智能型pH变送器

智能型pH变送器（精选四篇）

智能型pH变送器 篇1

压力变送器作为工业过程检测和控制的基础仪器使用广泛, 其发展总趋势是数字化、智能化、高精度、高适应性和高安全性。目前数字智能式变送器正在主导压力变送器的发展方向, 然而由于模拟现场仪表的大量使用, 受原投资保值的限制, 从传统的压力变送器到全数字智能压力变送器的更新还需要很长一段时间[1]。为解决这一问题, 本设计将引进HART协议, 在不改变原有设施的基础上, 实现模拟信号和数字信号兼容通信。

2 HART协议的简介

HART (Highway Addressable Remote Transducer) 协议即可寻址远程传感器高速通道开放通信协议, 是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART协议采用半双工通讯, 参考“ISO/OSI”的模型标准, 简化并应用其中三层即:物理层, 数据链路层和应用层, 它能在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信, 实现模拟信号和数字信号兼容[2]。

第一层:物理层。这层规定了信号的传输方法和传输介质。HART协议采用BELL202标准的频移键控技术FSK, 即在4~20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波, 数字信号的传送波特率设定为1200bps, 1200Hz代表逻辑“1”, 2200Hz代表逻辑“0”。由于FSK信号的平均值为0, 所以数字通信信号不会干扰4~20mA的模拟信号, 保证了与现有模拟系统的兼容性。

HART信号叠加原理如图1所示。

通信介质的选择以传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时, 最大传输距离可达到1.5Km。

第二层:数据链路层。规定了HART帧的格式, 实现建立、维护、终结链路通讯的功能。HART协议根据冗余检错码信息, 采用自动重复请求发送机制, 消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错, 实现通讯数据无差错传送。

第三层:应用层。为HART命令集, 用于实现HART指令。命令分为三类, 即通用命令、普通命令和专用命令。

3 系统硬件设计

变送器的硬件部分主要由以下几部分组成:传感器模块、AD模块、MCU模块、通信模块、键盘和显示模块。传感器采集的压力信号通过AD模块、MCU模块、通信模块进行处理后, 输送到HART总线上或通过显示模块显示。变送器的总体构成如图2所示。

本设计采用片上静电!电容"型传感器, 当有两压力作用于传感器的两侧时, 传感器内部电容将随压力的大小而变化, 通过测量电容变化便可知道压力的大小。

传感器电容变化信号通过震荡电路, 转化为与压力有关的电信号, 该信号通过放大, 调整后送入模数转换器。本设计的模数转换芯片采用AD7799。它是美国AD公司生产的三通道、低功耗、低噪声、高精度模数转换芯片。该芯片具有自动校准、系统校准和背景校准功能, 可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响[3]。

本设计MCU微处理器采用MSP430F149高性能单片机, MSP430是TI公司生产的超低功耗16位FLASH单片机。AD7799输出的数字信号输入MSP430F149后, 进行非线性化补偿和温度补偿, 再通过HART通信模块输出到HART总线回路上。

本设计HART通信模块主要由D/A转换电路和Bell202 MODEM及其附属电路来实现。其中, DA转换采用ADI公司推出的16位数字模拟变换器AD421, 16位数字信号从其data引脚以串行方式输入, 4~20mA模拟电流从其looprtn引脚输出。采用两线路供电, AD421片内有电源调整器。电源调整器可提供+5V、+3.3V或+3V输出电压, 还含有+1.25V、+2.5V基准电源, 均可为其自身或其它电路选用。本设计中AD421通过LATCH、CLOCK和DATA与MCU进行串口通信[4]。

HT20C15是美国SMAR公司生产的一款HART专用调制解调器, 传送速率1200bps, 采用半双工工作方式。HT20C15与MCU交换数字信号, 同时作为AD421的模拟信号接口。当从4~20mA环路上接收信号时, 经过带通滤波、放大整形后提取出FSK信号并解调为数字信号, 将1200Hz的信号解调为“1”, 将2200Hz的信号解调为“0”, 传送给MCU;发送时, 从MCU接收数据, 进行调制和波形整形后耦合到AD421内部, 将“1”调制为1200Hz, 将“0”调制为2200Hz, 通过AD421叠加到环路上。

显示模块的实现:为满足低功耗的要求, 采用了点阵式液晶模块。在MSP430的控制下, 配合按键输出相应的信息。

4 智能变送器的软件设计

变送器的软件系统结构分三个部份:主程序、测控程序和通信程序。其中主程序是核心部分, 因为整个系统是在主程序的控制下工作的, 它直接影响系统的工作和运行, 基本组成如图3所示。

