一种多通道压力变送器校准

摘要：针对压力变送器校准过程中输出信号不统一导致的接线复杂、成本较高的问题，设计了一种信号转换箱。该信号转换箱通过六角开关的切换可将精密电阻与被检压力变送器串联，进而将压力变送器的输出电流信号转换为精密电阻两端的电压信号，实现压力变送器输出信号的统一。另外，设计一种多通道压力变送器校准台，可搭配使用实现多台压力变送器的同时校准。
0　引言
　　压力测量仪器仪表按照工作原理可分为液体式压力计、弹性式压力计、活塞式压力计、压力变送器和数字式压力计五大类。压力变送器是通过某些转换元件，将压力变成电量来测量的压力计，一般包括压力变送器和压力传感器。
　　压力变送器是一种将压力信号转换成气动信号或电动信号来进行控制和远传的设备。它能感受压力并将压力信号转变为可传送的标准输出电信号，如4~20mA电流信号或1~5V电压信号。压力变送器的校准通常利用数字压力控制器作为压力标准器，提供标准压力值；利用直流电流表或直流电压表作为电信号标准器。校准过程中，每台压力变送器必须配备相应的直流电流表或直流电压表，多台压力变送器同时校准时连线复杂，成本巨大。针对这一问题，本文设计了一种信号转换箱和多通道校准台，该校准台利用精密电阻将压力变送器的输出电流信号转换为电压信号；利用多通道数据采集器作为电信号标准器，可同时采集20路压力变送器的输出电压信号值，降低了校准成本，提高了工作效率。
1　多通道压力变送器校准系统
　　本文设计的多通道压力变送器校准系统主要包括：数字压力控制器、多通道数据采集器、自制信号转换箱、直流电源、机械泵及分子泵组、多通道检测台、计算机和打印机。图1为该系统的主要构成，图中被检压力变送器为两线制电流输出，多个压力变送器通过气路与数字压力控制器串联，其输出信号线通过信号转换箱与供电电源和多通道数据采集器相连。

　　该校准系统的压力标准器选用数字压力控制器，数字压力控制器精度等级为0.01级，量程可覆盖真空~10MPa。电信号标准器部分，常用的数字多用表仅有一路电压或者电流信号，因此，当同时校准多台压力变送器时，需要同时连接多台数字多用表，连接线路复杂且成本较高。目前市场上多通道信号采集器多为电压信号，相对于多通道电流采集器，多通道电压采集器精度较高且稳定性较好，因此，本项目采用多通道电压采集器作为电信号标准器，该采集器可同时采集20路电压信号。
2　信号转换箱
　　压力变送器的供电电压常为24VDC，常见的接线方式分为两线制电流输出、三线制电压输出和四线制电压输出，如图2所示。

　　本文设计一多通道电流电压转换箱，可以利用精密电阻将压力变送器的输出信号统一为电压信号，方便多通道数据采集器的采集与测量。图3（a）为四通道电流电压转换箱外观设计图，图3（b）为电阻箱内部接线图。如图3（b）所示，信号转换箱内的每个电阻的一端均与六脚开关的一个公共端连接，另一端连接电源负极。该六脚开关的另一个公共端连接待校压力变送器的信号输出端，一个常闭端连接多通道数据采集器。该常闭端与一个常开端短接，另一个常开端与上述一个公共端短接。待校压力变送器的电源正端与电源正极连接，图3（a）四个插线孔分别对应六脚开关的另一个公共端、一个常闭端以及电源正极、电源负极。图3（b）中的六脚开关的1、6端为公共端，2、5端为常闭端，3、4端为常开端。按下开关，该六脚开关的连线由原来的2-6端，1-5端连接变为1-3端，4-6端连接，也可以选择其他类型的六脚开关。该电路中的电源可以有220V交流电通过整流模块变为24V直流电，以为待校压力变送器供电，也可以根据待校压力变送器的电源类型进行选择。这样，通过六脚开关就可以实现与之相连的电阻接入或者断开，测试人员可以根据与之相连的待校压力变送器的输出类型通过开关选择是否接入电阻。接入电阻时，被检压力变送器的直流电流将被转换为精密电阻两端的输出电压。本文设计的信号转换箱内电阻选择0.01级，250Ω精密电阻。当压力变送器的输出信号为4~20mA时，串联的精密电阻两端的电压应为1~5V。

3　多通道校准台
　　为了实现多台压力变送器的同时校准，必须将这些仪器通过气路同时连接至数字压力控制器的TEST+端。本文设计一转四的气路支架，如图4所示。支架可以单独使用，也可以相连同时使用，中间设计截止阀门。将信号转换箱设置在检测平台上，更加方便上门校准时携带。支架设置了输出端口，多个支架相连可实现多台变送器的同时校准。

4　实验结果分析
　　本文设计的信号转换箱如图5所示，图中被检的压力变送器为两线制电流输出，信号转换箱表面的红黑端口为电源端口，蓝黄端口为信号端口，红黑端口引线接到压力变送器的电源正负端，蓝黄端口引线接到数字多用表的相应信号端。如图5（a）所示，当拨动开关处于电流档时，蓝黄端口连接至数字多用表的电流档，输出信号显示为3.9840mA。图5(b)中，拨动开关拨至电压档，此时被检压力变送器与精密电阻串联，通过精密电阻的电流与被检压力变送器输出电流相同，蓝黄端口连接至数字多用表的电压档，此时理论输出电压应为（250Ω±250Ω×0.01%）×3.9840mA=0.9960V±0.0001V，图5（b）中的数字多用表输出信号显示为0.9961V，在理论输出电压范围内。一个多通道校准台可实现四台压力变送器的同时校准，通过校准台串联，并将信号线一次接入多通道数据采集器，可实现更多压力变送器的同时校准与数据采集。另外，该校准台无需外接电源，使用方便，操作简单，可大大提高压力变送器的校准效率。

5　结语
　　本文针对压力变送器输出信号不统一导致的校准效率低下的问题，设计了一种可切换电阻电压信号转换箱，通过六脚开关，可选择是否接入精密电阻，进而实现了电流输出的压力变送器信号转换为精密电阻两端的电压信号。其次，通过设计多通道校准台可方便实现多通道压力变送器的同时校准，该装置体积轻便，方便上门校准，可大幅度提高压力变送器的校准效率。