一种便携式高精度气体差压分析仪的设计

黄 正， 李 军，郭继红，何 进，李 昆

（眉山麦克在线设备股份有限公司，四川 眉山 620000）

0 引言

差压传感器是一种用来测量两个不同压力之间差值的传感器[1]，经常被应用于液体高低测量、泄漏测量、密封性检测、微流量测量、气体流量测量等。现今，市面上常见的差压传感器主要有压阻式与电容式两种[2]。压阻式相较于电容式差压传感器，其结构简单，应用电路设计简单，现场测量数据更为牢靠。因而，本文设计选择霍尼韦尔公司生产制造的HSC系列的压阻式硅压力传感器。HSC系列具有0℃～50℃温度补偿功能，减少了温度对压阻式差压传感器的影响；同时HSC系列传感器使用板载专用集成电路，能够实现对传感器偏移、灵敏性、非线性的校准，最终能够使差压测量结果可靠性更高，一致性更好。从而，使气体差压分析仪测量数据能够更好地指导和反馈石油、化工、锅炉控制、冶金等行业生产运行过程。

1 系统硬件设计方案

气体差压分析仪系统工作框图如图1。系统主要由STM32微处理器主控单元、气体差压传感器模块、485通信模块、串口触摸显示屏模块、ADC采集模块，以及系统电源模块等组成。差压传感器通过前端压力采集探头采集到某一设备或部件的当前差压值后，差压传感器根据获取到的差压值大小输出0V～5V的模拟信号量，经过运放跟随电路将模拟信号输入到CS1237信号采集引脚进行采集。STM32单片机内部使用定时器的方式，控制CS1237芯片每隔1s进行1次采样。单片机将ADC采集到的数字电压量通过差压传感器的电压值与压力值两者之间对应的线性计算公式，得到当前差压传感器的压力值，并将压力值写入到Modbus协议寄存器中，经两路485芯片输出（单片机为从站）。串口屏作为Modbus协议的主站，以每间隔1s的时间对单片机输出的一路485协议进行访问读取数据，并将数据显示在屏幕指定位置上；另一路485协议预留给用户观察、读取、储存压力数据，或者将压力数据传输到关联设备，实现远程监控与报警处理。

图1 系统工作框图Fig.1 System working block diagram

1.1 主控电路

在此次设计中，综合考虑到所用芯片通信接口兼容性，主控电路的控制芯片使用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6型单片机。该款单片机采用32位的Cortex-M3内核，CPU最高速度达72MHz，多种控制外设，并且具有集成度高，可靠性好，指令系统丰富，价格便宜等特点。

本文中气体差压分析仪的主控电路主要围绕STM32F103C8T6的最小工作系统展开设计。主控电路由3.3V电源电路、系统复位电路、程序下载电路、高速和低速时钟电路等构成，具体如图2。3.3V的电源电路使用德州仪器生产的低噪声低压降稳压芯片LP2985A-33DBVR。该芯片允许最大输入电压16V，满载输出时压降为280mV，输出噪声30μVRMS，并且具有过流和热保护，能够将5V的直流电源转换输出为噪声低且稳定性好的3.3V单片机工作电压。

图2 单片机核心主要系统电路Fig.2 Main system circuits of single chip microcomputer core

C5、C6、C7、C8用于稳定电源，减少外部负载波动给单片机电源带来的影响。STM32单片机工作时钟电路使用外部8MHz高速晶振[3]，给单片机工作系统提供高速且稳定的频率信号。系统复位电路采用单点轻触按键开关设计，单片机的复位采用低电平触发的方式。电容C4应用于复位电路中，主要能够延缓上电时电平变化，为上电系统复位提供足够的时间。STM32单片机具有多种下载方式，对芯片程序进行下载与更新，使用SWD下载方式比JLINK下载方式所需引脚更少，同时相较于串口下载，具有在线仿真优势。

