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1、 第九章 智能变送器 第一节 3051智能变送器一、构成原理爱默生-罗斯蒙特公司的3051C差压变送器是一种智能型两线制变送仪表，它将输入差压（或压力）信号转换成420mA的直流电流和数字通信（HART）信号。 3051C的产生3051C智能变送器是在1151S智能变送器的基础上开发出来的，而1151S智能变送器是在1151模拟变送器的基础上开发出来的。1151S的膜盒和1151模拟变送器是一样的，也是电容式室（或称室，的含义是微位移）传感器，但它的电子部件却是不同的。1151模拟变送器采用的是模拟电子线路，输出是420mA模拟信号；而1151S是以微处理器为核心部件的专用集成电路，整个变送器
2、的电子部件由一块板组成，它既可以输出420mA模拟信号，又能在420mA上叠加数字信号，还可以和手持终端或其他支持HART通信协议的设备进行数字通信，实现远程设定零点和量程。 1151S的技术性能比1151模拟变送器好，基本精度为0.1，最大测量范围为模拟变送器的2倍，量程比为15：1，其他如稳定性、温度特性等也比1151模拟变送器要好。 将1151S电容室移到了电子罩的颈部后，1151S就成为了3051C。这样做的目的是使电容式室远离过程法兰和被测介质，当被测介质温度发生变化时，电容传热影响减弱，仪表的温度性能和抗干扰性能提高。 传感器组件3051C有电容式和压电式两种传感器类型。电容式传感
3、器适用于测量差压和表压。常用于表压、流量和液位测量。压电式传感器适用于测量绝压，常用于真空及液位测量。电容式传感器电容式传感器将差压变化转换为电容的变化。3051C变送器选用高精度电容式传感器,它的工作原理参见第八章第一节1151模拟变送器传感器部分。电容式传感器如图9-1所示。图中：全焊接的密封设计；316L不锈钢外壳；土星检测技术；共平面的过程隔离法兰；多总线输出信号；专用集成电路ASIC技术；单一电路板。 传感器组件中的电容室采用激光焊封。机械部件和电子组件同外界隔离，既消除了静压的影响，也保证了电子线路的绝缘性能。同时检测温度值，以补偿热效应，提高测量精度。电容式压力传感器具有测量精度
4、高、测量重复性好、动态响应快、对温度静压敏感度小、制造重复性好等突出优点。 压电式传感器具有压电效应的敏感功能材料叫压电材料。压电材料可分成压电晶体、压电陶瓷、新型压电材料三大类。压电晶体是一种单晶体，例如石英晶体；压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅等。压电式传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器，其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对其施加压力或力而使它变形后，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。晶体上所产生的电荷的大小
5、与外部施加的压力或力成正比。 压电式传感器如图9-2所示。当压电片受到力的作用后，压电片发生变形，虚框变为实框，压电片外表面和压电片内表面的电荷极性相反。压电片一侧表面聚集正电荷，另一侧表面聚集负电荷，两个极板上的电荷量相等，但极性相反，由此产生的电势与被测压力成正比。 压电式传感器可以看作是一个电荷发生器，同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质。压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源，也可以等效为一个电荷(流)源与一个电容并联，其电容量为 （9-1）两极板间的电压为 (9-2)式中，是极板上聚集的电荷。因此，压电传感器可看作是电
6、容为C、电源电压为的串联电路。经压电传感器转换，差压或压力的变化转换为输出电压的变化。压电式传感器体积小、结构简单、不需外加电源、灵敏度和响应频率高，适用于压力的测量。膜盒3051C的膜盒部件和传统的膜盒部件不同，体积缩小，重量减轻，整机的性能有很大提高，基本精度0.0750.1，量程比100：1，其他如静压、温度、单向特性，也都上了一个档次。膜盒在制造过程中，需经温度和压力等特性试验。虽然膜盒是成批生产的，但不同的膜盒特性仍有差异，需要不同的校正系数。在3051C的检测部件中，增加了传感器存贮器,它是用来存放传感器的信息和校正系数的。转换时，微处理器可根据这些信息和校正系数，对传感器进行线性
7、修正，这不但提高了仪表精度，而且还增加了零部件之间的互换性。此外，在3051C的检测部件中，还增加了测温传感器，用以修正环境温度变化而引起的热影响。构成原理图9-3是3051C变送器的原理框图，该变送器选用的是电容传感器。3051C变送器由传感器组件和电子组件两部分组成。3051C变送器的工作原理是：被测差压通过隔离膜片和填充液作用于电容室中心的感压膜片，使之产生微小位移，感压膜片和它两侧电容极板所构成的差动电容值也随之改变。这一差动电容值与被测差压的大小成比例关系。电容传感器输出的信号经信号处理（AD转换）和微机处理后得到一个与输入差压对应的420mA直流电流或数字信号，作为变送器的输出。
8、变送器的电子部件安装在一块电路板上，使用专用集成电路(ASIC)和表面封装技术。3051C是由传感器和微处理器相结合而构成的，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或处理(如滤波、放大、AD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，并在很大程度上提高了传感器的性能。二、HART手持通信器HART手持通信