主程序是整个仪器软件的核心, 上电复位后仪器首先进入主程序, 主程序包括对系统中可编程器件输入输出口参数、定时器、异步串行通信口的初始化工作, 以及实时中断和处理模块等功能。

测控程序主要是采集温度/压力的A/D信号, 在进行非线性和温度补偿后输出到HART总线上。

通信程序是HART协议数据链路层和应用层的软件实现, 包括通讯接收和通讯发送。

5 结语

本文设计的基于HART协议的智能压力变送器可单机使用, 也可与工业PC、HART手操器一起构成HART网络, 具有通信功能, 可实现远程实时监控。该变送器具有功耗低、兼容性好、实时性较强、可靠性高、成本较低等优点。

参考文献

[1]范宽琳.我国压力变送器的产品现状和出路.自动化与仪表, 2007.

[2]Smart International Corp.HART技术指南.

[3]刘焕成.基于HART协议的智能变送器设计.单片机与嵌入式系统应用.2001 (6) .

基于HART协议的智能变送器设计 篇2

摘要：从HART协议智能变磅器的功能和协议要求出发，在详细讨论、分析HART协议智能变送器的设计重点、难点和技术关键的基础上，设计完整的HART协议智能压力/差压变送器的实用电路。它可以实现HART协议智能变送器的基本功能。

关键词：HART协议智能变送器现场总线数字数据通信

概述

现场总线技术是当前自动检测技术的热点之一。从现场总线技术形成来看，它是控制、计算机、通信、网络等技术发展的必然结果;而智能仪表则为现场总线的出现和应用奠定了基础。自1983年Honeywell推出智能仪表--Smar变送器之后，世界各厂家都相继推出各有特色的智能仪表。为解决开放性资源的共享问题，从用户到厂商都强烈要求形成统一标准，促进现场总线技术的形成。目前，几种有影响的现场总线技术有：基金会现场总线、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除HART外，均为全数字化现场总线协议。

全数字化意味着将取消传统的模拟信号的传送方式，而要求每一个现场设备都具有智能及数字通信能力，使得操作人员或其他设备(传感器、执行器等)向现场发送指令(如设定值、量程、报警值等)，同时也能实时地得到现场设备各方面的情况(如测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、自诊断情况、报警信息、故障数据等)。此外，原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上，大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术关键之处在于系统的开放性，强调对标准的共识与遵从，打破了传统生产厂家各自独立标准的局面，保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中，并且可以通过网关与其他系统共享资源。

目前，一方面现场总线标准正处在完善和发展阶段，另一方面传统的基于4～20mA的模拟设备还在广泛应用于工业控制信各个领域。因此，马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡，HART协议应运而生。HART采用频移键控(FSK)技术。它基于Bell202通信标准，在4～20mA模拟信号上叠加不同的频率信号(2200Hz表示”0“，1200Hz表示”1“)来传送数字信号(见图3)。HART协议的数据传输速率为1200bps(位/秒)。HART现场总线(简称HF)系统采用主从工作方式：主机为1台IBM-PC机;从机为1台或多台遵守HART协议的HF智能变送器。当从机只有1台HF智能变送器，即智能变送器工作在点-点方式下时，可继续使用传统的4～20mA信号进行模拟传输，而测量、调整和测试数据用数字方式传输;当从机为多台HF智能变送器时，即智能变送器工作在多站方式下时，4～20mA信号作废，每台变送器工作电流为4mA左右。所有测量，调整和测试数据均用数字方式传输。由于每台HF变送器有惟一的编号，所以主机能对每一台变送器进行操作。HART提供设备描述语言(DDL)，以确保互操作性。应该指出，HART被认为是事实上的工业标准，但它本身并不算现场总线(模拟和数字的混合)，只能说是现场总线的雏形，是一种过渡协议。由于4～20mA模拟信号标准将在今后相当长的时间内存在，所以研究HART协议仍具有重要意义。

本文讨论基于HART协议智能变送器的硬件实现的技术问题。一是要解决微功耗的问题，二是要讨论实现HART协议智能变送器通信功能的有效方法。

一、功耗要求

为实现智能变送器的基本功能，如线性化处理、温度补偿、自动零点和量程调整及数字通信等，以下关键器件如微控制器、A/D、D/A、通信芯片及传感器等是所必需的。图1是HART协议智能变送器的原理框图。传感器模拟量信号经A/D转换成数字量后送入单片机，单片机将处理后的数字量通过D/A转换器，经V/I转换电路输出4～20mA标准电流信号。在数字通信时，微处理器通过通信接口芯片及耦合电路，以4～20mA电流环路为介质传送和接收数据。

