专利名称：智能电容式差压变送器及方法
技术领域：
本发明涉及测量两个或更多个压力差值的设备或仪表，特别是一种 应用于石油、化工、冶金、环保等行业的智能电容式差压变送器及方法。
背景技术：
差压变送器是检测、传送、显示、控制气体、液体、固体等物质间 作用力的装置，它将压力信号转换成电信号并用于进行自动测量和自动 控制的生产环节， 一般有力平衡式、电容式、应变式、压电式、压阻式 等，与力平衡式相比，电容式没有传动机构，尺寸紧凑、抗振性好、精 度高、调零及调量程互不干扰，近来获得了广泛的应用，目前我国西安、 北京都己生产包括压力、差压、绝对压力、带开方的差压变送器等品种 及高差压、高静压等规格产品。
现有的带HART总线的智能差压变送器其原理框图如图2所示，其 结构由T形管壳；安装于T形管壳的下部垂直管壳内，.两面与高、低压 管件接口连接的敏感元件10 (如图l.所示的两室结构电容式差压传感 器)；安装于T形管壳的下部垂直管壳内，由振荡器ZH，解调器JT， 振荡控制器,ZK， 1/V转换器组成的振荡电路板单元5;安装于T形管壳 的上部水平管壳内，由微处理器MP (MSP430F427)，数字通讯ST (芯 片HT2012PL和外围电路)，D/A信号转换(AD421)，电源部分组成的变 送器主电路板单元4和由显示模块，按键组成的显示模块电路板单元3 构成。
如图l、 2所示，敏感元件有三根引线(高压电容极板，低压电容极 板引线，和公共极板引线)，其中高压电容极板，低压电容极板引线直 接连接到解调器中的平衡电容C1、 C2的一端，其公共极板引线接地并通 过电容C。接到电源V+端。
和敏感元件10设置在一个壳体内的的温度传感器12输出通过振荡 电路板单元5转接到微处理器MP的A/D模数转换输入接口6脚。三极管B与 变压器线圈L4、 L5、电阻R、电容C构成振荡频率为32KHz的振荡器，振 荡器通过变压器线圈L1， L2， L3耦合给解调器，解调器通过整流的原理， 将流过敏感元件中的高压电容的电流，低压电容的电流在线圈L2进行矢
量相加，相加得出的电流信号通过连线接到i/v转换器中的运放输入端
TLC2254芯片2脚，信号经过I/V转换器，转换成差动电压信号S+， S-，并通过导线连接到主电路板单元中MP的模数转换A/D输入接口2， 3脚，振
荡控制器通过反馈运算放大器K输出至振荡器的三极管B发射极线圈，使 其振巾虽稳定。
微处理器单元通过模数转换接口采集振荡电路板单元输出的电压 信号和温度传感器信号，将采集的电压信号进行数字滤波处理并根据环 境温度按特定规律进行校准补偿。运算结果通过通用I/0输入输出接口 51、 52、 53脚送到D/A芯片的数据接口7，时钟接口6，和片选接口5， D/A
芯片将接受的结果转换为电流输出。
来自4mA-20mA回路上与HART兼容的数字信号通过引线接数字通讯 滤波电路的运放输入接口，滤波后接数字通讯中HT2012PL芯片的解调信 号输入接口4脚，解调后经过HT2012PL芯片的串口输出接口 14脚输至MP 串口输入59脚。MP把它的响应信号经调制通过MP的串口输出接口60脚送 到数字通讯中的HT2012PL的串口输入27脚，调制后经过HT2012PL的16脚 送到4mA-20mA回路与系统控制器进行数字通讯。
变送器主电路板单元中MP通过通用输入输出接口1/0 ll，. 44, 45， 46， 47与由显示模块单元中的控制接口和按键连接，控制其显示压力值 和菜单信息及其他单位的信息，并且配合按键对变送器进行量程，,零点， 满程，阻尼，单位，显示模式，显示精度等设置。
