用于过程控制中的智能压力传感器与衡器及流量测定

    智能压力传感器与衡器及流量、电流测定是过程控制中很重要的传感器(即一次仪表)，这是当今在过程控制系统设计与发展中应了解、掌握的新技术，这也是工业解决方案之一的内容。应该说用于过程控制中一次仪表还有智能温度传感器与线性电压差分变压器等，但值此本文仅将对其智能压力传感器、衡器与流量测定的性能与应用作分析说明。

    1、智能压力传感器基本特征与信号调节器电路
    压力传感器将物理值(重量、轮胎压力、电平、力和流量)转换成差分信号(mV/V)，并被称作金属厚膜、陶瓷或压敏电阻。大多数设计者都采用成本效益型25mbar-25ba的压电传感器。然而，这类传感器的线性非常差、易受温度的影响并且具有很大的失调和失调漂移。此外，它们还需考虑电子校准和补偿。

    1.1智能压力信号调节系统的功能
    方框图1显示出了压力信号调节系统的功能方框图。从图1中看出通过微控制器可对传感器的非线性偏差及受温度影响造成之误差进行校准和线性性处理,具体可分以下智能化功能：

    * 传感器信号调节-执行用于对温度偏差和标度进行校准和补偿并对传感器信号进行线性化处理所需的全部功能。
    * 模拟/数字处理-传感器信号的转换和线性化处理方法有两种。采用模拟技术获得的是模拟解决方案，并提供模拟输出。这种技术的特点是简单和高速，但最高分辨率被限制在11位—16位。数字技术具有更高的精确度(分辨率高达24位)，并能够提供中等速度的数字输出。
    * PGA309桥式压力非线性度校正的采用

    桥式激励线性化电路PGA309是专为抛物线形的桥式压力非线性度而优化的，在图2所示坐标中，其抛物线形为未经校正压力非线性的全桥输出，而直线为已用PGA309桥式激励线性化电路对压力非线性度校正并优化的全桥输出。该PGA309线性化电路具有数字可编程性，其纯模拟信号调节侧的处理过程与TI的4-20mA发送器(比如XTRl05、XTRl06或XTRl08)是相同的。

    PGA309的核心是采用自动置零技术的精密、低漂移可编程增益仪表放大器，并包括可编程故障监控器和过标度/欠标度限制器。它还提供了数字温度补偿电路。校准是通过单线式数字串行接口或双线式业界标准连接来进行的。

    校准参数被存储在外部非易失性存储器EEPROM中，旨在取消手动修整并实现长期稳定性。评估模块PGA309EVM包括软件和校准图表，从而可使传感器+PGA309组合提供简易型评估。

    采用TSSOP—16封装的高集成度、CMOS PGA309适用于桥式压力传感器，并与具有高灵活性和极低噪声的放大器和仪表放大器(如、OPA335、OPA735等)组成解决方案产品库。

    1.2与压力传感器可组合的信号调节器电路PGA309及ADC、运算放大器

    1.21桥式激励线性化电路-完整电压输出、可编程桥式传感器信号调节器PGA309

点击看原图

    图3为PGA309为功能方块图.现实当中的传感器具有随着温度的变化而不断变化的工作幅宽和失调误差。此外，许多桥式压力传感器在施加压力的情况下还会产生非线性输出。传感器调节器PGA309是低成本压敏电阻或陶瓷薄膜等压力传感器的理想搭档。其主要特点为：是比例制或绝对电压输出；通过单线式或双线式接口来进行数字式校准并取消了电位计和修整；又是低且不会随时间的推移发生波动的总调节误差；其工作电压为+2.7V至+5.5V；封装型式：小外形TSSOP-16。基此PGA309应用很为广泛，除与桥式传感器组合外还可用于4-20mA远程发送器、应变表、负载表和衡器及汽车传感器之中。

    1.22具有卓越AC和DC性能的24位、△∑型ADC (ADSl271)

    图4为ADSl271为功能方块图ADSl271是具有高达105kSPS数据速率的24位、△型ADC。它提供了绝佳DC准确度与超群AC性能的独特组合。该高阶、斩波器稳定型调制器实现了非常低的漂移和低带内噪声。板载抽取滤波器可抑制调制器和信号带外噪声。ADSl271提供的可用信号带宽高达奈奎斯特频率的90％(纹波仅为0.005dB)。其主要特点：AC性能为109dB 信噪比( 52kSPS)，105dBTHD(总和谐失真)；DC准确度为1.8mV/℃失调漂移；2ppm／℃增益漂移；高分辨率为109dBSNR(信噪比)；低功耗：40mW。

    1.23零漂移，低失调，单电源运算放大器OPA334/OPA335

    图5为OPA335为应用图。OPA334和OPA335 CMOS运算放大器采用自动置零技术，以便在时间推移和温度变化的情况下同时实现非常低的失调电压和近零漂移。这些高精度放大器提供了高输入阻抗和轨至轨输出摆幅。其主要特点低失调电压：5μV(最大值)；零漂移：0.05μV/℃(最大值)；静态电流：285μA；封装型式：SOT23-5、SOT23-6、SO-8、MSOP-10(双通道)

