第三章：变送器课件.ppt

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1、1,3.1 概述,作用:对各种工艺参数,如温度、压力、流 量、液位、成分等物理量进行检测，以供显示、记录、控制 仪表使用。分类：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。,XMIN,XMAX,YMIN,YMAX,XMAX-XMIN,Y=,YMAX-YMIN,*X+YMIN,Y,X,2,3.1.1变送器的构成原理:,模拟式变送器完全由模拟元器件构成，它将输入的各种被测参数转换成统一标准信号，其性能也完全取决于所采用的硬件。从构成原理来看，模拟式变送器由测量部分，放大器和反馈部分三部分组成，如图32所示。在放大器的输入端还加有调与零点迁移信号Z0,Z0由零点调整（简称调零）和零

2、点迁移（简称迁移）环节产生。,3,3.1.1变送器的构成原理:,测量部分K1,X,放大部分K,反馈部分Kf,零点调整零点迁移,+,-,Y=,K,1+K*Kf,（K1X+Z）,Y,Z,若：K*Kf1则：Y=（K1*X/Kf）+Z/Kf,4,智能式变送器的构成原理,智能式变送器由以微处理器（CPU）为核心构成的硬件电路和由系统程序、功能模块构成的软件两大部分组成。(1)智能式变送器的硬件构成,5,智能式变送器主要包括传感组件、A/D转换器、微处理器、存储器和通信电路等部分；采用HART协议通信方式的智能式变送器还包括D/A转换器。传感器组件通常由传感器和信号调理电路组成，信号调理电路用于对传感器的

3、输出信号进行处理，并转换成A/D转换器所能接受的信号。被测参数X经传感器组件，由A/D转换器转换成数字信号送入微处理器，进行数据处理。存储器中除存放系统程序，功能模块和数据外，还存有传感器特性、变送器的输入输出特性以及变送器的识别数据，以用于变送器在信号转换时的各种补偿，以及零点调整和量程调整。智能式变送器通过通信电路挂接在控制系统网络通信电缆上，与网络中其它各种智能化的现场控制设备或上位计算机进行通信，传送测量结果信号或变送器本身的各种参数，网络中其它各种智能化的现场控制设备或上位计算机也可对变送器进行远程调整和参数设定。采用HART协议通信方式的智能式变送器，微处理器将数据处理后，再传送给

4、D/A转换成420mADC信号输出，D/A将通信电路送来的数字信号叠加在420mA直流信号上输出。通信电路对420mA直流电流回路进行监测，将其中叠加的数字信号转换成二进制数字信号后，再传送给微处理器。,6,智能式变送器的核心是微处理器。微处理器可以实现对检测信号的线性化处理、量程调整、零点调整、数据转换、仪表自检以及数据通信，同时还控制A/D和D/A的运行，实现模拟信号和数字信号的转换。由于微处理器具有较强的数据处理功能，因此智能式变送器可使用单一传感器以实现常规的单参数测量；也可使用复合传感器以实现多种传感器检测的信息融合；还可使一台变送器能够配接不同的传感器。通常，智能式变送器还配置有手

5、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。,7,（2）智能式变送器的软件构成,智能式变送器的软件：系统程序和功能模块两大部分。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；功能模块提供了各种功能，供用户组态时调用以实现用户所要求的功能。智能式变送器提供的功能模块主要有：,8,资源模块 包含与资源相关的硬件数据，控制其他功能模块的工作组态；变量转换 将输入/输出变量转换成相应的工程量；模拟输

6、入 对传感器进行选择、滤波、平方根、小信号切除及去掉尾数等功能；量程自动切换 自动切换量程，以及提高测量精度；非线性校正 用于校正传感器的非线性误差；温度误差校正 消除变送器由环境温度或工作介质温度变化而引起的误差；阻尼时间设定；显示转换 用于组态液晶显示上的过程变量；PID控制功能 包含多种控制功能，如PID算法、设定值及变换率范围调整、测量值滤波及报警、前馈、输出跟踪等；运算功能 提供预定公式，可进行各种计算；报警 可具有动态或静态报警限位、优先级选择、暂时性报警限位、扩展阶跃设定点和报警限位或报警检查延迟等功能。,9,用户可以通过上位管理计算机或挂接在现场总线通信电缆上的手持式组态器，对

