基于HART协议智能压力变送器的检定方法

摘要:与常规压力变送器相比,智能压力变送器的功能和性能更具有优势。基于HART协议的智能压力变送器，提出采用-套压力控制器对其进行检定。实验证明:通过使用一套压力控制器和上位机软件,对其进行自动调整和检定,能对检测点的数据进行自动计算,大幅度提升了检定效率。
　　工业检测与控制过程中，压力变送器是一种常用的仪器,随着自动化水平和监控技术的发展、DCS系统的应用，,正逐渐向智能化和数字化方向发展。与常规压力变送器相比，智能压力变送器的功能和性能更具有优势。众多智能压力变送器中,常用的基于HART协议的智能压力变送器,在检定时一般需使用两套压力控制器进行调整和检定。因此,提出使用一套压力控制器对其进行检定的方法。
1智能压力变送器原理及自动调节模式
1.1 HART通信协议概述
　　HART通信协议是在现场的智能仪器仪表的工业信号上,叠加数字信号,使传输数据的内容丰富,并保留模拟信号传输功能,与DCS系统相兼容,使信号在不中断的情况下,实现模拟回路的同时通信，操作更方便。该协议模型结构分为三层,即:(1)物理层对信号传输方式及介质进行规定,传输基于BELL202调制通信标准的FSK技术,常用介质为双绞同轴电缆(2)数据链路层。用于保证数据的可靠传输,分为MAC(对网络构成和数据帧传输规则进行规定)和LLC(对信息帧格式进行规定)两个子层。其中信息帧共分为请求帧、应答帧和阵发帧,其格式如图1所示。(3)应用层。采用命令集的形式,使主站和从站之间进行相互操作.
 
1.2智能压力变送器的原理
　　基于HART协议的智能压力变送器由机械、电路和微处理器等部件构成,其中微处理器是对数据运算， 如图2所示,主要分为输人模块、转换模块和输出模块,且各模块都能独立进行调整和测试。
 
(1)输人模块。智能压力变送器对压力进行测量后，会根据厂家提供的数字表或根据某形式的方程式,将测量结果转化为数字信号,将过程变量数值输出。
(2)转换模块。该模块按照严格的数学关系，将过程变量数值转换为毫安。它是通过将智能压力变送器的量程经转换函数计算得到。其中，输出值为智能压力变送器输出回路的电流数值。
(3)输出模块。该模块将转换模块的输出电流数值,通过D/A转换器输出(4 ~20)mA的模拟电流。该阶段中,智能压力变送器中的微处理器是通过内部的校准因素进行校准后,输出正确的结果。
1.3智能压力变送器的自动调整模式
　　传统的智能压力变送器调整方法,需连接电流表、手动操作器、电阻、压力标准器等,步骤较复杂，且压力标准器和手动操作器之间无法直接自动交互,需人工对数据进行读取后,再录人数据,工作效率较低,容易出现人为误差。而基于HART协议的智能压力变送器的自动调整模式,能从软件上解决压力标准器与手动操作器之间的功能自动交互，提高作效率。具有以下优点:
(1)不同生产厂家的智能压力变送器的功能菜单位置不同,自动调整模式能统一-将检定用指令全部提取,再进行重新分类,并将指令放置于统一-的位置,使不同的智能压力变送器的操作方式-致,操作更简单,杜绝了产品不同时反复对操作功能进行查找的问题。
(2)将不同生产厂家的智能压力变送器的操作转换为全中文的触摸式操作，操作界面更加友好,操作更加便捷、高效,调整能一键实现,使工作人员的操作维护更加快捷。
(3)压力控制器的兼容性较好,可使用网络对压力控制器进行升级,实现对各种常见和新出的基于HART协议智能压力变送器的自动调整。
2基于HART协议智能压力变送器的检定工作
2.1检定前的调整工作
(1)智能压力变送器检定前,需对输人模块和输出模块进行调整。其中,输人模块压力值的调整工作为传感器调整;输出模块输出数值的调整工作为电流输出调整。调整时,首先连接压力控制器,然后进人控制器界面，对该变送器进行搜索,待搜索成功后,开始进行调整。
(2)电流调整时,需调整智能压力变送器的电流输出比例系数,使电流输出数值与实际输出的环路电流相同。首先,进入调整点,自动设置该变送器的零点或满度点,当环路电流测量值在(4 ~ 20) mA范围内时,手动输人或在界面按“获取”键录入测量值,然后按照录人数值调整零点或满度点。
(3)传感器调整时,需调整智能压力变送器的压力值,并与实际输出的压力值相同。调整压力量程下限和上限时,可通过调整点自动设置输出压力量程的上、下限压力值,也可通过压力控制器的输出值窗口改变输出压力值7]。压力测量值可手动输入或在界面中按“获取”键直接录人,然后按照录人数值调整压力值。
(4)温度补偿时,一般需进行高、低温补偿操作。首先,进行常温时零位和满量程的数据输人,即先读取常温零位数据并输入,再加压至满量程后,读取常温满量程数据后录入。同样,将温度升高或降低至所需高温或低温后,录人高温/低温零位数据和满量程数据[8]。然后,在界面中按“温度补偿"按钮进行智能压力变送器的温度补偿。此外, HART功能诊断界面可对电流环进行测试、压力清零等工作。
2.2 检定方法
　　将基于HART协议的智能压力变送器调整后，按照检定规程进行检定。(1)根据其量程进行压力标准模块选择,并安装于压力连接台上,将输出正极与压力控制器的24V插孔连接,输出负极与压力控制器的电流测量插孔连接以]。(2)使用 上位机软件建立检定程序,录人准确度、测量范围等参数,通过控制指令,使其将压力信号平稳的输出至各检定点,并对输出的电流信号依次读取记录。(3)待压力达到上限后,再降低，继续反方向降低压力信号并输出至各检定点,读取并记录输出的电流信号,直至压力降至下限，完成检定循环，智能压力变送器检定流程图如图3所示。
 
