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CN204988565U - 一种电容式压力变送器 - Google Patents

一种电容式压力变送器 Download PDF

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焦爽民
罗军
方俊
邢成
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Abstract

本实用新型公开了一种电容式压力变送器,包括压力传感器、集成芯片和电流环路变换器;所述压力传感器与所述集成芯片连接;所述压力传感器受到压力后产生的与所述压力相对应的电容值传送到所述集成芯片;所述集成芯片转换成模拟电压信号后传送到所述电流环路变换器;所述电流环路变换器输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流。相比于现有技术需购买多个部件并将多个部件进行贴片的方式,本实用新型通过集成芯片节省了对各个零部件连接贴片的时间,缩短了生产周期,也大大节省了成本,提高了可靠性。

Description

一种电容式压力变送器
技术领域
本实用新型涉及压力变送器领域,尤其涉及一种电容式压力变送器。
背景技术
压力变送器作为一种工业上常用的电流环路变换器,广泛应用于水利水电、生产自控、电力等领域。电容式压力变送器因其测量精度高、稳定性好、测量量程较大而受到越来越多的应用。请参阅图1,其是现有电容式压力变送器的工作框图。现有单晶硅式压力变送器包括依次串接的压力传感器11、振荡电路12、滤波器13、模数转换器14、微处理器15、数模转换器16和电流环路变换器17。
将电容式压力变送器放置在工作环境中,接通电源,当电容式压力变送器的压力传感器11受到压力后,将产生与压力成正比的电容值并传送到所述振荡电路12;所述振荡电路12将电容值转换成模拟交流电压信号后传送到所述滤波器13;所述滤波器13对所述模拟交流电压信号进行滤波后转换成模拟直流电压信号并传送到所述模数转换器14;所述模数转换器将所述模拟直流电压信号转换成数字电压信号后传送到所述微处理器15;所述微处理器15对该数字电压信号进行线性处理后传送到所述数模转换器16;所述数模转换器16将该数字电压信号转换转成模拟电压信号后,通过所述电流环路变换器17输出电流;同时,在所述电流环路变换器16的输出端串联一电流采样电阻,在电流采样电阻上并联一万用表,读出该万用表的示值,并经过简单计算即可获得电流环路变换器17输出电流的大小。由于,所述压力传感器11受到的压力与电流环路变换器输出的电流是呈一定的线性关系的,通过对获得的电流环路变换器16的输出电流进行一定的计算,即可获得所述压力传感器11受到的压力大小。
但是,现有的电容式压力变送器的数模转换器、微处理器和模数转换器都是相互独立的部件,生产电容式压力变送器时,需要分别单独购买数模转换器、微处理器、模数转换器和电流环路变换器等各个部件,再将这各个单独的部件加工在电路板上。而数模转换器、微处理器、模数转换器和电流环路变换器这些部件的费用都是比较贵的,批量生产时,会增加生产成本。同时,购买的各个部件需要分别进行贴片,也会大大延长生产周期。另外,将各个单独的部件加工在电路板上时,由于各个电子部件的体积比较大,也会占用电路板大量面积面积,增加电路板制作成本。此外,采用振荡电路对传感器传送的电容值进行处理时,为降低系统功耗,无法提高振荡电路的振荡频率,而振荡电路的精度是与振荡频率相关的,这使得电容式压力变送器测得的数据精度不够高。
实用新型内容
本实用新型在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种节省成本、节省贴片时间、使用方便、低功耗高精度的电容式压力变送器。
