现场总线变送器

第一节 LD302现场总线变送器

现场总线变送器是指连接在现场总线上的各种仪表。包括各种差压变送器、压力变送器、温度变送器等。LD302是SMAR公司第一代现场总线设备之一，是一种用于测量差压、绝压、表压、液位和流量的变送器。它以数字式电容传感器为基础，运行稳定、性能优越。LD302完全采用数字技术，具有以下优点：具备多种转换功能；现场与控制室之间接口简单；精度高；稳定性好；大大减少了安装、运行及维护费用。

LD302是SMAR公司推出的现场总线302系列产品的一部分。现场总线是一个完整的系统，它能够把控制功能分散到现场设备中，将多个现场设备互联起来，用户可通过功能块的连接建立符合要求的控制策略。功能块的引入,使用户现在可以很容易地建立和浏览一个复杂的控制策略。它的另外一个优点是提高了灵活性，毋需重新接线或改变任何硬件即可完成控制命令。

在开发现场总线302系列现场仪表时，SMAR就已经考虑了现场总线在小系统与大系统中得以实现的不同需要。现场设备可以在网络中作为主站使用，也可以用磁性编程工具进行本地组态，这样在许多一般应用条件下就不再需要组态器（手持终端）。

LD302 现场总线变送器采用与1151一样的电容传感器作为差压或压力敏感元件，其工作原理不再重述。

一、电路工作原理

LD302由传感器组件和主电路组件两部分组成，其构成原理方框图如图10-1所示。现对图中每个方块的功能说明如下：

⑴振荡器。此振荡器产生一个频率，该频率是电容传感器的函数。

⑵信号隔离。来自中央处理单元的控制信号通过光电耦合器传输，而来自振荡器的信号通过变压器传输。

⑶中央处理单元(CPU)。RAM为随机存储器；FLASH和EEPROM为闪存和非易失存储器。 CPU是变送器的智能部件，它担负着管理和测量、功能块执行、自诊断以及通信等工作。 FLASH兼有ROM和RAM两者的性能，又有ROM、DRAM（随机动态存储器）一样的高密度，目前，价格已略低于DRAM，芯片容量已接近DRAM，是***一具有大存储量、非易失、低价格、可在线改写和高速度等性能的存储器，它是近年来很有发展前途的存储器。如果电源中断，RAM中的数据就要丢失。然而，主板有一个非易失存储器EEPROM，保存着须***要保存的数据，例如校验、组态和识别等数据。

⑷传感器存储器。它装在传感器组件内，用于存放在不同压力和温度下传感器特性的有关数据。出厂前对每个传感器都要进行这一特性的实验和存储器写入过程。主板上的EEPROM用来保存组态参数。
    ⑸固件下装接口。  

⑹通信控制器。监视链路活动，完成通信信号的编码或解码、插入和删除起始和结束定界符、检查接收的完整性。

⑺电源隔离。与输入部分（传感器组件板）的信号隔离类似，送入输入板的电源也须***隔离。

⑻显示控制器。从CPU 接收数据告知液晶显示的哪一段应该变亮。

⑼本地调整。本地调整的两个开关，采用磁性激活。它们可以通过磁性工具激活，没有机械或电气的接触。

⑽供电/信号修整。从通信线上取电源送给变送器的电路。信号修整电路对发送和接收的信号波形进行滤波和预处理。

二、接线端子和拓扑结构

为了方便，LD302有三个接地端子：一个在端盖的内部；另两个在靠近引线导管处的外部。端盖的内有两个端子接电源（即接现场总线），此外还有通信端子，以便其他测试仪器的连接，如图10-2所示。

LD302选择31.25kbit/s电压模式为物理信号，所有的现场设备都须***使用相同的信号，它们都并联在同一线对上，即许多现场总线设备都可以连接在同一现场总线上。LD302由总线供电，对非本质安全要求所挂接的现场设备***多不能超过16台，对本质安全要求所挂接的现场设备由本质安全的规定限制。LD302具有反极性保护，它在±35VDC电压范围之内不会损坏，然而，在这种情形下LD302是不能工作的。LD302的总线和树形拓扑结构见图10-3和图10-4。

三、显示器

显示器能显示一个或二个变量，可由用户选定。当选择两个变量时，将以3秒间隔时间交替显示。LCD有4位半(因有一位数码管不完整，故称为半位)数字显示区、5位字母数字显示区和信息显示区，见图10-5。

