壓力變送器課件

《傳感器與檢測技術項目教程》

模塊四、壓力檢測課件

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本模塊介紹“壓力”等基本概念、電容式壓力表、兩線制壓力表、智能壓力表、總線制壓力表，還介紹了陶瓷式壓力傳感器。內(nèi)容簡介今天是：15十二月2022本模塊介紹“壓力”等基本概念、電容式壓力表、兩線制壓力表、知識鏈接、壓力的基本概念項目一、電容式壓力變送器項目二、兩線制壓力變送器拓展閱讀、陶瓷式壓力傳感器模塊四、壓力檢測（下）目錄進入進入現(xiàn)在時間是：21:04進入模塊四、壓力檢測（下）目錄進入進入現(xiàn)在時間是：0項目二兩線制壓力變送器【項目教學目標】?知識目標1）熟悉壓力變送器的分類和組成。2）熟悉壓力變送器的HART通信。3）熟悉現(xiàn)場總線型變送器的原理。?技能目標1）掌握兩線制壓力變送器的接線。2）掌握智能變送器的零點遷移方法?；啬夸洭F(xiàn)在時間是：21:04項目二兩線制壓力變送器【項目教學目標】回目錄現(xiàn)在時間是：任務一、兩線制壓力變送器的應用變送器：能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘栟D(zhuǎn)換為可以被控制器接受的標準化信號的設備。主要由：傳感器、測量轉(zhuǎn)換電路、補償電路等組成。不同的物理量需要不同的傳感器和相應的變送器。用于工業(yè)控制的變送器主要有：溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、液位變送器、電流變送器、電壓變送器等。變送器具有輸入過載保護、輸出過電流保護、輸出電流長時間短路保護、輸出端口瞬態(tài)感應雷與浪涌電流TVS抑制保護、工作電源過壓極限保護、工作電源反接保護等。任務一、兩線制壓力變送器的應用變送器：能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘?022/12/156兩線制變送器（續(xù)）2022/12/116兩線制變送器（續(xù)）一、壓力變送器簡介壓力變送器是一種能將接收的氣體、液體等壓力信號轉(zhuǎn)換為可傳送的標準化輸出信號的儀器。此外，其輸出信號與壓力之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關系（通常為線性函數(shù)）。壓力變送器主要用于工業(yè)過程壓力參數(shù)的測量與控制，其中的差壓變送器也常用于液位和流量的測量。p1p2一、壓力變送器簡介壓力變送器是一種能將接收的氣體、液體等壓力壓力變送器分類①按工作原理，可分為電容式、壓阻式、諧振式、等（諧振式壓力變送器可不經(jīng)過信號處理電路，直接輸出數(shù)字脈沖信號等）；②按接線方式，可分為兩線制、三線制（一根正電源線。兩根信號線，其中一根GND）、四線制（兩根正負電源線，兩根信號線，其中一根GND）等；③按輸出方式，可分為電壓輸出、電流輸出、數(shù)字信號輸出等；④按壓力測量范圍，可分為一般壓力變送器（0.001～35MPa）和微壓力變送器（0～1.5kPa），負壓變送器（0～-100kPa）等；⑤按準確度，可分為高準確度變送器（0.1%或0.075%級）和通用變送器（0.5%級）。壓力變送器分類①按工作原理，可分為電容式、壓阻式、諧振式、等壓力（差壓）變送器的原理框圖（圖4-20）以電容式壓力（差壓）傳感器為例，兩個大小不同的被測壓力p1、p2通過導壓液傳送到電容式壓力（差壓）變送器的兩個壓力室，并作用在δ室（即感壓元件）兩側(cè)的隔離膜片上，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量與壓力之差成正比。壓力（差壓）變送器的原理框圖（圖4-20）以電容式壓力（差壓一次儀表與二次儀表壓力變送器已經(jīng)將傳感膜頭與信號處理、轉(zhuǎn)換單元組合在一個殼體中，并安裝在檢測現(xiàn)場，這種信號采集轉(zhuǎn)換裝置在工業(yè)中被稱為一次儀表，例如熱電偶、壓力變送器、流量計、液位計等。無紙記錄儀是二次儀表而接受來自一次儀表的信號，并顯示、記錄、轉(zhuǎn)換及發(fā)送該信號的裝置稱為二次儀表，例如：顯示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等。二次儀表通常安裝在儀表盤上。一次儀表與二次儀表壓力變送器已經(jīng)將傳感膜頭與信號處理、轉(zhuǎn)換單電流輸出型儀表一次儀表的輸出信號可以是電壓，也可以是電流。由于電流信號不易受干擾，且便于遠距離傳輸（可以不考慮電路壓降），所以在一次儀表中多采用電流輸出型。從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始，規(guī)定標準電流輸出型儀表的輸出為4～20mA（DDZ-Ⅱ標準為0~10mA），對應的輸出電壓為1～5V（DDZ-Ⅱ標準為0～2V）。在4～20mA信號制中，4mA對應于零輸入，20mA對應于滿度輸入。不讓信號占有0～4mA的原因：1）有利于判斷電路故障（開路）或儀表故障；2）這類一次儀表內(nèi)部均采用微電流集成電路，總的耗電還不到4mA，因此，0～4mA這一部分“本底”電流還能為一次儀表的內(nèi)部電路提供工作電流，使一次儀表成為兩線制儀表。電流輸出型儀表一次儀表的輸出信號可以是電壓，也可以是電流。由1511電流輸出型差壓變送器的原理框圖二極管VD構成外接電源極性反接保護電路。當外接電源E極性反接時，二極管VD反偏，電路的電流非常微小小，不會損壞變送器電路。1511電流輸出型差壓變送器的原理框圖二極管VD構成外接電源二、兩線制壓力（差壓）變送器簡介接線：其中一根為電源正極導線（紅色），另一根既作為電源負極引線，又作為二次儀表的信號傳輸線。在信號傳輸線的末端，通過一只精密的取樣電阻（也稱負載電阻）接到電源負極，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號二、兩線制壓力（差壓）變送器簡介接線：其中一根為電源正極導線例4-5

