机、电类 《传感器与检测技术项目教程》 模块四、压力检测 课件 统一书号： ISBN 课程配套网站 或 年2月第1版

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1 机、电类 《传感器与检测技术项目教程》 模块四、压力检测 课件 统一书号： ISBN 课程配套网站 或 年2月第1版 （作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）

2 本模块介绍“压力” 等基本概念、电容式压力表、两线制压力表、智能压力表、总线制压力表，还介绍了陶瓷式压力传感器。
内容简介 本模块介绍“压力” 等基本概念、电容式压力表、两线制压力表、智能压力表、总线制压力表，还介绍了陶瓷式压力传感器。 提问：物理中的“压力”与工业中的“压力”是一回事吗？ 今天是：2018年11月28日星期三

3 知识链接、压力的基本概念 项目一、电容式压力变送器 项目二、两线制压力变送器 拓展阅读、陶瓷式压力传感器
模块四、压力检测（下） 目录 知识链接、压力的基本概念 项目一、电容式压力变送器 项目二、两线制压力变送器 拓展阅读、陶瓷式压力传感器 进入 进入 提示：本课件基本上每一重要的页面都有“提问”，主要是用于教师思考与提高，也可以用于提问学生。拓展的问题可以上网查阅。 現在時間是：15:02

4 项目二 两线制压力变送器 【项目教学目标】 ☞ 知识目标 1）熟悉压力变送器的分类和组成。 2）熟悉压力变送器的HART通信。
项目二 两线制压力变送器 回目录 【项目教学目标】 ☞ 知识目标 1）熟悉压力变送器的分类和组成。 2）熟悉压力变送器的HART通信。 3）熟悉现场总线型变送器的原理。 ☞ 技能目标 1）掌握两线制压力变送器的接线。 2）掌握智能变送器的零点迁移方法。 現在時間是：15:02

5 任务一、两线制压力变送器的应用 变送器：能够将传感器的输出信号转换为可以被控制器接受的标准化信号的设备。
主要由：传感器、测量转换电路、补偿电路等组成。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。 用于工业控制的变送器主要有：温度变送器、压力变送器、流量变送器、液位变送器、电流变送器、电压变送器等。 变送器具有输入过载保护、输出过电流保护、输出电流长时间短路保护、输出端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护、工作电源过压极限保护、工作电源反接保护等。 提问：变送器与传感器有何不同？

6 两线制变送器（续） 提问：变送器与传感器有何不同？ 2018/11/28

7 一、压力变送器简介 压力变送器是一种能将接收的气体、液体等压力信号转换为可传送的标准化输出信号的仪器。此外，其输出信号与压力之间有一给定的连续函数关系（通常为线性函数）。 压力变送器主要用于工业过程压力参数的测量与控制，其中的差压变送器也常用于液位和流量的测量。 p2 p1 提问：为什么有两个取压口？

8 压力变送器分类 ①按工作原理，可分为电容式、压阻式、谐振式、等（谐振式压力变送器可不经过信号处理电路，直接输出数字脉冲信号等）；
②按接线方式，可分为两线制、三线制（一根正电源线。两根信号线，其中一根GND）、四线制（两根正负电源线，两根信号线，其中一根GND）等； ③按输出方式，可分为电压输出、电流输出、数字信号输出等； ④按压力测量范围，可分为一般压力变送器（0.001～35MPa）和微压力变送器（0～1.5kPa），负压变送器（0～-100kPa）等； ⑤按准确度，可分为高准确度变送器（0.1%或0.075%级）和通用变送器（0.5%级）。 提问：若微压力变送器的测量范围为0～1.5kPa，你估计1.5kPa相当于多少毫米水柱？

9 压力（差压）变送器的原理框图（图4-20） 以电容式压力（差压）传感器为例，两个大小不同的被测压力p1、p2通过导压液传送到电容式压力（差压）变送器的两个压力室，并作用在δ室（即感压元件）两侧的隔离膜片上，致使测量膜片产生位移，其位移量与压力之差成正比。 提问：什么是δ室？起何作用？

