基于HART協(xié)議智能壓力變送器的檢定方法

摘要:與常規(guī)壓力變送器相比,智能壓力變送器的功能和性能更具有優(yōu)勢。基于HART協(xié)議的智能壓力變送器，提出采用-套壓力控制器對其進(jìn)行檢定。實(shí)驗(yàn)證明:通過使用一套壓力控制器和上位機(jī)軟件,對其進(jìn)行自動調(diào)整和檢定,能對檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動計(jì)算,大幅度提升了檢定效率。
　　工業(yè)檢測與控制過程中，壓力變送器是一種常用的儀器,隨著自動化水平和監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展、DCS系統(tǒng)的應(yīng)用，,正逐漸向智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。與常規(guī)壓力變送器相比，智能壓力變送器的功能和性能更具有優(yōu)勢。眾多智能壓力變送器中,常用的基于HART協(xié)議的智能壓力變送器,在檢定時(shí)一般需使用兩套壓力控制器進(jìn)行調(diào)整和檢定。因此,提出使用一套壓力控制器對其進(jìn)行檢定的方法。
1智能壓力變送器原理及自動調(diào)節(jié)模式
1.1 HART通信協(xié)議概述
　　HART通信協(xié)議是在現(xiàn)場的智能儀器儀表的工業(yè)信號上,疊加數(shù)字信號,使傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容豐富,并保留模擬信號傳輸功能,與DCS系統(tǒng)相兼容,使信號在不中斷的情況下,實(shí)現(xiàn)模擬回路的同時(shí)通信，操作更方便。該協(xié)議模型結(jié)構(gòu)分為三層,即:(1)物理層對信號傳輸方式及介質(zhì)進(jìn)行規(guī)定,傳輸基于BELL202調(diào)制通信標(biāo)準(zhǔn)的FSK技術(shù),常用介質(zhì)為雙絞同軸電纜(2)數(shù)據(jù)鏈路層。用于保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸,分為MAC(對網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成和數(shù)據(jù)幀傳輸規(guī)則進(jìn)行規(guī)定)和LLC(對信息幀格式進(jìn)行規(guī)定)兩個(gè)子層。其中信息幀共分為請求幀、應(yīng)答幀和陣發(fā)幀,其格式如圖1所示。(3)應(yīng)用層。采用命令集的形式,使主站和從站之間進(jìn)行相互操作.
 
1.2智能壓力變送器的原理
　　基于HART協(xié)議的智能壓力變送器由機(jī)械、電路和微處理器等部件構(gòu)成,其中微處理器是對數(shù)據(jù)運(yùn)算， 如圖2所示,主要分為輸人模塊、轉(zhuǎn)換模塊和輸出模塊,且各模塊都能獨(dú)立進(jìn)行調(diào)整和測試。
 
