仪表与装置 第03章变送器-3.ppt

控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系3.2.3.扩散硅式差压变送器扩散硅式差压变送器 构成框图构成框图：扩散硅压扩散硅压阻传感器阻传感器前置前置放大器放大器调零电路调零电路VI转换转换PUSU01UZIO检测部分检测部分检测部分检测部分电磁放大部分电磁放大部分电磁放大部分电磁放大部分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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系整机电路图整机电路图+RETURN2控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系测量部分测量部分扩散硅压阻传感器扩散硅压阻传感器扩散硅压阻传感器扩散硅压阻传感器把被测差压把被测差压P成比例地转换为不平衡电压成比例地转换为不平衡电压US 1.负压室负压室 2.正压室正压室 3.硅杯硅杯4.引线引线 5.硅片硅片Ri1Ri2Ri3Ri43控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系测量部分测量部分惠斯顿电桥惠斯顿电桥惠斯顿电桥惠斯顿电桥Ri1Ri2Ri3Ri4USRi1Ri2Ri3Ri4IS不受压时：不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R4控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系测量部分测量部分电压转换电压转换电压转换电压转换 US Ri1Ri2Ri3Ri4IS受压时：受压时：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2受压时，流经受压时，流经2桥臂的电流始终相等桥臂的电流始终相等5控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系传感器供电电路传感器供电电路 为传感器提供恒定的桥路工作电流为传感器提供恒定的桥路工作电流为传感器提供恒定的桥路工作电流为传感器提供恒定的桥路工作电流设：稳压管设：稳压管设：稳压管设：稳压管VZVZVZVZ1 1 1 1提供的电压为提供的电压为提供的电压为提供的电压为U U U UZ1Z1Z1Z1U U U UT T T TU U U UZ1Z1Z1Z1U U U UF F F FU U U UT T T T流经流经流经流经R R R R4 4 4 4的电流为：的电流为：的电流为：的电流为：I I I IU U U UZ1Z1Z1Z1/R/R/R/R4 4 4 4I I I I即为流经电桥的工作电流即为流经电桥的工作电流即为流经电桥的工作电流即为流经电桥的工作电流I I I IS S S S6控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系前置放大器前置放大器求解过程：求解过程：把传感器输出的把传感器输出的毫伏信号毫伏信号US放大成放大成Uo1回放回放回放回放 A2U02Ui2 A3U03Ui3R5W1R8R9I 系数系数K K可以通过可以通过W1W1进行调整进行调整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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系V/I转换器转换器 把把U01转换成转换成420mA的输出的输出IO零点调整零点调整输出限幅功能输出限幅功能 回放回放回放回放 A4U02U03R10R15R16R11R12R19R18UZUBUBUBU048控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系回放回放回放回放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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系回放回放回放回放 A4U02U03R10R15R16R11R12R19R18UZUBUBUBU04016mA4mA10控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系输出限幅输出限幅 由于由于VT3的存在，的存在，R19上的电压不能高于基极发射极的导通电压上的电压不能高于基极发射极的导通电压回放回放回放回放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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系数字式差压变送器数字式差压变送器 3051C差压变送器差压变送器 1151数字式差压变送器数字式差压变送器 数字式（智能式）差压变送器种类较多，结构各异，但数字式（智能式）差压变送器种类较多，结构各异，但总体结构式相同的。总体结构式相同的。ST3000差压变送器差压变送器 结构示意图回放结构示意图回放结构示意图回放结构示意图回放Rosemount Rosemount SUPCONSUPCONHoneywellHoneywell 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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系ST3000、3051C、1151数字式差压变送器都是采用数字式差压变送器都是采用HART通信方式进行通信的通信方式进行通信的HARTHART简介回放简介回放简介回放简介回放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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系ST3000差压变送器差压变送器 传感器传感器三组件（差压、温度和静压）三组件（差压、温度和静压）差压传感器差压传感器扩散硅压阻传感器扩散硅压阻传感器差压差压传感器传感器温度温度传感器传感器静压静压传感器传感器多多路路转转换换A/DCPUD/A数字数字IOROMRAMEPROMHart信号信号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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系差压传感器差压传感器主传感器，测量差压主传感器，测量差压温度、静压传感器温度、静压传感器辅助传感器，用于补偿，以提高测量精度辅助传感器，用于补偿，以提高测量精度RAM存储变送器的各种参数存储变送器的各种参数EPROM存存储储着着与与RAM同同样样的的数数据据。