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CXT智能變送器原理與應(yīng)用
時(shí)間:2021-12-15 10:22:06

1 概述

電容式壓力變送器應(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn);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?,故稱(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?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(xiàn)性補(bǔ)正電容。

微處理器對(duì)T1、T2和線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。

關(guān)鍵詞: 應(yīng)用 原理 變送器 智能 CXT

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