文档介绍：第九章智能变送器
第一节 3051智能变送器
一、构成原理
爱默生-罗斯蒙特公司的3051C差压变送器是一种智能型两线制变送仪表,它将输入差压(或压力)信号转换成4~20mA的直流电流和数字通信(HART)信号。
㈠3051C的产生
3051C智能变送器是在1151S智能变送器的基础上开发出来的,而1151S智能变送器是在1151模拟变送器的基础上开发出来的。1151S的膜盒和1151模拟变送器是一样的,也是电容式室(或称室,的含义是微位移)传感器,但它的电子部件却是不同的。1151模拟变送器采用的是模拟电子线路,输出是4~20mA模拟信号;而1151S是以微处理器为核心部件的专用集成电路,整个变送器的电子部件由一块板组成,它既可以输出4~20mA模拟信号,又能在4~20mA上叠加数字信号,还可以和手持终端或其他支持HART通信协议的设备进行数字通信,实现远程设定零点和量程。
1151S的技术性能比1151模拟变送器好,基本精度为±%,最大测量范围为模拟变送器的2倍,量程比为15:1,其他如稳定性、温度特性等也比1151模拟变送器要好。
将1151S电容室移到了电子罩的颈部后,1151S就成为了3051C。这样做的目的是使电容式室远离过程法兰和被测介质,当被测介质温度发生变化时,电容传热影响减弱,仪表的温度性能和抗干扰性能提高。
㈡传感器组件
3051C有电容式和压电式两种传感器类型。电容式传感器适用于测量差压和表压。常用于表压、流量和液位测量。压电式传感器适用于测量绝压,常用于真空及液位测量。
⒈电容式传感器
电容式传感器将差压变化转换为电容的变化。3051C变送器选用高精度电容式传感器,它的工作原理参见第八章第一节1151模拟变送器传感器部分。
电容式传感器如图9-1所示。图中:①全焊接的密封设计;②316L不锈钢外壳;③土星检测技术;④共平面的过程隔离法兰;⑤多总线输出信号;⑥专用集成电路ASIC技术;⑦单一电路板。
传感器组件中的电容室采用激光焊封。机械部件和电子组件同外界隔离,既消除了静压的影响,也保证了电子线路的绝缘性能。同时检测温度值,以补偿热效应,提高测量精度。电容式压力传感器具有测量精度高、测量重复性好、动态响应快、对温度静压敏感度小、制造重复性好等突出优点。
⒉压电式传感器
具有压电效应的敏感功能材料叫压电材料。压电材料可分成压电晶体、压电陶瓷、新型压电材料三大类。压电晶体是一种单晶体,例如石英晶体;压电陶瓷是一种人工制造的多晶体,如钛酸钡、锆钛酸铅等。压电式传感器是一种典型的有源传感器,又称自发电式传感器,其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。
某些电介质,当沿着一定方向对其施加压力或力而使它变形后,其内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态,这种现象称为压电效应。晶体上所产生的电荷的大小与外部施加的压力或力成正比。
压电式传感器如图9-2所示。当压电片受到力的作用后,压电片发生变形,虚框变为实框,压电片外表面和压电片内表面的电荷极性相反。压电片一侧表面聚集正电荷,另一侧表面聚集负电荷,两个极板上的电荷量相等,但极性相反,由此产生的电势与被测压力成正比。
压电式传感器可以看作是一个电荷发生器,同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质。压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源,也可以等效为一个电荷(流)源与一个电容并联,其电容量为
(9-1)
两极板间的电压为
(9-2)
式中,是极板上聚集的电荷。因此,压电传感器可看作是电容为C、电源电压为的串联电路。经压电传感器转换,差压或压力的变化转换为输出电压的变化。
压电式传感器体积小、结构简单、不需外加电源、灵敏度和响应频率高,适用于压力的测量。
⒊膜盒
3051C的膜盒部件和传统的膜盒部件不同,体积缩小,重量减轻,整机的性能有很大提高,基本精度±%~±%,量程比100:1,其他如静压、温度、单向特性,也都上了一个档次。
膜盒在制造过程中,需经温度和压力等特性试验。虽然膜盒是成批生产的,但不同的膜盒特性仍有
差异,需要不同的校正系数。在3051C的检测部件中,增加了传感器存贮器,它是用来存放传感器的信息和校正系数的。转换时,微处理器可根据这些信息和校正系数,对传感器进行线性修正,这不但提高了仪表精度,而且还增加了零部件之间的互换性。此外,在3051C的检测部件中,还增加了测温传感器,用以修正环境温度变化而引起的热影响。
㈢构成原理
图9-3是3051C变送器的原理框图,该变送器选用的是电容传感器。3051C变送器由