過(guò)程儀表第2章 變送器2課件

12.5液位變送器液位是指密封容器或開(kāi)口容器中液位的高低，通過(guò)液位測(cè)量可知道容器內(nèi)的原料，半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達(dá)到物料平衡，從而保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。此外，通過(guò)液位測(cè)量可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)所耗物料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和經(jīng)濟(jì)核算。液位測(cè)量由于受到被測(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)以及工作條件的影響，再加上以往未得到足夠重視，因此，目前仍然是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)。22.5.1浮力式液位變送器

浮力式液位變送器是根據(jù)阿基米德原理工作的，即液體對(duì)一個(gè)物體浮力的大小，等于該物體所排出的液體的重量。浮力式液位變送器可分為恒浮力式和變浮力式兩種。恒浮力式液位計(jì)原理1．恒浮力式液位變送器

32．變浮力式液位變送器

浮筒式液位計(jì)原理

右圖為浮筒式變浮力液位計(jì)原理圖。圓柱形浮筒部分沉浸于液體中，當(dāng)浮筒被液體浸沒(méi)的高度變化時(shí)，其所受浮力F也變化，F(xiàn)的變化壓縮彈簧，彈簧的彈性力與浮筒的重力相平衡時(shí)，浮筒便處于某一平衡位置，測(cè)量彈簧的壓縮位移，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，便可得知液位高度。52.5.2靜壓力式液位變送器--差壓（壓力）液位變送器

基本工作原理ΔP=ρgH

零點(diǎn)遷移零點(diǎn)遷移的目的：使H＝0時(shí)，變送器輸出為Iomin（如4mA）ΔP=ρ1gHΔP=ρ1gH-ρ2g（h2-h1）ΔP=ρ1gH+ρ1gh1無(wú)遷移

負(fù)遷移

遷移量：

-ρ2g（h2-h1）正遷移

遷移量：

ρ1gh16例已知ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，h1=1m，h2=5m，液位變化范圍0—2.5米，求：變送器的量程和遷移量。解Hmaxρ1g=2.5*1200*9.8=29400Pa變送器量程可選為：40kPa當(dāng)H=0時(shí)，-ρ2g（h2-h1）=-4*950*9.8=-37.24kPa變送器需要進(jìn)行負(fù)遷移，遷移量為－37.24kPa

結(jié)論：差壓式液位變送器，事實(shí)上就是一個(gè)差壓變送器，無(wú)非液位變送器的輸出與液位高度H成線性關(guān)系，因此，差壓式液位變送器的安裝與前面所述的差壓變送器的安裝是完全相同的。為了解決測(cè)量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、易凝固等液體液位時(shí)，引壓管線容易出現(xiàn)被腐蝕、被堵塞的問(wèn)題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管人口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器（壓力信號(hào)的遠(yuǎn)傳裝置），分單法蘭式及雙法蘭式兩種。

7右圖為吹氣式液位變送的原理。將一根吹氣管插入至被測(cè)液體的最低液位（零液位）處。壓縮空氣或惰性氣體經(jīng)恒壓閥和流量計(jì)吹入貯液罐內(nèi)，當(dāng)吹氣管的下端有微量氣泡溢出時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)的壓力幾乎與液封壓力相等。吹氣式液位測(cè)量原理吹氣式液位變送9表2-3分析儀表的分類

類別品種熱學(xué)式熱導(dǎo)式分析儀表，熱化學(xué)式分析儀表，差熱式分析儀表磁力式熱磁式分析儀表，磁力機(jī)械式分析儀表光學(xué)式光電比色分析儀表，紅外吸收式分析儀表，紫外吸收式分析儀表，光干涉式分析儀表，光散射式分析儀表，光度式分析儀表，分光光度分析儀表，激光分析儀表，化學(xué)發(fā)光式分析儀表射線式X射線分析儀表，電子光學(xué)式分析儀表，核輻射式分析儀表，微波式分析儀表電化學(xué)式電導(dǎo)式分析儀表，電量式分析儀表，電位式分析儀表，電解式分析儀表，極譜儀，酸度計(jì)，離子濃度計(jì)色譜儀氣相色譜儀，液相色譜儀質(zhì)譜儀靜態(tài)質(zhì)譜儀，動(dòng)態(tài)質(zhì)譜儀，其他質(zhì)譜儀波譜儀核磁共振波譜儀，電子順磁共振波譜儀，λ共振波譜儀物性儀溫度計(jì)，水分計(jì)，粘度計(jì)，密度計(jì)，濃度計(jì)，塵量計(jì)其他晶體振蕩分析儀表，蒸餾及分離分析儀表，氣敏式分析儀表，化學(xué)變色式分析儀表102.6.1紅外氣體分析儀