某兩線制電流輸出型壓力變送器的產(chǎn)品說明書注明其量程范圍為0～200kPa，對應的輸出電流為4～20mA。求：當測得輸出電流I=12mA時的被測壓力p。解因為該儀表說明書未說明線性度，可以默認輸出電流與被測壓力之間為線性關系，即I與p的數(shù)學關系為一次方程，所以有I

=a0+a1p式中a0、a1——待求常數(shù)。當p

=0時，a

0=4mA當p

=200kPa時，I=20mA，代入式（4-15）得a1=0.08mA/kPa，所以該壓力變送器的輸出/輸入方程為：I=4mA+0.08(mA/kPa)p。將I=12mA代入式（4-15）得p=(Ｉ-a0)/a1=(12mA-4mA)/(0.08mA/kPa)=100kPa。例4-5某兩線制電流輸出型壓力變送器的產(chǎn)品說明書注明其量兩線制電流輸出型壓力變送器的特性曲線兩線制電流輸出型壓力變送器的特性曲線【填寫壓力變送器輸出電流與壓力的對照表訓練】輸出電流I/mA＜3.754121620＞21.75差壓/kPa040160【填寫壓力變送器輸出電流與壓力的對照表訓練】輸出＜3.754

例4-6

某兩線制電流輸出型絕對壓力（pabs）變送器的量程為40~250kPa，零點和量程均已校準，若將取壓口向大氣敞開，求：此時的輸出電流I大約為多少毫安？解

該儀表輸入40kPa的絕對壓力時，輸出為4mA；輸入250kPa的絕對壓力時，輸出為20mA。設大氣壓的絕對壓力p大氣≈100kPa，則此時輸出電流與(p大氣-pmin)成正比：例4-6某兩線制電流輸出型絕對壓力（pabs）變?nèi)删€制儀表的負載電阻兩線制4～20mA電流輸出型儀表的輸出必須依靠取樣電阻（也稱負載電阻），將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。負載電阻越大，得到的輸出電壓就越高。在圖4-22中，若取樣電阻RL=250.0，則對應于4～20mA的輸出電壓Uo為1～5V。負載電阻的上限受電源電壓和傳輸線路直流電阻的限制。

當選擇HART通信方式時，RL下限為250Ω，上限為1000Ω。三、兩線制儀表的負載電阻兩線制4～20mA電流輸出型儀表的輸例4-7

某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為24V，變送器的最低工作電壓為12V，若傳輸線路總長為1km，傳輸線直流電阻約為100Ω，求：

1）最大取樣負載電阻R為多少歐？

2）若取樣電阻R取250Ω時，取樣電阻兩端的最大輸出電壓Umax為多少伏？3）若取樣電阻R取250Ω時，在線徑不變的情況下，傳輸線的長度最多為多少米？解

1）當傳輸線直流電阻為100Ω時，變送器的最大輸出電流為20mA，則線路的最大壓降為2V。當電源電壓為24V、變送器的最低工作電壓為12V，則負載電阻上的最大壓降為10V。最大負載電阻RL=10V/20mA=500Ω。例4-7某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為2例4-7

某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為24V，變送器的最低工作電壓為12V，若傳輸線路總長為1km，傳輸線直流電阻約為100Ω，求：（續(xù)前頁）

