变送器transimitterTutorial.doc

第二章：变送器教学目的与要求：通过对各类变送器的学习，掌握各类变送器的基本结构特点和使用方法，能够设计不同的变送器。授课内容： 变送器概述 差压变送器 温度变送器重点、难点：掌握差压变送器、温度变送器的基本结构和特点；理解模拟式变送器和数字式变送器的异同点；了解工业过程中使用的各类变送器。外语词汇： flowmeter（流量计），throttle（节流）, flow transmitter(流量变送器)，turbine flowmeter（涡轮流量计），electromagnetic flowmeter电磁流量计，rotameter转子流量计,vortex shedding flowmeter涡街流量计，throttling device节流装置，capacitance level meter， resistance thermometersensor热电阻，thermosensor热敏元件 ,thermocouple, thermoelectric effect, transmitter，compensating lead补偿导线，three-wire system三线制参考书：王家桢,王俊杰编.传感器与变送器.北京：化学工业出版社，1992.5变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用 分类 按被测参数差压变送器 压力变送器 温度变送器 液位变送器 流量变送器 等变送器的理想输入输出特性 2.1. 概述 变送器的构成原理 模拟式变送器的构成原理 数字式变送器的构成原理 模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的组成 ：测量部分 ，放大器 ，反馈部分 ，零点调整和零点迁移 模拟式变送器的输入输出关系 当满足 1的条件时 模拟式变送器的理想输入输出特性数字式变送器的构成原理 ：数字式变送器组成:二大部分硬件电路以微处理器CPU为核心软 件包括系统程序和功能模块数字式变送器的硬件构成智能式变送器还配置有手持终端(外部数据设定器或组态器)，用于对变送器参数进行设定，如设定变送器的型号、量程调整、零点调整、输入信号选择、输出信号选择、工程单位选择和阻尼时间常数设定以及自诊断等。数字式变送器的软件构成包括系统程序和功能模块系统程序: 对变送器硬件的各部分电路进行管理，并使变送器能完成最基本的功能，如模拟信号和数字信号的转换、数据通信、变送器自检等 功能模块可能有：资源模块 变量转换 阻尼时间设定 模拟输入 显示转换 量程自动切换 运算功能 非线性校正 PID 控制功能 温度误差校正 警报 3.1.2 变送器的一些共性问题 量程调整 零点调整和零点迁移 线性化 变送器信号传输方式 3.1.2.1. 量程调整 使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应 量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数 量程调整的方法 模拟式变送器 改变反馈部分的反馈系数 改变测量部分转换系数 数字式变送器 软件实现 3.1.2.2.零点调整和零点迁移 使变送器的输出信号下限值ymia与测量范围的下限值xmin相对应在xmin=0时，称为零点调整；在xmin0时，称为零点迁移零点调整使变送器的测量起始点为零零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值:当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移零点调整和零点迁移的方法模拟式变送器 改变放大器输入端上的调零信号z0 数字式变送器 软件实现 零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度 。3.1.2.3. 线性化 原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系模拟式变送器非线性补偿方法: 使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性 使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性 数字式变送器 非线性补偿方法: 软件实现 3.1.2.4.