下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
电容式压力变送器为微位移式变送器。变送器唯一可动部件是测量膜片，利用测量膜片的微位移产生电容变化量，经测量电路转换为统一的标准信号。测量准确度可达0.2%，可靠性高，使用维护方便，并可小型化。目前，国内已从美国Rosemount公司引进1151系列电容式压力变送器，包括压力、差压、绝对压力、带开方器的差压（用于流量测量）等品种以及高差压、微差压、高静压等各种规格的产品。下面以1151系列电容式压力变送器为例进行介绍。
（1）结构形式
电容式压力变送器由测量部分和转换部分组成。测量部分按照充液室的数量可分为“一室”和“二室”两种结构形式。转换部分采用组件化、插件化、固态化测量电路。
①一室结构 一室结构如图1-3-8所示。
图1-3-8 一室结构
1，2—隔离膜片；3—可动电极；4—中心轴；5—测量膜片；6—绝缘体；7，8—固定电极；9—节流孔
一室结构中的两侧隔离膜片1、2和中心的测量膜片5是用中心轴4机械地连在一起的，测量膜片周边固定在机体上，其上焊有可动电极3。在可动电极两侧绝缘体6上蒸镀金属层而构成固定电极7、8，从而组成平行板式差动电容 C L 、 C H 。
测量部件内充满硅油，以传递工作压力，在高压和低压腔室之间有通道相通，并设置节流孔9，调整节流孔径可以产生阻尼效应，反应时间常数可达15s。被测介质压力引入后，隔离膜片受压力作用，使中心轴受力产生位移，因而使测量膜片产生挠曲变形，动极板随之移动，动极板与固定电极的间隙发生变化，即电容 C L 、 C H 的电容值发生差动变化，差动变化经电子转换电路转换，输出与被测压力（差压）成正比的4～20mA标准直流电流信号。
隔离膜片的过压保护是“全型面”的，即过压时隔离膜片全部紧贴本体，安全可靠。此外，隔离膜片上设有温度补偿片，可以吸收由温度变化引起的充液体积的变化，以保证良好的温度稳定性。
②二室结构 图1-3-9所示为二室结构。这种结构没有中心轴，由测量可动电极3分隔成完全相同的、对称的二室。玻璃与金属杯体烧结后，磨出球形凹面，然后在玻璃表面蒸镀一层金属膜，构成了球面固定电极4、5，测量膜片焊在两个固定极板之间成为可动电极。固定极板外侧焊有隔离膜片1、2，在二室空腔内充满硅油。当被测压力（或差压）作用于隔离膜片上时，测量膜片发生挠曲变形，作为测量膜片的电容活动极板和其两边的球面固定电极相对位置发生变化，引起电容 C L 、 C H 发生变化，经电子线路变换为与被测压力（或差压）成正比的4～20mA标准直流电流信号。当发生过压时，测量膜片与球面固定电极相贴合，从而得到过压保护，固定电极表面涂一层绝缘漆。隔离膜片的过压保护同样是“全型面”的。
图1-3-9 二室结构
1，2—隔离膜片；3—可动电极（测量膜片）；4，5—球面固定电极；6—绝缘体
（2）特点
①灵敏度高。电容式压力变送器利用变电容原理，只需输入很小的能量，使可动电容极板的位置发生变化，因此可以制造出测量微压的变送器。
②电容量的相对变化量大。电容量的相对变化量Δ C / C 可达到30%～50%，可获得较大的输出信号，这对减小外部干扰的影响，保持长期工作的稳定性，实现大的量程比十分有利。
③环境适应性强。电容式变送器结构简单，不使用有机材料和磁性材料；电容极板材质变化不影响工作特性；电容极板间介质的介电常数的温度系数很小，所以可承受高温工作条件，可适应有辐射热的环境。由于电容可动极板的质量很小，因此其固有频率高，耐冲击和抗振能力强。
④工作稳定性优良。由于电容式变送器具有电容相对变化量大，结构简单等特点，所以设计和制造时只要保证几何尺寸不变，材料选择只需考虑材料的力学性能，便可获得优良的长期工作稳定性，特性漂移小。此外，还具有动态响应快、自热效应小和内摩擦很小等优点。结构上，这种变送器很容易实现过压保护，而且保护可靠。
