智能壓力傳感器與衡器及流量、電流測定是過程控制中很重要的傳感器(即一次儀表)，這是當(dāng)今在過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與發(fā)展中應(yīng)了解、掌握的新技術(shù)，這也是工業(yè)解決方案之一的內(nèi)容。應(yīng)該說用于過程控制中一次儀表還有智能溫度傳感器與線性電壓差分變壓器等，但值此本文僅將對其智能壓力傳感器、衡器與流量測定的性能與應(yīng)用作分析說明。

    1、智能壓力傳感器基本特征與信號調(diào)節(jié)器電路
    壓力傳感器將物理值(重量、輪胎壓力、電平、力和流量)轉(zhuǎn)換成差分信號(mV/V)，并被稱作金屬厚膜、陶瓷或壓敏電阻。大多數(shù)設(shè)計(jì)者都采用成本效益型25mbar-25ba的壓電傳感器。然而，這類傳感器的線性非常差、易受溫度的影響并且具有很大的失調(diào)和失調(diào)漂移。此外，它們還需考慮電子校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

    1.1智能壓力信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能
    方框圖1顯示出了壓力信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能方框圖。從圖1中看出通過微控制器可對傳感器的非線性偏差及受溫度影響造成之誤差進(jìn)行校準(zhǔn)和線性性處理,具體可分以下智能化功能：

    * 傳感器信號調(diào)節(jié)-執(zhí)行用于對溫度偏差和標(biāo)度進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償并對傳感器信號進(jìn)行線性化處理所需的全部功能。
    * 模擬/數(shù)字處理-傳感器信號的轉(zhuǎn)換和線性化處理方法有兩種。采用模擬技術(shù)獲得的是模擬解決方案，并提供模擬輸出。這種技術(shù)的特點(diǎn)是簡單和高速，但最高分辨率被限制在11位—16位。數(shù)字技術(shù)具有更高的精確度(分辨率高達(dá)24位)，并能夠提供中等速度的數(shù)字輸出。
    * PGA309橋式壓力非線性度校正的采用

    橋式激勵(lì)線性化電路PGA309是專為拋物線形的橋式壓力非線性度而優(yōu)化的，在圖2所示坐標(biāo)中，其拋物線形為未經(jīng)校正壓力非線性的全橋輸出，而直線為已用PGA309橋式激勵(lì)線性化電路對壓力非線性度校正并優(yōu)化的全橋輸出。該P(yáng)GA309線性化電路具有數(shù)字可編程性，其純模擬信號調(diào)節(jié)側(cè)的處理過程與TI的4-20mA發(fā)送器(比如XTRl05、XTRl06或XTRl08)是相同的。

    PGA309的核心是采用自動置零技術(shù)的精密、低漂移可編程增益儀表放大器，并包括可編程故障監(jiān)控器和過標(biāo)度/欠標(biāo)度限制器。它還提供了數(shù)字溫度補(bǔ)償電路。校準(zhǔn)是通過單線式數(shù)字串行接口或雙線式業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)連接來進(jìn)行的。

    校準(zhǔn)參數(shù)被存儲在外部非易失性存儲器EEPROM中，旨在取消手動修整并實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定性。評估模塊PGA309EVM包括軟件和校準(zhǔn)圖表，從而可使傳感器+PGA309組合提供簡易型評估。

    采用TSSOP—16封裝的高集成度、CMOS PGA309適用于橋式壓力傳感器，并與具有高靈活性和極低噪聲的放大器和儀表放大器(如、OPA335、OPA735等)組成解決方案產(chǎn)品庫。

    1.2與壓力傳感器可組合的信號調(diào)節(jié)器電路PGA309及ADC、運(yùn)算放大器

    1.21橋式激勵(lì)線性化電路-完整電壓輸出、可編程橋式傳感器信號調(diào)節(jié)器PGA309

點(diǎn)擊看原圖

    圖3為PGA309為功能方塊圖.現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的傳感器具有隨著溫度的變化而不斷變化的工作幅寬和失調(diào)誤差。此外，許多橋式壓力傳感器在施加壓力的情況下還會產(chǎn)生非線性輸出。傳感器調(diào)節(jié)器PGA309是低成本壓敏電阻或陶瓷薄膜等壓力傳感器的理想搭檔。其主要特點(diǎn)為：是比例制或絕對電壓輸出；通過單線式或雙線式接口來進(jìn)行數(shù)字式校準(zhǔn)并取消了電位計(jì)和修整；又是低且不會隨時(shí)間的推移發(fā)生波動的總調(diào)節(jié)誤差；其工作電壓為+2.7V至+5.5V；封裝型式：小外形TSSOP-16?；薖GA309應(yīng)用很為廣泛，除與橋式傳感器組合外還可用于4-20mA遠(yuǎn)程發(fā)送器、應(yīng)變表、負(fù)載表和衡器及汽車傳感器之中。

