HART 智能壓力變送器檢測方法的研究★

鐘 華

（婁底市計量測試檢定所， 湖南 婁底 417000）

引言

壓力變送器是工業過程檢測和控制的基礎儀器之一。隨著DCS 系統在企業的廣泛應用，壓力變送器發展趨勢是數字化、智能化、高精度和高適應性[1]。相比常規變送器，智能變送器具有更強的功能、更好的性能，最常見的一類智能變送器是采用HART 通訊協議。HART 全稱為Highway Addressable Remote Transducer，意思是“高速鏈路可尋址遠程變換器”，HART 協議現場儀表在原有的4～20 mA 工業標準信號上疊加數字信號，在不中斷過程信號的情況下，在同一模擬回路上同時實現通信，給操作使用帶來了極大方便。正因為如此，HART 智能變送器的檢測工作也會比普通變送器多了一步調整工作。

1 HART 智能變送器的工作原理

HART 智能變送器除了純機械和電路之外，還有微處理器對數據進行運算操作。如圖1 所示，HART 智能變送器可以分為三個部分，每一個部分都可以單獨進行測試和調整。

第一個方框為變送器的輸入塊。變送器對物理量PV（如溫度、壓力或流量）進行測量，并根據廠家的數值表或某種形式的方程將其轉化為數字信號，第一方框的輸出就是過程變量的數值（PV）。

第二個方框為變送器的轉換塊。轉換塊是將過程量按照嚴格的數學關系轉換為毫安表示，可由變送器的量程值（零點和滿度值）結合轉換函數計算得到。轉換函數中線性轉換函數最常見，但在壓力變送器中，往往還提供方根轉換關系，某些特殊的變送器還可能實現一些常見的數學公式轉換或者用戶自定義數值映射表。第二個方框的輸出是變送器輸出回路電流值的一個數值（PVAO）。

第三個方框是變送器的輸出塊。輸出塊是將第二個方框計算出的輸出數值（PVAO）利用D/A 轉換器產生實際的4～20 mA模擬電流輸出。在此過程中，微處理器必須依靠一些內部校準因素來得到正確的輸出。

2 壓力控制器的HART 自動調整模式

HART 智能壓力變送器的傳統調整方法需要配置壓力標準器、直流電流表、HART 手操器、250 Ω電阻等，連接過程比較繁瑣，標準器和手操器直接不能自動交互，數據都需要人工讀取并錄入，效率低，且存在人為誤差的隱患。

智能壓力控制器的自動調整模式，解決了上述問題，從軟件層面實現了標準器和手操器功能的自動交互，大幅提高工作效率，其特點如下：

針對不同變送器產品HART 功能菜單位置不一致的情況，該模式將檢測用指令統一提取出來，并重新分類，放置在統一的位置，形成不同的變送器均為一致的操作菜單的方式，操作更便捷，免除HART 設備多樣性帶來的功能反復查找的煩惱。

不同生產企業的HART 設備，均轉換為全中文觸控式操作，界面更友好。具有便利、高效、自動化的交互操作，一鍵完成調整，協助工作人員輕松完成日常維護工作。

壓力控制器的HART 功能具有強大的兼容性，可使用U 盤或網絡即可完成升級，支持常見及最新的HART 智能壓力變送器。

3 HART 智能壓力變送器的調整工作

HART 智能壓力變送器在檢測之前需要對輸入塊和輸出塊進行調整，我們將PV 值的調整稱為傳感器調整；將PVAO 值的調整稱為電流輸出調整。下面我們介紹一下使用壓力控制器對壓力變送器進行調整。首先將壓力變送器與壓力控制器進行連接，進入壓力控制器的HART 應用界面進行搜索設備，成功后便可以進行調整工作[2]。

電流調整的主要內容如下：通過調整變送器的電流輸出環節的比例系數，使變送器的AO 數值同實際輸出的環路電流一致；提供零點（4 mA）和滿度點（20 mA）的調整：進入調整點時自動設置變送器為零點或滿度點輸出；可以使用數字鍵盤輸入環路電流測量值，輸入范圍為4～20 mA，或按“獲取”鍵直接將當前測量值寫入數字鍵盤。確認后將按照數字鍵盤上的數值對零點或滿度點進行調整。

傳感器調整的主要內容如下：通過調整變送器的PV 值，使變送器的PV 值同實際輸出的壓力值一致；提供低端（PV 量程下限）和高端（PV 量程上限）調整：進入調整點時自動設置控制器輸出PV 量程下限或上限的壓力值，也可以點擊控制器輸出值圖標，在彈出的窗口里改變輸出壓力值；可以使用數字鍵盤輸入壓力測量值，或按“獲取”鍵直接將當前測量值寫入數字鍵盤；確認后將按照數字鍵盤上的數值對PV 值進行調整[3]。

