教学课件第三章变送器

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1、控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录第三章第三章 变送器变送器 变送器在自动检测和控制系统中的作用，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、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液位、成分等物理量转换成统一的标准信号标准信号，以供显示、记录或控制之用以供显示、记录或控制之用 1控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学

2、院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录分类分类 ：差压变送器差压变送器 压力变送器压力变送器 温度变送器温度变送器 液位变送器液位变送器 流量变送器流量变送器等等按被测参数按被测参数2控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性 3控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控

3、制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 3.1. 概述概述 3.1.1 变送器的构成原理变送器的构成原理 模拟式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数字式变送器的构成原理 4控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理模拟式模拟式变送器的组成变送器的组成 测量部分测量部分 放大器放大器 反馈部分反馈部分 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 5控制仪表和计算机控制

4、装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录当满足 1的条件时 模拟式模拟式变送器的输入输出关系变送器的输入输出关系 模拟式变送器的理想 输入输出特性6控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 在小型电子式变送器中，反馈部分在小型电子式变送器中，反馈部分往往仅由几个电阻和电位器构成，因此往往仅由几个电阻和电位器构成，因此常把反

5、馈部分和放大器合在一起作为一常把反馈部分和放大器合在一起作为一个负反馈放大部分看待；或者将反馈部个负反馈放大部分看待；或者将反馈部分和放大器合做在一块芯片内，这样变分和放大器合做在一块芯片内，这样变送器即可看成由送器即可看成由测量测量部分和部分和放大器放大器两部两部分组成。分组成。另外，另外，调零和零点迁移环节也调零和零点迁移环节也常常合并在放大器中。常常合并在放大器中。 7控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 数字式数字式变送器组成变送器组成

6、:二大部分二大部分软软 件件包括系统程序和包括系统程序和功能模块功能模块硬件电路硬件电路以微处理器以微处理器CPU为核心为核心 数字式变送器的构成原理数字式变送器的构成原理 8控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录数字式变送器的硬件构成数字式变送器的硬件构成9控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录

7、智能式变送器还配置有智能式变送器还配置有手持终端手持终端( (外外部数据设定器或组态器部数据设定器或组态器) )，用于对变送器用于对变送器参数进行设定，如设定变送器的型号、参数进行设定，如设定变送器的型号、量程调整、零点调整、输入信号选择、量程调整、零点调整、输入信号选择、输出信号选择、工程单位选择和阻尼时输出信号选择、工程单位选择和阻尼时间常数设定以及自诊断等间常数设定以及自诊断等。 10控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 数字式变送器的数

8、字式变送器的软件构成软件构成包括系统程序和包括系统程序和功能模块功能模块系统程序系统程序: 对对变送变送器硬件的各部分电路进行管器硬件的各部分电路进行管理，并使理，并使变送变送器能完成最基本的功能，器能完成最基本的功能，如如模拟信号和数字信号的转换、数据通模拟信号和数字信号的转换、数据通信、信、变送变送器器自检等自检等 11控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录功能模块可能有：功能模块可能有：资源模块资源模块 变量转换变量转换 模拟输入模拟输入

9、量程自动切量程自动切换换 非线性校正非线性校正 温度误差校温度误差校正正 阻尼时间设阻尼时间设定定 显示转换显示转换 运算功能运算功能 报警报警12控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录用户远程组态用户远程组态：通过上位管理计算机或挂接通过上位管理计算机或挂接在现场总线通信电缆上的手持式组态器，对变在现场总线通信电缆上的手持式组态器，对变送器进行远程组态，调用或删除功能模块送器进行远程组态，调用或删除功能模块用户本地调整用户本地调整：也可以使用专

10、用的编程工具也可以使用专用的编程工具对变送器进行本地调整对变送器进行本地调整13控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录3.1.2 变送器的一些共性问题变送器的一些共性问题 量程调整量程调整 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 线性化线性化变送器信号传输方式变送器信号传输方式14控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页

11、下页下页目目 录录 3.1.2.1. 3.1.2.1. 量程调整量程调整 使使变变送送器器的的输输出出信信号号上上限限值值ymax与与测测量量范范围围的的上限值上限值xmax相对应相对应 量量程程调调整整相相当当于于改改变变变变送送器器的的输输入入输输出出特特性性的的斜斜率率，也也就就是是改改变变变变送送器器输输出出信信号号y与与输输入入信信号号x之之间间的比例系数的比例系数 15控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录量程调整的方法量程调整的方法

12、 模拟式变送器模拟式变送器 改变反馈部分的反馈系数改变反馈部分的反馈系数 改变测量部分转换系数改变测量部分转换系数 软件实现软件实现 数字式变送器数字式变送器16控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 3.1.2.2.3.1.2.2.零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 使变送器的输出信号下限值使变送器的输出信号下限值ymia与测量范围的下限值与测量范围的下限值xmin相对应相对应 零点调整使变送器的测量起始点为零零点调整使变送器的测量起始点为零

13、在在xmin=0时，称为零点调整；在时，称为零点调整；在xmin0时，称为零点迁移时，称为零点迁移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是把测量的起始点由零迁移到某一数值: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，称为负迁移当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移17控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 零点调整和零点迁移的方法零点调整和零点迁移的方法 零点

14、迁移，再辅以量程调整，可以提高零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度仪表的测量精度 。模拟式变送器模拟式变送器 改变放大器输入端上的调零信号改变放大器输入端上的调零信号z z0 0 数字式变送器数字式变送器 软件实现软件实现 18控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 3.1.2.3. 3.1.2.3. 线性化线性化 原因原因：传传感器组件的输出信号与被测参数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之间往往存在着非线性关系模