四、功能块

功能块是现场总线仪表的核心技术，也是一种图形化的编程语言。功能块相当于单元仪表，即积木仪表，也可称为软仪表。功能块的引入使得现场总线仪表与传统DCS相比在功能上有了很大的增强，一些过去只能在控制系统中完成的控制及运算功能，现在下放到现场总线仪表中完成，从而使系统的分散度更高、控制品质更好。功能块是现场总线技术的载体，不但仪表制造厂要掌握它，用户工程师更要掌握它。只有掌握了功能块的配置组合和参数设定，才能根据控制对象的动态特性，形成各种各样的控制策略。功能块的应用是一个十分重要和复杂的问题，为了实现***佳的优化控制方案，对功能块的配置组合和参数设定，还需一个长期的工程实践和经验积累。

LD302内可以装入下列功能块：资源块 RES ；转换器功能块 TRD ；显示转换器 DSP ；组态转换器 DIAG ；模拟输入 AI；PID控制功能；增强的PID功能 EPID；运算功能块 ARTH；累积器 INTG ；输入选择器 ISEL；信号特征描述 CHAR；模拟警报 AALM；计时器 TIME ；超前/滞后功能块 LLAG；输出选择器/动态限位器 OSDL ；常量 C T ；密度 DENS。

㈠ 转换块TRD

FF将输入/输出功能块，设计成与硬件无关的标准功能块，因此需要在各种仪表硬件通道和标准输入/输出功能块之间有一个过渡的环节。转换块就是起这个作用。输入/输出转换块通常包括传感器、执行器、环境、量程标定等信息。

㈡ 模拟输入功能块 AI

模拟输入功能块AI的内部结构图如图10-6所示。AI的主要作用是从转换块中取得模拟过程变量(如压力、温度、流量等)，并完成通道配置、仿真、标度、线性化、阻尼、报警等功能，它的输出供其他功能块使用。模拟输入功能块经过通道号的选择，从转换器块接收输入数据，并使其输出成为对其他功能块可用的数据。

⒈ CHANNEL(输入通道)

AI功能块，通过输入通道参数CHANNEL连接到转换块，这是一个16位无符号整数，属于枚举类型参数。很多变送器只有一个集成传感器，这意味着通道参数实际上只有一个选项：1。一个需要使用通道参数的例子是具备多路输入端子现场仪表，例如两通道(两路温度信号)温度变送器，这时通道参数CHANNEL有两个选项：一个是1，一个是2。

⒉ SIMULATE(输入仿真)

当输入仿真激活，仿真参数SIMULAIE将取代来自转换块的信号，它主要用于系统调试和故障排查。通过在仿真元素写入数值或状态，可以安全地测试系统对故障和难以进行的或有危险的过程条件的反应。

⒊ SCALE（标度）

    转换器的标度(刻度)参数XD_SCALE将通道信号值可以对应为以百分数表示的数值，该数值显示在现场数值参数FIELD_VAL中。实际测量的工程单位和量程设置在转换器刻度参数XD_SCALE中，而推算(间接)测量的工程单位和量程设置在输出刻度参数OUT_SCALE中。

【例10-1】一个10m高的水箱(密度为1000 )，变送器安装在罐下lm处，需要将静压读数转换为米，如何以千帕为单位设置XD_SCALE?

    解：水箱水位在0m处对应的静压

水箱水位在lOm处对应的静压

XD_SCALE将设置为 ～ ，OUT_SCALE将设置为0～10m。

⒋L_TYPE(线性化)

对多数测量而言，来自转换块的数值被直接使用，但在推算(间接)测量时，需要应用线性化。所需的线性化类型在线性化类型参数L_TYPE中设置。线性化有DIRECT（直接）、IN DIRECT (非直接线性)、IND_SQRT (非直接开平方)三种类型选项。直接意味着数值直接传递到PV，因此0UT_SCALE参数无效；非直接是指PV值是经过OUT_SCALE转换过来的FIELD_VAL值；非直接开平方意味着FIELD_VAL值是经开方由OUT_SCALE转换过来的值。

当一个压力变送器用来根据静压原理测量液位时，使用L_TYPE参数，选项选2（非直接），如图10-7所示。XD_SCALE将设置为1.49kPa～5.89kPa(容器中介质密度为800 )，OUT_ SCALE设置为O～0.56m。对液位应用，操作员往往更愿意读取百分比读数，而不是工程单位。出于这个目的，将OUT_SCALE组态为0～100％。当差压变送器用来测量流量时，选项选3（非直接开平方），开平方是对FIELD_VAL(现场数值)进行的。

出于安全的原因，在线组态时，刻度参数只能在手动或OOS(中止服务)模式下进行修改。离线组态时没有此限制。

⒌LOW­_CUT(小信号切除)

