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二线制压力变送器设计思路

文章出处:人气:4发表时间:2019-2-28 9:43:34

    工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如温度、压力、速度、角度等,都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。

    采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度,在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求:20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃***。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线:正常工作时不会低于4mA,当传输线因故障断路,环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。

    电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出,必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线,加上两根电流输出线,总共要接4根线,称之为四线制变送器。当然,电流输出可以与电源公用一根线(或者GND),可节省一根线,称之为三线制变送器。

    其实大家可能注意到, 4-20mA电流本身就可以为变送器供电,如图1C所示。变送器在电路中相当于一个特殊的负载,特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线,因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA,因此只要在量程范围内,变送器至少有4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。

   在工业应用中,测量点一般在现场,而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算,省去2根导线意味着成本降低近百元!因此在应用中两线制传感器必然是首选。

2.两线制变送器的结构与原理

两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于4mA,那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求两线制变送器自身耗电(包括传感器在内的全部电路)不大于3.5mA。这是两线制变送器的设计根本原则之一。

从整体结构上来看,两线制变送器由三大部分组成:传感器、调理电路、两线制V/I变换器构成。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量,调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流;同时从环路上获得电压并稳压,供调理电路和传感器使用。

除了V/I变换电路之外,电路中每个部分都有其自身的耗电电流,两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。如图,采样电阻Rs串联在电路的低端,所有的电流都将通过

Rs流回到电源负极。从Rs上取到的反馈信号,包含了所有电路的耗电。

在两线制变送器中,所有的电路总功耗不能大于3.5mA,因此电路的低功耗成为主要的设计难点。下面将逐一分析各个部分电路的原理与设计要点。

3.两线制V/I变换器

V/I 变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在:电压信号不是直接控制输出电流,而是控制整个电路自身耗电电流。同时,还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电。附图是两线制V/I变换电路的基本原理图:

图中OP1、Q1、R1、R2、Rs构成了V/I变换器。分析负反馈过程:若A点因为某种原因高于0V,则运放OP1输出升高,Re两端电压升高,通过Re的电流变大。相当于整体耗电变大,通过采样电阻Rs的电流也变大,B点电压变低(负更多)。结果是通过R2将A点电压拉下来。反之,若A点因某种原因低于0V,也会被负反馈抬高回0V。总之,负反馈的结果是运放OP1虚短,A点电压=0V。下面分析Vo对总耗电的控制原理:

假设调理电路输出电压为Vo,则流过R1的电流

I1=Vo/R1

运放输入端不可能吸收电流,则I1全部流过R2,那么B点电压

VB=-I1*R2=-Vo*R2/R1

取R1=R2时,有VB=-Vo

电源负和整个便送器电路之间只有Rs、R2两个电阻,因此所有的电流都流过Rs和R2。R2上端是虚地(0V),Rs上端是GND。因此R2、Rs两端电压完全一样,都等于VB 。相当于Rs与 R2并联作为电流采样电阻。因此电路总电流:

Is=Vo/(Rs//R2)

如果取R2>>Rs,Is=Vo/Rs

因此,图3中取Rs=100欧,当调理电路输出0.4~2V的时候,总耗电电流4~20mA.

若不能满足R2>>Rs也没关系,Rs与 R2并联(Rs//R2)是个固定值,Is与Vo仍然是线性关系,误差比例系数在校准时可以消除。

除了电路正确以外,该电路正常工作还需要2个条件:首先要自身耗电尽量小,省下的电流还要供给调理电路以及变送器。其次要求运放能够单电源工作,即在没有负电源情况下,输入端仍能够接受0V输入,并能正常工作。

LM358/324是最常见也是价格最低的单电源运放,耗电400uA/每运放,基本可以接受。单电源供电时,输入端从-0.3V~Vcc-1.5V范围内都能正常工作。如果换成OP07等精密放大器,因为输入不允许低至0V,在该电路中反而无法工作。

R5和U1构成基准源,产生2.5V稳定的基准电压。LM385是低成本的微功耗基准,20uA以上即可工作,手册上给出的曲线在100uA附近最平坦,所以通过R5控制电流100uA左右。OP2构成一个同向放大器,将基准放大,向调理电路及传感器供电。因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少,成本高;将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。

该部分电路也可以选择现成的集成电路。比如XTR115/116/105等,精度和稳定性比自制的好,自身功耗也更低(意味着能留更多电流给调理电路,调理部分更容易设计)。但成本比上述方案高10倍以上.

4.两线制压力变送器设计

压力桥、称重传感器输出信号微弱,都属于mV级信号。这一类小信号一般都要求用差动放大器对其进行第一级放大。一般选用低失调、低温飘的差动放大器。另外在两线制应用中,低功耗也是必需的。AD623是常用的低功耗精密差动放大器,常用在差分输出前级的放大



二线制压力变送器设计思路

摘要:文章介绍了一种基于XTR105芯片的两线制压力变送器设计制造方案,它具有硬件电路简单、可靠性高、配置灵活、通用性强的特点,有突出的性价比优势,可广泛应用于对水、油、气等介质的压力测量。目前,该产品已成功安装在三峡工程84拌和系统氨冷车间的XKT5-B系列电气控制箱中,实现了对氨气压力的自动化测量与控制,确保了出厂混凝土的温控质量。 

