２０１１焦 仪表技术与传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２０１１ Ｎｏ．６ 第６期 新型ＳＦ６密度传感器自动校验装置 胡永建 （西部钻探吐哈钻井工艺研究院，新疆鄯善８３８２０２） 摘要：设计了一种专门用于ｓＦ 密度传感器测试的机电一体化装置，该装置实现了ＳＦ６密度传感器的自动校准。该 装置由气缸及直线电机控制的活塞、位置检测电路、ＦＰＧＡ及控制用的工业平板电脑组成。通过活塞在汽缸中的运动来产 生具有稳定设定密度的气体介质，作为标准源提供给被检传感器，从而实现ｓＬ密度传感器的自动校验。 关键词：ＳＦ６密度传感器；ＦＰＧＡ；压力控制；ＰＩＤ 中图分类号：ＴＰ２１７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０６—０１０５—０２ Ｎｅｗ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ ＳＦ６ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ＨＵ Ｙｏｎｇ￣ｉａｎ （ＴｕＢａ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ，】【ｉｂｕ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈａｎｓｈａｎ ８３８２０２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｍｅｅｈａｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ＳＦ６ ｄｅｎｓｉｔｙ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃａｌｉｂｒａ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｓＬ ｄｅｎｓｉｔｙ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒｌａ ｍａｊｏｒ ｐａｒｔｓ，ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄ ｐｉｓｔｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ，ｐｉｓｔｏｎ ｐｏ— ｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ＦＰＧＡ ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｐａｎｅｌ ＰＣ ａｃｔｉｎｇ ａｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＦ６ ｄｅｎｓｉｔｙ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｐｏｓｓｉｂｌｅ，ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍｅｄｉｕｍ ｗｉｔｈ ｓｔａｂｌｅ ｇｉｖｅｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｗｉｔｈｉｎ ｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｗｈｉｃｈ ａｆｆｏｒｄｓ ａ ｓｔｎｄａｒｄ ｓｏｕｒｃｅ ｆａｏｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｅｓｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＦ６ ｄｅｎｓｉｔｙ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ＦＰＧＡ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＩＤ ０引言 被检ｓ 密度传感器 文中给出了一种新型ｓＦ 密度传感器自动校验装置的设 计方案。在保证ｓＦ 气体不会泄漏、可回收的基础上，该装置 既能产生具有恒定密度变化速率的气体，也能够输出具有稳 定、准确密度的气体，无需人工操作即可完成ｓ 密度传感器 开关及示值的双重自动校验。 １系统结构 图１是ｓＦ 密度传感器自动校验装置的系统结构示意图。 