变送器信号传输方式 气动变送器：两根气动管线 电动模拟式变送器：二线制 四线制 数字式变送器：双向全数字量传输信号 (现场总线通信方式 ) HART通讯协议方式 电动模拟式变送器信号传输方式 二线制 二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号 四线制传输 供电电源和输出信号分别用二根导线传输 二线制优点： 节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰 条件： 工作电流： 工作电压：最小有效功率P: 数字式变送器信号传输方式HART通讯协议 :在一条电缆上同时传输420mA的模拟信号和数字信号HART通信协议是依照国际标准化组织(ISO)的开放式系统互连(OSI)参考模型，简化并引用其中三层： 物理层 数据链路层 应用层 物理层 规定了信号的传输方法和传输介质信号传输：基于Bell 202 通讯标准，采用频移键控(FSK)方法，在420mA基础上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波作为数字信号传送速率为1200 bit/s 传送速率为1200 bit/s 数据链路层 规定了数据帧的格式和数据通讯规程数据帧格式：由链路同步信息、寻址信息、用户信息及校验和组成定界符定义了帧的类型和寻址格式 定界符定义了帧的类型和寻址格式 响应码在变送器向主设备通信时才有，表示数据通信状态和变送器工作状态 HART协议按主/从方式通讯，这意味着只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息有三种通讯模式： HART协议按主/从方式通讯，这意味着只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息有三种通讯模式：点对点模式-在一条电缆上传输420mADC的 模拟信号和数字信号 多点模式-一条电缆连接多个现场设备，这是 全数字通信模式 阵发模式-允许总线上单一的从站自动、连续 地发送一个标准的HART 响应信息 应用层 规定了通讯命令的内容 命令类型： 通用命令 适用于所有符合HART协议的现场仪表 通用操作命令 适用于大部分符合HART协议的现场仪表 特殊命令 各制造厂的产品自己所特有的命令 HART通讯方式的实现方法输出波形整形电路: 满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿/下降沿的时间，较平缓的上升沿/下降沿的时间可以降低与其它HART网络间的串扰带通滤波器: 抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为1200 Hz2200HzHART通讯模块HART通讯模块实现二进制的数字信号与FSK信号之间的相互转换 调制器 ITXD：二进制数字信号输入 OXTA：FSK信号输出解调器 IRXA：FSK信号输入(由信号回路) ORXD：二进制数字信号输出INRTS：控制端低电平“0” ，调制器工作，解调器输 出不定；高电平“1” ，解调器工作，调制器输出呈高阻状态。载波监测电路用于检测420mA直流信号中是否叠加有数字信号 ,侦听网络和启动接收时基电路产生调制器和解调器所需的时间基准信号，同时还提供19.2kHz 的脉冲输出 AD42116位串行输入、420mA电流输出 与HART通信模块共同完成变送器的数字通信组成：数模转换器、电流转换器和电压调整器AD421及电压调整电路原理图现场总线通信方式 通信控制单元实现物理层的功能，完成信息帧的编码和解码、帧校验、数据的发送与接收 通信控制单元实现物理层的功能，完成信息帧的编码和解码、帧校验、数据的发送与接收 作业： P78 2-1，2-2， 模拟式变送器的信号传输方式？ 数字式变送器的信号传输方式？ HART 协议？3.2. 差压变送器差压变送器用来将差压、流量、液位等被测参数转换为标准的统一信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。按照检测元件分类: 膜盒式差压变送器 电容式差压变送器 扩散硅式差压变送器 振弦式差压变送器 电感式差压变送器等 3.2.1. 膜盒式差压变送器 膜盒式差压变送器构成 工作原理：力矩平衡 检测元件膜盒或膜片 杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构 DDZ-III型差压变送器 检测部分: P 输入力Fi 杠杆系统: 力的传递和力矩比较 位移检测放大器: 位移 输出电磁反馈装置: 输出反馈力Ff(1) 测量部分作用：把被测差压P转换成 作用于主杠杆下端的输入力Fi Fi= A1P1 -A2P2因: A1= A2= Ad 故: Fi= Ad(P1 -P2) = AdP (2) 电磁反馈装置 作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff Ff =BDcWI0 设 Kf =BDcW 则 Ff = KfI0 改变反馈动圈的匝数，可以改变 Kf的大小 W1=725匝，W2=1450匝1- 3短接、2-4短接 W = W1=725匝 1- 2短接 W = W1+W2=2175匝 可实现3：1的量程调整 (3) 