图1中的存储器(memory)，用来存储传感器的特性参数、现场命令、现场状态等工作参数。

图2是图1中通信系统的详细方框图。中心是Bell202通信标准的HART调制解调器，并在信号的输出端和输入端分别加1个波形整形和带通滤波器，用以加强通信的可靠性。

1.功耗要求

为兼容4～20mA现行标准，HART协议智能变送器必须可工作在4～20mA两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4mA。在实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，通常将数据频率信号通过V/I转换电路的调整管，转换为幅度为±0.5mA的频率信号，叠加在两线的.4～20mA电流环上(2200Hz表示”0“，1200Hz表示”1“)，如图3所示。由于对特性，此信号的平均值为0，因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值I=4.5mA，最小值I=3.5mA，如果向变送器供电过多，超过3.5mA，将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量，要求对变送器供电电流一般不要超过3.4mA为好。

2.供电方式

给变送器系统供电主要有两种方式：一是直接将输入电压稳压成所需电压(5V或3.3V)后向系统供电，这种方法总电流必须控制在4mA以内，二是采用DC-DC供电方式，只要DC-DC变换器的效率足够高，在功耗控制上它比第1种方法要宽松得多，但同时还需要考虑变换器的线性稳定性因素可能带来的负面影响。由于目前微功耗、高性价比的集成电路出现，采用方法一的优越性更多，因为在供电方式上，2种方法都有需考虑对供电电压的适应问题。一般工业现场多为DC24V，也有DC36V供电的。一般要求变送器能在DC12～42V供电电压下稳定、可靠地工作，这一方面直接供电方式要比DC-DC变换方式灵活得多。

二、通信系统

1.通信芯片

SMAR公司生产的HT为贝尔202标准的单片机CMOS微功耗FSK调制解调器。它是为设计过程控制仪器检测和其他的低功率装备中提供HART通信功能的专用芯片。

HT2012由4个主要功能模块组成：时钟频率、解调器、调制器、载波检测。

HT20l2需要460.8kHz外时钟输入，3～5V供电，低功耗(典型值40μA)[5]。

HT2012调制解调器的半双工的。当一个运转时，调制器和解调器中的另一个会被停止。工作在Bell202标准，发送、传送和接收调制位速率1200bps。

HT2012使用1200Hz(”1“)和2200Hz(”0“)Bell202信号频率，CMOS、TTL兼容。

TH2012具有载波检测输出端OCD，低电平有效，表示对方通信芯片准备进行载波发送，改进了通信的实时性和灵活性。另外，19.2kHz时钟信号输出，也为应用提供了方便。

2.D/A及V/I转换器

为将数字频率信号转换为±0.5mA的频率信号，叠加在两线的4～20mA电流环上，还需要附加耦合电路，这样必然会造成更多的功耗开销。而美国A/D公司的产品AD421[2]，是专为HART协议智能仪表设计的，包括4～20mA电流环的16位D/A转换器。它与HART协议兼容，其开关电流源和滤波器功能块，可HART电压信号向±0.5mA电流信号的转换，为应用带来方便。

AD421基本性能：(1)4～20mA输出;(2)HART兼容，能用于标准HARTFSK协议通信;(3)16位分辨率;(4)±0.01%积分的非线性;(5)3V、3.3V或5V可调节电压输出及2.5V和1.25V精度参考，用于自身和系统其他器件;(6)Vcc=5V供电时，750μA最大静态电流，典型值为575μA;(7)可编程报警电流功能，允许变送器发出电流超范围警报，以表示转换器的故障;(8)灵活的高速串行接口。

AD421有2种工作方式：4～20mA输出方式和3.5～24mA报警输出方式。

三、单片机及A/D转换器

1.A/D转换器

为实现智能变送器的功能，在电路硬件设计上，需要1个增益可调的仪表放大器和1个分辨率至少在14位的A/D转换器，来实现对传感器信号的放大和模数转换。这样才能达到智能变送器的高精度、自动调节量程、大量程比的设计要求。对智能差压变送器，还需要对静压和温度进行采样，从而实现对静压和温度的补偿，提高全范围的测量精度。这样，还需要1个多路转换器实现通道间的切换。如果选用分立元件，必然会有相当大的功耗引入，难以满足HART协议智能变送器功耗要求。某些大公司为兼容4～20mA的智能变送器设计了专用A/D转换器，如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714。其共同点是将增益可调的仪表放大器、多路转换器和A/D转换器集成在1个芯片中，功耗在几百μA左右，为实现HART协议智能变送顺提供了方便。