(1)輸人模塊。智能壓力變送器對壓力進(jìn)行測量后，會根據(jù)廠家提供的數(shù)字表或根據(jù)某形式的方程式,將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,將過程變量數(shù)值輸出。
(2)轉(zhuǎn)換模塊。該模塊按照嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，將過程變量數(shù)值轉(zhuǎn)換為毫安。它是通過將智能壓力變送器的量程經(jīng)轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算得到。其中，輸出值為智能壓力變送器輸出回路的電流數(shù)值。
(3)輸出模塊。該模塊將轉(zhuǎn)換模塊的輸出電流數(shù)值,通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出(4 ~20)mA的模擬電流。該階段中,智能壓力變送器中的微處理器是通過內(nèi)部的校準(zhǔn)因素進(jìn)行校準(zhǔn)后,輸出正確的結(jié)果。
1.3智能壓力變送器的自動調(diào)整模式
　　傳統(tǒng)的智能壓力變送器調(diào)整方法,需連接電流表、手動操作器、電阻、壓力標(biāo)準(zhǔn)器等,步驟較復(fù)雜，且壓力標(biāo)準(zhǔn)器和手動操作器之間無法直接自動交互,需人工對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取后,再錄人數(shù)據(jù),工作效率較低,容易出現(xiàn)人為誤差。而基于HART協(xié)議的智能壓力變送器的自動調(diào)整模式,能從軟件上解決壓力標(biāo)準(zhǔn)器與手動操作器之間的功能自動交互，提高作效率。具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)不同生產(chǎn)廠家的智能壓力變送器的功能菜單位置不同,自動調(diào)整模式能統(tǒng)一-將檢定用指令全部提取,再進(jìn)行重新分類,并將指令放置于統(tǒng)一-的位置,使不同的智能壓力變送器的操作方式-致,操作更簡單,杜絕了產(chǎn)品不同時(shí)反復(fù)對操作功能進(jìn)行查找的問題。
(2)將不同生產(chǎn)廠家的智能壓力變送器的操作轉(zhuǎn)換為全中文的觸摸式操作，操作界面更加友好,操作更加便捷、高效,調(diào)整能一鍵實(shí)現(xiàn),使工作人員的操作維護(hù)更加快捷。
(3)壓力控制器的兼容性較好,可使用網(wǎng)絡(luò)對壓力控制器進(jìn)行升級,實(shí)現(xiàn)對各種常見和新出的基于HART協(xié)議智能壓力變送器的自動調(diào)整。
2基于HART協(xié)議智能壓力變送器的檢定工作
2.1檢定前的調(diào)整工作
(1)智能壓力變送器檢定前,需對輸人模塊和輸出模塊進(jìn)行調(diào)整。其中,輸人模塊壓力值的調(diào)整工作為傳感器調(diào)整;輸出模塊輸出數(shù)值的調(diào)整工作為電流輸出調(diào)整。調(diào)整時(shí),首先連接壓力控制器,然后進(jìn)人控制器界面，對該變送器進(jìn)行搜索,待搜索成功后,開始進(jìn)行調(diào)整。
(2)電流調(diào)整時(shí),需調(diào)整智能壓力變送器的電流輸出比例系數(shù),使電流輸出數(shù)值與實(shí)際輸出的環(huán)路電流相同。首先,進(jìn)入調(diào)整點(diǎn),自動設(shè)置該變送器的零點(diǎn)或滿度點(diǎn),當(dāng)環(huán)路電流測量值在(4 ~ 20) mA范圍內(nèi)時(shí),手動輸人或在界面按“獲取”鍵錄入測量值,然后按照錄人數(shù)值調(diào)整零點(diǎn)或滿度點(diǎn)。
(3)傳感器調(diào)整時(shí),需調(diào)整智能壓力變送器的壓力值,并與實(shí)際輸出的壓力值相同。調(diào)整壓力量程下限和上限時(shí),可通過調(diào)整點(diǎn)自動設(shè)置輸出壓力量程的上、下限壓力值,也可通過壓力控制器的輸出值窗口改變輸出壓力值7]。壓力測量值可手動輸入或在界面中按“獲取”鍵直接錄人,然后按照錄人數(shù)值調(diào)整壓力值。
(4)溫度補(bǔ)償時(shí),一般需進(jìn)行高、低溫補(bǔ)償操作。首先,進(jìn)行常溫時(shí)零位和滿量程的數(shù)據(jù)輸人,即先讀取常溫零位數(shù)據(jù)并輸入,再加壓至滿量程后,讀取常溫滿量程數(shù)據(jù)后錄入。同樣,將溫度升高或降低至所需高溫或低溫后,錄人高溫/低溫零位數(shù)據(jù)和滿量程數(shù)據(jù)[8]。然后,在界面中按“溫度補(bǔ)償"按鈕進(jìn)行智能壓力變送器的溫度補(bǔ)償。此外, HART功能診斷界面可對電流環(huán)進(jìn)行測試、壓力清零等工作。
2.2 檢定方法
　　將基于HART協(xié)議的智能壓力變送器調(diào)整后，按照檢定規(guī)程進(jìn)行檢定。(1)根據(jù)其量程進(jìn)行壓力標(biāo)準(zhǔn)模塊選擇,并安裝于壓力連接臺上,將輸出正極與壓力控制器的24V插孔連接,輸出負(fù)極與壓力控制器的電流測量插孔連接以]。(2)使用 上位機(jī)軟件建立檢定程序,錄人準(zhǔn)確度、測量范圍等參數(shù),通過控制指令,使其將壓力信號平穩(wěn)的輸出至各檢定點(diǎn),并對輸出的電流信號依次讀取記錄。(3)待壓力達(dá)到上限后,再降低，繼續(xù)反方向降低壓力信號并輸出至各檢定點(diǎn),讀取并記錄輸出的電流信號,直至壓力降至下限，完成檢定循環(huán)，智能壓力變送器檢定流程圖如圖3所示。
 