本实用新型是通过以下技术方案实现的:一种电容式压力变送器包括压力传感器、集成芯片和电流环路变换器;所述压力传感器与所述集成芯片连接;所述压力传感器受到压力后产生与所述压力相对应的电容值并传送到所述集成芯片;所述集成芯片包括电容数字转换单元、数字信号处理器、随机存取存储器、脉冲宽度调制单元和总线扩展器;所述电容数字转换单元将输入的电容值转换为数字电压信号,并将该数字电压信号传送到所述数字信号处理器;所述数字信号处理器将该数字电压信号传送到所述随机存取存储器;所述脉冲宽度调制单元从所述随机存取存储器内提取所述数字电压信号,并转换为占空比与压力大小成正比的模拟脉冲宽度调制信号后传送到所述总线扩展器,由总线扩展器输出模拟电压信号到所述电流环路变换器;所述电流环路变换器输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流;所述电流环路变换器与外界电源电连接,所述电流环路变换器与所述集成芯片的电源输入端连接,由外界电源向所述电流环路变换器和所述集成芯片供电。
相比于现有技术,本实用新型通过对所述集成芯片进行简单的配置即可实现对压力传感器传送的电容值进行处理,并输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流,操作简单,使用方便;并且相比于现有技术需购买多个部件并将多个部件进行贴片的方式,本实用新型通过集成芯片节省了对各个零部件连接贴片的时间,缩短了生产周期,也大大节省了成本,提高了可靠性。进一步地,所述集成芯片采用超低功耗的设计,既使得电路总体功耗由现有技术的1mA减小到300uA左右,又使测量精度由现有技术的0.1%提高到0.05%,还将测量分辨率从现有技术的两万分之一提高到二十万分之一。
进一步地,还包括信号滤波单元,所述集成芯片输出的模拟电压信号通过该信号滤波单元的滤波后传送到所述电流环路变换器。
进一步地,所述集成芯片还包括电可擦可编程只读存储器;所述随机存取存储器通过所述总线扩展器与外界的PC上位机通信;外界的PC上位机通过所述总线扩展器从所述随机存取存储器内提取数字信号;外界的PC上位机根据该数字信号获得线性参数,并通过所述总线扩展器下载到所述电可擦可编程只读存储器;所述数字信号处理器从所述电可擦可编程只读存储器内读取线性参数;所述数字信号处理器根据该线性参数对从所述电容数字转换单元传送的数字电压信号进行转换后存储到所述随机存取存储器内
进一步地,所述集成芯片还包括配置寄存器和参数寄存器;所述配置寄存器与所述参数寄存器相互连接,且所述配置寄存器与所述电容数字转换单元连接,所述参数寄存器与所述随机存取存储器连接。
为了更好地理解和实施,下面结合附图详细说明本实用新型。
附图说明
图1是现有的电容式压力变送器的工作框图;
图2是本实用新型电容式压力变送器的工作框图;
图3是图2所示集成芯片23的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2,其是本实用新型电容式压力变送器的工作框图。该电容式压力变送器包括压力传感器21、第一接线端子22、集成芯片23、信号滤波单元24、电流环路变换器25、第一电源滤波单元26、稳压器27和第二电源滤波单元28和第二接线端子29。
所述压力传感器21通过第一接线端子22与所述集成芯片23连接;所述压力传感器21受到压力后产生与所述压力相对应的电容值,并通过所述第一接线端子22传送到所述集成芯片23。所述集成芯片23将该电容值转换成模拟电压信号后传送到所述信号滤波单元24;所述信号滤波单元24对该模拟电压信号进行滤波后传送到所述电流环路变换器25;所述电流环路变换器25输出与所述压力传感器21受到的压力值相对应的电流。所述电流环路变换器25通过第一电源滤波单元26与外界电源电连接,所述电流环路变换器25通过所述稳压器27和第二电源滤波单元28与所述集成芯片23的电源输入端连接,由外界电源向所述电流环路变换器25和所述集成芯片23供电。同时,在对所述电容式压力变送器进行标定时,所述集成芯片23通过所述第二接线端子29与外界的PC上位机连接;所述集成芯片23将信号传送到外界的PC上位机;外界的PC上位机根据信号获得线性参数后下载到所述集成芯片23内,所述集成芯片23再根据该线性参数输出模拟电压信号到所述信号滤波单元24,进而使所述电流环路变换器25输出与所述压力传感器21受到的压力值相对应的电流。
