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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,控制仪表和计算机控制装置,武汉工程大学电气信息学院,上页,下页,目 录,上页,下页,目 录,武汉工程大学电气信息学院测控教研室,过程控制仪表及装置,(1)电容式,差压变送器构成方框图,检测元件,电容式压力传感器,1,P=0,C,i1,=C,i2,=15pF,P0,C,i1,的电容量减小,C,i2,的电容量增大,(2)电容式,差压变送器测量原理,差动,电容测量原理,2,振荡器为变压器反馈振荡器,CPU采取间断工作方式,T1(12)R7R9C17Ci2C2VD1VD5R3T1(1),WDT监控电路,测控程序包括A/D采样程序、非线性补偿程序、量程转换程序、线性或开方输出程序、阻尼程序以及D/A输出程序等,将CPU输入的数字信号转换为420mA直流电流作为整机的输出,AT89S8252微处理器,它与MCS-51兼容。,实现HART协议物理层的硬件电路,检测元件电容式压力传感器,CPU正常工作时WDO输出为高电平,对CPU的工作没有影响,分为两部分:测控程序和通信程序,振荡控制放大器,T1(11)C11 C17Ci1C1VD4、VD8T1(2),将输入差压转换成A/D转换器所要求的0电压信号。,振荡器输出为负半周时,共模信号 Ic=(i2+i1),P=0,S,1,=S,2,=S,0,P0,S,1,=S,0,+S,2,=S,0,-,3,相对变化值 与被测差压P成线性关系,与灌充液的介电常数无关,4,电容一电流转换电路,将差动电容的,相对变化值成比,例地转换为差动,信号 ,并实现,非线性补偿功能。,.,5,电容一电流转换电路,差动信号,I,d,=(i,2,i,1,),共模信号,I,c,=(i,2,+i,1,),差动信号I,d,经电流放大电路放大成420mA的输出电流I,0,;共模信号I,c,使得i,2,+i,1,保持不变,从而保证I,d,与输入差压P之间成比例关系,6,振荡器,向电容式压力传感器的C,i1,和C,i2,提供高频电源,振荡器为变压器反馈振荡器,振荡器的等效电路,.,+,_,7,解调器,对通过差动电容C,i1,、C,i2,的高频电流进行半波整流,振荡器输出为正半周时,电流i,2,的路线为:,T,1,(2)V,D,6,、VD,6,C,2,C,i2,C,17,C,11,T,1,(11),电流i,1,的路线为:,T,1,(3),R,4,V,D,7,、VD,3,C,1,C,i1,C,17,R,6,R,8,T,1,(,10),8,解调器,振荡器输出为负半周时,电流,i,1,的路线:,T,1,(11)C,11,C,17,C,i1,C,1,VD,4,、VD,8,T,1,(2),电流i,2,的路线为:,T,1,(12)R,7,R,9,C,17,C,i2,C,2,VD,1,VD,5,R,3,T,1,(1),9,解调器,i,2,、i,1,以相反的方向流过C,11,,两者平均值之差I,2,-I,1,即为解调器输出的差动信号I,d,,i,1,、i,2,流过R,6,R,8,和R,9,R,7,产生的电压极性相同,两者平均值之和I,2,I,1,即为解调器输出的共模信号I,c,。,电路时间常数比振荡周期小得多,可以认为C,i1,、C,i2,两端电压的变化等于振荡器输出高频电压的峰一峰值U,PP,i,1,和i,2,的平均值I,1,、I,2,如下:,10,解调器,i,1,、i,2,的平均值之差I,d,及两者之和I,c,分别为,11,振荡控制放大器,流过VD,1,、VD,5,和VD,3,、VD,7,的电流之和I,2,+I,1,即,IC,等于常数,。,12,振荡控制放大器,定性分析如下:,I,2,+I,1,U,d,振荡器振荡幅度,使I,2,+I,1,恢复到原来的数值 I,2,+I,1,变压器T,1,输出电压减小,U,01,13,线性调整电路,进行非线性补偿,I,d,和,P,的非线性关系是由电容式压力传感器的分布电容引起的,14,线性调整电路,P,的增大,,C,i2,增大,,C,i1,减小。,C,i2,增大的速率要比,C,i1,减小的速率快使得(,C,i2,+,C,i1,)随着,P,的增加而增大,即,K,2,随,P,的增加而增大,从而使得,I,d,与,P,之间不存在线性关系。,R,22,=,R,23,R,W1,=0,R,W,0,U,c,=0,U,c,0,15,线性调整电路,P,(,C,i2,+,C,i1,),振荡器振荡幅度,U,c,I,c,I,c,和,K,2,的变化方向相反,I,d,与,P,成线性关系,16,放大转换部分,把测量部分输出的差动信号,Id,放大并转换成,4,20mA,的直流输出电流,实现量程调整、零点调整和迁移、输出限幅和阻尼调整功能,17,电流放大电路的等效电路,电流放大电路,18,电流放大电路,把,Id,放大并转换成,4,20mA,的直流输出电流,并实现量程调整,输出电流,I,o,路线为,E,+,VD,11,R,31,W,3,R,33,VD,12,R,18,VT,2,VT,4,R,L,E,R,34,C,11,19,电流放大电路,反馈电流,I,f,与,I,o,的关系为,因为,R,34,(,R,33,+,R,a,+,R,b,),20,(3-37),(3-38),式(3-38)表明,:,I,0,和输入信号,P,之间呈线性,改变反馈系数的大小,可以调整变送器的量程,21,零点调整与零点迁移电路,调整变送器的输出零位和实现变送器的零点迁移,调整电位器W,2,,即改变,U,A,的大小,可以使得变送器的输出零点电流为4mA。