CXT智能變送器原理與應(yīng)用

1 概述

　　電容式壓力變送器是應(yīng)用最廣泛的壓力變送器之一。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)、微處理器技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以硅微電容作為壓力傳感器、符合現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的智能型壓力/差壓變送器。

　　2工作原理

　　(1) CXT結(jié)構(gòu)

　　1測(cè)量膜片(硅微電容);2固定電極;3金屬化通孔;

　　4陶瓷片;5引線;6電極

　　圖1 硅微電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

　　1波紋座;2隔離膜片;3封液;4測(cè)量膜片;5保護(hù)膜片

　　圖2 浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu)

　　CXT仍采用電容測(cè)量原理，但在結(jié)構(gòu)上和傳統(tǒng)的電容傳感元件有很大不同，電容用硅材料制成，體積特別小，僅9mm×9mm×7mm，故稱(chēng)硅微電容傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了消除被測(cè)介質(zhì)溫度和靜壓對(duì)測(cè)量膜片的影響，變送器采用了獨(dú)特的浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu)。硅微電容傳感器是整體封裝，周?chē)环庖喊史Q(chēng)浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu)，如圖2所示。硅微電容傳感器的膜盒結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)膜盒結(jié)構(gòu)有很大不同，硅微電容傳感器不在膜盒的下部，而是在上部，傳感器移到膜盒上部，遠(yuǎn)離測(cè)量介質(zhì)，受介質(zhì)溫度變化的影響減小;同時(shí)檢測(cè)器內(nèi)部裝有溫度敏感元件，根據(jù)敏感元件測(cè)量的溫度，變送器微處理器隨時(shí)修正溫度變化帶來(lái)的影響，所以儀表具有優(yōu)異的溫度特性;膜盒基座四周均受壓力作用，所以受靜壓影響極小;保護(hù)膜片不再是測(cè)量膜片，當(dāng)單向超壓大于量程3倍時(shí)，保護(hù)膜片產(chǎn)生變形，吸收部分封液壓力，從而保護(hù)硅微電容，使變送器抗過(guò)壓能力大大增強(qiáng)。

　　(2) 感測(cè)原理

　　圖1中，硅材料膜片形成兩個(gè)電容，設(shè)B、C兩極間電容為C1，A、B兩極間電容為C2，當(dāng)傳感器兩端壓力PH、PL變化時(shí)，會(huì)引起硅微電容C1和C2的變化，測(cè)量電容的變化量即可計(jì)算出壓力差的大小。圖2是CXT智能變送器電容感測(cè)電路的原理簡(jiǎn)圖。當(dāng)接通電源時(shí)，電容C1通過(guò)R1得到充電，C2因開(kāi)關(guān)S2閉合而為零電位。當(dāng)C1的充電電壓達(dá)到觸發(fā)器Q的門(mén)檻電壓時(shí)，觸發(fā)電路Q(chēng)翻轉(zhuǎn)，并以R3及C3的時(shí)間常數(shù)控制脈沖開(kāi)關(guān)輸出。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1接通時(shí)，C1放電，C2通過(guò)R2充電。與此同時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)充放電進(jìn)行重復(fù)計(jì)數(shù)，并以N次為1個(gè)循環(huán)，計(jì)數(shù)器對(duì)N次的脈沖時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后求得與靜電容量C1成比例的時(shí)間T1(T1已是數(shù)字量)，同樣也可求得與靜電容量C2成比例的時(shí)間數(shù)字T2，根據(jù)電容充放電時(shí)間和電容容量的關(guān)系，可得到下式：

　　圖2 CXT感測(cè)電路原理簡(jiǎn)圖

(1)

　　式(1)中Tc為補(bǔ)正系數(shù);Cs為線性補(bǔ)正電容。

　　微處理器對(duì)T1、T2和線性補(bǔ)正系數(shù)TC進(jìn)行運(yùn)算，得到與壓力成比例的結(jié)果，即：

(2)

　　式(2)中K為比例系數(shù)。

　　(3) 變送原理

　　圖3是標(biāo)準(zhǔn)型CXT變送器的工作原理框圖。圖中，傳感膜盒中的EEPROM存放膜盒制造過(guò)程中由生產(chǎn)線上的計(jì)算機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，包括測(cè)量范圍、輸入輸出特性、靜壓和溫度特性、修正數(shù)據(jù)等參數(shù);電子單元中的EEPROM中存放變送器調(diào)試過(guò)程中儀表的各種參數(shù)。雙存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)使儀表有良好的部件互換性。同時(shí)微處理器根據(jù)兩個(gè)溫度傳感器測(cè)得的溫度隨時(shí)修正溫度帶來(lái)的影響。

　　圖3 CXT變送電路原理框圖

　　CXT標(biāo)準(zhǔn)型帶有HART通訊功能。HART(Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路)是用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備間通訊的一個(gè)過(guò)渡性協(xié)議。所謂“過(guò)渡”就是指HART兼容了傳統(tǒng)4~20mA模擬信號(hào)與數(shù)字通訊信號(hào)。HART協(xié)議采用了Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)。它在4~20mA的模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”。由于所疊加的正弦信號(hào)平均值為0，所以不會(huì)影響4～20mA的輸出電流。因此，模擬儀表在數(shù)字通訊時(shí)仍可以照常工作，這是HART標(biāo)準(zhǔn)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。

　　全數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)儀表發(fā)展的趨勢(shì)，CXT還采用了國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中使用最廣泛的FF協(xié)議和Profibus協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)型變送器更換通訊板后，即可升級(jí)為全數(shù)字型智能壓力/差壓變送器。