放大器 作用：把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S转换成420mA的直流输出电流 构成方框图 : 低频位移检测放大器构成方框图 放大器: 低频振荡器: 差动变压器的作用是将位移检测片（衔铁）的位移S转换成相应的电压信号uAB 低频振荡器:振荡器要形成自激振荡，必须满足振荡的相位条件和振幅条件 相位条件 uCD与uAB同相工作在 的范围内 振幅条件 选择合适的电路参数，是容易满足的 振荡频率: 振荡器输出电压uAB与位移检测片位移S之间的关系 交点P即为稳定后的工作点，P点对应的电压uAB就是振荡器的输出电压: SF交点上移uAB 整流滤波电路:将振荡器的输出电压uAB转换为直流电压信号UR4 整流滤波电路 功率放大器功率放大器: (4)2-2-(5)将输入的电压信号UR4转换为变送器的输出电流I0 目的：提高电流放大系数 电平配置 (4) 杠杆系统 进行力的传递和力矩比较 主杠杆：将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1 矢量机构：将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2 副杠杆:进行力矩的比较 (6) 整机特性 结论：变送器的输出电流I0和输入信号P之间呈线性关系 调整调零弹簧可以使变送器输出电流I0在输入信号范围下限时为4mA 。 改变tg或Kf可以调整变送器的量程 零点和量程要反复调整 3.2.2. 电容式差压变送器 (1) 电容式差压变送器构成方框图(2) 电容式差压变送器测量原理 差动电容测量原理P=0 Ci1=Ci2=15pF P0 Ci1的电容量减小Ci2的电容量增大 P=0 S1=S2=S0 P0 S1=S0+ S2=S0- 结论： 相对变化值与被测差压P成线性关系 , 与灌充液的介电常数无关 电容一电流转换电路 将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动信号，非线性补偿功能。电容一电流转换电路差动信号 Id=（i2i1） 共模信号 Ic=（i2+i1） 差动信号Id经电流放大电路放大成420mA的输出电流I0；共模信号Ic使得i2+i1保持不变,从而保证Id 与输入差压P之间成比例关系 。振荡器：向电容式压力传感器的Ci1和Ci2提供高频电源。 振荡器为变压器反馈振荡器 解调器： 对通过差动电容Ci1、Ci2 的高频电流进行半波整流 振荡器输出为正半周时电流i2的路线为 : T1（2）VD6、VD6C2Ci2C17C11T1（11） 电流i1的路线为: T1（3）R4VD7、VD3C1Ci1C17R6R8T1 (10) 振荡器输出为负半周时电流i1的路线:T1（11）C11 C17Ci1C1VD4、VD8T1（2） 电流i2的路线为: T1（12）R7R9C17Ci2C2VD1VD5R3T1（1） i2、i1以相反的方向流过C11，两者平均值之差I2-I1即为解调器输出的差动信号Id ， i1、i2流过R6R8和R9R7产生的电压两者平均值之和I2I1即为解调器输出的共模信号Ic 。 电路时间常数比振荡周期小得多，可以认为Ci1、Ci2两端电压的变化等于振荡器输出高频电压的峰一峰值UPP i1和i2 的平均值I1、I2如下： i1、i2的平均值之差Id及两者之和Ic分别为：振荡控制放大器：流过VD1、VD5和VD3、VD7的电流之和I2+I1即IC等于常数。 定性分析如下：I2+I1 Ud U01 振荡器振荡幅度 变压器T1输出电压减小 使I2+I1恢复到原来的数值 I2+I1 线性调整电路：进行非线性补偿 Id和P的非线性关系是由电容式压力传感器的分布电容引起的 P的增大，Ci2增大，Ci1减小。 Ci2增大的速率要比Ci1减小的速率快使得（Ci2+ Ci1）随着P的增加而增大，即K2随P的增加而增大，从而使得Id与P之间不存在线性关系。R22=R23 RW1=0 Uc=0 RW0 Uc0 P （Ci2+ Ci1） 振荡器振荡幅度 Uc Ic Ic和K2的变化方向相反Id与P成线性关系 放大转换部分 ： 把测量部分输出的差动信号Id放大并转换成420mA的直流输出电流 ，实现量程调整、零点调整和迁移、输出限幅和阻尼调整功能 电流放大电路 把Id放大并转换成420mA的直流输出电流，并实现量程调整 输出电流Io路线为 电流放大电路反馈电流If与Io的关系为 ：因为R34（R33+Ra+Rb） 式（3-38）表明 : I0和输入信号P之间呈线性 改变反馈系数的大小，可以调整变送器的量程 零点调整与零点迁移电路： 调整变送器的输出零位和实现变送器的零点迁移 ，调整电位器W2，即改变UA的大小，可以使得变送器的输出零点电流为4mA。 接通R20时实现正迁移 接通R21时实现负迁移。 输出限幅电路：限制变送器输出电流Io的最大数值不超过30mA 。