本文在介紹HART手操器和單晶硅壓力變送器工作原理基礎上，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、多點輪訊方面的應用。

目前工業生產中所采用的智能儀表多數都具備HART協議通訊使用功能，HART通訊協議是現有技術下應用范圍最為廣泛、技術成熟度最高的通訊協議，HART手操器在使用過程中也擁有諸多優勢，例如：操作直觀、高效、便于攜帶，能夠深入查詢智能儀表發生故障處的故障信息。在很大程度上縮減了技術人員在故障后處理故障所需要的時間，也免去了不必要的探測程序，最主要的是，HART通訊協議是國際通用協議，HART手操器具有極強的兼容性，因此得以廣泛應用。

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之間的電流環中通過，在連接上如果設備能夠與HART之間是兼容的關系，那么任何HART設備都可以連接，在滿足這個條件之后還應符合存在負載電阻的必要條件要求，負載電阻的最小值為250Ω。FSK技術是HART手操器主要采用的一種技術，其電流信號以疊加的方式進行傳輸，4-20mA的模擬信號不會受到手操器與其兼容設備的通訊影響。

在進行通信主要依靠的是HART手操器與協議儀表，HART儀表在配置上主要處理的對象是參數的設定(包括量程上下限等參數)，對儀表數值的設定與檢測值的讀取，還有故障診斷維護等內容。這種手操器支持第一主設備(包括HART網橋等在內的設備)，第一主設備主要存在于HART協議當中，不僅對其協議的通信點對點方式，而且還對其通信的多點方式也同樣支持。

不僅對于相對距離較遠的遠端控制室，還是儀表來說都可以將HART手操器接入，并單獨操作HART儀表，以此促使通信操作的正常進行。如圖2中的連接操作，HART協議設備與手持器保持并聯的連接方式，也能夠與電阻值為250Ω的負載電阻以并聯的方式連接，引線極性不在考慮范疇之內，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協議規定，HART手操器與其所進行連接的單晶硅壓力變送器之間的回路中必須串聯一般為250Ω-1100Ω的負載電阻。因此，對于儀表電壓提出了一定的要求，變送器在負載電阻250Ω-11-1100Ω且變送器電源電壓在18V-36V區間內，手操器可以和儀表正常連接，當電源電壓在規定電壓范圍以外時，手操器無法與設備正常連接。需要注意的是，如果手操器在開機之后在線設備的自動輪詢地址數值為0，設備未連接時手操器會顯示“地址0未發現設備，是否查找其它設備”。

2、單晶硅壓力變送器工作原理
單晶硅壓力變送器(http://m.yigongchang99.com/product/list_124_1.html)的主體結構可以劃分為兩大部分：其中一部分是傳感器部分；另一個部分是電子線路板。傳感器部分由接數字電容電路、傳感器特征化元件、敏感元件以及溫度傳感器四個部分構成。傳感器部分的主要元件有特征化元件、直接數字形式的電容電路、電子線路部分由數字/模擬信號轉換器、存儲器、數字通信以及微處理器組成。對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，在轉換原理的基礎上對傳感器做了部分改良，選用直觀性更強的數字電容電路，傳統電路電路中的A/D轉換或者放大電路被取代，溫度與靜壓補償的完成由數字化技術負責，對測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協議基礎之上所衍生的智能壓力變送器以及溫度變送器能夠適應于各種壓力環境，能同時工作于氣體、液體以及蒸汽介質的環境下，完成相關溫度與的壓力數據的測量。與采用的其他類型HART設備相比相似的一點是，變送器的HART通信功能也是支持雙向與遠程的。主變量通過模擬信號經4-20mA電流信號傳遞。此外，HART通信功能還能夠完成在系統工作過程中主變量參數的采集以及校準、組態、診斷等功能，并且不對于模擬信號的傳遞造成影響。

①傳感器主要構造元件
如圖3所示，YR-ER100單晶硅傳感器的敏感元件是將P型雜質擴散到N型硅片上，形成極薄的導電P型層，焊上引線即成“單晶硅應變片”，其電氣性能是做成一個全動態的壓阻效應惠斯登電橋。該壓阻效應惠斯登電橋和彈性元件(即其N型硅基底)結合在一起。介質壓力通過密封硅油傳到硅膜片的正腔側，與作用在負腔側的介質形成壓差，它們共同作用的結果使膜片的一側壓縮，另一側拉伸，壓差使電橋失衡，輸出一個與壓力變化對應的信號。惠斯登電橋的輸出信號經電路處理后，即產生與壓力變化成線性關系的4-20mA標準信號輸出。

