智能溫度變送器實(shí)例

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

1. 概述

TT302溫度變送器是一種符合現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（fieldbus foundation, FF)通信協(xié)議的現(xiàn) 場(chǎng)總線智能儀表，它可以與各種熱電阻或熱電偶配合使用測(cè)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(cè)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(dòng)影響小、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

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(guān)的功能模 塊，用戶可通過(guò)組態(tài)實(shí)現(xiàn)所要求的控制策略，體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)控制的特點(diǎn)。

2. 硬件構(gòu)成

TT302溫度變送器的硬件構(gòu)成原理框圖如圖2-28所示。

在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器（MUX)、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器和隔離部分組成。其中，多路轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入信號(hào)的類型，將相應(yīng)信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，由信號(hào) 調(diào)理電路進(jìn)行放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量；隔離部分又有信號(hào)隔離和 電源隔離：信號(hào)隔離采用光電隔離，用于A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間的信號(hào)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(diào)制成高頻交流，通過(guò)高頻變壓器后經(jīng)整流、濾波轉(zhuǎn)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(duì)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(bǔ)償。

(2) 主電路模板（簡(jiǎn)稱主板）主板由微處理器系統(tǒng)、通信控制器、信號(hào)整形電路、本機(jī)調(diào)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(chǔ)器組成。CPU負(fù)責(zé)控制與協(xié)調(diào)整個(gè)儀表各部分的工作，包括數(shù)據(jù)傳送、運(yùn)算、通信等；存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)程序、運(yùn)算數(shù)據(jù)、組態(tài)參數(shù)等。

通信控制器和信號(hào)整形電路、CPU共同完成數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

本機(jī)調(diào)整用于變送器就地組態(tài)和調(diào)整。

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；供電電壓與輸出信號(hào)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(gòu)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(shí)現(xiàn)所規(guī)定的功能，同時(shí)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(guò)選擇以實(shí)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(guò)上位機(jī)或掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線通信電纜上的手持式組態(tài)器，對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)，調(diào)用或刪除功能模塊；對(duì)于帶有液晶顯示的變送器，也可以用編程工具對(duì)其進(jìn)行本地調(diào)整等。

壓力的檢測(cè)與變送

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

1.1壓力的概念及其檢測(cè)

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(hào)P表示。在單位制中，壓力的 單位是帕斯卡（簡(jiǎn)稱帕，用符號(hào)Pa表示，1Pa =1N/m2)，它也是我國(guó)壓力的法定計(jì)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱、毫米水柱等，它們之間的換算關(guān)系見(jiàn)表2-4。

由于參考點(diǎn)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(gè)壓力之間的相對(duì)差值。

(2) 壓力（記為pabs）壓力是指相對(duì)于真空所測(cè)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(dāng)?shù)卮髿鈮毫χ睢?/p>

(4) 負(fù)壓（又稱真空度，記為Pv)負(fù)壓是指當(dāng)壓力小于大氣壓力之時(shí)，大氣壓力與壓力之差。

各種壓力之間的關(guān)系如圖2-29所示。 

通常情況下，各種工藝設(shè)備和檢測(cè)儀表均處于大氣壓力之下，因此工程上經(jīng)常用表壓和 真空度來(lái)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(cè)壓元件及其原理 

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

工業(yè)上zui常用的彈性式測(cè)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(guó)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(kāi)口、 自由端封閉，如圖2-30a所示。

當(dāng)被測(cè)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(shì)，使自由端產(chǎn)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(cè)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(cè)壓原理。有時(shí)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(pán)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(dòng)機(jī)構(gòu)和壓力刻度，即可制成就地指示式壓力表； 若通過(guò)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換元件將自由端位移變成電信號(hào)，即可進(jìn)行遠(yuǎn)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(cè)壓元件之一。

(2) 波紋管波紋管是一種軸對(duì)稱的波紋狀薄壁金屬筒體，當(dāng)它受到軸向壓力作用時(shí) 能使自由端產(chǎn)生較大的伸長(zhǎng)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(gòu)成膜盒。膜盒的具體結(jié)構(gòu)如 圖2-32所示。

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

上述各種彈性式測(cè)量元件輸出的位移或力必須經(jīng)過(guò)變送器才能變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一電信號(hào)。目 前使用較為廣泛的電動(dòng)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(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制的要求，智能式差壓變送器也得到了迅速發(fā)展。