用于變送器的溫度補償的主要內容如下：常溫下讀取零位數據，先不加壓，待溫度、壓力穩定后，在軟件界面上填零取位值；常溫下讀取滿量程數據，升至傳感器滿量程壓力，在軟件界面上填取正量程值；升溫至需要溫度，先不加壓，待溫度、壓力穩定后，在軟件界面上填高溫零取位值；升至傳感器滿量程壓力，重復步驟2，在軟件界面上填取高溫正量程值；將溫度調至低溫，重復步驟3 相同操作；三組溫度數據界面上填好后，點“溫度補償”按鈕，完成變送器的溫度補償。倘若無低溫設備，無法完成上述低溫補償，可在取好高溫和常溫數據后點“計算低溫”按鈕，軟件將會根據高溫和常溫數據，按高溫和常溫變化量的1/2 線性變化推出低溫數據[4-5]。

在HART 功能診斷界面可以完成電流環測試、壓力清零、電流調整和傳感器調整。以調整一個0～1.6 MPa 的HART 智能壓力變送器的零點為例，選擇電流調整的零點調整，自動獲取實際環路電流值4.009 2，點擊確認即可完成調整工作，如圖2 所示。其他調整項目也可以利用類似的方法輕松完成工作。操作成功后一定要返回查看是否修改成功，有的變送器在調整一次后仍然會存在偏差，我們可以采取二次調整的方法來達到理想的狀態。

4 HART 智能壓力變送器的檢定工作

4.1 壓力變送器的檢定

調整完成后的壓力變送器就可以按照壓力變送器檢定規程的要求進行檢定。首先我們根據壓力變送器的量程選擇合適的壓力標準模塊，然后將壓力變送器安裝在壓力連接臺上，將變送器輸出正負極分別接在壓力控制器的24 V 插孔和電流測量插孔中，如圖3 所示。準備工作完畢后，利用上位機軟件新建一個壓力變送器檢定程序，輸入壓力變送器的量程、準確度等基本參數，上位機軟件通過控制指令控制壓力控制器平穩地輸出壓力信號到各檢定點，讀取并記錄壓力變送器的電流信號輸出直至上限；然后反方向平穩改變壓力信號到各檢定點，讀取并記錄輸出值直至下限，如此完成一個循環。

4.2 檢定數據的處理

通過上位機軟件可以方便地對壓力變送器的檢定數據進行計算，并自動生成檢定記錄和檢定證書。以一臺0.1 級0～1.6 MPa 的ROSEMOUNT 壓力變送器為例，檢定數據自動記錄到軟件后，通過軟件計算功能輕松完成壓力變送器示值誤差和回程誤差的計算，各超差點會自動標識，最終判斷檢定結果，如下頁表1 所示。表1 中：示值誤差的最大允許值：±0.016 mA；實測值：-0.010 mA；回程誤差的最大允許值：0.016 mA；實測值為0.013 mA；絕緣電阻：合格；絕緣強度：合格；外觀合格。

表1 壓力變送器檢定記錄

4.3 檢定過程中需要注意的事項

目前智能壓力變送器的準確度越來越高，最高準確度已達0.05 級，一些錯誤的操作很容易引起檢定結果超差。在選擇性能指標優異的壓力控制器檢定高精度壓力變送器時，需要注意以下幾點：

1）準確度等級滿足規程要求，壓力控制器綜合不確定度滿足被檢壓力變送器的1/3 或1/4 的要求。

2）環境溫度對高精度壓力變送器的檢定數據也會造成較大的影響，因此要求被檢變送器送達實驗室后必須在檢定條件下放置2 h，達到溫度平衡后再進行檢定。實驗室環境溫度也應保持在規程允許的范圍內。

3）將壓力控制器的控制穩定性指標設定在一個較高的值，如壓力穩定條件設置為0.003%FS。

4）超調量盡量小，可適當調低控制器控壓速度，保證檢定過程中升壓和降壓過程平穩，準確記錄檢定數據。

5）在檢定一些較大體積的壓力變送器時，需要使用壓力連接管，應盡量保證標準器的感壓點高度和被檢壓力變送器感壓點在同一水平面上，否則就需要對液柱進行修正，此時要注意修正值的正負，錯誤的修正會引入更大的誤差。

6）部分變送器存在阻尼設置，讀數時需要先將壓力變送器的阻尼調整為零，或等待壓力變送器穩定后再進行數據采集。

5 結語

這種HART 智能壓力變送器檢測方法的應用，無論在準確度還是自動化程度方面都是傳統方法不可比擬的。該方法只需一套設備就解決了HART 智能壓力變送器所有的檢測問題，無需任何其他輔助設備。基于壓力控制器和上位機壓力自動檢定系統的的檢測方法不僅完全滿檢定規程的要求，而且可以自動記錄和處理檢測數據，大大縮短檢測時間，特別適合于實驗室周期性、大批量的HART 智能壓力變送器的檢測工作。