胡松胡松，高级工程师，曾任民丰造纸厂计量仪表科科长，中国造纸学会自动化专业委员会常委。提键要:介绍了一种与以往的模拟变送器有很大不同、且各造纸厂已开始投入使用的新一代变送器——智能型变送器的工作原理及其在使用中出现的一些新问题,供纸厂有关人员在选型和使用时参考。关键词:智能变送器;工作原理;精度;量程迁移;通信目前目前，我国某些纸厂在生产中使用的是力矩平衡式DDZ-Ⅱ型仪表。随着计算机技术的发展及其在生产中的应用，使具有与计算机统一信号4～20mA（1～5V）DDZ-Ⅲ型仪表取代了DDZ-Ⅱ型仪表。半导体集成技术的发展促使性能更佳、精度更高的全电子仪表应运而生。近年来网络技术、数字通信技术的发展，人们在全电子仪表上附加入智能化模块，诞生了新一代的智能化仪表。据我所知，目前新建项目中已大部分采用智能化仪表。　1 智能化变送器的工作原理目前由于目前计算机在自动化控制系统中不但完全替代了调节器的作用，并且已经大大地超越了调节器的功能，为此，我们只介绍智能化变送器的工作原理。目前就目前智能化变送器而言，大体可归纳为：扩散硅谐振式、扩散硅应变式、电容式等。1．1 扩散硅谐振式变送器目前以横河EJA A系列为例说明。在一单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术，分别在其表面的中心和边缘作成两个形状、大小完全一致的H形状谐振梁，且处于微型真空腔中，使其既不与充灌液接触，又确保振动时不受空气阻尼的影响。图1为硅谐振梁的结构。图1 硅谐振梁的结构图2为硅谐振器的自激振荡电路目前硅谐振梁处于由永久磁铁提供的磁场中，与变压器、放大器等组成正反馈回路，让谐振梁在回路中产生振荡。图2为硅谐振器的自激振荡电路。目前当单晶硅的上、下表面受到压力并形成压力差时,将产生形变，中心处受到压缩力，边缘处受到张力，因而两个H形状谐振梁分别感受不同应变作用，其结果是中心谐振梁因受压缩力而频率减少，边缘谐振梁因受张力而频率增加。这样两个H形谐振梁分别将差压、压力信号转换为频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传递到CPU进行数据处理，经D/A转换器转换为与输入信号相对应的4～20mA DC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字信号进行通信。图3为EJA智能变送器工作原理图。图3为EJA智能变送器工作原理目前膜盒组件中内置的特性修正存贮器存贮传感器的环境温度、静压及输入/输出特性修正数据，经CPU运算，可使变送器获得优良的温度特性、静压特性及输入/输出特性。1．2 扩散硅应变式变送器目前以福克斯波罗I/A SERIES为例。在一单晶硅芯片上采用集成电路扩散压阻技术，将硼扩散到硅片的晶格结构中形成一个十分灵敏的惠斯登电桥。用化学蚀刻方法将电桥下面硅片的后部蚀刻到对应测量范围的厚度，然后把完成的硅片再粘结到硼硅酸玻璃或氧化铝基板上，再将各种防蚀材料的隔离膜片焊接到传感器硅片的上方。在隔离膜片与硅片之间的空隙中，在真空条件下灌注硅油或氟油。目前在表压力和差压应用场合，需在硼硅酸玻璃基板上穿一个孔通到硅片后面的孔腔，作压力引入口。目前当压力施加到集成电路硅片上时，在电桥电阻上就产生了应力，该压力所形成的压阻效应改变了桥臂上的电阻值，这样就产生了一个与压力成正比的电压。当电桥激励电流为1.0mA时，其对应于满量程压力的电桥输出的典型范围为75～150mV。传感器模块内的电桥输出信号及温度传感器信号直接传递到包括信号处理线路和微处理器的电子模块内进行数据处理,经D/A转换器转换为与输入信号相对应的4～20mA DC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个基于FSK移频键控技术的FSK调制信息进行数字通信。智能型变送器框图见图4。传感器模块中内置的非易失性存贮器存贮传感器组态、修正系数图4为扩散硅应变式智能型变送器框图以及工厂标定数据。