10 一次仪表与二次仪表 压力变送器已经将传感膜头与信号处理、转换单元组合在一个壳体中，并安装在检测现场，这种信号采集转换装置在工业中被称为一次仪表，例如热电偶、压力变送器、流量计、液位计等。 无纸记录仪 是二次仪表 提问：一次、二次仪表有什么不同？ 而接受来自一次仪表的信号，并显示、记录、转换及发送该信号的装置称为二次仪表，例如：显示报警仪、记录仪、调节器等。二次仪表通常安装在仪表盘上。

11 电流输出型仪表 一次仪表的输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑电路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。 从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始，规定标准电流输出型仪表的输出为4～20mA（DDZ-Ⅱ标准为0~10mA），对应的输出电压为1～5V（DDZ-Ⅱ标准为0～2V）。在4～20mA信号制中，4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。 不让信号占有0～4mA的原因：1）有利于判断电路故障（开路）或仪表故障；2）这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此，0～4mA这一部分“本底”电流还能为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。 提问：1.要怎样的电路使得一次仪表的工作电流小于4mA？ 2.为什么一次仪表的工作电流小于4mA才能构成两线制仪表？

12 1511电流输出型差压变送器的原理框图 提问：1.电源回路串联了二极管为什么不会降低两线制仪表的输出电流？对其他仪表也不会呢？ 2.在二极管两端并联毫安表，就不怕二极管分流而降低测量准确度吗？ 二极管VD构成外接电源极性反接保护电路。当外接电源E极性反接时，二极管VD反偏，电路的电流非常微小小，不会损坏变送器电路。

13 二、两线制压力（差压）变送器简介 提问：1.两线制仪表的两根引线分别是什么颜色，分别接到哪儿？ 2.两线制仪表的输出是电流，计算机要求的电压，要怎样办呢？ 3.两线制仪表的两根引线接反了会怎样？（烧毁/不能工作/没怎样，一样的） 接线：其中一根为电源正极导线（红色），另一根既作为电源负极引线，又作为二次仪表的信号传输线。在信号传输线的末端，通过一只精密的取样电阻（也称负载电阻）接到电源负极，将电流信号转换成电压信号

14 解 因为该仪表说明书未说明线性度，可以默认输出电流与被测压力之间为线性关系，即 I 与 p 的数学关系为一次方程，所以有
例4-5 某两线制电流输出型压力变送器的产品说明书注明其量程范围为0～200kPa，对应的输出电流为4～20mA。求：当测得输出电流I =12mA时的被测压力p。 解 因为该仪表说明书未说明线性度，可以默认输出电流与被测压力之间为线性关系，即 I 与 p 的数学关系为一次方程，所以有 I =a0+a1p 式中 a0、a 1——待求常数。 当p =0时，a 0=4mA 当p =200kPa时，I=20mA，代入式（4-15）得a1=0.08mA/kPa，所以该压力变送器的输出/输入方程为：I=4mA+0.08(mA/kPa)p。将I=12mA代入式（4-15）得p=(Ｉ-a0)/a1=(12mA-4mA)/(0.08mA/kPa)=100kPa。 提问：为什么a 0计算出来总是4mA？觉得很奇怪吗？

15 两线制电流输出型压力变送器的特性曲线 提问：为什么两线制电流输出型压力变送器的特性曲线的纵轴的截距总是4mA？

16 【填写压力变送器输出电流与压力的对照表训练】
电流I/mA ＜3.75 4 12 16 20 ＞21.75 差压/kPa 40 160

17 例4-6 某两线制电流输出型绝对压力（pabs）变送器的量程为40~250kPa，零点和量程均已校准，若将取压口向大气敞开，求：此时的输出电流 I 大约为多少毫安？
解 该仪表输入40kPa的绝对压力时，输出为4mA；输入250kPa的绝对压力时，输出为20mA。设大气压的绝对压力p大气≈100kPa，则此时输出电流与(p大气-pmin)成正比： 提问：将取压口向大气敞开，那么输入压力不就等于零了吗？

