專利名稱：智能差壓變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種工業(yè)自動(dòng)化儀表，特別是一種能同時(shí)測量差壓、靜壓和溫度，并通過對(duì)靜壓和溫度進(jìn)行補(bǔ)正來實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的智能差壓變送器。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)現(xiàn)有變送器采用傳感器的主要類型是金屬電容式和單一功能的硅壓阻式。
由于傳感器功能單一，不能同時(shí)測量靜壓和溫度，故不能對(duì)靜壓和溫度進(jìn)行補(bǔ)正，使得變送器精度低、穩(wěn)定性與可靠性差。
本實(shí)用新型的目的在于通過對(duì)靜壓和溫度進(jìn)行補(bǔ)正使差壓測量的線性得到很好的校正，從而實(shí)現(xiàn)智能差壓變送器的高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性。
實(shí)用新型內(nèi)容智能差壓變送器是由傳感器做為芯體，并形成檢測部件，再輔之轉(zhuǎn)換放大電路而成，轉(zhuǎn)換放大電路包括采樣單元、微處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、通訊單元，其特征在于(a)傳感器為多功能硅壓阻復(fù)合傳感器，將硅敏感芯片7的背面封接有帶孔的雙拋玻璃8，其中玻璃孔位于硅敏感芯片7背面的差壓敏感膜片4的下方，靜壓敏感膜片5由帶孔的雙拋玻璃8上面無孔區(qū)域封死，帶孔的雙拋玻璃8的下方封接有導(dǎo)壓管9，其中玻璃孔與導(dǎo)壓管的導(dǎo)壓孔相配合，除留有硅敏感芯片7正面、導(dǎo)壓管入口一端外，所有部件用基座11封裝固定，基座上固定有引線10，硅鋁絲6將差壓敏感電橋1、靜壓敏感電橋2、溫度敏感元件3與引線10相連，形成完整的全固態(tài)封裝傳感器；
(b)形成檢測部件以傳感器為芯體，在導(dǎo)壓管外端套有中心基座14，用本體12將傳感器芯體、中心基座14固定成一體，本體有一側(cè)壁孔，可將傳感器信號(hào)引線10用軟帶13從本體12的側(cè)壁孔引出，在硅敏感芯片7正面相對(duì)于導(dǎo)壓管的位置本體12留有導(dǎo)壓孔，該導(dǎo)壓孔外側(cè)固定中心膜片15，同時(shí)在另一端中心基座14導(dǎo)壓管外側(cè)也固定有中心膜片15，用本體基座將本體、中心基座、傳感器芯體固定在其中，本體基座內(nèi)側(cè)與本體之間的連接可采用焊接形式，中心膜片15均采用周邊固定的方法，固定在本體基座17與本體之間，中心膜片中心部位內(nèi)外側(cè)均留有間隙，與壁面不相接觸，本體基座在相對(duì)于本體12上的導(dǎo)壓孔、中心基座14導(dǎo)壓管的導(dǎo)壓孔處的相對(duì)位置上也各置有導(dǎo)壓孔，在本體基座17的導(dǎo)壓孔外側(cè)固定有隔離膜片16，隔離膜片可采用周邊焊接固定在本體基座外側(cè)表面上，隔離膜片中心與導(dǎo)壓孔相對(duì)應(yīng)，并與本體基座外側(cè)表面有間隙，內(nèi)部充灌硅油后形成完整的全固態(tài)封裝的多功能硅壓阻復(fù)合傳感器檢測部件。
在本實(shí)用新型中硅敏感芯片7是指在雙面拋光的N型硅單晶片的正面注入硼形成P型差壓敏感電橋1、靜壓敏感電橋2，并在兩電橋聯(lián)接處置有溫度敏感元件3，在硅單晶片的背面與正面兩個(gè)惠斯登電橋相對(duì)應(yīng)的位置區(qū)域形成兩個(gè)深淺不一的II形凹槽，使得兩位置的晶片厚度不等，即形成兩個(gè)膜片厚度不等的差壓敏感膜片4和靜壓敏感膜片5；將該芯片與雙拋玻璃相接、雙拋玻璃與導(dǎo)壓管相接，再由基座封裝固定，可形成本實(shí)用新型所述的多功能硅壓阻復(fù)合傳感器。
在本實(shí)用新型中，多功能硅壓阻復(fù)合傳感器的封裝結(jié)構(gòu)可使硅敏感芯片的差壓敏感電橋1感受到傳感器芯體兩端的壓力-差壓；而靜壓敏感電橋2只能感受到傳感器正壓端的壓力-靜壓。導(dǎo)壓管一端與雙拋玻璃相接進(jìn)而連接硅敏感芯片的這一側(cè)為正壓側(cè)，外套中心基座的導(dǎo)壓管另一端的一側(cè)為負(fù)壓側(cè)。
這種結(jié)構(gòu)形式封裝的傳感器，當(dāng)測量壓力超過量程5倍時(shí)，中心膜片運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致隔離膜片運(yùn)動(dòng)，使隔離膜片與本體基座貼死，測量壓力無法傳導(dǎo)到敏感芯片7上，從而從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了過壓保護(hù)。由于差壓的作用，使得傳感器橋路電阻阻值隨之發(fā)生變化，使橋路輸出電壓與差壓成正比。
本實(shí)用新型中采樣轉(zhuǎn)換單元可選用24位高精度可編程A/D轉(zhuǎn)換芯片，小信號(hào)采樣精度高，在轉(zhuǎn)換信號(hào)低至5mV情況下，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.015‰。
