過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)

過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)第一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二基本控制系統(tǒng)第二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.1

過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)概述壓力檢測(cè)溫度檢測(cè)流量檢測(cè)物位檢測(cè)成分和物性參數(shù)的檢測(cè)軟測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介第四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.1概述檢測(cè)過(guò)程與測(cè)量誤差過(guò)程參數(shù)的一般檢測(cè)原理變送器的基本特性和構(gòu)成原理變送器的若干共性問(wèn)題第五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.1.1檢測(cè)過(guò)程與測(cè)量誤差

檢測(cè)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)就是用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測(cè)量的值。被測(cè)變量傳感器參數(shù)檢測(cè)的基本過(guò)程被測(cè)對(duì)象變送器顯示裝置

傳感器又稱(chēng)為檢測(cè)元件或敏感元件，它直接響應(yīng)被測(cè)變量，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與被測(cè)變量成對(duì)應(yīng)關(guān)系的便于傳送的輸出信號(hào)，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。由于傳感器的輸出信號(hào)種類(lèi)很多，而且信號(hào)往往很微弱，一般都需要經(jīng)過(guò)變送環(huán)節(jié)的進(jìn)一步處理，把傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成如0～10mA、4～20mA等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的模擬量信號(hào)或者滿(mǎn)足特定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量信號(hào)，這種檢測(cè)儀表稱(chēng)為變送器。有些時(shí)候，傳感器可以不經(jīng)過(guò)變送環(huán)節(jié)，直接通過(guò)顯示裝置把被測(cè)量顯示出來(lái)。第六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量誤差測(cè)量誤差——儀表測(cè)得的測(cè)量值與被測(cè)真值之差

由于真值在理論上是無(wú)法真正被獲取的，因此，測(cè)量誤差就是指檢測(cè)儀表（精度較低）和標(biāo)準(zhǔn)表（精度較高）在同一時(shí)刻對(duì)同一被測(cè)變量進(jìn)行測(cè)量所得到的2個(gè)讀數(shù)之差。即：x0——標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)測(cè)量誤差的幾種表示形式：絕對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差標(biāo)稱(chēng)相對(duì)誤差相對(duì)百分誤差第七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)儀表的精確度一臺(tái)測(cè)量范圍0～1000kPa的壓力測(cè)量?jī)x表，其最大絕對(duì)誤差10kPa(在整個(gè)量程范圍內(nèi))，另一臺(tái)測(cè)量范圍0～400kPa的壓力測(cè)量?jī)x表，其最大絕對(duì)誤差5kPa，請(qǐng)問(wèn)哪一臺(tái)壓力檢測(cè)儀表的精度更高？雖然后者的最大絕對(duì)誤差較小，但這并不說(shuō)明后者較前者精度高。在自動(dòng)化儀表中，通常是以最大相對(duì)百分誤差來(lái)衡量?jī)x表的精確度，定義儀表的精度等級(jí)。

第八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

由于儀表的絕對(duì)誤差在測(cè)量范圍內(nèi)的各點(diǎn)上是不相同的，因此在工業(yè)上通常將絕對(duì)誤差中的最大值，即把最大絕對(duì)誤差折合成測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)表示，稱(chēng)為最大相對(duì)百分誤差:儀表的精度等級(jí)（精確度等級(jí)）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對(duì)百分誤差。

第九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆儀表的精度等級(jí)（精確度等級(jí)）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對(duì)百分誤差。把儀表允許的最大相對(duì)百分誤差去掉“±”號(hào)和“％”號(hào)，便可以用來(lái)確定儀表的精度等級(jí)。目前，按照國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的儀表精度等級(jí)有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所謂的0.5級(jí)儀表，表示該儀表允許的最大相對(duì)百分誤差為±0.5％，以此類(lèi)推第十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.51.0儀表的精度等級(jí)是衡量?jī)x表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一。精度等級(jí)數(shù)值越小，表示儀表的精確度越高。精度等級(jí)數(shù)值小于等于0.05的儀表通常用來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)表，而工業(yè)用表的精度等級(jí)數(shù)值一般大于等于0.5。精度等級(jí)一般用一定的符號(hào)形式表示在儀表面板上：第十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆例1：某壓力變送器測(cè)量范圍為0～400kPa，在校驗(yàn)該變送器時(shí)測(cè)得的最大絕對(duì)誤差為—5kPa，請(qǐng)確定該儀表的精度等級(jí)。解：先求最大相對(duì)百分誤差去掉和%為1.25，因此該變送器精度等級(jí)為1.5級(jí)

第十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二例2：根據(jù)工藝要求選擇一測(cè)量范圍為0~40m3/h的流量計(jì)，要求測(cè)量誤差不超過(guò)0.5m3/h，請(qǐng)確定該儀表的精度等級(jí)。

解：同樣，先求最大相對(duì)百分誤差因此該流量計(jì)必須選擇1.0級(jí)的流量計(jì)

結(jié)論：

工藝要求得允許誤差≥儀表的允許誤差≥校驗(yàn)所得到的相對(duì)百分誤差

第十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆例3：某被測(cè)溫度信號(hào)在70～80℃范圍內(nèi)變化，工藝要求測(cè)量誤差不超過(guò)±1％，現(xiàn)有兩臺(tái)溫度測(cè)量?jī)x表，精度等級(jí)均為0.5級(jí)，其中一臺(tái)儀表的測(cè)量范圍是0～100℃，另一臺(tái)儀表的測(cè)量范圍是0～200℃，試問(wèn)這兩臺(tái)儀表能否滿(mǎn)足上述測(cè)量要求。解：由題意可知，被測(cè)溫度的允許最大絕對(duì)誤差為：

|△max|＝70×1％＝0.7℃

測(cè)量范圍為0～100℃的儀表的最大允許絕對(duì)誤差為：

|△max|1＝100×0.5％＝0.5℃

測(cè)量范圍為0～200℃的儀表的最大允許絕對(duì)誤差為：

|△max|2＝200×0.5％＝1.0℃根據(jù)上述計(jì)算，雖然兩臺(tái)儀表的精度等級(jí)均為0.5級(jí)，但只有測(cè)量范圍是0～100℃的溫度測(cè)量?jī)x表才滿(mǎn)足本題的測(cè)量要求。

第十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)非線性誤差在通常情況下，總是希望測(cè)量?jī)x表的輸出量和輸入量之間呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)量?jī)x表的非線性誤差就是用來(lái)表征儀表的輸出量和輸入量的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系與理論直線的吻合程度。