MAX1400基本性能：(1)MAX1400[1]为低功耗、多通道、带SPI同步串行口的∑/ΔA/D转换器;(2)18位分辨率;(3)3个全差分或5个准差分信号输入通道;(4)可编程PGA，选定增益分别为(1，2，4，8，16，32，64或128);(5)AIN1～AIN6可组成3个全差分输入通道，也可以组合成5个准差输入通道;(6)2个额外的全差分系统校正通道CALOFF和CALGAIN用来作为失调和增益误差的校正;(7)MAX1400内的2个漂移补偿缓冲器，用于隔离所选输入和PGA及调制器的电容性负载的联系。当V+为5V供电时，MAX1400的参考输入为2.5V，模拟输入的变化范围为-Vimax～+Vimax。Vimax=5÷(2×GAIN)。

2.单片机

为实现高性能、微功耗的智能变送器控制电路，单片机选用PIC16C73[7]。它具有功耗低、运行速度快、功耗强等特点。采用长字节指令，所有指令均为单字长，除跳转为双周期指令均为单周期(4个时钟周期)指令。内含看门狗、8级硬件堆栈、192×8RAM、32上定时器、2个捕捉器、5路8位A/D转换器、SPI/I2共用的同步串行

口、1个异步发送/接收串口USART、多种中断功能，包括B口RB4～RB7输入电平变化中断。

四、基于HART协议智能压力/差压变送器的设计

图4为HART协议智能压力/差压变送器的电路原理图。电路所用集成电路为上面所提及的，其特点为：集成度高、性/价比好、功耗低、功能强。片间的数据通信采用MOTOROLA公司推出的同步串行外围接口SPI(SerialPeripheralInterface)，同优点是占用MCU资源小，可根据系统的大小随着扩充。在实际应用中，单片机可方便地与带SPI接口的集成电路芯片如A/D、D/A、数据存储器等连接。由于单片机PIC16C73带有SPI串行总线硬件接口，使数据通信速度更高，使用更灵活。

1.电路说明

A/D转换器MAX1400的2个全差分通道AIN1、AIN2和AIN3、AIN4分别对差压传感器TRS1、静压传感器TRS2进行厝数转换。AIN5和AIN6组成准差分输入通道对TRS1的恒流输入进行监测。传感器均为半导体压阻传感器，压阻传感器的特点是它的每个桥臂电阻都比较大，一般为2kΩ，以下均假设它们的桥臂电阻值为2kΩ。采用恒流供电，可以进一步减小传感器的非线性和温度对传感器输出灵敏度的影响。实验得知，压力和差压传感器的等效电阻值在全温度范围内(0～70℃)的变化量是全量程内压力或差压所引起的等效电阻值变化的100倍左右，因此，AIN5所测得的A/D值可以对整个变送器进行温度补偿。为提高变送器的测量精度，须对静压给差压带来的误差进行补偿，所以电路中设计了全差分通道AIN3、AIN4对静压传感器TRS2进行监测，从而可实现对静压的补偿。

HART通信模块由HT2012和波形整形电路及带通滤波器组成。整形电阻由74HC126(4个三态输出缓冲器)组成，并能通过2个750Ω电阻及2.2μF的耦合电容，将整形后的HT2012发出的电压信号输入到AD421的开关电流源和滤波器功能块中，可实现HART电压信号由±0.5mA电流信号的转换。带通滤波器由图4中细线框中的2个运算放大器及电阻、电容组成。它将4～20mA环路上的±0.5mAHART电流信号转换为HART电压信号，经HT2012解调，再送入单片机串行通信接口中，从而完成数据的接收任务。

AD421除完成4～20mA电流信号输出及HART通信外，还为系统提供电源及参考电压。它的2.5V参考电压供自己和MAX1400使用。

数据存储器选用24LC65，为8KB的串行E2PROM，供电电压2.5～5.5V，功耗：读电流150μA;写电流3mA(5V供电)。用来存放传感器特性参数及现场组态命令、工作参数、通信数据。