15、拟式变送器非线性补偿方法模拟式变送器非线性补偿方法: 使反馈部分与传使反馈部分与传感器组件感器组件具有相同的非线性特性具有相同的非线性特性 19控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录使使测量部分测量部分与传与传感器组件感器组件具有相反的非线性特性具有相反的非线性特性 数字式变送器数字式变送器 非线性补偿方法非线性补偿方法: 软件实现软件实现 20控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信

16、息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 3.1.2.4.变送器信号传输方式变送器信号传输方式 气动变送器：两根气动管线气动变送器：两根气动管线 电动模拟式变送器：二线制电动模拟式变送器：二线制 四线制四线制 HART通讯通讯协议方式协议方式 数字式变送器：数字式变送器：双向双向全数字量传输信号全数字量传输信号 ( (现场总线通信方式现场总线通信方式 ) )21控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录电

17、动模拟式变送器信号传输方式电动模拟式变送器信号传输方式 二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号信号 二线制二线制 四线制传输四线制传输供电电源和输出信号分别用二根导线传输供电电源和输出信号分别用二根导线传输 22控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录优点：优点： 节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰 条件：条件： 工作电流：工作电流： 工作电压工作电压：二线制二

18、线制最小有效功率最小有效功率P: PI0min (Emin-I0minRLmax)23控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 数字数字式变送器信号传输方式式变送器信号传输方式 在一条电缆上同时传输在一条电缆上同时传输4 420mA20mA的模拟信号的模拟信号和数字信号和数字信号HART通讯协议通讯协议 :物理层物理层 数据链路层数据链路层 应用层应用层 HART通信协议是依照国际标准化组织通信协议是依照国际标准化组织(ISO)的开放式的开放式系统

19、互连系统互连(OSI)参考模型，简化并引用其中三层：参考模型，简化并引用其中三层： 24控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 物理层物理层 规定了信号的传输方法和传输介质规定了信号的传输方法和传输介质传送速率为传送速率为1200 bit/sbit/s 信号传输：信号传输：基于基于Bell 202 通讯标准，采用频移键控通讯标准，采用频移键控(FSK)方法，在方法，在420mA基础上叠加幅度为基础上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波作为数字信号的正

20、弦调制波作为数字信号25控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录传输介质传输介质: 单芯带屏蔽双绞电缆单芯带屏蔽双绞电缆 3000米米 多芯带屏蔽双绞电缆多芯带屏蔽双绞电缆 1500米米 短距离可使用非屏蔽电缆短距离可使用非屏蔽电缆 26控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 HART协议按主协议按主

21、/从方式通讯，这意味着只有在主从方式通讯，这意味着只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息有三种通讯站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息有三种通讯模式：模式： 点对点模式点对点模式-在一条电缆上传输在一条电缆上传输4 420mADC20mADC的的 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 多点模式多点模式-一条电缆连接多个一条电缆连接多个现场设备，这是现场设备，这是 全数字通信模式全数字通信模式 阵发模式阵发模式-允许总线上单一的从站自动、连续允许总线上单一的从站自动、连续 地发送一个标准的地发送一个标准的HART HART 响应信息响应信息 27控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制

22、装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录HART通讯方式的实现方法通讯方式的实现方法 输出波形整形电路输出波形整形电路: 满足满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿物理层规范所要求的信号波形上升沿/下降下降沿的时间，较平缓的上升沿沿的时间，较平缓的上升沿/下降沿的时间可以降低与其它下降沿的时间可以降低与其它HART网络间的串网络间的串扰扰带通滤波器带通滤波器: 抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为1200 Hz2200Hz数字信号数字信号FSKF

23、SK信号信号28控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 HARTHART通讯模块通讯模块HART通讯模块实现通讯模块实现二进制的数字信号与二进制的数字信号与FSK信号之间信号之间的相互转换的相互转换 FSKFSK信号信号FSKFSK信号信号数字数字信号信号数字信号数字信号控制控制信号信号0 0工作工作1 1工作工作检测检测420mA直流直流信号中是否叠加有数字信号信号中是否叠加有数字信号产生调制器和解调器所需的时间基准信号产生调制器和解调器所需的

24、时间基准信号0 or 10 or 129控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录 16位串行输入、位串行输入、420mA电流输出电流输出 与与HART通信模块共同完成变送器的数字通信通信模块共同完成变送器的数字通信 AD421组成：数模转换器、电流转换器和电压调整器组成：数模转换器、电流转换器和电压调整器串行串行数据数据V V电流转换器电流转换器输出输出数字信号数字信号电压调整器电压调整器输出电压输出电压数模转换器数模转换器30控制仪表和计算机控制

25、装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录AD421及电压调整电路原理图及电压调整电路原理图31控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录现场总线通信方式 通信控制单元通信控制单元实现物理层的功能，完成信息帧实现物理层的功能，完成信息帧的编码和解码、帧校验、数据的发送与接收的编码和解码、帧校验、数据的发送与接收 媒体访问单元媒体访问单元MPU的主要功能是发送与接收符的主要功能是发送与接收符合现场总线规范的信号合现场总线规范的信号 PB205032控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系浙江大学信息学院控制系上页上页下页下页目目 录录上页上页下页下页目目 录录作业： 1-2 “控制仪表与计算机控制装置”书中 P135 3-4题、 3-6题 33