通常非線性誤差用實(shí)際測(cè)得的輸入－輸出特性曲線（也稱(chēng)為校準(zhǔn)曲線）與理論直線的之間的最大偏差和測(cè)量?jī)x表量程之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示：被測(cè)變量?jī)x表輸出理論實(shí)際第十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)變差在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對(duì)被測(cè)變量在全量程范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即逐漸由小到大和逐漸由大到?。y(cè)量時(shí)，對(duì)應(yīng)于同一被測(cè)值的儀表輸出可能不等，二者之差的絕對(duì)值即為變差。被測(cè)變量?jī)x表輸出下行程上行程變差的大小，根據(jù)在同一被測(cè)值下正反特性間儀表輸出的最大絕對(duì)誤差和測(cè)量?jī)x表量程之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示：第十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)靈敏度和分辨力靈敏度是表征檢測(cè)儀表對(duì)被測(cè)量變化的靈敏程度，它是指儀表輸出變化量和輸入變化量之比，即

靈敏度＝Δy/Δx

分辨力又稱(chēng)為靈敏限，是儀表輸出能響應(yīng)和分辨的最小輸入變化量，它也是靈敏度的一種反映。對(duì)數(shù)字式儀表來(lái)說(shuō)，分辨力就是數(shù)字顯示儀表變化一個(gè)LSB（二進(jìn)制最低有效位）時(shí)輸入的最小變化量。

第十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)誤差引起該誤差的原因是由于檢測(cè)元件和檢測(cè)系統(tǒng)中各種運(yùn)動(dòng)慣性以及能量形式轉(zhuǎn)換需要時(shí)間所造成的。衡量各種運(yùn)動(dòng)慣性的大小，以及能量傳遞的快慢常采用時(shí)間常數(shù)T和傳遞滯后時(shí)間（純滯后時(shí)間）τ兩個(gè)參數(shù)表示（這兩個(gè)參數(shù)的含義與上一章中對(duì)象數(shù)學(xué)模型中的時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間τ的數(shù)學(xué)含義是一致的）相對(duì)百分誤差、非線性誤差、變差都是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）誤差。動(dòng)態(tài)誤差是指檢測(cè)系統(tǒng)受外擾動(dòng)作用后，被測(cè)變量處于變動(dòng)狀態(tài)下儀表示值與參數(shù)實(shí)際值之間的差異。

它們的存在會(huì)降低檢測(cè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能，其中純滯后時(shí)間τ的不利影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)時(shí)間常數(shù)T的影響。第十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.1.2過(guò)程參數(shù)的一般檢測(cè)原理

參數(shù)檢測(cè)離不開(kāi)敏感元件（傳感器），敏感元件是按照一定的原理把被測(cè)變量的信息轉(zhuǎn)換成另一種可進(jìn)行進(jìn)一步處理或表示的信息。守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、動(dòng)量守恒等等。例如：孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等就是根據(jù)流體的動(dòng)能和靜壓能之間的變化(能量守恒)來(lái)測(cè)量流體的流速。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程一般都是利用諸多的自然規(guī)律和基礎(chǔ)效應(yīng):第十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二場(chǎng)的定律如靜電場(chǎng)、電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律、動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律等等。典型例子：電容傳感器。dεΕ-兩平行板間物質(zhì)的介電常數(shù)，S-板面積，d-兩平行板之間的距離。如果把一個(gè)極板固定，把另一個(gè)極板與可產(chǎn)生位移的敏感元件相連，即可將敏感元件的位移轉(zhuǎn)換成電容量的大小。第二十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二過(guò)程參數(shù)的一般檢測(cè)原理熱電效應(yīng)

把兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體連接成閉合的回路，如果將兩個(gè)接點(diǎn)分別放置于不同的溫度，則該回路內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，t0tAB

利用導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，可將兩種不同的導(dǎo)體制成熱電偶用于溫度檢測(cè)，這也是一種工業(yè)上普遍使用的溫度檢測(cè)方法之一。第二十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二電阻的熱效應(yīng)電阻的熱效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。通常，電阻值和溫度之間可以建立如下的簡(jiǎn)化關(guān)系式Rt為溫度t時(shí)的電阻值，Rt0為溫度t0時(shí)的電阻值，α為溫度系數(shù)?？梢?jiàn)，溫度的變化可以導(dǎo)致電阻體的電阻發(fā)生變化，因此只要設(shè)法測(cè)量出電阻值的變化就可以達(dá)到測(cè)量溫度的目的，這也是另一種工業(yè)上普遍使用的溫度檢測(cè)方法。第二十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二過(guò)程參數(shù)的一般檢測(cè)原理壓電效應(yīng)

當(dāng)某些材料受壓發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，在兩個(gè)相對(duì)的面上會(huì)產(chǎn)生異號(hào)電荷。這種在沒(méi)有外電場(chǎng)存在，由于形變引起的電現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)利用金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料制成的電阻體，其阻值R可以表示成可見(jiàn)，利用壓電效應(yīng)可進(jìn)行力、壓力的測(cè)量。第二十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二電阻體的電阻值變化歸結(jié)為兩個(gè)因素：由尺寸變化引起的（如l、A），稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)；由電阻率變化引起的，稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。對(duì)于金屬材料，以前者為主；對(duì)于半導(dǎo)體材料，以后者為主。當(dāng)電阻體材料的電阻率、長(zhǎng)度或者截面積發(fā)生變化，可引起電阻體電阻值發(fā)生變化

利用材料的應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)制成的敏感元件可用于壓力等參數(shù)的測(cè)量。第二十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.1.3變送器的基本特性和構(gòu)成原理傳感器的作用是基于各種自然規(guī)律和基礎(chǔ)效應(yīng)的前提下，把被測(cè)變量轉(zhuǎn)化為一個(gè)與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的便于傳送的輸出信號(hào)，如電壓、電流、電阻、頻率、位移、力等等。但由于傳感器的輸出信號(hào)種類(lèi)很多，而且信號(hào)往往十分微弱并伴有非線性，因此，除了部分單純以顯示為目的的檢測(cè)系統(tǒng)之外，多數(shù)情況下都要利用變送器來(lái)把傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模擬量或者數(shù)字量輸出信號(hào)，送到顯示裝置以指針、數(shù)字、曲線等形式把被測(cè)量顯示出來(lái)，或者同時(shí)送到控制器對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制。