Io 最大值为: 阻尼电路 抑制变送器的输出电流因输入差压快速变化所引起的波动 其他：R26R28用于变送器的零点温度补偿 R1、R2、R4、R5用于量程温度补偿二极管VD11用于在变送器输出指示表未接通时，为输出电流提供通路。VZ2除起稳压作用外，还在电源接反时，提供电流通路，以免损坏电子器件。C17用于电容耦合接地。3.2.3. 扩散硅式差压变送器 检测元件扩散硅压阻传感器 (1) 扩散硅式差压变送器构成方框图 (2) 测量部分 把被测差压P成比例地转换为不平衡电压US 1) 扩散硅压阻传感器设：2) 传感器供电电路 为传感器提供恒定的桥路工作电流UT1=UF1、IF1=0工作电流IS为 (3) 放大转换部分： 把测量部分输出的毫伏信号UO1放大并转换成420mA的直流输出电流IO 1) 前置放大器起电压放大作用 可求得 : 因 R8=R9，故 2) 电压电流转换器 把前置放大器的输出电压U01转换成420mA的直流输出电流IO零点调整和输出限幅功能由于R10 R11 R15 R18 因而 U0 U013.2.4.数字式差压变送器 ST3000差压变送器 传感器在单个芯片上形成差压测量用、温度测量用和静压测量用三种感测元件3051C差压变送器 检测元件采用电容式压力传感器 1151数字式差压变送器 传感器部分 将输入差压转换成A/D转换器所要求的02.5V电压信号 。变送器的正常工作电流必须等于或小于3.5mA，传感器部分工作电流为0.8mA左右 。AD7715:带有模拟前置放大器的A/D转换芯片采用-转换技术，实现16位的高精度模数转换 。前置放大器PGA有1、2、32、128四种增益可供选择4个片内寄存器为通信寄存器、设定寄存器、测试寄存器、数据寄存器，通过对寄存器的编程，可以实现增益选择、信号极性、输出数据速率、自动校准和AD转换等功能 . 还具有自校准和系统校准功能 AD7715的模拟输入为差动方式，极性可置成单极性或双极性，信号范围可选；电源可采用+3V或+5V单电源 CPU：AT89S8252微处理器 ，它与MCS-51兼容。8K bytes的Flash ROM、2K bytes的EEPROM、256 bytes的RAM、32个 I/O口线、两个DPTR、3个16位定时/计数器、1个全双工串行口、可编程看门狗、在片振荡器和时钟电路等。HART通信部分 实现HART协议物理层的硬件电路 HART通信电路AD421及电压调整电路 作用： 将CPU输入的数字信号转换为420mA直流电流作为整机的输出将通信部分输入的数字信号叠加在420mA直流电流上一起输出 与场效应管VT1等组成电压调整电路 ，三极管VT2起分流作用，以减少流过场效应管VT1的电流 AD421及电压调整电路原理图WDT监控电路 WDT监控电路 CPU正常工作时WDO输出为高电平，对CPU的工作没有影响 CPU受外界干扰不能正常工作时 WDO输出将变为低电平 WDO输出变为低电平经过一段等待时间之后，输出RESET信号对CPU进行复位 1151数字式差压变送器的软件 分为两部分：测控程序和通信程序 测控程序包括A/D采样程序、非线性补偿程序、量程转换程序、线性或开方输出程序、阻尼程序以及D/A输出程序等通信程序采用串行口中断接收/发送 作业：P78-p792-3,2-4,2-5,2-6,2-7,2-7,2-10,2-11,P2276-1,6-2,6-3,6-4设计一种差压变送器？3)4)2)(3) 3.3 温度变送器作用：与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统一信号；作为直流毫伏变送器使用，用以将其它能够转换成直流毫伏信号EI的工艺参数转换成为标准的统一信号。分类：模拟式温度变送器智能式温度变送器在结构上，有一体化结构和分体式结构之分 在与测温元件配合使用，温度变送器的输出有两种形式： (1) 输出与温度之间呈线性关系，但输出与变送器的输入信号（Et或Rt）之间呈非线性关系 (2) 输出与温度之间呈非线性关系，而输出与变送器的输入信号（Et或Rt）之间呈线性关系 两种形式的区别仅在于变送器中有否非线性补偿电路3.3.1.典型模拟式温度变送器 模拟式温度变送器实例 DDZ-型温度变送器DDZ-型温度变送器有带非线性补偿电路与不带非线性补偿电路的热电偶温度变送器和热电阻温度变送器以及直流毫伏变送器等多个品种，各品种的原理和结构大致相仿。现介绍其中三种：v 直流毫伏变送器v 带非线性补偿电路的热电偶温度变送器v 热电阻温度变送器。 (1)直流毫伏变送器 把直流毫伏信号Ei 转换成420mADC电流信号 直流毫伏变送器线路原理图 直流毫伏变送器构成方框图 a.电压放大器失调电压的温漂系数要求:温度变化t时失调电压的变化量UOS为设 为由于UOS的变化给变送器带来的附加误差因此，应采用低漂移型高增益运算放大器 放大单元 放大单元包括放大器和直流/交流/直流变换器两部分隔离输出电路 直流/交流/直流变换器:直流/交流变换器和整流、滤波、稳压电路 b.