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(xiàn)場總線技術的發(fā)展，出現(xiàn)了以硅微電容作為壓力傳感器、符合現(xiàn)場總線協(xié)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(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(tǒng)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(jù)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(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(fā)器Q的門檻電壓時，觸發(fā)電路Q翻轉，并以R3及C3的時間常數(shù)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(shù)器對充放電進行重復計數(shù)，并以N次為1個循環(huán)，計數(shù)器對N次的脈沖時間進行計數(shù)，最后求得與靜電容量C1成比例的時間T1(T1已是數(shù)字量)，同樣也可求得與靜電容量C2成比例的時間數(shù)字T2，根據(jù)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(shù);Cs為線性補正電容。
微處理器對T1、T2和線性補正系數(shù)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(shù)。
(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(shù)據(jù)，包括測量范圍、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中存放變送器調試過程中儀表的各種參數(shù)。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(jù)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(shù)據(jù)公路)是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備間通訊的一個過渡性協(xié)議。所謂“過渡”就是指HART兼容了傳統(tǒng)4~20mA模擬信號與數(shù)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，所以不會影響4～20mA的輸出電流。因此，模擬儀表在數(shù)字通訊時仍可以照常工作，這是HART標準的重要優(yōu)點之一。
全數(shù)字通訊是現(xiàn)場儀表發(fā)展的趨勢，CXT還采用了國際現(xiàn)場總線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(shù)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現(xiàn)。
(2) 測量流量
流量是單位時間內流體流過某一截面的總體積或總質量。人們在生產過程中發(fā)現(xiàn)當流體在經(jīng)過管道某一小于管徑的截面時會突然收縮，通過后又會恢復原狀，這樣就會在此截面的兩側產生一個壓力差，而此壓力差的平方根與體積流量成正比關系，即：
(3)
對于質量流量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(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，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4 CXT測量液位
如圖4所示，在開口容器的最低液位點取一引壓點，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(shù)測量外，還可用做介位、密度等參數(shù)的測量。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(wěn)定性
5 結語
CXT系列智能壓力/差壓變送器在電廠、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)廉性得到用戶的認可。
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