当当当当仪仪仪仪表表表表掉掉掉掉电电电电时时时时，数数数数据据据据被被被被保保保保存存存存，当当当当仪表来电时，仪表来电时，仪表来电时，仪表来电时，EPROMEPROM中的数据自动传递到中的数据自动传递到中的数据自动传递到中的数据自动传递到RAMRAM中，不须后备电池中，不须后备电池中，不须后备电池中，不须后备电池变变送送器器设设置置通通过过数数字字设设定定器器设设置置，如如如如：仪仪仪仪表表表表的的的的量量量量程程程程、编编编编号号号号、零零零零点点点点调调调调整整整整、量程调整、阻尼时间量程调整、阻尼时间量程调整、阻尼时间量程调整、阻尼时间差压差压传感器传感器温度温度传感器传感器静压静压传感器传感器多多路路转转换换A/DCPUD/A数字数字IOROMRAMEPROMHart信号信号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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系3051C差压变送器差压变送器 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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系3051C差压变送器：差压变送器：1.传感器传感器电容式压力传感器电容式压力传感器2.采用专用传感器采用专用传感器(ASIC)和贴片技术和贴片技术(SMT)3.温度传感器温度传感器用以补偿热效应带来的误差用以补偿热效应带来的误差4.4.CPUCPU完成对输入信号的线性化、温度补偿、数字通完成对输入信号的线性化、温度补偿、数字通信、自诊断等处理后得到一个与被测差压对应信、自诊断等处理后得到一个与被测差压对应的的420mA直流电流信号和数字信号，作为变直流电流信号和数字信号，作为变送器的输出。送器的输出。5.5.数据设定器数据设定器用于对变送器进行组态，或读取变送器用于对变送器进行组态，或读取变送器的输出数据。的输出数据。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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系1151数字式差压变送器数字式差压变送器 传感器传感器AD7715CPUWDTAD421HT2012PI011511151智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，结合结合结合结合HARTHART通信技术开发的一种智能式变送器，通信技术开发的一种智能式变送器，通信技术开发的一种智能式变送器，通信技术开发的一种智能式变送器，具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输存储等功能，同时又可传输存储等功能，同时又可传输存储等功能，同时又可传输420420mADCmADC电流信号，电流信号，电流信号，电流信号，特别适用于工业企业对模拟特别适用于工业企业对模拟特别适用于工业企业对模拟特别适用于工业企业对模拟式式式式11511151差压差压差压差压变送器的数字化改造。变送器的数字化改造。变送器的数字化改造。变送器的数字化改造。其其其其原理框图如下：原理框图如下：原理框图如下：原理框图如下：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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系 传感器部分传感器部分 RETURNRETURN1.传感器采用电容式差压传感器传感器采用电容式差压传感器2.将输入差压转换成将输入差压转换成02.5V左右的电压信号左右的电压信号。3.变送器的正常工作电流必须等于或小于变送器的正常工作电流必须等于或小于3.5mA4.传感器部分工作电流为传感器部分工作电流为0.8mA左右左右。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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系 AD7715 1.AD7715是美国是美国ADI公司生产的公司生产的16位模数转换器。它具有位模数转换器。它具有0.0015的的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点。输入、输出更新速度可编程等特点。2.2.特别适用于智能式变送器特别适用于智能式变送器特别适用于智能式变送器特别适用于智能式变送器 3.带有模拟前置放大器的带有模拟前置放大器的A/D转换芯片采用转换芯片采用-转换技术，实现转换技术，实现16位的位的高精度模数转换高精度模数转换。4.不太适用多路信号频繁切换的场合，只有在一路信号每周期的使用，不太适用多路信号频繁切换的场合，只有在一路信号每周期的使用，而其它路信号不常用的情况下可以使用。而其它路信号不常用的情况下可以使用。5.5.在低速采样应用中，在低速采样应用中，AD7715AD7715的性能最佳。当采用的性能最佳。