EJA智能变送器在热网计量系统中的应用

                                    EJA智能变送器在热网计量系统中的应用

                                                           －－山东通源热力集团副总经理 李鼎新 
                                                                    

一 概述

    在热网计量系统中，流量、压力和温度3个检测参数是计算热量、改进供热质量、提高经济效益和管理水平的主要依据。长期以来，压力和流量仪表零点漂移、温度漂移及环境干扰，一直困扰着我们，导致仪表的精确度上不去。

    1997年鸡西热力公司经过市场调研及多方面的比较，最终选定EJA智能变送器（以下简称EJA）作为热网计量系统中压力和差压测量的主体，替代了电容式和扩散硅式变送器。经过一年多的使用，效果非常理想，解决了计量系统中的许多疑难问题。

    EJA是日本横河公司1994年研制成功的，采用单晶硅谐振式传感器，直接输出频率信号，实现了传感器自身就可以消除机械电子干扰、环境温湿度变化、静压与过压等影响。从而且有精确度高、可靠性高、量程比宽和重复性好等优点，特别适合供热管网计量监测系统。

二 EJA的组成及工作原理

EJA的组成和原理如图1所示
  

 图1    EJA组成及原理示意图

1、 膜盒组件

a 单晶硅谐振传感器

它是由单晶硅谐振式传感器和特性修正存储器组成。单晶硅谐振式传感器是一块单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术，分别在其表面的中心和边缘制成两个形状、大小完全一致的H形谐振梁，且处于微型真空腔中，使其既不与充灌液接触，又确保振动时不受空气阻尼的影响。同时，硅谐振梁处于由永久磁铁提供的磁场中，与变压器、放大器等组成一正反馈回路，使谐振梁在回路中产生振荡，见图2。

图2 使谐振梁振荡的回路图

当单晶体硅片的上下表面受到压力并形成压力差时，硅片将产生变形，中心处受到压缩力，边缘处受到张力，因而使两个H形谐振梁分别产生不同应力变化，其结果是中心谐振梁因受压缩力而频率减小，边侧谐振梁因受到张力而频率增加，两个频率之差对应膜片感受的差压信号。

   b 特性修正存储器

   特性修正存储器的功能是存储传感器的环境温度、静压及输入/输出特性修正数据。这些数据经CPU运算，可使变送器获得优良的温度特性和静压特性及输入/输出特性。

2、 智能电器转换部件

由单晶硅谐振式传感器上的两个H形的振动梁分别将差压或压力信号转换为频率信号送到计数器，再将两频率之差直接传递到CPU进行数据处理，后经D/A转换器转换为与输入信号相对应的4~20mA模拟信号输出。并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字信号进行通信。通过I/O口与外部设备（如手持智能终端以及DCS中的带通信功能的I/O卡）以数字通信方式传递数据。

三 EJA在生产中的应用

   本公司采用的变送器经历了力平衡式、差动电容式、扩散硅式等几种类型阶段。由于热网首站环境温度变化较大，前几种类型的变送器必须经过仪表人员不断地调校来消除温度特性的影响，增加了工作量，而且数据误差较大。而EJA采用了对称式单晶硅谐振式传感器，两个谐振梁的频率差对应不同的差压或压力信号。如果环境温度变化，谐振梁的振荡频率也发生相应的变化，在相同状态下，两个谐振梁频率变化的方向及幅度是相同的。因此，计算两个谐振梁频率差时，该变化量相互抵消，从而消除了温度变化的影响。

变送器的压力取样管路，由于水质不好，经常会造成堵塞，而且管路密封点多，渗漏的可能性增大，从而造成变送器单向过压，对于以往使用的变送器会造成零点漂移，严重的还可能造成变送器损坏。对于EJA，当有单向压力作用时，接液膜片内侧的硅油向中心膜片移动，硅油传递压力到硅谐振传感器，当压力增大到某一数值时，接液膜片与本体完全接触、贴合在一起，此时外部压力不管怎样增加，硅油的压力不会增加。因此，硅谐振传感器受到一定压力后，就不会受到更大的压力，有很好的自我保护能力；即使受到一定力的作用，由于单晶硅材料的恢复性能特别好，也能完全恢复而无误差。

EJA的膜盒受静压后，零点几乎无变化，具有很好的静压力特性。而我们以前使用的变送器受静压后，造成全量程位移，给调校工作增加难度，同时也降低了数据的准确度。EJA加有静压（工作压力）时，由于两个谐振梁的形状、尺寸完全一致，且处于同一表面，故频率的变化量（减少）是一样的。它们之间相互抵消，输出频率差是不变的。所以如果给导压管内充满液体，在不加过程压力的状态下，可以进行零点调整。

由于EJA使用的传感器是单晶硅谐振式传感器，其本身的性能优良，很多影响精确度的因素在其内部相互抵消，同时内存储器中的各种补偿及修正数据通过CPU对各种影响因素进一步修正，从而使其测量精确定为+－0.075%，这是其他变送器所无法比似的。

智能电器转换部件采用超大规模集成电路，并将放大器AISC化，减少了零部件，提高了放大器自身的可靠性，使其工作稳定性很高，连续工作4年不需调校零点。

四 使用中应注意的问题

   （1）简化安装部件，对新安装的变送器应做一次归零操作。由于EJA承受单项过压能力很强（可达14Mpa），在取样管路敷设时可以取消3组阀，直接将变送器与取样管路连接在一起。这样，一方面可以节约安装材料费、降低成本；另一方面减少了取样管理的密封点以及堵塞和泄漏的可能性，从而提高了仪表的可靠性。对新安装的变送器，由于安装位置的缘故（高低压侧膜合不在同一水平面上），传感器受到充灌液压力的影响，可能会出现零点的微量变化，应该用智能终端或外部调零螺钉调整到零点后，再进行使用。

    （2）购买EJA时，应同时配备手持智能终端。EJA具有智能通信功能，可能过手持智能终端与各个变送器之间实现双向通信，以遥控方式对其测量范围、位号、各种工程单位、运算功能、阻尼时间常数及密码等的设置与改变零点调整、高低压侧换向、自诊断监控及设定仪表为恒流输出模式，从而减少仪表的维护工作量；同时，利用变送器的睚诊断功能，可以确认传感器或放大器的工作温度、静压、输入/输出等参数状态是否正常；在手持智能终端配备打印机的情况下，可将变送器的过程参数、组态信息和自诊断结果打印出来存档，以利于仪表进行技术管理。

                                                                   文章发表在《世界仪表与自动化》刊物