CXT智能变送器原理与应用 - 全文

　　1 概述

　　电容式压力变送器是应用最广泛的压力变送器之一。近年来，随着微电子技术、微处理器技术以及现场总线技术的发展，出现了以硅微电容作为压力传感器、符合现场总线协议的智能型压力/差压变送器。

　　2工作原理

　　(1) CXT结构

　　1测量膜片(硅微电容);2固定电极;3金属化通孔;

　　4陶瓷片;5引线;6电极

　　图1 硅微电容传感器结构图

　　1波纹座;2隔离膜片;3封液;4测量膜片;5保护膜片

　　图2 浮动膜盒结构

　　CXT仍采用电容测量原理，但在结构上和传统的电容传感元件有很大不同，电容用硅材料制成，体积特别小，仅9mm×9mm×7mm，故称硅微电容传感器。其结构如图1所示。为了消除被测介质温度和静压对测量膜片的影响，变送器采用了独特的浮动膜盒结构。硅微电容传感器是整体封装，周围被封液包，故称浮动膜盒结构，如图2所示。硅微电容传感器的膜盒结构与传统膜盒结构有很大不同，硅微电容传感器不在膜盒的下部，而是在上部，传感器移到膜盒上部，远离测量介质，受介质温度变化的影响减小;同时检测器内部装有温度敏感元件，根据敏感元件测量的温度，变送器微处理器随时修正温度变化带来的影响，所以仪表具有优异的温度特性;膜盒基座四周均受压力作用，所以受静压影响极小;保护膜片不再是测量膜片，当单向超压大于量程3倍时，保护膜片产生变形，吸收部分封液压力，从而保护硅微电容，使变送器抗过压能力大大增强。

　　(2) 感测原理

　　图1中，硅材料膜片形成两个电容，设B、C两极间电容为C1，A、B两极间电容为C2，当传感器两端压力PH、PL变化时，会引起硅微电容C1和C2的变化，测量电容的变化量即可计算出压力差的大小。图2是CXT智能变送器电容感测电路的原理简图。当接通电源时，电容C1通过R1得到充电，C2因开关S2闭合而为零电位。当C1的充电电压达到触发器Q的门槛电压时，触发电路Q翻转，并以R3及C3的时间常数控制脉冲开关输出。当开关S1接通时，C1放电，C2通过R2充电。与此同时，计数器对充放电进行重复计数，并以N次为1个循环，计数器对N次的脉冲时间进行计数，最后求得与静电容量C1成比例的时间T1(T1已是数字量)，同样也可求得与静电容量C2成比例的时间数字T2，根据电容充放电时间和电容容量的关系，可得到下式：

　　图2 CXT感测电路原理简图

(1)

　　式(1)中Tc为补正系数;Cs为线性补正电容。

　　微处理器对T1、T2和线性补正系数TC进行运算，得到与压力成比例的结果，即：

(2)

　　式(2)中K为比例系数。

　　(3) 变送原理

　　图3是标准型CXT变送器的工作原理框图。图中，传感膜盒中的EEPROM存放膜盒制造过程中由生产线上的计算机采集到的数据，包括测量范围、输入输出特性、静压和温度特性、修正数据等参数;电子单元中的EEPROM中存放变送器调试过程中仪表的各种参数。双存储器结构使仪表有良好的部件互换性。同时微处理器根据两个温度传感器测得的温度随时修正温度带来的影响。

　　图3 CXT变送电路原理框图

　　CXT标准型带有HART通讯功能。HART(Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器数据公路)是用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。所谓“过渡”就是指HART兼容了传统4~20mA模拟信号与数字通讯信号。HART协议采用了Bell202标准的FSK频移键控信号。它在4~20mA的模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。由于所叠加的正弦信号平均值为0，所以不会影响4～20mA的输出电流。因此，模拟仪表在数字通讯时仍可以照常工作，这是HART标准的重要优点之一。

　　全数字通讯是现场仪表发展的趋势，CXT还采用了国际现场总线标准中使用最广泛的FF协议和Profibus协议。标准型变送器更换通讯板后，即可升级为全数字型智能压力/差压变送器。

　　3 典型应用

　　(1) 测量压力/绝压

　　这是最基本的测量方法，只需将引压管接于正压室即可实现。

　　(2) 测量流量

　　流量是单位时间内流体流过某一截面的总体积或总质量。人们在生产过程中发现当流体在经过管道某一小于管径的截面时会突然收缩，通过后又会恢复原状，这样就会在此截面的两侧产生一个压力差，而此压力差的平方根与体积流量成正比关系，即：

(3)

　　对于质量流量M，可由下式计算：

(4)

　　式(3)、(4)中

为体积流量;

为压力差;

为流体的密度;K为系数。

　　为获得压力

，只需将CXT差压变送器的正压室接截面的高压侧，负压室接截面的低压侧即可。然后用式(3)或式(4)计算就可以得到此处的流量值。要形成一个管道截面有多种方法，常用的有孔板、喷嘴、文丘里管、皮托管及均速管等。

　　(3) 测量液位

　　对于一个储液容器，容器内液位越高，容器底部所受的静压力越大，因此只要测出容器底部的静压力，就可由下式计算出液位。

(5)

　　式(5)中h为液位;P为容器底部的静压力;

为密度;g为重力加速度。

　　图4 CXT测量液位

　　如图4所示，在开口容器的最低液位点取一引压点，将此压力引入CXT智能变送器的正压室，由于液体的密度

和重力加速度g都是已知定值，将CXT测得的压力代入式(5)即可计算出液位的高度。同样，对于密闭容器的液位CXT也能测量。

　　CXT除了能用在以上工业参数测量外，还可用做介位、密度等参数的测量。

　　4 CXT智能变送器的性能指标

　　(1) 精度 0.07%(标准模式)

　　(2) 温度特性和静压影响

　　(3) 稳定性

　　5 结语

　　CXT系列智能压力/差压变送器在电厂、石化、化工等行业的项目中，CXT变送器的使用非常成功，以其可靠性、精确性以及优廉性得到用户的认可。