过程仪表第2章变送器.ppt

1 2 5液位变送器 液位是指密封容器或开口容器中液位的高低 通过液位测量可知道容器内的原料 半成品或成品的数量 以便调节流入流出容器的物料 使之达到物料平衡 从而保证生产过程顺利进行 此外 通过液位测量可对生产过程中各环节所耗物料进行统计和经济核算 液位测量由于受到被测介质的物理性质 化学性质以及工作条件的影响 再加上以往未得到足够重视 因此 目前仍然是一个比较薄弱的环节 2 2 5 1浮力式液位变送器 浮力式液位变送器是根据阿基米德原理工作的 即液体对一个物体浮力的大小 等于该物体所排出的液体的重量 浮力式液位变送器可分为恒浮力式和变浮力式两种 恒浮力式液位计原理 1 恒浮力式液位变送器 3 2 变浮力式液位变送器 浮筒式液位计原理 右图为浮筒式变浮力液位计原理图 圆柱形浮筒部分沉浸于液体中 当浮筒被液体浸没的高度变化时 其所受浮力F也变化 F的变化压缩弹簧 弹簧的弹性力与浮筒的重力相平衡时 浮筒便处于某一平衡位置 测量弹簧的压缩位移 并转换成统一标准信号 便可得知液位高度 4 浮筒 G F弹 F浮 浮筒 弹簧磁钢室 输出指示器 内置式 外置式 静井 基本工作原理 主要由四个基本部分组成 浮筒 弹簧 磁钢室和输出指示器当浮筒沉浸在液体中时 浮筒将受到向下的重力G 向上的浮力F浮和弹簧弹力F 弹的复合作用弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移 再通过输出指示器内磁感应元件和传动装置或变换输出装置 使其指示出液位或输出与液位对应的电信号 特点和要求 浮筒式液位计通常有内置式和侧装外置式两种安装方式 测量原理完全相同 但外置式安装更适用于温度较高的场合 5 2 5 2静压力式液位变送器 差压 压力 液位变送器 基本工作原理 P gH 零点迁移 零点迁移的目的 使H 0时 变送器输出为Iomin 如4mA P 1gH P 1gH 2g h2 h1 P 1gH 1gh1 无迁移 负迁移 迁移量 2g h2 h1 正迁移 迁移量 1gh1 6 例 已知 1 1200kg m3 2 950kg m3 h1 1m h2 5m 液位变化范围0 2 5米 求 变送器的量程和迁移量 解 Hmax 1g 2 5 1200 9 8 29400Pa变送器量程可选为 40kPa当H 0时 2g h2 h1 4 950 9 8 37 24kPa变送器需要进行负迁移 迁移量为 37 24kPa 结论 差压式液位变送器 事实上就是一个差压变送器 无非液位变送器的输出与液位高度H成线性关系 因此 差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大 易凝固等液体液位时 引压管线容易出现被腐蚀 被堵塞的问题 应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器 压力信号的远传装置 分单法兰式及双法兰式两种 7 右图为吹气式液位变送的原理 将一根吹气管插入至被测液体的最低液位 零液位 处 压缩空气或惰性气体经恒压阀和流量计吹入贮液罐内 当吹气管的下端有微量气泡溢出时 导管内的压力几乎与液封压力相等 吹气式液位测量原理 吹气式液位变送 8 2 6成分分析仪表 成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表 在现代工业生产过程中 必须对生产过程中的原料 成品 半成品的化学成分 化学性质 粘度 浓度 密度 重度 以及PH值等进行自动测量和自动控制 以达到优质高产 降低能源消耗和产品成本 保证安全生产和防止环境污染的目的 按使用场合来分 成分分析仪表又分为实验室分析仪表和过程分析仪表 自动分析仪表或在线分析仪表 9 表2 