紅外氣體分析儀是利用不同的氣體對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線輻射能具有選擇性吸收的特性來(lái)進(jìn)行氣體濃度分析的。它具有量程范圍寬、靈敏度高、反應(yīng)迅速、選擇性強(qiáng)的特點(diǎn)。紅外線的波長(zhǎng)范圍為0.75~1000，紅外氣體分析儀中利用的波長(zhǎng)范圍為2~25，可以用恒定電流加熱鎳鉻絲到某一適當(dāng)?shù)臏囟榷a(chǎn)生某一特定波長(zhǎng)范圍的紅外線。

氣體特征吸收峰波長(zhǎng)/μm氣體特征吸收峰波長(zhǎng)/μmCOCO2CH4NH3SO24.652.7，4.26，14.52.4，3.3，7.652.3，2.8，6.1，97.3H2SHClC2H4H2O7.63.43.4，5.3，7，10.5在2.6～10之間都有相當(dāng)?shù)奈毡?-4部分氣體特征吸收峰波長(zhǎng)

11I與c的關(guān)系曲線

紅外氣體分析儀原理框圖

132.6.3熱磁式氧分析儀

在生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是燃燒和氧化過(guò)程中，以及安全保護(hù)和糧食果品儲(chǔ)存等方面，準(zhǔn)確測(cè)量和嚴(yán)格控制混合氣體中的氧含量，對(duì)節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等具有十分重要的作用。在氧分析儀表中，應(yīng)用最廣泛的是熱磁式氧分析儀，它具有量程寬，穩(wěn)定性好，不消耗被分析氣體和使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。傳感器是一個(gè)具有中間水平通道的測(cè)量環(huán)室。熱磁式氧分析儀的傳感器結(jié)構(gòu)見(jiàn)上圖。142.6.4氧化鋯氧量分析儀

氧化鋯氧分析器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型分析儀表，它由氧化鋯探頭和變送器兩部分組成。氧化鋯探頭可直接插入管道內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。它將被測(cè)氣體中的氧含量（濃度）轉(zhuǎn)換成氧濃差電勢(shì)，經(jīng)變送器將氧濃差電勢(shì)轉(zhuǎn)換成DC1~5V。或DC4~20mA。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出或遠(yuǎn)傳。因此，在冶金、煉油、化工等工業(yè)部門(mén)被廣泛用于測(cè)量各種鍋爐、軋鋼加熱爐等煙道氣的氧含量；它亦可方便地與調(diào)節(jié)器配合組成氧含量自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最佳燃燒控制。氧化鋯探頭是基于氧濃差電池原理工作的，見(jiàn)上圖。15

2.7二線制變送器的電路分析與設(shè)計(jì)

“二線制”：變送器工作電源線和4～20mA輸出信號(hào)線共用兩根線。與非二線制（四線制）儀表相比，節(jié)省兩根傳輸線，便于施工和維護(hù)，有利于HART通信協(xié)議的實(shí)施。由于集成電路和MEMS的發(fā)展，傳感器越來(lái)越精細(xì)，體積越來(lái)越小。與之匹配的是多種型號(hào)的專用IC電路芯片，完成由mV→4～20mA的變送轉(zhuǎn)換功能。

1718

設(shè)IC1和IC2為理想運(yùn)算放大器，同相端和反相端電位相等，運(yùn)放的輸入電流為0，則跨導(dǎo)設(shè)置電阻RS中的電流

IS=(e1N4－e1N3)/RS=e1N/RS

IS和I3形成I1，由芯片參數(shù)（內(nèi)部）設(shè)定，得到輸出電流I0和輸入信號(hào)e1N的關(guān)系為：

I0=4mA+(0.016S+40/RS)e1N

由上式可知：當(dāng)e1N＝0，I0=4mA；當(dāng)為最大值，I0=20mA，可知(0.016S+40/RS)e1N.M＝16mA

則RS=40/(16mA/e1N.M－0.016S)

由此根據(jù)e1N.M選擇RS。192）應(yīng)用中的注意事項(xiàng)①負(fù)載電阻和電源匹配由于XTR101為單電源工作，工作電源電壓11.6～40V。負(fù)載電阻和電源電壓為線性關(guān)系，如下圖所示。一般變送器電源電壓為24V，因此最大負(fù)載電阻為750

。實(shí)際應(yīng)用中變送器輸出來(lái)帶3個(gè)250的負(fù)載（顯示器、調(diào)節(jié)器、A/D輸入電阻等）。21③輸入端空載電位

