擴(kuò)散硅式差壓變送器

3.2.3.擴(kuò)散硅式差壓變送器

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檢測部分電磁放大部分1整機(jī)電路圖

－+RETURN2測量部分——擴(kuò)散硅壓阻傳感器——把被測差壓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Ri1Ri2Ri3Ri43測量部分——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時(shí)：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R4測量部分——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5傳感器供電電路為傳感器提供恒定的橋路工作電流設(shè)：穩(wěn)壓管VZ1提供的電壓為UZ1UT＝UZ1UF＝UT流經(jīng)R4的電流為：I＝UZ1/R4I即為流經(jīng)電橋的工作電流IS6前置放大器求解過程：把傳感器輸出的毫伏信號US放大成Uo1回放＋

A2－U02Ui2－

A3＋U03Ui3R5W1R8R9I系數(shù)K可以通過W1進(jìn)行調(diào)整7V/I轉(zhuǎn)換器把U01轉(zhuǎn)換成4～20mA的輸出IO零點(diǎn)調(diào)整輸出限幅功能回放＋

A4－U02U03R10R15R16R11R12R19R18UZ＋UBUBUBU048回放9回放＋

A4－U02U03R10R15R16R11R12R19R18UZ＋UBUBUBU040～16mA4mA10輸出限幅

由于VT3的存在，R19上的電壓不能高于基極－發(fā)射極的導(dǎo)通電壓回放11數(shù)字式差壓變送器

3051C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

結(jié)構(gòu)示意圖回放RosemountSUPCONHoneywell

12ST3000、3051C、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HART簡介回放13ST3000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14差壓傳感器——主傳感器，測量差壓溫度、靜壓傳感器——輔助傳感器，用于補(bǔ)償，以提高測量精度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——通過數(shù)字設(shè)定器設(shè)置，如：儀表的量程、編號、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153051C差壓變送器

163051C差壓變送器：1.傳感器——電容式壓力傳感器2.采用專用傳感器(ASIC)和貼片技術(shù)(SMT)3.溫度傳感器——用以補(bǔ)償熱效應(yīng)帶來的誤差4.CPU——完成對輸入信號的線性化、溫度補(bǔ)償、數(shù)字通信、自診斷等處理后得到一個(gè)與被測差壓對應(yīng)的4~20mA直流電流信號和數(shù)字信號，作為變送器的輸出。

5.數(shù)據(jù)設(shè)定器——用于對變送器進(jìn)行組態(tài)，或讀取變送器的輸出數(shù)據(jù)。

171151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，特別適用于工業(yè)企業(yè)對模擬式1151差壓變送器的數(shù)字化改造。其原理框圖如下：

18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。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。19

AD7715

1.AD7715是美國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.不太適用多路信號頻繁切換的場合，只有在一路信號每周期的使用，而其它路信號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在小信號的采樣中得到很好的應(yīng)用，在熱偶、熱電阻測溫的應(yīng)用方面也取得了令人滿意的效果。

20

∑-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)簡單的開關(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，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。積分器用來對誤差電壓求和，對于輸入信號表現(xiàn)為一個(gè)低通濾波器，而對于量化噪聲則表現(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，將有可能移走比簡單過采樣中更多的噪聲。21AD7715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采樣的應(yīng)用場合。

RETURN22CPU

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RETURN23

HART通信部分實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議物理層的硬件電路

RETURN24

AD421及電壓調(diào)整電路

具體的電路框圖和引腳功能參見P.88

25

AD421的作用：

①將CPU輸入的數(shù)字信號轉(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)字信號疊加在4～20mA直流電流上一起輸出③與場效應(yīng)管VT1等組成電壓調(diào)整電路

三極管VT2起分流作用，以減少流過場效應(yīng)管VT1的電流作用：

RETURN26

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CPU的工作沒有影響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)過一段等待時(shí)間之后，輸出RESET信號對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，從而有效地防止了電源干擾對CPU的影響。

