程建國(guó)，楊正春，褚  敏，唐  平

1  概述
壓力是工業(yè)過(guò)程的重要參數(shù)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(cè)量和控制壓力。此外，壓力測(cè)量的意義還不僅僅局限于其本身，有些非壓力參數(shù)的測(cè)量，如液位、流量、密度等也往往是通過(guò)測(cè)壓力或差壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。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。
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(dá)±0.07%，穩(wěn)定性三年不超過(guò)±0.1%，主要性能指標(biāo)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(lái)的，相對(duì)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(qiáng)，受環(huán)境溫度影響小以及良好的線性等特點(diǎn)。CXT標(biāo)準(zhǔn)型具有HART通訊功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定或修改工程單位、校對(duì)、調(diào)整零點(diǎn)和測(cè)量范圍等功能。CXT也可更換通訊卡，升級(jí)為全數(shù)字式智能變送器，實(shí)現(xiàn)FF或Profibus通訊功能。
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，周圍被封液包，故稱浮動(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??；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3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的門檻電壓時(shí)，觸發(fā)電路Q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3  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4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4  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）是由Rosemount公司提出的用于現(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。
3  典型應(yīng)用
(1)  測(cè)量壓力/絕壓
這是最基本的測(cè)量方法，只需將引壓管接于正壓室即可實(shí)現(xiàn)。
(2)  測(cè)量流量
流量是單位時(shí)間內(nèi)流體流過(guò)某一截面的總體積或總質(zhì)量。人們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(fù)原狀，這樣就會(huì)在此截面的兩側(cè)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(duì)于質(zhì)量流量M，可由下式計(jì)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(fù)壓室接截面的低壓側(cè)即可。然后用式(3)或式(4)計(jì)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(cè)量液位
對(duì)于一個(gè)儲(chǔ)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(cè)出容器底部的靜壓力，就可由下式計(jì)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(cè)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(cè)得的壓力代入式(5)即可計(jì)算出液位的高度。同樣，對(duì)于密閉容器的液位CXT也能測(cè)量。
CXT除了能用在以上工業(yè)參數(shù)測(cè)量外，還可用做介位、密度等參數(shù)的測(cè)量，此處不在一一表述。
4  CXT智能變送器的性能指標(biāo)

(1)  精度 0.07%（標(biāo)準(zhǔn)模式）

(2)  溫度特性和靜壓影響
 

(3)  穩(wěn)定性

5  結(jié)語(yǔ)
CXT系列智能壓力/差壓變送器作為國(guó)內(nèi)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(biāo)和穩(wěn)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、石化、化工等行業(yè)的項(xiàng)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)格得到用戶的認(rèn)可。