13.1概述作用:對各種工藝參數(shù),如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量進行檢測，以供顯示、記錄、控制儀表使用。分類：差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、液位變送器、流量變送器。XMINXMAXYMINYMAX

XMAX-XMINY=YMAX-YMIN*X+YMINYX23.1.1變送器的構成原理:模擬式變送器完全由模擬元器件構成，它將輸入的各種被測參數(shù)轉換成統(tǒng)一標準信號，其性能也完全取決于所采用的硬件。從構成原理來看，模擬式變送器由測量部分，放大器和反饋部分三部分組成，如圖3－2所示。在放大器的輸入端還加有調與零點遷移信號Z0,Z0由零點調整（簡稱調零）和零點遷移（簡稱遷移）環(huán)節(jié)產(chǎn)生。33.1.1變送器的構成原理:測量部分K1X放大部分K反饋部分Kf零點調整零點遷移+-Y=K1+K*Kf（K1X+Z）YZ若：K*Kf>>1則：Y=（K1*X/Kf）+Z/Kf4智能式變送器的構成原理智能式變送器由以微處理器（CPU）為核心構成的硬件電路和由系統(tǒng)程序、功能模塊構成的軟件兩大部分組成。(1)智能式變送器的硬件構成x傳感器組件A/D轉換器微處理器存儲器通信電路數(shù)字信號（a）一般形式傳感器組件A/D轉換器微處理器存儲器xD/A轉換器FSK信號通信電路（b）采用HART協(xié)議通信方式

5智能式變送器主要包括傳感組件、A/D轉換器、微處理器、存儲器和通信電路等部分；采用HART協(xié)議通信方式的智能式變送器還包括D/A轉換器。傳感器組件通常由傳感器和信號調理電路組成，信號調理電路用于對傳感器的輸出信號進行處理，并轉換成A/D轉換器所能接受的信號。

被測參數(shù)X經(jīng)傳感器組件，由A/D轉換器轉換成數(shù)字信號送入微處理器，進行數(shù)據(jù)處理。存儲器中除存放系統(tǒng)程序，功能模塊和數(shù)據(jù)外，還存有傳感器特性、變送器的輸入輸出特性以及變送器的識別數(shù)據(jù)，以用于變送器在信號轉換時的各種補償，以及零點調整和量程調整。智能式變送器通過通信電路掛接在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信電纜上，與網(wǎng)絡中其它各種智能化的現(xiàn)場控制設備或上位計算機進行通信，傳送測量結果信號或變送器本身的各種參數(shù)，網(wǎng)絡中其它各種智能化的現(xiàn)場控制設備或上位計算機也可對變送器進行遠程調整和參數(shù)設定。

采用HART協(xié)議通信方式的智能式變送器，微處理器將數(shù)據(jù)處理后，再傳送給D/A轉換成4－20mADC信號輸出，D/A將通信電路送來的數(shù)字信號疊加在4－20mA直流信號上輸出。通信電路對4－20mA直流電流回路進行監(jiān)測，將其中疊加的數(shù)字信號轉換成二進制數(shù)字信號后，再傳送給微處理器。6智能式變送器的核心是微處理器。微處理器可以實現(xiàn)對檢測信號的線性化處理、量程調整、零點調整、數(shù)據(jù)轉換、儀表自檢以及數(shù)據(jù)通信，同時還控制A/D和D/A的運行，實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的轉換。由于微處理器具有較強的數(shù)據(jù)處理功能，因此智能式變送器可使用單一傳感器以實現(xiàn)常規(guī)的單參數(shù)測量；也可使用復合傳感器以實現(xiàn)多種傳感器檢測的信息融合；還可使一臺變送器能夠配接不同的傳感器。通常，智能式變送器還配置有手持終端（外部數(shù)據(jù)設定器或組態(tài)器），用于對變送器參數(shù)進行設定，如設定變送器的型號、量程調整、零點調整、輸入信號選擇、輸出信號選擇、工程單位選擇和阻尼時間常數(shù)設定以及自診斷等。

7（2）智能式變送器的軟件構成

智能式變送器的軟件：系統(tǒng)程序和功能模塊兩大部分。

系統(tǒng)程序對變送器硬件的各部分電路進行管理，并使變送器能完成最基本的功能，如模擬信號和數(shù)字信號的轉換、數(shù)據(jù)通信、變送器自檢等；

