变送器的选用

摘要：各种形式的传感器和变送器是工业数据采集和工业过程控制系统不可缺少的电子元器件。了解各种变送器的工作机理和结构特性可为电子开发设计者提供更多的参考。文中介绍了多种变送器的工作原理和结构特征，可供设计人员选用时参考。

　　关键词：变送器；传感器；测量；数据采集

　　传感器和变送器在仪器、仪表和工业自动化领域中起着举足轻重的作用。与传感器不同，变送器除了能将非电量转换成可测量的电量外，一般还具有一定的放大作用。本文简单地介绍了各类变送器的特点，以供使用者选用。

1　一体化温度变送器

　　一体化温度变送器一般由测温探头(热电偶或热电阻传感器)和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。一体化温度变送器一般分为热电阻和热电偶型两种类型。热电阻温度变送器的原理如图1所示。



　　热电阻温度变送器是由基准单元、R/V转换单元、线性电路、反接保护、限流保护、V/I转换单元等组成。测温热电阻信号经转换放大后，再由线性电路对温度与电阻的非线性关系进行补偿，经V/I转换电路后输出一个与被测温度成线性关系的4～20mA的恒流信号。

　　热电偶温度变送器一般由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为4～20mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接触不良时，变送器会输出最大值(28mA)以使仪表切断电源。热电偶温度变送器的原理图如图2所示。



　　一体化温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点。

　　一体化温度变送器的输出为统一的4～20mA信号；可与微机系统或其它常规仪表匹配使用。也可按用户要求做成防爆型或防火型测量仪表。



2　压力变送器

　　压力变送器也称差压变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

　　压力变送器的测量原理图如图3所示。其测原理是：流程压力和参考压力分别作用于集成硅压力敏感元件的两端，其差压使硅片变形(位移很小，仅μm级)，以使硅片上用半导体技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的mV级电压信号。由于硅材料的弹性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均很高。工作时，压力变送器将被测物理量转换成mV级的电压信号，并送往放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系的标准电流电压信号。

　　压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器(0.001MPa～20MPa)和微差压变送器(0～30kPa)两类。

3　液位变送器

3.1 浮球式液位变送器

　　浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。

　　一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。

3.2 浮筒式液位变送器

　　浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。

3.3 静压或液位变送器

　　该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流方式输出。

4　电容式物位变送器

　　电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。

　　电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制4～20mA恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形式为1～5V、0～5V、0～10mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调制原理进行测量的优点是频率较低、对周围无射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。

5　超声波变送器

　　超声波变送器分为一般超声波变送器(无表头)和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。

　　一体化超声波变送器由表头(如LCD显示器)和探头两部分组成，这种直接输出4～20mA信号的变送器是将小型化的敏感元件(探头)和电子电路组装在一起，从而使体积更小、重量更轻、价格更便宜。超声波变送器可用于液位、物位的测量和开渠、明渠等的流量测量，并可用于测量距离。

6　锑电极酸度变送器

　　锑电极酸度变送器是集PH检测、自动清洗、电信号转换为一体的工业在线分析仪表，它是由锑电极与参考电极组成的PH值测量系统。在被测酸性溶液中，由于锑电极表面会生成三氧化二锑氧化层这样在金属锑面与三氧化二锑之间会形成电位差。该电位差的大小取决于三氧化二锑的浓度，该浓度与被测酸性溶液中氢离子的适度相对应。如果把锑、三氧化二锑和水溶液的适度都当作1，其电极电位就可用能斯特公式计算出来。

　　锑电极酸度变送器中的固体模块电路由两大部分组成。为了现场作用的安全起见，电源部分采用交流24V为二次仪表供电。这一电源除为清洗电机提供驱动电源外，还应通过电源转换单元转换成相应的直流电压，以供变送电路使用。第二部分是测量变送器电路，它把来自传感器的基准信号和PH酸度信号经放大后送给斜率调整和定位调整电路，以使信号内阻降低并可调节。将放大后的PH信号与温度补偿信号进行迭加后再送进转换电路，最后输出与PH值相对应的4～20mA恒流电流信号给二次仪表以完成显示并控制PH值。

7　酸、碱、盐浓度变送器

　　酸、碱、盐浓度变送器通过测量溶液电导值来确定浓度。它可以在线连续检测工业过程中酸、碱、盐在水溶液中的浓度含量。这种变送器主要应用于锅炉给水处理、化工溶液的配制以及环保等工业生产过程。

　　酸、碱、盐浓度变送器的工作原理是：在一定的范围内，酸碱溶液的浓度与其电导率的大小成比例。因而，只要测出溶液电导率的大小就可得知酸碱浓度的高低。当被测溶液流入专用电导池时，如果忽略电极极化和分布电容，则可以等效为一个纯电阻。在有恒压交变电流流过时，其输出电流与电导率成线性关系，而电导率又与溶液中酸、碱浓度成比例关系。因此只要测出溶液电流，便可算出酸、碱、盐的浓度。

　　酸、碱、盐浓度变送器主要由电导池、电子模块、显示表头和壳体组成。电子模块电路则由激励电源、电导池、电导放大器、相敏整流器、解调器、温度补偿、过载保护和电流转换等单元组成。

8　电导变送器

　　它是通过测量溶液的电导值来间接测量离子浓度的流程仪表(一体化变送器)，可在线连续检测工业过程中水溶液的电导率。

　　由于电解质溶液与金属导体一样是电的良导体，因此电流流过电解质溶液时必有电阻作用，且符合欧姆定律。但液体的电阻温度特性与金属导体相反，具有负向温度特性。为区别于金属导体，电解质溶液的导电能力用电导(电阻的倒数)或电导率(电阻率的倒数)来表示。当两个互相绝缘的电极组成电导池时，若在其中间放置待测溶液，并通以恒压交变电流，就形成了电流回路。如果将电压大小和电极尺寸固定，则回路电流与电导率就存在一定的函数关系。这样，测出待测溶液中流过的电流，就能测出待测溶液的电导率。

　　电导变送器的结构和电路与酸、碱、盐浓度变送器相同。

9　智能变送器

　　智能式变送器是由传感器和微处理器(微机)相结合而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理(如滤波、放大、A/D转换等)、数据显示、自动校正和自动补偿等。

　　微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能，因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器降低了传感器的制造难度，并在很大程度上提高了传感器的性能。另外，智能式变送器还具有以下特点：

　　●具有自动补偿能力，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。
　　●可自诊断，通电后可对传感器进行自检，以检查传感器各部分是否正常，并作出判断。
　　●数据处理方便准确，可根据内部程序自动处理数据，如进行统计处理、去除异常数值等。
　　●具有双向通信功能。微处理器不但可以接收和处理传感器数据，还可将信息反馈至传感器，从而对测量过程进行调节和控制。
　　●可进行信息存储和记忆，能存储传感器的特征数据、组态信息和补偿特性等。
　　●具有数字量接口输出功能，可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总线等连接。
作者：吴金宏　倪向阳　吴昊   来源：北极星