本文在介紹HART手操器和單晶硅壓力變送器工作原理基礎(chǔ)上，分享HART手操器在單晶硅壓力變送器檢定過程中修改量程、改變變送器電流值、多點(diǎn)輪訊方面的應(yīng)用。

目前工業(yè)生產(chǎn)中所采用的智能儀表多數(shù)都具備HART協(xié)議通訊使用功能，HART通訊協(xié)議是現(xiàn)有技術(shù)下應(yīng)用范圍最為廣泛、技術(shù)成熟度最高的通訊協(xié)議，HART手操器在使用過程中也擁有諸多優(yōu)勢(shì)，例如：操作直觀、高效、便于攜帶，能夠深入查詢智能儀表發(fā)生故障處的故障信息。在很大程度上縮減了技術(shù)人員在故障后處理故障所需要的時(shí)間，也免去了不必要的探測(cè)程序，最主要的是，HART通訊協(xié)議是國際通用協(xié)議，HART手操器具有極強(qiáng)的兼容性，因此得以廣泛應(yīng)用。

圖1     羅斯蒙特HART475手操器

1、HART手操器概述
HART手操器可在4-20mA之間的電流環(huán)中通過，在連接上如果設(shè)備能夠與HART之間是兼容的關(guān)系，那么任何HART設(shè)備都可以連接，在滿足這個(gè)條件之后還應(yīng)符合存在負(fù)載電阻的必要條件要求，負(fù)載電阻的最小值為250Ω。FSK技術(shù)是HART手操器主要采用的一種技術(shù)，其電流信號(hào)以疊加的方式進(jìn)行傳輸，4-20mA的模擬信號(hào)不會(huì)受到手操器與其兼容設(shè)備的通訊影響。

在進(jìn)行通信主要依靠的是HART手操器與協(xié)議儀表，HART儀表在配置上主要處理的對(duì)象是參數(shù)的設(shè)定(包括量程上下限等參數(shù))，對(duì)儀表數(shù)值的設(shè)定與檢測(cè)值的讀取，還有故障診斷維護(hù)等內(nèi)容。這種手操器支持第一主設(shè)備(包括HART網(wǎng)橋等在內(nèi)的設(shè)備)，第一主設(shè)備主要存在于HART協(xié)議當(dāng)中，不僅對(duì)其協(xié)議的通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，而且還對(duì)其通信的多點(diǎn)方式也同樣支持。

不僅對(duì)于相對(duì)距離較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端控制室，還是儀表來說都可以將HART手操器接入，并單獨(dú)操作HART儀表，以此促使通信操作的正常進(jìn)行。如圖2中的連接操作，HART協(xié)議設(shè)備與手持器保持并聯(lián)的連接方式，也能夠與電阻值為250Ω的負(fù)載電阻以并聯(lián)的方式連接，引線極性不在考慮范疇之內(nèi)，如圖2所示的連接圖。


圖2    HART手操器和單晶硅壓力變送器連接

由于HART協(xié)議規(guī)定，HART手操器與其所進(jìn)行連接的單晶硅壓力變送器之間的回路中必須串聯(lián)一般為250Ω-1100Ω的負(fù)載電阻。因此，對(duì)于儀表電壓提出了一定的要求，變送器在負(fù)載電阻250Ω-11-1100Ω且變送器電源電壓在18V-36V區(qū)間內(nèi)，手操器可以和儀表正常連接，當(dāng)電源電壓在規(guī)定電壓范圍以外時(shí)，手操器無法與設(shè)備正常連接。需要注意的是，如果手操器在開機(jī)之后在線設(shè)備的自動(dòng)輪詢地址數(shù)值為0，設(shè)備未連接時(shí)手操器會(huì)顯示“地址0未發(fā)現(xiàn)設(shè)備，是否查找其它設(shè)備”。