功能模塊提供了各種功能，供用戶組態(tài)時調用以實現(xiàn)用戶所要求的功能。智能式變送器提供的功能模塊主要有：8·資源模塊包含與資源相關的硬件數(shù)據(jù)，控制其他功能模塊的工作組態(tài)；·變量轉換將輸入/輸出變量轉換成相應的工程量；·模擬輸入對傳感器進行選擇、濾波、平方根、小信號切除及去掉尾數(shù)等功能；·量程自動切換自動切換量程，以及提高測量精度；·非線性校正用于校正傳感器的非線性誤差；·溫度誤差校正消除變送器由環(huán)境溫度或工作介質溫度變化而引起的誤差；·阻尼時間設定；·顯示轉換用于組態(tài)液晶顯示上的過程變量；·PID控制功能包含多種控制功能，如PID算法、設定值及變換率范圍調整、測量值濾波及報警、前饋、輸出跟蹤等；·運算功能提供預定公式，可進行各種計算；·報警可具有動態(tài)或靜態(tài)報警限位、優(yōu)先級選擇、暫時性報警限位、擴展階躍設定點和報警限位或報警檢查延遲等功能。9用戶可以通過上位管理計算機或掛接在現(xiàn)場總線通信電纜上的手持式組態(tài)器，對變送器進行遠程組態(tài)，調用或刪除功能模塊；也可以使用專用的編程工具對變送器進行本地調整。不同廠家或不同品種的變送器，其硬件和軟件部分的系統(tǒng)結構大致相同，主要的區(qū)別在于器件類型、電路形式、程序編碼和軟件功能等方面。103.1.2變送器的共性問題:1）量程調整：使變送器的輸出信號上限與輸入信號上限相對應。X/MAXXMAXYMAXYMIN量程調整相當于改變輸入輸出特性的斜率。量程：指變送器的輸入測量范圍。112、變送器的零點調整和零點遷移：目的：使變送器的輸出信號上限與輸入信號上限相對應。在XMIN=0時，稱為零點調整；在XMIN

0時，稱為零點遷移。正遷移：XMIN>0負遷移：XMIN<0零點遷移不改變變送器的量程。X1MINX2MINYX12x0x0x0(a)未遷移(b)正遷移(c)負遷移yyy可以看出，零點遷移以后，變送器的輸入輸出特性沿x坐標向右或向左平移了一段距離，其斜率并沒有改變，即變送器的量程不變。進行零點遷移，再輔以量程調整，可以提高儀表的測量精度。零點調整的調整量通常比較小，而零點遷移的調整量比較大，可達量程的一倍或數(shù)倍。各種變送器對其零點遷移的范圍都有明確規(guī)定。零點調整和零點遷移的方法，對于模擬式變送器，是通過改變加在放大器輸入端上的調零信號Z0的大小來實現(xiàn)，參見圖3-1；對于智能式變送器，也是通過組態(tài)來完成的。133、線性化：變送器在使用時，總是希望其輸出信號與被測參數(shù)之間成線性關系，但由于傳感器組件的輸出信號與被測參數(shù)之間往往存在著非線性關系，因此，為了使變送器的輸出信號y與被測參數(shù)x之間呈線性關系，必須進行非線性補償。對于模擬式變送器，非線性補償方法通常有兩種示：A:使反饋部分與傳感器組件具有相同的線性特性；B:使測量部分與傳感器組件具有相反的線性特性。14在反饋回路中引入一個與傳感元件相同的非線性特性電路進行線性化處理；一般采用分段線性化方法熱電偶溫度變送器15檢測元件T測量部分＋放大器反饋部分y_A:使反饋部分與傳感器組件具有相同的線性特性；由于反饋部分與傳感器組件具有相同的非線性特性，而負反饋放大器的特性是反饋部分特性的倒特性，因此負反饋放大器的特性剛好與傳感器組件的非線性關系相反，結果使得變送器輸出信號Y與輸入信號X之間呈線性關系。16線性化---熱電阻溫度變送器在測量回路中引入一個與傳感元件相反的非線性特性電路進行線性化處理；一般采用分段線性化方法或電壓正反饋方法17檢測元件T測量部分＋放大器反饋部分y_B:使測量部分與傳感器組件具有相反的線性特性。由于測量部分與傳感器組件具有相反的非線性特性，剛好補償了傳感器組件的非線性，因此輸入放大器的信號特性是線性的，只要負反饋放大器的特性是線性的，則變送器輸出信號Y與輸入信號X之間呈線性關系。對于智能式變送器來說，只要預先將傳感器的特性存儲在變送器的EPROM中，通過軟件是很容易實現(xiàn)非線性補償?shù)摹?84、變送器的信號傳輸：變送器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，工作電源從控制室提供，而輸出信號傳送到控制室。19二線制和四線制傳輸電動模擬式變送器的二線制和四線制傳輸電源和輸出信號方式。二線制傳輸方式，電源、負載電阻和變送器是串聯(lián)的，目前大多數(shù)變送器均為二線制變送器。四線制傳輸方式，電源和負載電阻是分別與變送器相連的，即供電電源和輸出信號分別用二根導線傳輸，這類變送器稱為四線制變送器。二線制變送器四線制變送器電源（a）二線制變送器（b）四線制變送器20二線制和四線制傳輸電源生產(chǎn)現(xiàn)場控制室電源工作電流I<IOMIN+24VDC+24VDC或220VAC21二線制變送器工作的條件：A：變送器的工作電流（I）必須小于變送器的最小輸出電流IMIN。B：電源電壓：EMIN>UT+IOMAX（RLMAX+r）RLEUT223.2差壓變送器:作用: 將差壓、流量、液位等被測參數(shù)轉換為標準的 電流信號或數(shù)字信號。種類： 膜盒式、電容、擴散硅、電感式差壓變送器。主要以電容差壓變送器為主進行介紹

