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压力变送器














信号变换综合设计

课程设计(论文)

题目:

压力变送器设计

院(系) : 专业班级: 学 号:

电气工程学院 测控

112 110301038 王 作 洲 杨 汇 军 2013.12.30~2014.1.10

学生姓名: 指导教师: 起止时间:

本科生课程设计(论文)

课程设计(论文)任务及评语
院(系) :电气工程学院 学 号 设计题目 110301038 学生姓名 王作洲 教研室:测控技术与仪器 专业班级 测控112

压力变送器设计
设计任务:目前压力变送器应用较为广泛,设计一款实用压力变送器,能够准 确的测量压力信号,进行放大滤波后,转换为 4~20mA 电流信号输出。可自行选 择一种压力传感器, 同时根据传感器特点设计相应的信号处理电路。 设计相应电路, 确定元件参数;进行电路仿真;或进行电路板焊接,电路板焊接后,利用一只采样 电阻取压,然后用万用表检测输出相应电压值即可。 技术要求:

课 程 设 计 ( 论 文 ) 任 务

输入信号:选择压力传感器,信号放大至 0~5V 电压信号; 输出信号:4~20mA 电流信号;要求线性转换 环境温度:-30~+40?C; 传感器(敏感元件) :自行选择传感器类型,自己设计放大电路 说明书要求: 1.格式规范,符合学校要求; 2.说明书中应有方法比较与方案论证,光电测量原理(公式)及具体的实 现方案、电路器件型号、参数等;硬件电路应用 protel 绘制,并且进行电路板焊 接、调试;不能采用单片机设计。 3.按规定格式,撰写、打印设计说明书一份,详细阐述系统的设计过程,字数 应在 4000 字以上。 1、布置任务,查阅资料,理解掌握系统的设计要求。 天) (2 2、选择压力传感器、设计硬件电路图。 天) (2 3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。 天) (3 4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。 天) (2 5、撰写、打印设计说明书、答辩。 天) (1

进 度 计 划

指 导 教 师 评 语 及 成 绩

平时:

论文质量:

答辩:

指导教师签字: 年 月 日

总成绩:

注:成绩:平时40%

论文质量40%

答辩20%

以百分制计算

I

本科生课程设计(论文)

摘 要
在工业控制领域压力是一个非常重要的参数。在许多场合压力传感器安装在测 试点附近,接收装置远距离控制,所以要求信号传输线数量少、损耗小、抗干扰能 力强。本设计完成一个输出 4~20mA 的压力变送器。 本设计采用压力变送器进行测量,能够准确的测量压力信号。传感器输出信号 经过放大滤波后, 转换为 4~20mA 电流信号输出。 文中对传感器的输出的 0~100mV 信号使用三运放高共模抑制比放大电路进行放大 50 倍, 经过无限增益多路反馈型二 阶低通滤波器电路去除信号中的高频干扰,最后 V/I 转换电路将滤波后的电信号进 行 V/I 转换,用万用表测量输出电流 在性能方面,基本实现设计要求,能够将传感器输出的 0~100mV 信号转化为 4~20mA 电流信号。器件简单,成本低廉,抗干扰能力强,对于干扰严重的工作区, 可以实现准确的测量。 关键词:压力;传感器;模拟电路;V/I 转换

II

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目 录
第 1 章 绪论 ................................................ 1
1.1 1.2 1.3 国内外现状 ................................................ 1 变送器要求 ................................................ 2 本设计的技术指标 .......................................... 2

第 2 章 总体设计 ............................................ 3
2.1 2.2 2.3 方案设计 .................................................. 3 压力变送器工作原理 ........................................ 3 压力测量方法 .............................................. 4

第 3 章 电路设计 ............................................ 5
3.1 3.2 3.3 3.4 压力传感器的选型 .......................................... 5 放大电路及参数计算 ........................................ 5 滤波电路及参数计算 ........................................ 7 V/I 转换电路图及其参数计算 ................................. 8

第 4 章 设计仿真分析 ....................................... 10
4.1 4.2 仿真结果 ................................................. 10 误差分析 ................................................. 13

第 5 章 课程设计总结 ....................................... 14 参考文献.................................................. 15 附录Ⅰ.................................................... 16 附录Ⅱ.................................................... 17