2）若取樣電阻R取250Ω時，取樣電阻兩端的最大輸出電壓Umax為多少伏？3）若取樣電阻R取250Ω時，在線徑不變的情況下，傳輸線的長度最多為多少米？解

2）若取樣電阻R取250Ω時，電阻兩端的最大輸出電壓Umax=250Ω×20mA=5V。3）若取樣電阻R取250Ω時，傳輸線允許的最大電阻值R傳輸線=(24V-12V-5V)÷20mA=350Ω由于，則傳輸線的最大長度例4-7某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為2任務二兩線制壓力變送器的HART通信HART也稱“可尋址遠程傳感器高速通道”。帶有HART通信的智能變送器是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向全數(shù)字變送器轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品。在HART通信協(xié)議中，主要的變量和控制信息由4~20mA傳送；當需要時，通過HART協(xié)議訪問變送器的測量、過程參數(shù)、設備組態(tài)、校準、故障診斷等輔助信息，傳輸速率為1200bit/s。主機可以從現(xiàn)場智能變送器獲取2~4次/s的數(shù)字更新，速度較慢。任務二兩線制壓力變送器的HART通信HART也稱“可尋址HART通信協(xié)議波形示意圖a）點對點通信時的波形

b）多點通信時的波形HART協(xié)議是主/從協(xié)議。只有當主設備發(fā)出詢問信號時，現(xiàn)場智能變送器（從機）才會發(fā)送應答信號。在現(xiàn)場智能變送器與中央控制、監(jiān)測系統(tǒng)之間傳輸信息時，HART協(xié)議允許點對點或多點模式。此時，最多可有兩個主設備（第一主設備和智能手持終端）。使用手持終端能夠在遠傳或現(xiàn)場便能捷地獲取和更改變送器的信息。HART通信協(xié)議波形示意圖a）點對點通信時的波形b）多HART協(xié)議的主機與從機的3種通信模式a）點對點主從應答方式（兩個主機和一個從機）

b）多點廣播方式（兩個主機和多個從機）c）HART設備與DCS的通信HART協(xié)議的主機與從機的3種通信模式a）點對點主從應答方式智能手持式HART通信器1－低功耗兩線制儀表2－傳輸線（正極）3－傳輸線（負極）4－取樣電阻5－智能手持終端6－低功耗數(shù)字電流表7－浮置式電源智能手持式HART通信器1－低功耗兩線制儀表2－傳輸線（任務三智能壓力變送器的應用一、智能變送器簡述（1）智能：一種隨外界的變化而確定正確行為的能力，包括理解、推理判斷與分析等一系列功能。（2）智能儀表：擁有數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷、雙向通信的功能，能與外界雙向傳遞信息。（3）智能化傳感器：將一個或多個敏感元件、精密模擬電路、數(shù)字電路、微處理器（MCU）、通信接口、智能軟件系統(tǒng)相結合，并將硬件集成在一個封裝組件內(nèi)。具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、自診斷、自補償、自適應、在線校準、邏輯判斷、雙向通信、數(shù)字輸出/模擬輸出等功能。（4）智能變送器：既有模擬信號又有數(shù)字信號的混合測量儀器。傳感器多數(shù)采用微機械電子加工技術（MEMS技術）。任務三智能壓力變送器的應用一、智能變送器簡述二、智能差壓變送器的特點（1）性能穩(wěn)定，可靠性好：可進行統(tǒng)計處理、去除異常數(shù)值等。測量準確度高，基本誤差可達±0.1%，無故障時間可達10萬小時以上。（2）量程范圍寬：可達400:1（等精度測量），有較寬的零點遷移范圍。（3）阻尼時間可調(diào)。（4）具有自檢和自動補償能力。（5）方便地與計算機或現(xiàn)場總線連接。（6）具有雙向通信功能。可進行信息存儲和記憶，能存儲傳感器的特征數(shù)據(jù)、組態(tài)信息和補償數(shù)據(jù)等。二、智能差壓變送器的特點（1）性能穩(wěn)定，可靠性好：可進行統(tǒng)計智能差壓變送器的特點（續(xù)）（7）通過現(xiàn)場手持終端，使變送器具有自修正、自補償、自診斷及錯誤方式告警等多種功能，簡化了調(diào)整、校準與維護過程。（8）單位換算：例如，將壓力轉(zhuǎn)化為水位的高度（mmH2O）；或者將壓力開二次方，再乘以系數(shù)，轉(zhuǎn)化為流量（m3/s）等。（9）高、低壓側(cè)轉(zhuǎn)換：如果發(fā)現(xiàn)正負相導壓管接反，可以把表內(nèi)的參數(shù)由NOROMAL（右側(cè)高壓，左側(cè)低壓）改為REVERSE（右側(cè)低壓，左側(cè)高壓），重新組態(tài)。智能差壓變送器的特點（續(xù)）（7）通過現(xiàn)場手持終端，使變送器具三、智能差壓變送器的結構及工作原理圖4-27