工业平板电脑既是主控制器，也是人机接口。该工业平板电脑 使用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ ｅｍｂｅｄｄｅｄ操作系统，用ＶＢ２００８编程。它使用 一个ＲＳ一２３２接口与ＦＰＧＡ内置的串行通讯模块通讯，ＦＰＧＡ 完成活塞位置检测、以ＰＷＭ方式控制气瓶电磁阀等功能，同时 桥接测压模块、测温模块及电机驱动器的ＲＳ一２３２通讯接 口。 Ｏ形密封圈ＧＴ密封件 储气瓶电磁阀控制气缸与ｓ 储气瓶的管路通断，被检表 电磁阀控制气缸与外接被检ｓＬ密度传感器的管路通断。用 快速接头连接的压力软管将被检ｓ 密度传感器与装置相连。 当储气瓶电磁阀关闭、被检表电磁阀开启时，电脑控制直线 图１系统结构示意图 ２ ＦＰＧＡ设计 如图１所示，ＦＰＧＡ在系统中相当于平板电脑的下位机，负 责控制所有的外围设备。在平板电脑编程中，相关控制部分完 全使用模块化方式编程，目的是建立实时通讯，防止各外围设 备发生竞争冲突，因此平板电脑只用一个串口完成所有通讯。 ＦＰＧＡ选用基于Ｆｌａｓｈ工艺的ＰｒｏＡＳＩＣ３ Ａ３Ｐ２５０。选择 电机推动活塞在气缸内运动，气缸与被检ｓＬ密度传感器组成密 闭容器。活塞运动改变密闭容器的体积，造成容器内气体密度 变化。活塞和气缸是系统的关键部位，为了保证活塞在长期运 动中不漏气，使用了２组０形密封圈及一组ＧＴ密封件。ＧＴ密 封件具有可耐较高压力、较高温度的特性，长期使用也不易损 坏。需要注意，所有密封件都必须使用合适的密封圈润滑脂。 收稿日期：２０１０—０９—３０收修改稿日期：２０１１—０３—０２ ＰｒｏＡＳＩＣ３的原因是其抗干扰能力及高强度加密功能，因此未使 用Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ１软核完成ＳＯＰＣ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ ａ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｃｈｉｐ） 设计 。ＦＰＧＡ用Ｖｅｒｉｌｏｇ语言编程，使用ＵＡＲＴ及定时器ＩＰ。 ＦＰＧＡ功能模块如图２所示。ＵＡＲＴ０与平板电脑ＲＳ一２３２ 接口相连建立通讯，接收到的信令由控制逻辑解码。所有信令 １０６ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｊｕｎ．２０１ｌ 均由平板电脑发出，所有信令均有应答。信令格式如表１所 刁 。 变化状态方程近似。经过公式推导可以得到： Ａ … ｒ 一 Ｌ ， ｓ位数 甍卜＿ 式中： 为电机转速；口。为造压速率；Ｐ为表压压强； 为标准 大气压；Ａ为常数，其值由实验确定。 使用增量ＰＩＤ控制算法，其离散形式可以表示为 ： Ａｕ ＝ｄｏｅｉ＋ｄｌｅｆｌ＋ｄ２ｅｉ２ 卜 ．Ｊｌ Ｐ獭出ＩＷＭ 定时器２ｌ 寄ＰＷ存Ｍ『器Ｌ 一螽荛 鞣Ｉ＿ ｌ 控制逻辑 母 … （２） 其中： ｄｏ＝Ｋ［ ＋ ＋≥】 ＝一 ［，＋ 】；ｄ２＝Ｋ≥ 式中：△ｎｉ为本次输出值与上次输出值之差（造压速率变化 Ｉ＿ 团 Ｉ Ｉ＿ 表１信令格式 量）；ｅ 为本次采样值与设定值之差；ｅ 为上次采样值与设定 值之差；ｅ 为再上次采样值与设定值之差；Ｔ为采样周期；Ｋ、 、 ：分别为比例、积分、微分系数。 可以看到，在采样周期 固定的情况下，ｄ。、ｄ。、ｄ：均为常 图２ ＦＰＧＡ功能模块示意图 数，可以通过实验整定。 如果使用０．０５％精度的测压模块，设定压力从０．６ ＭＰａ变 更到０．５ ＭＰａ，大约需要３０ Ｓ达到稳定；图３是该控压曲线的 ＰＩＤ调节局部图，可以看ＰＩＤ参数整定较好，没有明显的过冲； 控压稳定性较好，控压精度优于±０．００２ ＭＰａ，稳定度在 喜 （Ｉ Ｏ ０ Ｏ ４－０．００１ ＭＰａ以内。 ｌ ２ ５ ２ ５ ５ ５ ０ ５ ０ ０ Ｏ ０ ｌ ５ Ｏ Ｏ ６５ Ｏ ５ ０ ９ ４ ５ 可以看到信令头均为“掸 ”而信令尾均为回车符，ｘ为１６ 进制字符串，如“Ａ”表示数值１０。当ＦＰＧＡ控制逻辑接收到符 合条件的信令头，就对相应的寄存器进行读写操作，否则就简 单地将收到的信令经过桥接逻辑转发到相应的ＵＡＲＴ出口。 这里的桥接逻辑实际上是由ＵＡＲＴ选择寄存器控制的双向单 刀三掷开关，当某个ＵＡＲＴ收到外部设备ＲＳ一２３２串口的回复 图３控压曲线ＰＩＤ调节局部图 ３．２校验过程 电脑通过控制电磁阀及电机来完成校验过程，同时使用光 耦来检测活塞位置。下面用ＵＭＬ状态图（见图４）的方式简化 示意一次完整的校验过程。 指令时，也是简单地通过桥接逻辑及控制逻辑直接发送到 ＵＡＲＴ０上。