本實(shí)用新型中微處理單元可選用Motorola公司的微處理器，在該單元設(shè)計(jì)中外擴(kuò)了32K的ROM，用作程序存儲(chǔ)器?？紤]到現(xiàn)場檢查和維修及放大器的互換問題，外擴(kuò)了2K的E2PROM，存放傳感器整定參數(shù)。A/D和D/A轉(zhuǎn)換接口均采用串行接口技術(shù)，數(shù)字顯示單元采用并行接口技術(shù)，能更迅速地反映變送器的實(shí)時(shí)輸出，同時(shí)可現(xiàn)場顯示26種工程單位。軟件補(bǔ)償采用數(shù)學(xué)模型優(yōu)算法和在線修正技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)寬范圍、高精度溫度和線性補(bǔ)償，數(shù)字補(bǔ)償精度可達(dá)0.01％。
本實(shí)用新型中數(shù)模轉(zhuǎn)換單元可采用美國AD公司的D/A轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有16位的轉(zhuǎn)換精度，不僅精度高而且轉(zhuǎn)換速度快，集供電、信號(hào)輸出和載波通訊于一體。
本實(shí)用新型中通訊單元主要由輸入帶通濾波電路、輸出整形濾波電路、調(diào)制解調(diào)器等組成，當(dāng)變送器接收HART通訊信號(hào)時(shí)，輸入帶通濾波器將HART的正弦波變成方波后送到調(diào)制解調(diào)器，經(jīng)調(diào)制解調(diào)器解調(diào)成數(shù)字信號(hào)送CPU處理，CPU返回的數(shù)字信號(hào)經(jīng)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制成HART頻率，經(jīng)波形整定電路變成標(biāo)準(zhǔn)的HART正弦波。
利用實(shí)用新型得到的差壓型智能變送器樣機(jī)性能穩(wěn)定、可靠，具有高精度(±0.1％以上)。性能全部達(dá)到了智能變送器技術(shù)指標(biāo)要求。


圖1為硅敏感復(fù)芯片7的示意圖，圖中1、差壓敏感電橋2、靜壓敏感電橋3、溫度敏感元件
4、差壓敏感膜片5、靜壓敏感膜片圖2為多功能硅壓阻復(fù)合壓力傳感器的示意圖，圖中1、差壓敏感電橋2、靜壓敏感電橋4、差壓敏感膜片5、靜壓敏感膜片6、硅鋁絲 7、硅敏感芯片8、雙拋玻璃9、導(dǎo)壓管 10、引線11、基座圖3為本實(shí)用新型的一種智能壓力變送器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中12、本體 13、軟帶 14、中心基座15、中心膜片 16、隔離膜片 17、本體基座圖4為本實(shí)用新型的智能壓力變送器轉(zhuǎn)換放大電路功能示意方框圖在本實(shí)用新型的智能壓力變送器中采用了差壓、靜壓、溫度三個(gè)傳感器復(fù)合在一個(gè)單晶硅片上的多功能傳感器，使得能夠通過變送器中的微處理器對(duì)靜壓和溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償。從而實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性；其次是智能變送器在信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路中采用了可編程A/D、D/A轉(zhuǎn)換、微處理器、HART通訊等高性能硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的數(shù)字化和智能化。
具體實(shí)施方式
采用圖3所示的結(jié)構(gòu)的智能壓力變送器，當(dāng)被測量的差壓作用于檢測部件正壓側(cè)時(shí)，由于正壓側(cè)感受的壓力大于負(fù)壓側(cè)的壓力，致使正壓側(cè)隔離膜片16向本體基座17移動(dòng)，內(nèi)充液體將該壓力傳遞給正壓側(cè)中心膜片15，引起中心膜片15移動(dòng)，在內(nèi)充液作用下將該壓力又傳遞到傳感器芯體正壓側(cè)，差壓敏感膜片4和靜壓敏感膜片5同時(shí)感受到該壓力，引起敏感膜片電阻阻值發(fā)生變化；與此同時(shí)，復(fù)合傳感器中的溫度敏感元件3也通過內(nèi)封液的熱傳導(dǎo)感受到被測流體的溫度，引起溫度敏感元件3電阻阻值的變化，此時(shí)，差壓、靜壓和溫度引起復(fù)合傳感器芯片三種參數(shù)的變化均通過信號(hào)引線10和軟帶13被送到轉(zhuǎn)換放大電路采樣單元的可編程?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器中，該信號(hào)被放大后經(jīng)?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再送到微處理器單元，微處理器對(duì)差壓信號(hào)經(jīng)過靜壓和溫度補(bǔ)償運(yùn)算后進(jìn)行線性校正，再經(jīng)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與被測量的差壓成正比的直流4-20毫安輸出信號(hào)。與檢測部件相關(guān)的差壓、靜壓、溫度參數(shù)和變送器的功能參數(shù)被儲(chǔ)存在兩個(gè)存儲(chǔ)器中。
