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变送器

变送器. 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. 变送器的理想输入输出特性. y. 按照被测参数分类. 差压变送器. y max. 压力变送器. 温度变送器. y min. 液位变送器. x. x min. x max. 流量变送器等. x min 可能＝ 0 ，也可能≠ 0. 3.1. 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. 模拟变送器的构成原理. 模拟式 变送器的组成 ：. 零点调整 零点迁移.

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变送器

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  1. 变送器 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

  2. 变送器的理想输入输出特性 y 按照被测参数分类 差压变送器 ymax 压力变送器 温度变送器 ymin 液位变送器 x xmin xmax 流量变送器等 xmin可能＝0，也可能≠0

  3. 3.1. 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

  4. 模拟变送器的构成原理 模拟式变送器的组成 ： 零点调整 零点迁移 z0 + x zi y 放大器 Ko 测量部分 Ki + － zf 反馈部分 Kf 关键环节： 放大器 测量部分 反馈部分

  5. 输入输出关系 z0 + x zi + y Ki Ko － zf Kf 当满足KoKf>>1的条件时 RETURN

  6. 如果，[ymin，ymax]与[xmin，xmax]，如何调整？？ 1.调整Ki、Kf可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点 2.调整z0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移

  7. 数字式变送器的构成原理 存储器 x 数字信号 检测元件 A/D转换 通信电路 CPU 一般形式 存储器 Frequency shift keying x FSK信号 检测元件 A/D转换 A/D转换 CPU 通信电路 采用HART协议通信方式 RETURN

  8. 软件 数字式变送器软件部分包括: A/D采样程序量程转换程序 工程量变换程序 滤波程序 误差校正程序D/A输出程序 通讯程序 辅助功能程序 数字式变送器还配置有手持终端

  9. 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

  10. y ymax ymin x xmin xmax 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

  11. 量程调整的方法 模拟式变送器 改变反馈部分的反馈系数Kf 改变测量部分转换系数Ki Kf ↑ 量程 ↑ Ki↑ 量程 ↓ 回放 数字式变送器 软件实现

  12. y ymax ymin xmax 0 3.1.2.2.零点调整 使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin=0相对应 零点调整的方法 ·模拟变送器：调Z0 ·数字变送器：软件 x

  13. y ymax ymin x xmax 0 3.1.2.2. 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: 零点迁移的方法 ·模拟变送器：调Z0 ·数字变送器：软件 xmin xmax xmin xmax 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

  14. 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: 1.使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性

  15. 2.使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性2.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

  16. 3.1.2.4.变送器信号传输 气动变送器： 两根气动管线（气源和信号） 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

  17. r Io 四线制变送器 二线制变送器 RL E RL 电源 r Io 电动模拟式变送器信号传输方式 四线制 供电电源和输出信号分别用二根导线传输 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

  18. r 二线制变送器 + VT — E RL r Io 二线制 二线制优点： 节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰 目前大多数变送器均为二线制变送器 二线制变送器的条件： 工作电流： 工作电压：

  19. 数字式变送器信号传输方式 HART通讯协议: HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种过渡性协议，它采用FSK技术，在4～20mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通讯能同时进行，即在一条电缆上同时传输4～20mA的模拟信号和数字信号，互不干扰。我国目前工业现场中4～20mA标准的模拟仪表仍大量存在，HART协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。 这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持 ,于 1 993年成立了HART通信基金会。 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

  20. 物理层 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 FSK信号相位连续，均值＝0，则叠加上的信号对模拟信号没有影响

  21. 传输介质: 单芯带屏蔽双绞电缆 3000米 多芯带屏蔽双绞电缆 1500米 短距离可使用非屏蔽电缆

  22. 链路 同步码 定界符 地址 命令号 字节 长度 响应码 数据 字节 校验和 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 地址有短格式(1字节)和长格式 (5字节) 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

  23. HART协议按主/从方式通讯 即：只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息。 通信由主设备发起，即发出请求(指令)，被访问的从设备(即现场仪表)负责解析指令并返回对指令的响应。 HART的介质访问控制本质是上一种令牌总线技术，它的最大优点是保证数据在总线上传输时不发生冲突(只是取得令牌，才有权发起通信)，同时保证在限定时间内任一站点可以取得链路控制权。 HART的令牌是隐含的，即没有“令牌帧”的存在，而是定义了与令牌作用相似的时限(定时)规则。

  24. 主 主 第一 第二 逻辑环 从 从 从 从 从 阵发 有三种通讯模式： 点对点模式---在一条电缆上同时传输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---允许总线上有一个从站自动、连续地发送标准的HART响应信息 从设备可以被主设备组态为阵发模式(Burstmode)，即自动执行某一特定指令并给出响应无需得到请求，只有在此模式下从设备可以发起通信，从而可能引起与主设备间对链路控制权的争用，否则从设备持续非活动(等待)状态，仅能对请求作出响应。同一链路上只能有一个阵发模式从设备与主设备，包括一个第一主设备和一个第二主设备，同时存在

  25. 主 主 第一 第二 逻辑环 从 从 从 从 从 阵发 第一主站可以是DCS、 PLC、基于计算机的控制或监测系统， 第二主站可以是手持终端，手持终端几乎可以连接在网络任何地方，在不影响第一主站通信的情况下与任何一个现场设备通信。

  26. 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 包括制造厂商和仪表类型、变量值和单位、阻尼时间、系列号等 通用操作命令 适用于大部分符合HART协议的现场仪表 包括读变量、改变上/下限值、调零和调量程、仪表自检等 特殊命令 各制造厂的产品自己所特有的命令 用于对仪表中的专门参数或仪表的特有功能进行自由定义，如开始、结束或清累积，读写校正系数，使能PID，改变给定值等

