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程建國，楊正春，褚  敏，唐  平

1  概述
壓力是工業(yè)過程的重要參數(shù)之一。化工生產(chǎn)中的高溫高壓或真空工藝過程，電力生產(chǎn)中的鍋爐壓力，鋼鐵行業(yè)中高壓分離氧工藝過程等都需要精確地測量和控制壓力。此外，壓力測量的意義還不僅僅局限于其本身，有些非壓力參數(shù)的測量，如液位、流量、密度等也往往是通過測壓力或差壓來實現(xiàn)的。電容式壓力變送器是應用最廣泛的壓力變送器之一。近年來，隨著微電子技術、微處理器技術以及現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，出現(xiàn)了以硅微電容作為壓力傳感器、符合現(xiàn)場總線協(xié)議的智能型壓力/差壓變送器。
CXT壓力/差壓變送器是SUPCON（浙大中控）公司引進日本富士的硅微電容傳感器技術和先進的浮動膜盒技術后生產(chǎn)的智能變送器。其基本精度可達±0.07%，穩(wěn)定性三年不超過±0.1%，主要性能指標處于同類變送器的前列。硅微電容傳感器是在單晶硅薄片上刻蝕出來的，相對傳統(tǒng)的電容式傳感器，它具有體積小，熱膨脹系數(shù)小，抗疲勞性強，受環(huán)境溫度影響小以及良好的線性等特點。CXT標準型具有HART通訊功能，可實現(xiàn)遠程設定或修改工程單位、校對、調(diào)整零點和測量范圍等功能。CXT也可更換通訊卡，升級為全數(shù)字式智能變送器，實現(xiàn)FF或Profibus通訊功能。
2  工作原理
(1)  CXT結(jié)構(gòu) 

1測量膜片（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測量膜片；5保護膜片
圖2  浮動膜盒結(jié)構(gòu)

CXT仍采用電容測量原理，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，故稱硅微電容傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了消除被測介質(zhì)溫度和靜壓對測量膜片的影響，變送器采用了獨特的浮動膜盒結(jié)構(gòu)。硅微電容傳感器是整體封裝，周圍被封液包，故稱浮動膜盒結(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，遠離測量介質(zhì)，受介質(zhì)溫度變化的影響減小；同時檢測器內(nèi)部裝有溫度敏感元件，根據(jù)敏感元件測量的溫度，變送器微處理器隨時修正溫度變化帶來的影響，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；保護膜片不再是測量膜片，當單向超壓大于量程3倍時，保護膜片產(chǎn)生變形，吸收部分封液壓力，從而保護硅微電容，使變送器抗過壓能力大大增強。
(2)  感測原理
圖1中，硅材料膜片形成兩個電容，設B、C兩極間電容為C1，A、B兩極間電容為C2，當傳感器兩端壓力PH、PL變化時，會引起硅微電容C1和C2的變化，測量電容的變化量即可計算出壓力差的大小。圖3是CXT智能變送器電容感測電路的原理簡圖。當接通電源時，電容C1通過R1得到充電，C2因開關S2閉合而為零電位。當C1的充電電壓達到觸發(fā)器Q的門檻電壓時，觸發(fā)電路Q翻轉(zhuǎn)，并以R3及C3的時間常數(shù)控制脈沖開關輸出。當開關S1接通時，C1放電，C2通過R2充電。與此同時，計數(shù)器對充放電進行重復計數(shù)，并以N次為1個循環(huán)，計數(shù)器對N次的脈沖時間進行計數(shù)，最后求得與靜電容量C1成比例的時間T1（T1已是數(shù)字量），同樣也可求得與靜電容量C2成比例的時間數(shù)字T2，根據(jù)電容充放電時間和電容容量的關系，可得到下式： 

圖3  CXT感測電路原理簡圖

               (1)

