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基于线性霍尔传感器的智能阀位变送器的设计

作　者: 黄明
导　师: 尚群立
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 智能变送器阀门定位器非接触式位移测量
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

工业过程自动化的三个方面——工艺参数检测、计算与控制、调节与执行分别是由检测仪表、DCS控制系统、执行器三类工业自动化仪表来完成的,并称为三大工业自动化基础装备,其技术水平已成为流程工业发展的决定性因素之一,深刻地影响着生产的质量、效率、安全、和环保。以控制阀为主体的执行器通过调节介质流量以控制工艺参数,是整个自动化系统中必备的重要的终端执行仪表,其对控制系统调节品质的优劣、安全平稳运行具有很大的影响。目前国内执行器技术水平非常落后,已成为自动化技术发展的制约瓶颈,国内所需求的中高端智能执行器几乎全部依赖进口,已引起国家高度重视。执行器的控制中存在一个重要的问题,就是阀杆位移即阀位的精确实时测量。由于执行器安装在工业生产现场,经常工作在振动、高低温等恶劣的室外环境下,正行程和反行程运动频繁,并且由于阀门与执行机构型号规格多要求阀位测量范围大,所以需要研究开发一种通用的阀位测量装置即智能阀位变送器。它必须满足如下一些要求:①非接触式,即阀位变送器与执行机构阀杆之间无连接,以隔离现场环境并达到无磨损和抗干扰能力强;②大量程,实现从0～160mm的测量范围,以适应各种型号规格的执行器应用;③低功耗,由于标准测量变送器要求从环路获取电源,所以包括传感器在内整个变送器必须是低功耗的;④高精度低价格的标准变送器,采用4～20mA的标准环路信号输出,这使得各种仪表和装置具有兼容性和互换性。目前,国外许多公司已推出智能型阀位变送器,而我国在这方面目前还是空白,因此研究和开发智能型变送器具有重要的意义。本课题的主要内容是研究设计一个满足上述要求的智能阀位变送器。该阀位变送器的主要作用是测量阀门执行机构阀杆上下运动时的位移,经过非线性处理,计算出位移的百分比,并转换成4～20mA标准环路电流输出。论文主要完成了以下工作:1.研究了传感器、变送器以及智能变送器的特点和发展历程;分析了阀门定位器的工作原理;探讨了几种常用的位移测量方法,最终结合本课题实际应用情况,选用线性霍尔传感器作为非接触式位移测量传感器A1391。2.详细研究了线性霍尔传感器芯片A1391的工作原理,介绍了推荐的常规线性测量方案,并自行设计了两套新的测量方案,根据本课题的要求和实际应用要求,分析确定了一种自行设计的非线性测量方案,设计了一套测量机构,并且详细介绍了该机构的测量原理和方法。3.在深入分析了测量原理的基础上,独立设计出了智能阀位变送器。该变送器包括软、硬件两部分。硬件主要实现信号放大、A/D、D/A转换等功能,软件主要实现采样、非线性处理、阀位百分比计算和液晶显示功能。本论文设计的智能阀位变送器,硬件方面的设计都满足低功耗的要求,每部分的电路都给出了具体的实现方法、需要注意的问题;在深入研究了不同情况下阀位百分比的不同理论计算方法后,编写代码,实现阀位百分比的计算;利用定时采样,使得整个系统能实时检测阀位;最后,为了便于观察,要将此百分比信号送入LCD显示出来,并转换成工业上统一的4～20mA标准环路电流输出。最终测试结果表明,本论文设计可以较准确的实现执行器阀位的测量、计算和显示,并且可以用于别的位移非接触式测量。本文设计的智能变送器的实现的关键技术及创新点:①设计出新颖的磁钢结构,得到规律的磁场分布;②对非线性分布的磁场进行正弦拟合,实现线性霍尔传感器的非线性测量;③克服安装位置给测量带来的误差,实现变送器的自适应功能;④采用电压隔离的方案实现位置信号的二线制变送。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-25
  1.1 课题背景  11-13
  1.2 常用的位移测量技术  13-18
    1.2.1 电阻式位移传感器  13-14
    1.2.2 电容式位移传感器  14
    1.2.3 差动变压器位移传感器  14-15
    1.2.4 涡流位移传感器  15-16
    1.2.5 磁阻位移传感器  16
    1.2.6 激光位移检测  16
    1.2.7 光栅式线性位移传感器  16-18
  1.3 传感器与变送器  18-20
    1.3.1 传感器的概念  18
    1.3.2 传感器的基本特性  18-19
    1.3.3 传感器的分类  19-20
  1.4 智能变送器的产生与发展  20-24
    1.4.1 智能变送器的产生  20-21
    1.4.2 智能变送器的特点  21-22
    1.4.3 智能变送器的发展现状与方向  22-24
  1.5 论文的内容安排  24-25
第2章测量方案的设计  25-44
  2.1 霍尔传感器的简介  25-28
    2.1.1 霍尔效应  25-26
    2.1.2 线性霍尔传感器  26-28
  2.2 影响测量精确度的因素及一般补偿措施  28-31
    2.2.1 霍尔元件材料的影响  28
    2.2.2 温度的影响及补偿  28-30
    2.2.3 零位误差及其补偿  30-31
    2.2.4 传感器电压输出的校正  31
  2.3 测量方案的设计  31-40
    2.3.1 测量方案一  31-33
    2.3.2 测量方案二  33-34
    2.3.3 测量方案三  34-37
    2.3.4 测量方案四  37-39
    2.3.5 方案之间比较  39-40
  2.4 测量机构的设计  40-44
    2.4.1 磁钢体的设计及材料的选择  41-44
第3章硬件电路设计  44-57
  3.1 系统的硬件结构图  44-45
  3.2 变送器主要器件的功能与特性分析  45-51
    3.2.1 MSP430 芯片简介  45-46
    3.2.2 数模转换芯片AD421  46-49
    3.2.3 液晶驱动芯片HT1621  49-51
  3.3 硬件电路的设计  51-57
    3.3.1 供电电源设计  51-52
    3.3.2 电压隔离电路  52-53
    3.3.3 放大电路的设计  53-54
    3.3.4 单片机与AD421 的接口设计  54-55
    3.3.5 液晶驱动及显示电路  55-56
    3.3.6 电路的低功耗设计  56-57
第4章软件设计  57-63
  4.1 软件的主要功能  57
  4.2 软件的各功能模块  57-63
    4.2.1 中断采样  57-58
    4.2.2 参数及初始零点标定  58-60
    4.2.3 阀位百分比计算  60
    4.2.4 SPI 传送  60-61
    4.2.5 液晶显示  61-63
第5章系统性能的测试  63-67
  5.1 系统各关键部分的调试  63-65
    5.1.1 放大电路的测试  63
    5.1.2 A1391 传感器的测试  63-64
    5.1.3 AD421 功能测试  64-65
  5.2 系统的调试结果  65-67
第6章结束语  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
附录  72-75
详细摘要  75-78

基于线性霍尔传感器的智能阀位变送器的设计

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