變送器基本的輸入輸出特性對(duì)于一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳感器和變送器可以是兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)，也可以是一個(gè)有機(jī)的整體。但是，變送器的輸入輸出特性通常是指包括敏感元件和變送環(huán)節(jié)的整體特性，原因：一是人們往往更關(guān)心檢測(cè)系統(tǒng)的輸出與被測(cè)物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，二是敏感元件的某些特性往往需要通過(guò)變送環(huán)節(jié)進(jìn)行處理和補(bǔ)償以提高測(cè)量精度，例如：線性化處理、環(huán)境溫度的補(bǔ)償?shù)鹊?。第二十五?yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二變送器基本的輸入輸出特性變送器的理想輸入輸出特性yminymax0(xmin)xmaxyxxmax和xmin分別為變送器測(cè)量范圍的上限值和下限值

ymax和ymin分別為變送器輸出信號(hào)的上限值和下限值對(duì)于模擬式變送器：

ymax和ymin即為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的上限值和下限值對(duì)于智能式變送器：

ymax和ymin即為輸出數(shù)字信號(hào)范圍的上限值和下限值第二十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——模擬變送器的構(gòu)成原理測(cè)量部分放大器反饋部分

x測(cè)量部分Ki模擬式變送器的組成：zi放大器Koy反饋部分Kfzf+－零點(diǎn)調(diào)整零點(diǎn)遷移+z0關(guān)鍵環(huán)節(jié)：第二十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)滿(mǎn)足KoKf>>1的條件時(shí)xKiziKoyKfzf+－+z0變送器的輸入輸出關(guān)系第二十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二如果，[ymin，ymax]

與[xmin，xmax]

，如何調(diào)整？？1.調(diào)整Ki、Kf可以改變線性關(guān)系的斜率，調(diào)試會(huì)影響零點(diǎn)2.調(diào)整z0可以改變零點(diǎn)，同時(shí)也會(huì)引起線性關(guān)系的平移第二十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——數(shù)字式變送器的構(gòu)成原理x檢測(cè)元件A/D轉(zhuǎn)換CPU通信電路數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)器一般形式x檢測(cè)元件A/D轉(zhuǎn)換CPU通信電路FSK信號(hào)存儲(chǔ)器D/A轉(zhuǎn)換Frequencyshiftkeying采用HART協(xié)議通信方式第三十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二數(shù)字式變送器軟件部分包括:

A/D采樣程序量程轉(zhuǎn)換程序工程量變換程序?yàn)V波程序誤差校正程序

D/A輸出程序通訊程序輔助功能程序數(shù)字變送器的軟件組成第三十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.1.4變送器的一些共性問(wèn)題零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移

線性化

變送器信號(hào)傳輸方式

量程調(diào)整

第三十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——量程調(diào)整量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器的輸入輸出特性的斜率，也就是改變變送器輸出信號(hào)y與輸入信號(hào)x之間的比例系數(shù)xyxminxmaxyminymax使變送器的輸出信號(hào)上限值ymax與測(cè)量范圍的上限值xmax相對(duì)應(yīng)第三十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——量程調(diào)整的方法改變反饋部分的反饋系數(shù)Kf

改變測(cè)量部分轉(zhuǎn)換系數(shù)Ki

軟件實(shí)現(xiàn)模擬式變送器數(shù)字式變送器Kf↑Ki↑量程

量程

↑↓第三十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——零點(diǎn)調(diào)整零點(diǎn)調(diào)整的方法·模擬變送器：調(diào)Z0·數(shù)字變送器：軟件使變送器的輸出信號(hào)下限值ymin與測(cè)量范圍的下限值xmin=0相對(duì)應(yīng)xy0xmaxyminymax第三十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——零點(diǎn)遷移使變送器的輸出信號(hào)下限值ymia與測(cè)量范圍的下限值xmin相對(duì)應(yīng)，在xmin=0時(shí)，稱(chēng)為零點(diǎn)調(diào)整，在xmin≠0時(shí)，稱(chēng)為零點(diǎn)遷移當(dāng)測(cè)量的起始點(diǎn)由零變?yōu)槟骋徽?，稱(chēng)為正遷移；當(dāng)測(cè)量的起始點(diǎn)由零變?yōu)槟骋回?fù)值，稱(chēng)為負(fù)遷移·零點(diǎn)調(diào)整使變送器的測(cè)量起始點(diǎn)為零·零點(diǎn)遷移是把測(cè)量的起始點(diǎn)由零遷移到某一數(shù)值:xminxyxmaxyminymax0xmaxxminxmax零點(diǎn)遷移的方法·模擬變送器：調(diào)Z0·數(shù)字變送器：軟件第三十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——線性化原因：傳感器組件的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)之間往往存在著非線性關(guān)系模擬式變送器非線性補(bǔ)償方法:

1.使反饋部分與傳感器組件具有相同的非線性特性

2.使測(cè)量部分與傳感器組件具有相反的非線性特性數(shù)字式變送器非線性補(bǔ)償方法:軟件實(shí)現(xiàn)

第三十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——變送器信號(hào)傳輸氣動(dòng)變送器：電動(dòng)模擬式變送器：HART通訊協(xié)議方式數(shù)字式變送器：兩根氣動(dòng)管線（氣源和信號(hào)）二線制四線制雙向全數(shù)字量傳輸信號(hào)(現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式)第三十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二二根導(dǎo)線同時(shí)傳送變送器所需的電源和輸出電流信號(hào)

二線制四線制供電電源和輸出信號(hào)分別用二根導(dǎo)線傳輸

RL四線制變送器Io電源二線制變送器RLErrIo電動(dòng)模擬式變送器信號(hào)傳輸方式第三十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二節(jié)省連接電纜、有利于安全防爆和抗干擾

二線制變送器的條件：工作電流：

工作電壓：——二線制二線制優(yōu)點(diǎn)：目前大多數(shù)變送器均為二線制變送器二線制變送器RLErrIo+VT—第四十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——數(shù)字式變送器信號(hào)傳輸方式HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）協(xié)議是一種過(guò)渡性協(xié)議，它采用FSK技術(shù)，在4～20mA過(guò)程測(cè)量模擬信號(hào)上疊加了一個(gè)頻率信號(hào)，使模擬信號(hào)與數(shù)字雙向通訊能同時(shí)進(jìn)行，即在一條電纜上同時(shí)傳輸4～20mA的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，互不干擾。我國(guó)目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中4～20mA標(biāo)準(zhǔn)的模擬儀表仍大量存在，HART協(xié)議起到了承前啟后的作用，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。HART通訊協(xié)議

:物理層

數(shù)據(jù)鏈路層

應(yīng)用層

HART通信協(xié)議是依照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開(kāi)放式系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，簡(jiǎn)化并引用其中三層：

這種被稱(chēng)為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道最早由Rosemount公司開(kāi)發(fā)并得到80多家著名儀表公司的支持,于1993年成立了HART通信基金會(huì)。第四十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法和傳輸介質(zhì)傳送速率為1200bit/s

FSK信號(hào)相位連續(xù)，均值＝0，則疊加上的信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)沒(méi)有影響信號(hào)傳輸：基于Bell202通訊標(biāo)準(zhǔn)，采用頻移鍵控FSK方法，在4～20mA基礎(chǔ)上疊加幅度為±0.5mA的正弦調(diào)制波作為數(shù)字信號(hào)

物理層第四十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二傳輸介質(zhì):