输入输出选项参数IO_OPTS中的位10用来设置小信号切除功能的使能，它通常与开平方配合使用。小信号切除的目的是避免低流量导致的高回路增益。低流量时切除信息可以使读数更稳

定，过程更好控制，还可避免流量累加时的错误计数。小流量切除点在小(低)流量切除参数LOW_OUT中设置，它与输出刻度采用同样的工程单位，可以对其进行调整以满足应用。

【例10-2】用差压变送器测量流量，如果流量在O～1970 变化，通过孔板产生的差压变化为0～10kPa，若XD_SCALE设置为0～10kPa，OUT_SCALE设置为0～1970 ，LOW_OUT设为20％，试求流量低于何值时输出为0 ，对应的差压是多少kPa?

  解：小流量切除值为

20％×1970=394

    根据 ,则小流量切除值对应的差压为

⒍PV_FTIME(滤波)

    在某些应用中，阻尼被用来过滤掉测量信号中的噪声，以获得过程变量PV和输出0UT。过程变量的阻尼时间参数PV_TIME用来设置以秒为单位的一阶滞后时间常数，即数值达到稳定状态值的63％所需时间，其阶跃响应曲线如同自动控制原理中惯性环节的阶跃响应曲线。如果阻尼时间常数设置成零，阻尼被禁止，测量将直接通过，如同经过比例环节，没有惯性滞后。

⒎ ALARMS(报警)

AI功能块中的过程变量报警是作用在输出0UT参数上，而不是作用在过程变量PV参数上的。因此，保持AI功能块处于自动模式是重要的，这也意味着报警限值须***设置在输出刻度参数OUT_SCALE指定的范围内。因此，为报警起见，输出刻度参数须***设置，即使它没有用于刻度转换。如果Al功能块是控制回路的一部分，则***好在PID功能块中监测报警，以便减少所要观察的模块数量。

五、组态

㈠校验和量程设定

由于互操作和设备描述技术的发展，现场总线的优点之一是设备组态不再依靠手持组态器。LD302可以由第三方终端或控制台（操作站）组态。

现场总线技术并没有改变校验的概念。不要混淆校验和量程设定，它们是两个不同的概念。对模拟变送器来说，因为校验和量程设定是用同一组电位器来进行的，所以，已经把校验和量程设定混淆在一起了。为了区分这两种功能，在HART中纯粹的校验叫做整定(trim)；在基金会总线FF和PROFIBUS PA中，纯粹的校验还叫做校验，而把量程设定叫做标度(scale)。例如，转换块的校验并不是用来消除液位或流量测量中湿管(wet leg)的，相反，是通过设定模拟输入功能块中的转换器刻度参数完成的，即由量程下限设定完成的。量程设定可以远程操作，但校验不行。因为根据定义，校验要求连接标准信号源。校验须***在设备上进行，即把不同的已知标准输入信号加到设备上，逐一进行校验。HART变送器有4～20mA的输出，这些回路电流也可以被校验，不过很少有这样做的。因此，HART设备有“电流整定”的功能。

当进行输入校验时，须***施加已知的外部标准输入信号；当进行输出校验时，须***测量输出信号。换句话说，校验是不可能远程实施的。因为它要求设备与外部标准信号相连。当主要参数值的读数(工程单位)与所加的输入不一致时，就要进行校验。因为主要参数的读数将被转换后得到百分比读数(以及HART变送器的4～20mA输出)，所以对传感器的校验也会间接影响百分比读数。

量程设定，对HART变送器来说，主要就是告诉变送器在哪个测量值上输出应该是4mA和20mA。对基金会总线FF和PROFIBUS PA的变送器，量程设定仅仅在需要对测量值进行运算的情况下才进行(如利用差压变送器测量流量、液位)。量程是可以远程设定的，既不需要加任何输入信号，又不需要测量输出。当百分比读数不正确时，才做量程设定。量程设定不影响原始测量值的读数。

校验是一个设备功能，因此对FF设备来说，校验是对相应的转换块进行的。而量程设定是控制策略功能，因此，量程设定是对相应的功能块进行的。

转换块TRD用来将功能块连接到设备的I／O硬件，如传感器、执行机构以及显示器，见图10-8和图10-9。通常，转换块能完成线性化、特征曲线、温度补偿、硬件控制和数据交换等功能。

注意，压力和温度变送器中的模拟输入块是相同的。转换块包含了用于处理变送器特征的参数，使其区别于其他类变送器。转换块不仅仅处理测量，还用来处理执行和显示。出于这个目的，共有三种转换块：输入转换块(变送器和分析仪)；输出转换块(***终控制单元)；显示转换块。