233.2.1.膜盒式差壓變送器24253.2電容式差壓（壓力）變送器電容式差壓變送器的檢測元件采用電容式壓力傳感器，是目前工業(yè)上普遍使用的一種變送器。輸入差壓作用于測量部分電容式壓力傳感器的中心感壓膜片，從而使感壓膜片（即可動電極）與兩固定電極所組成的差動電容之電容量發(fā)生變化，此電容變化量由電容/電流傳換電路轉換成電流信號Ia，Ib和調零與零遷電路產(chǎn)生的調零信號Iz的代數(shù)和同反饋電路產(chǎn)生的反饋信號If進行比較，其差值送入放大器，經(jīng)放大得到整機的輸出信號IO。由于反饋電路和調零與零遷電路僅由幾個電阻和電位器構成，因此可把它們與放大器合為一個整體，即變送器可劃分為兩部分：測量部分和放大部分。263.2電容式差壓（壓力）變送器：檢測元件：電容式壓力傳感器。目前使用最廣泛的變送器（如：1151系列、ST3000系列）主要生產(chǎn)廠家：羅斯蒙特（Rosmount）、霍尼韋爾Honeywell）及合資廠家。檢測電容C/I電流放大零點調整、遷移反饋P、PIO測量部分放大部分工作原理！?。?！27測量部分電容壓力傳感器：若不考慮邊緣電場影響，中心感壓膜片與其兩邊弧形電極構成的電容Ci1和Ci2可近似地看成是平板電容器，其電容量可分別表示為S0S0

Ci1=

S0+

Ci2=

S0-

=

S0=KCi1-

Ci2Ci1+

Ci2差動電容相對變化值結論P10128差動電容的相對變化值與被測差壓△P成線性關系，因此把這一相對變化值作為測量部分的輸出信號；

與灌充液的介電常數(shù)ε無關，這樣從原理上消除了灌充液介電常數(shù)的變化給測量帶來的誤差。29電容/電流轉換電路的作用是將差動電容的相對變化值成比例地轉換為差動信號Id，并實現(xiàn)非線性補償功能。。它由振蕩器、解調器、振蕩控制放大電路和線性調整電路等部分組成。

電容式壓力傳感器的Ci1和Ci2由振蕩器供電，因此，兩個電容的電容量變化，被轉換為電流變化，其中流過Ci1的電流為i1，流過Ci2的電流為i2。經(jīng)解調器相敏整流后輸出兩組信號，一組（i2-i1）為差動信號Id，另一組（i2+i1）為共模信號Ic。差動信號Id經(jīng)電流放大電路放大成4~20mADC的輸出電流I0；共模信號Ic作為振蕩控制放大電路的輸入信號，以控制振蕩器的供電電壓，使得i1+i2保持不變，從而保證Id與輸入差壓△P成比例關系。原理圖30電容/電流轉換非線性化31正半周當振蕩器輸出為正半周時（T1同相端為正時），VD2、VD6及VD2，VD7導通，而VD1，CD5及CD4，CD8截止。繞組2-11產(chǎn)生的電流i2的路線為繞組3-10產(chǎn)生的電流的路線為32電容/電流轉換非線性化33當振蕩器輸出為負半周時（T1同相端為負時），VD1、VD5及VD4，VD8導通，而VD2，VD6及VD3，VD7截止。繞組2-11產(chǎn)生的電流i1的路線為