3分析仪表的分类 10 2 6 1红外气体分析仪 红外气体分析仪是利用不同的气体对不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特性来进行气体浓度分析的 它具有量程范围宽 灵敏度高 反应迅速 选择性强的特点 红外线的波长范围为0 75 1000 红外气体分析仪中利用的波长范围为2 25 可以用恒定电流加热镍铬丝到某一适当的温度而产生某一特定波长范围的红外线 表2 4部分气体特征吸收峰波长 11 I与c的关系曲线 红外气体分析仪原理框图 12 样气在色谱柱中的分离过程 2 6 2气相色谱分析仪 13 2 6 3热磁式氧分析仪 在生产过程中 尤其是燃烧和氧化过程中 以及安全保护和粮食果品储存等方面 准确测量和严格控制混合气体中的氧含量 对节约能源和安全生产等具有十分重要的作用 在氧分析仪表中 应用最广泛的是热磁式氧分析仪 它具有 量程宽 稳定性好 不消耗被分析气体和使用简便等优点 传感器是一个具有中间水平通道的测量环室 热磁式氧分析仪的传感器结构见上图 14 2 6 4氧化锆氧量分析仪 氧化锆氧分析器是近年来发展起来的一种新型分析仪表 它由氧化锆探头和变送器两部分组成 氧化锆探头可直接插入管道内进行检测 它将被测气体中的氧含量 浓度 转换成氧浓差电势 经变送器将氧浓差电势转换成DC1 5V 或DC4 20mA 统一标准信号输出或远传 因此 在冶金 炼油 化工等工业部门被广泛用于测量各种锅炉 轧钢加热炉等烟道气的氧含量 它亦可方便地与调节器配合组成氧含量自动控制系统 实现最佳燃烧控制 氧化锆探头是基于氧浓差电池原理工作的 见上图 15 2 7二线制变送器的电路分析与设计 二线制 变送器工作电源线和4 20mA输出信号线共用两根线 与非二线制 四线制 仪表相比 节省两根传输线 便于施工和维护 有利于HART通信协议的实施 由于集成电路和MEMS的发展 传感器越来越精细 体积越来越小 与之匹配的是多种型号的专用IC电路芯片 完成由mV 4 20mA的变送转换功能 16 XTR101芯片它是美国BURR BROW公司生产的变送器通用电路芯片 1 组成 由仪用放大器 双匹配电流源和输出驱动电路等三部分组成 2 性能指标 偏置电压 30 V 电压漂移 0 75 V 非线性 0 01 工作电压 11 6 40VDC 一般采用24VDC温度 40 85 采用小型14引脚双列直插式封装 工作原理 1 原理分析简化电路如图所示 17 18 设IC1和IC2为理想运算放大器 同相端和反相端电位相等 运放的输入电流为0 则跨导设置电阻RS中的电流IS e1N4 e1N3 RS e1N RSIS和I3形成I1 由芯片参数 内部 设定 得到输出电流I0和输入信号e1N的关系为 I0 4mA 0 016S 40 RS e1N由上式可知 当e1N 0 I0 4mA 当为最大值 I0 20mA 可知 0 016S 40 RS e1N M 16mA则RS 40 16mA e1N M 0 016S 由此根据e1N M选择RS 19 2 应用中的注意事项 负载电阻和电源匹配由于XTR101为单电源工作 工作电源电压11 6 40V 负载电阻和电源电压为线性关系 如下图所示 一般变送器电源电压为24V 因此最大负载电阻为750 实际应用中变送器输出来带3个250 的负载 显示器 调节器 A D输入电阻等 20 外接晶体管电路如下图所示 在8 9 12脚外接一个晶体管 用以分流内部晶体管的大部分电流 以减少芯片的功耗和温度的变化 从而提高XTR101的精度和稳定性 但采用这样设计方式应确保外部晶体管的功率参数 21 输入端空载电位放大器工作电压VCC 即信号输入端应比信号输出端高4 6V 保证电路处于线性工作范围 由外接电阻R2来实现 