    1.22具有卓越AC和DC性能的24位、△∑型ADC (ADSl271)

    圖4為ADSl271為功能方塊圖ADSl271是具有高達(dá)105kSPS數(shù)據(jù)速率的24位、△型ADC。它提供了絕佳DC準(zhǔn)確度與超群AC性能的獨(dú)特組合。該高階、斬波器穩(wěn)定型調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了非常低的漂移和低帶內(nèi)噪聲。板載抽取濾波器可抑制調(diào)制器和信號帶外噪聲。ADSl271提供的可用信號帶寬高達(dá)奈奎斯特頻率的90％(紋波僅為0.005dB)。其主要特點(diǎn)：AC性能為109dB 信噪比( 52kSPS)，105dBTHD(總和諧失真)；DC準(zhǔn)確度為1.8mV/℃失調(diào)漂移；2ppm／℃增益漂移；高分辨率為109dBSNR(信噪比)；低功耗：40mW。

    1.23零漂移，低失調(diào)，單電源運(yùn)算放大器OPA334/OPA335

    圖5為OPA335為應(yīng)用圖。OPA334和OPA335 CMOS運(yùn)算放大器采用自動置零技術(shù)，以便在時(shí)間推移和溫度變化的情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)非常低的失調(diào)電壓和近零漂移。這些高精度放大器提供了高輸入阻抗和軌至軌輸出擺幅。其主要特點(diǎn)低失調(diào)電壓：5μV(******值)；零漂移：0.05μV/℃(******值)；靜態(tài)電流：285μA；封裝型式：SOT23-5、SOT23-6、SO-8、MSOP-10(雙通道)

    2、電子衡器
    電子衡器以某些形態(tài)或形式出現(xiàn)于許多工業(yè)應(yīng)用中，而在當(dāng)今的食品工業(yè)中更是無處不在。一直以來，電子衡器制造商都是采用專有ASIC來使其模擬前端的性能與最高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性相適應(yīng)。圖6(a)為智能衡器應(yīng)用示意圖,它描繪了一種采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品來提供高達(dá)25.4的有效位數(shù)(ENOB)或23位無噪聲位分辨率的方法。圖6(a)中的MSP430為16位超低功耗微控制器,內(nèi)含8KB快閃存儲器、256RAM和比較器及96分段LCD。

    *如何解決一大難題
    衡器設(shè)計(jì)中的一大難題是如何在維持極低的輸入相關(guān)噪聲(RTI)的同時(shí)對多個(gè)負(fù)載單元進(jìn)行采樣。ADSl256和ADSl232分別能夠以極低的成本來確保 的輸入相關(guān)噪聲(30nV是指輸入?yún)⒖荚肼?0nV)。其ADS1256為分辨力為24位,23位無噪聲高性能A/D轉(zhuǎn)換器,小型封裝用方便. 圖6(b)為解決用于智能衡器難題的ADSl256高性能特性曲線。

    另一個(gè)重要的因素是模擬電路在失調(diào)漂移和增益方面的長期穩(wěn)定性。這里，經(jīng)放大的輸入信號(不管是單端還是差分)的準(zhǔn)確度必須在數(shù)年的操作時(shí)間里得到保證。自動置零放大器(比如OPA335和INA326儀表放大器)通過實(shí)現(xiàn)0.05μV／℃(OPA335)和0.4μV／℃(1NA326)而滿足了這些嚴(yán)格的要求。

    作為一種易用型解決方案-MSCl210系列提供了完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)級芯片，其組成如下：

    *經(jīng)優(yōu)化的8051內(nèi)核(在同等功耗條件下的速度是標(biāo)準(zhǔn)版本的三倍);
    *具有22ENOB(有效位數(shù))和75nV／√Hz(RTl)的24位、A∑型ADC;
    *具有0-128增益級的PGA(可編程增益放大器);
    *2kB引導(dǎo)ROM和容量高達(dá)32kB的快閃存儲器;

    3、流量測定
    流量測量儀表和方法的種類繁多，分類方法也很多。至今為止，可供工業(yè)用的流量儀表種類達(dá)60種之多。按測量目的又可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計(jì)。

    電磁流量計(jì)是最流行、最廣泛的其中之一，它是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導(dǎo)電性液體的儀表。

