1、第三章第三章 变送器变送器 变送器在自动检测和控制系统中的作用，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、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，液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用以供显示、记录或控制之用 分类分类：差压变送器差压变送器 压力变送器压力变送器 温度变送器温度变送器 液位变送器液位变送器 流量变送器流量变送器等等按被测参数按被测参数minminmaxminmax)(yyyxxxy变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性 3.1.概述概述 变送器的构成原理变送器的构成原理 模
2、拟式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构成原理模拟式模拟式变送器的组成变送器的组成 测量部分测量部分 放大器放大器 反馈部分反馈部分 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 当满足 1的条件时 ffiKzxKKy0 模拟式模拟式变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系 ffiKKKzKKxKKy110模拟式变送器的理想 输入输出特性fKK 在小型电子式变送器中，反馈部分在小型电子式变送器中，反馈部分往往仅由几个电阻和电位器构成，因此往往仅由几个电阻和电位器构成，因此常把反馈部分和放大器合在一起作为一常把反馈部
3、分和放大器合在一起作为一个负反馈放大部分看待；或者将反馈部个负反馈放大部分看待；或者将反馈部分和放大器合做在一块芯片内，这样变分和放大器合做在一块芯片内，这样变送器即可看成由送器即可看成由测量部分和放大器两部测量部分和放大器两部分组成。分组成。另外，另外，调零和零点迁移环节也调零和零点迁移环节也常常合并在放大器中。常常合并在放大器中。数字式数字式变送器组成变送器组成:二大部分二大部分软软 件件包括系统程序和包括系统程序和功能模块功能模块硬件电路硬件电路以微处理器以微处理器CPU为核心为核心 数字式变送器的构成原理数字式变送器的构成原理 数字式变送器的硬件构成数字式变送器的硬件构成 智能式变送器
4、还配置有智能式变送器还配置有手持终端手持终端(外外部数据设定器或组态器部数据设定器或组态器)，用于对变送器用于对变送器参数进行设定，如设定变送器的型号、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、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间常数设定以及自诊断等。数字式变送器的数字式变送器的软件构成软件构成包括系统程序和包括系统程序和功能模块功能模块系统程序系统程序:对对变送变送器硬件的各部分电路进行器硬件的各部分电路进行管理，并使管理，并使变送变送器能完成最基本的功器能完成最基本的功能，如
5、能，如模拟信号和数字信号的转换、模拟信号和数字信号的转换、数据通信、数据通信、变送变送器器自检等自检等 功能模块可能有：功能模块可能有：资源模块资源模块 变量转换变量转换 模拟输入模拟输入 量程自动切量程自动切换换 非线性校正非线性校正 温度误差校温度误差校正正 阻尼时间设阻尼时间设定定 显示转换显示转换 运算功能运算功能 PID PID 控制功控制功能能 警报警报 3.1.2 变送器的一些共性问题变送器的一些共性问题 量程调整量程调整 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 线性化线性化 变送器信号传输方式变送器信号传输方式 3.1.2.1.3.1.2.1.量程调整量程调整 使变送器的输出信号
6、上限值使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的与测量范围的上限值上限值xmax相对应相对应 量程调整相当于量程调整相当于改变变送器的输入输改变变送器的输入输出特性的斜率，也就出特性的斜率，也就是改变是改变变送器输出信变送器输出信号号y与输入信号与输入信号x之间之间的比例系数的比例系数 量程调整的方法量程调整的方法 模拟式变送器模拟式变送器 改变反馈部分的反馈系数改变反馈部分的反馈系数 改变测量部分转换系数改变测量部分转换系数 软件实现软件实现 数字式变送器数字式变送器 3.1.2.2.3.1.2.2.零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 使变送器的输出信号下限值使变送器的输出信号下限值ym
7、ia与测量范围的下限值与测量范围的下限值xmin相对应相对应 零点调整使变送器的测量起始点为零零点调整使变送器的测量起始点为零在在xmin=0时，称为零点调整；在时，称为零点调整；在xmin0时，称为零点迁移时，称为零点迁移零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值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零点调整和零点迁移的方法 零点迁移，再辅以量程调整，可以提高零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪
8、表的测量精度仪表的测量精度。模拟式变送器模拟式变送器 改变放大器输入端上的调零信号改变放大器输入端上的调零信号z z0 0 数字式变送器数字式变送器 软件实现软件实现 3.1.2.3.3.1.2.3.线性化线性化 原因原因：传传感器组件的输出信号与被测参数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模拟式变送器非线性补偿方法:使反馈部分与传使反馈部分与传感器组件感器组件具有相同的非线性特性具有相同的非线性特性 使使测量部分测量部分与传与传感器组件感器组件具有相反的非线性特性具有相反的非线性特性 数字式变送器数字式变送器 非线性补偿方法非