III

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第1章 绪论
1.1 国内外现状
压力变送器是直接与被测介质相接触的现场仪表,常常在高温、低温、腐蚀、 振动、冲击等环境中工作。在石油、化工、电力、钢铁、轻工等行业的压力测量 及现场控制中应用非常广泛。 压力变送器按测量机理来分,最常用的有电容式、电感式、扩散硅、振弦式 等。近几年来 ABB、YOKOGAVA 等公司又推出单晶硅谐振式和复合固态硅为测 量机理的新型变送器,其各方面性能进一步提高;按结构形式变送器将其分为模 拟式、智能式和数字智能式三代产品。上世纪 80 年代我国自行建设的水泥厂,大 多采用西安仪表厂引进的罗斯蒙特公司的 1151 系列变送器, 除了用于测窑头负压 的 DR 型微差压变送器的精确度是 0.5%以外,其余大多是 0.25%,它的特点是采 用 4mA~20mA 传输的模拟仪表,就地显示表头为指针式,量程比在 6:1 左右, 稳定性为 6 个月,这是第一代模拟式变送器。 第二代产品是智能变送器,所谓智能的概念是:传感器和变送器是由微处理 器驱动,并且具有通信与自我诊断的能力。美国 Honeywell 公司在 1983 年最早推 出智能变送器 ST3000,1989 年又推出全数字双向协议的智能变送器,以后包括 罗斯蒙特在内的许多公司,也纷纷推出智能变送器。智能压力变送器除了有高精 确度(0.1%~0.075%) ,大量程比(最大可到 100:1)和高稳定性(1~5 年)外, 它一般带有 HART 协议或本公司的协议,如 ABB 的 BaileyFSK,YOKOGAVA 的 BRAIN 协议,后期的产品还带有符合现场总线国际标准的 FF 或 PROFIBUS-PA 协议,它就地显示表改为数字式,还可用手操器或在控制系统远程组态,实现远 方设定或远方修改变送器组态数据。近几年来我国新上马的新型干法水泥厂几乎 全采用了智能压力变送器,主要产品有:重庆横河川仪生产的 EJA 系列变送器, EH 的 CerabarS 变送器,ABB 的 MV2000T,西门子 SITRANSP 以及罗斯蒙特升 级的 1151 和 3051C 变送器,有许多厂还选用了带有 FF 或 PROFIBUS-PA 协议的 智能压力变送器。 进入 21 世纪,第三代变送器——数字智能式变送器又逐步进入我们的视野, 其代表性的产品是罗斯蒙特的 3051S 变送器、ABB 的 2600T265 系列变送器、横 河的 EJX 变送器等。

1

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1.2 变送器要求
稳定性:传感器或变送器在规定的条件下储存、试验或使用,经历规定的时 间后,仍能保持原来特性参数的能力。 可靠性:传感器或变送器在规定的条件下和规定的时间内完成所需功能的能 力。 低噪声与抗干扰能力:在精密测量中,要精确测量参数的微小变化,这时传 感器输出信号的变化往往是很微小的。为了保证高的测量精度,必须要求电路具 有低噪声与抗干扰能力。 输入输出阻抗: 电路系统对输入和输出阻抗的要求随采用传感器和控制器的不 同而有所不同。 线性度:要求线性转换,非线性误差低。

1.3 本设计的技术指标
上限值:20mA(防爆:20mA 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯) 下限值:4mA(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) 环境温度:-30~+40? C

2

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第2章 总体设计
2.1 方案设计
在放大电路部分,可选择一运放同相放大电路,双运放高共模抑制比放大电 路,三运放高共模抑制比放大电路。由于运放不能达到理想运放的效果,所以选 择三运放能提高电路性能。 滤波部分,由于传感器输出信号为缓慢变化的信号,所以在滤波器选择上应 选择低通滤波器。一阶滤波效果不佳,不能达到预期要求。所以应选用高阶滤波, 在考虑简单且性能达标等问题,选用二阶滤波可以提高滤波性能。 V/I 转换电路,对于变送器而言电流信号无需考虑寄生电动势的影响。 综上,列出整体框图,如图 2.1 所示。

压 力 传 感 器

三 运 放 高 共 模 抑 制 比 放 大 电 路

二 阶 低 通 滤 波 电 路

4~20mA 电流表 V/I

转 换 电 路

电源

图 2.1 总体框图

2.2 压力变送器工作原理
压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力,然后将压力信 号转变成 4-20mADC 信号输出。主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器, 陶瓷压力变送器,应变式压力变送器等。 介质压力直接作用于敏感膜片上,分布于敏感膜片上的电阻的惠斯通电桥, 利用压阻效应实现了压力量向电信号的转换,通过电子线路将敏感元件产生的毫 伏信号放大为工业标准信号。压力变送器是工业应用中最为常用的一种传感器,
3

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广泛应用于水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、 油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

2.3 压力测量方法
电容式:当压力直接作用在测量膜片的表面,使膜片产生微小的形变,测量 膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激 励电压也成正比的电压信号,然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准 的 4-2OmA 电流信号 扩散硅:被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使 膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,和用电子线 路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 陶瓷:压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电 阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥(闭桥),由于压敏电阻的压 阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压 信号。 应变片式:电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的 敏感器件。它是压阻式应变变送器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的 是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属 箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变 基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的 阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。

