1、概述
電容式壓力變送器是應(yīng)用zui廣泛的壓力變送器之一。近年來，隨著微電子技術(shù)、微處理器技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(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;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*的浮動(dòng)膜盒結(jié)構(gòu)。硅微電容傳感器是整體封裝，周圍被封液包，故稱浮動(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(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r1得到充電，c2因開關(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的門檻電壓時(shí)，觸發(fā)電路q翻轉(zhuǎn)，并以r3及c3的時(shí)間常數(shù)控制脈沖開關(guān)輸出。當(dāng)開關(guān)s1接通時(shí)，c1放電，c2通過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)，zui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：
（1）
式（1）中tc為補(bǔ)正系數(shù);cs為線性補(bǔ)正電容。
微處理器對(duì)t1、t2和線性補(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存放膜盒制造過程中由生產(chǎn)線上的計(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)修正溫度帶來的影響。
圖3cxt變送電路原理框圖
cxt標(biāo)準(zhǔn)型帶有hart通訊功能。hart（highwayaddressableremotetransducer，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(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還采用了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中使用zui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。
3、典型應(yīng)用
（1）測(cè)量壓力/絕壓
這是zui基本的測(cè)量方法，只需將引壓管接于正壓室即可實(shí)現(xiàn)。
（2）測(cè)量流量
流量是單位時(shí)間內(nèi)流體流過某一截面的總體積或總質(zhì)量。人們?cè)谏a(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體在經(jīng)過管道某一小于管徑的截面時(shí)會(huì)突然收縮，通過后又會(huì)恢復(fù)原狀，這樣就會(huì)在此截面的兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)壓力差，而此壓力差的平方根與體積流量成正比關(guān)系，即：
（3）
對(duì)于質(zhì)量流量m，可由下式計(jì)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(cè)，負(fù)壓室接截面的低壓側(cè)即可。然后用式（3）或式（4）計(jì)算就可以得到此處的流量值。要形成一個(gè)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(cè)量液位
對(duì)于一個(gè)儲(chǔ)液容器，容器內(nèi)液位越高，容器底部所受的靜壓力越大，因此只要測(cè)出容器底部的靜壓力，就可由下式計(jì)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4cxt測(cè)量液位
如圖4所示，在開口容器的zui低液位點(diǎn)取一引壓點(diǎn)，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(cè)得的壓力代入式（5）即可計(jì)算出液位的高度。同樣，對(duì)于密閉容器的液位cxt也能測(cè)量。
cxt除了能用在以上工業(yè)參數(shù)測(cè)量外，還可用做介位、密度等參數(shù)的測(cè)量。
4、cxt智能變送器的性能指標(biāo)
（1）精度0.07%（標(biāo)準(zhǔn)模式）
（2）溫度特性和靜壓影響
（3）穩(wěn)定性
5、結(jié)語(yǔ)
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(xiàng)目中，cxt變送器的使用非常成功，以其可靠性、性以及優(yōu)廉性得到用戶的認(rèn)可。