放大器工作電壓VCC，即信號(hào)輸入端應(yīng)比信號(hào)輸出端高4～6V，保證電路處于線性工作范圍，由外接電阻R2來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖所示。輸入端3，4輸入信號(hào)為e1n(~E2）。由內(nèi)部電流源輸出（10，11）IREF1和IREF2(2mA)產(chǎn)生偏置電位。（當(dāng)R2=2.5K，偏置電位3，4→7為5V）。22④失調(diào)誤差的補(bǔ)償為了消除偏置電壓的電流影響，在1，2和14引腳之間設(shè)置電位計(jì)RP2，調(diào)節(jié)中心點(diǎn)位置使eIN=0時(shí)，I0=4mA。設(shè)計(jì)實(shí)例

231）熱電偶溫度變送器原理電路如圖所示。設(shè)熱電偶分度號(hào)為K,設(shè)定測(cè)量范圍0～1000℃。25

計(jì)算分壓電路，由⊿VVD/⊿T(R6/(R5+R6))=⊿ET/⊿T

選擇R5=2K，解得R6=40.82④熱電偶輸入回路校驗(yàn)由上圖熱電偶輸入回路電壓平衡方程式：

e1n=e2-e1=et+V4-e1

當(dāng)冷端溫度為＋25℃，熱電偶工作端為0℃時(shí)，et=－1.0mV,VVD=600mV，代入上式得到

V4=13.0mV，R4=V4/1mA=13.0R4、RS采用精密多圈電位器，用于調(diào)節(jié)變送器的0點(diǎn)和量程，R5和R6用溫度系數(shù)很小的繞線精密電阻。VD用專門(mén)測(cè)溫二極管。262）熱電阻溫度變送器原理電路如下圖所示。27

熱電阻分度號(hào)Pt100，要求測(cè)量范圍25～150℃。查表可知

Pt100R25=109.73，R150=157.31

由1mA電流源激勵(lì)，輸入e1N的變化量為：①求⊿e1N

：⊿e1N=1mA(157.31-109.73)=47.58mV②計(jì)算量程電阻RS

：

RS=40/(⊿I0/⊿e1n-0.016S)=124.89293）壓力變送器典型的壓力變送器原理電路如圖所示。30

傳感器部分為低阻抗應(yīng)變電橋（300）XTR101輸出2mA電流源（10，11引腳輸出）向應(yīng)變橋和穩(wěn)壓管供電。圖中R3為偏置電阻；R2為限流電阻；R1用于調(diào)整穩(wěn)壓管工作電流，使其溫度系數(shù)最?。籖5

和RP2組成4mA的0位調(diào)節(jié)電路；R4和RP1組成增益（滿量程）調(diào)節(jié)電路。信號(hào)（壓力信號(hào)）從XTR101的3，4引腳輸入，輸出信號(hào)（4～20mA）從負(fù)載電阻RL獲得。31注意：①XTR101是通用變送器電路芯片，它不具有非線性補(bǔ)償電路，為了應(yīng)用于熱電偶、熱電阻等具有非線性特性的傳感器，要適當(dāng)?shù)膲嚎s量程范圍，即應(yīng)用于傳感器的線性段。②可選用專用連接口芯片，例如XTR103，它專用于RTD熱電阻二線制4～20mA變送器專用電路芯片。它用的PT100測(cè)量范圍可在－200～850℃的寬范圍，降低非線性40倍。32

2.8智能變送器一、

智能變送器的特點(diǎn)（1）

雙向通信能力； （2）

自診斷能力；（3）

模、數(shù)信號(hào)同時(shí)傳送；（4）

測(cè)量精度高；（5）

量程比大400︰1；（6）

可發(fā)出直流信號(hào)；（7）

正、反作用切換；（8）

PID控制功能；調(diào)整遙控化零點(diǎn)量程調(diào)整獨(dú)立化儀表標(biāo)簽內(nèi)置化儀表信息數(shù)字化33

二、智能變送器的分類1、價(jià)格分類（按精度分類）高檔：±0.075%~±0.1%

中檔：±0.1%

低檔：±0.1%以下2、按羅馬數(shù)字分類

Ⅱ型：四線

Ⅲ型：二線

Ⅲ型半：智能儀表

Ⅳ型：現(xiàn)場(chǎng)總線3、按通信協(xié)議分類

HARTDE34

四、ST3000智能差壓變送器

ST3000/900系列全智能差壓變送器是以微處理器為基礎(chǔ)的智能變送器。最新推出的R300版本，全面提升了變送器的精度，可靠性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)。它能測(cè)量各種液體和氣體的壓力，并輸出對(duì)應(yīng)的4~20mA模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。它獨(dú)特的溫度和靜壓誤差自動(dòng)修正功能使其能滿足苛刻的使用環(huán)境。

它具有DE通訊協(xié)議，可與霍尼韋爾的集散控制系統(tǒng)和智能現(xiàn)場(chǎng)通訊器（SFC）實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通訊，消除了模擬信號(hào)傳輸誤差，方便了變送器的調(diào)試、校驗(yàn)和故障診斷。