7、变送器进行远程组态，调用或删除功能模块；也可以使用专用的编程工具对变送器进行本地调整。不同厂家或不同品种的变送器，其硬件和软件部分的系统结构大致相同，主要的区别在于器件类型、电路形式、程序编码和软件功能等方面。,10,3.1.2变送器的共性问题:,1）量程调整：使变送器的输出信号上限与输 入信号上限相对应。,X/MAX,XMAX,YMAX,YMIN,量程调整相当于改变输入输出特性的斜率。,量程：指变送器的输 入测量范围。,11,2、变送器的零点调整和零点迁移：,目的：使变送器的输出信号上限与输 入信号上限相 对应。在XMIN=0时，称为零点调整；在XMIN0时，称为零点迁移。正迁移：XMIN0

8、负迁移：XMIN0零点迁移不改变变送器的量程。,X1MIN,X2MIN,Y,X,12,可以看出，零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。零点调整的调整量通常比较小，而零点迁移的调整量比较大，可达量程的一倍或数倍。各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。零点调整和零点迁移的方法，对于模拟式变送器，是通过改变加在放大器输入端上的调零信号Z0的大小来实现，参见图3-1；对于智能式变送器，也是通过组态来完成的。,13,3、线性化：,变送器在使用时，总是希望其输出信号与被测参数之间成

9、线性关系，但由于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，因此，为了使变送器的输出信号y与被测参数x之间呈线性关系，必须进行非线性补偿。对于模拟式变送器，非线性补偿方法通常有两种示：A:使反馈部分与传感器组件具有相同的线性特性；B:使测量部分与传感器组件具有相反的线性特性。,14,在反馈回路中引入一个与传感元件相同的非线性特性电路进行线性化处理；一般采用分段线性化方法,热电偶温度变送器,15,检测元件,T,测量部分,放大器,反馈部分,y,_,A:使反馈部分与传感器组件具有相同的线性特性；由于反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性，而负反馈放大器的特性是反馈部分特性的倒特性，因此

10、负反馈放大器的特性刚好与传感器组件的非线性关系相反，结果使得变送器输出信号Y与输入信号X之间呈线性关系。,16,线性化-热电阻温度变送器,在测量回路中引入一个与传感元件相反的非线性特性电路进行线性化处理；一般采用分段线性化方法或电压正反馈方法,17,检测元件,T,测量部分,放大器,反馈部分,y,_,B:使测量部分与传感器组件具有相反的线性特性。由于测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性，刚好补偿了传感器组件的非线性，因此输入放大器的信号特性是线性的，只要负反馈放大器的特性是线性的，则变送器输出信号Y与输入信号X之间呈线性关系。对于智能式变送器来说，只要预先将传感器的特性存储在变送器的EPRO

11、M中，通过软件是很容易实现非线性补偿的。,18,4、变送器的信号传输：,变送器安装在生产现场，工作电源从控制室提供，而输出信号传送到控制室。,19,二线制和四线制传输 电动模拟式变送器的二线制和四线制传输电源和输出信号方式。二线制传输方式，电源、负载电阻和变送器是串联的，目前大多数变送器均为二线制变送器。四线制传输方式，电源和负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和输出信号分别用二根导线传输，这类变送器称为四线制变送器。,20,二线制和四线制传输,电源,生产现场,控制室,电源,工作电流IIOMIN,+24V DC,+24VDC 或220VAC,21,二线制变送器工作的条件：,A：变送器的工作

12、电流（I）必须小于变送器的最小 输出电流IMIN。B：电源电压：EMINUT+IOMAX（RLMAX+r）,RL,E,UT,22,3.2 差压变送器:,作用:将差压、流量、液位等被测参数转换为标准的电流信号或数字信号。种类：膜盒式、电容、扩散硅、电感式差压变送器。主要以电容差压变送器为主进行介绍,23,3.2.1.膜盒式差压变送器,24,25,3.2电容式差压（压力）变送器,电容式差压变送器的检测元件采用电容式压力传感器，是目前工业上普遍使用的一种变送器。输入差压 作用于测量部分电容式压力传感器的中心感压膜片，从而使感压膜片（即可动电极）与两固定电极所组成的差动电容之电容量发生变化，此电容变化

