CXT系列智能压力/差压变送器

CXT系列智能压力/差压变送器

1  概述
压力是工业过程的重要参数之一。化工生产中的高温高压或真空工艺过程，电力生产中的锅炉压力，钢铁行业中高压分离氧工艺过程等都需要精确地测量和控制压力。此外，压力测量的意义还不仅仅局限于其本身，有些非压力参数的测量，如液位、流量、密度等也往往是通过测压力或差压来实现的。电容式压力变送器是应用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。
CXT压力/差压变送器是SUPCON（浙大中控）公司引进日本富士的硅微电容传感器技术和先进的浮动膜盒技术后生产的智能变送器。其基本精度可达±0.07%，稳定性三年不超过±0.1%，主要性能指标处于同类变送器的前列。硅微电容传感器是在单晶硅薄片上刻蚀出来的，相对传统的电容式传感器，它具有体积小，热膨胀系数小，抗疲劳性强，受环境温度影响小以及良好的线性等特点。CXT标准型具有HART通讯功能，可实现远程设定或修改工程单位、校对、调整零点和测量范围等功能。CXT也可更换通讯卡，升级为全数字式智能变送器，实现FF或Profibus通讯功能。
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3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，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3  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4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4  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）是由Rosemount公司提出的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5  CXT测量液位

如图5所示，在开口容器的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，此处不在一一表述。
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/差压变送器作为国内公司引进的世界先进技术生产的智能变送器，其性能指标和稳定性完全可以同目前进口的变送器媲美。在笔者所完成的电厂、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、精确性以及优廉的价格得到用户的认可。