有时，原始参数读数会和所施加的输入不一致，原因可能是变送器的安装位置因过压、过温或长期漂移引起的读数漂移。校验就是要使读数和给定的输入一致。将一个已知的标准值加在变送器上，然后通知变送器这个值是多少，“指导”变送器达到正确值。正确的读数是通过工程工具键入设备的，在工程工具上往往还显示在变送器上看到的当前值。对HART协议，校正值叫做“校验点”或者“整定点”。在基金会总线(FF)和PROFIBUS PA中变送器的校验只要把所加的输入值写入转换器中的低端校验点(CAL_POINT_LO)和高端校验点(CAL_POINT_HI)参数中即可完成。输入校验将改变过程值，会引起过程的混乱，所以须***谨慎。应离线进行校验，或者在校验时把控制回路切到手动。许多组态工具会提示用户检查过程的状态。

传感器校验的一个特殊情况是零点校正，这在某些测量中会经常碰到。零输入是可以通过仿真来达到的，不需要连接任何标准设备。针对不同的测量情况，简单的方法有释放压力、切断流量或放空储罐等，也不需要键入任何校验点值就可以进行校

验。

通常，校验是选取与期望的测量范围***接近的两点来进行的。这两点被叫做低端校验点和高端校验点。对绝大部分xj****的变送器，这两点的校验互相不会干扰，也就是说，校验一点时不会影响另一点，所以没有必要反复地进行校验。所有的变送器，不管它是否说明，测量分辨率都是有限的。在较小的测量范围进行测量，其百分比精度必然较低，因此大部分变送器在高端校验点和低端校验点之间一定存在一个***小的测量范围，试图用更小的测量范围进行校验的做法都将被拒绝。在基金会总线FF和PROFIBUS PA设备中，***小测量范围(CAL_MIN_SPAN)值可以在转换块中查到。

㈡组态

⒈ Transducer(转换块) 

每次在SYSCON上选定现场设备时，转换块就会自动地出现在屏幕上，如图10-10所示。图标指示转换块已被创立，在转换块的图标上双击两次就可进入转换块。转换块中所有参数都是内含的，因而不能进行链接。输入、输出转换块，分别与输入、输出类功能块相关联。转换块，通过I／0硬件通道与功能块接口，这有别于功能块链接。通过输入输出类功能块I／0硬件通道参数(CHANNEL)，这些功能块被安排与相应的转换块对应。功能块，只能对应于同一设备中的转换块。SYSCON组态软件能组态输入转换块的许多参数。

⒉TRIM(微调)

微调在现场总线仪表中就是校验。每个传感器都有一个传感器输出信号与所施加压力的特征曲线，这个曲线决定每个传感器，它存储在传感器的存储器中。当传感器被连接到变送器电路时，传感器存储器上的内容就会被微处理器使用。

有时因长时期的漂移，变送器显示的值或转换块的读数值与所施加的压力不对应，TRIM(微调)就是用来使读数与压力相匹配的。

可以用CAL_POINT_LO和CAL_POINT_HI校验变送器。在开始校验前应该选定工程单位，这个工程单位用CAL_UNIT参数组态。表10-4显示了遵循FF标准的工程单位和单位码。

表10-4    FF标准的工程单位和单位码

⑴低端微调。它用来微调低端读数，操作人员只须将所施加压力的正确读数告知变送器，即把正确读数写入变送器的非易失存储器。具体操作如下：给变送器施加零输入值或低端压力值，等主参数PRIMARY_VALUE稳定后读出CAL_POINT_LO参数的值，如果与所施加的压力不符，应该将0或所施加的压力值，写入CAL_POINT_LO参数中，SYSCON上的画面如图10-11所示。SENSOR_RANGE参数定义了传感器测量范围的***大值、***小值、工程单位和小数点右面的位数。

⑵高端微调。它用来微调高端读数，操作人员只须将所施加压力的正确读数告知变送器，即把正确读数写入变送器的非易失存储器。具体操作如下：给变送器施加5000 上限压力值，等主参数PRIMARY_VALUE稳定后读出CAL_POINT_HI参数的值。SYSCON上的画面如图10-12所示，CAL_POINT_HI参数中的5080与所施加的压力不符，应将所施加的压力5000写入CAL_POINT_HI参数中。