13、量由电容/电流传换电路转换成电流信号Ia，Ib和调零与零迁电路产生的调零信号Iz的代数和同反馈电路产生的反馈信号If进行比较，其差值送入放大器，经放大得到整机的输出信号IO。由于反馈电路和调零与零迁电路仅由几个电阻和电位器构成，因此可把它们与放大器合为一个整体，即变送器可划分为两部分：测量部分和放大部分。,26,3.2电容式差压（压力）变送器：,检测元件：电容式压力传感器。目前使用最广 泛的变送器（如：1151系列、ST3000系列）主要生产厂家：罗斯蒙特（Rosmount）、霍尼韦尔Honeywell）及合资厂家。,检测电容,C/I,电流放大,零点调整、迁移,反馈,P、P,IO,测量部分,放

14、大部分,工作原理！,27,测量部分,电容压力传感器：若不考虑边缘电场影响，中心感压膜片与其两边弧形电极构成的电容Ci1和Ci2可近似地看成是平板电容器，其电容量可分别表示为,S0,S0,Ci1=,S0+,Ci2=,S0-,=S0=K,Ci1-Ci2,Ci1+Ci2,差动电容相对变化值,结论P101,28,差动电容的相对变化值 与被测差压P成线性关系，因此把这一相对变化值作为测量部分的输出信号；与灌充液的介电常数 无关，这样从原理上消除了灌充液介电常数的变化给测量带来的误差。,29,电容/电流转换电路的作用是将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动信号Id，并实现非线性补偿功能。它由振荡器、解调

15、器、振荡控制放大电路和线性调整电路等部分组成。电容式压力传感器的Ci1和Ci2由振荡器供电，因此，两个电容的电容量变化，被转换为电流变化，其中流过Ci1的电流为 i 1，流过Ci2的电流为 i 2。经解调器相敏整流后输出两组信号，一组（i2-i1）为差动信号Id，另一组（i2+i1）为共模信号Ic。差动信号Id经电流放大电路放大成420mADC的输出电流I0；共模信号Ic作为振荡控制放大电路的输入信号，以控制振荡器的供电电压，使得 i1+i2 保持不变，从而保证Id与输入差压P成比例关系。,原理图,30,电容/电流转换,非线性化,31,正半周,当振荡器输出为正半周时（T1同相端为正时），VD2

16、、VD6及VD2，VD7导通，而VD1，CD5及CD4，CD8截止。绕组2-11产生的电流 i2 的路线为,绕组3-10产生的电流的路线为,32,电容/电流转换,非线性化,33,当振荡器输出为负半周时（T1同相端为负时），VD1、VD5及VD4，VD8导通，而VD2，VD6及VD3，VD7截止。绕组2-11产生的电流 i1 的路线为,从图3-34中可以看出，绕组2-11在振荡器正、负半周中产生的电流i1和i2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，作为一下级电流放大器的输入信号。绕组3-10和1-12产生的电流i1和i2流过R6/R8和R9/R7产生的电压

17、，对运算放大器A1输出端说，极性相同，两者平均值之和I2+I1即为解调器输出的共模信号Ic。为了求得差动信号I2-I1与差动电容相对变化值的关系，先要确定i1.i2的大小。因为电路时间常数比振荡周期小得多，可以认为C11C12两端电压的变化等于振荡器输出高频电压的峰-峰值Upp，因此可求得 i1和i2的平均值I1，I2如下,绕组1-12产生的电流i2 的路线为,34,式中:T振荡器输出高频电压的周期；f振荡器输出高频电压的频率。,因此，差动电容的平均值之差Id及两者之和Ic分别为,35,电容/电流转换,非线性化,36,振荡控制放大器：振荡控制放大器的作用，是使流过VD1，VD5和VD3，VD7

18、的电流之和I2+I1即Ic等于常数。在不考虑线性调整电路作用时，A1的输出端接受两个电压信号：一个是基准电压U02在R9和R8上的压降，设为Ud1,另一个是分流后在R9和R8上产生的压降，即共模信号Ic产生的压降，设为Ud20 和 以它们的平均值表示：,37,由于R6=R9，R7=R8，故上式可写成,如把A1看作理想运算放大器，即Ud=Ud1+Ud2=0,38,上式中R6，R8，R9和U02均恒定不变，因此I2+I1也恒定不变，即Ic为常数。振荡控制放大器维持Ic不变的过程可以定性分析如下：假设振荡器输出电压增加使I2+I1增加。可知，A1的输入信号Ud2增加，即Ud增加，使A1的输出U01减

