高精度新型調(diào)制變送器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李正兵，蔣興加，王小麗

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100；廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007）

0 引言

傳感器就是將被測(cè)物理量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。由于受傳感器結(jié)構(gòu)等因素的影響，其輸出信號(hào)一般需要經(jīng)過(guò)變換器處理。變送器是將非標(biāo)準(zhǔn)的傳感器輸出的信號(hào)調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)的電路單元，以方便數(shù)字儀表、PLC、計(jì)算機(jī)等測(cè)控系統(tǒng)使用。對(duì)于輸出為電阻RX、電感LX或電容CX等參數(shù)類(lèi)型的傳感器，需要將可變參數(shù)RX，LX和CX變換成標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓輸出，這種變送器稱(chēng)為調(diào)制變送器。對(duì)于傳統(tǒng)電容或電感變送器，將傳感器輸出電容CX或電感LX作為振蕩電路的阻抗元件，通過(guò)測(cè)量阻抗引起振動(dòng)頻率的變化，表征被測(cè)物理量，該類(lèi)變送器通用性和線性較差，精度低，維護(hù)困難。本文針對(duì)連續(xù)式電容液面計(jì)設(shè)計(jì)的高精度新型調(diào)制變送器可以適用于電容、電阻及電感等參數(shù)的變換要求。

1 調(diào)制變送器設(shè)計(jì)原理

調(diào)制變送器需要把傳感器輸出的電信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流，即把物理量引起的電阻、電感、電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后對(duì)電壓進(jìn)行放大、濾波、調(diào)零等處理。調(diào)制變送器設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

變送器信號(hào)提取電路利用歐姆定律的原理，其電路如圖2所示。

在交流電源的作用下，把傳感器阻抗變換為電壓信號(hào)V˙X， ZX為傳感器輸出阻抗，ZS為變送器使用的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，V˙為變送器施加標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)電壓。當(dāng)阻抗ZX變化時(shí)，根據(jù)電路原理有：

當(dāng)CS>>CX時(shí)，公式（4）變成

根據(jù)公式（5），當(dāng)傳感器隨著被測(cè)物理量線性變化ΔX時(shí)，電壓V˙X也將線性改變。

傳感器輸出為電容或電感時(shí)，需要交流激勵(lì)源為信號(hào)提取電路提供標(biāo)準(zhǔn)電壓V˙。已知傳感器輸出阻抗ZX，所設(shè)計(jì)變送器的標(biāo)準(zhǔn)阻抗ZS一般為ZX的10倍以上，式（2）成立，變送器轉(zhuǎn)換信號(hào)的精度與線性方可滿足需要。

由于信號(hào)提取電路獲得的電壓值較小，并且為交流電壓，需利用高精度運(yùn)算放大器組成絕對(duì)值電路、放大及濾波電路，對(duì)交流信號(hào)kΔX進(jìn)行直流變換及線性放大、濾波處理。調(diào)零電路完成變送器輸出零位V0調(diào)整，信號(hào)輸出模塊實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)到標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓輸出變換。

另外，當(dāng)傳感器輸出電壓與被測(cè)物理量不成線性變化時(shí)，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的辦法對(duì)傳感器進(jìn)行原位校驗(yàn)，得到物理量與變送器輸出電壓的對(duì)應(yīng)表。數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)采集到的電壓按照校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行插值或查表計(jì)算，得到其相應(yīng)物理量。

2 調(diào)制變送器電路實(shí)現(xiàn)

2.1 精密交流電壓源設(shè)計(jì)

精密交流電壓源為變送器的關(guān)鍵電路模塊，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到變送器與傳感器的測(cè)試精度。通過(guò)對(duì)T型、LC及RC等振蕩電路的分析、比較，選擇使用文氏振蕩阻容電橋與高精密穩(wěn)壓二極管結(jié)合技術(shù)，得到輸出頻率、幅值連續(xù)可調(diào)的高穩(wěn)定激勵(lì)交流電壓源，其組成原理如圖3所示。電路中的R31，W2，C5及C6為振蕩選頻網(wǎng)絡(luò)，與IC8A，W1及R30組成正弦信號(hào)發(fā)生器；W3對(duì)振蕩信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整；IC9與高精度穩(wěn)壓管對(duì)交流電源進(jìn)行穩(wěn)壓與驅(qū)動(dòng)。電路參數(shù)調(diào)整完畢后，為了確保電路的可靠性，應(yīng)將電阻器W1，W2和W3替換成精密電阻，提高信號(hào)穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的精密交流激勵(lì)源輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，每隔30 min對(duì)交流激勵(lì)電壓源進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，其賦值與頻率精度分別優(yōu)于0.1%和0.2%，完全能滿足變送器激勵(lì)電源的需要。

