一種多通道壓力變送器校準

摘要：針對壓力變送器校準過程中輸出信號不統一導致的接線復雜、成本較高的問題，設計了一種信號轉換箱。該信號轉換箱通過六角開關的切換可將精密電阻與被檢壓力變送器串聯，進而將壓力變送器的輸出電流信號轉換為精密電阻兩端的電壓信號，實現壓力變送器輸出信號的統一。另外，設計一種多通道壓力變送器校準臺，可搭配使用實現多臺壓力變送器的同時校準。
0　引言
　　壓力測量儀器儀表按照工作原理可分為液體式壓力計、彈性式壓力計、活塞式壓力計、壓力變送器和數字式壓力計五大類。壓力變送器是通過某些轉換元件，將壓力變成電量來測量的壓力計，一般包括壓力變送器和壓力傳感器。
　　壓力變送器是一種將壓力信號轉換成氣動信號或電動信號來進行控制和遠傳的設備。它能感受壓力并將壓力信號轉變為可傳送的標準輸出電信號，如4~20mA電流信號或1~5V電壓信號。壓力變送器的校準通常利用數字壓力控制器作為壓力標準器，提供標準壓力值；利用直流電流表或直流電壓表作為電信號標準器。校準過程中，每臺壓力變送器必須配備相應的直流電流表或直流電壓表，多臺壓力變送器同時校準時連線復雜，成本巨大。針對這一問題，本文設計了一種信號轉換箱和多通道校準臺，該校準臺利用精密電阻將壓力變送器的輸出電流信號轉換為電壓信號；利用多通道數據采集器作為電信號標準器，可同時采集20路壓力變送器的輸出電壓信號值，降低了校準成本，提高了工作效率。
1　多通道壓力變送器校準系統
　　本文設計的多通道壓力變送器校準系統主要包括：數字壓力控制器、多通道數據采集器、自制信號轉換箱、直流電源、機械泵及分子泵組、多通道檢測臺、計算機和打印機。圖1為該系統的主要構成，圖中被檢壓力變送器為兩線制電流輸出，多個壓力變送器通過氣路與數字壓力控制器串聯，其輸出信號線通過信號轉換箱與供電電源和多通道數據采集器相連。

　　該校準系統的壓力標準器選用數字壓力控制器，數字壓力控制器精度等級為0.01級，量程可覆蓋真空~10MPa。電信號標準器部分，常用的數字多用表僅有一路電壓或者電流信號，因此，當同時校準多臺壓力變送器時，需要同時連接多臺數字多用表，連接線路復雜且成本較高。目前市場上多通道信號采集器多為電壓信號，相對于多通道電流采集器，多通道電壓采集器精度較高且穩定性較好，因此，本項目采用多通道電壓采集器作為電信號標準器，該采集器可同時采集20路電壓信號。
2　信號轉換箱
　　壓力變送器的供電電壓常為24VDC，常見的接線方式分為兩線制電流輸出、三線制電壓輸出和四線制電壓輸出，如圖2所示。

　　本文設計一多通道電流電壓轉換箱，可以利用精密電阻將壓力變送器的輸出信號統一為電壓信號，方便多通道數據采集器的采集與測量。圖3（a）為四通道電流電壓轉換箱外觀設計圖，圖3（b）為電阻箱內部接線圖。如圖3（b）所示，信號轉換箱內的每個電阻的一端均與六腳開關的一個公共端連接，另一端連接電源負極。該六腳開關的另一個公共端連接待校壓力變送器的信號輸出端，一個常閉端連接多通道數據采集器。該常閉端與一個常開端短接，另一個常開端與上述一個公共端短接。待校壓力變送器的電源正端與電源正極連接，圖3（a）四個插線孔分別對應六腳開關的另一個公共端、一個常閉端以及電源正極、電源負極。圖3（b）中的六腳開關的1、6端為公共端，2、5端為常閉端，3、4端為常開端。按下開關，該六腳開關的連線由原來的2-6端，1-5端連接變為1-3端，4-6端連接，也可以選擇其他類型的六腳開關。該電路中的電源可以有220V交流電通過整流模塊變為24V直流電，以為待校壓力變送器供電，也可以根據待校壓力變送器的電源類型進行選擇。這樣，通過六腳開關就可以實現與之相連的電阻接入或者斷開，測試人員可以根據與之相連的待校壓力變送器的輸出類型通過開關選擇是否接入電阻。接入電阻時，被檢壓力變送器的直流電流將被轉換為精密電阻兩端的輸出電壓。本文設計的信號轉換箱內電阻選擇0.01級，250Ω精密電阻。當壓力變送器的輸出信號為4~20mA時，串聯的精密電阻兩端的電壓應為1~5V。

3　多通道校準臺
　　為了實現多臺壓力變送器的同時校準，必須將這些儀器通過氣路同時連接至數字壓力控制器的TEST+端。本文設計一轉四的氣路支架，如圖4所示。支架可以單獨使用，也可以相連同時使用，中間設計截止閥門。將信號轉換箱設置在檢測平臺上，更加方便上門校準時攜帶。支架設置了輸出端口，多個支架相連可實現多臺變送器的同時校準。

4　實驗結果分析
　　本文設計的信號轉換箱如圖5所示，圖中被檢的壓力變送器為兩線制電流輸出，信號轉換箱表面的紅黑端口為電源端口，藍黃端口為信號端口，紅黑端口引線接到壓力變送器的電源正負端，藍黃端口引線接到數字多用表的相應信號端。如圖5（a）所示，當撥動開關處于電流檔時，藍黃端口連接至數字多用表的電流檔，輸出信號顯示為3.9840mA。圖5(b)中，撥動開關撥至電壓檔，此時被檢壓力變送器與精密電阻串聯，通過精密電阻的電流與被檢壓力變送器輸出電流相同，藍黃端口連接至數字多用表的電壓檔，此時理論輸出電壓應為（250Ω±250Ω×0.01%）×3.9840mA=0.9960V±0.0001V，圖5（b）中的數字多用表輸出信號顯示為0.9961V，在理論輸出電壓范圍內。一個多通道校準臺可實現四臺壓力變送器的同時校準，通過校準臺串聯，并將信號線一次接入多通道數據采集器，可實現更多壓力變送器的同時校準與數據采集。另外，該校準臺無需外接電源，使用方便，操作簡單，可大大提高壓力變送器的校準效率。

5　結語
　　本文針對壓力變送器輸出信號不統一導致的校準效率低下的問題，設計了一種可切換電阻電壓信號轉換箱，通過六腳開關，可選擇是否接入精密電阻，進而實現了電流輸出的壓力變送器信號轉換為精密電阻兩端的電壓信號。其次，通過設計多通道校準臺可方便實現多通道壓力變送器的同時校準，該裝置體積輕便，方便上門校準，可大幅度提高壓力變送器的校準效率。