HT2012的19.2kHz信号，送入PIC16C73的计数器输入端，用于检测HT2012的工作情况。

HT2012的OCD信号，送入PIC16C73的RB7端。RB7设为中断方式，用于检测通信状态。

2.功耗及电流分配

AD421由4～20mA环路主电源供电，转换的5V电源为自己和24LC65及MAX1400的模拟电路部分供电，设计时须留下功耗余量。AD421工作电流为600μA，24LC65读电流为10μA，MAX1400的模拟电路工作电流不超过100μA，而变送器功耗设计为3.4mA，剩下2.5mA电流供电路其他器件使用。具体分配如下：传感器由恒流二极管3CRC供电0.5mA，剩下2.0mA电流由另一支3CRC恒流后供电路的其他部分使用。这样可避免由于器件在动态和静态工作时功耗的不同而引起4～20mA信号的变化(尽管实验证明这个变化是很小的)。

3CRC恒流原理是：其内部提供一稳定的1.24V从两管脚引出，在这两管脚上接1个电阻即可中输出恒流。计算公式为：I(mA)=1.24/R(kΩ)。只要保证3CRC的工作电压略大于1.24V即可正常工作。

稳压管选用ZRC330。它的稳压值为3.3V，最小工作电流为20μA，最大吸收电流达5mA，温度系数50ppm是比较理想的器件。MAX1400的工作电流值小于150μA(3.3V供电)，HT2012的功耗电流40μA，带通滤波器选用运放TLC27L2C，最大功耗电流仅为48μA。整形电路的74HC126工作于低频下最大电流500μA左右，剩下1.25mA电流供单片机消耗。

单片机PIC16C73的功耗在4MHz时钟、Vdd=3V时，为2.0mA;而在4MHz和20MHz时钟、VDD=5V下工作时，电流值分别为2.7mA和13.5mA。可见适当降低单片机工作频率可使其功耗大幅度下降。由于PIC16C73除跳转指令外，均为单字节指令，指令周期仅为4个时钟周期同，其运行速度比其他类型的单片机快，适当降低工作频率其运行速度仍远远满足变送器实时要求。本设计单片机采用1MHz工作频率，其功耗的实验数据小于1mA。

HT2012工作主时钟为特殊的460.8kHz，需要特或向SMAR公司索取。本电路采用1片PIC16C58A[7]单片机，外接1.8432MHz晶振，经单片机4分频后，正好输出460.8kHz的时钟，直接供HT2012使用。PIC16C58A单片机是PIC系列单片机中的低挡产品，功耗与PIC16C73相当。由于电路由增加了1片单片机，整个电路的功耗将超出允许范围。为保证功耗要求，电路设计采用能量分时复用的方法：程序通过V1、V2、V3实现传感器和PIC16C58A的分时复用，即变送器在做A/D转换时，系统给传感器供电，当需要检测通信有无或主动进行通信时，单片机将给传感器的0.5mA关断，而将电流并入3.3V工作电源上，同时启动PIC16C58A。PIC16C58A的功耗指标为32kHz时钟，VDD=3V时典型值小于15μA。由于对PIC16C58A的某一I/O口(如RB)进行置高、置低操作，所以不怕程序”跑飞“，因此不需PIC16C58A片内的WDT功能，将它置于OFF状态，功耗大大降低。因此，PIC16C58A在1.8432MHz的时钟下工作，其功耗不会超过0.5mA。

对数据存储器24LC65的功耗：读电流150μA，没有功耗问题;而写电流3mA，一般出现在数据通信完成之后的很短时间内，只要规定在通信时4～20mA电流信号作废，即可解决功耗要求问题。24LC65一定要接在4～20mA主电源中。

从以上分析，电路功耗小于3.4mA的智能变送器，满足要求。

结束语

智能式压力变送器的应用 篇3

【摘 要】随着微处理器技术的迅猛发展及与传感器的密切结合，使传感器不仅具有传统的检测概念，而且具有存储、判断和信息处理的功能的传感器。智能传感器具有多功能、一体化、集成度高、体积小、适宜大批量输出、使用方便、性价比高等多个优点，它是传感器发展的必然趋势。

【关键词】智能式；压力检测；创新应用

0.简介

智能式变送器是由传感器和微处理器（微机）相结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等。

微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器降低了传感器的制造难度，并在很大程主上提高了传感器的性能。

压力传感器是指能够检测压力并提供远传信号的装置，能够满足自动化系统检测显示、记录和控制的要求。当压力传感器输出的电信号进一步转换成标准统一的信号时，又将它称为压力变送器。借助于半导体技术将传感器部分与信号放大调理和转换后电路、接口电路和微处理器等制作在同一块芯片上，即形成大规模接触电路的智能传感器。智能传感器具有多功能、一体化、集成度高、体积小、适宜大批量输出、使用方便、性价比高等多个优点。

