study on new type of intelligente transducer
zuo qisu zhitongli yinghong
(north china university of technology)
abstract：a new type of transducer is introduced with the functions of signal transformation,data collection,analytical and digital output,and remote communication.the confguration and properties are described.it can be widely used in industrial measure and control systems to measure and transform voltage,current and other parameters with high reliability.
key words：converter，data collection，ddz，dcs▲
电动单元组合仪表ddz-ⅱ、ddz-ⅲ系列已使用多年，但在许多场合不能完全满足生产过程及工业控制现场的要求，多数变送器生产厂的产量和销售收入出现下滑趋势，其原因主要是ddz-ⅱ、ddz-ⅲ变送器功能单一，不便于同计算机接口，而且体积大，价格高，安装、调整、维修不方便等。因此迫切需要开发新产品来满足工业现场的需求，提高国产变送器的市场竞争能力。在充分考虑上述因素后，作者开发了一种智能型通用变送器，它是一种集量程调整、数据采集、数据通讯功能于一体的智能变送器，其主要特点是多输入、多输出、智能化、数字化，通用计算机接口及远距离通讯等。既有通用变送器的一般功能，还具有基地式测量仪表显示功能。
2.输入模块
输入模块包括各种传感器的阻抗变换，多路电子开关、选通控制电路，信号预处理电路。它完成不同性质、不同输入阻抗信号到统一直流信号的变换，主要有：
1)差动变压器位移输入单元 该输入单元可对差动变压器输出的交流信号进行预处理，完成变压器信号的差动整流、滤波，它消除了差动变压器零点残余电压的影响，改善了线性。系统测量范围取决于传感器灵敏度，不同灵敏的传感器由程控放大器实现量程调整。
2)直流电流输入单元 它是低阻输入回路，由0.1%的内置标准精密电阻实现电流到电压的信号变换。输入信号为4～20ma或0～10ma，兼顾单元组合仪表的信号制。
3)直流电压输入单元 该单元包括宽量程直流电压输入信号，电阻应变式测力传感器输入信号及热电偶测温3种信号的输入和相关的量程调整预处理电路。
系统选用高输入阻抗的集成运算放大器对具有不同幅值、不同内阻的被测信号进行阻抗变换和信号处理，由程序放大器处理成满足模数转换器要求的内部统一的信号。
直流信号范围为0～20mv，0～50mv，0～100mv，0～2v，0～5v。
应变式测力及应变式位移传感器为：单臂、双臂、四臂电桥电路。
热电偶：s型(0～1 600℃)，k型(0～1 100℃)，e型(0～600℃)。
根据热电偶测温原理：
e(t，0)=e(t，t0)+e(t0，0)
可知，在测温过程中，热电偶产生的热电势与工作端温度t和冷端温度t0有关，不同的被测温度t对应不同的热电势e(t，0)。当工作端温度不变而冷端温度发生变化时，同样可引起其输出热电势的变化，造成测量结果的不准确或控制设备的误动作等。热电偶冷端通常在零下十几度到零上几十度之间变化，很显然，如果不进行补偿将会引起严重的测量误差。传统测温系统中常用铜线绕制的电阻组成电桥(称冷端补偿器)对热电进行冷端温度补偿，其缺点是：热电偶的输入、输出为非线性关系，冷端补偿器的输入、输出是线性关系，因此它只能进行一点或某几个点的补偿，无法实现全量程范围的完全补偿；而且不同型号的热电偶要配不同的冷端补偿器，存在着型号匹配问题。在充分分析传统补偿方法的基础上，本文提出了一种新的冷端补偿方法——数字温度传感器补偿法。