2.3檢定數(shù)據(jù)的處理
　　使用上位機(jī)軟件,計(jì)算基于HART協(xié)議智能壓力變送器的檢定數(shù)據(jù)，并自動生成檢定記錄和證書。智能壓力變送器檢定為例,準(zhǔn)確度等級0.1級,測量范圍(0~ 1. 6)MPa,檢定壓力控制器,準(zhǔn)確度等級0.02級,測量范圍(0~1.6)MPa。該軟件可自動記錄檢定數(shù)據(jù),并進(jìn)行示值誤差和回程誤差計(jì)算，標(biāo)識各超差點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對檢定結(jié)果的判定。三次檢定記錄如表1所示。
 
　　由表1可知,基本誤差最大允許值±0. 0l6mA;實(shí)際測量值-0.008mA;回差的最大允許值0.016mA;實(shí)際測量值0. 009mA ,檢定結(jié)果合格。
2.4檢定注意事項(xiàng)
　　隨著智能壓力變送器的準(zhǔn)確度級別提高,目前,最高準(zhǔn)確度已達(dá)0.05級,但操作過程中若出現(xiàn)錯(cuò)誤，則會使檢定結(jié)果超出誤差。因此,使用壓力控制器對精度高基于HART協(xié)議的智能壓力變送器進(jìn)行檢定時(shí),需要注意以下幾點(diǎn):
(1)壓力控制器的準(zhǔn)確度等級滿足檢定規(guī)程規(guī)定,且綜合不確定度滿足1/4或1/3檢定智能壓力變送器的要求。
(2)檢定時(shí),環(huán)境溫度對智能壓力變送器的檢定數(shù)據(jù)影響較大,需將被檢定的壓力變送器在滿足檢定溫度范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放置2h,待溫度達(dá)到平衡后,再進(jìn)行檢定。
(3)壓力控制器的各穩(wěn)定性指標(biāo)設(shè)置要求較高,如設(shè)置壓力穩(wěn)定的條件指標(biāo)為0.003% FS,控制較小的超調(diào)量對控壓速度調(diào)小時(shí),需使檢定時(shí)壓力上升和下降的過程平穩(wěn),并準(zhǔn)確記錄檢定數(shù)據(jù)。
(4)部分智能壓力變送器需進(jìn)行阻尼設(shè)置,且讀數(shù)前,需將其調(diào)整為零或待智能壓力變送器穩(wěn)定。
(5)體積較大的智能壓力變送器進(jìn)行檢定時(shí)，需增加壓力連接管，使標(biāo)準(zhǔn)器與檢定的智能壓力變送器的感壓點(diǎn)高度相等,若兩者不在同- -水平面,則需對液柱進(jìn)行修正[10]。修正時(shí),需注意修正值的正負(fù)情況,若修正錯(cuò)誤,則會形成更大的誤差。
3結(jié)語
　　綜上所述,基于HART協(xié)議智能壓力變送器的檢定方法,自動化程度更高,準(zhǔn)確度明顯提升。且該檢定方法只需使用一套壓力控制器進(jìn)行檢定,不僅滿足檢定規(guī)程的相關(guān)要求,而且能實(shí)現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)的自動記錄和處理,使檢定時(shí)間大大降低,是--種方便可行的用于周期性、大批量的智能壓力變送器的檢定方法。