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智能压力变送器
*节 工作原理
1、工作原理
本节叙述压力/差压变送器的基本工作原理,图1所示的方块图是电容压力/变压变送器的工作原理。
1.1“δ”室传感器(敏感元件)
变送器的核心是一个电容式压力传感 器,称为“δ”室(见图2)。传感器是一个*密封的组件,流程压力通过隔离膜片和灌充液传递到传感膜片引起位移。传感膜片和两电容极之间的差动电容由电子部件转换成二线制4-20mA DC信号。
这种转换是基于下述公式:
式中:P为被测压力
K1为常数
C1为高压侧极板和传感膜片之间的电容
C2为低压侧极板和传感膜片之间的电容
式中: 为恒定的电流值
VP-P为振荡电压的峰---峰值
f为振荡频率
式中:Idiff为流过C1C2的电流差
式中:Isig输出信号电流
K2为常数
因此得:Isig=K2
=常数*P
流程压力通过隔离膜片和灌充液传递到δ室中心的传感膜片,基准压力以同样的方式传递到传感膜片的另一侧,传感膜片的位移与差压成正比。传感膜片的位置由其两侧的电容极板来测定。传感膜片和两极板间的电容量均大约是150PF。传感器由一个振荡器驱动(其频率大约是32kHZ,振幅大约是VP-P≈30V),然后通过解调器整流的。
1.2解调器和振荡器
解调器由V1~V8二极管桥路组成,其作用是对振荡器交流信号进行整流。二极管桥路和量程温度补偿热敏电阻放在传感器组件内,该热敏电阻的补偿作用是由安装在电气盒中的电阻来控制的。振荡器由电子元件及振荡变压器组成。其振荡频率取决于传感器的测量电容和振荡变压器的绕组电感量。传感器的测量电容随压力发生变化,因此其振荡频率也随着发生微小的变化(大约为32kHz左右)。
1.3 A/D转换
A/D转换电路采用16位低功耗集成电路。将解调器输出的模拟信号转换成数字信号,提供给微处理器作为输入信号。
1.4 微处理器
变送器的微处理器控制A/D和D/A转换工作,也能完成自诊断及实现数字通讯。工作时,一个数字压力值被处理器所处理,并作为数字存储,以确保精密的修正和工程单位的转换。此外,微处理器也能完成传感器的线性化、量程比、阻尼时间及其它功能设定。
1.5 EEPROM存储器
EEPROM存储所有的组态,特性化及数字微调的参数,存储器为非易失性,因此即使断电,
存储的数据仍能完好保持,以随时实现智能通讯。
1.6 D/A转换
D/A转换将微处理器送来的经过校正的数字信号转换成4~20mA模拟信号并输出给回路。
1.7 数字通讯
通过一台通讯器,对智能电容压力/差压变送器进行测试和组态。或通过任意支持HART通讯协议的上位系统主机完成通讯。HART协议使用工业标准的BELL202频率相移键控(FSK)技术,以1200Hz或2200Hz的数字信号叠加在4~20mA的信号上实现通讯,通讯时,频率信号对4~20mA的过程不产生任何干扰。
2、快速采样计算的滤波方法
电容传感器要求用交流电流去激励出一个电容信号,交流电流由一个32kHz频率的振荡器产生。这一32kHz的交流信号经过传感器中的测量电容耦合至地。因为这种耦合方式,会使负载上可能出现一个附加电压,其大小取决于所选择的接地方式(见图3)。
附加电压对计算机产生的影响,该计算机采样时间为100毫秒,信号电压为2-10V。
在负载上出现的这个交流附加电压是一种高频噪音信号,对大多数仪表是没有影响的。但是当计算机采样周期较短时,如按图1-3D的电路接线,则计算机会检测到一个较大的噪音信号,为了滤除这一噪音信号,必须在负载两端跨接一个1μF大电容或一个32kHz频率的LC滤波器。计算机的连接和接地方法如图1-3a~1-3c所示时,噪音电压的影响不明显,所以不需加滤波器。
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