,接通,R,20,时实现正迁移,接通,R,21,时实现负迁移。,22,输出限幅电路,限制变送器输出电流,I,o,的最大数值不超过,30mA,。,I,o,最大值为:,23,阻尼电路,抑制变送器的输出电流因输入差压快速变化所引起的波动,产生一阶跃变化,,I,o,I,fd,对,C,11,反向充电,,阻止了,C,11,上的电压增大,,,这样也就阻止了,I,o,的增大。,(右图为阻尼作用的阶跃曲线),24,阻尼电路,R,26,R,28,用于变送器的零点温度补偿,C,17,用于电容耦合接地。,VZ,2,除起稳压作用外,还在电源接反时,提供电流通路,以免损坏电子器件。,R,1,、,R,2,、,R,4,、,R,5,用于量程温度补偿二极管V,D,11,用于在变送器输出指示表未接通时,为输出电流提供通路。,25,3.2.3.,扩散硅式差压变送器,检测元件,扩散硅压阻传感器,26,(1)扩散硅式,差压变送器构成方框图,27,(2)测量部分,把被测差压P成比例地转换为不平衡电压,U,S,1)扩散硅压阻传感器,28,2)传感器供电电路,为传感器提供恒定的桥路工作电流,U,T1,=,U,F1,、,I,F1,=0,工作电流,I,S,为,29,(3),放大转换部分,把测量部分输出的,毫伏信号,U,O1,放大并转换成,4,20mA,的直流输出电流,I,O,1)前置放大器,起电压放大作用,可求得,因,R,8,=R,9,,,故,30,图3-40,31,2),电压电流转换器,把前置放大器的输出,电压,U,01,转换成,4,20mA,的直流输出电流,I,O,零点调整和输出限幅功能,由于,R,10,R,11,R,15,R,18,因而,U,0,U,01,32,数字式差压变送器,ST3000,差压变送器,3051,C,差压变送器,1151数字式差压变送器,33,UT1=UF1、IF1=0,R1、R2、R4、R5用于量程温度补偿二极管VD11用于在变送器输出指示表未接通时,为输出电流提供通路。,检测元件电容式压力传感器,改变反馈系数的大小,可以调整变送器的量程,(2)电容式差压变送器测量原理,接通R20时实现正迁移,3051C差压变送器,R26R28用于变送器的零点温度补偿,电流i1的路线:,AD421及电压调整电路,传感器在单个芯片上形成差压测量用、温度测量用和静压测量用三种感测元件,抑制变送器的输出电流因输入差压快速变化所引起的波动,把前置放大器的输出电压U01转换成420mA的直流输出电流IO,2)传感器供电电路,共模信号Ic使得i2+i1保持不变,从而保证Id 与输入差压P之间成比例关系,ST3000,差压变送器,传感器在单个芯片上形成差压测量用、温度测量用和静压测量用三种感测元件,34,3051,C,差压变送器,检测元件采用电容式压力传感器,35,1151,数字式差压变送器,1151数字式差压变送器原理框图,36,传感器部分,将输入差压转换成,A/D,转换器所要求的,0,电压信号。,变送器的正常工作电流必须等于或小于,传感器部分工作电流为左右。,37,AD7715,带有模拟前置放大器的,A/D,转换芯片采用-,转换技术,实现16位的高精度模数转换。,还具有自校准和系统校准功能,前置放大器,PGA,有,1,、,2,、,32,、,128,四种增益可供选择4个片内寄存器为通信寄存器、设定寄存器、测试寄存器、数据寄存器,通过对寄存器的编程,可以实现增益选择、信号极性、输出数据速率、自动校准和,AD,转换等功能,38,AD7715,AD7715,的模拟输入为差动方式,极性可置成单极性或双极性,信号范围可选;电源可采用,+3,V,或,+5,V,单电源,AD7715,电路原理图,39,CPU,AT89S8252,微处理器,它与,MCS-51,兼容。,CPU采取间断工作方式,8K bytes,的,Flash ROM,、,2K bytes,的,EEPROM,、,256 bytes,的,RAM,、,32,个,I/O,口线、两个,DPTR,、,3,个,16,位定时,/,计数器、,1,个全双工串行口、可编程看门狗、在片振荡器和时钟电路等。,CPU,采用,3V,供电,工作频率。,40,HART,通信部分,实现,HART,协议物理层的硬件电路,HART通信电路,41,AD421,及电压调整,电路,作用:,将CPU输入的数字信号转换为420mA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420mA直流电流上一起输出,与场效应管VT1等组成电压调整,电路,三极管VT2起分流作用,以减少流过场效应管VT1的电流,42,AD421及电压调整电路原理图,43,WDT,监控电路,44,WDT,监控电路,CPU,正常工作时WDO输出为高电平,对CPU的工作没有影响,WDO,输出将变为低电平经过一段,等待时间之后,输出,RESET,信号对,CPU,进行复位,CPU受外界干扰不能正常工作时,WDO,输出将变为低电平,45,1151,数字式差压变送器的软件,分为两部分:测控程序和通信程序,测控程序包括,A/D,采样程序、非线性补偿程序、量程转换程序、线性或开方输出程序、阻尼程序以及,D/A,输出程序等,通信程序采用串行口中断接收/发送,46,
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