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胡松胡松，高級(jí)工程師，曾任民豐造紙廠計(jì)量?jī)x表科科長(zhǎng)，中國(guó)造紙學(xué)會(huì)自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)常委。提鍵要:介紹了一種與以往的模擬變送器有很大不同、且各造紙廠已開始投入使用的新一代變送器——智能型變送器的工作原理及其在使用中出現(xiàn)的一些新問題,供紙廠有關(guān)人員在選型和使用時(shí)參考。關(guān)鍵詞:智能變送器;工作原理;精度;量程遷移;通信目前目前，我國(guó)某些紙廠在生產(chǎn)中使用的是力矩平衡式DDZ-Ⅱ型儀表。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用，使具有與計(jì)算機(jī)統(tǒng)一信號(hào)4～20mA（1～5V）DDZ-Ⅲ型儀表取代了DDZ-Ⅱ型儀表。半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展促使性能更佳、精度更高的全電子儀表應(yīng)運(yùn)而生。近年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谌娮觾x表上附加入智能化模塊，誕生了新一代的智能化儀表。據(jù)我所知，目前新建項(xiàng)目中已大部分采用智能化儀表?！? 智能化變送器的工作原理目前由于目前計(jì)算機(jī)在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中不但完全替代了調(diào)節(jié)器的作用，并且已經(jīng)大大地超越了調(diào)節(jié)器的功能，為此，我們只介紹智能化變送器的工作原理。目前就目前智能化變送器而言，大體可歸納為：擴(kuò)散硅諧振式、擴(kuò)散硅應(yīng)變式、電容式等。1．1 擴(kuò)散硅諧振式變送器目前以橫河EJA A系列為例說明。在一單晶硅芯片上采用微電子機(jī)械加工技術(shù)，分別在其表面的中心和邊緣作成兩個(gè)形狀、大小完全一致的H形狀諧振梁，且處于微型真空腔中，使其既不與充灌液接觸，又確保振動(dòng)時(shí)不受空氣阻尼的影響。圖1為硅諧振梁的結(jié)構(gòu)。圖1 硅諧振梁的結(jié)構(gòu)圖2為硅諧振器的自激振蕩電路目前硅諧振梁處于由永久磁鐵提供的磁場(chǎng)中，與變壓器、放大器等組成正反饋回路，讓諧振梁在回路中產(chǎn)生振蕩。圖2為硅諧振器的自激振蕩電路。目前當(dāng)單晶硅的上、下表面受到壓力并形成壓力差時(shí),將產(chǎn)生形變，中心處受到壓縮力，邊緣處受到張力，因而兩個(gè)H形狀諧振梁分別感受不同應(yīng)變作用，其結(jié)果是中心諧振梁因受壓縮力而頻率減少，邊緣諧振梁因受張力而頻率增加。這樣兩個(gè)H形諧振梁分別將差壓、壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，送到脈沖計(jì)數(shù)器，再將兩頻率之差直接傳遞到CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的4～20mA DC的輸出信號(hào)，并在模擬信號(hào)上疊加一個(gè)BRAIN/HART數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信。圖3為EJA智能變送器工作原理圖。圖3為EJA智能變送器工作原理目前膜盒組件中內(nèi)置的特性修正存貯器存貯傳感器的環(huán)境溫度、靜壓及輸入/輸出特性修正數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU運(yùn)算，可使變送器獲得優(yōu)良的溫度特性、靜壓特性及輸入/輸出特性。1．2 擴(kuò)散硅應(yīng)變式變送器目前以福克斯波羅I/A SERIES為例。在一單晶硅芯片上采用集成電路擴(kuò)散壓阻技術(shù)，將硼擴(kuò)散到硅片的晶格結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)十分靈敏的惠斯登電橋。