權(quán)利要求1.一種智能差壓變送器是由傳感器做為芯體，并形成檢測部件，再輔之轉(zhuǎn)換放大電路而成，轉(zhuǎn)換放大電路包括采樣單元、微處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、通訊單元，其特征在于(a)傳感器為多功能硅壓阻復(fù)合傳感器，將硅敏感芯片(7)的背面封接有帶孔的雙拋玻璃(8)，其中玻璃孔位于硅敏感芯片(7)背面的差壓敏感膜片(4)的下方，靜壓敏感膜片(5)由帶孔的雙拋玻璃(8)上面無孔區(qū)域封死，帶孔的雙拋玻璃(8)的下方封接有導(dǎo)壓管(9)，其中玻璃孔與導(dǎo)壓管的導(dǎo)壓孔相配合，除留有硅敏感芯片(7)正面、導(dǎo)壓管入口一端外，所有部件用基座(11)封裝固定，基座上固定有引線(10)，硅鋁絲(6)將差壓敏感電橋(1)、靜壓敏感電橋(2)、溫度敏感元件(3)與引線(10)相連，形成完整的全固態(tài)封裝傳感器；(b)形成檢測部件以傳感器為芯體，在導(dǎo)壓管外端套有中心基座(14)，用本體(12)將傳感器芯體、中心基座(14)固定成一體，本體有一側(cè)壁孔，可將傳感器信號(hào)引線(10)用軟帶(13)從本體(12)的側(cè)壁孔引出，在硅敏感芯片(7)正面相對(duì)于導(dǎo)壓管的位置本體(12)留有導(dǎo)壓孔，該導(dǎo)壓孔外側(cè)固定中心膜片(15)，同時(shí)在另一端中心基座(14)導(dǎo)壓管外側(cè)也固定有中心膜片(15)，用本體基座將本體、中心基座、傳感器芯體固定在其中，本體基座內(nèi)側(cè)與本體之間的連接可采用焊接形式，中心膜片(15)均采用周邊固定的方法，固定在本體基座(17)與本體之間，中心膜片中心部位內(nèi)外側(cè)均留有間隙，與壁面不相接觸，本體基座在相對(duì)于本體(12)上的導(dǎo)壓孔、中心基座(14)導(dǎo)壓管的導(dǎo)壓孔處的相對(duì)位置上也各置有導(dǎo)壓孔，在本體基座(17)的導(dǎo)壓孔外側(cè)固定有隔離膜片(16)，隔離膜片可采用周邊焊接固定在本體基座外側(cè)表面上，隔離膜片中心與導(dǎo)壓孔相對(duì)應(yīng)，并與本體基座外側(cè)表面有間隙，內(nèi)部充灌硅油后形成完整的全固態(tài)封裝的多功能硅壓阻復(fù)合傳感器檢測部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能差壓變送器，其特征在于硅敏感芯片(7)是指在雙面拋光的N型硅單晶片的正面注入硼形成P型差壓敏感電橋(1)、靜壓敏感電橋(2)，并在兩電橋聯(lián)接處置有溫度敏感元件(3)，在硅單晶片的背面與正面兩個(gè)惠斯登電橋相對(duì)應(yīng)的位置區(qū)域形成兩個(gè)深淺不一的∏形凹槽，使得兩位置的晶片厚度不等，即形成兩個(gè)膜片厚度不等的差壓敏感膜片(4)和靜壓敏感膜片(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能差壓變送器，其特征在于采樣轉(zhuǎn)換單元可選用24位高精度可編程A/D轉(zhuǎn)換芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能差壓變送器，其特征在于微處理單元中A/D和D/A轉(zhuǎn)換接口均采用串行接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能差壓變送器，其特征在于數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采用D/A轉(zhuǎn)換芯片。
專利摘要一種智能差壓變送器是由傳感器做為芯體，并形成檢測部件，再輔之轉(zhuǎn)換放大電路而成，其特征在于采用了差壓、靜壓、溫度三個(gè)傳感器復(fù)合在一個(gè)單晶硅片上的多功能傳感器，使得能夠通過變送器中的微處理器對(duì)靜壓和溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償。從而實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性；其次是智能變送器在信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路中采用了可編程A/D、D/A轉(zhuǎn)換、微處理器、HART通訊等高性能硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的數(shù)字化和智能化。
文檔編號(hào)G01D21/02GK2758712SQ20042011599
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者鄭永輝, 褚斌, 劉輝, 李云鵬, 史云肖, 孫烈鵬 申請(qǐng)人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油蘭州煉油化工總廠, 吉化集團(tuán)公司