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第3章 电路设计
3.1 压力传感器的选型
主型号/规格 PTS202(用于测量油井压力)如图 3.1 所示。

图 3.1 PTS202 压力传感器

主要技术参数 量 程: 0~1~100(MPa) 综合精度:0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS (1MPA 以下精度最高 0.3%FS) 输出信号::0~100mV 输出阻抗:3.5KΩ±500Ω 供电电压: 10DCV(6~12DCV) 介质温度:-40~150 ?C 外 形:M10×Φ14×52 绝缘电阻:大于 2000MΩ (100VDC) 密封等级: IP65 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率 20Hz~1000Hz 内,输出变化小于 0.1%FS 电气接口: 高温引出线 机械连接: M10× 1、M12× ,其它螺纹可依据客户要求设计 1

3.2 放大电路及参数计算
本设计采用三运放高共模抑制比放大电路进行放大,它由三个集成运算放大 器组成,其中 N1、N2 为两个性能一致的同向输入通用集成运算放大器,构成平 衡对称差动放大输入级,N3 构成双端输入单端输出级,进一步进行抑制 N1,N2

5

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的共模信号。在运放选择上,选择 LM324 作为放大器(LM324 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) ,电路如图 3.2 所示。

图 3.2 三运放高共模抑制比放大电路

参数计算:

I
由此式得

R

? U o2

?U i2
2

R

? U i1

? U o1
1

R

? U i2

? U i1
0

R

( 3-1)

R) U R R U ? (1 ? )U R U
o1

? (1 ?

1

i1

?

0

2

o2

i2

0

R U R ?R U R
1 0

i2

(3-2) (3-3)

2

i1

0

其差模增益 K d 为

K
经过 N3 放大后,其增益为

d

? U o2

U

? i 2 U i1

? U o1

?1?

R ?R R
1 0

2

(3-4)

6

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K

f

?

U

? i 2 U i1

U

o

?

R R

5 3

(1 ?

R ?R ) R
1 2 0

(3-5)

放大器阻值参数为 R1 ? R2 ? 10 k? , R3 ? R4 ? 5k?

R ?R
5

6

? 20 k? ,带入阻值计算

得,当 R0 接入阻值为 1.786 ?? 时,该运放放大的理论值 K f 为 50,把阻值带入 (3-4)中得 K d 为 12.5。传感器的理论输出值在 0~100mV 变化,所以三运放输 出的理论电压值应在 0~5V 变化。

3.3 滤波电路及参数计算
滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净 的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤 波器。其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。本设计选用的是无限 增益多路反馈型二阶低通滤波电路。引入多路反馈,构成反相输入的二阶低通滤 波电路,这样能提高滤波电路的性能。运放为 LM324AD,如图 3.3 所示。

图 3.3 无限增益多路反馈型二阶低通滤波电路

在阻抗选取方面:

R ?R
1

2

? 3.111k? , R3 ? 4.072 k? , C1 ? C 2 ? 1?F

由此可以计算出

?
所以其固有频率为

0

?
2

1

? 280 .3rad / s
1 2

(3-6)

R RCC
3

f

0

?

?

0

2?

? 44 .6 HZ

(3-7)

7

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3.4 V/I 转换电路图及其参数计算
图 3.4 所示为一 V/I 转换电路,它由运算放大器 LM324AD 及晶体管V 1 ,V 2 (型号均为 2N2222A)组成。V 1 构成倒相放大级,V 2 构成电流输出级。U b 为偏 置电压,用以进行零位平移。由于电路采用电流并联负反馈,因此具有较好的恒 流性能。 利用叠加原理,可求出在U i 、U b 及输出电流 I o 作用下,运算放大器的同相 输入 端及反相输入端电压 u p 及 u N 。考虑只有输入电压U i 作用时,因 R3〉〉 L , R 故有

u

N1

?

R1 ?

R

3

R

U
3

i

(3-8)

考虑只有输出电流 I o 作用时

u

N2

?

R1 ?

R

3

R

I R
o

L

(3-9) (3-10)

3

u

P1

?

I R2 ? R4 o

R

2

( R L ? R7 )

在U b 作用下,因 R4?? R7 ? R L

u

P2

?

R R
2

? R4 U b

2

(3-11)

如果运算放大器的开环增益及输入电阻足够大,则有

u ?u
P

N

? u P1 ? u N 1 ? u P 2 ? u N 2

(3-12)

设 R1 ? R2 ? 100 k? 、 R3 ? R4 ? 40 k? ,则

i

o

?