1.2 气体差压传感器

霍尼韦尔高精度硅陶瓷（HSC）系列压阻式硅压力传感器具有模拟输出或数字输出两种信号输出方式，从而在指定满量程压力和温度范围内读出压力。该系列传感器采用霍尼韦尔专有技术，将高灵敏度与过压和爆破压力相结合，使该系列传感器具有高稳定性，高爆破压力，高工作压力范围。同时，该系列还具有如下性能：

1）工作时采用3.3Vdc或5.0Vdc的单电源供电。

2）带有0℃～50℃的温度补偿算法，能够在0℃～50℃实际测量工况下，保证传感器测量值的真实性，提高系统精度。

3）测量精度能够达到±0.25% FSS BFSL，减少修正系统误差所需算法与时间，提高设计效率。

4）允许传感器在经校准的压力范围上，持续稳定地工作，减少潜在的停机时间。

5）模块化的灵活设计，搭配多种封装类型、压力端口和可选配件，简化了集成设备制造工作。

6）多种压力范围，即±1.6mbar ～±10bar，±160Pa ～±1MPa，±0.5inH2O～150psi等3种压力范围，可应用于多种场合。

7）HSC系列传感器经过完全校准和温度补偿的压力输出值，更新频率接近1KHz（模拟输出）和2KHz（数字输出）。

综上所述优点，结合实际应用现场工况，本文选用了HSCSANN2.5KDAA5型差压传感器。该型号差压传感器测量压力范围为±2.5KPa，采用5V单电源供电，输出信号为0V～5V模拟信号。其输出压力值与电压值对应关系为-2.5KPa～0KPa；对应输出模拟电压值为0V～2.5V；0KPa～2.5KPa对应输出模拟电压值为2.5V～5V。

1.3 电源模块

考虑到工业上常规用电电压值为24V，再结合主控电路、压力传感器、24位ADC芯片，及串口触摸显示屏等模块的工作电源电压，本位设计选用金升阳生产的B2405XT-2WR2隔离电源模块输出5V电压给主控电路单元、压力传感器、ADC芯片提供输入电源。B2405XT-2WR2隔离电源模块工作温度范围为-40℃～+105℃，转换效率高达84%，隔离电压1500Vdc，内部贴片化设计，无需外加元件，减化设计电路。

如图4，在24V输入端口处，加入单片TVS二极管，防止过压，吸收浪涌功率，保护后端电路。U9为整流二极管，防止直流输入正负极反接，导致元器件损毁。F1为500mA自恢复保险丝，在后端电路短路时，切断前端输入电压，保护后端元器件不被损坏。C5、C6、C7、C8、C9电容，主要为模块旁路滤波稳压电容，减少后端负载电路变化对前端输入电源造成输入不稳的影响。

图3 HSCSANN2.5KDAA5型差压传感器Fig.3 HSCSANN2.5KDAA5 Differential pressure sensor

图4 24V转5V电路Fig.4 24V to 5V circuit

1.4 485模块通信电路

气体差压分析仪与外部数据的交互传输，主要通过RS485通信模块实现。RS485采用平衡发送和差分接收，具有良好的抗干扰能力，信号能够传输上千米。本文采用SP3485芯片实现RS485电平与TTL电平的转换，具体电路如图5。电容C47为芯片工作稳压电容；R33为上拉电阻，把不确定的信号钳位在高电平，同时还起着限流作用；R34为下拉电阻，把不确定的信号钳位在低电平；R35为终端匹配电阻，增加信号的抗干扰能力[4]。

图5 485通讯电路Fig.5 485 Communication circuit

1.5 24位ADC工作电路

CS1237是一款高精度、低功耗、低成本24位模数转换芯片。该芯片具有一路差分输入通道，内置温度传感器、高精度振荡器以及可选PGA（1、2、64、128），ADC输出速率可选（10Hz、40Hz、640Hz、1.28kHz）。主控MCU通过两线SPI接口SCLK、DOUT与CS1237进行通信，并对其通道选择、PGA选择、输出速率选择等进行配置，具体电路如图6。

