SST数字化隔离型压力/差压变送器 SST Digital Isolated Pressure Transmitter   刘庆 重庆市伟岸测器制造有限公司，重庆 401121 Liu Qing CHONG QING WECAN PRECISION INSTRUMENTS,Chongqing 401121)         摘要：全面介绍了重庆市伟岸测器制造有限公司的新一代SST压力/差压变送器的结构特点，细致地解释了 电路隔离技术的优点，阐明了封闭结构的意义，分析了激光焊接工艺优 Abstract: This paper introduces the advantages of new generation SST-series transmitter developed by WECAN INSTRUMENTS. In detail, it describes isolationtechnique applied to the transmitter, explains the significance of sealing applied to assembly of transmitter body, analyzes the improvement of laser welding for sensors and emphasizes the importance of compound compensation relating to temperature. 关键词：电容传感器、隔离技术、封闭结构、激光焊接、组合补偿势，强调了温度组合补偿的重要性。 Key words: capacitive sensor, isolation technique, sealing, laser welding, compound compensation1   1  引言             随着半导体工业和计算机技术日新月异的突飞猛进，工业系统自动化程度达到前所未有的高度。改革开 放二十多年来，中国工业飞速发展，正逐渐成为一个制造大国。制造业的发展极大地促进了仪表工业的 发展。在这样的背景下，中国仪表业势必肩负起历史的责任，在仪表的研发、制造上努力进取，开拓创新 。变送器作为工业自动化现场仪表，具有相当重要的地位。伟岸测器制造有限公司作为国内变送器研发、 制造的知名企业，根据国内工业自动化实际情况，不断推陈出新，发展自己的核心技术。新一代SST数字 压力/差压变送器着眼于工业现场恶劣的环境，采用已经成熟的隔离技术，是仪表更加可靠，稳定，在结 构上采取密封结构，大大增强防护能力，同时传感器工艺上引入激光焊接提高传感器性能，在软件补偿方 面增加组合补偿，使其在极限环境温度下亦能保持良好的精度。 2   电容传感器的结构电容传感器结构如图1所示：   图1 传感器结构 Fig.1 Sensor structure         电容传感器由两个膜座组合焊接而成，形成一对差动电容。电容的两个独立电极分别为膜座玻璃表面的镀膜层。焊接工艺导致膜座金属体形成电容公共电极，与传感器及变送器金属壳体短接。通常来说，变送器壳体是与大地相通的，因此地共模电压以及强干扰将是潜在的危险。传感器等效电路，如图2所示：   3 传感器隔离        一般来说，变送器采用二线制供电（24V），电流是输出信号，这种两线制电路的一个特点是 内部处理电路的地（信号地）与供电地（24V地）是不能直接连接的，而且它们之间的电压随输出电流变化而变化。 这样就存在一个问题，如果直接将传感器接到电路上，则电路就和壳体连通，壳体也就与供电线之间存在阻性，如 果在壳体与供电线之间施加一个直流电压，则必然严重影响输出电流。电压如果较高（如ESD、现场高电压），就 会击毁电路。所以原电路在设计时就增加了三个隔离电容来起隔离信号的作用，如图3所示：                                         图3 电容隔离电路Fig.3 Equivalent circuit isolated by capacitors 电容C1，C2，C0即是隔离电容。    将干扰加入后如图4所示：   图4 干扰信号示意 Fig.4 Sketch for noise or interference     电容串联将引起等效电容的变化，公式为：               显然，等效电容应基本等于原来的传感器电容，因此要求 C1>>CH  C2>>CL。本质安全仪表要求隔离电容耐压高于500V。电容的体积是与电容值和耐压值成正比的，通常选择22nF/630V电容。这种方式对直流电压的隔离是有限的，而且必须保证隔离电容的高稳定性。传感器电容通常只有100~300pF，较低频率交流信号不会传入处理电路，但有可能由C0这一通路传入，因此抗交流干扰的能力不好。伟岸公司新型数字变送器采用了完全的隔离方式，如图5所示：  图 5 完全隔离示意 Fig.5 Sketch for completely isolated transmitter      从上图可以看出，通过完全的隔离，信号电路与信号处理电路完全隔离，壳体与电源线之间没有通路，无论是交流或直流都被隔离，信号电路以壳体为地基准，免去了隔离电容方式存在的问题。