压力变送器.

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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 信号变换综合设计信号变换综合设计 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 压力变送器设计压力变送器设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 测控测控 112112 学学 号：号： 110301038110301038 学生姓名：学生姓名： 王王 作作 洲洲 指导教师：指导教师： 杨杨 汇汇 军军 起止时间：起止时间： 2013.12.302013.12.302014.1.102014.1.10 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与

2、仪器 注：成绩：平时40% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算 学 号110301038学生姓名王作洲专业班级测控112 设计题目压力变送器设计 课程设计（论文）任务 设计任务：设计任务：目前压力变送器应用较为广泛，设计一款实用压力变送器，能够 准确的测量压力信号，进行放大滤波后，转换为 420mA 电流信号输出。可自行 选择一种压力传感器，同时根据传感器特点设计相应的信号处理电路。设计相应 电路，确定元件参数；进行电路仿真；或进行电路板焊接，电路板焊接后，利用 一只采样电阻取压，然后用万用表检测输出相应电压值即可。 技术要求技术要求: : 输入信号：选择压力传感器，信号放大至 05V

3、电压信号； 输出信号：420mA 电流信号；要求线性转换 环境温度：-30+40C； 传感器（敏感元件）：自行选择传感器类型，自己设计放大电路 说明书要求说明书要求: : 1.格式规范，符合学校要求； 2.说明书中应有方法比较与方案论证，光电测量原理（公式）及具体的实 现方案、电路器件型号、参数等；硬件电路应用 protel 绘制，并且进行电路板 焊接、调试；不能采用单片机设计。 3.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，字 数应在 4000 字以上。 进度计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。 （2 天） 2、选择压力传感器、设计硬件电路图。 （2 天

4、） 3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。 （3 天） 4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。 （2 天） 5、撰写、打印设计说明书、答辩。 （1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） II 摘 要 在工业控制领域压力是一个非常重要的参数。在许多场合压力传感器安装在测 试点附近，接收装置远距离控制，所以要求信号传输线数量少、损耗小、抗干扰能 力强。本设计完成一个输出 420mA 的压力变送器。 本设计采用压力变送器进行测量，能够准确的测量压力信号。传感器输出信号 经过放大滤波后，转换为 420mA 电流信号输出

5、。文中对传感器的输出的 0100mV 信号使用三运放高共模抑制比放大电路进行放大 50 倍，经过无限增益多 路反馈型二阶低通滤波器电路去除信号中的高频干扰，最后 V/I 转换电路将滤波后 的电信号进行 V/I 转换，用万用表测量输出电流 在性能方面，基本实现设计要求，能够将传感器输出的 0100mV 信号转化为 420mA 电流信号。器件简单，成本低廉，抗干扰能力强，对于干扰严重的工作区， 可以实现准确的测量。 关键词：压力；传感器；模拟电路；V/I 转换 本科生课程设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1国内外现状 .1 1.2变送器要求 .2 1.3本设计的技术指标 .2

6、 第 2 章 总体设计 3 2.1方案设计 .3 2.2压力变送器工作原理 .3 2.3压力测量方法 .4 第 3 章 电路设计 5 3.1压力传感器的选型 .5 3.2放大电路及参数计算 .5 3.3滤波电路及参数计算 .7 3.4V/I 转换电路图及其参数计算 8 第 4 章 设计仿真分析 .10 4.1仿真结果 10 4.2误差分析 13 第 5 章 课程设计总结 .14 参考文献 15 附录 16 附录 17 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1国内外现状 压力变送器是直接与被测介质相接触的现场仪表，常常在高温、低温、腐蚀、 振动、冲击等环境中工作。在石油、化工、电力、

7、钢铁、轻工等行业的压力测量 及现场控制中应用非常广泛。 压力变送器按测量机理来分，最常用的有电容式、电感式、扩散硅、振弦式 等。近几年来 ABB、YOKOGAVA 等公司又推出单晶硅谐振式和复合固态硅为测 量机理的新型变送器，其各方面性能进一步提高；按结构形式变送器将其分为模 拟式、智能式和数字智能式三代产品。上世纪 80 年代我国自行建设的水泥厂， 大多采用西安仪表厂引进的罗斯蒙特公司的 1151 系列变送器，除了用于测窑头 负压的 DR 型微差压变送器的精确度是 0.5%以外，其余大多是 0.25%，它的特点 是采用 4mA20mA 传输的模拟仪表，就地显示表头为指针式，量程比在 6：1