3051C型智能差壓變送器的工作原理框圖帶有液晶顯示器，與手持終端配合，可以在現(xiàn)場變送器的信號端子上，就地設定零點、量程；也可以在遠離現(xiàn)場的控制室中，或遠離危險的地方，將智能手持終端接到某個變送器的信號線上，進行遠程組態(tài)、測量范圍變更、變送器校準、故障自診斷三、智能差壓變送器的結構及工作原理圖4-273051C型2022/12/1529三、智能差壓變送器的結構及工作原理2022/12/1129三、智能差壓變送器的結構及工作原理智能差壓變送器外形及內(nèi)部電路板傳感膜頭中的EEPROM存放數(shù)據(jù)和參數(shù)，使變送器有良好的部件互換。智能差壓變送器外形及內(nèi)部電路板傳感膜頭中的EEPROM存放數(shù)四、智能差壓變送器的零點遷移有時因?qū)嶋H條件限制，導致壓力容器的位置比較高，而壓力變送器的安裝高度比較低。當容器中的被測壓力等于零時，由于隔離法蘭式壓力變送器的取壓管中灌滿密度為ρ的導壓液，高度為h，則初始壓力p+0不等于零p+0=ρgh

（4-16）式中p+0——隔離法蘭式壓力變送器正取壓口的初始壓力（Pa）；ρ——導壓液的密度（kg/m3）；h——導壓管的垂直高度（m）；g——測量地的重力加速度（m/s2）。四、智能差壓變送器的零點遷移有時因?qū)嶋H條件限制，導致壓力容器隔離法蘭式智能差壓變送器的零點遷移（圖4-29）可以用手持終端來進行零點的反向遷移，使得在被測壓力等于零時，變送器的輸出電流被調(diào)校到4mA。有時可以允許+500%和-600%的遷移。遷移過程并沒有改變壓力變送器的總量程，也不改變靈敏度，只是使變送器的量程的下限和上限同時向正方向或負方向平移。隔離法蘭式智能差壓變送器的零點遷移（圖4-29）可以用手持終例4-8

隔離法蘭式智能差壓變送器的量程為0~500kPa，取壓口低于安裝法蘭5m，如圖4-29所示。已知起隔離作用的導壓液為硅油，密度ρ=950kg/m3，測量地的重力加速度g=9.8m/s2，求：

1）遷移量B。

2）反向遷移之前，如果容器的被測壓力為零，變送器的輸出電流I0為多少毫安？

3）反向遷移之后的量程A。解

1）B=p+0=ρgh=950kg/m3×9.8m/s2×5m=46550Pa=46.55kPa，為正遷移。例4-8隔離法蘭式智能差壓變送器的量程為0~500kPa例4-8

隔離法蘭式智能差壓變送器的量程為0~500kPa，取壓口低于安裝法蘭5m，如圖4-29所示。已知起隔離作用的導壓液為硅油，密度ρ=950kg/m3，測量地的重力加速度g=9.8m/s2，求(續(xù))：2）反向遷移之前，如果容器的被測壓力為零，變送器的輸出電流I0為多少毫安？

3）反向遷移之后的量程A.解

2）由上述計算結果可知，壓力變送器的正取壓口壓力為零時，已經(jīng)受到46.55kPa的靜壓力，輸出電流必然大于4mA。3）反向遷移之后的量程Amin~Amax為：46.55~546.55kPa。反向遷移之后，當容器的被測壓力為零時，輸出電流恰好等于4mA。例4-8隔離法蘭式智能差壓變送器的量程為0~500kPa任務四現(xiàn)場總線壓力變送器的應用一、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是由現(xiàn)場總線組成的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)，是繼氣動、電動模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS）后新一代的控制系統(tǒng)。任務四現(xiàn)場總線壓力變送器的應用一、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FC二、現(xiàn)場總線簡介IEC（國際電工委員會）對現(xiàn)場總線的定義是“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線”。現(xiàn)場總線應用于生產(chǎn)現(xiàn)場與微處理器測控設備之間，是實現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為底層控制網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線與因特網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)相連，可以實現(xiàn)不同網(wǎng)段、不同現(xiàn)場設備、控制室之間的信息共享，又將各種控制、維護、組態(tài)命令送往相關的現(xiàn)場設備。二、現(xiàn)場總線簡介IEC（國際電工委員會）對現(xiàn)場總線的定義是“常用的現(xiàn)場總線國際標準有EtherCAT、Lightbus、IEC/ISA、Control-NET、P-NET、FF-HSE/FFH2、Swift-Net、WorldFIP、Interbus、CANopen、Device-Net、USB、Profibus等。Profibus總線是一種廣泛應用于工廠自動化車間級監(jiān)控以及現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術。Profibus由三個兼容部分組成。（1）Profibus-DP用于高速數(shù)據(jù)傳輸、設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。（2）Profibus-PA專為過程自動化設計，主要特點是“本質(zhì)安全”。（3）Profibus-FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡。常用的現(xiàn)場總線國際標準有EtherCAT、Lightbus、現(xiàn)場

總線總線電纜現(xiàn)場

總線總線電纜現(xiàn)場總線壓力變送器原理(放大圖見下頁)1．現(xiàn)場總線變送器的特點（1）節(jié)省費用：一對屏蔽雙絞線導線可以連接多臺現(xiàn)場設備。（2）全數(shù)字傳輸：抗干擾能力強，準確度高。（3）多變量測量：在一臺變送器內(nèi)，有多個敏感元件，可以測量溫度、壓力、差壓、流量，可以輸出多種變量（4）PID控制。（5）故障診斷?，F(xiàn)場總線壓力變送器原理(放大圖見下頁)1．現(xiàn)場總線變送器的特2022/12/1540圖4-30