目前霍尼威尔ST3000系列亦属此类原理。1．3 电容式变送器目前以罗斯蒙特 3051CG型为例，电容式智能变送器工作原理框图见图5。由隔离膜片和电容室组合成敏感元件。当被测压力作用于敏感元件两侧的隔离膜片时，其中灌注的硅油将此力传送到位于电容室中间的测量膜片两侧，测量膜片与采用SMT表面贴装技术贴装于电容器两侧绝缘片上的电极各组成一个电容。当两侧压力不一致时致使测量膜片产生位移，其位移量与压力差成正比，此位移使两侧电容量不等，通过振荡和解调环节 图5为电容式智能变送器工作原理框图转换成与压力成正比的直流信号。A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号进入CPU进行数据处理，再经D/A转换器转换为与输入压力信号相对应的4～20mA DC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个HART数字信号进行通信。目前非易失性的EEPROM存贮器贮存所有组态、数字微调参数和特征参数。目2能智能变送器的精度模拟模拟变送器由于受到杠杆比等因素的限制，其量程比（测量范围上限与测量范围下限之比）较小，因此，仪表的品种规格较多。用户根据不同量程范围，选择相应的仪表规格。而智能变送器的测量范围很宽，很少几个品种即可覆盖全部测量范围，其量程比很大。例如，福克斯波罗的I/A系列，其量程比分别为10、30和60。而横河EJA系列其量程比则为10、20、40、50和100。这为用户选用带来了方便。目前但是，量程比和精度、温度、静压等特性是矛盾的，量程比越大，上述技术指标越差。有鉴于此，智能变送器技术指标中，不能如模拟变送器那样直接提供精度指标，而是提供（调量程的）参考精度以及精度、温度、静压与量程的关系式。精度一般包括线性度、回差和重复性。即指在没有静压、常温下的基本精度。目前对于用户而言，最关心的是根据实际使用的测量范围和允许的误差，选择合适的可用量程比。一般，工业过程压力较高，环境温度也较高。因而变送器的温度附加误差、静压附加误差均不可忽视。所以，我们在选用时，既要考虑它的基本误差，更要考虑它的附加误差。衡量其精度的指标应是其综合指标E综。　2．1 I/A SERIES变送器精度目前量程限值编码B，其量程≥测量上限值的5%；量程限值编码C、D和E，其量程≥测量上限值的6.7%情况下的精度如表1。表1型号组态输出信号精度 %D数字线性数字平方根4～20mA±0.07±0.10±0.10I4～20mA±0.20注:精度指以标定量程的百分数表示。量程编码B，其量程<测量上限值的5%；量程限值编码C、D和E，其量程<测量上限值的6.7%情况下的精度如表2。表2电子模块型号组态输出信号精度 %编码B，量程<测量上限值的5%编码C、D、E，量程<测量上限值的6.7%D数字线性数字平方根4～20mA±0.0035测量上限值/ 量程±(0.03+0.003测量上限值 /量程）±(0.03+0.0035测量上限值/量程）±0.0047测量上限值/ 量程±(0.03+0.0047测量上限值/量程）±(0.03+0.0047测量上限值/量程）I4～20mA±(0.10+0.005测量上限值/量程）±(0.10+0.0067测量上限值/量程）环境温度附加误差：在正常工作条件下，环境温度每变化55℃，对变送器总的影响是：目前D电子模块：测量上限值的±0.2%；目前I电子模块：±（测量上限值的0.2%+量程的0.1%）。目前静压附加误差：在静压变化7MPa时，零位和量程的漂移为：目前零位：±0.25%的测量上限值；目前量程：±0.25%的量程。2.2 EJA430A智能变送器的精度目前调量程的参考精度：±0.075%目前当量程<测量上限值的10%时，其精度为±[0.025+0.05测量上限值/量程]%目前环境温度附加误差：在正常工作条件下，环境温度每变化28℃，对变送器的影响为：目前±[0.084%量程+0.017%量程上限]目前有关EJA其他智能变送器的精度，请参见有关资料。　