这样，平板电脑可以自由发送接收上述信令，与测 压模块、测温模块及电机驱动器的信令互不冲突。 寄存器直接与控制的功能对应，ＵＡＲＴ选择寄存器控制桥 接逻辑的路由；数字Ｉ／Ｏ寄存器直接对应８位逻辑量端口； ＰＷＭ寄存器与定时器配合输出不同占空比的方波，来控制气 瓶电磁阀的输出流量；用８个光耦检测活塞位置，其输出经检 测逻辑编码发送到位置检测寄存器（只读寄存器）。 ３控压过程 ３．１ ＰＩＤ调节 测压模块及测温模块测量得到的压力与温度信息通过ＲＳ 一２３２接口传送到电脑，根据Ｂｅａｔｔｉｅ—Ｂｒｉｄｇｍａｎ状态方程计算密 图４校验过程状态图 度或２０ ｑｃ的等效压力Ｐ２０。 从结构示意图可见，直线电机控制活塞改变密闭容器的体 积，使压力发生变化。由于ｓＦ 气体性质，造压速率与电机转 校验过程的软件编程实现是通过状态机完成的。工业平 板电脑运算功能强大，外围接Ｉ＝１丰富，容易实现ＵＳＢ接１：１的外 部数据存储等工作。使用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ ｅｍｂｅｄｄｅｄ操作系统，使 用ＶＢ２００８编程，人机界面使用ＭＳ Ｗｉｎｄｏｗｓ（下转第１１０页） 速并非线性关系。ｓＦ 气体状态方程可用Ｂｅａｔｔｉｅ・Ｂｒｉｄｇｍａｎ等 公式描述，但由于公式次数高，不易分析，因此用理想气体等温 １１０ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｊｕｎ．２０１１ 传感器系统的设计与实现．传感技术学报，２００３，１５（３）：３０９—３１７． ＾菩 ｇ ，）／（目 ． ：＝ 鞋捉霉 ［５］ 白泽生．基于红外传感器的ｃＯ２气体检测电路设计．仪表技术与 传感器，２００７，２３（３）：５９—６０． ［６］ 琚雪梅．红外吸收型ＣＯ：气体传感器的设计．传感器技术，２００５， ２２（８）：６２—６４． ［７］ＦＯＲＤ Ｒ，ＴＩＬＬＥＲ Ｔ．Ａ ｈｉｓｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＮＤＩＲ ＣＯ２ ｇａｓ ｅｎＳｓＯｒ ｆｏｒ ａｕｔｏ— ｍｏｔｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００６，６（６）：１６９７—１７０５． ［８］ 梁亮，贾建．具有开放气室的实时红外气体检测系统．仪表技术与 传感器，２００６，２２（７）：５８—６０． ［９］王彪，刘奎学．新型ｃ０２传感检测仪的研制．仪器仪表学报，２００５， ２７（８）：８３５—８３９． 采样次数（第 次，按数值大小排列） ［１０］ 曾水平，曾铮，秦建民．高浓度二氧化碳气体成份检测系统研究． 仪器仪表学报，２００５，２６（８）：３２８—３２９． 图５误差比较图 ［１１］ＧＥＯＲＧＩＡＮＡ Ｅ Ｍ，ＨＥＡＰＳ Ｗ ｓ，ＷＩＬＳＯＮ Ｅ Ｌ．Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｒａｄｉｏｍ— ｅｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｆａｂｒｅ—Ｐｅｒｏｔ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｇａｓｅｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ ５结束语 所提出的基于最佳逼近理论和Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ神经网络的二氧 化碳检测方法，具有以下特点： Ｓｅｎｓｉｎｇ，２００８，４６（１０）：３１１５—３１２２． （１）对环境的适应能力强。采用信息融合技术，考虑到多个 影响因素，把各种可能影响测量的量融于整个系统，再通过Ｃｈｅ． ［１２］ ＲＥＰＡＳＫＹ Ｋ Ｓ，ＨＵＭＰＨＲＩＥＳ Ｓ，ＣＡＲＬＳＴＥＮ Ｊ Ｌ．Ｄｉｆｆｅｅｒｎｔｉｌａ ａｂ． ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｕｎａｂｌｅ ｂｙｓｈｅｖ网络学习算法获得浓度值，提高了在线检测的鲁棒性。 （２）充分考虑到各种环境条件下可能影响二氧化碳检测的 影响因素，对影响较小的因素进行了融合，提高了准确率。 （３）该方法不仅为二氧化碳检测和控制的实用化提供了一 ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， ２００６，７（１１）：１１３１０７—１１３１０７—５． ［１３］韩静，陶云刚．