現(xiàn)場總線壓力變送器原理框圖2022/12/1140圖4-30現(xiàn)場總線壓力變送器原理2．現(xiàn)場總線變送器的連接及拓撲結構圖4-31Profibus現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)的拓撲結構2．現(xiàn)場總線變送器的連接及拓撲結構圖4-31Profib拓展閱讀陶瓷式壓力傳感器圖4-33陶瓷厚膜電阻式壓力傳感器a）結構b）螺栓式外形c）電路板安裝式外形1－進氣口2－外接螺紋3－外墊片4－O形圈5－玻璃燒結粘合劑6－陶瓷膜片

7－厚膜電阻8－內(nèi)部墊圈9－鎖緊螺栓10－外殼螺紋11－電極引線回目錄拓展閱讀陶瓷式壓力傳感器圖4-33陶瓷厚膜電阻式壓力彈性平膜片的受力

及應變當陶瓷膜片承受來自外側(cè)（底部）的壓力時，膜片向印制有厚膜電阻的一側(cè)彎曲。在0.58r（半徑）以內(nèi)中心位置產(chǎn)生拉應變，0.58r以外的周邊位置產(chǎn)生壓應變。壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的變形，4個厚膜電阻與膜片具有相同的應變，R1、R3阻值減小，R2、R4阻值增加，電橋失去平衡，輸出電壓Uo與膜片壓力p成正比。彈性平膜片的受力

及應變當陶瓷膜片承受來自外側(cè)（底部）的壓力陶瓷壓力傳感器外形陶瓷壓力傳感器外形陶瓷式壓力傳感器應變電橋現(xiàn)在時間是：21:04陶瓷式壓力傳感器應變電橋現(xiàn)在時間是：09:37陶瓷式壓力變送器原理框圖陶瓷式壓力變送器原理框圖15十二月2022現(xiàn)在時間是：