式(1)中Tc為補正系數(shù)；Cs為線性補正電容。
微處理器對T1、T2和線性補正系數(shù)TC進行運算，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4是標準型CXT變送器的工作原理框圖。圖中，傳感膜盒中的EEPROM存放膜盒制造過程中由生產(chǎn)線上的計算機采集到的數(shù)據(jù)，包括測量范圍、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)試過程中儀表的各種參數(shù)。雙存儲器結(jié)構(gòu)使儀表有良好的部件互換性。同時微處理器根據(jù)兩個溫度傳感器測得的溫度隨時修正溫度帶來的影響。 

圖4  CXT變送電路原理框圖

CXT標準型帶有HART通訊功能。HART（Highway Addressable Remote Transducer，可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)公路）是由Rosemount公司提出的用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備間通訊的一個過渡性協(xié)議。所謂“過渡”就是指HART兼容了傳統(tǒng)4~20mA模擬信號與數(shù)字通訊信號。HART協(xié)議采用了Bell202標準的FSK頻移鍵控信號。它在4~20mA的模擬信號上疊加幅度為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平均值為0，所以不會影響4～20mA的輸出電流。因此，模擬儀表在數(shù)字通訊時仍可以照常工作，這是HART標準的重要優(yōu)點之一。
全數(shù)字通訊是現(xiàn)場儀表發(fā)展的趨勢，CXT還采用了國際現(xiàn)場總線標準中使用最廣泛的FF協(xié)議和Profibus協(xié)議。標準型變送器更換通訊板后，即可升級為全數(shù)字型智能壓力/差壓變送器。
3  典型應用
(1)  測量壓力/絕壓
這是最基本的測量方法，只需將引壓管接于正壓室即可實現(xiàn)。
(2)  測量流量
流量是單位時間內(nèi)流體流過某一截面的總體積或總質(zhì)量。人們在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)當流體在經(jīng)過管道某一小于管徑的截面時會突然收縮，通過后又會恢復原狀，這樣就會在此截面的兩側(cè)產(chǎn)生一個壓力差，而此壓力差的平方根與體積流量成正比關系，即：
                          (3)
對于質(zhì)量流量M，可由下式計算：
                                 (4)
式(3)、(4)中為體積流量；為壓力差；為流體的密度；K為系數(shù)。
為獲得壓力，只需將CXT差壓變送器的正壓室接截面的高壓側(cè)，負壓室接截面的低壓側(cè)即可。然后用式(3)或式(4)計算就可以得到此處的流量值。要形成一個管道截面有多種方法，常用的有孔板、噴嘴、文丘里管、皮托管及均速管等。
(3)  測量液位
對于一個儲液容器，容器內(nèi)液位越高，容器底部所受的靜壓力越大，因此只要測出容器底部的靜壓力，就可由下式計算出液位。
                  (5)
式(5)中h為液位；P為容器底部的靜壓力；為密度；g為重力加速度。 

圖5  CXT測量液位

如圖5所示，在開口容器的最低液位點取一引壓點，將此壓力引入CXT智能變送器的正壓室，由于液體的密度和重力加速度g都是已知定值，將CXT測得的壓力代入式(5)即可計算出液位的高度。同樣，對于密閉容器的液位CXT也能測量。
CXT除了能用在以上工業(yè)參數(shù)測量外，還可用做介位、密度等參數(shù)的測量，此處不在一一表述。
4  CXT智能變送器的性能指標

(1)  精度 0.07%（標準模式）

(2)  溫度特性和靜壓影響
 

(3)  穩(wěn)定性

5  結(jié)語
CXT系列智能壓力/差壓變送器作為國內(nèi)公司引進的世界先進技術生產(chǎn)的智能變送器，其性能指標和穩(wěn)定性完全可以同目前進口的變送器媲美。在筆者所完成的電廠、石化、化工等行業(yè)的項目中，CXT變送器的使用非常成功，以其可靠性、精確性以及優(yōu)廉的價格得到用戶的認可。