差压变送器补偿技术

摘要：分析了智能差压变送器非线性特点以及非线性补偿技术。通过引入HART(可寻址远程传感器数据公路)总线通信技术，采用自定义专有命令实现差压变送器的曲线拟合补偿。
HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)，可寻址远程传感器高速公路的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。由于兼容传统4-20mA模拟系统的HART通信协议具有诸多优点，目前已被世界上三分之二以上的现场设备所采用，成为智能工业控制领域事实上的国际标准。
随着差压变送器走向智能化，计算机技术和误差补偿技术的结合使得在智能差压变送器中应用软件补偿成为可能。采用HART通讯技术实现对智能差压变送器的非线性的补偿将大大提高变送器的采集精度，本文通过对电容式差压变送器的非线性特性共性的分析，并且采用合理的拟合曲线实现了通过HART对变送器的非线性补偿。
一、电容式差压变送器和HART技术(CapacitanceDifferentialPressureTransmitterandHARTTechnology)
差压变送器是用来检测生产过程运行中流体的流量、差压、压力、液位、密度等参数的现场仪表，是连续生产过程自动化中过程检测和控制系统的重要组成部分。其作用是将差压等被测工艺参数转换成相应的电气统一标准信号，然后将此信号送至其他单元以实现对上述工艺参数的自动检测或自动调节。差压变送器是两线制仪表，供电以及信号传输采用同两根导线，通讯技术多采用HART通讯方式。
电容式差压变送器的补偿方法涉及非线性补偿、温度补偿等，本文只对非线性补偿进行论述。
1．变送器非线性特性(NonlinearityFeatureofTransducer)
通过对多台电容式差压变送器的试验数据分析，由于量程宽，采集AD变化范围大，输入输出特性曲线近似一条平滑的直线，很难发现非线性变化规律。
图1是对两台电容式差压变送器的试验数据的分析，在变送器量程范围内等分取11个压力，上下行程采集21个数字量，并分析相邻两个采样AD之间差值的变化规律，采用分析差值变化规律的方法有助于我们更好地分析变送器的非线性特性。可以看出，每台变送器的回差非常小，并且通过多次测量，重复性很好。两台变送器的差值非线性曲线基本符合抛物线的变化规律，这为我们采用合理的拟合曲线打好了理论基础。

  

2．HART技术(HARTTechnology)
HART协议采用基于BeH202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0．5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输速率为1．2Mbps。由于采用标准的可以从模拟信号中去除的过滤技术，数字信号并不会影响模拟量信号的读数。并且由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。
HART协议参考ISO／OSI(开放系统互连模型)，采用了它的简化三层模型结构，即层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。
层：物理层。规定了信号的传输方法、传输介质，为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰，HART协议采用频移键控技术，即在4-20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Bel1202国际标准，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，信号幅值0．5mA，如图2所示。 

 

通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时，大传输距离可达到1500m。线路阻抗应在230-1100Q之间。
第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。
现场仪表要执行HART指令，操作数必须合乎的大小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定，
所以HART数据的长度也是不一样的。
第七层：应用层。为HART命令集，用于实现HART指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和命令。
在HART协议通信中，主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。
二、通过HART实现的补偿(CompensationBasedonHART)
1．非线性补偿技术(NonlinearCompensationTechnology)
设计仪表时，希望得到线性的输入输出关系，实际上，很多变量与测量转换所获得的电信号都呈现非线性关系。传统模拟差压变送器采用硬件进行线性补偿，通过增加线性补偿的振荡控制放大电路，达到消除杂散电容引起的非线性误差的目的。这种硬件补偿措施的缺陷在于只适用于简单的非线性情况，同时硬件电路的引人增加了仪表成本，降低了可靠性。
单片机等微处理器在仪器仪表中的应用，使得通过软件进行补偿变得非常方便。软件补偿方法之于硬件补偿具有更大的灵活性、适用性，并能充分发挥微处理器的运算、判断与记忆功能，也能充分利用误差补偿理论的新研究成果。因此，智能差压变送器发展方向是采用软件方法实现误差补偿。软件进行非线性补偿的方法很多，有分段拟合法、查表法和曲线拟合等几种常用方法。在分段拟合法里，数据假定是正确的，要求以某种方法描述数据之间所发生的情况，很难反应复杂的非线性特性；查表法是预先将一系列参数装入一个参数表内，获得测量数据后，根据相应的参数进行处理。查表法需要占用很大的存储空间，不适用于单片机系统，并且误差较大；曲线拟合方法就是设法找出某条光滑曲线，它是佳的拟合数据，但不必要经过任何数据点，拟合函数幂次越高，逼近的精度也就越高，但是计算量也就越大。
本文中通过对对曲线拟合算法的改进和灵活运用实现了差压变送器的非线性补偿。
2．曲线拟合补偿(CurveFittingCompensation)
在满足给定精度的前提下，取有限项：

