程建國，楊正春，褚  敏，唐  平

1  概述
壓力是工業(yè)過(guò)程的重要參數之一?；どa(chǎn)中的高溫高壓或真空工藝過(guò)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(guò)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，有些非壓力參數的測量，如液位、流量、密度等也往往是通過(guò)測壓力或差壓來(lái)實(shí)現的。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(lái)，隨著(zhù)微電子技術(shù)、微處理器技術(shù)以及現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，出現了以硅微電容作為壓力傳感器、符合現場(chǎng)總線(xiàn)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(jìn)日本富士的硅微電容傳感器技術(shù)和先進(jìn)的浮動(dòng)膜盒技術(shù)后生產(chǎn)的智能變送器。其基本精度可達±0.07%，穩定性三年不超過(guò)±0.1%，主要性能指標處于同類(lèi)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(lái)的，相對傳統的電容式傳感器，它具有體積小，熱膨脹系數小，抗疲勞性強，受環(huán)境溫度影響小以及良好的線(xiàn)性等特點(diǎn)。CXT標準型具有HART通訊功能，可實(shí)現遠程設定或修改工程單位、校對、調整零點(diǎn)和測量范圍等功能。CXT也可更換通訊卡，升級為全數字式智能變送器，實(shí)現FF或Profibus通訊功能。
2  工作原理
(1)  CXT結構 

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(xiàn)；6電極
圖1  硅微電容傳感器結構圖 

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(dòng)膜盒結構

CXT仍采用電容測量原理，但在結構上和傳統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。其結構如圖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(dòng)膜盒結構。硅微電容傳感器是整體封裝，周?chē)环庖喊?，故稱(chēng)浮動(dòng)膜盒結構，如圖2所示。硅微電容傳感器的膜盒結構與傳統膜盒結構有很大不同，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??；同時(shí)檢測器內部裝有溫度敏感元件，根據敏感元件測量的溫度，變送器微處理器隨時(shí)修正溫度變化帶來(lái)的影響，所以?xún)x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??；保護膜片不再是測量膜片，當單向超壓大于量程3倍時(shí)，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(guò)壓能力大大增強。
(2)  感測原理
圖1中，硅材料膜片形成兩個(gè)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(shí)，會(huì )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(jiǎn)圖。當接通電源時(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C1的充電電壓達到觸發(fā)器Q的門(mén)檻電壓時(shí)，觸發(fā)電路Q(chēng)翻轉，并以R3及C3的時(shí)間常數控制脈沖開(kāi)關(guān)輸出。當開(kāi)關(guān)S1接通時(shí)，C1放電，C2通過(guò)R2充電。與此同時(shí)，計數器對充放電進(jìn)行重復計數，并以N次為1個(gè)循環(huán)，計數器對N次的脈沖時(shí)間進(jìn)行計數，最后求得與靜電容量C1成比例的時(shí)間T1（T1已是數字量），同樣也可求得與靜電容量C2成比例的時(shí)間數字T2，根據電容充放電時(shí)間和電容容量的關(guān)系，可得到下式： 

圖3  CXT感測電路原理簡(jiǎn)圖

               (1)

式(1)中Tc為補正系數；Cs為線(xiàn)性補正電容。
微處理器對T1、T2和線(xiàn)性補正系數TC進(jìn)行運算，得到與壓力成比例的結果，即：
                 (2)
式(2)中K為比例系數。
(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(guò)程中由生產(chǎn)線(xiàn)上的計算機采集到的數據，包括測量范圍、輸入輸出特性、靜壓和溫度特性、修正數據等參數；電子單元中的EEPROM中存放變送器調試過(guò)程中儀表的各種參數。雙存儲器結構使儀表有良好的部件互換性。同時(shí)微處理器根據兩個(gè)溫度傳感器測得的溫度隨時(shí)修正溫度帶來(lái)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據公路）是由Rosemount公司提出的用于現場(chǎng)智能儀表和控制室設備間通訊的一個(gè)過(guò)渡性協(xié)議。所謂“過(guò)渡”就是指HART兼容了傳統4~20mA模擬信號與數字通訊信號。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(huì )影響4～20mA的輸出電流。因此，模擬儀表在數字通訊時(shí)仍可以照常工作，這是HART標準的重要優(yōu)點(diǎn)之一。
全數字通訊是現場(chǎng)儀表發(fā)展的趨勢，CXT還采用了國際現場(chǎng)總線(xiàn)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(shí)現。
(2)  測量流量
流量是單位時(shí)間內流體流過(guò)某一截面的總體積或總質(zhì)量。人們在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現當流體在經(jīng)過(guò)管道某一小于管徑的截面時(shí)會(huì )突然收縮，通過(guò)后又會(huì )恢復原狀，這樣就會(huì )在此截面的兩側產(chǎn)生一個(gè)壓力差，而此壓力差的平方根與體積流量成正比關(guān)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。
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，負壓室接截面的低壓側即可。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(gè)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(gè)儲液容器，容器內液位越高，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(kāi)口容器的最低液位點(diǎn)取一引壓點(diǎn)，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)參數測量外，還可用做介位、密度等參數的測量，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)  穩定性

5  結語(yǔ)
CXT系列智能壓力/差壓變送器作為國內公司引進(jìn)的世界先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的智能變送器，其性能指標和穩定性完全可以同目前進(jìn)口的變送器媲美。在筆者所完成的電廠(chǎng)、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(jià)格得到用戶(hù)的認可。