智能溫度變送器實例

智能溫度變送器實例

由于智能溫度變送器具有許多突出的優(yōu)點，因而發(fā)展十分迅速，產品種類也很多。下面 僅以SMART公司的TO02溫度變送器為例進行介紹。

1. 概述

TT302溫度變送器是一種符合現(xiàn)場總線基金會（fieldbus foundation, FF)通信協(xié)議的現(xiàn) 場總線智能儀表，它可以與各種熱電阻或熱電偶配合使用測量溫度，也可以和其他具有電阻 或毫伏（mV)輸出的傳感器配合使用以測量其他物理參數(shù)，具有量程范圍寬、精度高、受環(huán)境溫度和振動影響小、抗干擾能力強、體積小、重量輕等優(yōu)點。

TT302溫度變送器還具有控制功能，其軟件系統(tǒng)提供了多種與控制功能有關的功能模 塊，用戶可通過組態(tài)實現(xiàn)所要求的控制策略，體現(xiàn)了現(xiàn)場控制的特點。

2. 硬件構成

TT302溫度變送器的硬件構成原理框圖如圖2-28所示。

在結構上，它由輸入模板、主電路模板和顯示器三部分組成。

(1)輸入模板輸入模板由多路轉換器（MUX)、信號調理電路、A/D轉換器和隔離部分組成。其中，多路轉換器根據(jù)輸入信號的類型，將相應信號送入信號調理電路，由信號 調理電路進行放大，再由A/D轉換器將其轉換為相應的數(shù)字量；隔離部分又有信號隔離和 電源隔離：信號隔離采用光電隔離，用于A/D轉換器與CPU之間的信號隔離；電源隔離采 用高頻變壓器隔離，即將供電直流電源先調制成高頻交流，通過高頻變壓器后經整流、濾波轉換成直流電壓，為輸入模板電路提供電源。隔離的目的是消除干擾對系統(tǒng)工作的影響。

輸入模板上的環(huán)境溫度傳感器用于熱電偶的冷端溫度補償。

(2) 主電路模板（簡稱主板）主板由微處理器系統(tǒng)、通信控制器、信號整形電路、本機調整和電源等組成，它是變送器的核心部件。

微處理器系統(tǒng)由CPU和存儲器組成。CPU負責控制與協(xié)調整個儀表各部分的工作，包括數(shù)據(jù)傳送、運算、通信等；存儲器用于存放系統(tǒng)程序、運算數(shù)據(jù)、組態(tài)參數(shù)等。

通信控制器和信號整形電路、CPU共同完成數(shù)據(jù)通信任務。

本機調整用于變送器就地組態(tài)和調整。

電源部分將供電電壓轉換為變送器內部各芯片所需電壓，為各芯片供電；供電電壓與輸出信號共用通信電纜，與二線制模擬式變送器類似。

(3) 顯示器顯示器為液晶式微功耗數(shù)字顯示器，可顯示四位半數(shù)字和五位字母。

3.軟件構成

TT302溫度變送器的軟件分為系統(tǒng)程序和功能模塊兩大部分。系統(tǒng)程序使變送器各硬件 電路能正常工作并實現(xiàn)所規(guī)定的功能，同時完成各部分之間的管理；功能模塊提供了各種功能，用戶可以通過選擇以實現(xiàn)所需要的功能。

TT302等智能式溫度變送器還有其他許多功能。例如，用戶可以通過上位機或掛接在現(xiàn)場總線通信電纜上的手持式組態(tài)器，對變送器進行遠程組態(tài)，調用或刪除功能模塊；對于帶有液晶顯示的變送器，也可以用編程工具對其進行本地調整等。

壓力的檢測與變送

壓力是生產過程控制中的重要參數(shù)。許多生產過程（尤其是化工、煉油等生產過程） 都是在一定的壓力條件下進行的。例如，高壓容器的壓力不能超過規(guī)定值；某些減壓裝置則 要求在低于大氣壓的真空下進行；在某些生產過程中，壓力的大小還直接影響產品的產量與質量。此外，壓力檢測的意義還在于，其他一些過程參數(shù)如溫度、流量、液位等往往要通過 壓力來間接測量。所以壓力的檢測在生產過程自動化中具有特殊的地位。

