slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
变送器 PowerPoint Presentation
Download Presentation
变送器

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 65

变送器 - PowerPoint PPT Presentation


  • 155 Views
  • Uploaded on

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.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

变送器


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

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

slide2

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

slide3
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

slide4
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

slide5
输入输出关系

z0

+

x

zi

+

y

Ki

Ko

zf

Kf

当满足KoKf>>1的条件时

RETURN

slide6

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

slide7
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

slide8
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

3 1 2
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

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

slide11
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

3 1 2 2

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

3 1 2 21

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

3 1 2 3
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

slide15

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

3 1 2 4
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

slide17

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

slide18

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:

slide19
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

slide20
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

slide21

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

slide22

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

slide23

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。

slide24

第一

第二

逻辑环

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

slide25

第一

第二

逻辑环

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。

slide26
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

slide27
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

slide28

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

slide29

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。

slide30

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

slide31

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

conclusion
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

ad421
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

slide34

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。

slide35

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

slide36

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?

slide37

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?

slide38

作业:

“控制仪表与计算机控制装置”书中

P135 3-4题、 3-6题

slide39
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
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

ddz iii

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

slide42

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

slide43
(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

slide44

F1

l2

H

l1

Fi

①主杠杆

将Fi转换为F1

F1作用于矢量机构上

slide45

(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

slide46
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

slide47
(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

slide48

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

slide50

Io mA

20

4

ΔP

ΔPmin

ΔPmax

slide51

Io mA

20

4

ΔP

ΔPmin

ΔPmax

1.变送器的输出电流I0和输入信号ΔP之间呈线性关系

2.调整调零弹簧可以使变送器输出电流I0在输入信号范围下限时为4mA 。

3.改变tgθ或Kf可以调整变送器的量程

4.零点和量程要反复调整

回放

3 2 2
3.2.2. 电容式差压变送器

电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件

主要包括测量部件和转换放大电路两部分:

调零、零

迁电路

Iz

Io

Ii

Δp

差压电容膜盒

电容-电流转换电路

电流放大器

ΔC

If

反馈电路

测量部分

转换放大部分

slide53
(2) 电容式差压变送器测量原理

——差动电容测量原理

ΔP=0

Ci1=Ci2=15pF

ΔP>0

Ci1的电容量减小

Ci2的电容量增大

slide54

ΔP=0

S1=S2=S0

ΔP≠0

S1=S0+δ S2=S0-δ

slide55

相对变化值 与被测差压ΔP成线性关系,

且与灌充液的介电常数无关

slide57

负反馈

差动电容

If

( │ )

限流

Id

IC3

振荡器

解调器

功放

Iz

E

线性调整

稳压源

Vc

Io

调零

零迁

IC1

Vr

RL

基准电压

框图
slide58
振荡器–如何振荡?

振荡器为变压器反馈振荡器

LC串联谐振

U01为运算放大器Ai的输出电压,作为振荡器的供电电压,因此U01的大小可控制振荡器的输出幅度。

向电容式压力传感器的Ci1和Ci2提供高频电源

振荡器的等效电路(仅包括3组中的1组)

slide59
电容一电流转换电路

将差动电容的

相对变化值成比

例地转换为差动

信号 Id,非线性

补偿功能

差动信号Id=(i2-i1)

共模信号Ic=(i2+i1)

当共模信号Ic保持不变时,Id与输入差压ΔP之间成比例关系

然后,把差动信号Id经电流放大电路放大成4~20mA的输出电流I0;

slide60
解调器

对通过差动电容Ci1、Ci2 的高频电流进行半波整流

1.振荡器输出为正半周时(同名端为正)

(1)电流i2的路线为 :

T1(2)→VD6、VD6→C2→Ci2→C17→C11→T1(11)

(2)电流i1的路线为:

T1(3)→R4→VD7、VD3→C1→Ci1→C17→R6∥R8→T1 (10)

i1不流经C11,但会引起Ci1上的电压变化

slide61
解调器

2.振荡器输出为负半周时(同名端为负)

(1)电流i2的路线为 :

T1(12)→R7∥R9→C17→Ci2→C2→VD1VD5→R3→T1(1)

i1不流经C11,但会引起Ci2上的电压变化

(2)电流i1的路线为:

T1(11)→ C11 →C17→Ci1→C1→VD4、VD8→T1(2)

slide62
解调器

(1)i2、i1以相反的方向流过C11,

(2)正半周,i2经C11向Ci2充电,电容上的电压变化为UPP

(3)负半周,i1经C11向Ci1充电,电容上的电压变化为UPP

如果电路时间常数比振荡周期小得多,可以认为Ci1、Ci2两端电压的变化等于振荡器输出高频电压的峰一峰值UPP

i1和i2 的平均值I1、I2如下:

两者平均值之差I2-I1即为解调器输出的差动信号Id

i1、i2流过R6∥R8和R9∥R7产生的电压两者平均值之和I2+I1即为解调器输出的共模信号Ic。

slide63
解调器

i1、i2的平均值之差Id及两者之和Ic分别为:

上式成立的前提:Ic为常数。

slide64
振荡控制放大器
  • 保证I2+I1即IC等于常数。

A1的输入端接受两个电压信号:

一个是基准U02在R9和R8上的压降

另一个是i2、i1分流后在R9和R8上产生的压降

正常工作时运放输入端的电压:

只要满足U02恒定,Ic即恒定

slide65
振荡控制放大器
  • 定性分析如下:

I2+I1↑ →

→Ud↑

→U01↓

→振荡器振荡幅度↓

→变压器T1输出电压减小↓

→使I2+I1 ↓恢复到原来的数值 I2+I1