2、單晶硅壓力變送器工作原理
單晶硅壓力變送器(http://prosperiteweb.com/product/list_124_1.html)的主體結(jié)構(gòu)可以劃分為兩大部分：其中一部分是傳感器部分；另一個(gè)部分是電子線路板。傳感器部分由接數(shù)字電容電路、傳感器特征化元件、敏感元件以及溫度傳感器四個(gè)部分構(gòu)成。傳感器部分的主要元件有特征化元件、直接數(shù)字形式的電容電路、電子線路部分由數(shù)字/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字通信以及微處理器組成。對(duì)于一些智能化的變送器來說，在傳感部分主要采用智能傳感器，這種傳感器外觀體積小，精度卻很高，在轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上對(duì)傳感器做了部分改良，選用直觀性更強(qiáng)的數(shù)字電容電路，傳統(tǒng)電路電路中的A/D轉(zhuǎn)換或者放大電路被取代，溫度與靜壓補(bǔ)償?shù)耐瓿捎蓴?shù)字化技術(shù)負(fù)責(zé)，對(duì)測(cè)量精度來說是有效的提高。也在很大程度上抑制了溫度漂移。在HART協(xié)議基礎(chǔ)之上所衍生的智能壓力變送器以及溫度變送器能夠適應(yīng)于各種壓力環(huán)境，能同時(shí)工作于氣體、液體以及蒸汽介質(zhì)的環(huán)境下，完成相關(guān)溫度與的壓力數(shù)據(jù)的測(cè)量。與采用的其他類型HART設(shè)備相比相似的一點(diǎn)是，變送器的HART通信功能也是支持雙向與遠(yuǎn)程的。主變量通過模擬信號(hào)經(jīng)4-20mA電流信號(hào)傳遞。此外，HART通信功能還能夠完成在系統(tǒng)工作過程中主變量參數(shù)的采集以及校準(zhǔn)、組態(tài)、診斷等功能，并且不對(duì)于模擬信號(hào)的傳遞造成影響。

①傳感器主要構(gòu)造元件
如圖3所示，YR-ER100單晶硅傳感器的敏感元件是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅片上，形成極薄的導(dǎo)電P型層，焊上引線即成“單晶硅應(yīng)變片”，其電氣性能是做成一個(gè)全動(dòng)態(tài)的壓阻效應(yīng)惠斯登電橋。該壓阻效應(yīng)惠斯登電橋和彈性元件(即其N型硅基底)結(jié)合在一起。介質(zhì)壓力通過密封硅油傳到硅膜片的正腔側(cè)，與作用在負(fù)腔側(cè)的介質(zhì)形成壓差，它們共同作用的結(jié)果使膜片的一側(cè)壓縮，另一側(cè)拉伸，壓差使電橋失衡，輸出一個(gè)與壓力變化對(duì)應(yīng)的信號(hào)。惠斯登電橋的輸出信號(hào)經(jīng)電路處理后，即產(chǎn)生與壓力變化成線性關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

圖3  硅傳感器結(jié)構(gòu)圖                                                                   圖4  膜片受壓示意圖

對(duì)于表壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常通大氣，以大氣壓作為參考?jí)毫?；?duì)于絕壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)通常為真空室，以絕對(duì)真空作為參考?jí)毫Γ粚?duì)于差壓傳感器，其負(fù)腔側(cè)的導(dǎo)壓介質(zhì)通常和正腔側(cè)相同，如硅油、氟油、植物油等。 

如圖4所示，在正負(fù)腔室的壓差作用下，引起測(cè)量硅膜片(即彈性元件)變形彎曲，當(dāng)壓差P小于測(cè)量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp時(shí)，彎曲可以完全復(fù)位；當(dāng)壓差P超過測(cè)量硅膜片的需用應(yīng)力比例極限σp后，將達(dá)到材料的屈服階段，甚至達(dá)到強(qiáng)化階段，此時(shí)撤去壓差后測(cè)量硅膜片無法恢復(fù)到原位，導(dǎo)致發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的測(cè)量偏差；當(dāng)壓差P達(dá)到或超過測(cè)量硅膜片能承受的最高應(yīng)力σb后，測(cè)量硅膜片破裂，直接導(dǎo)致傳感器損壞。因此，通過阻止或削弱外界的過載壓差P直接傳遞到測(cè)量硅膜片上，可以有效保護(hù)傳感器的測(cè)量精度和壽命。這就引出了對(duì)單晶硅芯片進(jìn)行過載保護(hù)設(shè)計(jì)的問題。

②HART壓力變送器電子線路板主要構(gòu)成
HART主電路模塊：單晶硅壓力變送器受到微處理器的控制，而壓力敏感元件的工作壓力由隔離數(shù)字電容電路測(cè)量，工作中的介質(zhì)溫度由溫度傳感器測(cè)量。微處理器以傳感器特征化EEPROM數(shù)據(jù)作為依據(jù)，分別做線性處理，與進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，將工作介質(zhì)有關(guān)的壓力值計(jì)算出來，其中一部分送往數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，一部分送往HART通信部分，另外微處理器還具有傳遞函數(shù)運(yùn)算等功能。
數(shù)/模轉(zhuǎn)換器：按照輸出形式將數(shù)字化形式的壓力信號(hào)在修正之后，轉(zhuǎn)為電流值為4-20mA的模擬信號(hào)，并將模擬信號(hào)傳輸給輸出回路。
HART通信：FSK信號(hào)以疊加的方式在4-20mA的回路上存在，發(fā)送部分同樣以信號(hào)疊加的形式存在于回路上。
多功能LCD顯示器：不僅可以顯示壓力、電流值、百分比、環(huán)境溫度等信息。配合按鍵，還可以完成功能強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

