CN202836902U - 微漏检测差压变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属气体检测装置领域，尤其涉及一种微漏检测差压变送器，它包括硅电容传感器、时间数字转换电路、单片机、D/A转换模块及Hart协议芯片；在单片机内配有温度传感器；时间数字转换电路的输入端与硅电容传感器的输出端相接；单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；单片机的信号输出端分别接D/A转换模块及Hart协议芯片的信号输入端；硅电容传感器包括上极板(1)、下极板(2)及中间极板(3)；上极板(1)及下极板(2)采用玻璃材料；中间极板(3)采用硅材料；中间极板(3)置于上极板(1)与下极板(2)之间，且彼此形成E型结构。本实用新型稳定性高，抗过载能力强，重复性好，测量精度高、响应快。

Description

微漏检测差压变送器

技术领域

本实用新型属气体检测装置领域，尤其涉及一种微漏检测差压变送器。

背景技术

传统金属电容差压变送器在气体微漏检测环境下使用时，普遍存在着电容间隙大，响应时间慢，抗过载能力弱等技术缺陷。在利用高压气体为压力源检测待检产品密封性时，当对产品密封性要求高，且检测数量大时，需要有一种专用的微漏检测仪表，以满足加压响应快、稳定时间短、精度高、过载能力强、重复性好等要求，最终实现产品稳定可靠的批量化生产。

实用新型内容

本实用新型旨在克服现有技术的不足之处而提供一种稳定性高，抗过载能力强，重复性好，测量精度高、加压响应快的微漏检测差压变送器。

为解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的：

一种微漏检测差压变送器，它包括硅电容传感器、时间数字转换电路、单片机、D/A转换模块及Hart协议芯片；

所述时间数字转换电路的输入端与硅电容传感器的输出端相接，其对硅电容传感器进行周期性充放电并记录充放电时间，再将上述时间转化为数字信号；所述硅电容传感器将外界变化的压力信号转换为电容变化值；

所述Hart协议芯片将输入的Hart协议通信信号进行解调并转换为单片机串口通信信号，再将单片机的串口输出信号进行相应的调制；

所述单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；单片机的信号输出端分别接D/A转换模块及Hart协议芯片的信号输入端；单片机接收时间数字转换电路采集的压力信号，并对其进行运算处理。

作为一种优选方案，本实用新型在所述单片机内配有温度传感器，以实时测量硅电容传感器的温度。

作为另一种优选方案，本实用新型所述硅电容传感器包括上极板、下极板及中间极板；所述上极板及下极板采用玻璃材料；所述中间极板采用硅材料；所述中间极板置于上极板与下极板之间，且彼此形成E型结构。

进一步地，本实用新型还设有存储器及显示单元；所述存储器及显示单元的信号输入端分别接单片机的信号输出端。

本实用新型具有稳定性高，抗过载能力强，重复性好，测量精度高、加压响应快等特点。本实用新型的核心部件采用了新型的硅电容传感器，由于其硅油充量少，电容间隙小，测压部分经过过压保护设计，使其响应时间、抗过载能力等方面的性能指标达到普通金属电容传感器的3-5倍。为进一步提高其响应速度，减少加压后的稳定时间，对其容室进行了针对性的设计，并配以聚四氟乙烯密封胶圈。由于微漏检测所使用气压信号差压量程小，静压大，加上时常出现微漏、加压不同步等各种工况，经常使得变送器单向过载，针对以上情况，本实用新型选用了HART协议智能板，作为变送器的信号处理部分，这样既解决了温度补偿问题，又提高了精度，同时还可对零点进行随时调整，进而满足了不同工况下的实际生产要求。

取相同量程、相同精度指标的新型微漏检测差压变送器和普通金属电容差压变送器各50台，经过多次双向加压、单向过压以及通电老化实验分别得出如表2和表3的测试数据：

表2

表3

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型环境温度信号采集和信号处理单元电路原理图；

图3为本实用新型HART协议调制解调电路原理图；

图4为本实用新型硅电容传感器结构示意图；

图5为本实用新型硅电容传感器容室俯视图；

图6为本实用新型硅电容传感器容室侧视图。

图中：1、上极板；2、下极板；3、中间极板。

具体实施方式

如图1所示，一种微漏检测差压变送器，它包括硅电容传感器、时间数字转换电路、单片机、D/A转换模块及Hart协议芯片；

所述硅电容传感器将外界变化的压力信号转换为电容变化值；

所述时间数字转换电路的输入端与硅电容传感器的输出端相接，其对压力传感器进行周期性充放电并记录充放电时间，再将上述时间转化为数字信号；

Hart协议芯片将输入的Hart协议通信信号进行解调并转换为单片机串口通信信号，再将单片机的串口输出信号进行相应的调制；

所述单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；单片机的信号输出端分别接D/A转换模块及Hart协议芯片的信号输入端；单片机接收时间数字转换电路采集的压力信号，并对其进行运算处理。

本实用新型在所述单片机内配有温度传感器，以实时测量硅电容传感器的温度。

参见图4所示，本实用新型所述硅电容传感器包括上极板1、下极板2及中间极板3；所述上极板1及下极板2采用玻璃材料；所述中间极板3采用硅材料；所述中间极板3置于上极板1与下极板2之间，且彼此形成E型结构。