但是，现有的电容式差压变送器存在下述问.题A.电路复杂，由振 荡器、振荡控制器、解调器、1/V转换器构成的振荡电路板单元就需要 几十个分立元件、造成焊接复杂、体积较大、抗干扰能力及可靠牲较差。 B.其敏感元件中的电容充放电易受温度影响工作不稳定。C.电路对元件 的温度特征和精度要求较高，增加了采购、进厂检验的工作量。.'D.电路 调试比较困难。E.现有振荡器使用的32KHZ高频对电路影响较大，因此 使电路抗干扰能力、PCB布线要求提高。F.现有的变送器其主电路板与 显示模块电路板以一端形成有螺公，另端形成有螺孔的螺柱叠层螺接于 变送器的水平管壳内的隔板螺孔内，其上电路以固定于主电路板与显示 模块电路板的接插件的插头、插座直接插接，当插头、插座相对位置安 装不准时，常使插头、插座不好插接或插接后接触不良，另外，这种硬 性插接也不便于显示模块电路板及主电路板拉出进行整体检测和调试。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的上述问题而提出、公开一种利用测 量电容放电时间的电路结构来测量敏感元件压变电容值，进而自动测量 压差值并自动控制生产。
本发明的技术方案包括有形成外表，安装变送器部件的T形管壳； 螺接于水平管壳一端的显示窗盖；螺接于水平管壳另端的端盖；安装于
高、低压管路接口间的垂直管壳的压力敏感元件及温度传感器；以螺柱、 螺钉叠层螺接于水平管壳内隔板螺孔的圆形主电路板和显示模块电路 板；其特征是主电路板上安装有连接于敏感元件输出的敏感元件测量 电路；连接于敏感元件测量电路输出的微处理器单元；连接于微处理器 单元输出的D/A转换电路；数字通讯电路；连接于D/A转换电路输出的 4-20mA电源电路、数字通讯电路，其显示模块电路板上安装有连接于 微处理器单元的显示模块和调整按键单元。
其敏感元件测量电路由两室电容式差压敏感元件、两个标准电容、 充电电阻、施密特触发器、放电电阻及PSO)21电容测量芯片构成，敏 感元件的高压电容极板和低压电容极板引线连接到电容测量芯片SG-A1 及SG-Dl接口并通过芯片内部控制开关接地，高、低压电容公共极板引 线接于充电电阻和放电电阻的连接处并经放电电阻接地，两个标准电容 的一极引线各接于电容测量芯片PS①21的SG-B1和SG-C1接口并通过 其内部控制开关与地连接，两个标准电容的另一极引线同样接于充电电 阻和放电电阻的连接处，充电电阻一端接于电容测量芯片可控充电直流 电压输出接口、另端接放电电阻一端，放电电阻另端接地。用于各电容 放、电计时控制的施密特触发器的输入接于充、放电电阻连接处，其输出 接电容测量芯片的输入接口来控制计时，电容测量芯片由电源提供对地 5V电压并通过串行接口 SPI接微处理单元1/0接口。
电容测量芯片的功能是接受施密特触发器的信号，测量电容放电 至固定电压值的时间，电容测量芯片中的TDC时间数字量转换单元，计 算电容地放电时间，电容测量芯片的Sequencer程控单元控制其内部与 各电容串联的场效应管和地的通断，时钟控制使时钟电路产生精确的计 时，MP通过电容测量芯片中的写寄存器地设置来设置电容测量芯片的工 作过程，MP通过电容测量芯片中的读寄存器读取电容测量芯片地测量 数据，其框图见图5。
其微处理单元采用MSP430F427芯片，它通过I/0接口 11、 44、 48、 61脚和电容测量芯片的串行输出接口 SPI连接，通过其A/D接口 6连接 于和敏感元件设置于同一壳体内的温度传感器输出端，对测得电容值进 行校准，并将计算结果通过其I/O接口 51、 52、 53传输到D/A芯片的 数据接口7、时钟停止接口6、片选接口5， D/A芯片将接收转换为电流 输出，另外微处理单元通过其I/0接口 11、 44、 45、 46、 47、以插头、 插座及其间排线与显示模块和按键调整单元控制接口连接。
