夏愛明，高 峰

（南京沃天科技有限公司，南京 211161）

寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的設(shè)計(jì)

夏愛明，高 峰

（南京沃天科技有限公司，南京 211161）

該文設(shè)計(jì)了一款寬溫度范圍工作、多參數(shù)測(cè)量的差壓變送器，以消減靜壓對(duì)差壓測(cè)量的影響。介紹了該款寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的基本原理；完成了寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、抗干擾和防靜電設(shè)計(jì)、變送器的工藝技術(shù)設(shè)計(jì)、多參數(shù)差壓變送器的寬溫區(qū)溫度補(bǔ)償；詳細(xì)介紹了該差壓變送器的結(jié)構(gòu)和性能。經(jīng)過溫漂測(cè)試，該產(chǎn)品基本滿足設(shè)計(jì)要求。產(chǎn)品已經(jīng)投入使用。

差壓變送器；多參數(shù)；寬溫度；靜壓影響

多參數(shù)差壓變送器可以同時(shí)測(cè)量2個(gè)壓力點(diǎn)的差值及其中1個(gè)壓力點(diǎn)的靜壓，并將2種壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流、數(shù)字信號(hào)輸出，達(dá)到測(cè)量壓力目的，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)可以直接與計(jì)算機(jī)、控制儀表、顯示儀表、無線發(fā)射裝置等連接。在油田集輸工藝中，多參數(shù)差壓變送器可用于測(cè)量沉降罐中油水混合物的含水率[1]；在醫(yī)療設(shè)備、液化天然氣汽車中，可以用來測(cè)量液體、氣體的剩余量[2]。

傳統(tǒng)的測(cè)靜壓、差壓方式多采用1個(gè)靜壓傳感器測(cè)出靜壓和1個(gè)差壓傳感器測(cè)出差壓。但在實(shí)際應(yīng)用中，單獨(dú)靜壓傳感器和單獨(dú)差壓傳感器在引壓時(shí)存在一些問題，并且單獨(dú)差壓傳感器受靜壓影響會(huì)產(chǎn)生誤差，使得測(cè)試精度較低[3]。

寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器采用特制的一體式壓阻式擴(kuò)散硅復(fù)合差壓傳感器，該傳感器規(guī)避了靜壓的影響，將單獨(dú)靜壓傳感器和單獨(dú)差壓傳感器合二為一，減小了傳感器的空間，并且采用一體化數(shù)字電路、抗干擾設(shè)計(jì)，使用數(shù)字電路進(jìn)行寬溫區(qū)補(bǔ)償，使其具有高精度、寬溫區(qū)、抗干擾、小型化、穩(wěn)定性好、易安裝等特性。

1 變送器的測(cè)量原理

壓阻式壓力傳感器的基本原理是利用硅的壓阻效應(yīng)，將被測(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件的電阻變化，然后通過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為毫伏電壓輸出[4]。

寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器核心壓力元件，是1只特制的一體式壓阻式擴(kuò)散硅復(fù)合差壓傳感器，這種傳感器采用在高壓端設(shè)置1個(gè)單壓芯片、低壓端設(shè)置2個(gè)單壓芯片，高壓端芯片使用正半橋，低壓端其中一個(gè)芯片也使用正半橋構(gòu)成一個(gè)全橋測(cè)差壓，低壓端另一個(gè)芯片使用全橋測(cè)靜壓。壓阻式擴(kuò)散硅復(fù)合差壓傳感器將差壓和靜壓轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)信號(hào)后，利用專用集成電路將毫伏信號(hào)放大，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流、數(shù)字信號(hào)輸出。其測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 測(cè)量流程示意Fig.1 Measurement flow chart

2 變送器設(shè)計(jì)

2.1 變送器設(shè)計(jì)框架

寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的設(shè)計(jì)主要包括多參數(shù)差壓變送器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、擴(kuò)散硅復(fù)合差壓傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)、抗干擾和防靜電設(shè)計(jì)、多參數(shù)差壓變送器的寬溫區(qū)溫度補(bǔ)償?shù)取?/p>