19、小（U01是以A1电源正极为基准），从而使得振荡器振荡幅度减小，变压器T1输出电压减小，直至使I2+I1恢复到原来的数值。显然，这是一个负反馈的自动调节过程，振荡器和调制器一部分电路构成了A1的深度负反馈电路，其目的是维持I2+I1保持不变。,39,放大、反馈部分,40,41,测量部分输出的差动信号Id 对C11充电，使得B与基准地（A3电源正极）之间的电压Ub增加，从而A3的输出电压U03增大，即VT3的基极电压增加，其集电极电流Ic3 也就是VT4的基极电流Ic4 增加，VT4 的发射极电流Ic4增大，VT4 即为变送器输出电流I0。I0经反馈电路产生的反馈电流如果也增加。如果经R34对C

20、11反向充电，使Ub减小。在如果=Id，即C11的正、反向充电电源相等时，U8一定，相应的输出电流I0也一定，这时，I0与Id成比例关系。可以求得反馈电流如果与I0的关系为,42,上式表明：在量程一定时，Kf与Km为常数，即变送器的输出电流I0和输入 信号P之间呈线性关系，其基本误差一般为0.2%，变差为0.1%；通过调整电位器W3改变反馈系数Kf的大小，可以调整变送器的量程。,43,44,（2）零点调整与零点迁移电路零点调整与零点迁移电路分别用以调整变送器的输出零位和实现变送器的零点迁移。电阻R36，R37和电位器W2构成零点调整电路，W2为调零电位器。由图可以看出，若调整W2使得UA大于U

21、B，则产生的调零电流IZ对C11进行充电，其方向与差动信号Id相同，因而使得变送器的输出电流I0在电子器件工作电流（通常为2.7mA左右）基础上增大。在输入 差压P=0时，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。值得指出的是，调整W2改变变送器零点电流时，对变送器的满度值会有影响；而调整电位器W3改变变送器的量程时，对变送器的零点电流也会有影响。因此，在仪表调校时，应反复调整零点和满度。,45,电阻R20，R21和开关S1构成零点迁移电路，S1为零点迁移开关。零点迁移电路的作用与调零电路相类似，把S1接通R20或R21，相当于UA产生了很大变化（相当于UA=0或

22、UA=UD，这时以R20或R21代替R36），因而使变送器的零位电流产生了很大的变化，即实现了变送器的零点迁移。接通R20时，零位电流减小，从而可实现正迁移；当接通R21时，零位电流增加，可实现负迁移。,46,（3）输出限幅电路输出限幅电路用于限制变送器输出电流I0的最大数值不超过30mA。它由晶体管VT2、电阻R18和和二极管VD12组成。当输出电流I0增大时，R18上的压降也增大，由于稳压管VZ1的电压恒定，因此VT2的集电极与发射极之间电压Uce2减不。在Uce2减小到等于VT2的饱和压降Uces时，IO达到最大值，不能再增加。由此可估算出I0最大值为,式中，UD1稳压管VZ1的稳压值；

23、UD12二极管VD12的正向导能电压；Ub12晶体管VT2的发射极正向压防；Uces晶体管VT2的饱和压降；Iw变送器电子器件的工作电流，IW2.7mA。,47,48,（4）阻尼电路 阻尼电路用于抑制变送器输出电流因输入差压快速变化所引起的波动，它由R38，R39，C22和W4构成，W4为阻尼时间调整电位器。阻尼时间等于阻尼电路的时间常数，因此改变阻尼时间调整电位器W4，可以调整阻尼时间的大小，其范围为 0.21.67s(灌充液为硅油)。,电阻R26R28用于变送器的零点温度补偿，其中R26为具有负温度系数的热敏电阻。电阻R1，R2，R4，R5用于量程温度补偿，其中R2为负温度系数的热敏电阻。

24、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。电容C17用于电容耦合按地。由于是通过电容耦合按地，因此在用兆欧表检查变送器接线端子对地的绝缘电阻时，其输出电压不宜超过100V。,49,3.3温度变送器：,温度变送器与测温元件配合使用,将温度或温差信号转换成为统一标准信号或数字信号,以实现对温度参数显示、记录、自动控制。温度变送器也可作为直流毫伏变送器和电阻变送器，实现对直流毫伏信号和电阻信号的测量。,50,典型模拟式温度变送器:,检测元件,输入电路,放大,零点调整、迁移,反馈,TI,IO,测量部分,放大部