    電磁流量計(jì)有一系列優(yōu)良特性，可以解決其它流量計(jì)不易應(yīng)用的問題，如臟污流、腐蝕流的測量。而值此將討論的是，從低成本流量測定到石油化工廠和制藥廠里常見的極高精度和快速流量測定，工業(yè)環(huán)境中對流量測量的應(yīng)用要求各不相同。值此,將對最常用技術(shù)的說明以及旨在克服流量測量障礙的各種解決方案。

    3.1電磁流量計(jì)
    磁感應(yīng)流量計(jì)由繞有磁性線圈的非鐵磁性導(dǎo)管組成。位于導(dǎo)管內(nèi)壁絕緣表層的電極與流過導(dǎo)管的液體(必須是導(dǎo)電的)保持接觸。圖7(a)為磁感應(yīng)流量計(jì)組成示意圖。

    環(huán)繞導(dǎo)管的線圈在導(dǎo)管內(nèi)部產(chǎn)生磁場。該磁場在液體中生成與管中液體流速成比例的感應(yīng)電壓。該電壓是通過電極來測量的。由于被測電壓非常低，因此需要在放大器前端選用諸如INAl03這樣的精密型低噪聲測量放大器。通常采用像ADSl252這樣的精密型△∑ADC來對該電壓進(jìn)行數(shù)字化處理。圖7(b)為磁感應(yīng)流量計(jì)原理示意圖。

    3.11科里奧利(Coriolis)流量計(jì)
    科里奧利流量計(jì)由導(dǎo)管組成，利用低頻功率驅(qū)動器使其產(chǎn)生振蕩。流經(jīng)導(dǎo)管的液體微粒因?qū)Ч艿臋C(jī)械振蕩而發(fā)生偏離。這些偏離因微粒距離電源位置的遠(yuǎn)近不同而表現(xiàn)出不同的運(yùn)動跡象?？拷?a >電源的液體微粒被加速。處于機(jī)械傳感器區(qū)域內(nèi)的微粒被減速。在科里奧利流量計(jì)中，減速機(jī)械壓力是由感應(yīng)傳感器系統(tǒng)來測定／檢測的。非常低的合成電壓由精密放大器加以放大，隨后進(jìn)行數(shù)字化處理。導(dǎo)管的基準(zhǔn)振蕩信號與所產(chǎn)生的感應(yīng)傳感器信號之間的相位差即表示管中流過的質(zhì)量流量。圖8為科里奧利(Coriolis)流量計(jì)組成示意圖。

    由于被檢測的電壓非常低，因此在傳感器前端中需要設(shè)置低噪聲精密型放大器。為了對測量信號進(jìn)行數(shù)字化處理，需要采用兩通道精密ADC(△∑型)，這是因?yàn)閮蓚€(gè)通道之間的相位準(zhǔn)確度會直接影響測量精度。

    3.12兩種測量技術(shù)的區(qū)別
    磁感應(yīng)系統(tǒng)只能用于測量流經(jīng)導(dǎo)管的液體的速度。由于導(dǎo)管直徑是已知量，因此可計(jì)算出流過的液體體積。液體電阻必須極小。非導(dǎo)電性液體是不能進(jìn)行測量的。

    科里奧利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對流經(jīng)導(dǎo)管的液體質(zhì)量的實(shí)際測量。但這項(xiàng)技術(shù)的成本較高。

    3.2低成本方法的流量測定

    圖9所示所示，在用超低功耗處理器MSP430實(shí)現(xiàn)流量測定中，由TPS7701調(diào)節(jié)器組成的低成本供電電源，其特點(diǎn)是：

    *對于全部的測定應(yīng)用，超低功耗處理器MSP430所需電流<10mA，由電壓調(diào)節(jié)器(LDO) TPS7701來實(shí)現(xiàn),TPS7701來實(shí)現(xiàn)；
    *無需采用電源變壓器來進(jìn)行電源管理；
    *電容器抽頭電源與LDO的簡單耦合。

    3.3除此以外還有MSP430W427單芯片流量計(jì)采用的高精度方法

    4、電流測量
    電流是工業(yè)應(yīng)用中最常見的物理參數(shù)測量值之一。目前常用的采用需要電隔離的△∑型調(diào)制器和精密型SAR ADC來進(jìn)行的精密電流測量。另一種直接測量電流的方法是采用儀表放大器，它能夠在共模電壓高達(dá)60V的條件下直接進(jìn)行分流測量。值此介紹可用于：汽車、電話和電腦中的分流測量;便攜式和備用電源系統(tǒng)；電源管理和精密電流源及PWM電流