无论从电源线或壳体，干扰信号不能形成有效的回路，使信号电路的工作受外界的影响非常小。因此，这种隔离方式使变送器更加的安全可靠，适应于恶劣的工业现场。 4   封闭式防护结构    电容传感器敏感元件为电容，电容值取决于介质介电系数、电容几何结构，在构成测量电路时还要受寄生电容、分布电容的影响。由于传感器电容值较小，一般120pF~300pF，容易受到外界影响。由于传感器主电容的介质为密闭的硅油，其介电性能比较稳定，所以影响主要来自寄生电容和分布电容。比较突出的因素是潮气，一旦有潮气侵入，则寄生电容和引线分布电容将发生比较大的变化，甚至引起传感器性能发生劣化。此外，变送器电子仓也必须防潮，否则因为安装或使用不当，或特殊环境将造成电路板无法正常工作，甚至腐蚀、损坏。     新型数字变送器采用了与以前不同的防护策略，其结构如图6所示：   图6         新结构将变送器信号电路板、主电路板分层置于传感器套子上部，用盖子封住，并采用焊接方式密封，与外界接线处用环氧树脂灌封。由于处理电路置于密封体内，外部接线仅仅是二线制电源线和表头通信线，非常精简。实际已经可以独立运行，上部电子仓仅仅是表头安装，没有核心电路，即使因为某种原因，电子仓受损，变送器仍能正常工作。此部分我们进行了长时间浸水试验，表明防护功能非常奏效。    电子仓部分，我们也采取了先进的结构，表头保持了重庆伟岸数字变送器的风格，具有多功能按键和液晶显示，可完成复杂的参数设置和校准，通信接口可以非常方便地进行交互操作。为进一步进行电路保护，我们对端盖和外部按钮进行了更新设计，端盖的可靠性大大提高，磁棒按钮结构，彻底解决按钮进水的问题。     无论从理念还是试验结果看，新一代数字变送器都具有高可靠性，防护能力大大提高，能适应恶劣环境。 5   激光焊接工艺              金属电容传感器制造仍然具有很高的工艺难度，焊接工艺处于非常核心的地位。理论和实践都证明，测量膜片对焊接应力及热变形非常敏感，特别是低量程传感器。传统的焊接工艺采用氩弧焊，焊接热影响区比较宽，焊接应力大，使传感器性能难有突破性提高。激光焊接技术已经是非常成熟的一项工艺，其特点就是热影响区窄，深宽比更大，焊接热应力小。经过长时间的工艺试验，我们逐渐掌握激光焊接技术，并将其应用到低量程传感器上。从传感器性能测试看，激光焊接的确非常明显地提高了传感器的稳定性和线性精度。 6   组合补偿              电容传感器对温度的敏感度很不一致，不能采用统一的参数来进行温度补偿，因此每台都应在高低温箱中进行温度过程补偿。随着温度的变化，传感器零点会出现漂移，主要是由传感器随环境温度变形不平衡所引起。同时，测量膜片的张力及弹性系数也会随着温度变化。因此，温度补偿实际是二维的，即温度和压力，补偿的过程比较繁琐。温度补偿是变送器调校中最耗时的部分，在条件不足的情况下仅仅进行零点的温度补偿。这种补偿是不全面的，在一定温度下精度可能会变得很差。     伟岸新型数字变送器全面采用组合补偿，通过自行开发的高低温箱及软件，在每个温度点进行零点和量程补偿。只有通过这样的补偿，才能保证全工作温度范围内的精度。 7   结束语         本文全面介绍了伟岸测器制造有限公司的新一代SST压力/差压变送器的结构特点，就电路隔离、封闭结构、 激光焊接工艺和温度组合补偿进行了细致的描述，从中可以看出新一代SST压力/差压变送器具有许多的优点，符合变送器发展的方向，也展示了重庆伟岸公司新一代变送器先进的综合性能。我们将继往开来，努力奋斗，为中国的自动化仪表做出自己的贡献。 参考文献 1．侯国章. 测试与传感器技术. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.12 2．樊尚春. 传感器技术及应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.8 3．严钟豪、谭祖根. 非电量电测技术. 北京：机械工业出版社，1989.11 4．白同云、吕晓德. 电磁兼容设计. 北京：北京邮电大学出版社，2001.3 5．徐建平.  仪表本安防爆技术.  北京：机械工业出版社，2002.4 6．铃木春义、田春博.著，严鸢飞等译 焊接金属学. 北京：机械工业出版社，1982.11 7. M.Elwenspoek, R.Wiegerink 著， 陶家渠，李应选等译. 硅微机械传感器. 北京：中国宇航出版社，2003.9  8．B PUERS, E PEETERS, A VAN DEN BOSSCHE and W SANSEN.  A Capacitive Pressure Sensor with Low Impedance Output and Active Suppression of Parasitic Effects.  Sensors and Actuators, A21 -A23 (1990) 108-l 14