18 三、两线制仪表的负载电阻 两线制4～20mA电流输出型仪表的输出必须依靠取样电阻（也称负载电阻），将输出的电流信号转换成电压信号。负载电阻越大，得到的输出电压就越高。在图4-22中，若取样电阻RL=250.0，则对应于4～20mA的输出电压Uo为1～5V。负载电阻的上限受电源电压和传输线路直流电阻的限制。 提问：什么是负载电阻？用来干啥？ 当选择HART通信方式时，RL下限为250Ω，上限为1000Ω。

19 例4-7 某两线制4~20mA电流输出型仪表的电源电压为24V，变送器的最低工作电压为12V，若传输线路总长为1km，传输线直流电阻约为100Ω，求： 1）最大取样负载电阻R为多少欧？ 2）若取样电阻R取250Ω时，取样电阻两端的最大输出电压Umax为多少伏？3）若取样电阻R取250Ω时，在线径不变的情况下，传输线的长度最多为多少米？ 解 1）当传输线直流电阻为100Ω时，变送器的最大输出电流为20mA，则线路的最大压降为2V。当电源电压为24V、变送器的最低工作电压为12V，则负载电阻上的最大压降为10V。最大负载电阻 RL=10V/20mA=500Ω。 提问：研究最大负载电阻有什么意义？

20 解 2）若取样电阻R取250Ω时，电阻两端的最大输出电压Umax=250Ω×20mA=5V。
例4-7 某两线制4~20mA电流输出型仪表的电源电压为24V，变送器的最低工作电压为12V，若传输线路总长为1km，传输线直流电阻约为100Ω，求：（续前页） ）若取样电阻R取250Ω时，取样电阻两端的最大输出电压Umax为多少伏？3）若取样电阻R取250Ω时，在线径不变的情况下，传输线的长度最多为多少米？ 解 2）若取样电阻R取250Ω时，电阻两端的最大输出电压Umax=250Ω×20mA=5V。 3）若取样电阻R取250Ω时，传输线允许的最大电阻值 R传输线=(24V-12V-5V)÷20mA=350Ω 由于 ，则传输线的最大长度 提问：研究传输线的最大长度有什么意义？

21 任务二 两线制压力变送器的HART通信 HART也称“可寻址远程传感器高速通道”。
在HART通信协议中，主要的变量和控制信息由4~20mA传送；当需要时，通过HART协议访问变送器的测量、过程参数、设备组态、校准、故障诊断等辅助信息，传输速率为1200bit/s。主机可以从现场智能变送器获取2~4次/s的数字更新，速度较慢。 提问： HART通信只有2~4次/s，这么慢，为什么还要用它呢?

22 a）点对点通信时的波形 b）多点通信时的波形
HART通信协议波形示意图 a）点对点通信时的波形 b）多点通信时的波形 HART协议是主/从协议。只有当主设备发出询问信号时，现场智能变送器（从机）才会发送应答信号。在现场智能变送器与中央控制、监测系统之间传输信息时，HART协议允许点对点或多点模式。此时，最多可有两个主设备（第一主设备和智能手持终端）。 使用手持终端能够在远传或现场便能捷地获取和更改变送器的信息。 提问：1. HART通信协议中，高频是1还是0？ 2.在a图点对点通信时的波形怎么是向上倾斜呢？从来没有看到过这样的波形啦？通常的波形都是向水平方向延伸的啦？

23 HART协议的主机与从机的3种通信模式 a）点对点主从应答方式（两个主机和一个从机） b）多点广播方式（两个主机和多个从机）
c）HART设备与DCS的通信 提问：1。当点对点通信时，是模拟信号还是数字信号？需要一对总线还是N对总线？ 2.多点通信（多点广播方式）时，还有4~20mA信号吗？每台智能变送器的输出电流为多少mA最多可挂多少个HART变送器？ 3.如果DCS要与HART设备通信，可以直接与智能变送器相连吗？