單芯帶屏蔽雙絞電纜3000米多芯帶屏蔽雙絞電纜1500米短距離可使用非屏蔽電纜

第四十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二規(guī)定了數(shù)據(jù)幀的格式和數(shù)據(jù)通訊規(guī)程定界符定義了幀的類(lèi)型和尋址格式

地址有短格式(1字節(jié))和長(zhǎng)格式(5字節(jié))響應(yīng)碼在變送器向主設(shè)備通信時(shí)才有，表示數(shù)據(jù)通信狀態(tài)和變送器工作狀態(tài)

數(shù)據(jù)幀格式：由鏈路同步信息、尋址信息、用戶(hù)信息及校驗(yàn)和組成

校驗(yàn)和數(shù)據(jù)字節(jié)響應(yīng)碼字節(jié)長(zhǎng)度命令號(hào)地址定界符鏈路同步碼數(shù)據(jù)鏈路層供參考第四十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二HART協(xié)議按主/從方式通訊即：只有在主站呼叫時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（從站）才傳送信息。通信由主設(shè)備發(fā)起，即發(fā)出請(qǐng)求(指令)，被訪問(wèn)的從設(shè)備(即現(xiàn)場(chǎng)儀表)負(fù)責(zé)解析指令并返回對(duì)指令的響應(yīng)。HART的介質(zhì)訪問(wèn)控制本質(zhì)是上一種令牌總線技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是保證數(shù)據(jù)在總線上傳輸時(shí)不發(fā)生沖突(只是取得令牌，才有權(quán)發(fā)起通信)，同時(shí)保證在限定時(shí)間內(nèi)任一站點(diǎn)可以取得鏈路控制權(quán)。HART的令牌是隱含的，即沒(méi)有“令牌幀”的存在，而是定義了與令牌作用相似的時(shí)限(定時(shí))規(guī)則。供參考第四十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式---在一條電纜上同時(shí)傳輸4～20mADC的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)

多點(diǎn)模式---一條電纜連接多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這是全數(shù)字通信模式

陣發(fā)模式---允許總線上有一個(gè)從站自動(dòng)、連續(xù)地發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的HART響應(yīng)信息

有三種通訊模式：從設(shè)備可以被主設(shè)備組態(tài)為陣發(fā)模式(Burstmode)，即自動(dòng)執(zhí)行某一特定指令并給出響應(yīng)無(wú)需得到請(qǐng)求，只有在此模式下從設(shè)備可以發(fā)起通信，從而可能引起與主設(shè)備間對(duì)鏈路控制權(quán)的爭(zhēng)用，否則從設(shè)備持續(xù)非活動(dòng)(等待)狀態(tài)，僅能對(duì)請(qǐng)求作出響應(yīng)。同一鏈路上只能有一個(gè)陣發(fā)模式從設(shè)備與主設(shè)備，包括一個(gè)第一主設(shè)備和一個(gè)第二主設(shè)備，同時(shí)存在從從從從從主主第一第二陣發(fā)邏輯環(huán)供參考第四十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二第一主站可以是DCS、PLC、基于計(jì)算機(jī)的控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，第二主站可以是手持終端，手持終端幾乎可以連接在網(wǎng)絡(luò)任何地方，在不影響第一主站通信的情況下與任何一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信。從從從從從主主第一第二陣發(fā)邏輯環(huán)供參考第四十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二規(guī)定了通訊命令的內(nèi)容

命令類(lèi)型：

通用命令

通用操作命令

特殊命令適用于所有符合HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表

包括制造廠商和儀表類(lèi)型、變量值和單位、阻尼時(shí)間、系列號(hào)等

適用于大部分符合HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表

包括讀變量、改變上/下限值、調(diào)零和調(diào)量程、儀表自檢等

各制造廠的產(chǎn)品自己所特有的命令

用于對(duì)儀表中的專(zhuān)門(mén)參數(shù)或儀表的特有功能進(jìn)行自由定義，如開(kāi)始、結(jié)束或清累積，讀寫(xiě)校正系數(shù)，使能PID，改變給定值等應(yīng)用層供參考第四十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二CPUDAC(AD421)HARTMODEMBELL202波形整形電路HART通訊方式的實(shí)現(xiàn)方法Io(4~20mA)RLE帶通濾波器輸出波形整形電路：滿(mǎn)足HART物理層規(guī)范所要求的信號(hào)波形上升沿/下降沿的時(shí)間，較平緩的上升沿/下降沿的時(shí)間可以降低與其它HART網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_。帶通濾波器:抑制接收信號(hào)中的感應(yīng)噪聲，其頻寬大約為1200Hz～2200Hz

FSKFSK供參考第四十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二HART通訊模塊HART通訊模塊實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)與FSK信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換

HT2012是SMAR公司專(zhuān)門(mén)為HART產(chǎn)品而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的通訊模塊HT2012功能框圖

調(diào)制器解調(diào)器時(shí)基電路載波監(jiān)測(cè)ITXDINRTS460.8kHzIRXAOXTA19.2kHzORXDOCDHT2012功能框圖供參考第五十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二ITXD從CPU異步串行輸出口獲得數(shù)字信號(hào)，經(jīng)調(diào)制后在OTXA輸出FSK信號(hào)，F(xiàn)SK信號(hào)經(jīng)整形后加載到4～20mA輸出回路上。調(diào)制器解調(diào)器ITXDIRXAOXTAORXD通過(guò)IRXA獲得FSK信號(hào)，F(xiàn)SK信號(hào)經(jīng)解調(diào)后在ORXD輸出數(shù)字信號(hào)，ORXD直接與CPU的異步串行輸入口相連。供參考第五十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二INRTS：調(diào)制、解調(diào)器的控制端

INRTS＝0時(shí)，調(diào)制器工作，解調(diào)器輸出不定

INRTS＝1時(shí)，解調(diào)器工作，調(diào)制器輸出呈高阻狀態(tài)上述機(jī)制說(shuō)明HART是半雙工的。載波監(jiān)測(cè)INRTS調(diào)制器解調(diào)器ITXDIRXAOXTAORXDOCDOCD作為載波偵聽(tīng)輸出，當(dāng)存在數(shù)字信號(hào)時(shí)，OCD＝0，啟動(dòng)CPU1讀取ORXD處的解調(diào)信號(hào)供參考第五十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二時(shí)基電路：產(chǎn)生調(diào)制、即跳起所需要的時(shí)鐘信號(hào) 同時(shí)還提供一路19.2kHz的時(shí)鐘輸出時(shí)基電路460.8kHz19.2kHz調(diào)制器解調(diào)器載波監(jiān)測(cè)ITXDINRTSIRXAOXTAORXDOCD供參考第五十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二調(diào)制器 ITXD：二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)輸入