其来自4-20mA回路与HART兼容的数字信号通过引线接于数字通讯 的滤波电路的运放输入接口，滤波后接数字通讯中HT2012PL芯片的解
调输入接口 4，解调后经其串口输出14接至微处理单元输入接口 59， 微处理器将它的响应信号经调制通过MP的串口输出接口 60输至 HZ2012PL的串口输入接口 27，调制后经HZ2012PL送4-20mA回路与系 统控制器进行数字通讯。其微处理器的功能流程如图6所示。
其安装微处理器、数字通讯、D/A信号转换、电源部分的主电路板 和显示模块电路板以一端形成有螺公，另端形成有螺孔的螺柱叠层螺接 于变送器的水平管壳内隔板螺孔内，其上电路连接以插头、插座及其间 排线连接。
其智能电容式差压变送器变送方法，包括有差压变送器的初始化 阶段；是否有中断测量进行调整地判断阶段；如果否，则进行差压测量 即自电容测量芯片采集数据、进行数字滤波、数据处理、D/A信号转换、 模拟信号输出、显示模块输出阶段；如果是，则进行是否键盘中断地判 断阶段；判断结果如果是，则可进行零点、满程、单位选择、显示方式、 阻尼报警诸设置阶段；如果否，则进行是否通讯中断地判断阶段；判断 结果如果是，则可进行工厂标定、零点、满程、单位选择、显示方式、 阻尼报警诸设置及位置微调、复位、输出方式设置阶段；如果否或设置 阶段完成，则返回变送器初始化后，是否有中断测量地判断阶段之间。
优点及积极效果A.本发明采用了测量电容放电时间的方法测量压 差值，因此取消了振荡电路，减少了几十个分立元件，减少了变送器体 积及焊接工作量，使电路抗干扰能力提高。B.电路取消了温度和精度要 求较高的元件，减少了采购、进厂检验工作量。C.电路集成化提高，调 试简化、精度提高。D.振荡器取消使抗干扰能力提高，产品性能稳定。 E.本发明主电路板与显示模块电路板的电路连接改用以接插件的插头、 插座及其间排线地软连接，减少了插头、插座固定匹配难度、便利了装 配、检测和调试。
图1为现有两室结构电容式差压传感器原理结构图； 图2为现有智能电容式差压变送器电路及功能框图； 图3为本发明智能电容式差压变送器电路及功能框—图 图4为本发明智能电容式差压变送器结构分解图； 图5为本发明智能电容式差压变送器电容检测芯片功能框图； 图6为本发明智能电容式差压变送器变送方法流程图； 图7为现有智能电容式差压变送器主电路板与显示模块电路板间螺 柱安装和电路接插件直接插接图8为本发明智能电容式差压变送器主电路板与显示模块电路板间
螺柱安装和电路接插件及其间排线连接图9为本发明智能电容式差压变送器主电路板与显示模块电路板以 螺柱安装正视图10为本发明智能电容式差压变送器主电路板与显示模块电路板 以螺柱安装及电路接插件、排线连接侧剖视图11为主电路板与显示模块电路板安装螺柱图。 各图中主要标号说明
1.显示窗盖 2.密封圈
3.显示模块电路板、显示模块电路板单元4.主电路板 5.振荡电路板、振荡电路板单元 6.T形管壳
6'水平管壳 7.螺钉
9.低压管路接口
ll.高压管路接口
13.螺柱
15.排线
17.接线孔
ZH-振荡器
JT-解调器
MP-微处理器单元
AN-按键
A/D-模数转换
Cmf-标准电容
SH-施密特触发器
具体实施例方式
6"垂直管壳
8.端盖
10.敏感元件 12.温度传感器
14.接插件
16.螺孔.