R ( ? U U RR
4 i 2 7

b

)

(3-13)

根据U i 与 I o 的范围决定电路参数, 输入为U i =0~5V 时, 要求 I o =4~20mA, 则其余电阻取值均为 125Ω。此时若U b =0,对应 I o =0~16mA。为使输入U i =0V 时,输出为 4mA,要求U b =-1.25V。

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图 3.4V/I 转换电路

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第4章
4.1 仿真结果

设计仿真分析

仿真的基本过程是保持不变的,要进行如下 9 步: 1) 问题定义 2) 制定目标 3) 描述系统并对所有假设列表 4) 罗列出所有可能替代方案 5) 收集数据和信息 6) 建立计算机模型 7) 校验和确认模型 8) 运行模型 9) 分析输出

4.1.1放大器仿真
传感器输出的 0~100mV 信号,调节 R0 使其放大 50 倍,当输入为 0mV 带 5mV, 500HZ 干扰信号时, 如图 4.1 所示, 当输入信号为 100mV 带 5mV, 500HZ 干扰信号时,如图 4.2 所示。

图 4.1 输入为 0V 仿真图
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图 4.2 输入为 100V 仿真图

4.1.2滤波器滤波效果仿真
将三运放输出的 5V 信号通入滤波电路中进行滤波, 输出波形图如图 4.3 所示。

图 4.3 输入 100mV 带干扰信号滤波图
11

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通道 B 为输入信号,通道 A 为输出信号,从图中可以看出滤波成功。

4.1.3V/I 转换电路仿真
输入信号为 0~5V 信号,用万用表观察输出电流。如图 4.4 为 V/I 转换电路 的测量图

图 4.4V/I 转换电路测量图

当输入信号为 0V 时,输出电流如图 4.5 所示,当输入信号为 5V 时,输出电 流如图 4.6 所示。

图 4.5

图 4.6

4.1.4整体电路仿真
本设计用电源模拟信号代替传感器输出信号,模拟压力变送器工作状态。当 传感器传来的是 100mV 带 5mV,500HZ 干扰信号时,运放输出电压如图 4.7a, 电流输出如图 4.7b。

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图 4.7a

图 4.7b

当传感器传来的是 0mV 带 5mV, 500HZ 干扰信号时, 运放输出电压如图 4.8a, 电流输出如图 4.8b。

图 4.8a

图 4.8b

4.2 误差分析
放大器部分,滑动变阻器 R0 接入阻值没有足够精确,存在一定误差,运放 存在一定误差。 滤波部分,电容选择不是太精确,滤波效果一般,但基本达到设计要求。 V/I 转换部分,万用表自身存在一定的误差,计算值与测量相比较,基本在 误差允许范围内。 综上所述,本设计基本达到要求。

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第5章 课程设计总结
这是一个信号变换的课设,电路部分都使用的是模拟电路的设计,如放大电 路、滤波电路、V/I 转换电路,对于 V/I 转换电路,是本次设计电路中最重要的一 个环节,查阅很多关于 V/I 转换电路的资料与目前 V/I 转换电路常用的型号芯片。 电路的仿真是本次设计能否实现的关键,采用 Multisim10 实现仿真设计, Multisim 是一款很好的模拟电路仿真软件,它是美国国家仪器(NI)有限公司推 出的以 Windows 为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。 它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真 分析能力。 本次设计的系统的。可靠性并不是绝对的完美,但基本达到使用要求,误差 在允许范围内,放大部分基本完整的展现了传感器输出的放大波形,在滤波部分 设计基本滤除高频信号。而 V/I 转换部分由于万用表自身误差及运放本身误差使 得输出信号存在稍许误差,但并不影响整体的设计。由于使用的器件简单,所以 在成本上较为低廉,在不影响性能的前提下,符合经济原则,适用于工业测量。

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参考文献
[1] 宋文绪,杨帆.传感器与检测技术(第 2 版)[M].北京:高等教育出版社,2009. [2] 张国雄,李醒飞.测控电路(第 4 版)[M].北京:机械工业出版社,2011.1. [3] 孙传友,孙晓斌,李胜玉,等.测控电路及装置(第 4 版)[M].北京:航空航天大学 出版社,2002. [4] 张建民.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,1996. [5] 刘洋,邹同华,刘俊.压力变送器的研究与发展现状[J].北京:通用机械,2005,2. [6] 樊宽林.我国压力变送器的产品现状和出路[J].天津:自动化仪表,2007,S1.

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附录Ⅰ

整体电路图

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附录Ⅱ

器件清单 名称 PTS202 LM324AD 标号 / UA1,UA2,UA3, UA4,UA5 R1,R2 R3,R4 R5,R6 R7,R8,R12,R13 电阻 R9,R10 R11 R14,R15 R16,R17,R18, RL 电容 直流电源 接地线 2N2222A C1,C2 VEE VEE VCC / Q1,Q2 规格 / / 10K 5K 20K 100K 3.09K 4.12K 40K 125 0.2μ -12V -1.25V 12V / / 数量 1 5 2 2 2 4 2 1 2 4 2 5 1 6 1 2

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