1、概述壓力是指流體對單位面積上的垂直作用力。壓力可用絕對壓力或表壓力表示絕對壓力=表壓力+大氣壓力以完全真空作為零標(biāo)準(zhǔn)的壓力絕對壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮旱牟钪档?節(jié)液柱式壓力計一、U形管壓力計P=P1P2 =g(h1+h2) 因 則 故 由于 Dd，所以 P =gh2 三、斜管微壓計 主要用于測量微小壓力、負(fù)壓和壓差，它將單管液柱壓力計的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數(shù)相對誤差。傾斜角度越小，l越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，否則液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大。這種傾斜管液柱式壓力計可以測量到0.98Pa的微壓。為了進(jìn)一步提高微壓計的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。 一 彈性元

2、件的特性2 剛度和靈敏度剛度K：單位變形所需力靈敏度S： 單位力引起變形二 彈性元件的材料彈性材料的彈性儲能是衡量其基本性能的主要指標(biāo)膜片膜盒三 金屬膜片膜盒 膜片式壓力計 膜式壓力計膜片：單膜片測壓元件主要用于低壓的測量，一般使用金屬膜片。測壓時,膜片向壓力低的一面彎曲,其中心產(chǎn)生的位移量即反映出壓力的大小. 膜片式壓力計可測微壓和粘滯性介質(zhì)壓力。膜盒將兩片金屬膜片的周邊焊接在一起,成為廣泛膜盒,應(yīng)用于測量差壓。在波紋管中引入壓力自由端產(chǎn)生伸縮變形，可以得到較大的線位移波紋管壓力位移特性的線性不如彈簧管彈簧管壓力計 彈簧管10橢圓形橫截面 彈簧管被測壓力由接口引入彈簧管自由端產(chǎn)生位移通過拉桿

3、使扇形齒輪逆時針偏轉(zhuǎn)，并帶動嚙合的中心齒輪轉(zhuǎn)動與中心齒輪同軸的指針同時順時針偏轉(zhuǎn)，在刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力值第3節(jié)壓力傳感器和變送器常用壓力表電接點(diǎn)壓力表 HAKK-EKA110A差壓變送器 電容式、電阻式、電感式、應(yīng)變片式、霍爾片式壓力計二電感式壓力傳感器彈性元件受壓力作用后產(chǎn)生的位移可改變磁路中空氣隙的大小，或改變鐵芯與線圈之間的相對位置，使線圈的電感量發(fā)生改變，從而使壓力變化的信號轉(zhuǎn)換成電感量的變化互感式電感傳感器也叫差動變壓器式傳感器.把被測位移的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅骰ジ械淖兓?。差動變壓器式傳感器鐵芯在一定距離內(nèi)的位移與輸出電動勢大小的關(guān)系基本上是線性的三 霍爾壓力傳感器金屬或半導(dǎo)體薄片

4、置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢VH。靈敏度常數(shù)把半導(dǎo)體單晶薄片置于磁場B中，如果在它的兩個縱向面上通以一定大小的電流則在晶體的兩個橫向端面之間出現(xiàn)霍爾電勢VH四力平衡式壓力變送器四力平衡式差壓變送器工作原理：基于力矩平衡原理測量部分將被測差壓，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸入力，該力與電磁反饋機(jī)構(gòu)輸出的作用力一起作用于杠桿系統(tǒng)，使杠桿產(chǎn)生微小的偏移，再經(jīng)位移檢測放大器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流電流輸出信號。主要由四部分組成：測量機(jī)構(gòu) 組成：由高、低壓室、膜盒、軸封膜片等部分，作用：是把被測差壓轉(zhuǎn)換成作用于主杠桿上的力。杠桿系統(tǒng) 杠桿系統(tǒng)是差壓變送器中的機(jī)械傳動和力矩平衡部分組成：主、

5、副杠桿、調(diào)零和零點(diǎn)遷移機(jī)構(gòu)、平衡錘、靜壓調(diào)整及矢量機(jī)構(gòu)等。作用：是把測量機(jī)構(gòu)對主杠桿的輸入力所產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)換成檢測片的微小位移。位移檢測放大器 組成：差動變送器、低頻振蕩器、整流濾波及功率放大器等部分組成。作用：是將副杠桿上檢測片的微小位移轉(zhuǎn)換成直流信號輸出。電磁反饋機(jī)構(gòu) 組成：由反饋線圈、永久磁鋼等。作用：將變送器輸出電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電磁反饋力，作用于副杠桿上，產(chǎn)生反饋力矩，以便和測量部分產(chǎn)生的輸入力矩相平衡。力平衡式差壓變送器變送器輸出與輸入之間的關(guān)系為五電容式壓力變送器工作原理先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量。 電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其輸出信號也是