⒊Characterization Trim（特性微调）

特性微调是在几个点上校正传感器读数。为保证精度，需用一个准确且稳定的压力源，***好是重锤式压力计，一定要等压力稳定后才能进行微调。在某一温度下，传感器特性曲线在某一区域可能有点非线性，这点非线性可以由特性微调加以校正。特性微调确定2～5点，施加该点的压力，并把施加该点的压力通知变送器。特性微调的校正点***小为2点，***大为5点，这些点定义了特性曲线。为满足精度要求，推荐采用在整个量程或部分量程内等距的点作为校正点。图10-13为SYSCON上的特性微调窗口：CURVE_X为标准压力源施加的压力；CURVE_Y为LD302指示的测量压力值。校正点数在CURVE_LENGTH参数设置，***大5点。在CURVE_X键入输入点，在CURVE_Y键入输出点，就可完成特性微调。

CURVE_BYPASS_LD参数控制着特性线的使能或禁止：Disable禁止特性线；Enable and Backup Cal使能并备份特性线；Disable and Restore Cal 禁止并恢复特性线；Disable or Allows to enter the points禁止或允许校正点的键入，见图10-14。为了组态特性曲线的校正点，须***选择Allows to enter the points选项。在某些情况下，不能定义（组态）特性线，应选择Disable and Restore Cal选项。如果使能并保存特性线，应选择Enable and Backup Cal选项。

⒋Sensor Information（传感器信息）

变送器的主要信息可通过选择转换块图标得到，如图10-15所示。

只有应用依赖于组合框（带下拉选项▽符号的方框）定义的信息选项可以改变（例如法兰类型，O型圈材料等），其他的信息取决于仪表制造厂组态，用户不能改变。

⒌Temperature Trim（温度微调）

现场总线仪表具有测量多变量（第二、三、四变量）的特点：对于压力（差压）变送器第二、三变量分别是工作压力（静压）、变送器本体温度；对于温度变送器，第二、三变量是另一通道的被测温度、冷端温度；对于流量变送器（仪表），第二、三、四变量分别是介质温度、介质压力、流量累计值等。在TEMPERATURE_TRIM参数中写入-40℃～+85℃范围内的任意值，然后在SECONDARY_ VALUE参数中检查校准性能。

六、Local Adjustment(本机调整)

对于工厂，主要完成低端和高端的微调、转换块输出监视和检查标签。通常，***好由SYSCON组态变送器，但由于本机调整不依赖通信和网络连接，且LCD本机功能组态某些参数时即容易又快捷，使本机调整成为了现场总线仪表的组态方式之一。

要进行本机调整时，先将磁棒（磁性螺丝刀）放入Z孔直至字母MD出现，见图10-16（a）。将磁棒放入S孔中等5秒钟，见图10-16（b）。

从S孔中移出磁棒，见图10-17（a）。在S孔中将磁棒往复插入直至LOC ADJ，标志出现见图10-17（b）

例如，校验下限值（LOWER）为0.00。 磁棒一旦插入S孔，LOWER就显示在屏幕上，↑表示增加；↓表示减少。此时屏幕显示为-1.00, 见图10-18（a）。需增加数值才能到下限值0.00，保持磁棒在S孔直到数值增加到下限值0为止。如果想减少数值，将磁棒放入Z孔直至↓出现，然后将磁棒放入S孔直到数值减少到下限值0.00为止，见图10-18（b）。

再如，校验上限值（UPPER）为100.0。 磁棒一旦插入S孔，UPPER就显示在屏幕上，↑表示增加；↓表示减少。此时屏幕显示为95.0,需增加数值才能到上限值100.0，保持磁棒在S孔直到数值增加到上限值100.0为止,见图10-19（a）。如果想减少数值，将磁棒放入Z孔直至↓出现，然后将磁棒放入S孔直到数值减少到上限值100.0为止，见图10-19（b）。

第二节 TT302现场总线温度变送器

一、概 述

TT302温度变送器是一种符合FF通信协议的现场总线仪表，它可以与各种热电阻(Cul0、Nil20、Pt50、Ptl00、Pt500)或热电偶(B、E、J、K、N、R、S、T、L、U)配合使用测量温度，也可以使用其他具有电阻或毫伏(mV)输出的传感器，如高温计、负荷（称重）传感器、电阻位置指示器、氧化锆氧量传感器等。

TT302具有量程范围宽：对于mV,范围为-50～500mV；对于电阻,范围为0～2000欧姆。

TT302内装入的功能模块主要有：RES(资源块)；TRD(转换块)；DSP(显示转换块)；DIAG(组态转换)；AI(模拟输入块)；PID(PID控制块)；EPID(增强PID)；ISEL(输入选择块)；ARTH(计算块)；CHAR(折线块)；SPLT(分程块)；AALM(模拟报警块)；SPG(设定值程序发生块)；TIME(定时与逻辑块)；LLAG(超前／滞后块)；CT(常数块)；OSDL(输出选择／动态限幅块)。