功率放大器 作用：放大和调制 正半周期时: 二极管VT5导通，VT6截止，由输入信号产生电流ic1 负半周期时: 二极管VT6导通，VT5截止，从而产生了电流ic2c.隔离输出电路 作用：避免输出和输入之间有直接的联系 d.直流/交流/直流变换器 作用：对仪表进行隔离式供电 量程单元 输入回路：起限流和限压作用 零点调整电路：实现零点调整和零点迁移的作用 反馈回路：保证变送器的输出与输入之间具有良好的线性关系，并使变送器输出具有较好的恒流性能 ,及量程调整。 输入信号断路报警电路变送器的静特性a. 为直流毫伏变送器的调零信号。 当 时，得到正向调零信号，即可实现负向迁移；而当 时，得到负向调零点迁移量；b. 为输出与输入之间的比例系数。改变R114可以大幅度地改变送器的量程。而调整电位器W2，可以在小范围内改变比例系数；c.零点和满度必须反复调整。(2)热电偶温度变送器 与各种热电偶配合使用，将温度信号变换为成比例的420mADC电流信号和15VDC电压信号。 热电偶温度变送器量程单元 线路上的两点修改 在输入回路增加了由铜补偿电阻RCu1、RCu2等元件组成的热电偶冷端补偿电路。同时，在电路安排上把零电位器W1和电阻R104移到了反馈回路的支路上。 在反馈回路中增加了由运算放大器A2等构成的线性化电路。 1)热电偶冷端补偿电路 补偿原因：热电偶产生的热电势Et,与热电偶的冷端温度有关 补偿原理分析： RCu1、RCu2为铜线绕电阻，其阻值在0时为50。 R105、R103和R 100为锰铜线绕电阻或精密度金属膜电阻，R105=7.5k，R103和R 100的阻值决定于所选用的热电偶型号，一般按0时冷端补偿电势为25mV和当温度变化时 两个条件进行计算。 2)线性化电路 测温元件热电偶和被测温度之间存在着非线性关系，线性化电路处于反馈回路中，因而它的特性应与所采用的热电偶的特性相同。是一个折线电路，它是用折线来近似热电偶的非线性特性。 线性化电路原理 线性化电路 应用Y变换和同相端输入运放电路的输出输入关系式 ,可以求得 如果在UC=Us1+UVZ的时候，Uf=Uf2，则特性曲线在Uf2对应的拐点处将向上绕。由图3-可以得到第二段线段的斜率为 3)热电阻温度变送器 与各种热电阻配合使用，可以将温度信号变换为成比例的420mADC电流信号和15VDC电压信号 线路上的两点修改 输入回路增加了由A2、R16R19等元件构成的线性化电路 增加了由R23、R24等元件构成的热电阻导线电阻补偿电路 同时零点调整电路有所改变 热电阻温度变送器量程单元 1)线性化电路 热电阻和被测温度之间也存在着非线性关系2)热电阻导线电阻补偿电路 为了消除导线电阻的影响，热电阻采用三线制接法。 不考虑R23、R24支路的作用，可求得 存在导线电阻补偿电路时，可求得 3.3.2.一体化温度变送器 所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。 一体化温度变送器模块和测温元件形成一个整体，可以直接安装在被测温度的工艺设备上，输出为标准统一信号。这种变送器具有体积小、重量轻、现场安装方便以及输出信号抗干扰能力强，便于远距离传输等优点，对于测温元件采用热电偶的变送器，不必采用昂贵的补偿导线，可节省安装费用。 使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。 变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成 1)变送器芯片AD693 它可以直接接受传感器的直流低电平输入信号并转换成420mA的直流输出电流。 AD693 (1) 信号放大器信号放大器是一个仪用放大器，由三个运放和反馈电阻组成，其输入信号范围为0100mV；设计放大倍数为2倍，通过引脚14、15、16外接适当阻值的电阻，可以调整放大器的放大倍数，以使输出为060mV。 2) U/I变换器 U/I变换器将060mV的电压输入信号转换为016mA的电流输出信号，通过引脚9、1113，通过外接适当阻值的电阻或适当的连接方法，可以使输出为420mA、020mA或128mA。U/I变换器中，还设置了输出电流限幅电路，可使输出电流最大不超过32mA。 (3) 基准电压源 基准电压源由基准稳压电路和分压电路组成，通过将其输入引脚9与引脚8相连或外接适当的电压，可以输出6.2V及其它多种不同的基准电压，供零点调整、量程调整及用户使用。 (4) 辅助放大器 辅助放大器是一个可以灵活使用的放大器，由运放和电流放大级组成，输出电流范围为0.015mA。它主要作为信号调理用，另外也有多种用途，如作为输入桥路的供电电源、输入缓冲级和U/I变换器；提供大于或小于6.2V的基准电压；放大其它信号然后与主输入信号叠加；利用片内提供的100和75mV或150mV的基准电压产生0.75mA或1