过程。这种转换芯片可以选择多种供电方式并具有灵活的输入和输出模式，具有精确度高、抗干扰能力强的优点，能够满足压力变送器模数转换功能的要求。
2.6 人机界面的设计
人机界面的设计不仅要满足监测和控制的全部要求，还必须做到简单易用。人机界面中能够实现对测量参数的仪表化显示、各工作部件的分析与诊断、量程调节等功能，用户可以通过选项按钮实现对压力变送器工作状态及测量结果的实时监测与控制，也方便了使用者对数据处理器及数据转换装置的维护和观测。本设计选用了施耐德公司生产的人机交互系统，能够有效的对单片机发送的数据进行读写、转换、存储，同时实现高效智能显示的工作要求。
3 试验与总结
3.1 实验过程
由于条件所限压力变送器的试验采用实验室的模拟实验进行，除所设计的压力变送器外，使用的试验仪器包括空气压缩机、浮球式压力计、数字显示万用表、恒温热风干燥箱以及台式电脑等。
试验过程通过压缩机和热风干燥箱创造空气介质的压力测量环境，采用浮球式压力计进行压力对比分析，试验中通过对恒温热风干燥箱的温度条件参数的修改，模拟压力变送器在不同温度条件下的压力测量效果，以实现单片机处理器对温度补偿的准确性进行试验。
试验分别选取了30 ℃、45 ℃、60 ℃温度环境进行，每个工作环境试验次数为5次，并在每次试验结束后记录压力变送器的测量压力以及浮球式壓力计显示的压力，并做好表格供后续分析使用。
由于浮球式压力计和恒温热风干燥箱属于外购的精密仪器设备，因此在使用过程中应注意阅读其产品使用说明书并严格遵守操作过程要求，以免造成安全事故。在对数据进行分析后，可对压力变送器的处理单元、误差补偿和温度补偿的方案进行调整，并再次进行重复性试验，直到达到规定的精度要求为止。
3.2 总结
通过上述的硬件选择及试验分析与调整，本设计的压力变送器在经过实际的安装与调试后能够稳定地完成多种情况下的压力测量任务，具备良好的应用价值。
参考文献：
[1] ??刘洋， 邹同华， 刘峻. 压力变送器的研究与发展现状[J]. 通用机械， 2005（2）：43-46.
[2] ??丁明芳， 高启安， 马以武. 智能型压力变送器的研究[J]. 自动化与仪表， 2001， 16（2）：8-10.
[3] ??万军， 刘仁广， 王天成，等. 电容检测电路及电容式压力变送器：中国，102313622 A[P]. 2012.
摘 要：? 压力变送器作为工业上广泛使用的测量设备，能够满足多种介质在不同工作环境下的测量要求。在传统压力变送器结构及原理的基础上，智能化压力变送器能够通过微处理器实现对多种测量环境的误差补偿及测量方案优化，通过对电容式智能压力变送器的硬件进行选型和设计，完成了对压力变送器的工况模拟试验与调整，证明了智能压力变送器设计的合理性。
关键词：? 压力变送器;硬件设计;试验
中图分类号：? TP216??????? ??文献标识码：? A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.12.009
现代化的工业生产离不开各种仪器仪表的使用，智能仪表成为了现代化生产监测和控制的必须工具，压力变送器是一种在工业控制中广泛使用的压力参数监测装置，涉及的行业包括了水利水电、石化、军工、铁路交通等众多领域，智能化的压力变送器能够精确地测量气体和液体等多种介质的压力或压差参数，通过其自带的转换功能将获得的测量数据转换为标准电信号，供报警仪、调节器以及其他控制系统等使用。为满足各行业的使用要求，压力变送器的产品种类十分丰富，测量的压力范围从微小到高压均能胜任，智能化的压力变送器由于精度高、体积小、功能丰富，显著提升了工业生产的先进化程度，具有较高的研究价值和意义。