從圖3-34中可以看出，繞組2-11在振蕩器正、負半周中產(chǎn)生的電流i1和i2以相反的方向流過C11，兩者平均值之差I2-I1即為解調器輸出的差動信號Id，作為一下級電流放大器的輸入信號。繞組3-10和1-12產(chǎn)生的電流i1和i2流過R6//R8和R9//R7產(chǎn)生的電壓，對運算放大器A1輸出端說，極性相同，兩者平均值之和I2+I1即為解調器輸出的共模信號Ic。為了求得差動信號I2-I1與差動電容相對變化值的關系，先要確定i1.i2的大小。因為電路時間常數(shù)比振蕩周期小得多，可以認為C11C12兩端電壓的變化等于振蕩器輸出高頻電壓的峰-峰值Upp，因此可求得i1和i2的平均值I1，I2如下繞組1-12產(chǎn)生的電流i2的路線為34

式中:T——振蕩器輸出高頻電壓的周期；f——振蕩器輸出高頻電壓的頻率。因此，差動電容的平均值之差Id及兩者之和Ic分別為35電容/電流轉換非線性化36振蕩控制放大器：振蕩控制放大器的作用，是使流過VD1，VD5和VD3，VD7的電流之和I2+I1即Ic等于常數(shù)。在不考慮線性調整電路作用時，A1的輸出端接受兩個電壓信號：一個是基準電壓U02在R9和R8上的壓降，設為Ud1,另一個是分流后在R9和R8上產(chǎn)生的壓降，即共模信號Ic產(chǎn)生的壓降，設為Ud20和以它們的平均值表示：37

由于R6=R9，R7=R8，故上式可寫成如把A1看作理想運算放大器，即Ud=Ud1+Ud2=038

上式中R6，R8，R9和U02均恒定不變，因此I2+I1也恒定不變，即Ic為常數(shù)。振蕩控制放大器維持Ic不變的過程可以定性分析如下：假設振蕩器輸出電壓增加使I2+I1增加?？芍?，A1的輸入信號Ud2增加，即Ud增加，使A1的輸出U01減?。║01是以A1電源正極為基準），從而使得振蕩器振蕩幅度減小，變壓器T1輸出電壓減小，直至使I2+I1恢復到原來的數(shù)值。顯然，這是一個負反饋的自動調節(jié)過程，振蕩器和調制器一部分電路構成了A1的深度負反饋電路，其目的是維持I2+I1保持不變。39放大、反饋部分4041

測量部分輸出的差動信號Id對C11充電，使得B與基準地（A3電源正極）之間的電壓Ub增加，從而A3的輸出電壓U03增大，即VT3的基極電壓增加，其集電極電流Ic3也就是VT4的基極電流Ic4增加，VT4的發(fā)射極電流Ic4增大，VT4即為變送器輸出電流I0。I0經(jīng)反饋電路產(chǎn)生的反饋電流如果也增加。如果經(jīng)R34對C11反向充電，使Ub減小。在如果=Id，即C11的正、反向充電電源相等時，U8一定，相應的輸出電流I0也一定，這時，I0與Id成比例關系。可以求得反饋電流如果與I0的關系為42

上式表明：①在量程一定時，Kf與Km為常數(shù)，即變送器的輸出電流I0和輸入信號△P之間呈線性關系，其基本誤差一般為±0.2%，變差為±0.1%；②通過調整電位器W3改變反饋系數(shù)Kf的大小，可以調整變送器的量程。4344（2）零點調整與零點遷移電路零點調整與零點遷移電路分別用以調整變送器的輸出零位和實現(xiàn)變送器的零點遷移。電阻R36，R37和電位器W2構成零點調整電路，W2為調零電位器。由圖可以看出，若調整W2使得UA大于UB，則產(chǎn)生的調零電流IZ對C11進行充電，其方向與差動信號Id相同，因而使得變送器的輸出電流I0在電子器件工作電流（通常為2.7mA左右）基礎上增大。在輸入差壓△P=0時，調整電位器W2，即改變UA的大小，可以使得變送器的輸出零點電流為4MA。值得指出的是，調整W2改變變送器零點電流時，對變送器的滿度值會有影響；而調整電位器W3改變變送器的量程時，對變送器的零點電流也會有影響。因此，在儀表調校時，應反復調整零點和滿度。45

電阻R20，R21和開關S1構成零點遷移電路，S1為零點遷移開關。零點遷移電路的作用與調零電路相類似，把S1接通R20或R21，相當于UA產(chǎn)生了很大變化（相當于UA=0或UA=UD，這時以R20或R21代替R36），因而使變送器的零位電流產(chǎn)生了很大的變化，即實現(xiàn)了變送器的零點遷移。接通R20時，零位電流減小，從而可實現(xiàn)正遷移；當接通R21時，零位電流增加，可實現(xiàn)負遷移。