美国达拉斯公司生产的ds1820数字传感器可以将温度的变化直接转化为数字信号输出，具有8位数据，1位符号的串行数据输出格式，特别适合于具有微处理器的智能仪器进行温度测量和温度补偿。与传统冷端补偿器相比较，它的使用非常方便，只需用ds1820将热电偶冷端温度测出，运行相应的软件即可实现冷端温度的完全补偿。
选用ds1620进行热电偶冷端温度补偿，优化了系统的硬件设计，节省了a/d转换通道，并可简化运算与转换过程，降低系统成本，提高了产品测量精度和可靠性。其最突出的优点还在于它不存在型号匹配问题以及可以实现冷端温度的完全补偿等。因此，该变送器具有较高的性能价格比。
对热电偶的非线性问题则由软件进行处理。
3.数据采集、输出及远程通讯
数据采集由单片微处理器及外围电路组成，包括a/d转换器、程序存储器、数据存储器、系统控制、采集、软件滤波等。由单片机协调各功能模块按设计的程序工作，完成对被测量的变换、数据处理、模拟及数字信号的输出、远程通讯等操作。
输出模块包括标准1～5v电压、4～20ma电流信号的输出及通用计算机接口。
通讯模块完成工业现场到控制室的数据传输，普通计算机通用的rs232信号标准只能实现近距离通讯，因此该装置采用了具有平衡传输功能的rs422信号标准，具有较强的抗共模干扰能力及负载能力。在波特率9 600bps时，通讯距离达1 200m，且允许在传输线上并联多个变送器，因此特别适合于组成多参数的测控系统。适当降低rs422的通讯波特率可以增加其传送距离，或接入中继模块进行更远距离的扩展来满足远程通讯的需要。
系统原理框图如图1所示。
图1 变送器原理框图
4.系统的抗干扰
工业生产过程复杂，环境恶劣，良好的抗干扰性能是保证变送器及测控系统正常运行的重要手段。条件允许时，各种测控仪表系统的电源应从低压配电站直接引入，以保证高质量的设备供电系统，对一般电网供电时，可在线路中加入磁饱和稳压器，交流净化电源等来改善电流质量。此外，还必须在元件铺设、信号接收、信号传输通道采取措施，抑制各种电磁干扰。本系统主要从以下几个方面进行考虑：
1)系统布局及退耦
放置元件时，尽可能将相关的元件放置在一起或附近，如振荡器、cpu、逻辑器件等，它们易产生相同的干扰，应将它们相互靠近，并在每个器件的电源和地线之间加入0.01μf的瓷片退耦电容。对于幅值较小的模拟信号要远离这些器件，并在电源引入处接入容量较大的电解电容(一般在100μf以上)，模拟板、数字板之间相对独立或分开，减小数字量与模拟量之间的相互干扰，提高设备的抗干扰能力。
2)系统地线的布置
系统中数字地、模拟地应相互独立，分别设置。本系统的工作频率较低，宜采用单点接地措施。系统的数字电路、模拟电路单独供电，各自的地线应从各自的电源引出，最后选取适当的位置进行连接，实现一点接地，消除了地电流的影响。
因信号线对模拟信号有一定的衰减作用，在模拟部分尽量选用较粗的信号线。
3)信号传输
在远距离传输时，选用双绞蔽层接地，以抑制各种杂散的电磁干扰和静电干扰；为减小分布电容的影响，应减小双绞线的节距来提高传输线的抗干扰能力。在干扰严重的场所，可用光电隔离器件将传输线进行浮置处理，提高系统的可靠性。另外，在组成系统进行远程通讯时，信号线、通信线的铺设要单独设置走线管或电缆桥架，避开动力线，特别是不能与动力线平行。必要时还可以在线路中加入线路滤波器进行滤波。
4)数字滤波
不同的工业现场环境干扰种类不同，一种硬件滤波电路很难解决各种干扰，因此，硬件滤波受到许多限制，如使用场合现场干扰种类的变化，元件的空间布置以及成本的限制等。而数字滤波则有其独特的优点，是一种灵活又经济的抗干扰方法。随着计算机运行速度的提高，在数字信号正式使用前，综合运用软件进行平均值、中值、滑动平均、3σ法、一阶递推数字滤波等方法会取得良好的抗干扰效果。同时软件滤波可使设备的成本下降，体积减小。
作者单位：左岐（北方工业大学 100041）
苏志同（北方工业大学 100041）
李颖宏（北方工业大学 100041）
参考文献：
［1］何立民.mcs-51系列单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1990，474～490
［2］王绍纯.自动检测技术.北京：冶金工业出版社，1995，65～72
［3］殷伟光.微机见空系统的抗干扰措施.微计算机信息，1998(5) |