24 智能手持式HART通信器 1－低功耗两线制仪表 2－传输线（正极） 3－传输线（负极） 4－取样电阻 5－智能手持终端
提问：1.智能手持式HART通信器实际上是与HART设备串联还是并联？ 2.为什么不可以将智能手持式HART通信器开着电源接到300Ω电阻的两端？ 1－低功耗两线制仪表 2－传输线（正极） 3－传输线（负极） 4－取样电阻 5－智能手持终端 6－低功耗数字电流表 7－浮置式电源

25 任务三 智能压力变送器的应用 一、智能变送器简述 （1）智能：一种随外界的变化而确定正确行为的能力，包括理解、推理判断与分析等一系列功能。
任务三 智能压力变送器的应用 一、智能变送器简述 （1）智能：一种随外界的变化而确定正确行为的能力，包括理解、推理判断与分析等一系列功能。 （2）智能仪表 ：拥有数据的存储、运算、逻辑判断、双向通信的功能，能与外界双向传递信息。 （3）智能化传感器：将一个或多个敏感元件、精密模拟电路、数字电路、微处理器（MCU）、通信接口、智能软件系统相结合，并将硬件集成在一个封装组件内。具备数据采集、数据处理、数据存储、自诊断、自补偿、自适应、在线校准、逻辑判断、双向通信、数字输出/模拟输出等功能。 （4）智能变送器：既有模拟信号又有数字信号的混合测量仪器。传感器多数采用微机械电子加工技术（MEMS技术）。 提问：智能变送器什么意思？

26 二、智能差压变送器的特点 （1）性能稳定，可靠性好：可进行统计处理、去除异常数值等。测量准确度高，基本误差可达±0.1%，无故障时间可达10万小时以上。 （2）量程范围宽：可达400:1（等精度测量），有较宽的零点迁移范围。 （3）阻尼时间可调 。 （4）具有自检和自动补偿能力。 （5）方便地与计算机或现场总线连接。 （6）具有双向通信功能 。可进行信息存储和记忆，能存储传感器的特征数据、组态信息和补偿数据等。 提问：“量程范围可达400:1”，这一句话有问题啊？例如，有一台很普通、很便宜的压力表，也是可以测量1~1kPa的压力，上述这个廉价仪表的量程范围不就达1000:1了吗？何必购买智能仪表呢？

27 智能差压变送器的特点（续） （7）通过现场手持终端，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式告警等多种功能，简化了调整、校准与维护过程。
（8）单位换算：例如，将压力转化为水位的高度（mmH2O）；或者将压力开二次方，再乘以系数，转化为流量（m3/s）等。 （9）高、低压侧转换：如果发现正负相导压管接反，可以把表内的参数由NOROMAL（右侧高压，左侧低压）改为REVERSE（右侧低压，左侧高压），重新组态。 提问：总结一下，说出智能差压变送器的3个最主要的特点？

28 三、智能差压变送器的结构及工作原理 图4-27 3051C型智能差压变送器的工作原理框图
带有液晶显示器，与手持终端配合，可以在现场变送器的信号端子上，就地设定零点、量程；也可以在远离现场的控制室中，或远离危险的地方，将智能手持终端接到某个变送器的信号线上，进行远程组态、测量范围变更、变送器校准、故障自诊断 提问：难道普通的仪表就不能在现场变送器的信号端子上，就地设定零点、量程？旋转电位器什么的？

29 三、智能差压变送器的结构及工作原理 提问：什么是“”传感器膜头？“魔头”？ 2018/11/28

30 智能差压变送器外形及内部电路板 传感膜头中的EEPROM存放数据和参数，使变送器有良好的部件互换。
提问：如果智能差压变送器的δ 室坏了，为什么可以不必更换整个智能差压变送器？ 传感膜头中的EEPROM存放数据和参数，使变送器有良好的部件互换。