1.1壓力的概念及其檢測

1.壓力的概念

所謂壓力是指垂直作用于單位面積上的力，用符號P表示。在單位制中，壓力的 單位是帕斯卡（簡稱帕，用符號Pa表示，1Pa =1N/m2)，它也是我國壓力的法定計量單位。 目前在工程上，其他一些壓力單位還在使用，如工程大氣壓、標準大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等，它們之間的換算關系見表2-4。

由于參考點不同，在工程上又將壓力表示為如下幾種：

(1) 差壓（又稱壓差，記為Ap)差壓是指兩個壓力之間的相對差值。

(2) 壓力（記為pabs）壓力是指相對于真空所測得的壓力，如大氣壓力 (記為patm)就是環(huán)境壓力。

(3) 表壓（記為pa)表壓是指壓力與當?shù)卮髿鈮毫χ睢?/p>

(4) 負壓（又稱真空度，記為Pv)負壓是指當壓力小于大氣壓力之時，大氣壓力與壓力之差。

各種壓力之間的關系如圖2-29所示。 

通常情況下，各種工藝設備和檢測儀表均處于大氣壓力之下，因此工程上經常用表壓和 真空度來表示壓力的大小，一般壓力儀表所指 示的壓力即為表壓或真空度。

2.彈性式測壓元件及其原理 

在現(xiàn)代工業(yè)生產過程中，由于被測壓力的 范圍很寬，測量的條件與精度要求各異，因而 測壓元件的種類也很多，按其轉換原理不同， 可分為基于彈性變形的彈性式測壓元件、基于靜力學原理的液柱式測壓元件、基于液壓傳遞的活塞式測壓元件和基于壓電轉換原理的電氣 式測壓元件等。由于基于彈性變形的測壓元件在工業(yè)生產應用中占有重要地位，為此進行重點介紹。

工業(yè)上zui常用的彈性式測壓 元件有彈簧管、波紋管、彈性膜 片（膜盒）等，如圖2-30所示。

(1)彈簧管彈簧管是由 法國人波登發(fā)明的，所以又稱波 登管。它是一種彎成圓弧形的空 心金屬管子，其橫截面是扁圓形 或橢圓形的。它的固定端開口、 自由端封閉，如圖2-30a所示。

當被測壓力從固定端輸入后，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，使自由端產生位移。由于輸人壓力P與彈簧管自由端的位移成正比，所以只要測出自由 端的位移量就能夠反映壓力P的大小，這就是彈簧管的測壓原理。有時為了使自由端有較大 的位移，常采用多圈彈簧管，即將彈簧管制成盤形或螺旋形，其工作原理與單圈彈簧管相同。

若在彈簧管自由端裝上指針，配上傳動機構和壓力刻度，即可制成就地指示式壓力表； 若通過適當?shù)霓D換元件將自由端位移變成電信號，即可進行遠距離輸送。所以彈簧管是目前 工業(yè)上用得zui多的彈性式測壓元件之一。

(2) 波紋管波紋管是一種軸對稱的波紋狀薄壁金屬筒體，當它受到軸向壓力作用時 能使自由端產生較大的伸長或收縮位移，如圖2-30b所示。若將它和彈簧組合使用，可以獲 得較好的線性度，如圖2-31所示。

(3) 膜片與膜盒膜片是一種沿外緣固定的片狀圓形薄板或薄膜，如圖2-30c所示，若 將兩塊膜片沿周邊固定、兩膜片之間充以液體（如硅油），就構成膜盒。膜盒的具體結構如 圖2-32所示。

圖中，兩個金屬膜片分別位于膜盒的兩個測量室內，由硬芯將它們連接在一起；當被測壓力P1、P2分別引人兩測量室時，根據(jù)差壓的正負，膜片作相應移動，并通過硬芯輸出位移或力；硅油的作用一是傳遞壓力，二是對膜片起過載保護作用；密封墊圈可阻止硅油繼續(xù)流動，以保證膜片受單向壓力時不致?lián)p壞。

上述各種彈性式測量元件輸出的位移或力必須經過變送器才能變?yōu)闃藴式y(tǒng)一電信號。目 前使用較為廣泛的電動模擬式壓力變送器有力矩平衡式差壓變送器和電容式差壓變送器；為適應現(xiàn)場總線控制的要求，智能式差壓變送器也得到了迅速發(fā)展。