OXTA：FSK信號(hào)輸出解調(diào)器 IRXA：FSK信號(hào)輸入(由信號(hào)回路) ORXD：二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)輸出INRTS：控制端 “0”，調(diào)制器工作，解調(diào)器輸出不定； “1”，解調(diào)器工作，調(diào)制器輸出呈高阻狀態(tài)。載波監(jiān)測(cè)電路用于檢測(cè)4～20mA直流信號(hào)中是否疊加有數(shù)字信號(hào),偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)和啟動(dòng)接收時(shí)基電路產(chǎn)生調(diào)制器和解調(diào)器所需的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)還提供19.2kHz的脈沖輸出供參考第五十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.某壓力測(cè)量?jī)x表的測(cè)量范圍是0～1000KPa，根據(jù)工藝要求，壓力測(cè)量的絕對(duì)誤差不得超過(guò)±8KPa，試問(wèn)選擇何種精度等級(jí)的壓力檢測(cè)儀表才能滿(mǎn)足以上要求？2.某測(cè)溫儀表測(cè)溫范圍為600～1100°C，已知其最大絕對(duì)誤差為±6°C，則其精度等級(jí)為多少？

課堂作業(yè)第五十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2壓力檢測(cè)壓力的表示方法檢測(cè)方法的分類(lèi)液柱式壓力檢測(cè)彈性式壓力檢測(cè)電氣式壓力檢測(cè)智能式壓力變送器壓力檢測(cè)儀表的選用和安裝☆☆

★★☆★第五十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二三種壓力表示方法絕對(duì)壓力pa表壓力p負(fù)壓或真空度ph3.2.1壓力的表示方法pa絕對(duì)壓力零線pphpa大氣壓p01.01325×105Pa絕對(duì)壓力是指物體所受的實(shí)際壓力。

表壓是指一般壓力表所測(cè)得的壓力，它是高于大氣壓力的絕對(duì)壓力與大氣壓力之差，即

真空度是指大氣壓與低于大氣壓的絕對(duì)壓力之差，有時(shí)也稱(chēng)為負(fù)壓，即由于各種工藝設(shè)備和檢測(cè)儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常采用表壓或者真空度來(lái)表示壓力的大小，一般的壓力檢測(cè)儀表所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說(shuō)明之外，以后所提及的壓力均指表壓。

第五十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.2壓力檢測(cè)方法的分類(lèi)

目前工業(yè)上常用的壓力檢測(cè)方法和壓力檢測(cè)儀表很多，根據(jù)敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的不同，一般分為四類(lèi)：(1)液柱式壓力檢測(cè)

一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進(jìn)行測(cè)量。(2)彈性式壓力檢測(cè)

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)行測(cè)量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。(3)電氣式壓力檢測(cè)

它是利用敏感元件將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換成各種電量進(jìn)行測(cè)量的儀表，如電阻、電荷量等。(4)活塞式壓力檢測(cè)

它是根據(jù)液壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量來(lái)進(jìn)行測(cè)量?；钊綁毫τ?jì)的測(cè)量精度較高，允許誤差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)壓力檢測(cè)儀表進(jìn)行檢定。

第五十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.3液柱式壓力檢測(cè)

液柱式壓力檢測(cè)是以液體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的，它們一般采用水銀或水為工作液，用U型管進(jìn)行測(cè)量，常用于較低壓力、負(fù)壓或壓力差的檢測(cè)。p1p2p1p2h(a)(b)

特點(diǎn)：直觀、可靠、準(zhǔn)確度較高等，但U形管只能測(cè)量較低的壓力或差壓，為了便于讀數(shù)，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指示。用U形管進(jìn)行壓力檢測(cè)，其誤差來(lái)源主要有：①溫度誤差——由使用環(huán)境溫度的變化引起的測(cè)量誤差。它主要包括兩個(gè)方面：一是標(biāo)尺長(zhǎng)度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度系數(shù)極?。?；二是工作液密度隨溫度的變化。例如水，當(dāng)溫度從10℃變到20℃時(shí)，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對(duì)變化量為0.15％。②安裝誤差——當(dāng)U形管安裝不垂直時(shí)將會(huì)產(chǎn)生安裝誤差。例如若傾斜5°，讀數(shù)誤差約0.38％。第五十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.4彈性式壓力檢測(cè)彈性式壓力檢測(cè)是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的一種檢測(cè)方法。

平薄膜波紋膜波紋管單圈彈簧管多圈彈簧管膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級(jí)。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來(lái)使用，通過(guò)膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；波紋管的位移相對(duì)較大，一般可在其頂端安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針直接讀數(shù)。其特點(diǎn)是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測(cè)較低的壓力（1.0～106Pa），但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達(dá)到1.5級(jí)；彈簧管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達(dá)0.15級(jí)。第六十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——彈簧管和彈簧管壓力表彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270°）的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開(kāi)口。閉口端作為自由端，開(kāi)口端作為固定端。被測(cè)壓力介質(zhì)從開(kāi)口端進(jìn)入并充滿(mǎn)彈簧管的整個(gè)內(nèi)腔，由于彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢(shì)而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時(shí)改變其中心角。位移量（中心角改變量）和所加壓力有如下的函數(shù)關(guān)系：式中θ0為彈簧管中心角的初始角；Δθ為受壓后中心角的改變量；R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長(zhǎng)、短半軸。第六十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－－面板7－游絲8－調(diào)節(jié)螺釘9－接頭圖3-18彈簧管壓力表彈簧管自由端B的位移量一般很小，需要通過(guò)放大機(jī)構(gòu)才能指示出來(lái),為了加大彈簧管自由端的位移量，也可采用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。單圈彈簧管壓力表是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用最普遍的就地指示式壓力檢測(cè)儀表（也有電接點(diǎn)輸出的彈簧管壓力表）彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓一般的工業(yè)用彈簧管壓力表的精度等級(jí)為1.5級(jí)或2.5級(jí)，但根據(jù)制造的要求，其精度等級(jí)最高可達(dá)0.15級(jí)。第六十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——膜盒式差壓變送器工作原理：力矩平衡檢測(cè)元件——膜盒或膜片

杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿和矢量機(jī)構(gòu)

膜盒式差壓變送器構(gòu)成

△P測(cè)量部分Fi杠桿系統(tǒng)△M放大器反饋部分FfIo第六十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二DDZ-III型差壓變送器檢測(cè)部分:ΔP→輸入力Fi

杠桿系統(tǒng):力的傳遞和力矩比較，生成位移信號(hào)

位移檢測(cè)放大器:位移→輸出Io電磁反饋裝置:輸出→反饋力Ff△P膜盒Fi杠桿系統(tǒng)△M位移檢測(cè)放大器電磁反饋機(jī)構(gòu)FfIoRETURN第六十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二(1)測(cè)量部分