⑤分布电容的影响。分布（杂散）电容的存在会造成灵敏度下降，非线性增大。解决该问题的办法是选择低介电常数的绝缘体，使极板和本体之间的杂散电容很小，并在测量电路中设置线性调整单元，以及使用接插件消除连接电缆电容的影响等。
⑥测量膜片工作特性的非线性。电容式变送器用于测量低压力时，由于受测量膜片厚度的限制，存在着工作特性非线性。可采用张紧工艺使膜片具有初始预紧张力，使膜片的刚度获得较大的增加，感受的压力与位移呈线性关系，而且滞后小，耐振动和耐冲击的能力得到了提高。
图1-3-10为1151AP型绝压变送器的测量电路原理。差动电容被置于充满隔离液的密封容器中，工作时，高、低压侧的隔离膜片和隔离液将介质压力传递给传感器中心的传感膜片（可动极板）上。传感膜片是一种张紧的弹性元件，其位移随所受差压而变化。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量Δ d 为0.10mm，且位移量与压力成正比。两侧的固定电容极板与传感膜片构成双电容差动结构。差动电容经测量变换电路转换为相应的电流、电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。
图1-3-10 1151AP型绝压变送器的测量电路原理
智能型变送器的线路板模块采用专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）和表面封装技术。线路板模块接收来自传感器膜头的数字信号和修正系数后，对信号进行修正和线性化。线路板模块的输出部分将数字信号转换成模拟信号输出，并与HART手操器通信。液晶表头插入线路板，可显示以压力工程单位或百分比为单位的数字输出。液晶表头适用于标准变送器和低功耗变送器。组态数据存储在变送器线路板上的永久性EEPROM存储器中，变送器断电数据仍能保存，因此变送器通电即可工作。
智能型变送器将过程变量以数字数据方式存储，可进行精确修正和工程单位转换，然后经修正的数据被转换成模拟输出信号。HART手操器可直接存取传感器的数字信号，而不需数/模转换，从而达到更高精度。1151型智能压力变送器采用HART协议通信，该协议采用工业Bell202频移键控（FSK）技术，将一个高频信号叠加在电流输出信号上实现远程通信。该技术可以同时通信和输出，而不影响回路一致性。
手操器HART协议使用户很容易对1151型智能压力变送器进行组态、测试和具体设置。组态包括：①对变送器可操作参数的设置，包括设置零点和量程、设置点线性或平方根输出、工程单位选择等；②可存入变送器的信息性数据，以识别变送器和对变送器进行物理描述。这些数据包括：工位号（8个字母数字字符）、描述符（16个字母数字字符）、信息（32个字母数字字符）、日期等。除了以上可组态参数外，1151型智能压力变送器的软件中还包含可修改信息如变送器类型、传感器极限、最小量程、隔离液、隔离膜片材料、膜头系列号和变送器软件版本号。
1151型智能压力变送器可进行连续自检。如发现问题，变送器则激活用户可选的模拟输出报警。用HART手操器可以查询变送器以确定问题所在。变送器向手操器输出特定信息，以便识别故障，实现快速检修。如果操作者确信是回路故障，变送器可根据要求提供特定输出，供回路测试使用。
该系列变送器采用小型化设计，具有精度高、体积小、重量轻、坚固耐振、长期稳定性好、防爆、启动时间短的特点，可用于储气系统、精馏塔、流体输送设备和传热设备中的压力测量。为保证测量精度，变送器应定期校正。
爱默生-罗斯蒙特公司的3051C差压变送器是一种智能型二线制变送仪表，它将输入差压（或压力）信号转换成4～20mA的直流电流和数字通信（HART）信号。
（1）3051C的结构特点