271151數(shù)字式差壓變送器的軟件

測控程序包括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：測控程序和通信程序

283.3.2.一體化溫度變送器一體化溫度變送器結(jié)構(gòu)框圖測量元件變送器模塊tEtRtI029概述一體化溫度變送器——是指將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi)的一種溫度變送器，變送器模塊和測溫元件形成一個(gè)整體，可以直接安裝在被測溫度的工藝設(shè)備上，輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號。優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、現(xiàn)場安裝方便以及輸出信號抗干擾能力強(qiáng)，便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，對于熱電偶變送器，不必采用昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線，節(jié)省安裝費(fèi)用。因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。由于一體化溫度變送器直接安裝在現(xiàn)場，因此變送器模塊一般采用環(huán)氧樹脂澆注全固化封裝，以提高對惡劣使用環(huán)境的適應(yīng)性能。但由于變送器模塊內(nèi)部的集成電路一般情況下工作溫度在–20～+80℃范圍內(nèi)，超過這一范圍，電子器件的性能會(huì)發(fā)生變化，變送器將不能正常工作，因此在使用中應(yīng)特別注意變送器模塊所處的環(huán)境溫度。30AD693一體化溫度變送器品種較多，其變送器模塊大多數(shù)以一片專用變送器芯片為主，AD693就是一種常用的芯片原理圖略（P.128）輸入信號范圍：0～100mV，可調(diào)（芯片內(nèi)部變換為0～60mV）輸出信號范圍：4～20mA、0～20mA或12±8mA等多種直流電流輸出信號輸出限幅：有，輸出電流最大不超過32mADC31AD693構(gòu)成的熱電偶溫度變送器RETURN32輸入電路回放1回放2輸入電路是一直流不平衡電橋，AD693的輸入信號Vi為熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢Et與電橋的輸出信號VBD之代數(shù)和，即33AD693放大倍數(shù)的調(diào)整即量程調(diào)整為了使變送器能與各種熱電偶配合使用，AD693的輸入信號范圍應(yīng)為0～5mV至0～55mV可調(diào)。由于V/I變換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)是定值，因此調(diào)整信號放大器的放大倍數(shù)，可以調(diào)整不同的輸入信號范圍。不同的輸入信號范圍，AD693引腳14、15、16所接電阻的數(shù)值和接法是不同的。參考計(jì)算公式為0～30mV的輸入信號，要求在引腳14、15外接一個(gè)電阻R14-15，R14-15的計(jì)算公式為30～60mV的輸入信號，要求在引腳15、16外接一個(gè)電阻R15-16，R15-16的計(jì)算公式為34變送器的靜特性變送器輸出與輸入之間的關(guān)系為變從上式可以看出：1)變送器的輸出電流I0-與熱電偶的熱電勢Et成正比關(guān)系。2)合理選擇RCu的數(shù)值可使RCu隨溫度變化而引起的I1RCu變化量的絕對值近似等于熱電偶因冷端溫度變化所引起的熱電勢Et的變化值，兩者互相抵消。3)改變RW1以實(shí)現(xiàn)變送器的零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移4)改變轉(zhuǎn)換系數(shù)K，可以改變儀表的量程。5)零點(diǎn)調(diào)整和量程調(diào)整相互有影響35AD693構(gòu)成的熱電阻溫度變送器36AD693的輸入信號Ui為電橋的輸出信號UBD熱電阻溫度變送器的輸出與輸入之間的關(guān)系為

373.3.3.智能式(數(shù)字式)溫度變送器兩種類型：HART現(xiàn)場總線優(yōu)越性：P.13238TT302溫度變送器(SMAR)數(shù)據(jù)傳輸類型：FF現(xiàn)場總線輸入信號類型：各種熱電阻Cu10、Ni120、Pt50、Pt100、Pt500

各種熱電偶B、E、J、K、N、R、S、T、L、U其它mV、Ω量程可以組態(tài)39輸出信號類型：現(xiàn)場總線數(shù)字信號(FF)精度：0.02％環(huán)境溫度：-40～85oC貯存溫度：-40～100oC數(shù)字顯示：-10～60oC(正常運(yùn)行)-40～85oC(無損壞)濕度范圍：10~60%相對濕度40TT302溫度變送器的硬件構(gòu)成RETURN41輸入板內(nèi)容：多路轉(zhuǎn)換器MUX、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器和隔離部分回放作用：將輸入信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號，傳送給CPU；并實(shí)現(xiàn)輸入板與主電路板的隔離。

不同的信號與不同的端子連接，由MUX根據(jù)輸入信號的類型，將相應(yīng)端子連接到信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路：信號放大

隔離部分包括信號隔離和電源隔離（信號隔離采用光電隔離），目的：為了避免控制系統(tǒng)可能多點(diǎn)接地形成地環(huán)電流，而引入干擾影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作

環(huán)境溫度傳感器：用于熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。

42主電路板

內(nèi)容：微處理器系統(tǒng)、通信控制器、信號整形電路、本機(jī)調(diào)整部分和電源部分，它是變送器的核心部件。

回放TT302溫度變送器是由現(xiàn)場總線電源通過通信電纜供電供電電壓為9～32VDC電源部分將供電電壓轉(zhuǎn)換為變送器內(nèi)部各芯片所需電壓，為各芯片供電。變送器輸出的數(shù)字信號也是通過通信電纜傳送的，因此通信電纜同時(shí)傳送變送器所需的電源和輸出信號這與二線制模擬式變送器相類似。43液晶顯示器

回放液晶顯示器是一個(gè)微功耗的顯示器可以顯示四位半數(shù)字和五位字母用于接收CPU來的數(shù)據(jù)并加以顯示。