本文在介绍HART手操器和单晶硅压力变送器工作原理基础上，分享HART手操器在单晶硅压力变送器检定过程中修改量程、改变变送器电流值、多点轮讯方面的应用。
目前工业生产中所采用的智能仪表多数都具备HART协议通讯使用功能，HART通讯协议是现有技术下应用范围最为广泛、技术成熟度最高的通讯协议，HART手操器在使用过程中也拥有诸多优势，例如：操作直观、高效、便于携带，能够深入查询智能仪表发生故障处的故障信息。在很大程度上缩减了技术人员在故障后处理故障所需要的时间，也免去了不必要的探测程序，最主要的是，HART通讯协议是国际通用协议，HART手操器具有极强的兼容性，因此得以广泛应用。
图1 罗斯蒙特HART475手操器
1、HART手操器概述
HART手操器可在4-20mA之间的电流环中通过，在连接上如果设备能够与HART之间是兼容的关系，那么任何HART设备都可以连接，在满足这个条件之后还应符合存在负载电阻的必要条件要求，负载电阻的最小值为250Ω。FSK技术是HART手操器主要采用的一种技术，其电流信号以叠加的方式进行传输，4-20mA的模拟信号不会受到手操器与其兼容设备的通讯影响。
在进行通信主要依靠的是HART手操器与协议仪表，HART仪表在配置上主要处理的对象是参数的设定(包括量程上下限等参数)，对仪表数值的设定与检测值的读取，还有故障诊断维护等内容。这种手操器支持第一主设备(包括HART网桥等在内的设备)，第一主设备主要存在于HART协议当中，不仅对其协议的通信点对点方式，而且还对其通信的多点方式也同样支持。
不仅对于相对距离较远的远端控制室，还是仪表来说都可以将HART手操器接入，并单独操作HART仪表，以此促使通信操作的正常进行。如图2中的连接操作，HART协议设备与手持器保持并联的连接方式，也能够与电阻值为250Ω的负载电阻以并联的方式连接，引线极性不在考虑范畴之内，如图2所示的连接图。
图2 HART手操器和单晶硅压力变送器连接
由于HART协议规定，HART手操器与其所进行连接的单晶硅压力变送器之间的回路中必须串联一般为250Ω-1100Ω的负载电阻。因此，对于仪表电压提出了一定的要求，变送器在负载电阻250Ω-11-1100Ω且变送器电源电压在18V-36V区间内，手操器可以和仪表正常连接，当电源电压在规定电压范围以外时，手操器无法与设备正常连接。需要注意的是，如果手操器在开机之后在线设备的自动轮询地址数值为0，设备未连接时手操器会显示“地址0未发现设备，是否查找其它设备”。
2、单晶硅压力变送器工作原理
单晶硅压力变送器(//www.e-cumulus.com/product/list_124_1.html)的主体结构可以划分为两大部分：其中一部分是传感器部分；另一个部分是电子线路板。传感器部分由接数字电容电路、传感器特征化元件、敏感元件以及温度传感器四个部分构成。传感器部分的主要元件有特征化元件、直接数字形式的电容电路、电子线路部分由数字/模拟信号转换器、存储器、数字通信以及微处理器组成。对于一些智能化的变送器来说，在传感部分主要采用智能传感器，这种传感器外观体积小，精度却很高，在转换原理的基础上对传感器做了部分改良，选用直观性更强的数字电容电路，传统电路电路中的A/D转换或者放大电路被取代，温度与静压补偿的完成由数字化技术负责，对测量精度来说是有效的提高。也在很大程度上抑制了温度漂移。在HART协议基础之上所衍生的智能压力变送器以及温度变送器能够适应于各种压力环境，能同时工作于气体、液体以及蒸汽介质的环境下，完成相关温度与的压力数据的测量。与采用的其他类型HART设备相比相似的一点是，变送器的HART通信功能也是支持双向与远程的。主变量通过模拟信号经4-20mA电流信号传递。此外，HART通信功能还能够完成在系统工作过程中主变量参数的采集以及校准、组态、诊断等功能，并且不对于模拟信号的传递造成影响。
①传感器主要构造元件
如图3所示，YR-ER100单晶硅传感器的敏感元件是将P型杂质扩散到N型硅片上，形成极薄的导电P型层，焊上引线即成“单晶硅应变片”，其电气性能是做成一个全动态的压阻效应惠斯登电桥。该压阻效应惠斯登电桥和弹性元件(即其N型硅基底)结合在一起。介质压力通过密封硅油传到硅膜片的正腔侧，与作用在负腔侧的介质形成压差，它们共同作用的结果使膜片的一侧压缩，另一侧拉伸，压差使电桥失衡，输出一个与压力变化对应的信号。惠斯登电桥的输出信号经电路处理后，即产生与压力变化成线性关系的4-20mA标准信号输出。
图3 硅传感器结构图 图4 膜片受压示意图
