1 概述

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場總線技術的發展，出現了以硅微電容作為壓力傳感器、符合現場總線協議的智能型壓力/差壓變送器。

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;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，故稱硅微電容傳感器。其結構如圖1所示。為了消除被測介質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構。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，受介質溫度變化的影響減小;同時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修正溫度變化帶來的影響，所以儀表具有優異的溫度特性;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2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器Q的門檻電壓時，觸發電路Q翻轉，并以R3及C3的時間常數控制脈沖開關輸出。當開關S1接通時，C1放電，C2通過R2充電。與此同時，計數器對充放電進行重復計數，并以N次為1個循環，計數器對N次的脈沖時間進行計數，最后求得與靜電容量C1成比例的時間T1(T1已是數字量)，同樣也可求得與靜電容量C2成比例的時間數字T2，根據電容充放電時間和電容容量的關系，可得到下式：

圖2 CXT感測電路原理簡圖

(1)

式(1)中Tc為補正系數;Cs為線性補正電容。

微處理器對T1、T2和線性補正系數TC進行運算，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3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線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。同時微處理器根據兩個溫度傳感器測得的溫度隨時修正溫度帶來的影響。

圖3 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)是用于現場智能儀表和控制室設備間通訊的一個過渡性協議。所謂“過渡”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，所以不會影響4～20mA的輸出電流。因此，模擬儀表在數字通訊時仍可以照常工作，這是HART標準的重要優點之一。

全數字通訊是現場儀表發展的趨勢，CXT還采用了國際現場總線標準中使用最廣泛的FF協議和Profibus協議。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。

關鍵詞： 應用 原理 變送器 智能 CXT