31 四、智能差压变送器的零点迁移 有时因实际条件限制，导致压力容器的位置比较高，而压力变送器的安装高度比较低。当容器中的被测压力等于零时，由于隔离法兰式压力变送器的取压管中灌满密度为ρ的导压液，高度为h，则初始压力p+0不等于零 p+0=ρgh （4-16） 式中 p+0——隔离法兰式压力变送器正取压口的初始压力（Pa）； ρ——导压液的密度（kg/m3）； h——导压管的垂直高度（m）； g——测量地的重力加速度（m/s2）。 提问：1.干嘛要搞什么零点迁移呢？ 2.如果智能差压变送器安装的偏高，需要正迁移还是负迁移？

32 隔离法兰式智能差压变送器的零点迁移（图4-29）
可以用手持终端来进行零点的反向迁移，使得在被测压力等于零时，变送器的输出电流被调校到4mA。 有时可以允许+500%和-600%的迁移。迁移过程并没有改变压力变送器的总量程，也不改变灵敏度，只是使变送器的量程的下限和上限同时向正方向或负方向平移。 提问：1.如果智能差压变送器安装像上图所示，被测容器中是气体，导压液是硅油，需要正迁移还是负迁移？为什么？ 2.迁移后，每MPa的毫安数会变化吗？ 3.迁移后， 0 MPa的电流为多少毫安？

33 解 1）B=p+0=ρgh=950kg/m3×9.8m/s2×5m =46550Pa=46.55kPa，为正迁移。
例4-8 隔离法兰式智能差压变送器的量程为0~500kPa，取压口低于安装法兰5m，如图4-29所示。已知起隔离作用的导压液为硅油，密度ρ=950kg/m3，测量地的重力加速度g=9.8m/s2，求： 1）迁移量B。 2）反向迁移之前，如果容器的被测压力为零，变送器的输出电流I0为多少毫安？ 3）反向迁移之后的量程A。 解 1）B=p+0=ρgh=950kg/m3×9.8m/s2×5m =46550Pa=46.55kPa，为正迁移。 提问：“取压口低于安装法兰5m”，为什么会产生正压呢？

34 由上述计算结果可知，压力变送器的正取压口压力为零时，已经受到46.55kPa的静压力，输出电流必然大于4mA。
例4-8 隔离法兰式智能差压变送器的量程为0~500kPa，取压口低于安装法兰5m，如图4-29所示。已知起隔离作用的导压液为硅油，密度ρ=950kg/m3，测量地的重力加速度g=9.8m/s2，求(续)： 2）反向迁移之前，如果容器的被测压力为零，变送器的输出电流I0为多少毫安？ 3）反向迁移之后的量程A. 解 2） 由上述计算结果可知，压力变送器的正取压口压力为零时，已经受到46.55kPa的静压力，输出电流必然大于4mA。 3）反向迁移之后的量程Amin~Amax为： 46.55~546.55kPa。反向迁移之后，当容器的被测压力为零时，输出电流恰好等于4mA。 提问：为什么反向迁移之前，如果容器的被测压力为零，变送器的输出电流不是4毫安？

35 任务四 现场总线压力变送器的应用 一、现场总线控制系统（FCS）
任务四 现场总线压力变送器的应用 一、现场总线控制系统（FCS） 是由现场总线组成的网络集成式全分布控制系统，是继气动、电动模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统（DCS）后新一代的控制系统。 提问：1.现场总线的缩写是什么？ 2.现场总线系统与DCS有何区别？

36 二、现场总线简介 IEC（国际电工委员会）对现场总线的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线”。现场总线应用于生产现场与微处理器测控设备之间，是实现双向、串行、多节点数字通信的系统，也被称为底层控制网络。现场总线与因特网、企业内部网相连，可以实现不同网段、不同现场设备、控制室之间的信息共享，又将各种控制、维护、组态命令送往相关的现场设备。 提问：什么是现场总线？