如下图所示 输入端3 4输入信号为e1n E2 由内部电流源输出 10 11 IREF1和IREF2 2mA 产生偏置电位 当R2 2 5K 偏置电位3 4 7为5V 22 失调误差的补偿为了消除偏置电压的电流影响 在1 2和14引脚之间设置电位计RP2 调节中心点位置使eIN 0时 I0 4mA 设计实例 23 1 热电偶温度变送器原理电路如图所示 设热电偶分度号为K 设定测量范围0 1000 24 首先查热电偶分度表 其热电势0 41 269mV 0 1000 计算量程电阻RS由上面I0的表达式 I0 16mA 计算RS得到RS 40 I0 e1n 0 016S 107 6 计算冷端补偿电路利用二极管VD的PN结电压温度特性 产生冷端补偿电压 设PN结在25 时 VVD 0 6V 硅管 温度特性VVD T 2mV 由R5 R6组成VVD的分压器 使R6上的电压变化率和热电偶的温度变化率近似相等 K型热电偶在25 时 ET T 0 04mV 25 计算分压电路 由 VVD T R6 R5 R6 ET T选择R5 2K 解得R6 40 82 热电偶输入回路校验由上图热电偶输入回路电压平衡方程式 e1n e2 e1 et V4 e1当冷端温度为 25 热电偶工作端为0 时 et 1 0mV VVD 600mV 代入上式得到V4 13 0mV R4 V4 1mA 13 0 R4 RS采用精密多圈电位器 用于调节变送器的0点和量程 R5和R6用温度系数很小的绕线精密电阻 VD用专门测温二极管 26 2 热电阻温度变送器原理电路如下图所示 27 热电阻分度号Pt100 要求测量范围25 150 查表可知Pt100R25 109 73 R150 157 31 由1mA电流源激励 输入e1N的变化量为 求 e1N e1N 1mA 157 31 109 73 47 58mV 计算量程电阻RS RS 40 I0 e1n 0 016S 124 89 28 0点输出的实现 R4的计算 在温度下限25 时 Pt100的阻值为109 73 变送器输出为4mA 此时e1N 0 因此V4 VRt 上的压降 得到R4 109 73 计算R2 检查共模电压在25 时 e2 109 73mV 在150 时 e2 157 3mV由于e2和V4比偏置电压 5V 小得多 所以它们可忽略 于是偏置电阻R2 5V 2mA 2 5K 这样 放大器的输入端电压为 e2 min 5 0 10973 Ve1 5 0 10973 V最大输入150 时 VRt 157 31mV保证e1和e2在4 6V正常工作范围内 使XTR101工作在线性区内 29 3 压力变送器典型的压力变送器原理电路如图所示 30 传感器部分为低阻抗应变电桥 300 XTR101输出2mA电流源 10 11引脚输出 向应变桥和稳压管供电 图中R3为偏置电阻 R2为限流电阻 R1用于调整稳压管工作电流 使其温度系数最小 R5和RP2组成4mA的0位调节电路 R4和RP1组成增益 满量程 调节电路 信号 压力信号 从XTR101的3 4引脚输入 输出信号 4 20mA 从负载电阻RL获得 31 注意 XTR101是通用变送器电路芯片 它不具有非线性补偿电路 为了应用于热电偶 热电阻等具有非线性特性的传感器 要适当的压缩量程范围 即应用于传感器的线性段 可选用专用连接口芯片 例如XTR103 它专用于RTD热电阻二线制4 20mA变送器专用电路芯片 它用的PT100测量范围可在 200 850 的宽范围 降低非线性40倍 32 2 8智能变送器一 智能变送器的特点 1 双向通信能力 2 自诊断能力 3 模 数信号同时传送 4 测量精度高 5 量程比大400 1 6 可发出直流信号 7 正 反作用切换 8 PID控制功能 