1.智能式变送器的发展趋势

当今世界各国变送器的研究领域十分广泛，几乎渗透到了各个行业，但归纳起来主要有以下几个趋势：①智能化由于集成化的出现，在集成电路中可添加一些微处理器，使得变送器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。②集成化变送器已经越来越多的与其它测量用变送器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。③小型化目前市场对小型变送器的需求越来越大，这种小型变送器可以工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的保养和维护，对周围的环境影响也很小，可以放置在人体的各个重要器官中收集资料，不影响人的正常生活。如美国Entran 公司生产的量程为2～500PSI 的变送器，直径仅为1.27mm ，可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。④标准化变送器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如ISO国际质量体系；美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的ГOCT、日本的JIS 标准。⑤广泛化变送器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展，例如：汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。

2.差压变送器的工作原理

压力和差压变送器作为过程控制系统的检测变换部分，将液体、气体或蒸汽的差压（压力）、流量、液位等工艺参数转换成统一的标准信号（如DC4mA～20mA 电流），作为显示仪表、运算器和调节器的输入信号，以实现生产过程的连续检测和自动控制。

差动电容式压力变送器由测量部分和转换放大电路组成，如图1所示。

差动电容式压力变送器的测量部分常采用差动电容结构，如图2所示。中心可动极板与两侧固定极板构成两个平面型电容HC和LC。可动极板与两侧固定极板形成两个感压腔室，介质压力是通过两个腔室中的填充液作用到中心可动极板。一般采用硅油等理想液体作为填充液，被测介质大多为气体或液体。隔离膜片的作用既传递压力，又避免电容极板受损。

当正负压力（差压）由正负压导压口加到膜盒两边的隔离膜片上时，通过腔室内硅油液体传递到中心测量膜片上，中心感压膜片产生位移，使可动极板和左右两个极板之间的间距不相对，形成差动电容，若不考虑边缘电场影响，该差动电容可看作平板电容。差动电容的相对变化值与被测压力成正比，与填充液的介电常数无关，从原理上消除了介电常数的变化给测量带来的误差。

3.变送器技术特性

3.1测量范围、上下限及量程

每个用于测量的变送器都有测量范围，它是该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限（LRV）和测量上限（URV），简称下限和上限。

变送器的量程可以用来表示其测量范围的大小，是其测量上限值与下限值的代数差即：量程=测量上限值-测量下限值。

3.2零点迁移和量程调整

在实际使用中，由于测量要求或测量条件的变化，需要改变变送器的零点或量程，为此可以对变送器进行零点迁移和量程调整。量程调整的目的是使变送器的输出信号的上限值ymax□与测量范围的上限值xmax□相对应。图3为变送器量程调整前后的输入输出特性。

由图可见，量程调整相当于改变变送器输入输出特性的斜率，由特性1到特性2的调整为量程增大调整。反之，由特性2到特性1的调整为量程减小调整。

3.3量程比

量程比是指变送器的最大测量范围和最小测量范围之比，这也是一个很重要的指标。变送器所使用的测量范围和操作条件是经常变化的，如果变送器的量程比大，则它的调节余地就大。可以根据工艺需要，随时更改使用范围，显然这会给使用者带来很多方便。他们可以不需更换仪表，不需拆卸和重新安装.只要把量程改变一下就可以了。对智能仪表来说，只要在手持终端上再设定一下。这样，库里的备品数量可以大为减少，计划管理等工作也会简单得多。

3.4阻尼特性

差压变送器常用来和节流装置配合测量流体流量，也可根据静压原理测量容器内的介质液位，流量、液位这两种物理参数有时很容易波动，致使记录曲线很粗很大，看不清楚，为此变送器内一般都有阻尼（滤波）装置。

阻尼特性以变送器传送时间常数来表示，传送时间常数是指输出由0升到最大值的63.2%时的时间常数。阻尼越大，则时间常数越长。

变送器的传送时间分两部分，一部分是组成仪表的各环节的时间常数，这一部分是不能调的，电动变送器大概为零点几秒；另一部分是阻尼电路的时间常数，这一部分是可以调的，从几秒到十几秒。

3.5稳定性

稳定性是变送器的又一项重要技术指标，从某种意义上讲，它比变送器的精度还重要。稳定性误差是指在规定工作条件下，输入保持恒定时，输出在规定时间内保持不变的能力。稳定性±0.1%URV/6个月表示：在6个月内，仪表的零点变化不超过测量范围上限的±0.1%。注意这里说的是测量范围上限，不是使用范围。例如某变送器的测量范围为0～2kPa至0～100kPa，如果使用在0～10kPa，那么它的稳定性就不是±0.1%，而是±1%；所以在看仪表的误差时，一定要看它对哪个范围而言。