21:04

休息一下！

11十二月2022現(xiàn)在時間是：09:37休息一下

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模塊四、壓力檢測課件

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模塊四、壓力檢測課件

本模塊介紹“壓力”等基本概念、電容式壓力表、兩線制壓力表、智能壓力表、總線制壓力表，還介紹了陶瓷式壓力傳感器。內(nèi)容簡介今天是：15十二月2022本模塊介紹“壓力”等基本概念、電容式壓力表、兩線制壓力表、知識鏈接、壓力的基本概念項目一、電容式壓力變送器項目二、兩線制壓力變送器拓展閱讀、陶瓷式壓力傳感器模塊四、壓力檢測（下）目錄進入進入現(xiàn)在時間是：21:04進入模塊四、壓力檢測（下）目錄進入進入現(xiàn)在時間是：0項目二兩線制壓力變送器【項目教學目標】?知識目標1）熟悉壓力變送器的分類和組成。2）熟悉壓力變送器的HART通信。3）熟悉現(xiàn)場總線型變送器的原理。?技能目標1）掌握兩線制壓力變送器的接線。2）掌握智能變送器的零點遷移方法?；啬夸洭F(xiàn)在時間是：21:04項目二兩線制壓力變送器【項目教學目標】回目錄現(xiàn)在時間是：任務一、兩線制壓力變送器的應用變送器：能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘栟D(zhuǎn)換為可以被控制器接受的標準化信號的設備。主要由：傳感器、測量轉(zhuǎn)換電路、補償電路等組成。不同的物理量需要不同的傳感器和相應的變送器。用于工業(yè)控制的變送器主要有：溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、液位變送器、電流變送器、電壓變送器等。變送器具有輸入過載保護、輸出過電流保護、輸出電流長時間短路保護、輸出端口瞬態(tài)感應雷與浪涌電流TVS抑制保護、工作電源過壓極限保護、工作電源反接保護等。任務一、兩線制壓力變送器的應用變送器：能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘?022/12/1553兩線制變送器（續(xù)）2022/12/116兩線制變送器（續(xù)）一、壓力變送器簡介壓力變送器是一種能將接收的氣體、液體等壓力信號轉(zhuǎn)換為可傳送的標準化輸出信號的儀器。此外，其輸出信號與壓力之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關系（通常為線性函數(shù)）。壓力變送器主要用于工業(yè)過程壓力參數(shù)的測量與控制，其中的差壓變送器也常用于液位和流量的測量。p1p2一、壓力變送器簡介壓力變送器是一種能將接收的氣體、液體等壓力壓力變送器分類①按工作原理，可分為電容式、壓阻式、諧振式、等（諧振式壓力變送器可不經(jīng)過信號處理電路，直接輸出數(shù)字脈沖信號等）；②按接線方式，可分為兩線制、三線制（一根正電源線。兩根信號線，其中一根GND）、四線制（兩根正負電源線，兩根信號線，其中一根GND）等；③按輸出方式，可分為電壓輸出、電流輸出、數(shù)字信號輸出等；④按壓力測量范圍，可分為一般壓力變送器（0.001～35MPa）和微壓力變送器（0～1.5kPa），負壓變送器（0～-100kPa）等；⑤按準確度，可分為高準確度變送器（0.1%或0.075%級）和通用變送器（0.5%級）。壓力變送器分類①按工作原理，可分為電容式、壓阻式、諧振式、等壓力（差壓）變送器的原理框圖（圖4-20）以電容式壓力（差壓）傳感器為例，兩個大小不同的被測壓力p1、p2通過導壓液傳送到電容式壓力（差壓）變送器的兩個壓力室，并作用在δ室（即感壓元件）兩側(cè)的隔離膜片上，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量與壓力之差成正比。壓力（差壓）變送器的原理框圖（圖4-20）以電容式壓力（差壓一次儀表與二次儀表壓力變送器已經(jīng)將傳感膜頭與信號處理、轉(zhuǎn)換單元組合在一個殼體中，并安裝在檢測現(xiàn)場，這種信號采集轉(zhuǎn)換裝置在工業(yè)中被稱為一次儀表，例如熱電偶、壓力變送器、流量計、液位計等。無紙記錄儀是二次儀表而接受來自一次儀表的信號，并顯示、記錄、轉(zhuǎn)換及發(fā)送該信號的裝置稱為二次儀表，例如：顯示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等。二次儀表通常安裝在儀表盤上。一次儀表與二次儀表壓力變送器已經(jīng)將傳感膜頭與信號處理、轉(zhuǎn)換單電流輸出型儀表一次儀表的輸出信號可以是電壓，也可以是電流。由于電流信號不易受干擾，且便于遠距離傳輸（可以不考慮電路壓降），所以在一次儀表中多采用電流輸出型。從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始，規(guī)定標準電流輸出型儀表的輸出為4～20mA（DDZ-Ⅱ標準為0~10mA），對應的輸出電壓為1～5V（DDZ-Ⅱ標準為0～2V）。在4～20mA信號制中，4mA對應于零輸入，20mA對應于滿度輸入。不讓信號占有0～4mA的原因：1）有利于判斷電路故障（開路）或儀表故障；2）這類一次儀表內(nèi)部均采用微電流集成電路，總的耗電還不到4mA，因此，0～4mA這一部分“本底”電流還能為一次儀表的內(nèi)部電路提供工作電流，使一次儀表成為兩線制儀表。電流輸出型儀表一次儀表的輸出信號可以是電壓，也可以是電流。由1511電流輸出型差壓變送器的原理框圖二極管VD構成外接電源極性反接保護電路。當外接電源E極性反接時，二極管VD反偏，電路的電流非常微小小，不會損壞變送器電路。1511電流輸出型差壓變送器的原理框圖二極管VD構成外接電源二、兩線制壓力（差壓）變送器簡介接線：其中一根為電源正極導線（紅色），另一根既作為電源負極引線，又作為二次儀表的信號傳輸線。在信號傳輸線的末端，通過一只精密的取樣電阻（也稱負載電阻）接到電源負極，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號二、兩線制壓力（差壓）變送器簡介接線：其中一根為電源正極導線例4-5

某兩線制電流輸出型壓力變送器的產(chǎn)品說明書注明其量程范圍為0～200kPa，對應的輸出電流為4～20mA。求：當測得輸出電流I=12mA時的被測壓力p。解因為該儀表說明書未說明線性度，可以默認輸出電流與被測壓力之間為線性關系，即I與p的數(shù)學關系為一次方程，所以有I

=a0+a1p式中a0、a1——待求常數(shù)。當p

=0時，a

0=4mA當p

=200kPa時，I=20mA，代入式（4-15）得a1=0.08mA/kPa，所以該壓力變送器的輸出/輸入方程為：I=4mA+0.08(mA/kPa)p。將I=12mA代入式（4-15）得p=(Ｉ-a0)/a1=(12mA-4mA)/(0.08mA/kPa)=100kPa。例4-5某兩線制電流輸出型壓力變送器的產(chǎn)品說明書注明其量兩線制電流輸出型壓力變送器的特性曲線兩線制電流輸出型壓力變送器的特性曲線【填寫壓力變送器輸出電流與壓力的對照表訓練】輸出電流I/mA＜3.754121620＞21.75差壓/kPa040160【填寫壓力變送器輸出電流與壓力的對照表訓練】輸出＜3.754