本实施例中,所述压力传感器21传送的电容值分别通过所述第一接线端子22的A端口和B端口与所述集成芯片23的信号输入端PC2和PC3连接。
请参阅图3,其是图2所示集成芯片23的结构示意图。所述集成芯片23包括电容数字转换单元(Capacitancedigitalconversion,简称CDC)、数字信号处理器(DigitalSignalProcessing,简称DSP)、随机存取存储器(Random-AccessMemory,简称RAM)、脉冲宽度调制单元(PulseWidthModulation,简称PWM)、总线扩展器(GeneralPurposeInputOutput,简称为GPIO)、电可擦可编程只读存储器(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory,简称EEPROM)、参数寄存器、配置寄存器、静态随机存取存储器(StaticRandomAccessMemory,简称SRAM)、一次性可编程存储器(OneTimeProgramable,以下简称OTP)、1.8V稳压单元和振荡电路模块。
从所述集成芯片23的信号输入端PC2和PC3输入的电容值传送到所述集成芯片23的电容数字转换单元;所述电容数字转换单元将输入的电容值进行多次平均计算后转换为数字电压信号,并将该数字电压信号传送到所述数字信号处理器;所述数字信号处理器对所述数字电压信号进行线性补偿后传送到所述随机存取存储器;所述脉冲宽度调制单元从所述随机存取存储器内提取所述数字电压信号,并转换输出占空比与压力大小成正比的模拟脉冲宽度调制信号,进而传送到所述总线扩展器,由总线扩展器的信号输出端SSN_PG0输出模拟电压信号到所述信号滤波单元24,由所述信号滤波单元24对该模拟电压信号进行滤波后传送到所述电流环路变换器25;所述电流环路变换器25将该模拟电源信号转换成模拟电流信号,并输出与所述压力传感器21所受压力相对应的电流。所述电流环路变换器25的电源输入端通过第一电源滤波单元26与外界电源电连接,所述电流环路变换器25通过所述稳压器27和第二电源滤波单元28与所述集成芯片23的电源输入端VDD33连接,由外界电源向所述电流环路变换器25和所述集成芯片23供电。所述电流环路变换器25的电源输入端同时也是信号输出端,在外界电源的正极与所述第一电源滤波单元26的连接电路之间和外界电源的负极与所述第一电源滤波单元26之间串接一电流采样电阻,再在电流采样电阻上并联一万用表,即可通过读出万用表的压力示值间接获得所述电流环路变换器25的输出电流值。
同时,对所述电容式压力变送器进行标定时,所述随机存取存储器通过所述总线扩展器的信号输入输出端口SCK_SCL和MOSI_SDA与外界的PC上位机通信,外界的PC上位机通过所述总线扩展器从所述随机存取存储器内提取存储的数字信号。外界的PC上位机根据该数字信号获得线性参数,并将线性参数通过所述总线扩展器的信号输入输出端口SCK_SCL和MOSI_SDA下载到所述电可擦可编程只读存储器;所述数字信号处理器再从所述电可擦可编程只读存储器内读取线性参数即可建立内部线性参数模型。所述数字信号处理器根据内部参数模型对从所述电容数字转换单元传送的数字电压信号进行处理后,存储到所述随机存取存储器内,并通过所述脉冲宽度调制单元转换成模拟电压信号,进而控制所述电流环路变换器25输出4~20mA电流信号。本实施例中,所述集成芯片内各部件与外界的PC上位机的通信方式为I2C通信。
所述配置寄存器与所述参数寄存器相互连接,且所述配置寄存器与所述电容数字转换单元连接,所述参数寄存器与所述随机存取存储器连接;外界的PC上位机通过所述总线扩展器配置所述参数寄存器的参数,进而配置设定所述电容数字转换单元对所述压力传感器21的信号输入端口;配置随机存取存储器的接口;配置所述振荡电路模块的时间信号。
所述静态随机存取存储器和所述一次性可编程存储器与所述数字信号处理器连接,并存储所述数字信号处理器的信息。
