壓力變送器調試軟件的研究與應用

摘要：從壓力變送器的系統(tǒng)原理和典型架構分析了變送器產(chǎn)品的功能和技術難點，以ADI的SmartPressureTransmitter為例，詳細介紹了壓力變送器配套上位機軟件的主界面、壓力標定、溫度補償和輸出校準操作過程，用多個溫度點下標定系列壓力值的方法實現(xiàn)了#小二乘法溫度補償。經(jīng)測試標定軟件操作簡單，流程清晰，達到了壓力變送器設備出廠標定和溫度補償?shù)念A期效果，可以提升產(chǎn)品的標定和測試效率。壓力變送器可以測量流速、壓力、液位等工業(yè)測量對象，其采用的壓力傳感器種類各不相同，包括壓阻型、電容型和微諧振器型，所有這些傳感器類型都使用硅單晶的薄膜作為壓力接收元件。智能壓力變送器集成了多個傳感器，同時測量差壓值、靜壓值和溫度值。壓力變送器可以采用電池供電或環(huán)路電源DC24V供電，變送器對外接口包括：4mA～20mA、HART、RS-485/RS-422/RS-232、PROFIBUS、Modbus和foundation等[1]。

1系統(tǒng)原理和典型架構

從產(chǎn)品設計的角度來看，工業(yè)壓力變送器系統(tǒng)設計需要同時兼顧產(chǎn)品硬件和調試軟件的功能，必須考慮諸多設計細節(jié)要求，包括精度、零漂移、溫度和靜態(tài)壓力補償[2,3]。

1）考慮溫度和靜態(tài)壓力信號對差壓值的特性補償。

2）可檢測出壓力傳感器老化或任何異常問題。

3）壓力變送器產(chǎn)品的#大量程可高達200:1，上限甚至可達15,000psi。

4）測量精度#高可以達到滿量程范圍的0.04%，通常需要16位至24位的模數(shù)轉換器。

5）與不同現(xiàn)場總線的連接，例如HART、PROFIBUS、Modbus、foundation、RS-485/RS-422/RS-232、無線HART等。

6）傳感器、調理電路、系統(tǒng)電源、通信和I/O之間可能需要隔離；隔離等級從1kV～2.5kV。

7）采用電池和環(huán)路供電的差分壓力變送器需要精心選擇的超低功耗元件，例如MCU、AMP、ADC和基準電壓源。工業(yè)現(xiàn)場溫度環(huán)境非常復雜，甚至異常惡劣。為了能夠在較寬的溫度范圍內工作，低溫漂移系數(shù)和低功耗對差分壓力變送器非常重要。ADI提供非常好的產(chǎn)品組合，包括精密放大器、精密基準電壓源、精密模數(shù)轉換器和低功耗Cortex-M3內核微處理器等。除此之外，低功耗系統(tǒng)中的抗電磁干擾能力(如電涌、EFT和ESD等)也是壓力變送器面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。ADI器件的高ESD抑制能力能夠大大改善產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

此外，壓力變送器內部的空間有限，要求高系統(tǒng)密度，因而必須減小器件尺寸。近來，集成技術的進步使得系統(tǒng)設計人員能夠采用尺寸更小、功耗更低、成本更低的解決方案，而其性能與那些大型系統(tǒng)不相上下。持續(xù)的技術進步要求既能不斷促進這些解決方案集成，同時還提高其性能和診斷能力。ADI提供面向市場定制的解決方案，以便簡化設計過程。這些解決方案采用業(yè)界lingxian技術，并提供眾多設計選項——從采用分立器件的實施方案到全集成式解決實施方案。

2上位機軟件

2.1功能分析

ADI官網(wǎng)針對壓力變送器提供了“SmartPressureTransmitter.exe”軟件，軟件的主菜單包括：文件、編輯、操作、工具、窗口和幫助幾個部分。當上位機軟件連接硬件變送器以后，可操作的界面有主窗口、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)數(shù)組、計算各溫度下曲線系數(shù)、各系數(shù)曲線生成和曲線應用區(qū)域設定幾大部分。從功能來看主要是用來設置所連接壓力變送器的量程參數(shù)、壓力傳感器ADC與壓力值的對應關系、傳感器溫度補償數(shù)據(jù)、輸出4mA～20mA的PWM標定校準幾大部分，其中#為復雜的是壓力傳感器的溫度補償系數(shù)修正和針對差壓傳感器的靜壓補償系數(shù)修正兩部分[5]。