9、器主要用途是对仪表进行组态，用于功能与参数的确定。它的工作原理是利用现场总线的通信能力在生产现场连接仪表，组态构造系统功能。例如，HART（375）通信器，该通信器可以与任何HART或FF相容的设备在420mA回路的任何点接入，但在通信器的接入端子和电源之间必须提供最小负载为250的电阻。375通信器使用FSK技术，因而，在通信时不会干扰420mA信号。HART（375）通信器的如图9-4所示。375通信器的微处理器为80MHz；内置闪存32MB；系统卡为128MB；随机存储器为32 MB；可充电电池，根据情况最多可使用10h,电池充电电压为85240V；显示为1/4VGA(240320象素)
10、9.6cm触摸屏，单色，自动调光显示，抗反光涂层；键盘为25个键，包括4个功能键、6个动作键、12个字母数字符号键和3个迁移键；HART和现场总线接口为3个4mm的香蕉插孔（HART与FF共用其中一个插孔）。功能键指的是F1、F2、F3、F4键，它们用于解释显示于屏幕底部的命令。例如在屏幕底部F3的位置处出现“EDIT”(编辑)，则当按功能键F3时，屏幕上就出现“编辑菜单页”；如在F2的位置处显示“DEL”，则按功能键F2时，就会删除当前字符。动作键指的是电源开关键(IO)、光标移动键（）和热键()，其功能是接通或关闭电源、上下左右移动光标和为用户快速定义选项菜单。 字母数字符号键指的是26个
11、英文字母、10个阿拉伯数字和12个符号。迁移键指的是“、”3个键。当按键时，字母数字键上的左边字母起作用；当按键时，字母数字键上的中间字母起作用；当按键时，字母数字键上的右边字母起作用。 三、组态 HART通信器组态有两种组态方式：在线（联机）组态和离线（脱机）组态。前者是在通信器和变送器建立通信连接的状态下进行的组态，组态数据输入到375通信器的工作寄存器中，然后直接传送到连接的变送器上。后者则在未建立通信连接的状态下，将组态数据存入375通信器的非易失性存储器(EEPROM)中，待连接设备时可以将这些数据传送至变送器。 在组态中将修改参数传送至变送器时，为避免修改参数对控制回路带来影响，通
12、信器会显示提示信息“WARNINGControl loop should be in manual”(警告：控制回路应置于手动状态)，该显示信息仅仅是一个提示，不能将控制回路自动切换至手动，必须在控制室进行人工操作。当HART通信器与 HART变送器相连时，在线菜单的顶部显示变送器的名称和标签；在线菜单的底部显示F1F4软功能键，每一幅屏幕画面都可确定F1F4键的新用途。当HART通信器上电后，屏幕显示为主菜单，如图9-5。图中：HART Communicator为HART通信器；Off line为离线；On line为在线；Frequency Device为频率设备；Utility为效用。
13、HART通信器连到变送器回路时，变送器电源可以不关，但手持通信器的电源要关掉。如果在电源开着的时候连到变送器回路，则有时会打乱变送器的程序，所以不能带电连接。若HART通信器没有与变送器相连接时称为离线，否则称为在线，图9-6所示为在线菜单。“Burst” 是可选的通信模式，在这种通信模式下，允许单一的从站连续的广播一个标准的HART 响应信息。这种模式将主站从为得到更新的过程变量信息而不断对从站发送命令请求的重复中解放出来。同样的 HART 响应信息(PV或其他) 连续的由从站广播，直到主站指示其他命令。采用“burst” 通信方式，根据选择的命令不同，数据更新为每秒 3-4 次。Burst
14、 模式只能使用在单个从设备的网络中。 HART通信器的快键顺序表如表9-1所示。它说明了组态某一功能时的按键顺序。HART通信器的菜单树如图9-7所示。3051C变送器的配线如图9-8所示。手持通信器可接在信号回路的任一端点，读取变送器输出的反映差压大小的数字信号，并对变送器进行组态。HART手持通信器是一个与所有遵循HART协议的变送器相连接的手持终端，3051智能变送器是遵循HART协议的变送器，它的校验和调整可以在HART手持通信器上进行，也可以在装有HART通信卡的DCS上进行。如果这两种设备都没有，那只能在表体上进行。不过这时仪表的智能功能便发挥不了，只能当作一台高精度的模拟变送器使
15、用。HART手持通信器可以连到变送器接线端子，也可连到其他任何连接处，但不能直接接在电源两端，一定要经过负载电阻（需250）。HART的两根通信电线是没有极性的，可以随便连接。表9-1 3051 HART通信器快键顺序表功能快键顺序Alarm and Saturation Levels报警限值1,4,2,7Analog Output Alarm Type模拟输出报警类型1,4,3,2,4Burst Mode Control广播模式控制1,4,3,3,3Burst Operation广播模式工作1,4,3,3,3Custom Meter Configuration用户表头组态1,3,7,2Custom Meter Value用户表头值1,4,3,4,3Damping阻尼1,3,6Date日期1,3,4,1Descriptor描述1,3,4,2Digital To Analog Trim(9-20mA Output) 对模拟输出的数字微调1,2,3,2,1Disable Local Span/Zero Adjustment禁止本机量程和零点调整1,4,