由于所述压力传感器21所处的工作温度对其所测得的压力有一定的影响,因此,为使测量的压力更加准确,所述集成芯片23还包括温度测量单元。所述温度测量单元与所述数字信号处理器连接。在所述集成芯片23的外部增加一温度传感器,将所述温度传感器设置在与压力传感器21共同的工作环境中,且将所述温度传感器信号输出端通过所述集成芯片23的信号输入端PT0和PT1与所述温度测量单元连接,即可获得压力传感器21实际工作环境的工作温度信号。所述数字信号处理器通过将实际获得的温度信号与压力信号进行线性补偿处理后再输出,即可使获得的电流值更加准确,进而使获得的压力值也更加精确。
所述1.8V稳压单元与所述参数寄存器、配置寄存器、随机存取存储器、数字信号处理器、静态随机存取存储器和一次性可编程存储器连接,并向所述参数寄存器、配置寄存器、随机存取存储器、数字信号处理器、静态随机存取存储器和一次性可编程存储器供电。
由于所述数字信号处理器工作是需要时钟信号同步的,所述振荡电路模块与所述数字信号处理器连接,并为所述数字信号处理器提供时钟信号。
所述信号滤波单元24包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2。所述第一电阻R1与所述集成芯片23串联,且其一端与所述集成芯片23连接,另一端与所述第二电阻R2连接。所述第二电阻R2与所述第一电阻R1串联,且其一端与所述第一电阻R1连接,另一端与所述电流环路变换器25的信号输入端连接。所述第一电容C1一端接于所述第一电阻R1和第二电阻R2之间,另一端接地。所述第二电容C2一端接于所述第二电阻R2与所述电流环路变换器25之间,另一端接地。
所述第一电源滤波单元26包括第一电感L1、第二电感L2、瞬变电压抑制二极管Q1、整流二极管Q2、第三电容C3和第四电容C4。所述第一电感L1一端与所述电流环路变换器25连接,另一端与外界电源正极端之间。所述第二电感L2一端与所述电流环路变换器25连接,另一端与外界电源负极端连接。所述瞬变电压抑制二极管Q1的一端连接在所述电流环路变换器25与外界电源正极端连接电路上,另一端连接所述电流环路变换器25与外界电源负极端连接电路上。所述整流二极管Q2与所述第一电感L1串联,且其一端与所述第一电感L1连接,另一端与所述电流环路变换器的输出端连接。所述第三电容C3和第四电容C4的一端均连接在所述电流环路变换器25与外界电源正极端连接电路上,另一端均连接在所述电流环路变换器25与外界电源负极端连接电路上。
所述第二电源滤波单元28包括第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9。所述第五电容C5和第六电容C6一端均与所述稳压器27连接,另一端均接地。所述第七电容C7、第八电容C8和第九电容C9一端均与所述集成芯片23的1.8V稳压单元连接,另一端均与所述集成芯片23的总线扩展单元的使能端IIC_EN连接。
为能从电容式压力变送器上直接读出压力示值,本实施例中,所述电容式压力变送器还包括液晶显示屏(图中未示)。所述液晶显示屏与所述集成芯片23的数字信号处理器连接。所述数字信号处理器根据电压与压力的线性关系,将电路中产生的电压信号直接转换成压力,并在液晶显示屏上显示。
为方便对电容式压力变送器进行参数设置,使得无需与上位机连接即可设置仪表参数,本实施例中,所述电容式压力变送器还包括按键模块(图中未示)。所述按键模块与所述集成芯片23的数字信号处理器连接,当需要设置仪表参数时,通过按键模块即可实现参数的设置。
进一步地,还包括用于与外界的PC上位机进行通信的转接端子(图中未示),所述转接端子与所述第二接线端子29连接。所述数字信号处理器输出的数字电压信号通过所述集成芯片23的SCK_SCL和MOSI_SDA输送管道所述第二接线端子29,所述第二接线端子29再将该数字电压信号传送到所述转接端子;由所述转接端子将信号转换成USB信号实现与外界的PC上位机通信。