  关键词:压力变送器;两线制;电流变送器;测力传感器;桥传感器 

  中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2009)15-0077-02 

     一、方案设计背景 

     举世瞩目的三峡工程已经进入到了尾期工程阶段,地下电站及送出工程和升船机的浇筑等高强度的施工作业都对拌和系统出厂的混凝土的质量提出了较高的要求。为了保证84拌和系统混凝土生产线的高质量稳定运行,保证出厂混凝土的质量,确保工程建设顺利进行,中国长江三峡工程开发总公司工程管理部委托宜昌市计量检定测试所对84拌和系统生产线上的计量仪器仪表进行检定检测。部分不合格的压力变送器由于年代久且长时间处于氨环境铭牌被腐蚀,无法识别型号联系原厂更换。为了不影响生产,本着经济合理的原则,我们决定就近联合某电气公司重新进行设计制造。笔者作为拌和系统计量检定工作主要负责人,有幸参与了该方案的设计开发工作。 

  随着电子电路的快速发展,压力变送器从分离元件发展到集成电路,从四线制发展到两线制。目前,使用单位对性能、成本、通用性又提出了较高的要求。对此笔者提出采用单芯片XTR105替代原产品所用的XTR101复杂芯片,通过巧妙设计、灵活改变外围电路的方法来满足高性能、低成本、通用性的市场需求。以下将以对84拌和系统氨冷车间XKT5-B系列电气控制箱中的压力变送器的改造设计为例,阐述一种基于XTR105芯片的两线制压力变送器的设计制造方法和实现方案。 

     二、XTR105芯片原理 

     XTR105精密电流变送器,可把传感器的电压信号自动地变换成标准电流信号。内含一个高精度的仪表放大器、一个电压/电流变换器和二个相同的0.8mA精密恒流源基准。该电路失调电压低,最大为50μV,漂移小,最大为0.4μV/℃,外接元件可适于远程信号传输变换和热电偶、电阻温度计(RTD)、热敏电阻以及应变计电桥等多种工作状态的变送器电路。实际应用时,应在输出端外加一个功率管,使工作时的热源外移,以保证其工作稳定性。 

  XTR105引脚图如图1所示。传感器的电压信号由13、2脚输入,3、4脚外接电阻RS可以调节输出满幅值,1、14脚分别输出二个0.8mA恒流源,可用于传感器供电,10脚接电源正端(且是环流注入端),7脚通过负载电阻RL接电源负端(也是环流信号输出端),8、9可外接功率管。 

  XTR105两线制变送器的优点是抗干扰能力很强,长期运转导致的压降、电机噪音、继电器、电力拖动装置、电器开关、电流互感器和工作设备电源的频繁切换启动均无影响。它的工作温度范围宽,为-40℃~+85℃。 

     因此,XTR105常常作为OEM产品被变送器或数据采集系统制造者所选用。 

     三、通用压力变送器 

     测力传感器常常采用由四个应变电阻组成的惠斯通电桥进行测量。桥臂电阻阻值在外力作用下发生与外力成线性比例的阻值变化。通过将阻值变化调理为电流变化,便实现了力的机械量到电学量的转化。有了电学量也就能实现自动化的监测功能了。 

  通常采用的传感器有陶瓷电阻、扩散硅等。由于XTR105能提供给应变电桥的激励源的电压、电流都不可能很大,桥传感器内阻不同外围电路也不同。如下图2所示,该图给出了XTR105外接桥式压力传感器的基本电路。基本电路的电源1、14,调节电阻RG和RCM都需要根据具体电路计算后在选购不同的元件进行制作生产。因此,这种电路结构不具备通用性。 

     为满足通用性、低成本、高精度、高稳定性的要求。笔者结合XTR105芯片的特点设计了通用变送器图,如图3所示。该图R6为传感器接口可以接入多种力传感器。通过外围跳线JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6可实现多种组合。该电路以XTR105为核心,外围器件少,制作生产成本低,而且XTR105本身具备高稳定性因而保证了其压力变送器成品的品质。具体外围组合表如下: 

     

  四、XTR105压力变送器试验 

   

  笔者采用扩散硅0-1.0Mpa传感器一只,二等活塞压力计(0.1-6Mpa)一台,XTR105成型电路板一套,精度等级0.02级直流电流表一只,DC24V直流稳压源(±1%FS)一块。根据图3和组合表1连接好电路,将扩散硅传感器垂直安装到二等活塞压力计上,在电源回路串入电流表并接通DC24V电源。在温度为20℃湿度为65%的环境条件下测量数据见表2: 

     由上表分析,由XTR105制作的压力变送器精度达0.2级,符合84拌和系统氨冷车间XKT5-B系列电气控制箱中所需高精度仪表的要求。 

     五、结语 

  笔者通过充分利用XTR105芯片电流变送器的特点,巧妙组合使其成为一款成本低廉的通用型压力变送器。现在,84拌和系统在三峡工程建设中正发挥着重大作用,而其中氨冷车间的XKT5-B系列电气控制箱中所安装使用的此款压力变送器,运行稳定,实现了对氨气压力的自动化测量与控制,确保了出厂混凝土的温控质量,为高质高效建设三峡工程提供了技术保证。 

   


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