用化學(xué)蝕刻方法將電橋下面硅片的后部蝕刻到對(duì)應(yīng)測(cè)量范圍的厚度，然后把完成的硅片再粘結(jié)到硼硅酸玻璃或氧化鋁基板上，再將各種防蝕材料的隔離膜片焊接到傳感器硅片的上方。在隔離膜片與硅片之間的空隙中，在真空條件下灌注硅油或氟油。目前在表壓力和差壓應(yīng)用場(chǎng)合，需在硼硅酸玻璃基板上穿一個(gè)孔通到硅片后面的孔腔，作壓力引入口。目前當(dāng)壓力施加到集成電路硅片上時(shí)，在電橋電阻上就產(chǎn)生了應(yīng)力，該壓力所形成的壓阻效應(yīng)改變了橋臂上的電阻值，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)與壓力成正比的電壓。當(dāng)電橋激勵(lì)電流為1.0mA時(shí)，其對(duì)應(yīng)于滿量程壓力的電橋輸出的典型范圍為75～150mV。傳感器模塊內(nèi)的電橋輸出信號(hào)及溫度傳感器信號(hào)直接傳遞到包括信號(hào)處理線路和微處理器的電子模塊內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的4～20mA DC的輸出信號(hào)，并在模擬信號(hào)上疊加一個(gè)基于FSK移頻鍵控技術(shù)的FSK調(diào)制信息進(jìn)行數(shù)字通信。智能型變送器框圖見圖4。傳感器模塊中內(nèi)置的非易失性存貯器存貯傳感器組態(tài)、修正系數(shù)圖4為擴(kuò)散硅應(yīng)變式智能型變送器框圖以及工廠標(biāo)定數(shù)據(jù)。目前霍尼威爾ST3000系列亦屬此類原理。1．3 電容式變送器目前以羅斯蒙特 3051CG型為例，電容式智能變送器工作原理框圖見圖5。由隔離膜片和電容室組合成敏感元件。當(dāng)被測(cè)壓力作用于敏感元件兩側(cè)的隔離膜片時(shí)，其中灌注的硅油將此力傳送到位于電容室中間的測(cè)量膜片兩側(cè)，測(cè)量膜片與采用SMT表面貼裝技術(shù)貼裝于電容器兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí)致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移，其位移量與壓力差成正比，此位移使兩側(cè)電容量不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié) 圖5為電容式智能變送器工作原理框圖轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的直流信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器將解調(diào)器的電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為與輸入壓力信號(hào)相對(duì)應(yīng)的4～20mA DC的輸出信號(hào)，并在模擬信號(hào)上疊加一個(gè)HART數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信。目前非易失性的EEPROM存貯器貯存所有組態(tài)、數(shù)字微調(diào)參數(shù)和特征參數(shù)。目2能智能變送器的精度模擬模擬變送器由于受到杠桿比等因素的限制，其量程比（測(cè)量范圍上限與測(cè)量范圍下限之比）較小，因此，儀表的品種規(guī)格較多。用戶根據(jù)不同量程范圍，選擇相應(yīng)的儀表規(guī)格。而智能變送器的測(cè)量范圍很寬，很少幾個(gè)品種即可覆蓋全部測(cè)量范圍，其量程比很大。例如，?？怂共_的I/A系列，其量程比分別為10、30和60。而橫河EJA系列其量程比則為10、20、40、50和100。這為用戶選用帶來了方便。目前但是，量程比和精度、溫度、靜壓等特性是矛盾的，量程比越大，上述技術(shù)指標(biāo)越差。有鑒于此，智能變送器技術(shù)指標(biāo)中，不能如模擬變送器那樣直接提供精度指標(biāo)，而是提供（調(diào)量程的）參考精度以及精度、溫度、靜壓與量程的關(guān)系式。精度一般包括線性度、回差和重復(fù)性。即指在沒有靜壓、常溫下的基本精度。目前對(duì)于用戶而言，最關(guān)心的是根據(jù)實(shí)際使用的測(cè)量范圍和允許的誤差，選擇合適的可用量程比。