25、分,51,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。DDZ-型温度变送器可分为热电偶温度变送器、热电阻温度变送器、直流毫伏变送器。它们分别将直流毫伏信号、热电偶毫伏信号、热电阻电阻信号转换为4-20mADC的输出信号。DDZ-型温度变送器属安全火花型防爆仪表采用四线制连接方式。电路中增加了DC/AC/DC电路。,52,三种变送器都分为量程单元和放大单元两个部分，它们分别设置在两块印刷线路板上，用接插件互相连接。其中放大单元是通用的；而量程单元则随品种、测量范围的不

26、同而异。,53,比较三种变送器的构成方框图可以看出，热电偶温度变送器和热电阻温度变送器是在直流毫伏变送器的基础上，分别增加了相应的补偿电路而构成的。因此，下面着重分析直流毫伏变送器，而对另外两种变送器仅分析其所增加的补偿电路。,54,(1)直流毫伏变送器 直流毫伏变送器用于把直流毫伏信号Ei转换成4-20mADC电流信号。由检测元件送来的直流毫伏信号Ei和调零与零迁移电路产生的调零信号Ez的代数和同反馈电路产生的反馈信号Uf进行比较，其差值送入电压放大器进行电压放大，再经功率放大器和隔离输出电路转换得到整机的4-20mADC输出信号IO。,55,直流毫伏变送器线路原理图,56,量程单元,57,

27、58,功率放大及隔离输出,59,DC/AC电源,60,t,Rt,Rt,Ut,先看看温度与热电偶输出、热电阻输出的关系,61,热电偶温度变送器量程单元,2、热电偶温度变送器,62,热电偶温度变送器：与热电偶配合使用，将T变换成4-20mADC输出信号；电路的两点修改：（1）、增加铜电阻RCU1、RCU2等元件组成热电偶冷端补偿 电路。（2）、在反馈电路中增加了由运算放大器A2等构成的线 性化电路。,63,ET,B2-B1,UZ,UZ0,UC,64,65,热电阻温度变送器量程单元,3、热电阻温度变送器,66,热电阻温度变送器：与热电阻配合使用，将T转换成4-20mADC输出信号；电路：在直流毫伏变

28、送器的基础上增加了由A2和R16-R19的 线性化电路和由R23、R24等组成的热电阻导线补偿电 路。,67,图,68,4、一体化化温度变送器,一体化化温度变送器，由测温元件和变送器模块两部分构成。变送器模块将测温元件的输出信号E（T）。或R（T）转换成统一的标准信号，420mADC 一体化化温度变送器的定义是变送部分与测温元件组成一个整体，并直接安装在被测温度的工艺现场，而输出的信号为统一的标准信号，这种变送器具有体形小、重量轻、现场安装方便、特别是输出信号的抗扰能力极强。便于远距离传输。与热电偶配合时，可不采用补偿导线。唯一需要注意的是现场的环境温度，一般元件的工作温度在-20-80常用的

29、变送器蕊片有AD693、AD590、XTR101、XTR103，IXR100等。下面以AD693构成的一体化温度变送器为例进行介绍。,69,AD693介绍 AD693是ANALOG DEVICES（ADI）公司生产的专用测温变送器芯片，可以直接接受温度传感器元件的直流低电平输入信号并转换成420mA的直流输出电流。,70,AD693构成的热电偶温度变送器,由AD693和AD592构成的带冷端温度补偿的热电偶测温电路。该电路具有以下特点：第一，适配各种类型的热电偶；第二，利用一片AD592型电流输出式集成温度传感器进行冷端温度补偿，AD592的电流温度系数为1AK；第三，能将热力学温度(K)转换成摄氏温度()，再变换成标准电流信号以便于远距离传输：第四，能够灵活地设定测温范围。RP为调零电位器。R1、R3的电阻值应视热电偶类型及环境温度而定，详见下表。例如，配J型热电偶时应取R1=51.7，R3=301k。校准0时需要把热电偶置于冰水混合物中，再调节RP使Io=4mA。其他温度值可用标准毫伏计来校准。,71,