1 基本结构及原理说明
压力变送器的主要功能就是将压力信号以有效的形式传递给电子接收设备，压力变送器的转换方式包括了硅压阻式、电容式、电感式、力矩平衡式等多种类型，其基本原理是将测得的压力转变为4～20 mA电流或1～5 V电压，压力的大小通常和转换后电流或电压的大小成正比关系。压力变送器的主要测量结构由两个压力室和测量膜片组成，低压室通常为标准大气压力，高压室为被测量压力，当高压室压力增大，测量膜片会因为压力的作用而产生位移，此时的位移量和压力大小成正比关系。当测量膜片发生位移，会引起膜片上的电路系统将变化量转换为正比关系的电压信号，再经转换芯片转化为标准电信号，提供给显示或处理装置使用。
不同的传感器具备各自的特点与结构，常用的传感器类型包括电容式传感器、电感式传感器、硅压阻式传感器等几种。电容式传感器主要采用恒定弹性的不锈钢作为测量膜片的材料，以获得较高的精度和使用寿命，其压力室由金属材料制成，有利于减小装配误差并提高抗冲击和振动的能力，当薄膜受压力而发生形变时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路可以输出与电压变化成一定关系的电信号，经转换后即可获得压力的测量值。电感式传感器主要由铁芯、线圈、衔铁、测量膜片、毛细管以及硅油组成，当传感器受到压力作用时，测量膜片会发生位移，引起安装在测量膜片上的衔铁发生位置变化，同时传感器线圈的电量也发生了变化，因此，通过检测测量线圈的电流变化就能精确得出压力值的大小。硅压阻式传感器主要是利用硅电阻集成的单晶硅测量膜片作为主要工作部件，当膜片受到压力引起形变时，会引起硅电阻的电阻值发生变化，这种变化经过转换成为标准信号，再通过处理转换为压力值。
2 智能化压力变送器的设计
2.1 总体方案设计
压力变送器的种类和形式很多，本设计主要针对于工业广泛使用的电容式压力变送器进行设计，其总体技术路线如图1所示：首先通过选择合适的压力传感器来完成被测介质的实时压力测量，然后通过模数转换处理将被测数据传递给单片机，所需处理的数据不仅包括压力数据，还包括同时获取到的温度数据，这两种数据在单片机中经过程序运算处理后，由數模转换器及通信电路的处理将压力与温度的数据完全转换成为标准的直流电信号。进而通过通信装置传递给相关仪表控制单元或数据存储器进行存储。
本设计所完成的智能化压力变送器是在传统压力变送器的基础上进行的升级，压力变送器仍以传统的结构为基础，并根据不同的功能要求来对传感器和检测电路进行一定的调整和改造。本设计的智能变送器最大的特点在于引入了单片机技术进行数据处理，这就在理论上实现了通过改变编程程序来满足仪表的多种适应性能力，采用单片机做为微处理器能够使仪表在数据转换的过程中具有速度快、可靠性高以及灵活性好的特点。
2.2 压力传感器的选择
通过上文叙述可知压力传感器的种类很多，本设计所选用的压力传感器为电容式传感器，其具备良好的使用寿命和较高的安装精度，能够有效降低因装配或径压所引起的误差，具备较高的测量稳定性，电容式传感器的结构如图2所示：由于电容式传感器所采用的压力室为金属材料制成，能够承受很大的压力作用并有效抵抗冲击和载荷，因此，能够应用于较为恶劣的工作环境，并完成高精度的压力测量。
2.3 温度测量装置的选择
由于压力变送器是一个体积较小的精密型仪器，其在工作的过程中对介质温度的测量是必要的，这样能够保证在不同温度条件下对压力传感器的形变进行一定的补偿计算。为了保证温度传感器不对压力变送器的整体及外形产生影响，本设计采用了将小型温度传感器，通过导热硅胶粘放于压力传感器本体上，从而能够快速的获得介质及压力传感器的温度变化。温度传感器以半导体做为测温原件，测温原件集成了模数转换功能，能够将测量的温度直接转换为数字信号传递给单片机进行数据处理、分析转化及存储，为保证温度测量的准确性可采用三点或四点式温度测量，使温度的测量误差控制在1 ℃以内。