二、安装接线

TT302有两种安装方式：与传感器分开，变送器被安装在可以选择的支架（或托架）上，支架安装在管道上或平台上，还可安装在墙上或盘上；变送器直接安装在传感器（热电偶或热电阻）上。

移去电气端盖即可看到接线端子，电缆可以通过两个电气连接的导线管连接孔之一连接到接线端子上。导线管连接孔螺纹应该以符合标准的密封方法进行密封。没有用到的导线管连接孔，应该塞住。接线端子有螺钉，叉或环型的端子可以在此固定，见图10-20。为方便起见，与LD302相同，TT302也有3个接地端子：一个在盖子里，两个在外边，靠近导线管入口处。除现两个场总线信号端子外，TT302还有四个输入端子，它们是用来与热电偶、热电阻、输入mV电压和输入电阻相连的。

推荐使用双绞线对电缆(16 AWG)。不要将电源连接到传感器接线端（端子1, 2, 3 和 4)，应避免信号线的走线靠近供电电缆或开关设备。

TT302使用31.25kb/s电压模式为物理信号，所有挂在同一现场总线的设备须***使用相同的信号，所有设备都以并联的方式连接在同一双绞线上。

TT302有总线供电，对非本质安全设备***多可挂16台；对危险区域本质安全设备***多可挂6台；推荐使用双绞线，也推荐使用屏蔽电缆，但只能一端接地，另一端须***小心的隔离。

TT302的拓扑结构与LD302相同，这里不再重述。

    三、温度传感器

TT302可以与各种类型的传感器配合使用，并为使用热电偶(TC)或热电阻（RTD）测量温度进行了特殊的设计。

⑴热电偶。热电偶的英文缩写为TC，它的工作原理是塞贝克效应。热电偶是由两种不同的金属或合金丝在一端连接在一起所组成的。连接的那一端称为测量端或热端，测量端应该置于温度测点上。打开的那一端称为参考端或冷端，把参考端或冷端连接到温度变送器输入端子上。

对大多数应用，由塞贝克效应可以充分解释热电偶的工作特性(原理)。当金属丝的两端有温度差时，金属丝的两端就会产生一个小的电动势。这种现象称为塞贝克效应。当两种不同的金属丝一端连接在一起，而另一端打开时，两端之间的温差就会形成一个电压输出。现在，有两个重要的问题需要注意：首先，热电偶所产生的电压与测量端和冷端的温度差成比例，因而为了得到被测温度须***在计算中考虑参考端的温度，这称为冷端温度补偿。TT302可以自动地进行冷端温度补偿，为此，在TT302的传感器接线端子处装有一个温度传感器。其次，如果热电偶与变送器端子之间的导线没有采用补偿导线(例如，由热电偶传感器或接线盒到变送器端子之间采用铜线)，那么，热电偶的冷端就不在变送器的输入端子处，而是在接线盒处。由于冷端温度如果不与变送器端子处的温度相同，就会对温度测量产生影响，因此，由热电偶传感器的冷端到变送器的输入端子之间的接线，要采用补偿导线。热电偶的电势在冷端温度为O℃时与热端温度的关系用热电偶分度表来表示。分度表现存储在TT302的存储器中，它们是美国******标准NBS(B、E、J、K、N、R、S、T)和德国工业标准DIN(L、U)。

    ⑵热电阻。热电阻的英文缩写为RTD，它的工作原理是金属的电阻随着温度的升高而增加。存储在TT302中的热电阻分度表有日本工业标准JIS[1604-81](Pt50 & Ptl00)、******电工委员会IEC,DIN,JIS[1604-89](Pt50、Ptl00 & Pt500)标准、通用电气公司GE(Cul0) 标准、德国工业标准DIN(Nil20) 标准。要使热电阻能够正确地测量温度，须***消除传感器到测量电路之间的线路电阻所造成的影响。在某些情况下，导线可能有几百米长，特别是在环境温度变化剧烈的场所，消除线路电阻的影响是非常重要的。

TT302允许两线制连接，但这种连接方法可能会造成测量误差，误差的大小主要取决于接线的长度以及导线经过处的温度。如图10-21所示为TT302温度变送器两线制连接示意图，变送器假设为理想电流源，线路电阻用R表示，热电阻用RTD表示。