3051C智能变送器是在1151S智能变送器的基础上开发的，而1151S智能变送器是在1151模拟变送器的基础上开发的。1151S的膜盒和1151模拟变送器相同，均为电容式（或称 δ 室，表示微位移）传感器，但其电子部件不同。1151模拟变送器采用的是模拟电子线路，输出的是4～20mA模拟信号；而1151S智能变送器采用的是以微处理器为核心部件的专用集成电路，整个变送器的电子部件由一块板组成，既可以输出4～20mA模拟信号，又能在4～20mA上叠加数字信号，还可和手持终端或其他支持HART通信协议的设备进行数字通信，实现远程设定零点和量程。
1151S智能变送器的技术性能优于1151模拟变送器，基本精度为±0.1%，最大测量范围为模拟变送器的2倍，量程比为15: 1，并且稳定性、温度特性等优于1151模拟变送器。
将1151S电容室移到电子罩的颈部后，成为3051C变送器结构，使电容室远离过程法兰和被测介质，当被测介质温度发生变化时，电容传热影响减弱，仪表的温度性能和抗干扰性能提高。
（2）传感器组件
3051C变送器有电容式和压电式两种传感器类型。电容式传感器适用于测量差压和表压，常用于表压、流量和液位测量。压电式传感器适用于测量绝压，常用于真空及液位测量。
①电容式传感器。电容式传感器将差压变化转换为电容的变化。3051C变送器选用高精度电容式传感器，其工作原理参见1151模拟变送器传感器部分。
电容式传感器如图1-3-11所示。
图1-3-11 电容式传感器
①—全焊接的密封设计；②—316L不锈钢外壳；③—采用土星检测技术；④—共平面的过程隔离法兰；⑤—多总线输出信号；⑥—采用专用集成电路ASIC技术；⑦—单一电路板
传感器组件中的电容室采用激光焊封。机械部件和电子组件同外界隔离，既消除了静压的影响，也保证了电子线路的绝缘性能，同时检测温度值，以补偿热效应，提高测量精度。电容式压力传感器具有测量精度高、测量重复性好、动态响应快、对温度静压敏感度小等优点。
②膜盒。3051C变送器的膜盒部件和传统的膜盒部件不同，其体积缩小，重量减轻，整机的性能有很大提高，基本精度为±0.075%～±0.1%，量程比为100: 1，其他性能，如静压、温度、单向特性，均有较大改善。
膜盒制造过程中，需经温度和压力等特性试验。虽然膜盒是批量生产的，但不同的膜盒特性仍有差异，需要不同的校正系数。3051C变送器的检测部件中，增加了传感器存储器，用以存放传感器的信息和校正系数。转换时，微处理器可根据这些信息和校正系数，对传感器进行线性修正，不但提高了仪表精度，而且还增加了零部件之间的互换性。此外，3050C变送器的检测部件中，还增加了测温传感器，用以修正环境温度变化而引起的热干扰。
③原理框图。图1-3-12所示为3051C变送器的原理框图，该变送器选用电容传感器。3051C变送器由传感器组件和电子组件两部分组成。3051C变送器的工作原理是基于被测差压通过隔离膜片和填充液作用于电容中心的感压膜片，使之产生微小位移，感压膜片和其两侧电容极板所构成的差动电容值随之改变，差动电容值与被测差压的大小成比例关系。电容传感器输出的信号经信号处理（A/D转换）和微机处理后得到与输入差压对应的4～20mA直流或数字信号，作为变送器的输出。
图1-3-12 3051C变送器的原理框图
变送器的电子部件安装在一块电路板上，使用专用集成电路（ASIC）和表面封装技术。
3051C变送器由传感器和微处理器构成，充分利用了微处理器的运算和存储功能，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理或处理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。微处理器为智能式变送器的核心，不但可对测量数据进行计算、存储和数据处理，还可通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而可以完成传统变送器难以完成的任务。