4.结束语

自动化仪表尤其是工业自动化现场仪表的智能化、总线化、网络化的发展进程，不难看出计算机技术对现代自动化仪表（下转第120页）（上接第80页）技术的发展起到了十分积极的促进作用，计算机网络与工业局域网的融合又大大丰富和发展了现代自动控制技术。因此，现代自动化仪表的智能化技术不但改善了仪表本身的性能，还影响到了控制网络的体系结构，它不再是功能单一的固定结构，其适应性越来越强，功能也越来越丰富。针对目前国内自动化仪表行业发展所遇到的一些问题，相信在行业逐渐成熟的背景下，这些问题能逐一解决。新一代的智能化仪器仪表将在计算机网络技术支持下，在各行各业得到越来越广泛的应用。 [科]

【参考文献】

[1]第四届全国敏感文件与传感器学术会议论文集[C].1995，5.39241.

智能型pH变送器 篇4

在钢铁、石油化工、纺织等领域, 作为自动化控制的眼睛-智能变送器的可靠与否就显得尤为重要。智能式变送器一般由传感器和电子处理器组成, 它充分利用了电子处理器的运算和转换能力, 对传感器的数据进行处理, 包括对测量信号的调理、数据显示、自动校正和自动补偿等。

湖南某石化企业制氢装置选用的智能型变送器, 由于施工安装技术方案合理、施工管理科学有效, 其安装、调试均圆满成功, 为整个制氢装置的按期投运提供了条件, 现对其智能变送器安装与调试技术要点进行分析探讨。

2 智能变送器的特点分析

一般来说, 智能变送器降低了传感器的制造难度, 并在很大程度上提高了传感器的性能, 与传统变送器相比, 它具有以下特点:

⑴具有自动补偿能力, 可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。可自诊断, 通电后可对传感器进行自检, 以检查传感器各部分是否正常, 并作出判断。

⑵具有双向通信功能。电子处理器不但可以接收和处理传感器数据, 还可将信息反馈至传感器, 从而对测量过程进行调节和控制。

⑶具有数字量接口输出功能, 可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总线等连接。

智能变送器按用途可分为压力变送器、差压变送器和液位变送器。若按工作环境又可分为防爆型变送器和非防爆型变送器。防爆型变送器又可分为本安型防爆器和隔爆型防爆型变送器。智能变送器安装分为本体安装、导压管配装和配线。它安装的正确与否对变送器本身和系统的精确测量有着十分重要的意义。

3 智能变送器安装技术要点

智能变送器的安装配件有机架、U型螺栓、安装螺钉和安装支架组成。为了长期稳定地精确使用, 应避免安装在影响其使用寿命和导致精度下降的地方 (如安装在温度变化大、腐蚀性强或冲击和振动大的场所) 。

3.1 导压管配装

导压管功能是把承受的压力传送给变送器。如果导压管内的液体中含有气体或管内的气体中有残留物, 就不能进行压力的正确传送, 压力测量中就会产生误差。因此有必要实行适合管道中过程流体 (气体、液体、蒸汽) 的配管方法。过程流体是气体时取压口垂直向上或垂直方向的上方45°之内 (如图1) 。过程流体是液体时, 取压口水平方向或水平方向的下方45°。过程流体是蒸汽时, 取压口水平方向或水平方向的上方45°之内。过程流体是气体时, 导压管低于变送器, 过程流体是液体或蒸汽时, 导压管高于变送器。

导压管只能上斜或下斜, 水平部分至少应保持1/10的倾斜。使残留液体和气体不滞留在管内。

导压管配装完毕后, 为了不使过程配管的残液、残气或灰尘进入导压管, 必须关闭引压阀和装在变送器附近的截止阀和导压管的排液气阀。

3.2 配线

智能变送器电缆敷设的好环也是影响其工作精度的一个重要因素。电缆敷设防干扰信号的计算机专用屏蔽电缆 (DJYPVR) 进入桥架时应与电源电缆及其它干扰电缆隔开。穿管不得和电源电缆一同穿入。对在有害气体、液体或有油和溶剂存在的环境中, 使用耐火耐油绝缘材料的电缆。电缆中间不得有接头, 屏蔽应与总屏蔽接地可靠连接以保信号的正确无误。电缆和电缆安装位置必须符合防爆要求。防爆区域配线必须使用1/2NPT隔爆密封接头, 否则将影响变送器的精度 (图2) 。

