基于液位變送器輸出的變換

傳感器技術(shù)已日趨成熟，液位變送器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。雖然傳感器制造技術(shù)在飛速發(fā)展，但傳感器（敏感器件）輸出的信號(hào)還存在一些問(wèn)題,如溫漂問(wèn)題,各種傳感器都存在零點(diǎn)和靈敏度溫漂,必須減小漂移來(lái)滿足檢測(cè)和控制的精度要求；各種傳感器還都存在非線性問(wèn)題，因此需要對(duì)傳感器輸出的信號(hào)要進(jìn)行線性化；大部分傳感器的輸出信號(hào)都比較小，尤其是金屬膜傳感器輸出的信號(hào)更小，必須放大并使輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)變送器信號(hào)調(diào)理電路可以解決上述問(wèn)題。

在變送器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，常常會(huì)遇到所需的變送器的輸出與已有的變送器的輸出不同，或用戶已有的變送器的輸出不能滿足新的需求，這就需要改變變送器原來(lái)的輸出。為了滿足多種客戶的需求，就需有多種輸出的變送器。例如：作為二型表，標(biāo)準(zhǔn)輸出多為0～10mA, 或0～10V，而目前應(yīng)用的三型表，卻是4～20mA或1～5V的，它們之間如何變換，是我們必須解決的問(wèn)題。

1 變送器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

1.1 溫度漂移的處理

傳感器的溫度漂移可分為零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移。零點(diǎn)溫漂即傳感器不受壓時(shí)的輸出由溫度變化引起的漂移，在傳感器的應(yīng)用中，經(jīng)常用恒流供電，零點(diǎn)及其溫漂的補(bǔ)償方法可用電阻串并聯(lián)法，采用圖1所示的電路可有效的解決零點(diǎn)溫漂問(wèn)題。

恒流供電橋路的傳感器，其靈敏度溫度補(bǔ)償通常采用的電路如圖2所示。其中R的網(wǎng)路中Rt為溫度系數(shù)與靈敏度溫漂同向的熱敏電阻，Rs、Rp、Rz為溫度系數(shù)可忽略的電阻，用來(lái)調(diào)整Rt的溫度系數(shù)。經(jīng)上述零點(diǎn)和靈敏度的溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)即可視為在一定的溫度范圍內(nèi)與溫度變化無(wú)關(guān)。

1.2 放大及非線性的處理

任何力敏傳感器的非線性都有大小、正負(fù)之分，信號(hào)的處理和傳輸時(shí)要進(jìn)行線性化處理，使最后得到的信號(hào)與液位成線性關(guān)系。線性化電路就是根據(jù)非線性的大小和正負(fù)來(lái)設(shè)計(jì)的，線性化可以在信號(hào)處理的不同階段來(lái)進(jìn)行，有的在模擬信號(hào)階段進(jìn)行，有的在數(shù)字信號(hào)階段進(jìn)行。

在圖3的電路中，12腳與6腳連接后調(diào)整電阻R8，可以調(diào)節(jié)正非線性；12腳與1腳連接后調(diào)整電阻R8，可以調(diào)節(jié)負(fù)非線性。

對(duì)于一般應(yīng)用要求的精度（±0.5％FS0），在適當(dāng)?shù)牧砍谭秶鷥?nèi)，使用簡(jiǎn)單的正負(fù)反饋的修正就足夠了；小量程的傳感器應(yīng)用到大量程中，非線性會(huì)增大，有時(shí)用簡(jiǎn)單的正負(fù)反饋修正進(jìn)行線性化比較困難，最好使用數(shù)字線性化方法，也可以采用多點(diǎn)修正方法。

對(duì)于輸出信號(hào)很小，甚至只有幾mV的傳感器在制作4～20mA液位變送器時(shí)，可以使用性能優(yōu)良的儀表放大器，如INA118，對(duì)溫度補(bǔ)償、線性化、放大以及輸出全面考慮，設(shè)計(jì)出滿足需求的液位變送器電路。

也可以應(yīng)用變送器電路塊，如xTR106，這是美國(guó)BB公司的產(chǎn)品。具體電路如圖3所示，用該電路組裝的變送器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，各方面的性能都很好，其中用Wl調(diào)零點(diǎn)，W2調(diào)量程，R3調(diào)靈敏度溫漂，R8調(diào)線性。

2 變送器輸出的變換

2.1 4～20mA變換為0～5V

OP295為雙運(yùn)放電路，噪聲低，精度高，可輸入和輸出正負(fù)信號(hào)。單電源工作3～36V，低失調(diào)電壓300μV，高開(kāi)環(huán)增益1000V/mV，每個(gè)放大器的電源電流最大為150μA，輸出電流±18mA，工作溫度-40～125℃。是一種很好的放大器。

用OP295放大器構(gòu)成的4～20mA變換為0～5V的原理圖如圖4所示。其中R1為取樣電阻，W1和W2分別為調(diào)零位和滿位的電位器，二極管組用于共模調(diào)整，8V電壓可用LM317得到。該電路組裝調(diào)試便捷，精度高。

2.2 4～20mA變換為0～10mA

RCV420 是 BB公司的產(chǎn)品。它能將4～20mA變換為0～5V。它的電源電壓額定值為±15V，靜態(tài)電流為3mA，工作溫度范圍-55～125℃。雖然說(shuō)明書(shū)中給出的電源是雙電源，但也可以應(yīng)用于單電源0～24V的場(chǎng)合，這就十分方便，應(yīng)用時(shí)不加任何外部元件（見(jiàn)圖5）。

把4～20mA變換為0～10mA的電路如圖6所示。這個(gè)電路雖然比較復(fù)雜，但性能穩(wěn)定可靠。

設(shè)R1 上的壓降（取樣電壓）為Vi，經(jīng)推導(dǎo)可以得到流經(jīng)RL上的電流為I=（Vi-1）/R11 。很顯然，如果變送器在零位時(shí)輸出4mA，在250Ω的取樣電阻的壓降為1V，于是I=0。如果變送器輸出為20mA，Vi=5V，則I=（5-1） /R11，適當(dāng)選取R11，可得I=10mA。

2.3 雙4～20mA輸出

有時(shí)為應(yīng)用方便，一個(gè)變送器需用兩個(gè)或多個(gè)4～20mA輸出。圖7給出了在實(shí)際應(yīng)用中很成功的解決方法。

實(shí)際電路由OP295和9015PNP管構(gòu)成，調(diào)解R1使其輸出為4～20mA，就成了雙4～20mA輸出。這個(gè)電路輸出穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的液位傳感器的信號(hào)調(diào)理電路以及各種變送器的變換電路是作者實(shí)際工作的總結(jié)，用該方法設(shè)計(jì)的液位變送器，經(jīng)多年的實(shí)際應(yīng)用，證明用該設(shè)計(jì)方法制作的變送器性能優(yōu)良運(yùn)行可靠。