变送器的研究与发展现状

马守英

摘要：随着科学技术的快速发展，智能化成为时代热词，掀起了科技与信息革新的浪潮，电厂自动化仪表也趋于智能化，多样化，出现了总线型变送器和智能型变送器。目前总线变送器已在电厂得到广泛应用，它们是现场总线控制系统发展的基础，是信息工业的源头，推出的一种测量差压、绝压、表压、液位等工艺参数的现场总线变送器，设备功能强大，已在电厂生产方面得到广泛的应用。

关键词：热控变送器;发展现状;

前言：热控变送器是直接与被测介质相接触的仪表，常常在高温、低温、腐蚀、振动、冲击等环境中工作，在热控测量运行中起着重要作用，而且应用非常广泛。

一、总线型变送器的结构特点及应用

1.变送器的组成：LD302电路部分主要由传感器组件板、主电路板和显示板组成，在传感器组件板上，CH和CL 为2 个电容器，它们是感受压力或差压的传感器部件，作用在LD302 高低压力侧的压力通过密封的灌充液传送到检测膜片的两边，检测膜片是差动电容的活动电极，而固定电极是传感器的壳体，压力差推动膜片产生位移，引起电容的变化。振荡器作用是产生一个交流频率以使电容传感器发挥功能，来自主电路板CPU 的控制信号通过光电耦合器传输，来自振荡器的信号通过变压器传输从而实现了信号隔离。同样，传感器组件板上的电源也必须是隔离的，这样才能防止输入信号与地形成地环而引入干扰，电源隔离是采用把直流转变为交流，并使用变压器分隔电的联系来实现的。在传感器组件板内还有一个EEPROM，它含有传感器部件在不同压力和温度时的特性，它使得传感器组件与主电路间具有互换性，这将大大方便仪表的制造和现场仪表的运行维护。中央处理单元CPU 是LD302 的核心部件，它控制着整个仪表各个部件的协调工作、线性化和通讯。系统程序存贮于CPU 外部的只读存贮器PROM，运算数据暂存贮于RAM，如果电源开关断开，RAM 中的数据就会丢失。然而，CPU 内还有一个非易失存贮器EEPROM，当电源开关断开等应用程序都存贮在这里。CPU 与信号模型之间是通讯控制器，这个控制器用来监视现场总线上的占空系数，调制和解调通讯信号，引入和删除数字信号中开始和结束的定界符。该机调整为2 个干簧管（也称磁性开关）。在该机调整时，不用打开仪表的端盖，即在仪表的电路全部被密封的情况下，利用磁棒的置入与置出就可触发LD302 内的磁开关，进行仪表的组态和调整，从而使现场仪表内的电子元件不与现场的恶劣环境直接接触，大大延长了电子元件的使用寿命，使仪表适应恶劣环境的性能得到提高。显示板是一个从CPU 接收数据的微功耗液晶显示器，它为4 位半数字值和5 位字母的LCD（液晶显示器）。通过组态可交替显示多个变量。

2.应用注意事项：变送器自投用运行以来，故障率出现极低，在应用过程中常见的故障是变送器和操作站之间的通讯故障，即在操作台上现场数据出现“*”号，针对这类故障要分别从系统软件和硬件两方面进行排除。

软件方面：由于现场总线控制系统的功能模块全部在现场变送器中实现，在一条总线上每台现场变送器有唯一的地址进行标识，每台变送器的地址成为其在总线上寻址的基本依据，因此要从软件方面查看地址是否存在冲突，或地址是否超出某个设定范围。

硬件方面：首先测量该表供电电压是否在正常范围，因为10VDC 的电压是保证总线变送器通讯正常的最低电压，低于10VDC 时，现场变送器和操作站的通讯肯定中断，而总线电源一般是通过安全栅SB302 给现场总线变送器供电的线处被腐蚀、现场接线盒密封不好、终端器BT302 损坏或未接在各支路末端、安全柵SB302 接线不正确等。针对以上分析的原因可以逐一对设备故障进行排查。若电源电压在正常范围，可以对该变送器进行初始化，若故障仍不能排除，说明该台LD302 变送器主电路板硬件有故障，只有更换硬件设备。在LD302 现场变送器出现故障需要更换时，需利用磁棒调整新表的地址，使其与需要更换的现场变送器的地址相同。地址设定完之后要及时保存，否则在断电之后较容易丢失。在设定地址时，要注意不能在线调整地址，因为在线调整地址的过程中会在短时间内在同一条总线上出现相同的地址，造成地址冲突，从而使该条总线上的设备地址混乱，甚至更严重的会造成其他设备地址改变或控制器组态信息丢失，危害性较大。现场总线变送器不再是传统意义上的变送单元，而是同时起着变送、控制和通信作用的智能设备，它是现场总线技术发展的关键所在，它的成功应用和功能的进一步完善将推动现场总线技术进一步得到推广和发展。