    采用两线制连接时，电压V2与电阻RTD和导线电阻R之和成正比，即

                          (10-1)

由上式可见，导线电阻R的变化会影响V2,进而影响测量结果。为了避免导线电阻的影响，推荐采用如图10-22所示的三线制或如图10-23所示的四线制连接。

采用三线制接法，端子3是一个高阻抗输入端，因此没有电流通过第3条线，因此在它上面也无电压降。电压 和 的公式为

              (10-2)

                                  (10-3)

   (10-4)

由式(10-4)可以看出，与导线电阻R无关，因为导线电阻上的电压被抵消掉了, - 仅与 的电阻值有关。

如果采用四线制接法，端子2和端子3是高阻抗输入端，因此无电流流经此端。由于 取自 两端，即

               (10-5)

因此， 与R无关，仅与 有关，而 正是TT302接收的测量信号。

图10-24 所示的另外一种差分或称双通道连接方式,与两线制连接类似，因此也存在导线电阻的影响,即这种测量方法不能消除导线电阻造成的误差。

四、电路原理

TT302的硬件构成方框图如图10-25所示。在结构上，硬件电路由输入电路板、主电路板和显示板组成。

⒈ 输入板

    输入板包括多路转换器、信号调理电路、A／D转换器、信号隔离和电源隔离，其作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，传送给CPU，并实现输入板与主电路板的隔离。

    由于TT302可以接收多种输入信号，各种信号将与不同的端子连接，因此，由多路转换器根据输入信号的类型，将相应端子连接到信号调理电路，由信号调理电路进行放大．再由A／D转换器将其转换为相应的数字量。

    隔离部分包括信号隔离和电源隔离。信号隔离采用光电隔离，用于A／D转换器与CPU之间的控制信号和数字信号的隔离；电源隔离采用高频变压器隔离，供电直流电源先调制为高频交流，通过高频变压器后整流滤波转换成直流电压，再给输入板上各电路供电。隔离的目的是为了避免控制系统可能多点接地形成地环电流而引入的干扰影响整个系统的正常工作。输入板上的环境温度传感器用于热电偶的冷端温度补偿。

⒉主电路板

    主电路板主要包括中央处理单元,、随机存储器， 闪存和非易失存储器、通信控制器、信号整形电路、本机调整和电源。主电路板是变送器的核心部件。

    微处理器系统由CPU、RAM和EEPROM组成。CPU控制整个仪表各组成部分的协调工作，完成数据传递、运算、处理、通信等功能。存储器有FLASH、RAM和EEPROM。FLASH用于存放系统程序(其中包括FF的链路层、应用层和用户层协议)；RAM用于暂时存放运算数据；CPU芯片外的EEPROM用于存放组态参数,即功能模块的参数。在CPU内部还有一个EEPROM，作为RAM备份使用，保存标定、组态和标识等重要数据，以保证变送器停电后来电能继续按原来设定状态进行工作。

    通信控制器和信号整形电路与CPU一起共同完成数据的通信。FF的物理层功能是在通信控制器的硬件电路中实现的，完成信号帧的编码和解码、帧校验、数据的发送与接收。信号整形电路对发送和接收的信号波形进行滤波和预处理等。

    本机调整部分由两个磁性开关即干簧管组成，用于进行变送器就地组态和调整。其方法是不必打开仪表的端盖，而在仪表的外面利用磁棒的接近或离开以触发磁性开关动作，即可进行变送器的组态和调校。

    TT302是由现场总线电源通过现场总线供电，供电电压为9V～32V DC，因此，现场总线电缆既是TT302的电源线，也是TT302的信号线，所不同的是，这里的电流大小并不代表数字信号的大小，通常电流在±10mA范围内变化。电源部分将供电电压转换为变送器

内部各芯片所需电压，为各芯片供电。

⒊显示板

显示板包括显示控制器和LCD显示器，可以显示四位半数字和五位字母。用于接收CPU来的数据，并加以显示，LCD显示器与图10-5相同。

五组态

传感器组态首先组态传感器号，参数SENSOR_TRANSDUCER_NUMBER设置1或2，分别表示第一传感器和第二传感器，如图10-26所示。

用SENSOR_TYPE参数设定传感器类型，见图10-27，图中选择的L型热电偶为德国工业标准（DIN），J、K、N热电偶为美国******标准（NBS）。

用SENSOR_CONNECTION参数设定传感器连接类型，见图10-28，图中选择的连接类型为Three wires(三线制)，其它为Two wires（两线制）、Four wires(四线制) 和Double two wires（双通道）。