基于Ｄ—Ｓ证据理论和模糊数学的多传感器数据 融合算法．仪器仪表学报，２０００，２１（６）：６４４—６４７． ［１４］ ＡＩ，Ｉ，ＥＲＴＯＮ Ｄ Ｊ，ＪＩＡ Ｈ．Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｄａｔａ ｆｕｓｉｏｎ ｌａｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｒａｄａｒ，Ｓｏｎａｒ＆Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ＩＥＴ，２ＯＯ８，２（１）：５１—６２． 种可行的方案，而且可用于其他特征气体的检测。但数据融合 体系的设计实施还有一些实际问题，如传感器测量误差模型的 建立、复杂动态环境下的实时响应。要进一步提高精度和容错 性，可先对传感器进行处理，如增加传感器列阵，通过优化选择 传感器，获得高层推论和决策，然后进行决策级融合。 参考文献： ［１］孙柏林．关注“低碳经济”，再谈“节能降耗”与自动化技术．电气 时代，２００８，８（６）：２６—３０． ［２］ ＭＡＣＩＮＴＯＳＨ Ａ．Ｋｅｅｐｉｎｇ ｗａｒｍｉｎｇ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ２０Ｃ ｌｉｍｉｔ ａｆｔｅｒ Ｃｏｐｅｎ－ ｈａｇｅｎ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｌｉｃｙ，２０１０（３８）：２９６４—２９７５． ［１５］ＬＩＡＯ ＹｉＨｕｎｇ，ＣＨＯＵ ＪｕｎｇＣｈｕａｎ．Ｗｅｉｇｈｔｅｄ Ｄａｔａ Ｆｕｓｉｏｎ Ｕｓｅ ｏｆｒ Ｒｕ— ｔｈｅｎｉｕｍ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ ｐＨ Ａｒｒａｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ．Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ， ２００９，９（７）：８４２—８４８． ［１６］ＤＡＶＩＤ Ｌ Ｈ，ＪＡＭＥＳ Ｌ Ｌ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｍｕｌｉｔ—ｓｅｎｓｏｒ Ｄａｔｅ Ｆｕｓｉｏｎ． Ｕｎｉｔ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，ＣＲＣ ｐｒｅｓｓ，２００１． ［１７］ 莫国瑞，刘开弟．函数逼近论方法．北京：科学出版社，２００４． ［１８］邹阿金，张玉浓．基函数神经网络及应用．广州：中山大学出版 社．２００９． ［１９］ 魏海坤．神经网络结构设计的理论与方法．北京：国防工业出版 社．２００５． ［３］ 王洪，冯金垣，彭玉成．ＣＯ２气体浓度光纤传感器研究．仪表技术 与传感器，２００１，２０（６）：４—６． 作者简介：颜世平（１９８４一），硕士研究生，主要研究方向为电气设备状 ［４］ 何保山，冯良东，周仲柏．用于实时动态检测多组份气体的电化学 态检测，智能信息处理。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｉｐｉｎｇ＿ｙａｎ＠１６３．ｃｏｒｎ （上接第１０６页）Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（ＷＰＦ）技术，界面友 好，同时支持键盘、鼠标、触摸屏三重控制，图５是校验过程的 ４结束语 该ＳＦ６密度传感器自动校验装置可以自动完成正行程及 反行程的设定点偏差校准，可以自动重复进行。记录值包括压 力值、温度值及密度值。每次新设定一个压力值，输出压力会 在６０ ｓ达到稳定，没有明显的过冲。装置控压精度优于 ±０．００３ ＭＰａ，稳定度在±０．００２ ＭＰａ之内。 软件工作界面。 该产品已经投产，被应用于供电局、电厂等多个行业单位。 具有使用方便、性能稳定、结果准确的特点。 参考文献： ［１］ Ａｃｔｅ１．ＰｒｏＡＳＩＣ３ Ｆｌａｓｈ Ｆａｍｉｌｙ ＦＰＧＡｓ ｗｉｈｔ Ｏｐｔｉｏｎａｌ Ｓｏｆｔ ＡＲＭ Ｓｕｐ— ｐｏｒｔ，２００９． ［２］谢剑英，贾青．微型计算机控制技术．北京：国防—ＴＡ—Ｐ出版社，２００１． 图５软件工作界面 作者简介：胡永建（１９７０一），工程师，从事压力仪表及校验装置的研制 工作。Ｅ—ｍａｌｌ：ｈｕｙｏｎｇｊｉａｎ＠ｃｎｐｃ．ｃｏｎ．ａｎ