表1 交流激勵(lì)電壓源4 h穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Data of 4 h stability testing of AC excitation source

2.2 精密絕對(duì)值與濾波電路設(shè)計(jì)

根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦栽恚瑢?duì)交流信號(hào)進(jìn)行整流，精密絕對(duì)值與濾波電路設(shè)計(jì)如圖4所示。電路工作過(guò)程：交流負(fù)半周信號(hào)通過(guò)IC2A、整流二極管D1、D2、電阻R5及R7輸出；正半周信號(hào)通過(guò)IC2B通道輸出；集成運(yùn)放器IC3和IC4與電阻、電解電容組成放大與濾波電路，對(duì)整流后的直流信號(hào)進(jìn)行二次放大與濾波；電阻器Wman為變送器靈敏度調(diào)整電位器；經(jīng)過(guò)濾波的直流信號(hào)V0送到輸出電路。

2.3 調(diào)零電路設(shè)計(jì)

由于傳感器本身具有自身阻抗Z0，加上電路本身存在溫漂與零漂等因素，信號(hào)變換過(guò)程中需對(duì)此進(jìn)行調(diào)零。其電路原理如圖5所示。調(diào)零電路的基準(zhǔn)電壓要求非常準(zhǔn)確，采用穩(wěn)定度優(yōu)于0.02%的基準(zhǔn)電壓芯片5G1403。當(dāng)輸入電源變化時(shí)，其輸出恒定為2.5 V。運(yùn)放IC5A與調(diào)零電位器W0T組成幅值調(diào)整電路，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)IC5B緩沖器后送到IC3輸入負(fù)端，實(shí)現(xiàn)對(duì)變送器輸出信號(hào)的零位調(diào)整。

2.4 輸出電路設(shè)計(jì)

通過(guò)放大濾波后的信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)緩沖器，一路直接輸出0-10 V的電壓信號(hào)；另一路連接到電壓轉(zhuǎn)換電流芯片AD694信號(hào)輸入端。AD694芯片1、2腳短路，7、8腳短接，被設(shè)置成0-10 V變換成標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA電流信號(hào)工作模式。其電路原理如圖6所示。用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇電流或電壓信號(hào)進(jìn)行記錄。

3 新型調(diào)制變送器在試車(chē)臺(tái)液位遠(yuǎn)傳系統(tǒng)中的應(yīng)用

在試車(chē)臺(tái)30 m3煤油容器加注中，新設(shè)計(jì)的調(diào)制變送器安裝在容器附近接線箱中，通過(guò)低噪聲電纜連接連續(xù)式電容液面計(jì)，輸出電壓或電流接至二次儀表，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試及應(yīng)用。系統(tǒng)上電后，先預(yù)熱30 min，然后調(diào)整調(diào)零電位器，使二次儀表顯示零。在容器加注過(guò)程中，分別記錄液面高度與儀表顯示數(shù)，記錄數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于0.2%，精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的變送器。按表中A、B值設(shè)置儀表參數(shù)，儀表可直接顯示容器液面高度或?qū)?yīng)體積，多次試車(chē)標(biāo)明，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

表2 煤油加注過(guò)程中二次儀表測(cè)量變送器輸出值Tab.2 Transmitter output values measured by secondary meter during kerosene filling

4 結(jié)論

利用電阻定律與信號(hào)變換電路原理設(shè)計(jì)的調(diào)制變送器不僅具有信號(hào)變換精度高、性能穩(wěn)定、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且具有通用性強(qiáng)、接口簡(jiǎn)單、安裝操作方便等特點(diǎn)，可應(yīng)用于液位、位移及壓力參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域。

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