对于表压传感器，其负腔侧通常通大气，以大气压作为参考压力；对于绝压传感器，其负腔侧通常为真空室，以绝对真空作为参考压力；对于差压传感器，其负腔侧的导压介质通常和正腔侧相同，如硅油、氟油、植物油等。
如图4所示，在正负腔室的压差作用下，引起测量硅膜片(即弹性元件)变形弯曲，当压差P小于测量硅膜片的需用应力比例极限σp时，弯曲可以完全复位；当压差P超过测量硅膜片的需用应力比例极限σp后，将达到材料的屈服阶段，甚至达到强化阶段，此时撤去压差后测量硅膜片无法恢复到原位，导致发生不可逆转的测量偏差；当压差P达到或超过测量硅膜片能承受的最高应力σb后，测量硅膜片破裂，直接导致传感器损坏。因此，通过阻止或削弱外界的过载压差P直接传递到测量硅膜片上，可以有效保护传感器的测量精度和寿命。这就引出了对单晶硅芯片进行过载保护设计的问题。
②HART压力变送器电子线路板主要构成
HART主电路模块：单晶硅压力变送器受到微处理器的控制，而压力敏感元件的工作压力由隔离数字电容电路测量，工作中的介质温度由温度传感器测量。微处理器以传感器特征化EEPROM数据作为依据，分别做线性处理，与进行补偿运算，将工作介质有关的压力值计算出来，其中一部分送往数/模转换器，一部分送往HART通信部分，另外微处理器还具有传递函数运算等功能。
数/模转换器：按照输出形式将数字化形式的压力信号在修正之后，转为电流值为4-20mA的模拟信号，并将模拟信号传输给输出回路。
HART通信：FSK信号以叠加的方式在4-20mA的回路上存在，发送部分同样以信号叠加的形式存在于回路上。
多功能LCD显示器：不仅可以显示压力、电流值、百分比、环境温度等信息。配合按键，还可以完成功能强大的现场调整。
3、HART手操器对单晶硅压力变送器的现场应用
①改变单晶硅压力变送器量程
随着工业控制愈发精准，初始设计和最终工艺之间的误差变的不可接受，有别于传统仪表，HART仪表配合HART手操器可以轻松消除这个误差，如：根据仪表所要执行任务的不同与仪表工艺的不相同，其量程必须进行相应的调整，以便于测量结果更加直观、准确，利用HART手操器可轻松实现这一操作过程。其使用步骤如下：
a、连接单晶硅压力变送器与手操器。
b、进入联机菜单模式，选择在线设备菜单。
c、进入主菜单，选择详细设置菜单。
d、分别调节量程的上限URV和量程下限LRV，修改单晶硅压力变送器的量程。
②改变单晶硅压力变送器电流值
新建工厂在设备投产前，需要进行设备联调，此时HART单晶硅压力变送器配合HART手操器可以在系统没有正常开机的情况下输出固定电流，可输出4-20mA之间的任意值和仪表采集信号无关，模拟系统正常工作情况，对系统进行测试，方便发现错误。其使用步骤如下：
a、连接单晶硅压力变送器与HART手操器。
b、进入联机菜单模式，选择在线设备菜单。
c、进入主菜单，选择诊断服务菜单。
d、在环路电流检测菜单模拟输出电流即可。
③多点轮询模式
某些特定工况下，电流过低会影响正常使用，使工作不能正常执行；电流过高则极易造成设备的烧损。因此，必须严格加以控制。一般说来，为了简化线路。避免冗余线路造成回路复杂，辨识度不高，天然气管理中心经常将数个单晶硅压力变送器的线路连接于同一回路中，尽管同一回路，但连接点不同，此时需要给变送器分配不同地址，HART协议规定地址可以是0-15以内的任意数字(包括0、15)，在中控室寻找不同地址，即可很容易采集到各个点的数据。地址分配过程中，难免会设置错误，导致地址不唯一，导致通讯冲突，HATR手操器依赖于其出色的通讯功能，可以轻松解决此类问题，重新分配地址，使系统正常运行。其操作流程如下：
a、连接单晶硅压力变送器与HATR手操器。
b、变更HATR手操器主菜单访问方式，进入手操器设置菜单，显示“轮询菜单”后，将“从不轮询”更改为“始终轮询”，同时将0作为变送器连接地址。
c、如果执行上述操作后，该地址仍然不能发现设备。则会进入自动轮询地址模式，在1-15之间循环切换地址序列号。此时应返回通过主菜单，选择“设备设置”，然后进入“详细设置”，选择“输出条件”，选择“HART输出”，选择“轮询地址”，然后按照检查规程重新逐一排查检查项目。
d、将地址设定为0-15以内的任意数字(包括0和15)，就可以使系统重新正常运行。
HART手操器的投入，实现了单晶硅压力变送器控制过程中仪表量程改变、变送器电流值锁定与解锁、变送器模式更迭，在很大程度上便利了单晶硅压力变送器的使用，简化了单晶硅压力变送器操作过程中一些很复杂的程序，避免了不必要的时间浪费，给生产操作带来极大便利。