I/O-输入输出接口
ZK-振荡控制器
I/V-电流电压转换器
Cl、 C2-平衡电容
ST-数字通讯
D/A-数模转换
Rc-充电电阻
Rf-放电电阻
5'敏感元件测量电路
为了进一步说明本发明的内容、技术方案、特点及功能效果，再将 以下实例并结合
于下如图3-6、 8-10、所示，本发明智能电 容式差压变送器的技术方案包括有形成外表，安装变送器部件的T形
管壳6;螺接于水平管壳6'—端的显示窗盖1;螺接于水平管壳另端的
端盖8;安装于高、低压管路接口 11、 9间的垂直管壳6〃内的压力敏 感元件10及温度传感器12;以螺柱13、螺钉7叠层螺接于水平管壳内
隔板螺孔16的圆形主电路板4和显示模块电路板3;其特征是主电路 板上安装有连接于敏感元件输出的敏感元件测量电路5 ';连接于敏感
元件测量电路输出的微处理器单元MP;连接于微处理器单元输出的D/A 转换电路；数字通讯电路ST;连接于D/A转换电路输出的4-20mA电源
电路、数字通讯电路；其显示模块电路板3上安装有连接于微处理器 单元MP的显示模块和调整按键AN单元。
其敏感元件测量电路5 '由两室电容式差压敏感元件10、两个标准 电容Cmf、充电电阻Rc;、施密特触发器SH、放电电阻Rf及PS021电 容测量芯片构成，敏感元件的高压电容极板和低压电容极板引线连接到 电容测量芯片SG-A1及SG-Dl接口并通过芯片内部控制开关接地，高、 低压电容公共极板引线接于充电电阻和放电电阻的连接处并经放电电 阻接地，两个标准电容的一极引线各接于电容测量芯片PS021的SG-B1 和SG-C1接口并通过其内部控制开关与地连接，两个标准电容的另一极 引线同样接于充电电阻和放电电阻的连接处，充电电阻一端接于电容测 量芯片可控充电直流电压输出接口、另端接放电电阻一端，放电电阻另 端接地。用于各电容放电计时控制的施密特触发器的输入接于充、放电 电阻连接处，其输出接电容测量芯片的输入接口来控制计时，电容测量 芯片由电源提供对地5V电压并通过串行接口 SPI接微处理单元I/O接
电容测量芯片PS①21的功能是接受施密特触发器的信号，测量 电容放电至固定电压值的时间，电容测量芯片中的TDC肘间数字量转换 单元，'计算电容地放电时间，电容测量芯片的Sequencer程控单元控制 其内部与各电容串联的场效应管和地的通断，时钟控制使时钟电路产生 精确的计时，MP通过电容测量芯片中的写寄存器地设置来设置电容测量 芯片釣工作过程，MP通过电容测量芯片中的读寄存器读取电容测量芯 片地测量数据，其框图见图5。
其微处理单元MP采用MSP430F427芯片，它通过I/0接口11、 44、 48、 61脚和电容测量芯片的串行输出接口 SPI连接，通过其A/D接口6 连接于和敏感元件设置于同一壳体内的温度传感器输出端，对测得电容 值进行校准，并将计算结果通过其I/0接口 51、 52、 53传输到D/A芯 片的数据接口7、时钟停止接口6、片选接口5， D/A芯片将接收转换为 电流输出，另外微处理单元通过其I/0接口 11、 44、 45、 46、 47、以接 插件14的插头、插座及其间排线15与显示模块和按键AN调整单元控 制接口连接。
其来自4-20mA回路与HART兼容的数字信号通过引线接于数字通讯 ST的滤波电路的运放输入接口，滤波后接数字通讯中HT2012PL芯片的 解调输入接口 4，解调后经其串口输出14接至微处理单元输入接口 59， 微处理器将它的响应信号经调制通过MP的串口输出接口 60输至 HZ2012PL的串口输入接口 27，调制后经HZ2012PL送4-20mA回路与系
统控制器进行数字通讯。
其安装微处理器、数字通讯、D/A信号转换、电源部分的主电路板 4和显示模块电路板3以一端形成有螺公，另端形成有螺孔的螺柱13叠 层螺接于变送器的水平管壳内隔板的螺孔16内，其上电路连接以接插 件14及其间排线15连接。
其智能电容式差压变送器变送方法，包括有差压变送器的初始化 阶段；是否有中断测量进行调整地判断阶段；如果否，则进行差压测量 即自电容测量芯片采集数据、进行数字滤波、数据处理、D/A信号转换、 模拟信号输出、显示模块输出阶段；如果是，则进行是否键盘中断地判 断阶段；判断结果如果是，则可进行零点、满程、单位选择、显示方式、 阻尼报警设置阶段；如果否，则进行是否通讯中断地判断阶段；判断结 果如果是，则可进行工厂标定、零点、满程、单位选择、显示方式、阻 尼报警设置及位置微调、复位、输出方式设置阶段；如果否或设置阶段 完成，则返回变送器初始化后，是否有中断测量地判断阶段之间。
权利要求