一般，工業(yè)過程壓力較高，環(huán)境溫度也較高。因而變送器的溫度附加誤差、靜壓附加誤差均不可忽視。所以，我們?cè)谶x用時(shí)，既要考慮它的基本誤差，更要考慮它的附加誤差。衡量其精度的指標(biāo)應(yīng)是其綜合指標(biāo)E綜?！?．1 I/A SERIES變送器精度目前量程限值編碼B，其量程≥測(cè)量上限值的5%；量程限值編碼C、D和E，其量程≥測(cè)量上限值的6.7%情況下的精度如表1。表1型號(hào)組態(tài)輸出信號(hào)精度 %D數(shù)字線性數(shù)字平方根4～20mA±0.07±0.10±0.10I4～20mA±0.20注:精度指以標(biāo)定量程的百分?jǐn)?shù)表示。量程編碼B，其量程<測(cè)量上限值的5%；量程限值編碼C、D和E，其量程<測(cè)量上限值的6.7%情況下的精度如表2。表2電子模塊型號(hào)組態(tài)輸出信號(hào)精度 %編碼B，量程<測(cè)量上限值的5%編碼C、D、E，量程<測(cè)量上限值的6.7%D數(shù)字線性數(shù)字平方根4～20mA±0.0035測(cè)量上限值/ 量程±(0.03+0.003測(cè)量上限值 /量程）±(0.03+0.0035測(cè)量上限值/量程）±0.0047測(cè)量上限值/ 量程±(0.03+0.0047測(cè)量上限值/量程）±(0.03+0.0047測(cè)量上限值/量程）I4～20mA±(0.10+0.005測(cè)量上限值/量程）±(0.10+0.0067測(cè)量上限值/量程）環(huán)境溫度附加誤差：在正常工作條件下，環(huán)境溫度每變化55℃，對(duì)變送器總的影響是：目前D電子模塊：測(cè)量上限值的±0.2%；目前I電子模塊：±（測(cè)量上限值的0.2%+量程的0.1%）。目前靜壓附加誤差：在靜壓變化7MPa時(shí)，零位和量程的漂移為：目前零位：±0.25%的測(cè)量上限值；目前量程：±0.25%的量程。2.2 EJA430A智能變送器的精度目前調(diào)量程的參考精度：±0.075%目前當(dāng)量程<測(cè)量上限值的10%時(shí)，其精度為±[0.025+0.05測(cè)量上限值/量程]%目前環(huán)境溫度附加誤差：在正常工作條件下，環(huán)境溫度每變化28℃，對(duì)變送器的影響為：目前±[0.084%量程+0.017%量程上限]目前有關(guān)EJA其他智能變送器的精度，請(qǐng)參見有關(guān)資料?！?智智能變送器的零點(diǎn)遷移目前由于安裝、檢修等方面的因素，當(dāng)被測(cè)參數(shù)為零時(shí)，其變送器有一固定的輸出，給測(cè)量過程帶來諸多不便。為了保持變送器的零點(diǎn)與測(cè)量參數(shù)零點(diǎn)的一致，就有必要抵消其固定的輸出。這就是同時(shí)改變測(cè)量?jī)x表的上、下限，而不必變其量程的所謂“零點(diǎn)遷移”。目前模擬變送器的最大零點(diǎn)遷移只能是使用量程的100%。由于智能變送器有較大的量程比，其一般的零點(diǎn)遷移量為-100%～100%測(cè)量范圍上限，即當(dāng)儀表的輸入壓力為負(fù)測(cè)量范圍上限值至正測(cè)量范圍上限值時(shí)，儀表的輸出均可調(diào)到0%（4mA DC）。目前如果以使用范圍的百分?jǐn)?shù)來計(jì)算智能變送器的遷移量將如何呢？目前例如，某智能變送器的測(cè)量范圍上限值64kPa，測(cè)量范圍下限值0.64kPa，實(shí)際使用范圍為0～16kPa，則此時(shí)儀表的正遷移量為：[(64-16)/16]×100%=300%目前負(fù)遷移量為：（64/16）×100%=400%（見圖6）圖6正正、負(fù)遷移量　4智智能變送器的通訊變送變送器的發(fā)展方向是現(xiàn)場(chǎng)總線型變送器。變送器與控制系統(tǒng)之間的通訊是全數(shù)字化的、雙向的和多站的。即不是每臺(tái)變送器用二根傳輸線接到控制室，而是多臺(tái)變送器共用二根傳輸線，因而布線電纜減少，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性提高；變送器和控制系統(tǒng)之間的數(shù)字通訊，也不僅是一些輔助信息和診斷信息，而是全部測(cè)量數(shù)據(jù)，而且是雙向的；由于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表（如變送器和控制閥）之間也可通訊，因而有些原來由控制系統(tǒng)有的功能將轉(zhuǎn)到現(xiàn)場(chǎng)儀表，于是上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡(jiǎn)化。