作用：把被測(cè)差壓ΔP轉(zhuǎn)換成作用于主杠桿下端的輸入力Fi

A1=A2=Ad

Fi=Ad(P1-P2)

=AdΔP

Fi=A1P1-A2P2因:

故:p1p2負(fù)壓室正壓室軸封膜片主杠桿第六十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二(2)杠桿系統(tǒng)

進(jìn)行力的傳遞和力矩比較

①

主杠桿將Fi轉(zhuǎn)換為F1

②矢量機(jī)構(gòu)將F1轉(zhuǎn)換為F2

③副杠桿將F2產(chǎn)生的力矩與Ff產(chǎn)生的力矩進(jìn)行比較，生成位移變化

zz第六十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二①

主杠桿將Fi轉(zhuǎn)換為F1F1作用于矢量機(jī)構(gòu)上

HF1Fil2l1第六十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二②矢量機(jī)構(gòu)將輸入力F1轉(zhuǎn)換為作用于副杠桿上的力F2

(a)(b)第六十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二③副杠桿進(jìn)行力矩的比較

F2產(chǎn)生的力矩Ff產(chǎn)生的力矩合力矩調(diào)零力Fz產(chǎn)生的力矩最終的合力矩zz第六十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二(3)電磁反饋裝置

作用：把變送器的輸出電流I0轉(zhuǎn)換成作用于副杠桿的電磁反饋力Ff

Ff=πBDcWI0設(shè)Kf

=πBDcW改變反饋動(dòng)圈的匝數(shù)W，可以改變Kf的大小

反饋動(dòng)圈1固定在副杠桿上，且處于永久磁鋼2的磁場(chǎng)中，可在其中左右移動(dòng)。軟鐵芯3和永久磁鋼2組成磁路。軟鐵芯使環(huán)形氣隙中形成均勻的輻射磁場(chǎng)，從而使流過(guò)反饋動(dòng)圈的電流方向總是與磁場(chǎng)方向垂直。當(dāng)變送器的輸出電流過(guò)反饋動(dòng)圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電磁反饋力Ff。Ff與變送器輸出電流I0之間的關(guān)系為：

則Ff=KfI0

第七十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二1-3短接、2-4短接

W=W1=725匝

1-2短接

W

=

W1+W2=2175匝

可實(shí)現(xiàn)3：1的量程調(diào)整W1=725匝，W2=1450匝R11與W1的直流電阻相同第七十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二(4)整機(jī)特性

回放第七十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二IomAΔPminΔPmax420ΔP第七十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二1.變送器的輸出電流I0和輸入信號(hào)ΔP之間呈線性關(guān)系

2.調(diào)整調(diào)零彈簧可以使變送器輸出電流I0在輸入信號(hào)范圍下限時(shí)為4mA。

3.改變tgθ或Kf可以調(diào)整變送器的量程4.零點(diǎn)和量程要反復(fù)調(diào)整IomAΔPminΔPmax420ΔP回放第七十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——電容式差壓變送器電容式差壓變送器采用差動(dòng)電容作為檢測(cè)元件主要包括測(cè)量部件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分：

差壓電容膜盒電容-電流轉(zhuǎn)換電路調(diào)零、零遷電路電流放大器反饋電路ΔpΔCIiIf＋＋I(xiàn)z－Io測(cè)量部分轉(zhuǎn)換放大部分第七十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二ΔP=0Ci1=Ci2=15pF

ΔP＞0Ci1的電容量減小

Ci2的電容量增大

——差動(dòng)電容測(cè)量原理電容式差壓變送器測(cè)量原理第七十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二ΔP=0S1=S2=S0

ΔP≠0S1=S0+δS2=S0-δ第七十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二相對(duì)變化值與被測(cè)差壓ΔP成線性關(guān)系，

且與灌充液的介電常數(shù)無(wú)關(guān)

第七十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二供參考第七十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二振蕩器解調(diào)器線性調(diào)整IC1基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓源IC3功放限流負(fù)反饋調(diào)零零遷RLIoE－If＋I(xiàn)dIz（│）VcVr差動(dòng)電容框圖供參考第八十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其輸出信號(hào)也是標(biāo)準(zhǔn)4～20mADC電流信號(hào)。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測(cè)量的。電容式差壓變送器的原理圖可見(jiàn)傳感器有左右固定極板，在兩個(gè)固定極板之間是彈性材料制成的測(cè)量膜片，作為電容的中央動(dòng)極板，在測(cè)量膜片兩側(cè)的空腔中充滿(mǎn)硅油。電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過(guò)大并超過(guò)允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級(jí)。第八十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.5電氣式壓力檢測(cè)——應(yīng)變片壓力/差壓變送器利用金屬或半導(dǎo)體材料制成的電阻體的阻值可表示為：

當(dāng)電阻體受外力作用時(shí)，電阻體的長(zhǎng)度、截面積或電阻率會(huì)發(fā)生變化，即其阻值也會(huì)發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。r1r2123P(a)傳感器1－外殼2－彈性筒3－膜片應(yīng)變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應(yīng)變片r1和r2用膠合劑貼緊在應(yīng)變筒的外壁，與筒體之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。r1沿應(yīng)變筒軸向貼放，作為測(cè)量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補(bǔ)償片。

圖中應(yīng)變片r1、r2的靜態(tài)性能完全相同。當(dāng)膜片受到外力作用時(shí)，彈性筒軸向受壓，使應(yīng)變片r1產(chǎn)生軸向應(yīng)變，阻值變??；而應(yīng)變片r2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實(shí)際上，r2的變化量比r1的變化量要小，r2的主要作用是溫度補(bǔ)償。

第八十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二是應(yīng)變片阻值變化量的測(cè)量電橋，圖中R3和R4是兩個(gè)阻值相等的精密固定電阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)測(cè)量電橋不受壓時(shí)r1=r2=r0R3=R4=r若應(yīng)變片受壓，則：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)由此可見(jiàn)，由壓力作用時(shí)，r1和r2一減一增，使電橋由較大的輸出；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，r1、r2同時(shí)增減，不影響電橋的平衡。如果儀表能把電橋輸出電壓Ui進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，則該儀表即可稱(chēng)為應(yīng)變式壓力變送器。

結(jié)論：應(yīng)變片式壓檢測(cè)儀表具有較大的測(cè)量范圍，被測(cè)壓力可達(dá)幾百M(fèi)Pa，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測(cè)量。但是，盡管測(cè)量電橋具有一定的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，?yīng)變片式壓力檢測(cè)儀表仍有比較明顯的溫漂和時(shí)漂，因此，這種壓力檢測(cè)儀表較多地用于一般要求的動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)，測(cè)量精度一般在0.5～1.0％左右。