1.一种智能电容式差压变送器包括有形成外表，安装变送器部件的T形管壳；螺接于水平管壳一端的显示窗盖；螺接于水平管壳另端的端盖；安装于高、低压管路接口间的垂直管壳内的压力敏感元件及温度传感器；以螺柱、螺钉叠层螺接于水平管壳内隔板螺孔的圆形主电路板和显示模块电路板；其特征是主电路板上安装有连接于敏感元件输出的敏感元件测量电路；连接于敏感元件测量电路输出的微处理器单元；连接于微处理器单元输出的D/A转换电路；数字通讯电路；连接于D/A转换电路输出的4-20mA电源电路、数字通讯电路，其显示模块电路板上安装有连接于微处理器单元的显示模块和调整按键单元。
2. 根据权利要求1所述的智能电容式差压变送器，其特征是其敏感元件测量电路由两室电容式差压敏感元件、两个标准电容、充电电阻、施密特触发器、放电电阻及PSd)21电容测量芯片构成，敏感元件 的高压电容极板和低压电容极板引线连接到电容测量芯片SG-A1及 SG-D1接口并通过芯片内部控制开关接地，高、低压电容公共极板引线 接于充电电阻和放电电阻的连接处并经放电电阻接地，两个标准电容的 一极引线各接于电容测量芯片PS①21的SG-B1和SG-Cl接口并通过其 内部控制开关与地连接，两个标准电容的另一极引线同样接于充电电阻 和放电电阻的连接处，充电电阻一端接于电容测量芯片可控充电直流电 压输出接口、另端接放电电阻一端，放电电阻另端接地。用于各电容放 电计时控制的施密特触发器的输入接于充、放电电阻连接处，其输出接 电容测量芯片的输入接口来控制计时，电容测量芯片由电源提供对地 5V电压并通过串行接口 SPI接微处理单元1/0接口。
3. 根据权利要求1所述的智能电容式差压变送器，其特征是其 微处理单元采用MSP430F427芯片，它通过I/O接口 11、 44、 48、 61 脚和电容测量芯片的串行输出接口 SPI连接，通过其A/D接口连接于和 敏感元件设置于同一壳体内的温度传感器输出端，对测得电容值进行校 准，并将计算结果通过其I/0接口51、 52、 53传输到D/A芯片的数据 接口 7、时钟停止接口 6、片选接口 5, D/A芯片将接收转换为电流输出， 另外微处理单元通过其1/0接口 11、 44、 45、 46、 47、以插头、插座 及其间排线与显示模块和按键调整单元控制接口连接。
4. 根据权利要求1所述的智能电容式差压变送器，其特征是其 来自4-20mA回路与HART兼容的数字信号通过引线接于数字通讯的滤波 电路的运放输入接口，滤波后接数字通讯的HT2012PL芯片的解调输入 接口 4，解调后经其串口输出14接至微处理单元输入接口 59，微处理 器将它的响应信号经调制通过MP的串口输出接口 60输至HZ2012PL的 串口输入接口 27，调制后经HZ2012PL送4-20mA回路与系统控制器进 行数字通讯。
5. —种智能电容式差压变送器变送方法，其特征是它包括有 差压变送器的初始化阶段；是否有中断测量进行调整地判断阶段；如果 否，则进行差压测量即自电容测量芯片采集数据、进行数字滤波、数据 处理、D/A信号转换、模拟信号输出、显示模块输出阶段；如果是，则 进行是否键盘中断地判断阶段；判断结果如果是，则可进行零点、满程、 单位选择、显示方式、阻尼报警诸设置阶段；如果否，则进行是否通讯 中断地判断阶段；判断结果如果是，则可进行工厂标定、零点、满程、 单位选择、显示方式、阻尼报警诸设置及位置微调、复位、输出方式设 置阶段；如果否或设置阶段完成，则返回变送器初始化后，是否有中断 测量地判断阶段之间。
全文摘要
本发明涉及测量两个或更多个压力差值的设备或仪表，特别是一种智能电容式差压变送器及方法。解决现有智能电容式差压变送器的振荡电路分立元件多、电路对元件的温度特性和精度要求高、采购检验及调试难、抗干扰能力要求高的问题。其技术方案由形成外表的T形管壳；安装于高、低压管路接口间的垂直管壳内的压力敏感元件及温度传感器；连接于敏感元件输出的敏感元件测量电路、连接于敏感元件测量电路输出的微处理器单元、连接于微处理器单元输出的D/A转换电路、数字通讯电路，连接于D/A转换电路输出的4-20mA电源电路、连接于微处理器单元的显示模块和按键单元构成。本发明电路集成度高、温度稳定性好、调试简化、抗干扰能力强、精度高。
文档编号G01L19/12GK101113934SQ20071005837
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月24日 优先权日2007年7月24日
发明者刘守宁, 孙振民, 张亚先, 彬 杨, 王双存, 高明璋 申请人:天津天仪集团仪表有限公司