进一步地,在外界电源的正极与所述第一电源滤波单元26之间和外界电源的负极与所述第一电源滤波单元26之间串接一电流采样电阻,再在电流采样电阻上并联一万用表,通过读出万用表的示值即可间接获得所述电流环路变换器的输出电流值,进而获得与电流对应的压力值。
以下详细说明所述电容式压力变送器的工作过程:将所述电容式压力变送器设置在工作环境中,所述压力传感器21受到压力后产生与压力值相对应的电容值,并从所述集成芯片23的信号输入端PG2和PG3输送到所述电容数字转换单元;所述电容数字转换单元对该两个电容值大小进行多次平均计算后获得数字电压信号,并将该数字电压信号传送到所述数字信号处理器;所述数字信号处理器对所述数字电压信号进行线性补偿后传送到所述随机存取存储器;所述脉冲宽度调制单元从所述随机存取存储器内提取所述数字电压信号,并转换输出占空比与压力大小成正比的模拟脉冲宽度调制信号,进而传送到所述总线扩展器,由总线扩展器的信号输出端口SSN_PG0输出模拟电压信号到所述电流环路变换器25;所述电流环路变换器25将该模拟脉冲宽度调制信号转换成模拟电流信号后,进而输出与所述压力传感器21所受压力相对应的电流。通过观察万用表即可获得与所述压力传感器21受到的压力值相对应的电压,再将该电压转换成电流并进行线性计算,即可获得所述压力传感器21受到的压力大小。同时,所述数字信号处理器根据内部参数模型也可将数字信号直接计算转换成压力值,在所述液晶显示屏上也可直接读出压力值。
对于新产的电容式压力变送器需要进行标定,本实施例中,以标定量程为0-40KPa压力的电容式压力变送器为例,采用能准确输出标准压力的标准压力源对电容式压力变送器进行标定。将标准压力源作用于所述压力传感器21,同时给所述电容式压力变送器供电,确定通信正常后,开始标定,通常标定点选择零、中、满三点。具体如下:
首先标定零点,即控制标准压力源输出I0KPa的压力,观察PC上位机采集到的电流值,待其稳定以后采集。接着标定中点,即控制标准压力源输出20KPa的压力,观察PC上位机采集到的电流值,待其稳定以后采集。然后标定满点,即控制标准压力源输出40KPa的压力,观察上位机采集到的电流值,待其稳定以后采集。在PC上位机上对采集到的电流值进行线性化计算,并将计算好的线性参数通过转接端子和第二接线端子29传送到所述集成芯片23,再通过所述总线扩展器将线性参数下载到集成芯片23的电可擦可编程只读存储器内,由数字信号处理器从电可擦可编程只读存储器内提取线性参数并建立内部参数模型,标定就完成了。
最后就是校验,重新控制标准压力源输出0-40KPa的压力,观察万用表上的输出电压是否准确,比如,控制标准压力源输出0KPa的压力,查看万用表上的输出电压值,并计算出电流值是否等于4mA;控制标准压力源输出20KPa的压力,查看万用表上的输出电压值,并计算出电流值是否等于12mA;控制标准压力源输出40KPa的压力,查看万用表上的输出电压值,并计算出电流值是否等于20mA。如果校验合格,即电容式压力变送器是合格的。
当需要修改参数时,只需要在外界的PC上位机进行修改,重载所述集成芯片23的DSP内部参数模型即可,操作简单,使用方便。
相比于现有技术,本实用新型通过对所述集成芯片进行简单的配置即可实现对压力传感器传送的电容值进行处理,并输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流,操作简单,使用方便;相比于现有技术需购买多个部件并将多个部件进行贴片的方式,本实用新型通过集成芯片节省了对各个零部件连接贴片的时间,缩短了生产周期,也大大节省了成本,提高了可靠性。进一步地,所述集成芯片采用超低功耗的设计,既使得电路总体功耗由现有技术的1mA减小到300uA左右,又使测量精度由现有技术的0.1%提高到0.05%,还将测量分辨率从现有技术的两万分之一提高到二十万分之一。