8、左右，稳定性为 6 个月，这是第一代模拟式变送器。 第二代产品是智能变送器，所谓智能的概念是：传感器和变送器是由微处理 器驱动，并且具有通信与自我诊断的能力。美国 Honeywell 公司在 1983 年最早推 出智能变送器 ST3000，1989 年又推出全数字双向协议的智能变送器，以后包括 罗斯蒙特在内的许多公司，也纷纷推出智能变送器。智能压力变送器除了有高精 确度（0.1%0.075%） ，大量程比（最大可到 100：1）和高稳定性（15 年）外， 它一般带有 HART 协议或本公司的协议，如 ABB 的 BaileyFSK，YOKOGAVA 的 BRAIN 协议，后期的产品还带有符合现

9、场总线国际标准的 FF 或 PROFIBUS- PA 协议，它就地显示表改为数字式，还可用手操器或在控制系统远程组态，实 现远方设定或远方修改变送器组态数据。近几年来我国新上马的新型干法水泥厂 几乎全采用了智能压力变送器，主要产品有：重庆横河川仪生产的 EJA 系列变送 器，EH 的 CerabarS 变送器，ABB 的 MV2000T，西门子 SITRANSP 以及罗斯蒙 特升级的 1151 和 3051C 变送器，有许多厂还选用了带有 FF 或 PROFIBUS-PA 协 议的智能压力变送器。 进入 21 世纪，第三代变送器数字智能式变送器又逐步进入我们的视野， 其代表性的产品是罗斯蒙特的

10、 3051S 变送器、ABB 的 2600T265 系列变送器、横 河的 EJX 变送器等。 本科生课程设计（论文） 2 1.2变送器要求 稳定性：传感器或变送器在规定的条件下储存、试验或使用，经历规定的时 间后，仍能保持原来特性参数的能力。 可靠性：传感器或变送器在规定的条件下和规定的时间内完成所需功能的能 力。 低噪声与抗干扰能力：在精密测量中，要精确测量参数的微小变化，这时传 感器输出信号的变化往往是很微小的。为了保证高的测量精度，必须要求电路具 有低噪声与抗干扰能力。 输入输出阻抗：电路系统对输入和输出阻抗的要求随采用传感器和控制器的 不同而有所不同 。 线性度：要求线性转换，非线性误

11、差低。 1.3本设计的技术指标 上限值：20mA（防爆：20mA 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯) 下限值：4mA（检测断线：正常工作时不会低于 4mA，当传输线因故障断路， 环路电流降为 0） 环境温度：-30+40 C 本科生课程设计（论文） 3 压力传感器 三运放高共模抑制比放大电路 二阶低通滤波电路 V/I 转换电路 420mA 电源 电流表 第 2 章 总体设计 2.1方案设计 在放大电路部分，可选择一运放同相放大电路,双运放高共模抑制比放大电 路，三运放高共模抑制比放大电路。由于运放不能达到理想运放的效果，所以选 择三运放能提高电路性能。 滤波部分，由于传感器输出信号为缓慢

12、变化的信号，所以在滤波器选择上应 选择低通滤波器。一阶滤波效果不佳，不能达到预期要求。所以应选用高阶滤波， 在考虑简单且性能达标等问题，选用二阶滤波可以提高滤波性能。 V/I 转换电路，对于变送器而言电流信号无需考虑寄生电动势的影响。 综上，列出整体框图，如图 2.1 所示。 图 2.1 总体框图 2.2压力变送器工作原理 压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信 号转变成 4-20mADC 信号输出。主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器， 陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。 本科生课程设计（论文） 4 介质压力直接作用于敏感膜片上，分布于敏感膜片上的电阻的惠斯

13、通电桥， 利用压阻效应实现了压力量向电信号的转换，通过电子线路将敏感元件产生的毫 伏信号放大为工业标准信号。压力变送器是工业应用中最为常用的一种传感器， 广泛应用于水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、 油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 2.3压力测量方法 电容式：当压力直接作用在测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量 膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为与压力成正比的高度线性、与激 励电压也成正比的电压信号，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准 的 4-2OmA 电流信号 扩散硅：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使 膜

14、片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线 路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 陶瓷：压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电 阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压 阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压 信号。 应变片式：电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的 敏感器件。它是压阻式应变变送器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的 是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属 箔状应变片两种。通常是将应变片通过特

15、殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变 基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的 阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。 本科生课程设计（论文） 5 第 3 章 电路设计 3.1压力传感器的选型 主型号/规格 PTS202（用于测量油井压力）如图 3.1 所示。 图 3.1 PTS202 压力传感器 主要技术参数 量 程： 01100（MPa） 综合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS （1MPA 以下精度最高 0.3%FS） 输出信号:：0100mV 输出阻抗：3.5K500 供电电压: 10DCV（612DCV） 介质温度：-40150 C 外 形：M101452 绝缘电阻：大于 2000M (100VDC) 密封等级： IP65 长期稳定性能： 0.1%FS/年 振动影响： 在机械振动频率 20Hz1000Hz 内，输出变化小于 0.1%FS 电气接口： 高温引出线 机械