变送器 transimitterTutorial

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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xmin≠0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4~20mA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4~20mA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4~20mADC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 Hz~2200HzHART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4~20mA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、4~20mA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: ΔP →输入力F i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F f(1)测量部分作用:把被测差压ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力F i F i= A1P1 -A2P2因: A1= A2= A d故: F i= A d(P1 -P2) = A dΔP(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 f =πBD c WI0设K f=πBD c W则F f = K f I0改变反馈动圈的匝数,可以改变K f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4~20mA 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u AB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u CD 与u AB 同相工作在2δ<S 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:kHz C L f AB 4214≈=π振荡器输出电压u AB 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u AB 就 是振荡器的输出电压:S ↓→F ↑→交点上移→u AB ↑整流滤波电路:将振荡器的输出电压u AB 转换为直流电压信号U R4整流滤波电路 功率放大器功率放大器:将输入的电压信号U R4转换为变送器的输出电流I 0 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① 主杠杆:将输入力F i 转换为作用于矢量机构上的力F 1i F l l F 211=② 矢量机构:将输入力F 1转换为作用于副杠杆上的力F 2 θtg F F 12=③ 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ΔP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tgθ或K f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ΔP=0 C i1=C i2=15pFΔP>0 C i1的电容量减小C i2的电容量增大ΔP=0 S 1=S 2=S 0ΔP ≠0 S 1=S 0+δ S 2=S 0-δδεε+==01111S AS A C iδεε-==02222S AS A C iεεε==21)11(0012δδε+--=-=∆S S A C C C i i00001212)]/(1)/(1[)]/(1)/(1[S S S A S S A C C C C i i i i δδδεδδε=++-+--=+- P K ∆=1δP K P S K C C C C i i i i ∆=∆=+-011212结论: 相对变化值1212i i i i C C C C +-与被测差压ΔP 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I,非线性补偿功d能。