6、標(biāo)準(zhǔn)4 20mA電流信號P2P1 輸出信號0 20mA定電極C1C2解調(diào)器功放器反饋、保護(hù)電源、振蕩硅油動電極結(jié)構(gòu)框圖殼體內(nèi)部澆注玻璃絕緣子5絕緣子內(nèi)側(cè)磨成光滑的球面，其內(nèi)側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外用真空鍍膜工藝鍍上均勻的金屬膜，作為電容的固定極板中心感壓膜片7為電容的動極板，其周邊與殼體密封并焊接在一起2、3是不銹鋼基座中心感壓膜片7與兩球面之間的空腔充以硅油，并分別有各自的引油孔與被測壓力連通被測壓力分別加在膜盒兩側(cè)的隔離膜片1、4上，通過腔體內(nèi)所充硅油的傳遞，作用在中心感壓膜片的兩側(cè)引線當(dāng)P1=P2時，中心感壓膜片在中心位置，C1=C2中心感壓膜片與兩球面內(nèi)壁鍍膜分別形成電容C1和C2當(dāng)

7、差壓p= P1P20時，其差壓與兩電容器電容間的關(guān)系差動平板電容器的電容變化量與活動電極的位移成正比。而且當(dāng)位移較小時，近似滿足線性關(guān)系。轉(zhuǎn)換放大電路 轉(zhuǎn)換放大電路的作用是將上述差動電容的相對變比值，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流輸出信號。還要實現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整、正負(fù)遷移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。其原理框圖如圖所示。七應(yīng)變式壓力變送器應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化。通過測量阻值變化來測量壓力的大小。一壓阻效應(yīng) 當(dāng)電阻受到拉力F作用時， 將伸長dl，橫截面積相應(yīng)減小dA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為： 一壓阻效應(yīng)式中dL/L=

8、 ：材料的軸向線應(yīng)變dA/A：圓形電阻絲的截面積相對變化量導(dǎo)體材料的泊松比一壓阻效應(yīng) 通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。 其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，其表達(dá)式為 ：金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)1+2的值要比(d/)/大得多，金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變成正比。 一般Km=1.84.8。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的(d/)/項的值比1+2大得多，應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。通常Ks=(5080)Km。 二 應(yīng)變式壓力變送器的形式 壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用

9、集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。 二 應(yīng)變式壓力變送器的形式當(dāng)壓力發(fā)生變化時，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號。 根據(jù)單晶硅的壓阻效應(yīng)工作，在很薄的單晶硅上利用集成電路工藝擴(kuò)散出4個小片等值電阻，構(gòu)成惠斯登測量橋路。USR1R2R3R4IS不受壓時：Ri1Ri2Ri3Ri4Rr0.635rR1R1 、R4變小R2R3R4R2 、R3變大硅壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)如圖 (a)。它的感壓元件叫做擴(kuò)散硅應(yīng)變片。其電阻布置如圖(b)杯內(nèi)腔承受被測壓力p，杯的外側(cè)為大氣壓

10、力。如用來測量差壓，則分別接 p1及p2。應(yīng)變片的電阻變化經(jīng)橋式線路轉(zhuǎn)換為電壓輸出，然后經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換為直流信號。RA、RB、RC、RD為半導(dǎo)體壓敏電阻，RF是負(fù)反饋電阻電橋以1mA恒流源供電，整機(jī)輸出420mA的統(tǒng)一信號 a) 4 20mA傳輸標(biāo)準(zhǔn)控制室現(xiàn)場b) 現(xiàn)場總線第四節(jié) HART協(xié)議控制室儀表手持編程器雙向數(shù)字傳輸安全柵調(diào)節(jié)器指示積算配 電安全柵4 20 mA配 電4 20 mA4 20 mA現(xiàn)場總線：安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的儀表和控制室內(nèi)的儀表或裝置之間的數(shù)字式串行通信鏈路?，F(xiàn)場總線是數(shù)字通信系統(tǒng)里最低的一級，也是最基本的一級?，F(xiàn)場總線從現(xiàn)場各類變送器或傳感器取得信息，并通過控制器（DCS）