特點(diǎn)

1.先進(jìn)的傳感器技術(shù)：采用離子注入硅技術(shù)，在差壓傳感器上集成了靜壓和溫度傳感器，隨時(shí)修正過(guò)程溫度和靜壓引起的誤差，提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

2.高可靠性：平均無(wú)故障時(shí)間470年。

3.高穩(wěn)定性：±0.015％/年。354.高精度：±0.075％。5.測(cè)量范圍寬：

STG944

0-3.5MPa

STG974

0-21MPa6.規(guī)格齊全：接液部分有各種防腐材料備選，能滿足各種工況條件下的使用。7.具備各種本安和隔爆認(rèn)證。8.可選HART協(xié)議。9.可選現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）通訊協(xié)議。10.使用現(xiàn)場(chǎng)通訊器或MCT多協(xié)議通訊器實(shí)現(xiàn)對(duì)ST3000變送器的組態(tài)、校驗(yàn)和故障診斷等。11.可通過(guò)便攜電腦，用SCT組態(tài)工具組態(tài)。12.可與霍尼韋爾集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字一體化。13.體積小、重量輕：4.1Kg。

36組成與原理

如下圖所示為Honeywell公司ST3000／900智能變送器的結(jié)構(gòu)，變送器的生產(chǎn)主要由機(jī)器人完成。該變送器由表頭和信號(hào)處理兩部分組成。表頭的核心部分是在一片硅片上通過(guò)離子注人，經(jīng)激光精細(xì)加工而成的復(fù)合式傳感器，其中含有差壓、溫度、靜壓三種固體傳感器。3738

當(dāng)過(guò)程壓力或差壓通過(guò)隔離膜片，填充液傳到膜盒內(nèi)的傳感器上時(shí)，傳感器的電阻值產(chǎn)生變化。阻值的變化量由芯片上的惠斯頓電橋檢出，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，送信號(hào)處理部分的微處理器。與此同時(shí)，芯片上另兩個(gè)輔助傳感器分別檢翻表體溫度和介質(zhì)靜壓，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并送微處理器。在信號(hào)處理部分，三路數(shù)字量經(jīng)微處理器運(yùn)算處理后轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)輸出。在變送器的制造過(guò)程中，生產(chǎn)線上的計(jì)算機(jī)對(duì)每臺(tái)變送器的工況，即表體工況與介質(zhì)靜壓進(jìn)行模擬仿真，將采集的特征數(shù)據(jù)存放在PROM中。因此，測(cè)量結(jié)果中消除了溫度、靜壓帶來(lái)的測(cè)量誤差。

39基于ST3000智能變送器的雙向數(shù)字通信技術(shù)，操作人員使用智能現(xiàn)場(chǎng)手操通信器SFC與其進(jìn)行通信。手操通信器由電池供電。只要把SFC接到變送器信號(hào)線的回路上，就可對(duì)變送器發(fā)送或接受信息。這種具有遠(yuǎn)程通訊的方法，減少了維修成本，并可使操作人員不進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)變送器完成操作，另外ST3000也能選用流行的HART手操通信器對(duì)其進(jìn)行操作。40五、3051C壓力變送器41

該系列最高精度為士0．075％，且有100：1的大范圍量程比，從上圖可見(jiàn)，變送器由傳感組件和電子組件兩部分組成，電路采用專用集成電路（ASIC）和表面安裝技術(shù)（SMT），傳感器組件選用高精度的電容傳感器，過(guò)程壓力通過(guò)隔離膜片及灌充液傳送到電容中心膜片上，中心膜片與兩邊固定電容極板形成一差動(dòng)電容，與過(guò)程壓力差成正比。電容室為激光封焊，并在機(jī)械、電子和熱力上獨(dú)立于過(guò)程介質(zhì)及外部環(huán)境。傳感組件中增加了一溫度測(cè)量，用以補(bǔ)償熱效應(yīng)。在變送器的生產(chǎn)過(guò)程中，所有傳感器要經(jīng)過(guò)壓力和溫度的循環(huán)測(cè)試，由此產(chǎn)生正確的溫度校正系數(shù)，存入傳感組件的存儲(chǔ)器中。變送器工作時(shí)，傳感組件將差壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，此數(shù)字量信息連同傳感器組件存儲(chǔ)器中的校正系數(shù)一并送入電子組件模塊。電子組件有一塊混合ASIC和SMT的信號(hào)板，上面的微處理器對(duì)組件的信息進(jìn)行處理，最后由D/A輸出4～20mA的電流信號(hào)。42

電子組件的另一個(gè)重要功能是完成與DCS或275型HART手操通信器的雙向數(shù)字通信。數(shù)字通信使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Bell20