3、HART手操器對(duì)單晶硅壓力變送器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
①改變單晶硅壓力變送器量程
隨著工業(yè)控制愈發(fā)精準(zhǔn)，初始設(shè)計(jì)和最終工藝之間的誤差變的不可接受，有別于傳統(tǒng)儀表，HART儀表配合HART手操器可以輕松消除這個(gè)誤差，如：根據(jù)儀表所要執(zhí)行任務(wù)的不同與儀表工藝的不相同，其量程必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以便于測(cè)量結(jié)果更加直觀、準(zhǔn)確，利用HART手操器可輕松實(shí)現(xiàn)這一操作過程。其使用步驟如下：
a、連接單晶硅壓力變送器與手操器。
b、進(jìn)入聯(lián)機(jī)菜單模式，選擇在線設(shè)備菜單。
c、進(jìn)入主菜單，選擇詳細(xì)設(shè)置菜單。
d、分別調(diào)節(jié)量程的上限URV和量程下限LRV，修改單晶硅壓力變送器的量程。

②改變單晶硅壓力變送器電流值
新建工廠在設(shè)備投產(chǎn)前，需要進(jìn)行設(shè)備聯(lián)調(diào)，此時(shí)HART單晶硅壓力變送器配合HART手操器可以在系統(tǒng)沒有正常開機(jī)的情況下輸出固定電流，可輸出4-20mA之間的任意值和儀表采集信號(hào)無關(guān)，模擬系統(tǒng)正常工作情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，方便發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。其使用步驟如下：
a、連接單晶硅壓力變送器與HART手操器。
b、進(jìn)入聯(lián)機(jī)菜單模式，選擇在線設(shè)備菜單。
c、進(jìn)入主菜單，選擇診斷服務(wù)菜單。
d、在環(huán)路電流檢測(cè)菜單模擬輸出電流即可。

③多點(diǎn)輪詢模式
某些特定工況下，電流過低會(huì)影響正常使用，使工作不能正常執(zhí)行；電流過高則極易造成設(shè)備的燒損。因此，必須嚴(yán)格加以控制。一般說來，為了簡化線路。避免冗余線路造成回路復(fù)雜，辨識(shí)度不高，天然氣管理中心經(jīng)常將數(shù)個(gè)單晶硅壓力變送器的線路連接于同一回路中，盡管同一回路，但連接點(diǎn)不同，此時(shí)需要給變送器分配不同地址，HART協(xié)議規(guī)定地址可以是0-15以內(nèi)的任意數(shù)字(包括0、15)，在中控室尋找不同地址，即可很容易采集到各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。地址分配過程中，難免會(huì)設(shè)置錯(cuò)誤，導(dǎo)致地址不唯一，導(dǎo)致通訊沖突，HATR手操器依賴于其出色的通訊功能，可以輕松解決此類問題，重新分配地址，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。其操作流程如下：
a、連接單晶硅壓力變送器與HATR手操器。
b、變更HATR手操器主菜單訪問方式，進(jìn)入手操器設(shè)置菜單，顯示“輪詢菜單”后，將“從不輪詢”更改為“始終輪詢”，同時(shí)將0作為變送器連接地址。
c、如果執(zhí)行上述操作后，該地址仍然不能發(fā)現(xiàn)設(shè)備。則會(huì)進(jìn)入自動(dòng)輪詢地址模式，在1-15之間循環(huán)切換地址序列號(hào)。此時(shí)應(yīng)返回通過主菜單，選擇“設(shè)備設(shè)置”，然后進(jìn)入“詳細(xì)設(shè)置”，選擇“輸出條件”，選擇“HART輸出”，選擇“輪詢地址”，然后按照檢查規(guī)程重新逐一排查檢查項(xiàng)目。
d、將地址設(shè)定為0-15以內(nèi)的任意數(shù)字(包括0和15)，就可以使系統(tǒng)重新正常運(yùn)行。

HART手操器的投入，實(shí)現(xiàn)了單晶硅壓力變送器控制過程中儀表量程改變、變送器電流值鎖定與解鎖、變送器模式更迭，在很大程度上便利了單晶硅壓力變送器的使用，簡化了單晶硅壓力變送器操作過程中一些很復(fù)雜的程序，避免了不必要的時(shí)間浪費(fèi)，給生產(chǎn)操作帶來極大便利。