目前目前部分智能變送器一開始就按現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線兼容模塊，而不要求對(duì)變送器作任何改動(dòng)。這意味著既可充分發(fā)揮智能變送器的能力，又能保留日后重新選擇的余地。當(dāng)時(shí)機(jī)成熟時(shí)，就可向現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)移，而不會(huì)損失在高性能智能變送器上所花投資。4．1 I/A SERIES通訊目前采用共同的上部結(jié)構(gòu)件及可互相通用、替換的智能電子模塊件，來選擇其智能化程度。（1）FOXCOM智能模塊D，按FOXCOM數(shù)字輸出組態(tài)。目前采用I/A SERIES 現(xiàn)場(chǎng)總線的FOXCOM 通訊協(xié)議，從控制室的I/A SERIES工作站完成組態(tài)及通訊。（2）FOXCOM 智能模塊D，按4～20mA輸出組態(tài)。目前可通過一個(gè)HHT手持式終端或一臺(tái)運(yùn)行組態(tài)軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC10組態(tài)器）進(jìn)行組態(tài)和重標(biāo)變送器，利用一個(gè)疊加在4～20mA信號(hào)上的雙向數(shù)字信號(hào)，對(duì)變送器進(jìn)行測(cè)量和檢測(cè)。（3）4～20mA智能模塊I，當(dāng)不需要數(shù)字通訊時(shí)選用最為恰當(dāng)且又經(jīng)濟(jì)，采用整體式帶按鍵的LCD顯示器進(jìn)行一般標(biāo)定和組態(tài)。4．2 EJA A系列變送器的通信目前在變送器選型時(shí)，選擇不同的輸出信號(hào)代碼，來選擇其智能化程度。目前（1)選擇代碼F，可實(shí)現(xiàn)FF現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，與CENTUM CS、CENTUM μX等系統(tǒng)相互通訊。目前（2）選擇代碼E，可實(shí)現(xiàn)4～20mA，HART協(xié)議通訊。目前采用HART275手持通訊器。目前（3）選擇代碼D，可實(shí)現(xiàn)4～20mA，BRAIN協(xié)議數(shù)字通訊。目前采用BT200型手持終端。4．3 羅斯蒙特3051變送器的通訊選擇輸出代碼A，可實(shí)現(xiàn)4～20mA，HART協(xié)議數(shù)字通訊。采用HART275型手操器或羅斯蒙特268型手操器。在選用時(shí)應(yīng)根據(jù)目前系統(tǒng)的情況及今后的發(fā)展慎重選型。除上述HART和BRAIN通訊協(xié)議 外，霍尼威爾ST3000系列采用DE通訊協(xié)議。由于各通訊協(xié)議，或者同一協(xié)議之間，多少有些差異，因此，采用數(shù)字通訊會(huì)給同類產(chǎn)品但不同廠家生產(chǎn)的儀表更換帶來麻煩，設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)綜合考慮?！?智智能變送器的校驗(yàn)（以3051為例）校驗(yàn)智能變送器不同于校驗(yàn)?zāi)M變送器，智能變送器的校驗(yàn)可以通過手持終端。其二，模擬變送器是一步校驗(yàn)，而智能變送器則分重設(shè)量程、傳感器微調(diào)、模擬輸出微調(diào)三步進(jìn)行，智能變送器校驗(yàn)仍需輸入壓力信號(hào)。重設(shè)量程有三種方法。①當(dāng)不知道4mA和20mA點(diǎn)的具體值時(shí)，用壓力輸入源和手操器重設(shè)量程。②只用手操器重設(shè)量程，而不需要壓力輸入。③當(dāng)不知道4mA和20mA點(diǎn)的具體值，且無手操器時(shí)，利用本機(jī)零點(diǎn)和量程按鈕與壓力源重設(shè)量程。