例4-6

某兩線制電流輸出型絕對壓力（pabs）變送器的量程為40~250kPa，零點和量程均已校準，若將取壓口向大氣敞開，求：此時的輸出電流I大約為多少毫安？解

該儀表輸入40kPa的絕對壓力時，輸出為4mA；輸入250kPa的絕對壓力時，輸出為20mA。設大氣壓的絕對壓力p大氣≈100kPa，則此時輸出電流與(p大氣-pmin)成正比：例4-6某兩線制電流輸出型絕對壓力（pabs）變?nèi)删€制儀表的負載電阻兩線制4～20mA電流輸出型儀表的輸出必須依靠取樣電阻（也稱負載電阻），將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。負載電阻越大，得到的輸出電壓就越高。在圖4-22中，若取樣電阻RL=250.0，則對應于4～20mA的輸出電壓Uo為1～5V。負載電阻的上限受電源電壓和傳輸線路直流電阻的限制。

當選擇HART通信方式時，RL下限為250Ω，上限為1000Ω。三、兩線制儀表的負載電阻兩線制4～20mA電流輸出型儀表的輸例4-7

某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為24V，變送器的最低工作電壓為12V，若傳輸線路總長為1km，傳輸線直流電阻約為100Ω，求：

1）最大取樣負載電阻R為多少歐？

2）若取樣電阻R取250Ω時，取樣電阻兩端的最大輸出電壓Umax為多少伏？3）若取樣電阻R取250Ω時，在線徑不變的情況下，傳輸線的長度最多為多少米？解

1）當傳輸線直流電阻為100Ω時，變送器的最大輸出電流為20mA，則線路的最大壓降為2V。當電源電壓為24V、變送器的最低工作電壓為12V，則負載電阻上的最大壓降為10V。最大負載電阻RL=10V/20mA=500Ω。例4-7某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為2例4-7

某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為24V，變送器的最低工作電壓為12V，若傳輸線路總長為1km，傳輸線直流電阻約為100Ω，求：（續(xù)前頁）

2）若取樣電阻R取250Ω時，取樣電阻兩端的最大輸出電壓Umax為多少伏？3）若取樣電阻R取250Ω時，在線徑不變的情況下，傳輸線的長度最多為多少米？解

2）若取樣電阻R取250Ω時，電阻兩端的最大輸出電壓Umax=250Ω×20mA=5V。3）若取樣電阻R取250Ω時，傳輸線允許的最大電阻值R傳輸線=(24V-12V-5V)÷20mA=350Ω由于，則傳輸線的最大長度例4-7某兩線制4~20mA電流輸出型儀表的電源電壓為2任務二兩線制壓力變送器的HART通信HART也稱“可尋址遠程傳感器高速通道”。帶有HART通信的智能變送器是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向全數(shù)字變送器轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品。在HART通信協(xié)議中，主要的變量和控制信息由4~20mA傳送；當需要時，通過HART協(xié)議訪問變送器的測量、過程參數(shù)、設備組態(tài)、校準、故障診斷等輔助信息，傳輸速率為1200bit/s。主機可以從現(xiàn)場智能變送器獲取2~4次/s的數(shù)字更新，速度較慢。任務二兩線制壓力變送器的HART通信HART也稱“可尋址HART通信協(xié)議波形示意圖a）點對點通信時的波形

b）多點通信時的波形HART協(xié)議是主/從協(xié)議。只有當主設備發(fā)出詢問信號時，現(xiàn)場智能變送器（從機）才會發(fā)送應答信號。在現(xiàn)場智能變送器與中央控制、監(jiān)測系統(tǒng)之間傳輸信息時，HART協(xié)議允許點對點或多點模式。此時，最多可有兩個主設備（第一主設備和智能手持終端）。使用手持終端能夠在遠傳或現(xiàn)場便能捷地獲取和更改變送器的信息。HART通信協(xié)議波形示意圖a）點對點通信時的波形b）多HART協(xié)議的主機與從機的3種通信模式a）點對點主從應答方式（兩個主機和一個從機）