11、向現(xiàn)場執(zhí)行器傳送控制指令或直接（FCS）向執(zhí)行器傳送控制指令。HART 協(xié)議支持在一個配置為多掛接的網(wǎng)絡(luò)中在一條線對上連接多個設(shè)備與連接傳統(tǒng)420mA模擬儀表一樣的電纜用來傳送 HART通信信號,所允許的電纜長度依電纜類型和連接的設(shè)備數(shù)目而不同，通常單芯屏蔽雙絞電纜長度可達(dá)3000m，多芯帶屏蔽雙絞電纜可達(dá)1500m。更短的距離可使用非屏蔽電纜。通過本質(zhì)安全柵/隔離器，HART設(shè)備可以應(yīng)用在危險場合。現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)是通信協(xié)議。在發(fā)展初期，各大自動化集團(tuán)各自推出自己的現(xiàn)場總線，其類型達(dá)40種之多。為了用戶便于使用，達(dá)到各總線之間互聯(lián)的目的，就必須實行大家都遵守的國際標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)開放、兼容、互

12、操作的目的。因各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)互不兼容，很難實現(xiàn)互操作。故在420mA向現(xiàn)場總線過渡時期，還需要采用HART協(xié)議，HART也稱為準(zhǔn)現(xiàn)場總線協(xié)議HART現(xiàn)場通信協(xié)議是工業(yè)界廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，在420mA智能設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了數(shù)字通信能力。該技術(shù)的普及使用非常迅速，目前，事實上所有主要儀表供應(yīng)商都提供HART協(xié)議產(chǎn)品。HART協(xié)議是唯一向后兼容的智能儀表解決方案，在一條電纜上可以同時傳遞420mA模擬信號和數(shù)字信號。HART在提供現(xiàn)場總線的好處時，保留對現(xiàn)有420mA系統(tǒng)的兼容性。數(shù)字信號傳送時要求傳輸線的頻帶很寬，在長距離通信時，其頻帶往往不能滿足要求（頻率較高的分量被衰減），即產(chǎn)生信號的畸變，而

13、且數(shù)據(jù)通信速率越高信號的畸變越嚴(yán)重。為避免信號的畸變，通常采用調(diào)制/解調(diào)的辦法，即將數(shù)字信號調(diào)制為模擬信號，再用電話線（雙絞線）進(jìn)行傳送的調(diào)制：將數(shù)字信號變成模擬信號的過程稱為調(diào)制。信號的，將數(shù)字信號調(diào)制為模擬信號有三種方式：移頻鍵控FSK(Frequency Shift Keying)，或者稱為兩態(tài)調(diào)頻。它的基本原理是把數(shù)字信號“1”和“0”調(diào)制成不同頻率(易于鑒別)的模擬信號兩個不同頻率的模擬信號，分別由電子開關(guān)控制，在運(yùn)算放大器的輸入端相加，而電子開關(guān)由要傳輸?shù)臄?shù)字信號(即數(shù)據(jù)DATA)控制。當(dāng)信號為“0”時，控制電子開關(guān)1導(dǎo)通，送出一串頻率較低（1200Hz）的模擬信號；當(dāng)信號為“1”

14、時，控制電子開關(guān)2導(dǎo)通，送出一串頻率較高（2200Hz）的模擬信號，于是在運(yùn)算放大器的輸出端，就得到了調(diào)制后的信號。HART協(xié)議使用 Bell202 頻移鍵控(FSK)技術(shù)HART協(xié)議使用 Bell202 頻移鍵控(FSK)技術(shù)在420mA基礎(chǔ)上對數(shù)字信息進(jìn)行編碼，在420mA上疊加幅度為0.5mA的正弦波，因此模擬和數(shù)字信號可同時傳遞，數(shù)字 FSK 信號相位連續(xù)，不會影響420mA信號。邏輯 “1” 由1200 Hz頻率代表，邏輯 “0” 由2200 Hz 代表。由于疊加的正弦信號平均值為0，所以對模擬信號沒有影響。HART（FSK）信號方式允許雙向數(shù)字通信，使得除普通過程變量以外的更多信息

15、，從智能現(xiàn)場儀表讀取或發(fā)送到智能現(xiàn)場儀表。HART協(xié)議1200 bits/s 通信速率在不打斷420mA信號的同時，允許主站對來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)每秒更新兩次或更多。解調(diào)：將模擬信號還原成數(shù)字信號的過程1 HART協(xié)議的通信方式 采用半雙工的通信方式，為主從方式由主設(shè)備來控制數(shù)據(jù)幀的傳送,只有在主站呼叫時，現(xiàn)場設(shè)備（從站）才傳送信息3 HART協(xié)議的結(jié)構(gòu)HART協(xié)議層次共有三層物理層：規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)。 HART數(shù)據(jù)傳輸是420mA數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄U(kuò)展，它在低頻的420mA電流上疊加了一高頻電流，兩種信號共享硬件，但在頻率上是分開的。3 HART協(xié)議的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀格式：主從設(shè)