9、线性补偿方法:软件实现软件实现 3.1.2.4.变送器信号传输方式变送器信号传输方式 气动变送器：两根气动管线气动变送器：两根气动管线 电动模拟式变送器：二线制电动模拟式变送器：二线制 四线制四线制 HART通讯通讯协议方式协议方式 数字式变送器：数字式变送器：双向双向全数字量传输信号全数字量传输信号 (现场总线通信方式现场总线通信方式)电动模拟式变送器信号传输方式电动模拟式变送器信号传输方式 二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号信号 二线制二线制 四线制传输四线制传输供电电源和输出信号分别用二根导线传输供电电源和输出信号分别用二根导线传输
10、优点：优点：节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰 条件：条件：工作电流：工作电流：minII0工作电压工作电压：)R(IEVmaxLmaxminT0二线制二线制最小有效功率最小有效功率P:PI0min(Emin-I0miaRLmax)数字数字式变送器信号传输方式式变送器信号传输方式 在一条电缆上同时传输在一条电缆上同时传输4 420mA20mA的模拟信号的模拟信号和数字信号和数字信号HART通讯协议通讯协议:物理层物理层 数据链路层数据链路层 应用层应用层 HART通信协议是依照国际标准化组织通信协议是依照国际标准化组织(ISO)的开放式的开放式系统互连系统
11、互连(OSI)参考模型，简化并引用其中三层：参考模型，简化并引用其中三层：物理层物理层 规定了信号的传输方法和传输介质规定了信号的传输方法和传输介质传送速率为传送速率为1200 bit/sbit/s 信号传输：信号传输：基于基于Bell 202 通讯标准，采用频移键控通讯标准，采用频移键控(FSK)方法，在方法，在420mA基础上叠加幅度为基础上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波作为数字信号的正弦调制波作为数字信号传输介质传输介质:单芯带屏蔽双绞电缆单芯带屏蔽双绞电缆 3000米米 多芯带屏蔽双绞电缆多芯带屏蔽双绞电缆 1500米米 短距离可使用非屏蔽电缆短距离可使用非屏蔽电缆 数据链路层数据链
12、路层 规定了数据帧的格式和数据通讯规程规定了数据帧的格式和数据通讯规程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 地址有短格式和长格式地址有短格式和长格式 响应码在变送器向主设备通信时才有，表示数据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通信状态和变送器工作状态 数据帧数据帧格式：格式：由链路同步信息、寻址信息、用户信息及由链路同步信息、寻址信息、用户信息及校验和组成校验和组成 HART协议按主协议按主/从方式通讯，这意味着只有在主从方式通讯，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站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息有三种通讯
13、模式：模式：点对点模式点对点模式-在一条电缆上传输在一条电缆上传输4 420mADC20mADC的的 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 多点模式多点模式-一条电缆连接多个一条电缆连接多个现场设备，这是现场设备，这是 全数字通信模式全数字通信模式 阵发模式阵发模式-允许总线上单一的从站自动、连续允许总线上单一的从站自动、连续 地发送一个标准的地发送一个标准的HART HART 响应信息响应信息 应用层应用层 规定了通讯命令的内容规定了通讯命令的内容 命令命令类型：类型：通用命令通用命令 适用于所有符合适用于所有符合HART协议的现场仪表协议的现场仪表 通用操作命令通用操作命令 适用于大部分符
14、合适用于大部分符合HART协议的现场仪表协议的现场仪表 特殊命令特殊命令 各制造厂的产品自己所特有的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通讯方式的实现方法 输出波形整形电路输出波形整形电路:满足满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿物理层规范所要求的信号波形上升沿/下降沿下降沿的时间，较平缓的上升沿的时间，较平缓的上升沿/下降沿的时间可以降低与其它下降沿的时间可以降低与其它HART网络间的串扰网络间的串扰带通滤波器带通滤波器:抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为1200 Hz2200Hz HARTHART通讯模块通讯模块H
15、ART通讯模块实现通讯模块实现二进制的数字信号与二进制的数字信号与FSK信号之间信号之间的相互转换的相互转换 HT2012功能框图 调制器调制器 ITXD：二进制数字信号输入二进制数字信号输入 OXTA：FSK信号输出信号输出解调器解调器 IRXA：FSK信号输入信号输入(由信号回路由信号回路)ORXD：二进制数字信号输出二进制数字信号输出高电平高电平“1”，解调器工作，调制器输出呈高阻状态。，解调器工作，调制器输出呈高阻状态。低电平低电平“0”，调制器工作，解调器输，调制器工作，解调器输 出不定；出不定；INRTS：控制端：控制端 载波监测电路用于检测载波监测电路用于检测420mA直流直流信
16、信号中是否叠加有数字信号号中是否叠加有数字信号,侦听网络和启动接侦听网络和启动接收收 时基电路产生调制器和解调器所需的时间时基电路产生调制器和解调器所需的时间基准信号基准信号，同时还提供，同时还提供19.2kHz 的脉冲输出的脉冲输出 16位串行输入、位串行输入、420mA电流输出电流输出 与与HART通信模块共同完成变送器的数字通信通信模块共同完成变送器的数字通信 AD421组成：数模转换器、电流转换器和电压调整器组成：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及电压调整电路原理图现场总线通信方式 通信控制单元通信控制单元实现物理层的功能，完成信息帧实现物理层的功能，完成信息帧的编码和解码、帧校验、数据的发送与接收的编码和解码、帧校验、数据的发送与接收 媒体访问单元媒体访问单元MPU的主要功能是发送与接收的主要功能是发送与接收符合现场总线规范的信号符合现场总线规范的信号