b）多點廣播方式（兩個主機和多個從機）c）HART設備與DCS的通信HART協(xié)議的主機與從機的3種通信模式a）點對點主從應答方式智能手持式HART通信器1－低功耗兩線制儀表2－傳輸線（正極）3－傳輸線（負極）4－取樣電阻5－智能手持終端6－低功耗數(shù)字電流表7－浮置式電源智能手持式HART通信器1－低功耗兩線制儀表2－傳輸線（任務三智能壓力變送器的應用一、智能變送器簡述（1）智能：一種隨外界的變化而確定正確行為的能力，包括理解、推理判斷與分析等一系列功能。（2）智能儀表：擁有數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷、雙向通信的功能，能與外界雙向傳遞信息。（3）智能化傳感器：將一個或多個敏感元件、精密模擬電路、數(shù)字電路、微處理器（MCU）、通信接口、智能軟件系統(tǒng)相結合，并將硬件集成在一個封裝組件內(nèi)。具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、自診斷、自補償、自適應、在線校準、邏輯判斷、雙向通信、數(shù)字輸出/模擬輸出等功能。（4）智能變送器：既有模擬信號又有數(shù)字信號的混合測量儀器。傳感器多數(shù)采用微機械電子加工技術（MEMS技術）。任務三智能壓力變送器的應用一、智能變送器簡述二、智能差壓變送器的特點（1）性能穩(wěn)定，可靠性好：可進行統(tǒng)計處理、去除異常數(shù)值等。測量準確度高，基本誤差可達±0.1%，無故障時間可達10萬小時以上。（2）量程范圍寬：可達400:1（等精度測量），有較寬的零點遷移范圍。（3）阻尼時間可調(diào)。（4）具有自檢和自動補償能力。（5）方便地與計算機或現(xiàn)場總線連接。（6）具有雙向通信功能?？蛇M行信息存儲和記憶，能存儲傳感器的特征數(shù)據(jù)、組態(tài)信息和補償數(shù)據(jù)等。二、智能差壓變送器的特點（1）性能穩(wěn)定，可靠性好：可進行統(tǒng)計智能差壓變送器的特點（續(xù)）（7）通過現(xiàn)場手持終端，使變送器具有自修正、自補償、自診斷及錯誤方式告警等多種功能，簡化了調(diào)整、校準與維護過程。（8）單位換算：例如，將壓力轉(zhuǎn)化為水位的高度（mmH2O）；或者將壓力開二次方，再乘以系數(shù)，轉(zhuǎn)化為流量（m3/s）等。（9）高、低壓側(cè)轉(zhuǎn)換：如果發(fā)現(xiàn)正負相導壓管接反，可以把表內(nèi)的參數(shù)由NOROMAL（右側(cè)高壓，左側(cè)低壓）改為REVERSE（右側(cè)低壓，左側(cè)高壓），重新組態(tài)。智能差壓變送器的特點（續(xù)）（7）通過現(xiàn)場手持終端，使變送器具三、智能差壓變送器的結構及工作原理圖4-27

3051C型智能差壓變送器的工作原理框圖帶有液晶顯示器，與手持終端配合，可以在現(xiàn)場變送器的信號端子上，就地設定零點、量程；也可以在遠離現(xiàn)場的控制室中，或遠離危險的地方，將智能手持終端接到某個變送器的信號線上，進行遠程組態(tài)、測量范圍變更、變送器校準、故障自診斷三、智能差壓變送器的結構及工作原理圖4-273051C型2022/12/1576三、智能差壓變送器的結構及工作原理2022/12/1129三、智能差壓變送器的結構及工作原理智能差壓變送器外形及內(nèi)部電路板傳感膜頭中的EEPROM存放數(shù)據(jù)和參數(shù)，使變送器有良好的部件互換。智能差壓變送器外形及內(nèi)部電路板傳感膜頭中的EEPROM存放數(shù)四、智能差壓變送器的零點遷移有時因?qū)嶋H條件限制，導致壓力容器的位置比較高，而壓力變送器的安裝高度比較低。當容器中的被測壓力等于零時，由于隔離法蘭式壓力變送器的取壓管中灌滿密度為ρ的導壓液，高度為h，則初始壓力p+0不等于零p+0=ρgh

（4-16）式中p+0——隔離法蘭式壓力變送器正取壓口的初始壓力（Pa）；ρ——導壓液的密度（kg/m3）；h——導壓管的垂直高度（m）；g——測量地的重力加速度（m/s2）。四、智能差壓變送器的零點遷移有時因?qū)嶋H條件限制，導致壓力容器隔離法蘭式智能差壓變送器的零點遷移（圖4-29）可以用手持終端來進行零點的反向遷移，使得在被測壓力等于零時，變送器的輸出電流被調(diào)校到4mA。有時可以允許+500%和-600%的遷移。遷移過程并沒有改變壓力變送器的總量程，也不改變靈敏度，只是使變送器的量程的下限和上限同時向正方向或負方向平移。隔離法蘭式智能差壓變送器的零點遷移（圖4-29）可以用手持終例4-8

隔離法蘭式智能差壓變送器的量程為0~500kPa，取壓口低于安裝法蘭5m，如圖4-29所示。已知起隔離作用的導壓液為硅油，密度ρ=950kg/m3，測量地的重力加速度g=9.8m/s2，求：

1）遷移量B。

2）反向遷移之前，如果容器的被測壓力為零，變送器的輸出電流I0為多少毫安？

3）反向遷移之后的量程A。解

1）B=p+0=ρgh=950kg/m3×9.8m/s2×5m=46550Pa=46.55kPa，為正遷移。例4-8隔離法蘭式智能差壓變送器的量程為0~500kPa例4-8

隔離法蘭式智能差壓變送器的量程為0~500kPa，取壓口低于安裝法蘭5m，如圖4-29所示。已知起隔離作用的導壓液為硅油，密度ρ=950kg/m3，測量地的重力加速度g=9.8m/s2，求(續(xù))：2）反向遷移之前，如果容器的被測壓力為零，變送器的輸出電流I0為多少毫安？

3）反向遷移之后的量程A.解

2）由上述計算結果可知，壓力變送器的正取壓口壓力為零時，已經(jīng)受到46.55kPa的靜壓力，輸出電流必然大于4mA。3）反向遷移之后的量程Amin