EJA智能變送器在熱網計量系統中的應用

                                    EJA智能變送器在熱網計量系統中的應用

                                                           －－山東通源熱力集團副總經理 李鼎新 
                                                                    

一 概述

    在熱網計量系統中，流量、壓力和溫度3個檢測參數是計算熱量、改進供熱質量、提高經濟效益和管理水平的主要依據。長期以來，壓力和流量儀表零點漂移、溫度漂移及環境干擾，一直困擾著我們，導致儀表的精確度上不去。

    1997年雞西熱力公司經過市場調研及多方面的比較，最終選定EJA智能變送器（以下簡稱EJA）作為熱網計量系統中壓力和差壓測量的主體，替代了電容式和擴散硅式變送器。經過一年多的使用，效果非常理想，解決了計量系統中的許多疑難問題。

    EJA是日本橫河公司1994年研制成功的，采用單晶硅諧振式傳感器，直接輸出頻率信號，實現了傳感器自身就可以消除機械電子干擾、環境溫濕度變化、靜壓與過壓等影響。從而且有精確度高、可靠性高、量程比寬和重復性好等優點，特別適合供熱管網計量監測系統。

二 EJA的組成及工作原理

EJA的組成和原理如圖1所示
  

 圖1    EJA組成及原理示意圖

1、 膜盒組件

a 單晶硅諧振傳感器

它是由單晶硅諧振式傳感器和特性修正存儲器組成。單晶硅諧振式傳感器是一塊單晶硅芯片上采用微電子機械加工技術，分別在其表面的中心和邊緣制成兩個形狀、大小完全一致的H形諧振梁，且處于微型真空腔中，使其既不與充灌液接觸，又確保振動時不受空氣阻尼的影響。同時，硅諧振梁處于由永久磁鐵提供的磁場中，與變壓器、放大器等組成一正反饋回路，使諧振梁在回路中產生振蕩，見圖2。

圖2 使諧振梁振蕩的回路圖

當單晶體硅片的上下表面受到壓力并形成壓力差時，硅片將產生變形，中心處受到壓縮力，邊緣處受到張力，因而使兩個H形諧振梁分別產生不同應力變化，其結果是中心諧振梁因受壓縮力而頻率減小，邊側諧振梁因受到張力而頻率增加，兩個頻率之差對應膜片感受的差壓信號。

   b 特性修正存儲器

   特性修正存儲器的功能是存儲傳感器的環境溫度、靜壓及輸入/輸出特性修正數據。這些數據經CPU運算，可使變送器獲得優良的溫度特性和靜壓特性及輸入/輸出特性。

2、 智能電器轉換部件

由單晶硅諧振式傳感器上的兩個H形的振動梁分別將差壓或壓力信號轉換為頻率信號送到計數器，再將兩頻率之差直接傳遞到CPU進行數據處理，后經D/A轉換器轉換為與輸入信號相對應的4~20mA模擬信號輸出。并在模擬信號上疊加一個BRAIN/HART數字信號進行通信。通過I/O口與外部設備（如手持智能終端以及DCS中的帶通信功能的I/O卡）以數字通信方式傳遞數據。

三 EJA在生產中的應用

   本公司采用的變送器經歷了力平衡式、差動電容式、擴散硅式等幾種類型階段。由于熱網首站環境溫度變化較大，前幾種類型的變送器必須經過儀表人員不斷地調校來消除溫度特性的影響，增加了工作量，而且數據誤差較大。而EJA采用了對稱式單晶硅諧振式傳感器，兩個諧振梁的頻率差對應不同的差壓或壓力信號。如果環境溫度變化，諧振梁的振蕩頻率也發生相應的變化，在相同狀態下，兩個諧振梁頻率變化的方向及幅度是相同的。因此，計算兩個諧振梁頻率差時，該變化量相互抵消，從而消除了溫度變化的影響。

變送器的壓力取樣管路，由于水質不好，經常會造成堵塞，而且管路密封點多，滲漏的可能性增大，從而造成變送器單向過壓，對于以往使用的變送器會造成零點漂移，嚴重的還可能造成變送器損壞。對于EJA，當有單向壓力作用時，接液膜片內側的硅油向中心膜片移動，硅油傳遞壓力到硅諧振傳感器，當壓力增大到某一數值時，接液膜片與本體完全接觸、貼合在一起，此時外部壓力不管怎樣增加，硅油的壓力不會增加。因此，硅諧振傳感器受到一定壓力后，就不會受到更大的壓力，有很好的自我保護能力；即使受到一定力的作用，由于單晶硅材料的恢復性能特別好，也能完全恢復而無誤差。

EJA的膜盒受靜壓后，零點幾乎無變化，具有很好的靜壓力特性。而我們以前使用的變送器受靜壓后，造成全量程位移，給調校工作增加難度，同時也降低了數據的準確度。EJA加有靜壓（工作壓力）時，由于兩個諧振梁的形狀、尺寸完全一致，且處于同一表面，故頻率的變化量（減少）是一樣的。它們之間相互抵消，輸出頻率差是不變的。所以如果給導壓管內充滿液體，在不加過程壓力的狀態下，可以進行零點調整。

由于EJA使用的傳感器是單晶硅諧振式傳感器，其本身的性能優良，很多影響精確度的因素在其內部相互抵消，同時內存儲器中的各種補償及修正數據通過CPU對各種影響因素進一步修正，從而使其測量精確定為+－0.075%，這是其他變送器所無法比似的。

智能電器轉換部件采用超大規模集成電路，并將放大器AISC化，減少了零部件，提高了放大器自身的可靠性，使其工作穩定性很高，連續工作4年不需調校零點。

四 使用中應注意的問題

   （1）簡化安裝部件，對新安裝的變送器應做一次歸零操作。由于EJA承受單項過壓能力很強（可達14Mpa），在取樣管路敷設時可以取消3組閥，直接將變送器與取樣管路連接在一起。這樣，一方面可以節約安裝材料費、降低成本；另一方面減少了取樣管理的密封點以及堵塞和泄漏的可能性，從而提高了儀表的可靠性。對新安裝的變送器，由于安裝位置的緣故（高低壓側膜合不在同一水平面上），傳感器受到充灌液壓力的影響，可能會出現零點的微量變化，應該用智能終端或外部調零螺釘調整到零點后，再進行使用。

    （2）購買EJA時，應同時配備手持智能終端。EJA具有智能通信功能，可能過手持智能終端與各個變送器之間實現雙向通信，以遙控方式對其測量范圍、位號、各種工程單位、運算功能、阻尼時間常數及密碼等的設置與改變零點調整、高低壓側換向、自診斷監控及設定儀表為恒流輸出模式，從而減少儀表的維護工作量；同時，利用變送器的睚診斷功能，可以確認傳感器或放大器的工作溫度、靜壓、輸入/輸出等參數狀態是否正常；在手持智能終端配備打印機的情況下，可將變送器的過程參數、組態信息和自診斷結果打印出來存檔，以利于儀表進行技術管理。

                                                                   文章發表在《世界儀表與自動化》刊物