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智能壓力變送器

*節(jié)　　工作原理

1、工作原理

本節(jié)敘述壓力/差壓變送器的基本工作原理，圖1所示的方塊圖是電容壓力/變壓變送器的工作原理。  

1.1“δ”室傳感器（敏感元件）

變送器的核心是一個(gè)電容式壓力傳感 器，稱(chēng)為“δ”室（見(jiàn)圖2）。傳感器是一個(gè)*密封的組件，流程壓力通過(guò)隔離膜片和灌充液傳遞到傳感膜片引起位移。傳感膜片和兩電容極之間的差動(dòng)電容由電子部件轉(zhuǎn)換成二線制4-20mA DC信號(hào)。

這種轉(zhuǎn)換是基于下述公式：

• P=K₁

式中：P為被測(cè)壓力　

K₁為常數(shù)　

C₁為高壓側(cè)極板和傳感膜片之間的電容

      C₂為低壓側(cè)極板和傳感膜片之間的電容

• fV_P-P=

式中: 為恒定的電流值　　

V_P-P為振蕩電壓的峰---峰值　　

f為振蕩頻率

• Idiff= fV_P-P（C₁-C₂）

式中：Idiff為流過(guò)C₁C₂的電流差

• Isig=K₂* Idiff

式中：Isig輸出信號(hào)電流　　

K₂為常數(shù)

因此得：Isig＝K₂      

    =常數(shù)*P

流程壓力通過(guò)隔離膜片和灌充液傳遞到δ室中心的傳感膜片，基準(zhǔn)壓力以同樣的方式傳遞到傳感膜片的另一側(cè)，傳感膜片的位移與差壓成正比。傳感膜片的位置由其兩側(cè)的電容極板來(lái)測(cè)定。傳感膜片和兩極板間的電容量均大約是150PF。傳感器由一個(gè)振蕩器驅(qū)動(dòng)（其頻率大約是32kHZ，振幅大約是V_P-P≈30V），然后通過(guò)解調(diào)器整流的。

1.2解調(diào)器和振蕩器

解調(diào)器由V1~V8二極管橋路組成，其作用是對(duì)振蕩器交流信號(hào)進(jìn)行整流。二極管橋路和量程溫度補(bǔ)償熱敏電阻放在傳感器組件內(nèi)，該熱敏電阻的補(bǔ)償作用是由安裝在電氣盒中的電阻來(lái)控制的。振蕩器由電子元件及振蕩變壓器組成。其振蕩頻率取決于傳感器的測(cè)量電容和振蕩變壓器的繞組電感量。傳感器的測(cè)量電容隨壓力發(fā)生變化，因此其振蕩頻率也隨著發(fā)生微小的變化（大約為32kHz左右）。

1.3 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換電路采用16位低功耗集成電路。將解調(diào)器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，提供給微處理器作為輸入信號(hào)。

1.4 微處理器

變送器的微處理器控制A/D和D/A轉(zhuǎn)換工作，也能完成自診斷及實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊。工作時(shí)，一個(gè)數(shù)字壓力值被處理器所處理，并作為數(shù)字存儲(chǔ)，以確保精密的修正和工程單位的轉(zhuǎn)換。此外，微處理器也能完成傳感器的線性化、量程比、阻尼時(shí)間及其它功能設(shè)定。

1.5 EEPROM存儲(chǔ)器

EEPROM存儲(chǔ)所有的組態(tài)，特性化及數(shù)字微調(diào)的參數(shù)，存儲(chǔ)器為非易失性，因此即使斷電，

存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)仍能完好保持，以隨時(shí)實(shí)現(xiàn)智能通訊。

1.6 D/A轉(zhuǎn)換

D/A轉(zhuǎn)換將微處理器送來(lái)的經(jīng)過(guò)校正的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20mA模擬信號(hào)并輸出給回路。

1.7 數(shù)字通訊

通過(guò)一臺(tái)通訊器，對(duì)智能電容壓力/差壓變送器進(jìn)行測(cè)試和組態(tài)。或通過(guò)任意支持HART通訊協(xié)議的上位系統(tǒng)主機(jī)完成通訊。HART協(xié)議使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的BELL202頻率相移鍵控（FSK）技術(shù)，以1200Hz或2200Hz的數(shù)字信號(hào)疊加在4~20mA的信號(hào)上實(shí)現(xiàn)通訊，通訊時(shí)，頻率信號(hào)對(duì)4~20mA的過(guò)程不產(chǎn)生任何干擾。

2、快速采樣計(jì)算的濾波方法

電容傳感器要求用交流電流去激勵(lì)出一個(gè)電容信號(hào)，交流電流由一個(gè)32kHz頻率的振蕩器產(chǎn)生。這一32kHz的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器中的測(cè)量電容耦合至地。因?yàn)檫@種耦合方式，會(huì)使負(fù)載上可能出現(xiàn)一個(gè)附加電壓，其大小取決于所選擇的接地方式（見(jiàn)圖3）。

附加電壓對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的影響，該計(jì)算機(jī)采樣時(shí)間為100毫秒，信號(hào)電壓為2-10V。

在負(fù)載上出現(xiàn)的這個(gè)交流附加電壓是一種高頻噪音信號(hào)，對(duì)大多數(shù)儀表是沒(méi)有影響的。但是當(dāng)計(jì)算機(jī)采樣周期較短時(shí)，如按圖1-3D的電路接線，則計(jì)算機(jī)會(huì)檢測(cè)到一個(gè)較大的噪音信號(hào)，為了濾除這一噪音信號(hào)，必須在負(fù)載兩端跨接一個(gè)1μF大電容或一個(gè)32kHz頻率的LC濾波器。計(jì)算機(jī)的連接和接地方法如圖1-3a~1-3c所示時(shí)，噪音電壓的影響不明顯，所以不需加濾波器。

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