ST3000智能压力变送器详解

1.简介

图3-6-1为Honeywell公司ST3000/900智能压力变送器的结构，变送器的生产主要由机器人完成。该变送器由表头和信号处理两部分组成。表头的核心部分是在一片硅片上通过离子注入，经激光精细加工而成的复合式传感器，其中含有差压、温度、静压三种固体传感器。传感部分从单参数向多参数过渡，也是智能压力变送器发展的特点。

当过程压力或差压通过隔离膜片，填充液传到膜盒内的传感器上时，传感器的电阻值产生变化。阻值的变化量由芯片上的单臂电桥检出，并经A/D转换成数字量，后送信号处理部分的微处理器。与此同时，芯片上另两个辅助传感器分别检测表体温度和介质静压，经多路开关转换成数字量并送微处理器。在信号处理部分，三路数字量经微处理器运算处理后转换成4～20mA的模拟信号或数字信号输出。

图3-6-1 ST3000智能压力变送器的结构原理

在变送器的制造过程中，生产线上的计算机对每台变送器的工况，即表体工况与介质静压进行模拟仿真，将采集的特征数据存放在PROM中。因此，测量结果中消除了温度、静压带来的测量误差。

压阻式电桥在很大的输入信号动态范围内，其特征并非线性。ST3000智能压力变送器的PROM中亦有宽范围的特性数据，可使变送器的量程比达到40∶1。变送器的最高测量准确度可达±0.075%（数字）或±0.1%（模拟）。

基于ST3000智能压力变送器的双向数字通信技术，操作人员使用智能现场手操通信器SFC与其进行通信。手操通信器由电池供电。只要把SFC接到变送器信号线的电路上，就可对变送器发送或接收信息。这种具有远程通信的方法，减少了维修成本，并可使操作人员不进入危险区域对现场变送器完成操作。另外，ST3000智能压力变送器也能选用HART手操通信器对其进行操作。

ST3000智能压力变送器通过双向数字通信具有以下功能：

1）组态：可以选择操作参数——位号、量程、输出形式、阻尼时间等，可把这些数据直接存入变送器存储器。有十种不同的工程单位，可根据需要选择。

2）诊断：可以对组态、通信、变送器或过程中出现的问题进行诊断。

3）校验：可以校验变送器的输出或对现有的过程输入值整定零点。

4）显示：可以显示变送器存储器中的信息。

2.ST3000构成及工作原理

ST3000智能变送器主要由测量头和电子室两大部分组成，如图3-6-2所示。

ST3000变送器的主测参数是差压ΔP，它将差压转换成DC 4～20mA和数字信号输出，并具有双向通信功能。为了消除被测介质的静压P和温度T对差压测量的影响，设置了静压传感器和温度传感器。差压传感器、静压传感器和温度传感器将各自被测参数转换成电信号，分别经各自的信号调理电路调理成统一电平的信号，经多路开关切换至10位A/D转换器转换成数字量，送入微处理器、存储器和输出信号调理单元进行处理，最后转换成DC4～20mA和数字信号输出。输出信号与被测差压ΔP成正比关系。

图3-6-2 ST3000组成原理框图

（1）半导体复合传感器(www.xing528.com)

半导体复合传感器是在一片硅片上运用超大规模集成电路的离子注入技术和激光刀修整技术制作了三种传感器，分别检测差压、静压和温度，并集成了电子多路开关和A/D转换器。这里的差压和静压传感器与PTS型变送器的P传感器一样，也是根据半导体压阻效应原理工作的。而温度传感器则是根据其半导体材料的电阻率随温度变化的特性测温的。半导体复合传感器有效地解决了差压、静压和温度之间交叉灵敏度的影响，从而具有准确度高、宽量程比和高稳定性的特点。

将制作在半导体复合传感器上的电阻，接成单臂电桥，如图3-6-3所示，图中温度传感器为热敏电阻，三个传感器均由恒流源供电。当ΔP、P和T发生变化时，便转换成电压输出。设U_ΔP、U_P和U_T分别为三个传感器的输出电压，则

U_ΔP=f₁（ΔP，P，T） （3-6-1）

U_P=f₂（ΔP，P，T） （3-6-2）

U_T=f₃（ΔP，P，T） （3-6-3）

由以上三式可求解出差压ΔP的表达式：

ΔP=F（U_ΔP，U_P，U_T） （3-6-4）

式（3-6-4）表明，欲精确测量被测差压，必须考虑被测介质的静压和温度变化对其的影响。为此，三传感器的输出信号经转换开关和A/D转换成数字量后，由微处理器按一定运算法则运算便可消除交叉灵敏度的影响。

图3-6-3 半导体复合传感器原理图

（2）微处理器

这里的微处理器包含了中央处理单元（CPU）、只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）。ROM的作用是存储程序；PROM存储三传感器的特征参数；EEPROM是为了保存RAM中的数据，是不挥发型（非丢失）后备存储器。当仪表工作时，EEPROM存储着与RAM同样的数据，当仪表断电时，RAM中存储着的数据丢失，而EEPROM中存储着的数据则保存。当仪表恢复供电时，存储在EEPROM中的数据会自动地传送到RAM中。由于EEPROM是一种电可擦除的或电可写入的PROM，故不需要后备电池。

变送器出厂前，首先利用三维标定法，将被测差压特性数据、静压特性数据和温度特性数据存储于PROM中。实际工作时，微处理器分别采集到三传感器的信号数据后，利用预先存储于PROM中特性数据，通过软件进行三传感器数据融合处理，便可消除交叉灵敏度对主测参数ΔP的影响。数据融合的结果通过D/A转换成DC 4～20mA统一标准信号输出，同时通过数字I/O口输出数字信号，达到数据通信的目的。

由于存储于PROM内的三维标定数据是在较宽的测量范围内标定所取得的特征数据，因此该变送器可获得100∶1甚至400∶1的量程比，且准确度高，重复性好。

（3）工作原理

当过程压力或差压通过隔离膜片、填充液传到位于测量头内的复合传感器上时，引起复合传感器上电阻值的变化，该阻值的变化由集成于传感器芯片上的单臂电桥检测出来，即获得了压力或差压的测量。与此同时，在传感器芯片上形成的两个辅助传感器即温度传感器和静压传感器检测出表体温度和过程静压。值得注意的是，这三个过程参量的检测是在同一个中心本体芯片上由集成的不同传感器同时完成的，它们通过多路电子开关切换，分别进行A/D转换，然后送到电子室的微处理机进行数字化处理。

电子室实际上是一个微处理机系统，其核心是微处理机，它负责接收测量头送来的过程压力、表体温度和静压等信号，按预定程序或上位计算机（DCS或手持通信器）的要求进行处理，其结果以数字量或者经D/A转换以模拟量形式输出。

遵循HART协议的ST3000变送器已经推出，其组态可用HART手持通信器的操作。用户可利用HART手持通信器与变送器进行远距离通信，调节变送器的有关参数，例如，变送器的标号、量程、输出形式、阻尼时间和单位等。此外，利用HART手持通信器还可进行远距离校验、自检和故障诊断等，给用户带来极大的方便。