4 智能变送器的调试

变送器在安装前必须先对它进行单体调试, 只有单体调试合格才能安装。安装完毕后应进行系统调试。

4.1 单体调试

⑴变送器的工作原理:被测压力信号P通过敏感测量元件 (玻璃管) 或真空膜盒转换成作用力F。F的作用产生力矩, 使力矩平衡转换机构产生偏移φ, 同时带动控制片产生位移δ。此位移经检测放大器检测。经过放大而转换4-20mA的直流电流信号。放大器的输出电流与输入的压力值成正比。

⑵由于智能变送器的精度高, 因此单体调试必须在模拟试验里完成, 温度控制在20℃+1℃。被调的变送器应固定在试验支架上。其垂直度应尽量与安装状况保持一致, 拆除左右两边的六只M3×4螺钉。然后按图3将变送器及测试仪表连接好, 并通电30min后再进行调整。测试仪表的精度要高于被测变送器。

4.1.1 变送器单体调试步骤

在高压侧加0kPa压力 (测压部内的压力稳定后, 才能进行以后的操作) 。此时变送器输出应为4Ma。如果输出电流大于精度, 超出范围 (如果智能变送器为0.1级, 那么它的精度误差为4.000mA+0.016mA) , 就应调节零点, 使变送器输出在变送器的控制精度之内。

零点调整可以采用两种方法:

⑴使用BT200上的单键操作, 检索“J10;ZERO ADJ”参数项, 按“ENTER”键两次。此时零点自动调至0%, 信号输出 (4mA DC) 。

⑵流器智能变送器外部调零螺钉。用一字螺丝刀调节调零螺钉。顺时针调节输出增大, 逆时针调节输出减小。调零数值精度可达到0.01%, 调零变化大小由调节速度决定。因此, 精调时应慢, 粗调可快。注意调零后, 不能立即断电, 否则零点将恢复到原值。零点调试好后, 接下来调试变送器的量程。

4.1.2 量程调试

按动测量范围设置组, 内藏指示仪显示“H SET”, 在高压侧加满量程压力, 通过BT200通讯器使指示输出为20Ma。按动测量范围设置钮变送器回到正常状态。智能变送器零点和满量程调节要重复进行, 直至符合智能变送器的精度为止。

4.1.3 精度调试

将压力分成5等份, 进行上行程和下行程精度调试。上行程调试:将输入压力分为0kPa、5kPa、10kPa、15kPa、20kPa, 然后进入输压。在接近压力值时, 要一点一点靠近压力值。把输入压力值对应的电流输出值记下, 然后再升压, 对应5kPa、10kPa、15kPa、20kPa的电流值, 一一记下。接下去将输压的电流值一一记下。对应的电流值为4mA、8mA、12mA、16mA、20mA。上行程试验做好以后, 做下行程试验。先将输入压力大于20kPa, 然后再慢慢地靠近20kPa。记下输出电流值。然后再一点一点降压对应15kPa、10kPa、5kPa、0kPa的电流值, 一一记下。对应的电流值为16mA、12mA、8mA、4mA。下行程试验结束后, 要计算变差。如果变差大于变送器的精度误差, 此变送器为线性不好。

再要重复用BT200测试智能变送器的线性度。如果用BT200不符合要求, 那么检查智能变送器有自诊断功能, 排除故障简单方便, 流程如图4。

4.2 冷态系统调试

智能变送器单体调试和安装完毕后, 进入冷态系统调试。因为智能变送器的安装位置和导压管配管的误差, 当智能变送器的零点不准确时, 这就要求将智能变送器的零点迁移至实际的零点。用BT200通讯器将智能变送器存在的差压迁移, 使之成为实际工作状态的真零点。然后用4～20mA直流电流模拟发生器将电流输送到DCS系统中, 使智能变送器的量程和DCS所显示的量程一一对应。这样一台智能变送器算真正调试完毕, 可以投表进入热态使用。

5 结语

综上所述, 在智能型变送器的单体调试和系统调试中, 对量程和精度有较高的要求, 因此应按照设备设计要求对其进行精确控制, 达到智能型变送器安装调试高质量得要求, 为系统的正常运行打下良好的基础。

参考文献

[1]袁文重, 智能型变送器的检验方法分析[J], 发电设备, 2007, 5

[2]周生良, 孙皓, 通用型高精度智能变送器的研制[J];微型机与应用, 1998, 8