2.2 多參數(shù)差壓變送器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多參數(shù)差壓變送器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括主殼體、上蓋、復(fù)合差壓傳感器、側(cè)面緊固裝置、高壓端、低壓端、信號(hào)調(diào)理電路板。

高壓端、低壓端通過氬弧焊工藝焊接到變送器的主殼體上，主殼體內(nèi)與高壓端、低壓端連接處設(shè)計(jì)有緩沖腔，防止進(jìn)壓端的瞬時(shí)壓力將復(fù)合差壓傳感器損壞；復(fù)合差壓傳感器通過側(cè)面緊固裝置固定在主殼體內(nèi)；信號(hào)調(diào)理電路板通過螺釘固定在主殼體上，密封在上蓋內(nèi)；放大信號(hào)引出線通過緊線盡頭緊固到上蓋上；多參數(shù)差壓變送器整體通過安裝孔固定到現(xiàn)場(chǎng)的安裝板上；考慮到變送器用于室外存在雨淋等狀況，其內(nèi)部多處都進(jìn)行了防水設(shè)計(jì)；考慮到多參數(shù)差壓變送器的寬溫區(qū)范圍工作，所有材質(zhì)的選擇都符合耐低溫（-40℃）和高溫（85℃）的要求；考慮到原油、液化天然氣的腐蝕性，所有材料都采用耐腐蝕材料。

圖2 多參數(shù)差壓變送器的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of the differential pressure transmitter

當(dāng)液體通過高壓端作用到復(fù)合差壓傳感器的高壓感知膜片，氣體通過低壓端作用到復(fù)合差壓傳感器的低壓感知膜片，使膜片產(chǎn)生與壓力成正比的微位移，從而將壓力傳遞到復(fù)合差壓傳感器的壓力芯片上，壓力芯片上的惠斯頓電橋電阻值發(fā)生變化，從而輸出毫伏級(jí)信號(hào)，利用信號(hào)調(diào)理電路將毫伏級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)與電壓信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)氣-液兩相流的氣態(tài)和液態(tài)的測(cè)量。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

基于寬溫區(qū)多參數(shù)復(fù)合差壓變送器多使用在室外，存在無外接電源的情況，該變送器的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)采用低電壓供電、低功耗的專用集成放大芯片，同時(shí)具備寬溫區(qū)數(shù)字化溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

此專用集成放大芯片的控制電路由微型控制調(diào)節(jié)器（CMC）和控制電路模塊組成，這些控制電路模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字接口控制電路、PWM及數(shù)字串口接口電路組成。全部設(shè)備的工作模式通過E2PROM進(jìn)行配置。CMC不僅是整個(gè)測(cè)量過程中的控制器，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)對(duì)寬溫區(qū)多參數(shù)符合差壓變送器信號(hào)的修正和調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)通過專用集成放大電路一線接口（one wire interface）進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理目的。芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 專用集成放大芯片結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure block diagram of ASIC

調(diào)理電路調(diào)理后設(shè)計(jì)為模擬電壓輸出，電源供電后通過三端穩(wěn)壓管U12，U21將給專用集成放大芯片的供電降低以提高其工作時(shí)間。信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 調(diào)理電路原理Fig.4 Principle of conditioning circuit

2.4 抗干擾和防靜電設(shè)計(jì)

多參數(shù)差壓變送器的主殼體材質(zhì)為金屬，且裸露在外。外界中存在雷擊和很多帶電物，這些帶電體的電壓可以高到幾千伏[5]；外界中也存在著各種長(zhǎng)波、短波電磁信號(hào)，這些電磁信號(hào)容易對(duì)多參數(shù)差壓變送器輸出產(chǎn)生影響，導(dǎo)致輸出失真。

為了保護(hù)多參數(shù)差壓變送器內(nèi)部信號(hào)調(diào)理電路不受超高電壓破壞，降低電磁信號(hào)對(duì)多參數(shù)差壓變送器輸出的影響。多參數(shù)差壓變送器內(nèi)部設(shè)有專用于防電磁干擾和靜電的保護(hù)電路。保護(hù)電路原理如圖5所示。