3智智能变送器的零点迁移目前由于安装、检修等方面的因素，当被测参数为零时，其变送器有一固定的输出，给测量过程带来诸多不便。为了保持变送器的零点与测量参数零点的一致，就有必要抵消其固定的输出。这就是同时改变测量仪表的上、下限，而不必变其量程的所谓“零点迁移”。目前模拟变送器的最大零点迁移只能是使用量程的100%。由于智能变送器有较大的量程比，其一般的零点迁移量为-100%～100%测量范围上限，即当仪表的输入压力为负测量范围上限值至正测量范围上限值时，仪表的输出均可调到0%（4mA DC）。目前如果以使用范围的百分数来计算智能变送器的迁移量将如何呢？目前例如，某智能变送器的测量范围上限值64kPa，测量范围下限值0.64kPa，实际使用范围为0～16kPa，则此时仪表的正迁移量为：[(64-16)/16]×100%=300%目前负迁移量为：（64/16）×100%=400%（见图6）图6正正、负迁移量　4智智能变送器的通讯变送变送器的发展方向是现场总线型变送器。变送器与控制系统之间的通讯是全数字化的、双向的和多站的。即不是每台变送器用二根传输线接到控制室，而是多台变送器共用二根传输线，因而布线电缆减少，设计简单，系统可靠性提高；变送器和控制系统之间的数字通讯，也不仅是一些辅助信息和诊断信息，而是全部测量数据，而且是双向的；由于现场智能仪表（如变送器和控制阀）之间也可通讯，因而有些原来由控制系统有的功能将转到现场仪表，于是上层网络系统简化。目前目前部分智能变送器一开始就按现场总线设计，采用现场总线兼容模块，而不要求对变送器作任何改动。这意味着既可充分发挥智能变送器的能力，又能保留日后重新选择的余地。当时机成熟时，就可向现场总线转移，而不会损失在高性能智能变送器上所花投资。4．1 I/A SERIES通讯目前采用共同的上部结构件及可互相通用、替换的智能电子模块件，来选择其智能化程度。（1）FOXCOM智能模块D，按FOXCOM数字输出组态。目前采用I/A SERIES 现场总线的FOXCOM 通讯协议，从控制室的I/A SERIES工作站完成组态及通讯。（2）FOXCOM 智能模块D，按4～20mA输出组态。目前可通过一个HHT手持式终端或一台运行组态软件的个人计算机（PC10组态器）进行组态和重标变送器，利用一个叠加在4～20mA信号上的双向数字信号，对变送器进行测量和检测。（3）4～20mA智能模块I，当不需要数字通讯时选用最为恰当且又经济，采用整体式带按键的LCD显示器进行一般标定和组态。4．2 EJA A系列变送器的通信目前在变送器选型时，选择不同的输出信号代码，来选择其智能化程度。目前（1)选择代码F，可实现FF现场总线通讯，与CENTUM CS、CENTUM μX等系统相互通讯。目前（2）选择代码E，可实现4～20mA，HART协议通讯。目前采用HART275手持通讯器。目前（3）选择代码D，可实现4～20mA，BRAIN协议数字通讯。目前采用BT200型手持终端。4．3 罗斯蒙特3051变送器的通讯选择输出代码A，可实现4～20mA，HART协议数字通讯。采用HART275型手操器或罗斯蒙特268型手操器。在选用时应根据目前系统的情况及今后的发展慎重选型。除上述HART和BRAIN通讯协议 外，霍尼威尔ST3000系列采用DE通讯协议。由于各通讯协议，或者同一协议之间，多少有些差异，因此，采用数字通讯会给同类产品但不同厂家生产的仪表更换带来麻烦，设计选型时应综合考虑。　5智智能变送器的校验（以3051为例）校验智能变送器不同于校验模拟变送器，智能变送器的校验可以通过手持终端。其二，模拟变送器是一步校验，而智能变送器则分重设量程、传感器微调、模拟输出微调三步进行，智能变送器校验仍需输入压力信号。重设量程有三种方法。①当不知道4mA和20mA点的具体值时，用压力输入源和手操器重设量程。②只用手操器重设量程，而不需要压力输入。③当不知道4mA和20mA点的具体值，且无手操器时，利用本机零点和量程按钮与压力源重设量程。