第八十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——壓阻式（擴(kuò)散硅）壓力/差壓變送器因電阻率變化引起阻值變化稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)比較明顯。用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機(jī)械穩(wěn)定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，以擴(kuò)散硅壓阻傳感器作為檢測(cè)元件的壓力檢測(cè)儀表得到了廣泛的使用。

p2p1硅杯圖3-30壓阻式傳感器示意圖正壓側(cè)隔離膜片引出線負(fù)壓側(cè)隔離膜片硅油第八十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二構(gòu)成框圖：擴(kuò)散硅壓阻傳感器前置放大器調(diào)零電路V－I轉(zhuǎn)換△PUSU01UZIO檢測(cè)部分電磁放大部分第八十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二整機(jī)電路圖－+RETURN供參考第八十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量部分——擴(kuò)散硅壓阻傳感器——把被測(cè)差壓ΔP成比例地轉(zhuǎn)換為不平衡電壓US

1.負(fù)壓室2.正壓室3.硅杯4.引線5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4第八十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量部分——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時(shí)：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R第八十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二測(cè)量部分——電壓轉(zhuǎn)換＋US－Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時(shí)：△Ri1＝△Ri4＝r1

△Ri2＝△Ri3＝r2受壓時(shí)，流經(jīng)2橋臂的電流始終相等第八十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二結(jié)論：壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其核心部分就是一個(gè)既是彈性元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴(kuò)散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接測(cè)量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，遲滯小，可用來(lái)測(cè)量幾千赫茲乃至更高的脈動(dòng)壓力。因此，這是一種發(fā)展比較迅速，應(yīng)用十分廣泛的一類(lèi)壓力傳感器。這種傳感器的缺點(diǎn)則是擴(kuò)散電阻存在溫度效應(yīng)，容易受環(huán)境溫度的影響，有些廠家在傳感器組件中提供了若干校正用的溫度補(bǔ)償電路，甚至把放大轉(zhuǎn)換等電路集成在同一塊單晶硅膜片上，從而可以大大提高傳感器的基本性能。第九十頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.6數(shù)字式壓力/差壓變送器1151數(shù)字式差壓變送器數(shù)字式（智能式）差壓變送器種類(lèi)較多，結(jié)構(gòu)各異，但總體結(jié)構(gòu)式相同的。ST3000差壓變送器SUPCONHoneywell

ST3000、1151數(shù)字式差壓變送器都是采用HART通信方式進(jìn)行通信的第九十一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——ST3000差壓變送器傳感器——三組件（差壓、溫度和靜壓）差壓傳感器——擴(kuò)散硅壓阻傳感器差壓傳感器溫度傳感器靜壓傳感器多路轉(zhuǎn)換A/DCPUD/A數(shù)字IOROMRAMEPROMHart信號(hào)第九十二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二差壓傳感器——主傳感器，測(cè)量差壓溫度、靜壓傳感器——輔助傳感器，用于補(bǔ)償，以提高測(cè)量精度RAM——存儲(chǔ)變送器的各種參數(shù)EPROM——存儲(chǔ)著與RAM同樣的數(shù)據(jù)。當(dāng)儀表掉電時(shí)，數(shù)據(jù)被保存，當(dāng)儀表來(lái)電時(shí)，EPROM中的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞到RAM中，不須后備電池變送器設(shè)置——通過(guò)數(shù)字設(shè)定器設(shè)置，如：儀表的量程、編號(hào)、零點(diǎn)調(diào)整、量程調(diào)整、阻尼時(shí)間……差壓傳感器溫度傳感器靜壓傳感器多路轉(zhuǎn)換A/DCPUD/A數(shù)字IOROMRAMEPROMHart信號(hào)第九十三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——1151數(shù)字式差壓變送器傳感器AD7715CPUWDTAD421HT2012△PI01151智能式差壓變送器是在模擬的電容式差壓變送器基礎(chǔ)上，結(jié)合HART通信技術(shù)開(kāi)發(fā)的一種智能式變送器，具有數(shù)字微調(diào)、數(shù)字阻尼、通信報(bào)警、工程單位轉(zhuǎn)換和有關(guān)變送器信息的存儲(chǔ)等功能，同時(shí)又可傳輸4~20mADC電流信號(hào)，特別適用于工業(yè)企業(yè)對(duì)模擬式1151差壓變送器的數(shù)字化改造。其原理框圖如下：

第九十四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

傳感器部分

RETURN1.傳感器采用電容式差壓傳感器2.將輸入差壓轉(zhuǎn)換成0～2.5V左右的電壓信號(hào)。3.變送器的正常工作電流必須等于或小于3.5mA4.傳感器部分工作電流為0.8mA左右。第九十五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二AD7715

1.AD7715是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有0.0015％的非線性、片內(nèi)可編程增益放大器、差動(dòng)輸入、三線串行接口、緩沖輸入、輸出更新速度可編程等特點(diǎn)。2.特別適用于智能式變送器

3.帶有模擬前置放大器的A/D轉(zhuǎn)換芯片采用∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)16位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。4.不太適用多路信號(hào)頻繁切換的場(chǎng)合，只有在一路信號(hào)每周期的使用，而其它路信號(hào)不常用的情況下可以使用。5.在低速采樣應(yīng)用中，AD7715的性能最佳。當(dāng)采用60Hz或60Hz以下的更新速度進(jìn)行采樣時(shí)，AD7715對(duì)50Hz的工頻有抑制作用，采樣的效果很好，但當(dāng)更新速度大于60Hz時(shí)，采出碼將出現(xiàn)波動(dòng)，效果變差，這時(shí)可以在讀數(shù)據(jù)時(shí)采用滑動(dòng)平均值數(shù)字濾波，使效果得以改善，即加入所謂的后置濾波器。6.AD7715在小信號(hào)的采樣中得到很好的應(yīng)用，在熱電偶、熱電阻測(cè)溫的應(yīng)用方面也取得了令人滿(mǎn)意的效果。

供參考第九十六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)Σ-Δ調(diào)制器包含1個(gè)差分放大器、1個(gè)積分器、1個(gè)比較器以及1個(gè)由1bitDAC（1個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)，可以將差分放大器的反相輸入接到正或負(fù)參考電壓）構(gòu)成的反饋環(huán)。反饋DAC的作用是使積分器的平均輸出電壓接近于比較器的參考電平。調(diào)制器輸出中“1”的密度將正比于輸入信號(hào)，如果輸入電壓上升，比較器必須產(chǎn)生更多數(shù)量的“1”，反之亦然。積分器用來(lái)對(duì)誤差電壓求和，對(duì)于輸入信號(hào)表現(xiàn)為一個(gè)低通濾波器，而對(duì)于量化噪聲則表現(xiàn)為高通濾波。這樣，大部分量化噪聲就被推向更高的頻段。如果對(duì)噪聲成形后的Σ-Δ調(diào)制器輸出進(jìn)行數(shù)字濾波，將有可能移走比簡(jiǎn)單過(guò)采樣中更多的噪聲。供參考第九十七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二AD7715是以∑－△原理工作的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用單一5V(AD7715－5)或3V(AD7715－3)電源供電可用最少數(shù)量的口線與單片機(jī)或微處理器相接適用于單通道低速小信號(hào)采樣的應(yīng)用場(chǎng)合。