图6 CS1237采集电路Fig.6 CS1237 Acquisition circuit

R33为0Ω电阻，连接电路板上被分割的数字地与模拟地。C33为输出芯片输入电压的稳压电容，C34为芯片输入参考电压的稳压电容。R34、R35、R36、R37为信号输入限流电阻，避免芯片被损坏[5]。C35、C36、C37为输入采集信号源的稳压电容，以确保输入信号的稳定。

1.6 串口屏幕模块

串口触摸显示屏选用广州大彩生产的3.5寸显示屏。该屏幕无操作系统，上电即可运行，4.5V～15V宽电源供电，采用TTL电平通讯，支持1200bps～921600bps波特率，存储空间64Mbit。该屏幕配有配套开发上位机，上位机上集成了丰富的组态控件、虚拟数字键盘，内嵌LUA脚本编译器，用户可在屏内定义各种复杂逻辑关系与协议等，通过配套上位机可快速对串口屏幕进行设计开发。

通过屏幕配套上位机，配置Modbus Rtu协议，读取STM32单片机输出的其中一路Modbus协议数据，并将获取到的数据显示在屏幕上的文本显示控件上。同时，通过LUA脚本编译器在屏幕内部编程，对获得数据进行二次线性校正，使用户最终观察到的压力数据更为准确。

2 系统软件设计

系统上电复位时，STM32单片机执行内部初始化程序，先将延时函数、单片机运行指示灯、调试打印串口、Modbus协议串口等基础外设初始化完成，然后再将CS1237初始化。系统主函数中，主要完成Modbus协议数据的监听与回复。单机中采用定时器2，控制CS1237完成对压力传感器数据采集。定时器2，每间隔1s进入定时器2中断服务函数，调用ADC数据转换函数，获得当前压力传感器输出的电压值，将获得的采集电压值采用滑动平均滤波算法，使输出的电压值更为稳定，数据更可靠。

为了使最终得到的差压值更准确，采用优利德UT705回路校准仪测量电路中的电压值，然后再将采集得到的ADC电压值相对比，进行二次多项次拟合校正。将校正后的电压值带入压力计算公式，计算得到当前电压值所对应的差压值。最后，将得到的差压值通过Modbus协议上传到串口屏上进行显示。串口屏上可以通过设置零点与量程，对所测量的差压值进行二次校正显示。

3 测试

在测试时，采用了一款工业级单晶硅压力变送器[6]，与设计的差压分析仪做数据对比实验（单晶硅压力变送器精度为±0.075%FS，量程为-2KPa～2KPa）。用设计的差压分析仪与单晶硅压力变送器测量同一设备、同一点的气体差压值，将差压进气口两端放置在同一位置，前端采用配气仪控制输入差压两端的流量，从而改变差压值。两款差压仪表的测量结果见表1。

从表1中的数据可知，设计的差压分析仪与工业单晶硅压力变送器对同一点的压力测量值最大差值，正压为0.026KPa，负压为-0.027KPa；平均差值正压为0.019KPa，负压为-0.007KPa。

表1 差压分析仪与单晶硅压力变送器正负压测量值Table 1 Positive and negative pressure measurements of differential pressure analyzer and monocrystalline silicon pressure transmitter

由此，可得本文所设计的差压分析仪与工业单晶硅压力变送器测量结果较为接近，误差较小。然而，工业单晶硅压力变送器重量为2.6kg，体积为15×18×11（cm3），差压分析仪为60g，体积为6×6×5（cm3），更方便携带，更易于现场安装应用。

4 结束语

实际使用结果表明：该便携式差压分析仪不仅体积小，重量轻，而且系统稳定可靠，差压数据采集准确，显示分辨率高，反应灵敏，符合现场生产要求，能够实时监控现场工业气体压力，具有很好的应用前景。