圖3  硅傳感器結構圖                                                                   圖4  膜片受壓示意圖

對于表壓傳感器，其負腔側通常通大氣，以大氣壓作為參考壓力；對于絕壓傳感器，其負腔側通常為真空室，以絕對真空作為參考壓力；對于差壓傳感器，其負腔側的導壓介質通常和正腔側相同，如硅油、氟油、植物油等。 

如圖4所示，在正負腔室的壓差作用下，引起測量硅膜片(即彈性元件)變形彎曲，當壓差P小于測量硅膜片的需用應力比例極限σp時，彎曲可以完全復位；當壓差P超過測量硅膜片的需用應力比例極限σp后，將達到材料的屈服階段，甚至達到強化階段，此時撤去壓差后測量硅膜片無法恢復到原位，導致發生不可逆轉的測量偏差；當壓差P達到或超過測量硅膜片能承受的最高應力σb后，測量硅膜片破裂，直接導致傳感器損壞。因此，通過阻止或削弱外界的過載壓差P直接傳遞到測量硅膜片上，可以有效保護傳感器的測量精度和壽命。這就引出了對單晶硅芯片進行過載保護設計的問題。

②HART壓力變送器電子線路板主要構成
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字電容電路測量，工作中的介質溫度由溫度傳感器測量。微處理器以傳感器特征化EEPROM數據作為依據，分別做線性處理，與進行補償運算，將工作介質有關的壓力值計算出來，其中一部分送往數/模轉換器，一部分送往HART通信部分，另外微處理器還具有傳遞函數運算等功能。
數/模轉換器：按照輸出形式將數字化形式的壓力信號在修正之后，轉為電流值為4-20mA的模擬信號，并將模擬信號傳輸給輸出回路。
HART通信：FSK信號以疊加的方式在4-20mA的回路上存在，發送部分同樣以信號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、環境溫度等信息。配合按鍵，還可以完成功能強大的現場調整。

3、HART手操器對單晶硅壓力變送器的現場應用
①改變單晶硅壓力變送器量程
隨著工業控制愈發精準，初始設計和最終工藝之間的誤差變的不可接受，有別于傳統儀表，HART儀表配合HART手操器可以輕松消除這個誤差，如：根據儀表所要執行任務的不同與儀表工藝的不相同，其量程必須進行相應的調整，以便于測量結果更加直觀、準確，利用HART手操器可輕松實現這一操作過程。其使用步驟如下：
a、連接單晶硅壓力變送器與手操器。
b、進入聯機菜單模式，選擇在線設備菜單。
c、進入主菜單，選擇詳細設置菜單。
d、分別調節量程的上限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
新建工廠在設備投產前，需要進行設備聯調，此時HART單晶硅壓力變送器配合HART手操器可以在系統沒有正常開機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無關，模擬系統正常工作情況，對系統進行測試，方便發現錯誤。其使用步驟如下：
a、連接單晶硅壓力變送器與HART手操器。
b、進入聯機菜單模式，選擇在線設備菜單。
c、進入主菜單，選擇診斷服務菜單。
d、在環路電流檢測菜單模擬輸出電流即可。

③多點輪詢模式
某些特定工況下，電流過低會影響正常使用，使工作不能正常執行；電流過高則極易造成設備的燒損。因此，必須嚴格加以控制。一般說來，為了簡化線路。避免冗余線路造成回路復雜，辨識度不高，天然氣管理中心經常將數個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，但連接點不同，此時需要給變送器分配不同地址，HART協議規定地址可以是0-15以內的任意數字(包括0、15)，在中控室尋找不同地址，即可很容易采集到各個點的數據。地址分配過程中，難免會設置錯誤，導致地址不唯一，導致通訊沖突，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，使系統正常運行。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，進入手操器設置菜單，顯示“輪詢菜單”后，將“從不輪詢”更改為“始終輪詢”，同時將0作為變送器連接地址。
c、如果執行上述操作后，該地址仍然不能發現設備。則會進入自動輪詢地址模式，在1-15之間循環切換地址序列號。此時應返回通過主菜單，選擇“設備設置”，然后進入“詳細設置”，選擇“輸出條件”，選擇“HART輸出”，選擇“輪詢地址”，然后按照檢查規程重新逐一排查檢查項目。
d、將地址設定為0-15以內的任意數字(包括0和15)，就可以使系統重新正常運行。

HART手操器的投入，實現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雜的程序，避免了不必要的時間浪費，給生產操作帶來極大便利。