供參考第九十八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二CPU

AT89S8252微處理器，它與MCS-51兼容。2.8Kbytes的FlashROM、2Kbytes的EEPROM、256bytes的RAM、32個(gè)

I/O口線、兩個(gè)DPTR、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)全雙工串行口、可編程看門(mén)狗、在片振蕩器和時(shí)鐘電路等。3.CPU采用3V供電，工作頻率1.8432MHz。4.CPU采取間斷工作方式

1/5時(shí)間工作、4/5時(shí)間休眠，以降低CPU功耗供參考第九十九頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二HART通信部分實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議物理層的硬件電路

供參考第一百頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二AD421及電壓調(diào)整電路

供參考第一百零一頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二AD421的作用：

①將CPU輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA直流電流作為整機(jī)的輸出②將通信部分輸入的數(shù)字信號(hào)疊加在4～20mA直流電流上一起輸出③與場(chǎng)效應(yīng)管VT1等組成電壓調(diào)整電路

三極管VT2起分流作用，以減少流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管VT1的電流作用：

供參考第一百零二頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二WDT監(jiān)控電路MAX6304ESA復(fù)位電路CPU正常工作時(shí)WDO輸出為高電平，對(duì)CPU的工作沒(méi)有影響CPU受外界干擾不能正常工作時(shí)WDO輸出將變?yōu)榈碗娖?，使CPU產(chǎn)生不可屏蔽的中斷，將正在處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)；同時(shí)經(jīng)過(guò)一段等待時(shí)間之后，輸出RESET信號(hào)對(duì)CPU進(jìn)行復(fù)位，使CPU重新進(jìn)入正常工作

電源故障端PFI經(jīng)過(guò)分壓電阻R1、R2接供電源UCC，當(dāng)電源發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)，監(jiān)控電路將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，從而有效地防止了電源干擾對(duì)CPU的影響。

供參考第一百零三頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

1151數(shù)字式差壓變送器的軟件測(cè)控程序包括A/D采樣程序、非線性補(bǔ)償程序、量程轉(zhuǎn)換程序、線性或開(kāi)方輸出程序、阻尼程序以及D/A輸出程序等通信程序采用串行口中斷接收/發(fā)送分為兩部分：測(cè)控程序和通信程序

第一百零四頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.2.7壓力檢測(cè)儀表的選用和安裝

選用＋安裝其它儀表也基本適應(yīng)第一百零五頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——壓力檢測(cè)儀表的選用三個(gè)方面——選用時(shí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)壓力檢測(cè)的要求、被測(cè)介質(zhì)的特性、現(xiàn)場(chǎng)使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的量程、精度、類(lèi)型（材質(zhì)）等。

⑴量程儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的范圍關(guān)鍵：根據(jù)被測(cè)參數(shù)的大小來(lái)確定，同時(shí)必須考慮到被測(cè)對(duì)象可能發(fā)生的異常超壓情況，對(duì)儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。測(cè)量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力Pimax不超過(guò)上限值Pmax的3/4

測(cè)量脈動(dòng)壓力：最大工作壓力Pimax不超過(guò)上限值Pmax的2/3

測(cè)量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過(guò)上限值Pmax的3/5

最小工作壓力Pimin不低于上限值Pmax的1/3

儀表的量程等級(jí)：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。在選用儀表量程時(shí)，應(yīng)采用相應(yīng)規(guī)程或者標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值。

這只是一個(gè)一般經(jīng)驗(yàn)要求，不是絕對(duì)的??！被測(cè)參數(shù)的正常值一般要求工作在儀表量程1/3~2/3為宜。（經(jīng)驗(yàn)要求而已）第一百零六頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二⑵儀表精度——根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來(lái)確定，即要求實(shí)際被測(cè)壓力允許的最大絕對(duì)誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差?！谶x擇時(shí)應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約的原則，只要測(cè)量精度能滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求，就不必追求用過(guò)高精度的儀表。

例：有一壓力容器在正常工作時(shí)壓力范圍為0.4～0.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進(jìn)行檢測(cè)，并使測(cè)量誤差不大于被測(cè)壓力的±4％，試確定該表的量程和精度等級(jí)。解：

由題意可知，被測(cè)對(duì)象的壓力比較穩(wěn)定，設(shè)儀表量程為0～AMPa，則根據(jù)工作壓力的要求：根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0～1.0MPa的彈簧管壓力表。由題意，被測(cè)壓力的允許最大絕對(duì)誤差為：Δmax=±0.4*4%=±0.016MPa這就要求所選儀表的相對(duì)百分誤差為：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照儀表的精度等級(jí)，可選擇1．5級(jí)的壓力表。第一百零七頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二⑶儀表類(lèi)型正確選用儀表類(lèi)型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的前提。主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:儀表的材料

壓力檢測(cè)(檢測(cè)儀表)的特點(diǎn)是壓力敏感元件往往要與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，因此在選擇儀表材料的時(shí)候要綜合考慮儀表的工作條件。輸出信號(hào)類(lèi)型只需觀察壓力變化的，可選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計(jì)那樣的直接指示型的儀表；如需將壓力信號(hào)遠(yuǎn)傳到控制室或其他電動(dòng)儀表，則可選用電氣式壓力檢測(cè)儀表或其他具有電信號(hào)輸出的儀表；如果要檢測(cè)快速變化的壓力信號(hào)，則可選用電氣式壓力檢測(cè)儀表，如壓阻式壓力傳感器；如果控制系統(tǒng)要求能進(jìn)行數(shù)字量通信，則可選用智能式壓力檢測(cè)儀表。例如：對(duì)腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)應(yīng)使用像不銹鋼之類(lèi)的彈性元件或敏感元件；氨用壓力表則要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金，因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕性極強(qiáng)；又如氧用壓力表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。

使用環(huán)境對(duì)爆炸性較強(qiáng)的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時(shí)，應(yīng)選擇防爆型壓力儀表；對(duì)于溫度特別高或特別低、環(huán)境溫度變化大的場(chǎng)合，應(yīng)選擇使用溫度適當(dāng)、溫度系數(shù)小小的敏感元件以及其他變換元件。上述選型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測(cè)儀表的選型第一百零八頁(yè)，共一百一十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二——壓力檢測(cè)儀表的安裝分三種情況介紹：一般壓力檢測(cè)儀表的安裝特殊壓力檢測(cè)儀表的安裝