    2、电子衡器
    电子衡器以某些形态或形式出现于许多工业应用中，而在当今的食品工业中更是无处不在。一直以来，电子衡器制造商都是采用专有ASIC来使其模拟前端的性能与最高的准确度和稳定性相适应。图6(a)为智能衡器应用示意图,它描绘了一种采用标准产品来提供高达25.4的有效位数(ENOB)或23位无噪声位分辨率的方法。图6(a)中的MSP430为16位超低功耗微控制器,内含8KB快闪存储器、256RAM和比较器及96分段LCD。

    *如何解决一大难题
    衡器设计中的一大难题是如何在维持极低的输入相关噪声(RTI)的同时对多个负载单元进行采样。ADSl256和ADSl232分别能够以极低的成本来确保 的输入相关噪声(30nV是指输入参考噪声30nV)。其ADS1256为分辨力为24位,23位无噪声高性能A/D转换器,小型封装用方便. 图6(b)为解决用于智能衡器难题的ADSl256高性能特性曲线。

    另一个重要的因素是模拟电路在失调漂移和增益方面的长期稳定性。这里，经放大的输入信号(不管是单端还是差分)的准确度必须在数年的操作时间里得到保证。自动置零放大器(比如OPA335和INA326仪表放大器)通过实现0.05μV／℃(OPA335)和0.4μV／℃(1NA326)而满足了这些严格的要求。

    作为一种易用型解决方案-MSCl210系列提供了完整的数据采集系统级芯片，其组成如下：

    *经优化的8051内核(在同等功耗条件下的速度是标准版本的三倍);
    *具有22ENOB(有效位数)和75nV／√Hz(RTl)的24位、A∑型ADC;
    *具有0-128增益级的PGA(可编程增益放大器);
    *2kB引导ROM和容量高达32kB的快闪存储器;

    3、流量测定
    流量测量仪表和方法的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。按测量目的又可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称作总量表和流量计。

    电磁流量计是最流行、最广泛的其中之一，它是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。

    电磁流量计有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。而值此将讨论的是，从低成本流量测定到石油化工厂和制药厂里常见的极高精度和快速流量测定，工业环境中对流量测量的应用要求各不相同。值此,将对最常用技术的说明以及旨在克服流量测量障碍的各种解决方案。

    3.1电磁流量计
    磁感应流量计由绕有磁性线圈的非铁磁性导管组成。位于导管内壁绝缘表层的电极与流过导管的液体(必须是导电的)保持接触。图7(a)为磁感应流量计组成示意图。

    环绕导管的线圈在导管内部产生磁场。该磁场在液体中生成与管中液体流速成比例的感应电压。该电压是通过电极来测量的。由于被测电压非常低，因此需要在放大器前端选用诸如INAl03这样的精密型低噪声测量放大器。通常采用像ADSl252这样的精密型△∑ADC来对该电压进行数字化处理。图7(b)为磁感应流量计原理示意图。

    3.11科里奥利(Coriolis)流量计
    科里奥利流量计由导管组成，利用低频功率驱动器使其产生振荡。流经导管的液体微粒因导管的机械振荡而发生偏离。这些偏离因微粒距离电源位置的远近不同而表现出不同的运动迹象。靠近电源的液体微粒被加速。处于机械传感器区域内的微粒被减速。在科里奥利流量计中，减速机械压力是由感应传感器系统来测定／检测的。非常低的合成电压由精密放大器加以放大，随后进行数字化处理。导管的基准振荡信号与所产生的感应传感器信号之间的相位差即表示管中流过的质量流量。图8为科里奥利(Coriolis)流量计组成示意图。

    由于被检测的电压非常低，因此在传感器前端中需要设置低噪声精密型放大器。为了对测量信号进行数字化处理，需要采用两通道精密ADC(△∑型)，这是因为两个通道之间的相位准确度会直接影响测量精度。

    3.12两种测量技术的区别
    磁感应系统只能用于测量流经导管的液体的速度。由于导管直径是已知量，因此可计算出流过的液体体积。液体电阻必须极小。非导电性液体是不能进行测量的。

    科里奥利技术实现了对流经导管的液体质量的实际测量。但这项技术的成本较高。

    3.2低成本方法的流量测定

    图9所示所示，在用超低功耗处理器MSP430实现流量测定中，由TPS7701调节器组成的低成本供电电源，其特点是：

    *对于全部的测定应用，超低功耗处理器MSP430所需电流<10mA，由电压调节器(LDO) TPS7701来实现,TPS7701来实现；
    *无需采用电源变压器来进行电源管理；
    *电容器抽头电源与LDO的简单耦合。

    3.3除此以外还有MSP430W427单芯片流量计采用的高精度方法

    4、电流测量
    电流是工业应用中最常见的物理参数测量值之一。目前常用的采用需要电隔离的△∑型调制器和精密型SAR ADC来进行的精密电流测量。另一种直接测量电流的方法是采用仪表放大器，它能够在共模电压高达60V的条件下直接进行分流测量。值此介绍可用于：汽车、电话和电脑中的分流测量;便携式和备用电源系统；电源管理和精密电流源及PWM电流