  27. HART通讯方式的实现方法 E RL Io(4~20mA) CPU DAC (AD421) FSK FSK HART MODEM BELL 202 波形整形电路 带通滤波器 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～2200Hz

  28. ITXD 调制器 OXTA INRTS 460.8kHz 时基电路 19.2kHz 解调器 ORXD IRXA OCD 载波监测 HT2012功能框图 HT2012功能框图 HART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 HT2012是SMAR公司专门为HART产品而设计生产的通讯模块

  29. ITXD 调制器 OXTA 解调器 ORXD IRXA ITXD从CPU异步串行输出口获得数字信号，经调制后在OTXA输出FSK信号，FSK信号经整形后加载到4～20mA输出回路上。 通过IRXA获得FSK信号，FSK信号经解调后在ORXD输出数字信号，ORXD直接与CPU的异步串行输入口相连。

  30. ITXD 调制器 OXTA 解调器 ORXD IRXA INRTS OCD 载波监测 INRTS：调制、解调器的控制端 INRTS＝0时，调制器工作，解调器输出不定 INRTS＝1时，解调器工作，调制器输出呈高阻状态 上述机制说明HART是半双工的。 OCD作为载波侦听输出，当存在数字信号时，OCD＝0，启动CPU1读取ORXD处的解调信号

  31. ITXD 调制器 OXTA INRTS 解调器 ORXD IRXA OCD 载波监测 460.8kHz 时基电路 19.2kHz 时基电路：产生调制、解调器所需要的时钟信号 同时还提供一路19.2kHz的时钟输出

  32. CONCLUSION 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 “0” ，调制器 工作，解调器输出不定； “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

  33. AD421 16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 (其它略) 回数字式差压变送器

  34. 现场总线通信方式 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 智能式变送器属于智能现场设备，它可以挂接在现场总线的通信电缆上，与其它各种智能化的现场控制设备以及上层管理控制计算机实现双向信息通信。 现场总线的国际标准由8种类型现场总线组成，各种类型现场总线的通信协议尽管不同的，但都是由物理层、链路层和应用层以及通信媒体共同构成。 有关现场总线国际标准将在第9章中介绍，下面仅简要介绍现场总线通信方式的实现方法。

  35. 控制线 发送控制 CPU 通信控制单元 MAU 地址线 发送数据 现场总线 数据线 接收数据 现场总线通信方式由CPU、通信控制单元和媒体访问单元MAU组成 微处理器CPU实现数据链路层和应用层的功能。 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。常用的芯片有Ship Star公司的FCHIP-1、富士公司的Frontier-1、Smar公司的FB2050、FB3050等。 媒体访问单元MAU的主要功能是发送与接收符合现场总线规范的信号

  36. 思考题： 1、变送器在自动控制系统中起什么作用？它有哪些类型？ 2、试述模拟式变送器和智能式变送器的构成原理。 3、何谓变送器的量程调整和零点调整和零点迁移？试举例说明之。 4、变送器为什么要进行非线性补偿？一般如何进行补偿？

  37. 5、什么是二线制？二线制的变送器有何特殊要求？ 6、什么是FSK信号？HART协议通信方式是如何实现的？ 7、现场总线通信方式是如何实现的？

  38. 作业： “控制仪表与计算机控制装置”书中 P135 3-4题、 3-6题

  39. 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

  40. 3.2.1. 膜盒式差压变送器 膜盒式差压变送器构成 Fi △P Io 测量部分 △M 杠杆系统 放大器 Ff 反馈部分 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

  41. Fi △P Io 膜盒 △M 杠杆系统 位移检测 放大器 Ff 电磁反馈机构 DDZ-III型差压变送器 检测部分: ΔP →输入力Fi 杠杆系统: 力的传递和力矩比较，生成位移信号 位移检测放大器: 位移→ 输出Io 电磁反馈装置: 输出→反馈力Ff RETURN

  42. 主杠杆 轴封膜片 p2 p1 正压室 负压室 (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Fi Fi= A1P1 -A2P2 A1= A2= Ad 因: 故: Fi= Ad(P1 -P2) = AdΔP

  43. (2) 杠杆系统 进行力的传递和力矩比较 ①主杠杆 将Fi转换为F1 ② 矢量机构 将F1转换为F2 ③ 副杠杆 将F2产生的力矩与Ff 产生的力矩进行比较， 生成位移变化

  44. F1 l2 H l1 Fi ①主杠杆 将Fi转换为F1 F1作用于矢量机构上

  45. (b) (a) ② 矢量机构 将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2

  46. ③ 副杠杆 进行力矩的比较 F2产生的力矩 Ff产生的力矩 合力矩 调零力Fz产生的力矩 最终的合力矩

  47. (3) 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 反馈动圈1固定在副杠杆上，且处于永久磁钢2的磁场中，可在其中左右移动。软铁芯3和永久磁钢2组成磁路。软铁芯使环形气隙中形成均匀的辐射磁场，从而使流过反馈动圈的电流方向总是与磁场方向垂直。当变送器的输出电流过反馈动圈时，就会产生电磁反馈力Ff。Ff与变送器输出电流I0之间的关系为： Ff =πBDcWI0 设Kf=πBDcW 改变反馈动圈的匝数W，可以改变Kf的大小 则 Ff = KfI0

  48. W1=725匝，W2=1450匝 R11与W1的直流电阻相同 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

  49. (4) 整机特性 回放

  50. Io mA 20 4 ΔP ΔPmin ΔPmax

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