本实用新型并不局限于上述实施方式,如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围,倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内,则本实用新型也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种电容式压力变送器,其特征在于:包括压力传感器、集成芯片和电流环路变换器;所述压力传感器与所述集成芯片连接;所述压力传感器受到压力后产生与所述压力相对应的电容值并传送到所述集成芯片;所述集成芯片包括电容数字转换单元、数字信号处理器、随机存取存储器、脉冲宽度调制单元和总线扩展器;所述电容数字转换单元将输入的电容值转换为数字电压信号,并将该数字电压信号传送到所述数字信号处理器;所述数字信号处理器将该数字电压信号传送到所述随机存取存储器;所述脉冲宽度调制单元从所述随机存取存储器内提取所述数字电压信号,并转换为占空比与压力大小成正比的模拟脉冲宽度调制信号后传送到所述总线扩展器,由总线扩展器输出模拟电压信号到所述电流环路变换器;所述电流环路变换器输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流;所述电流环路变换器与外界电源电连接,所述电流环路变换器与所述集成芯片的电源输入端连接,由外界电源向所述电流环路变换器和所述集成芯片供电。
2.根据权利要求1所述的电容式压力变送器,其特征在于:还包括信号滤波单元,所述集成芯片输出的模拟电压信号通过该信号滤波单元的滤波后传送到所述电流环路变换器。
3.根据权利要求2所述的电容式压力变送器,其特征在于:所述集成芯片还包括电可擦可编程只读存储器;所述随机存取存储器通过所述总线扩展器与外界的PC上位机通信;外界的PC上位机通过所述总线扩展器从所述随机存取存储器内提取数字电压信号;外界的PC上位机根据该数字电压信号获得线性参数,并通过所述总线扩展器下载到所述电可擦可编程只读存储器;所述数字信号处理器从所述电可擦可编程只读存储器内读取线性参数;所述数字信号处理器根据该线性参数对从所述电容数字转换单元传送的数字电压信号进行转换后存储到所述随机存取存储器内。
4.根据权利要求3所述的电容式压力变送器,其特征在于:所述集成芯片还包括配置寄存器和参数寄存器;所述配置寄存器与所述参数寄存器相互连接,且所述配置寄存器与所述电容数字转换单元连接,所述参数寄存器与所述随机存取存储器连接。
5.根据权利要求4所述的电容式压力变送器,其特征在于:所述集成芯片还包括静态随机存取存储器和一次性可编程存储器;所述静态随机存取存储器和所述一次性可编程存储器与所述数字信号处理器连接,并存储所述数字信号处理器的信息。
6.根据权利要求5所述的电容式压力变送器,其特征在于:所述集成芯片还包括1.8V稳压单元;所述1.8V稳压单元与所述参数寄存器、配置寄存器、随机存取存储器、数字信号处理器、静态随机存取存储器和一次性可编程存储器连接,并向所述参数寄存器、配置寄存器、随机存取存储器、数字信号处理器、静态随机存取存储器和一次性可编程存储器供电。
7.根据权利要求6所述的电容式压力变送器,其特征在于:所述集成芯片还包括振荡电路模块,所述振荡电路模块与所述数字信号处理器连接,并为所述数字信号处理器提供时钟信号。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的电容式压力变送器,其特征在于:还包括第一电源滤波单元;所述电流环路变换器通过第一电源滤波单元与外界电源电连接。
9.根据权利要求8所述的电容式压力变送器,其特征在于:还包括稳压器和第二电源滤波单元;所述电流环路变换器通过所述稳压器和第二电源滤波单元与所述集成芯片的电源输入端连接。
10.根据权利要求9所述的电容式压力变送器,其特征在于:还包括第一接线端子;所述压力传感器通过第一接线端子与所述集成芯片连接。
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CN113188712A (zh) * 2021-05-26 2021-07-30 上海恩邦自动化仪表股份有限公司 一种电容式压力变送器

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