16、備之間的短型幀類型編碼001成組模式幀010 STX幀110 ACK幀其余均保留數(shù)據(jù)幀格式：主從設(shè)備之間的長型幀類型編碼001成組模式幀010 STX幀110 ACK幀其余均保留數(shù)據(jù)幀格式成組設(shè)備至主設(shè)備的幀注：成組模式設(shè)備 只產(chǎn)生長幀響應(yīng)碼場的第一字節(jié)的第7位總是被清零，因為此模式?jīng)]有報告通信錯誤的消息。第二個字節(jié)含有數(shù)據(jù)鏈路與設(shè)備狀態(tài)。幀類型編碼001成組模式幀010 STX幀110 ACK幀其余均保留3 HART協(xié)議的結(jié)構(gòu):應(yīng)用層 HART協(xié)議的應(yīng)用層為HART命令，HART設(shè)備通過這些命令辨別對方信息的含義。通用命令、普通應(yīng)用命令、專用命令三種。 3 HART協(xié)議的結(jié)構(gòu):應(yīng)用層 HAR

17、T 協(xié)議的各種命令統(tǒng)一由HART 數(shù)據(jù)幀中的命令字節(jié)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，也就是說，HART協(xié)議最多可提供 256 種不同的命令。28 命令場的8位字節(jié)。主機(jī)命令的一致性分類類別 描述1 用于獲取基本變量的只讀命令1A 用于獲取基本變量的量程百分比及電流的只讀命令2 從所有設(shè)備中獲取通用信息的只讀命令3 用于獲取各個設(shè)備的專有信息的只讀命令，可訪 問設(shè)備中的所有信息4 向每個設(shè)備發(fā)送一般操作所需信息的只寫命令5 向每個設(shè)備發(fā)送初始設(shè)置所需信息的只寫命令其他不屬于以上類別的讀寫功能，這些命令將不能被另一廠家的主機(jī)處理編碼和用途舉例一致性分類命令僅包括通用命令和普通應(yīng)用命令。類別 1 (通用命令） 0

18、讀設(shè)備識別碼 1 讀基本變量類別 1A (通用命令） 0 讀識別碼 1 讀設(shè)備基本變量量程百分比及電流類別 2 (通用命令) 4 (100)2 保留位 11 (1011)2 讀與位號(Tag）有關(guān)的標(biāo)識符 12 (1100)2 讀與設(shè)備有關(guān)的信息變送器命令分類變送器命令有通用、普通應(yīng)用、變送器專用三類變送器命令分配如下： 命令編碼 命令種類 0 通用命令 30 通用命令 31 保留 32 普通應(yīng)用命令 127 保留 128 變送器專用命令 253 變送器專用命令 254 保留 255 保留響應(yīng)碼信息第一個字節(jié)響應(yīng)碼的第一個字節(jié)的第7位如果置位，則剩余的位包含了有關(guān)通信錯誤的信息；第一個字節(jié)的第

19、7位如果復(fù)位，則剩余的位用來表示命令響應(yīng)信息。1023456710234567byte1byte2響應(yīng)碼信息第一個字節(jié)Bit 7=1時，其余位表示接收時的錯誤信息：Bit 6 垂直奇偶校驗錯誤Bit 5 覆蓋錯誤Bit 4 幀錯誤Bit 3 縱向奇偶校驗錯誤Bit 2 保留，應(yīng)清零。Bit 1 緩沖區(qū)溢出Bit 0 未定義：至今尚未定義Bit 7=0時，則該字節(jié)包含有關(guān)命令執(zhí)行情況的信息。其余bit6-bit0 編碼，范圍無符號整數(shù)0127，如：響應(yīng)碼# 32 忙 （0010 0000）2響應(yīng)碼# 64 命令不支持響應(yīng)碼信息第二個字節(jié)該字節(jié)各位的意義如下：Bit 7 現(xiàn)場設(shè)備工作不正常Bit 6 組態(tài)變化：寫或設(shè)置命令被執(zhí)行Bit 5 冷啟動：由于設(shè)置信息的重安裝Bit 4 有更多的狀態(tài)信息可用Bit 3 基本變量的模擬輸出被固定Bit 2 基本變量的模擬輸出己飽和Bit 1 非基本變量超限Bit 0 基本