2.3检定数据的处理
　　使用上位机软件,计算基于HART协议智能压力变送器的检定数据，并自动生成检定记录和证书。智能压力变送器检定为例,准确度等级0.1级,测量范围(0~ 1. 6)MPa,检定压力控制器,准确度等级0.02级,测量范围(0~1.6)MPa。该软件可自动记录检定数据,并进行示值误差和回程误差计算，标识各超差点，实现对检定结果的判定。三次检定记录如表1所示。
 
　　由表1可知,基本误差最大允许值±0. 0l6mA;实际测量值-0.008mA;回差的最大允许值0.016mA;实际测量值0. 009mA ,检定结果合格。
2.4检定注意事项
　　随着智能压力变送器的准确度级别提高,目前,最高准确度已达0.05级,但操作过程中若出现错误，则会使检定结果超出误差。因此,使用压力控制器对精度高基于HART协议的智能压力变送器进行检定时,需要注意以下几点:
(1)压力控制器的准确度等级满足检定规程规定,且综合不确定度满足1/4或1/3检定智能压力变送器的要求。
(2)检定时,环境温度对智能压力变送器的检定数据影响较大,需将被检定的压力变送器在满足检定温度范围内的实验室内放置2h,待温度达到平衡后,再进行检定。
(3)压力控制器的各稳定性指标设置要求较高,如设置压力稳定的条件指标为0.003% FS,控制较小的超调量对控压速度调小时,需使检定时压力上升和下降的过程平稳,并准确记录检定数据。
(4)部分智能压力变送器需进行阻尼设置,且读数前,需将其调整为零或待智能压力变送器稳定。
(5)体积较大的智能压力变送器进行检定时，需增加压力连接管，使标准器与检定的智能压力变送器的感压点高度相等,若两者不在同- -水平面,则需对液柱进行修正[10]。修正时,需注意修正值的正负情况,若修正错误,则会形成更大的误差。
3结语
　　综上所述,基于HART协议智能压力变送器的检定方法,自动化程度更高,准确度明显提升。且该检定方法只需使用一套压力控制器进行检定,不仅满足检定规程的相关要求,而且能实现检定数据的自动记录和处理,使检定时间大大降低,是--种方便可行的用于周期性、大批量的智能压力变送器的检定方法。