二、发展现状

1.总线变送器的优点

其一，设置比较方便，总线变送器的传输变为多点一线的串行数字式传输，并且可以有效的实现多点控制。如果热控信号检测出来的结论为连续信号，就可以将其设置为任意热控值，进而只需要对电控部分进行设定就可以了。

其二，为了能够将压缩机进行延长寿命，可以对压缩机进行高级控制。通过压缩机的变频技术，可以有效的使压缩机运行的更加平稳，通过减少相应的启动次数，不仅可以能够延长压缩机的使用周期，还可以能够起到环保节能的作用。

其三，提高控制精度，能够使元件的可靠性更好。热控变送器相比于压力开关的检测精度要高出数倍，所以其控制精度就会得到有效的提高，而热控变送器的一些敏感元件都是非机械结构，所以就不需要后期的维护工作，从而也可以从一定程度上降低损坏率

2.智能型变送器的结构特点

根据热控变送器的传感器原理、结构和设计机构不同，种类也多种多样，对于智能热控变送器硬件的电路板设计开发主要是电路板计算机辅助设计软件。智能型变送器的工作原理是：首先通过热控传感器测量被测介质，然后通过转换器将信号转换为模拟量电信号，再将信号传送到单片机，单片机将这些信号处理后经过数模转换器和HART 通信电路处理，使这些热控和温度的参数转换成了4-20mA的标准直流信号，这样就能将这些数据信息及时处理。对智能变送器的硬件设计与实现，首先是热控传感器，一般采用的是电容式传感器，它具有很好的抗冲击性和抗震动性，能够使检测结果更稳定和准确;其次是温度采样电路，将高精度的温度传感器嵌入到智能热控传感器的金属密封室里，能够提高精度和变送器由于环境影响而产生的非线性补偿功能;再次是微处理器，它是硬件系统设计中的核心部分，也是硬件设计中最关键的一个环节;大多数智能传感器采用单片机微处理器，具有很强大的功能，不仅功耗低、运行快、精度高，而且价格合理，应用十分广泛;然后是通讯模块，通常采用HART 现场通讯协议，该协议就是在模拟的4-20mA 的信号上叠加一个数字信号，其信号交流是对称的，对模拟信号不会产生干扰;最后是HMI 人机界面，通常采用LCD 作为现场知识来显示参数和组态信息，通过LCD 的显示能够提高对系统的监控和设备系统的维护，LCD 显示器是将LCD 面板与LCD 驱动器结合在一起然后再将其连接到单片机的控制窗口，LCD 的控制主要是通过参数初始化、循环主程序和屏幕刷新程序进行控制的。

3.智能型变送器的软件设计与实现

智能型变送器的软件结构一般是嵌入式的结构，其运行程序是按照相应的流程进行往复循环，如果遇到突发事件就会中断的一种结构。智能热控变送器的软件编写主要使用模块化的结构，软件结构主要分为监控程序、测控程序和通信程序。其中监控程序是整个软件系统的核心部分，关系到整个系统的控制和运行，它包括指示表头检测、系统自检测和初始化，测量控制程序主要包括输出数据、k 系数补偿、输入数据和数据采集，通信程序主要包括应用层实现、通信发送和通信接受这三个部分。首先是对温度补偿程序的设计，本文主要使用电容式的传感器，它的测量精度会由于外部环境的变化而发生很大改变，因此要对其进行温度补偿，可以通过神经网络法和最小二乘法对其进行计算，计算结果为温度补偿在-20-70 摄氏度;其次是对k 系数程序设计，由于电容式的传感器制造工艺存在不足使其性能得不到保证，有时候用同一个量程段，在输出上就会有误差，因此一般采用A/D 采样值进行转换，使测量范围与量程有对应的关系;再次是要对线性化程序设计，该部分主要是采用高精度的标准压力源对传感器的零点进行补偿，来对输出特性进行特征化处理从而不断达到输出特性的设计要求;最后是对HART 通讯程序进行设计，该协议的数据格式为前导码的字节长度为5-20，定界符，命令字节和校验字节的字节长度都为1，地址的字节长度为1-5，数据的字节长度为0-25，响应的字节长度为2。只有智能型变送器才支持HART协议。

结束语：当前，热控变送器的研究还需要进一步深入，我们要对两种型号的变送器进一步研究，本文阐述了总线变送器的基本内容和原理、智能热控变送器的选型方法，工作时的注意事项，以及当前热控变送器的设计和实现要点，希望可以为今后的变送器的研究和发展提供参考。

参考文献

[1]金黎华. 智能热控变送器的设计与实现[D]. 大连理工大学，2018.67

[2]夏玉龙. 热控变送器检定标准实验室应用初探[J]. 石油工业技术监督，2019，12：14-17.