《过程控制装置》课程授课教案（控制仪表及装置）第二章 变送器

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I差压变送器I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），flowtransmitter（流量变送器），turbineflowmeter（涡轮流量计），electromagneticflowmeter电磁流量计，rotameter转子流量计，vortexsheddingflowmeter涡街流量计，throttlingdevice节流装置，capacitancelevelmeter，resistancethermometersensor热电阻，thermosensor热敏元件，thermocouple,thermoelectriceffect,transmitter，compensatinglead补偿导线，three-wiresystem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y+Ymex-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Ymin-1变送器的理想输入输出特性-rmx20IminxV=Vmax-Ymin)+ymin1Xmax-Xmin

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零点调整零点迁移测量部分放大器KiKzf反馈部分Kf模拟式变送器的输入输出关系ZoKK,xKV1+KK1+KKKK当满足>>1 的条件时Kzo1KKfymaxYmi0minTmax模拟式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：二大部分硬件电路一一以微处理器CPU为核心软件一包括系统程序和功能模块数字式变送器的硬件构成存储器+A/D传感器组件微处理器通信电路一数字信号转换器一般形式(a)存储器*A/DD/A传感器组件微处理器FSK信号转换器转换器+通信电路（b）采用HART协议通信方式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一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

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

Ymi0min4mexa'mex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yy2an0(a）未迁秘(b）正迁移(c）负迁移在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20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

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

V放大器检测元件测量部分反馈部分(a）反馈补偿使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性NZLri放大器测量部分检测元件反馈部分（b）测量补偿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四线制变一线制变送器FUr.R送电源器o（a）二线制变送器（b）四线制变送器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：I≤Io min工作电流：

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：

VT≤Emin-loma(RLmax+)工作电压：P<Iomin (Emin-I omidRLmax)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Bell202通讯标准，采用频移键控(FSK)方法，在4～20mA基础上叠加幅度为土0.5mA的正弦调制波作为数字信号+0.5mA模拟信号-0.5mA1200Hz2200Hz"1"'0"传送速率为1200bit/s传送速率为1200bit/s数据链路层规定了数据的格式和数据通讯规程数据顿格式：由链路同步信息、寻址信息、用户信息及校验和组成链路字节数据定界符地址命令号响应码校验和同步码长度字节定界符定义了顿的类型和寻址格式定界符定义了顿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

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响应信息应用层一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VT,5V24V4~20mA微处理器DACRLAD421CC2HART波形整形电路带通滤波器MODEMBELL202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1200Hz～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ITXDOXTA调制器INRTS460.8kHz时基19.2kHz电路ORXD解调器IRXA载波监OCD测电路

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～2200Hz 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

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REFINREFOUTIREE.OUT?LV(1.25V)(2.5V)Va能断基准DRIVEADATA输人移位本地报揭器COMP寄存器CLOCKBOOST开关电流源16位DACLATCHDAC锁存器及滤波器A,4上电复位LOOPRTNCrCCCOMAD421及电压调整电路原理图VTU.VT2+cs24V文LVVCCDRIVEDATARCOMPLATCHCPUCTC6RLAD421文CLOCKCiBOOSTCECAALOOPCCRTNS通讯模块C4现场总线通信方式

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 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 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

控制线发送控制通信地址线发送数据现场总线控制CPUMPU单元数据线接收数据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、校验、数据的发送与接收通信控制单元实现物理层的功能，完成信息顿的编码和解码、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？

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F;Ap位移检测测量部分杠杆系统放大器F电磁反馈机构工作原理：力矩平衡检测元件一膜盒或膜片杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构

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