调整遥控化零点量程调整独立化仪表标签内置化仪表信息数字化 33 二 智能变送器的分类1 价格分类 按精度分类 高档 0 075 0 1 中档 0 1 低档 0 1 以下2 按罗马数字分类 型 四线 型 二线 型半 智能仪表 型 现场总线3 按通信协议分类HARTDE 34 四 ST3000智能差压变送器ST3000 900系列全智能差压变送器是以微处理器为基础的智能变送器 最新推出的R300版本 全面提升了变送器的精度 可靠性及长期稳定性指标 它能测量各种液体和气体的压力 并输出对应的4 20mA模拟信号和数字信号 它独特的温度和静压误差自动修正功能使其能满足苛刻的使用环境 它具有DE通讯协议 可与霍尼韦尔的集散控制系统和智能现场通讯器 SFC 实现双向数字通讯 消除了模拟信号传输误差 方便了变送器的调试 校验和故障诊断 特点1 先进的传感器技术 采用离子注入硅技术 在差压传感器上集成了静压和温度传感器 随时修正过程温度和静压引起的误差 提高了测量精度和稳定性 2 高可靠性 平均无故障时间470年 3 高稳定性 0 015 年 35 4 高精度 0 075 5 测量范围宽 STG9440 3 5MPaSTG9740 21MPa6 规格齐全 接液部分有各种防腐材料备选 能满足各种工况条件下的使用 7 具备各种本安和隔爆认证 8 可选HART协议 9 可选现场总线 FF 通讯协议 10 使用现场通讯器或MCT多协议通讯器实现对ST3000变送器的组态 校验和故障诊断等 11 可通过便携电脑 用SCT组态工具组态 12 可与霍尼韦尔集散控制系统实现数字一体化 13 体积小 重量轻 4 1Kg 36 组成与原理 如下图所示为Honeywell公司ST3000 900智能变送器的结构 变送器的生产主要由机器人完成 该变送器由表头和信号处理两部分组成 表头的核心部分是在一片硅片上通过离子注人 经激光精细加工而成的复合式传感器 其中含有差压 温度 静压三种固体传感器 37 38 当过程压力或差压通过隔离膜片 填充液传到膜盒内的传感器上时 传感器的电阻值产生变化 阻值的变化量由芯片上的惠斯顿电桥检出 并经A D转换成数字量后 送信号处理部分的微处理器 与此同时 芯片上另两个辅助传感器分别检翻表体温度和介质静压 经多路开关转换成数字量并送微处理器 在信号处理部分 三路数字量经微处理器运算处理后转换成4 20mA的模拟信号或数字信号输出 在变送器的制造过程中 生产线上的计算机对每台变送器的工况 即表体工况与介质静压进行模拟仿真 将采集的特征数据存放在PROM中 因此 测量结果中消除了温度 静压带来的测量误差 39 基于ST3000智能变送器的双向数字通信技术 操作人员使用智能现场手操通信器SFC与其进行通信 手操通信器由电池供电 只要把SFC接到变送器信号线的回路上 就可对变送器发送或接受信息 这种具有远程通讯的方法 减少了维修成本 并可使操作人员不进入危险区域对现场变送器完成操作 另外ST3000也能选用流行的HART手操通信器对其进行操作 40 五 3051C压力变送器 41 该系列最高精度为士0 075 且有100 1的大范围量程比 从上图可见 变送器由传感组件和电子组件两部分组成 电路采用专用集成电路 ASIC 和表面安装技术 SMT 传感器组件选用高精度的电容传感器 过程压力通过隔离膜片及灌充液传送到电容中心膜片上 中心膜片与两边固定电容极板形成一差动电容 与过程压力差成正比 电容室为激光封焊 并在机械 电子和热力上独立于过程介质及外部环境 传感组件中增加了一温度测量 用以补偿热效应 在变送器的生产过程中 所有传感器要经过压力和温度的循环测试 由此产生正确的温度校正系数 存入传感组件的存储器中 变送器工作时 传感组件将差压转换成数字量 此数字量信息连同传感器组件存储器中的校正系数一并送入