2.2壓力標定

壓力變送器接通DC24直流電源、串口線正確連接以后，打開“SmartPressureTransmitter.exe”軟件，默認顯示主窗口選項卡。選擇對應的COM串口號，默認的通訊設置為9600-8-n-1，為了方便軟件與下位機的串口數(shù)據(jù)流調試，分別設置了串口輸入緩存區(qū)（Edit）、字符串接收（Memo控件）和字符串發(fā)送區(qū)（Edit）文本框。軟件還可以遠程重啟目標板和讀寫壓力變送器的版本號。

數(shù)據(jù)采集頁面可以設置調試模式，實時讀取標定壓力變送器的溫度值℃，壓力源標準值和對應壓力變送器實時的ADC值。#多可以設置4個標定溫度點和針對某個溫度點下的5個壓力標定點，可以根據(jù)實際需求選擇需要標定的溫度點個數(shù)（1～4），標定時依次在特定溫度下施加標準壓力值點擊對應的Read按鈕，待需要標定點填寫完全后點擊writeEE按鈕將數(shù)組數(shù)據(jù)寫入下位機變送器硬件中，而當上位機軟件需要讀取壓力變送器中的標定數(shù)據(jù)時，只需要點擊ReadEE按鈕。而數(shù)據(jù)數(shù)組界面中是將上述保存的16進制HEX數(shù)組轉換為10進制的數(shù)組便于標定人員讀取判斷。

2.3溫度補償

壓力變送器的標定操作方法已經(jīng)比較成熟，目前壓力變送器所使用的傳感器主要有藍寶石壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器和數(shù)字壓力傳感器這幾大類。如果壓力變送器用在常溫環(huán)境中，設備的計量性能普遍可以滿足精度要求，但是一旦設備用在溫差較大的工況環(huán)境下，如北方低溫或新疆地區(qū)的高溫差環(huán)境，就會出現(xiàn)明顯的零點漂移，計量準確度下降甚至遠遠偏離預期壓力值。為了解決上述難題，目前多采用線性插值法、雙線性插值法、#小二乘法來解決壓力傳感器的溫度補償難題，計算各溫度下曲線系數(shù)界面相當于把1～4個溫度點下的5個壓力標定ADC值分別創(chuàng)建多組補償系數(shù)函數(shù)多項式關系，底層函數(shù)再將多組多項式的系數(shù)用#小二乘法進行二次擬合處理，得到針對這個壓力傳感器的特征公式。各系數(shù)曲線生成界面顯示的是各組壓力傳感器ADC值與標定溫度值的對應關系，經(jīng)過溫度補償處理后的壓力傳感器，其在任何溫度工況下（前提標的溫度范圍已覆蓋），壓力變送器的計量特效都滿足精度要求，其所呈現(xiàn)出來的輸出特性與室溫標的輸出特性并無明顯變化，甚至一致[6]。

2.4輸出標定

壓力變送器輸出兩線制的4mA～20mA電流，控制輸出的方式主要有PWM輸出和DAC輸出兩種方式，都需要進行輸出標定操作。由于PWM和DAC輸出一般都滿足16位輸出精度且線性度較高，一般標定4mA和20mA兩點就可以滿足整個量程的輸出要求，寫入壓力變送器設備的參數(shù)包括PWM4、PWM20、DAC4和DAC20。以PWM輸出為例，標定有兩種方法：一種是填寫PWM4時標準表的電流值和PWM20時標準表的電流值；另一種是回路中串聯(lián)標準電流表，手動調整PWM4的數(shù)值直至標準表電流顯示4.000，手動調整PWM20的數(shù)值直至標準表電流顯示20.000。這兩種方法相比較，地衣種方法更適合上位機軟件標定，填寫標準表電流值比較方便，而第二種方法更適合現(xiàn)場儀表標定，因為現(xiàn)場儀表按鍵填寫難度較大，直接按鍵上下調整比較便捷[7]。

3結論

應用ADI的SmartPressureTransmitter上位機軟件實現(xiàn)了配套硬件設備的壓力標定、溫度補償和輸出校準，用多個溫度點下標定系列壓力值的方法實現(xiàn)了#小二乘法溫度補償。經(jīng)測試標定軟件操作簡單，達到了壓力變送器設備出廠標定和溫度補償?shù)念A期效果，有效地提升了標定和測試效率。