2.4 数据处理单元的选择
在压力变送器的整个硬件系统中，数据处理是最核心的步骤，参数的转化与处理直接影响到测量结果的精确度，同时处理单元的工作扩展能力也直接影响了压力变送器的使用功能及寿命，通过对多种微型处理器的结构和功能进行比较，单片机微型处理器集成了处理功能、存储功能、计时功能、计数功能以及数据接收和输出功能等多种功能于一身。单片机处理器经过了多年的改进发展，其不仅在功能上满足多方面的要求，更在程序的编制及运行的速度、功能可靠性等方面具有自身优势，且市场价格相对较低。经过多方对比，选用了单片机处理器作为智能压力变送器的数据处理核心原件，利用其灵活的开发手段，解决压力变送器数据处理的要求。
2.5 数模转换芯片的选择
本设计选择了亚德诺公司所生产的12位的数模转换芯片，它能够直接对压力传感器所产生的数据信号进行接收和处理，由于采用了更为先进的转换技术能够有效防止丢失码问题的产生，并高效完成参数信号转换成数字信号的过程。这种转换芯片可以选择多种供电方式并具有灵活的输入和输出模式，具有精确度高、抗干扰能力强的优点，能够满足压力变送器模数转换功能的要求。
2.6 人机界面的设计
人机界面的设计不仅要满足监测和控制的全部要求，还必须做到简单易用。人机界面中能够实现对测量参数的仪表化显示、各工作部件的分析与诊断、量程调节等功能，用户可以通过选项按钮实现对压力变送器工作状态及测量结果的实时监测与控制，也方便了使用者对数据处理器及数据转换装置的维护和观测。本设计选用了施耐德公司生产的人机交互系统，能够有效的对单片机发送的数据进行读写、转换、存储，同时实现高效智能显示的工作要求。
3 试验与总结
3.1 实验过程
由于条件所限压力变送器的试验采用实验室的模拟实验进行，除所设计的压力变送器外，使用的试验仪器包括空气压缩机、浮球式压力计、数字显示万用表、恒温热风干燥箱以及台式电脑等。
试验过程通过压缩机和热风干燥箱创造空气介质的压力测量环境，采用浮球式压力计进行压力对比分析，试验中通过对恒温热风干燥箱的温度条件参数的修改，模拟压力变送器在不同温度条件下的压力测量效果，以实现单片机处理器对温度补偿的准确性进行试验。
试验分别选取了30 ℃、45 ℃、60 ℃温度环境进行，每个工作环境试验次数为5次，并在每次试验结束后记录压力变送器的测量压力以及浮球式壓力计显示的压力，并做好表格供后续分析使用。
由于浮球式压力计和恒温热风干燥箱属于外购的精密仪器设备，因此在使用过程中应注意阅读其产品使用说明书并严格遵守操作过程要求，以免造成安全事故。在对数据进行分析后，可对压力变送器的处理单元、误差补偿和温度补偿的方案进行调整，并再次进行重复性试验，直到达到规定的精度要求为止。
3.2 总结
通过上述的硬件选择及试验分析与调整，本设计的压力变送器在经过实际的安装与调试后能够稳定地完成多种情况下的压力测量任务，具备良好的应用价值。
参考文献：
[1] ??刘洋， 邹同华， 刘峻. 压力变送器的研究与发展现状[J]. 通用机械， 2005（2）：43-46.
[2] ??丁明芳， 高启安， 马以武. 智能型压力变送器的研究[J]. 自动化与仪表， 2001， 16（2）：8-10.
[3] ??万军， 刘仁广， 王天成，等. 电容检测电路及电容式压力变送器：中国，102313622 A[P]. 2012.