当采用6060HzHz或或6060HzHz以下的以下的更新速度进行采样时，更新速度进行采样时，AD7715AD7715对对5050HzHz的工频有抑制作用，采样的效的工频有抑制作用，采样的效果很好，但当更新速度大于果很好，但当更新速度大于6060HzHz时，采出码将出现波动，效果变差，时，采出码将出现波动，效果变差，这时可以在读数据时采用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，这时可以在读数据时采用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，即加入所谓的后置滤波器。即加入所谓的后置滤波器。6.6.AD7715AD7715在小信号的采样中得到很好的应用，在热偶、热电阻测温在小信号的采样中得到很好的应用，在热偶、热电阻测温的应用方面也取得了令人满意的效果。的应用方面也取得了令人满意的效果。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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系 -转换技术转换技术-调制器包含调制器包含1个差分放大器、个差分放大器、1个积分器、个积分器、1个比较器以及个比较器以及1个由个由1bit DAC（1个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。构成的反馈环。反馈反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。，反之亦然。积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。如果对噪声成形后的的频段。如果对噪声成形后的-调制器输出进行数字滤波，将有可能移调制器输出进行数字滤波，将有可能移走比简单过采样中更多的噪声。走比简单过采样中更多的噪声。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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系AD7715是以是以原理工作的原理工作的16位模数转换器位模数转换器采用单一采用单一5V(AD77155)或或3V(AD77153)电源供电电源供电可用最少数量的口线与单片机或可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接微处理器相接适用于单通道低速小信号采样的适用于单通道低速小信号采样的应用场合。应用场合。RETURNRETURN22控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系 CPU 1.AT89S8252微处理器微处理器，它与，它与MCS-51兼容。兼容。2.8K bytes的的Flash ROM、2K bytes的的EEPROM、256 bytes的的RAM、32个个 I/O口口线线、两两个个DPTR、3个个16位位定定时时/计计数数器器、1个个全全双双工工串串行口、可编程看门狗、在片振荡器和时钟电路等。行口、可编程看门狗、在片振荡器和时钟电路等。3.CPU采用采用3V供电，工作频率供电，工作频率1.8432MHz。4.CPU采取间断工作方式采取间断工作方式 1/5时间工作、时间工作、4/5时间休眠，以降低时间休眠，以降低CPU功耗功耗RETURNRETURN23控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系 HART通信部分通信部分 实现实现HART协议物理层的硬件电路协议物理层的硬件电路 RETURNRETURN24控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系 AD421及电压调整及电压调整电路电路 具体的电路框图和引脚功能参见具体的电路框图和引脚功能参见P.88 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中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系 AD421的作用：的作用：将将CPU输入的数字信号转换为输入的数字信号转换为420mA直流电流作为整机的输出直流电流作为整机的输出将通信部分输入的数字信号叠加在将通信部分输入的数字信号叠加在420mA直流电流上一起输出直流电流上一起输出 与场效应管与场效应管VT1等组成电压调整等组成电压调整电路电路 三极管三极管VT2起分流作用，以减少流过场效应管起分流作用，以减少流过场效应管VT1的电流的电流 作用：作用：RETURNRETURN26控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系 WDT监控电路监控电路 MAX6304ESA复位电路复位电路CPU正常工作时正常工作时WDO输出为高电输出为高电平，对平，对CPU的工作没有影响的工作没有影响CPU受外界干扰不能正常工作时受外界干扰不能正常工作时 WDO输出将变为低电平，输出将变为低电平，使使CPU产生不可产生不可屏蔽的中断，将正在处理的数据进行屏蔽的中断，将正在处理的数据进行保护；同时经过一段等待时间之后，保护；同时经过一段等待时间之后，输出输出RESET信号对信号对CPU进行复位，使进行复位，使CPU重新进入正常工作重新进入正常工作 电源故障端电源故障端PFI经过分压电阻经过分压电阻R1 1、R2 2接供电源接供电源UCCCC，当电源发生较大波动当电源发生较大波动时，监控电路将产生复位信号，从而有效地防止了电源干扰对时，监控电路将产生复位信号，从而有效地防止了电源干扰对CPU的影的影响。响。27控制仪表和计算机控制装置控制仪表和计算机控制装置中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系中国计量学院自动化系1151数字式差压变送器的软件数字式差压变送器的软件 测测控控程程序序包包括括A/D采采样样程程序序、非非线线性性补补偿偿程程序序、量量程程转转换换程程序序、线线性性或或开开方方输输出出程程序序、阻阻尼尼程程序序以及以及D/A输出程序等输出程序等通信程序采用串行口中断接收通信程序采用串行口中断接收/发送发送 分为两部分：测控程序和通信程序分为两部分：测控程序和通信程序 28