参见图1，所示，本实用新型还设有存储器及显示单元；所述存储器及显示单元的信号输入端分别接单片机的信号输出端。

微漏检测差压变送器在具体设计时，包括硅电容传感器、信号采集板、智能通信板、液晶显示和变送器壳体五部分。

当外界压力发生变化时，传感器的隔离膜片产生机械位移Δd，由测量公式ΔC＝εS/(d±Δd)可知，传感器的电容值也发生相应变化，变化的电容信号经后续的信号处理单元转变为变化的电信号，从而测出输入的压差信号，并传给单片机进行下一步处理。

单片机对这一信号进行各种运算，包括：数字滤波、量程比变换、线性化调整、低端和高端调整、温度补偿等，之后输出反应压力值的数字信号。再经数模转换电路(D/A)将这一信号转换成4-20mA，并以两线制的方式调制到变送器的供电回路中。同时，通过信号调理电路调制成标准的HART协议信号，附加在4-20mA电流信号上，完成与外部设备的通信。单片机不仅处理测量信号，同时，响应外部控制设备的各种HART协议命令来完成变送器的各种智能功能。

参见图3所示，HART modem采用Smar公司的HT2012，其实现HART协议规定的数字通信的编码与译码功能，是专门为HART仪器设计的芯片，片内集成了符合Bell202标准的调制器、解调器、时钟及定时电路、检测控制电路。其外围电路图如图3所示。

参见图1所示，信号采集及处理单元硬件包括：时间数字转换电路、单片机、存储器、显示单元、D/A转换模块及HART协议芯片。

硅电容传感器将外界变化的压力信号转换为电容变化值；时间数字转换电路的输入端与硅电容传感器的输出端相接，其对硅电容传感器进行周期性的充放电并记录充放电时间，然后将充放电时间转化为数字信号；单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；单片机的信号输出端分别接存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议芯片的输入端；单片机接收时间数字转换电路采集的压力信号，并对其进行运算处理；存储器用于存储预设参数；显示单元用于显示工作信息；在D/A转换模块将测量结果转化为模拟量后控制整个电路部分的电流分配；Hart协议芯片将输入的Hart协议通信信号进行解调并转换为单片机串口通信信号，再将单片机的串口输出信号进行相应的调制；单片机内配有温度传感器，以实时测量压力传感器的温度；单片机与存储器、显示单元及时间数字转换电路通过SPI总线进行数据交换。

硅电容传感器采用极距变化型的工作原理，其主体结构为玻璃一硅一玻璃对称的差容结构，其中，硅敏感芯片作为电容的可动极板，淀积有金属化薄膜的玻璃极板则作为电容的固定极板，起到固支密封及电极导出作用。硅电容传感器核心检测单元以硅晶体为基础材料，利用MEMS工艺制作，采用特有膜片过载保护结构及零点静压、量程静压软件补偿设计，316L隔离膜片封装。单端过载能力可达到量程20倍以上。硅电容传感器的基础电容45pF，电容变化＞20％，线性＜0.2％，表1中是1.5kpa量程硅电容传感器测试数据。

表1

硅电容传感器结构及其工作原理如图4所示：上下极板为玻璃，中间极板为Si材料的E型结构，用MEMS工艺制作，硅和玻璃用静电封接连接。其测量公式是：ΔC＝εS/(d±Δd)......(1)

公式1中：ε-介电常数；

S-芯片极板面积；

d-芯片原始极板间隙；

Δd-在压差是Δp时d的变量。

由公式1可知，当在硅电容传感器极板上反复加相同的压力时，极板位置的重复性，是决定传感器精度的重要因素之一。由于该传感器采用硅材料，而硅材料在外力作用下比金属电容传感器的膜片所采用的材料具有更好的弹性和硬度特性，因此硅电容传感器比金属电容传感器具有更好的精度和稳定性。

参见图5及图6所示，微漏检测通常是在高静压条件下测量小量程压力，此时对测量回路的气体密封性要求很高。因此需要采用特制小容室壳体和密封圈，保证气室内气体缓冲时间短和零泄漏。在容室壳体与工作台接触处采用精确匹配的O型槽和氟胶O型圈密封，并用螺栓使其与工作台固定，保证检测用气体整体无泄漏，以提高检漏时的快捷、准确。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微漏检测差压变送器，其特征在于，包括硅电容传感器、时间数字转换电路、单片机、D/A转换模块及Hart协议芯片；

所述时间数字转换电路的输入端与硅电容传感器的输出端相接，其对硅电容传感器进行周期性充放电并记录充放电时间，再将上述时间转化为数字信号；所述硅电容传感器将外界变化的压力信号转换为电容变化值；

所述Hart协议芯片将输入的Hart协议通信信号进行解调并转换为单片机串口通信信号，再将单片机的串口输出信号进行相应的调制；

所述单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；单片机的信号输出端分别接D/A转换模块及Hart协议芯片的信号输入端；单片机接收时间数字转换电路采集的压力信号，并对其进行运算处理。

2.根据权利要求1所述的微漏检测差压变送器，其特征在于：在所述单片机内配有温度传感器，以实时测量硅电容传感器的温度。

3.根据权利要求2所述的微漏检测差压变送器，其特征在于：所述硅电容传感器包括上极板(1)、下极板(2)及中间极板(3)；所述上极板(1)及下极板(2)采用玻璃材料；所述中间极板(3)采用硅材料；所述中间极板(3)置于上极板(1)与下极板(2)之间，且彼此形成E型结构。

4.根据权利要求3所述的微漏检测差压变送器，其特征在于：还设有存储器及显示单元；所述存储器及显示单元的信号输入端分别接单片机的信号输出端。

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