 非线性曲线拟合技术算法思路如下。
(1)对传感器进行静态试验，得到足够多组数据：Po，Uo;P1，U1；...Pn，Un;...PmUm。
(2)通过曲线拟合法确定式中系数a0a1，a2...an，使P在给定点U1(i=0.1...m)与实测值Pi的误差在精度允许范围内。
(3)在以后采集数据时，每采入一个U值，就由单片机按式算出一个P值，作为输入差压的真值，供进一步分析。
曲线拟合常用的方法是Ib--乘法，其原理是给定一组电压值Uo

 

为了求取对应电压U的输入被测值P，每次只需将采样值u代人上式中进行四次(b+ai)U的循环运算，再加上常数ao即可。
在实际测量中人们往往需要寻找一个较简单的函数形式去拟合实验曲线。对于差压变送器电容传感器的非线性特征，在整个量程范围内取两个或三个采样点很难满足精度的要求，而多个采样点又对参数的计算带来了很大的难度。这里我们采用的解决方案是，对差压变送器的量程内取9个采样点，每3个采样点为一组，临界点分属于两个组，这样我们就得到了四个曲线方程。

 

通过我们对电容式差压变送器的非线性分析，可以看出它的差值非线性基本满足抛物线特性，那么在求解上述四个方程系数时，可以将上述四个公式改写为抛物线的特征方程式，这样便于系数的求解，求得的四组方程的参数均存储在数据存储区中，在采集到当前电压值后首先确定电压范围，进而带入相应的方程中进行求解。对于差压变送器而言，一个小的量程段，通过三点曲线拟合足以满足精度要求。
在实际的应用的，可以根据差压变送器工作量程范围非均匀地取9个采样点。
3.HART服务器对非线性补偿的实现(HARTServerRealizeNonlinearCompensation)
服务器(计算机)通过编写的HART组态软件实现对基于HART协议智能差压变送器的和组态，非线性补偿界面如图3所示。 

将服务器与差压变送器进行有效连接，对变送器施加不同的差压，通过点击“采集”按钮，发送指令给变送器，并接收回传压力A/D值。服务器组态软件实现将采集到的9个采样值分组，并通过算法求解每个曲线拟合方程的系数，后通过“传送数据”将所有的参数发送给变送器进行存储，同时发送复位指令使变送器进入正常工作状态。
图3中的压力值一项，当没有数据输入的情况下，默认为外界所施加的压力为量程的等分点，否则应该按照具体施加压力的大小输入压力值。点击“采集”按钮，除了发送指令请求压力A/D值外，还要读取变送器的量程、单位、编号等信息，以便于对接受的采样值进行分析和对曲线拟合方程进行求解。按照HART协议数据链路层和应用层的规定，点击“采集”按钮服务器具体执行的操作如表1所示。

 

通过#00、#A1、#A5、#95(个为通用命令，后三个命令是自定义的专有命令)四个命令的使用，实现了对当前A/D值、量程等参数的读取。对于“传送数据”等操作不再进行过多的论述。
三结束语
智能差压变送器克服了模拟仪表的诸多不足，从精度上提升一个数量级，而通过HART协议的引入，使得不管是出厂前的还是现场的维护都变得更加方便。在实现基本HART通讯的基础上，要更加关注如何增加变送器的功能和易操作性，如何将有效的数学算法融合到仪表当中，以实现更加完善的性能。本文通过曲线拟合技术以及HART技术有机结合，实现了变送器的高精度和性能，克服了曲线拟合方法中精度和计算量难以取合的问题。