37 常用的现场总线国际标准 有EtherCAT、Lightbus、IEC/ISA、Control-NET、P-NET、FF-HSE/FFH2、Swift-Net、WorldFIP、Interbus、CANopen、Device-Net、USB、Profibus等。 Profibus总线是一种广泛应用于工厂自动化车间级监控以及现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。Profibus由三个兼容部分组成。 （1）Profibus-DP 用于高速数据传输、设备级控制系统与分散式I/O的通信。 （2）Profibus-PA 专为过程自动化设计，主要特点是“本质安全”。 （3）Profibus-FMS 用于车间级监控网络。 提问：你能够熟练说出几个现场总线的名称？

38 现场 总线 提问：请上网查阅“总线电缆”的资料。 总线电缆

39 现场总线压力变送器原理(放大图见下页) 1．现场总线变送器的特点 （1）节省费用：一对屏蔽双绞线导线可以连接多台现场设备。
（2）全数字传输：抗干扰能力强，准确度高。 （3）多变量测量：在一台变送器内，有多个敏感元件，可以测量温度、压力、差压、流量，可以输出多种变量 （4）PID控制 。 （5）故障诊断。 提问：如果有16台HART总线制压力变送器，需要多少根现场总线？

40 图4-30 现场总线压力变送器原理框图 提问：现场总线压力变送器中的“微处理器”一定是单片机吗？请上网查阅上面是微处理器。
图4-30 现场总线压力变送器原理框图 提问：现场总线压力变送器中的“微处理器”一定是单片机吗？请上网查阅上面是微处理器。 2018/11/28

41 2．现场总线变送器的连接及拓扑结构 图4-31 Profibus现场总线测控系统的拓扑结构 提问：请上网查阅上面是“拓扑”？

42 a）结构 b）螺栓式外形 c）电路板安装式外形
拓展阅读 陶瓷式压力传感器 回目录 图4-33 陶瓷厚膜电阻式压力传感器 a）结构 b）螺栓式外形 c）电路板安装式外形 1－进气口 2－外接螺纹 3－外垫片 4－O形圈 5－玻璃烧结粘合剂 6－陶瓷膜片 7－厚膜电阻 8－内部垫圈 9－锁紧螺栓 10－外壳螺纹 11－电极引线 提问：1.陶瓷式压力传感器可以不需要“进气口”吗？没有进气口与有进气口相比，有何好处？ 2.如果用于可乐、药品等生产流水线测量压力，用没有进气口还是有进气口的陶瓷式压力传感器？

43 弹性平膜片的受力 及应变 当陶瓷膜片承受来自外侧（底部）的压力时，膜片向印制有厚膜电阻的一侧弯曲。在0.58r（半径）以内中心位置产生拉应变，0.58r以外的周边位置产生压应变。 压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的变形，4个厚膜电阻与膜片具有相同的应变，R1、R3阻值减小，R2、R4阻值增加，电桥失去平衡，输出电压Uo与膜片压力p成正比。 提问：用一张橡皮膜绷在塑料瓶口上，用手从橡皮膜的中间部位往下按，观察橡皮膜的皱纹变化。

44 陶瓷压力传感器外形 提问：上图传感器为什么是白色的？

45 陶瓷式压力传感器应变电桥 現在時間是：15:02 提问：1.为什么上图的陶瓷式压力传感器有8个应变电阻呢？
2.是金属丝式还是金属箔式？还是半导体式？ 現在時間是：15:02

46 陶瓷式压力变送器原理框图 提问：1.为什么上图的陶瓷式压力传感器只有4个应变电阻，而上一页有8个应变电阻呢？

47 休 息 一 下 拓展阅读网络资料列表网址： 提问：本模块主要讲了什么？ 回目录

48 現在時間是： 15:02 休息一下！ 2018年11月28日星期三