圖5 保護(hù)電路原理Fig.5 Protection circuit principle

如圖所示，D1為一級(jí)防靜電保護(hù)管，幾千伏的超高電壓可以先通過此保護(hù)管吸收，當(dāng)靜電電壓超過一級(jí)保護(hù)管的承受能力時(shí)，此時(shí)保險(xiǎn)絲R0熔斷，電路暫時(shí)斷開，當(dāng)靜電電壓恢復(fù)到一級(jí)保護(hù)管的承受能力時(shí)，一級(jí)保護(hù)管發(fā)揮作用，信號(hào)繼續(xù)通過保險(xiǎn)絲R0傳輸?shù)蕉?jí)保護(hù)管D2，此時(shí)二級(jí)保護(hù)管D2吸收較低的靜電電壓，從而保護(hù)多參數(shù)復(fù)合差壓變送器的內(nèi)部電路。L1，L2，C1，C2，C3共同構(gòu)成了防電磁干擾保護(hù)電路。當(dāng)無效干擾信號(hào)通過這些器件時(shí)就會(huì)被濾除，保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定，此時(shí)的接地端需要有效連接多參數(shù)復(fù)合差壓變送器的主殼體。

2.5 多參數(shù)差壓變送器的寬溫區(qū)溫度補(bǔ)償

多參數(shù)差壓變送器的敏感元件是硅壓阻式復(fù)合差壓傳感器，采用半導(dǎo)體材料制成，受溫度影響較大，如果不進(jìn)行溫度補(bǔ)償，就會(huì)產(chǎn)生溫度漂移，從而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差[6]。此多參數(shù)差壓變送器采用專用集成放大芯片，此芯片能對(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，補(bǔ)償范圍可以達(dá)到-40～125℃，它由一個(gè)16位的RISC微控制器進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后變送器的溫漂可以達(dá)到0.5%FS（-40～125℃）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器設(shè)計(jì)原理生產(chǎn)出的產(chǎn)品，選取2只進(jìn)行溫漂測(cè)試（變送器輸出均為0.5～2.8 V）。1只進(jìn)行IP67測(cè)試，另外1只進(jìn)行對(duì)講機(jī)干擾測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1~表3。由表可知此寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器基本滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

提出了一種新型的寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)變送器寬溫區(qū)、多參數(shù)的測(cè)量，解決了傳統(tǒng)差壓變送器受溫漂、靜壓影響誤差大，測(cè)量不準(zhǔn)確，占用空間大，不易于安裝等問題。該寬溫區(qū)多參數(shù)差壓變送器相關(guān)部分已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利，本設(shè)計(jì)是在申請(qǐng)基礎(chǔ)上的改進(jìn)型。產(chǎn)品在醫(yī)院液氧灌、液化天然氣汽車投入使用后，測(cè)試結(jié)果理想，性能穩(wěn)定。

表1 溫漂測(cè)試Tab.1 Temperature drift test

表2 IP67測(cè)試Tab.2 IP67 test

表3 對(duì)講機(jī)干擾測(cè)試Tab.3 Intercom interference test

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Design of Multi-parameter Differential Pressure Transmitter in Wide Temperature Range

XIA Ai-ming，GAO Feng

（Nanjing Wotian Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211161，China）

A differential pressure transmitter with wide temperature range and multi parameter measurement is designed to reduce the influence of static pressure on differential pressure measurement.The basic principle of multiparameter differential pressure transmitter in the wide temperature range is introduced.Multi-parameter differential pressure transmitter in wide temperature range structure design，the signal conditioning circuit design，anti-interference and anti-static design，technology design of the transmitter，wide temperature range compensation of multi-parameter differential pressure transmitter is completed.The structure and properties of the differential pressure transmitter are introduced in detail.After the temperature drift test，the product basically meets the design requirements.The product has been put into use.The relevant parts have applied for national patent.

differential pressure transmitter；multiple parameter measurement；wide temperature range；influence of static pressure

TP212

B

1001-9944（2017）11-0028-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.007

2017-04-28；

2017-09-04

夏愛明（1985—），男，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)閴毫ψ兯推髦圃旒夹g(shù)。