46（3）輸出限幅電路輸出限幅電路用于限制變送器輸出電流I0的最大數(shù)值不超過30mA。它由晶體管VT2、電阻R18和和二極管VD12組成。當輸出電流I0增大時，R18上的壓降也增大，由于穩(wěn)壓管VZ1的電壓恒定，因此VT2的集電極與發(fā)射極之間電壓Uce2減不。在Uce2減小到等于VT2的飽和壓降Uces時，IO達到最大值，不能再增加。由此可估算出I0最大值為式中，UD1——穩(wěn)壓管VZ1的穩(wěn)壓值；UD12——二極管VD12的正向導能電壓；Ub12——晶體管VT2的發(fā)射極正向壓防；Uces——晶體管VT2的飽和壓降；Iw——變送器電子器件的工作電流，IW≈2.7mA。4748

（4）阻尼電路阻尼電路用于抑制變送器輸出電流因輸入差壓快速變化所引起的波動，它由R38，R39，C22和W4構成，W4為阻尼時間調整電位器。阻尼時間等于阻尼電路的時間常數(shù)，因此改變阻尼時間調整電位器W4，可以調整阻尼時間的大小，其范圍為0.2~1.67s(灌充液為硅油)。

電阻R26~R28用于變送器的零點溫度補償，其中R26為具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻。電阻R1，R2，R4，R5用于量程溫度補償，其中R2為負溫度系數(shù)的熱敏電阻。二極管VD11用于在變送器輸出指示表未接通時，為輸出電流提供通路。VZ2除起穩(wěn)壓作用外，還在電源接反時，提供電流通路，以免損壞電子器件。電容C17用于電容耦合按地。由于是通過電容耦合按地，因此在用兆歐表檢查變送器接線端子對地的絕緣電阻時，其輸出電壓不宜超過100V。493.3溫度變送器：溫度變送器與測溫元件配合使用,將溫度或溫差信號轉換成為統(tǒng)一標準信號或數(shù)字信號,以實現(xiàn)對溫度參數(shù)顯示、記錄、自動控制。溫度變送器也可作為直流毫伏變送器和電阻變送器，實現(xiàn)對直流毫伏信號和電阻信號的測量。50典型模擬式溫度變送器:檢測元件輸入電路放大零點調整、遷移反饋TIIO測量部分放大部分51DDZ-Ⅲ型溫度變送器:DDZ－Ⅲ型溫度變送器有帶非線性補償電路與不帶非線性補償電路的熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器以及直流毫伏變送器等多個品種，各品種的原理和結構大致相仿。DDZ-Ⅲ型溫度變送器可分為熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器、直流毫伏變送器。它們分別將直流毫伏信號、熱電偶毫伏信號、熱電阻電阻信號轉換為4--20mADC的輸出信號。DDZ-Ⅲ型溫度變送器屬安全火花型防爆儀表采用四線制連接方式。電路中增加了DC/AC/DC電路。52

三種變送器都分為量程單元和放大單元兩個部分，它們分別設置在兩塊印刷線路板上，用接插件互相連接。其中放大單元是通用的；而量程單元則隨品種、測量范圍的不同而異。53零點調整穩(wěn)壓源放大單元非線性校正熱點偶（b）熱電偶溫度變送器零點調整穩(wěn)壓源放大單元量程單元線性化器熱點阻量程單元反饋（c）熱點阻溫度變送器比較三種變送器的構成方框圖可以看出，熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器是在直流毫伏變送器的基礎上，分別增加了相應的補償電路而構成的。因此，下面著重分析直流毫伏變送器，而對另外兩種變送器僅分析其所增加的補償電路。54

(1)直流毫伏變送器

直流毫伏變送器用于把直流毫伏信號Ei轉換成4-20mADC電流信號。由檢測元件送來的直流毫伏信號Ei和調零與零遷移電路產(chǎn)生的調零信號Ez的代數(shù)和同反饋電路產(chǎn)生的反饋信號Uf進行比較，其差值送入電壓放大器進行電壓放大，再經(jīng)功率放大器和隔離輸出電路轉換得到整機的4-20mADC輸出信號IO。55直流毫伏變送器線路原理圖56量程單元5758功率放大及隔離輸出59DC/AC電源60tRtRtUt先看看溫度與熱電偶輸出、熱電阻輸出的關系61

熱電偶溫度變送器量程單元2、熱電偶溫度變送器62熱電偶溫度變送器：與熱電偶配合使用，將T變換成4--20mADC輸出信號；電路的兩點修改：

（1）、增加銅電阻RCU1、RCU2等元件組成熱電偶冷端補償