传感器类型见表10-5。

表10-5       传感器类型

TT302的电子部分很稳定，制造厂校验后不需要用户进一步的校验。然而，如果用户要使用他自己的标准校验TT302，可以用CAL_POINT_LO 和CAL_POINT_HI两参数设置。

低端微调：首先将温度传感器放入已知温度的地方，如果参数PRIMARY_VALUE（主要参数）显示的值与希望的有差别，就应进行低端微调，所要作的工作就是将希望的温度写入CAL_POINT_LO参数内，见图10-29。微调的结果可以在PRIMARY_VALUE参数中看到。

高端微调：首先将温度传感器放入比低端校验点温度高的地方，如果参数PRIMARY_VALUE显示的值与希望的有差别，就应进行高端微调，所要作的工作就是将希望的温度写入CAL_POINT_HI参数内，见图10-30。微调的结果可以在PRIMARY_VALUE参数中看到。

单位是在AI功能块的XD_SCALE参数中设置的:Celsius为摄氏（组态值为1001）； Rankine为兰金（组态值为1003）； Kelvin为开氏（组态值为1000）； Fahrenheit为华氏（组态值为1002）。

第三节 3051现场总线变送器

3051现场总线变送器也称为3051S变送器或3051FF变送器，它的传感器及电路结构与3051C(HART)变送器类同。两者的主要差别：一是通信协议不同；二是现场总线变送器内装功能模块。3051FF变送器功能结构如图10-31所示。由图可知，FF差压变送器的软件功能块有：转换器块、资源块、FF功能块和FF通信栈。

转换器块包含变送器专用的数据和功能。它包括传感器类型、线性化、工程单位、诊断信息、量程调整和温度、压力校正等。

   资源块包含变送器的物理信息。包括制造商标识、设备型号及特性。

FF功能块包括模拟输入AI、PID、线性化和运算模块等。AI模块可进行滤波、报警和工程单位的转换，它将测量值传至网络，可被其他功能块利用。PID模块具有标准PID算法，可构成串级控制回路。线性化模块用以改变输入信号的特性。运算模块可对测量值进行基本的算术运算。

FF通信栈完成基金会现场总线通信协议(数据链路层和应用层)的全部功能。

FF变送器并联地跨接在现场总线上，现场仪表之间通过总线传递信息和进行互操作，还可与上位计算机相连，方便地构成各种的控制系统。

第四节 3244现场总线温度变送器

    Emerson-Rosemount公司的3244现场总线温度变送器也称3244FF变送器，也是一种智能型两线制变送仪表，它输出符合基金会现场总线协议的数字信号。

    该变送器可配接多种热电偶(B、S、K、E、J、N、R、T型)、热电阻(Pt 100、Pt 200、Pt 500、Pt 1000、Cu 10、Ni 20等)，也可输入毫伏或电阻信号。仪表精度为±0.1℃。

    一、结构原理

3244变送器的电路结构与上述变送器类同，而软件功能块，又与3051的FF变送器相似。其结构功能示于图10-32。图中：User-Selectable Input用户可选的输入（热电阻，热电偶，毫伏，欧姆）；Sensor1，Sensor2为传感器1、2； FOUNDATION Field bus Compliant Communications Stack with Backup LAS为与基金会现场总线兼容的通信栈；Function Blocks为功能块；Resource Blocks为资源块；Analog-to-Digital Signal Conversion 为A/D信号转换；Cold Junction Compensation为冷端补偿；Transducer Blocks为传感器块；Input-to-Output Galvanic Isolation为输入-输出隔离。

电路部分包括微处理器、放大器、高精度A／D、专用集成电路等。来自传感器的信号经放大和A／D转换后，由微处理器完成线性化、热电偶冷端温度补偿、数字通信、自诊断等功能。它输出的数字信号中包含了传感器1、2的温度、温差及平均值。

变送器内置瞬态保护器，以防回路引入的瞬变电流损坏仪表。当电路板产生故障或传感器的漂移超过允许值时，均能输出报警信号。变送器还具有热备份功能，当主传感器故障时，将自动切换到备份传感器，以保证仪表的可靠运行。

   (二)软件功能块

   软件功能块包括转换器块、资源块、FF功能块和FF、通信栈。

  转换器块包含实际的温度测量数据：传感器1、2的温度、温差和端子温度。它还包括传感器类型、工程单位、线性化、阻尼时间、温度校正、诊断等方面的信息。

   资源块包含变送器的物理信息：制造商标识、设备类型和软件工位号等。

    FF功能块有模拟量输入模块(AI)、输入选择模块(ISEL)、PID、特性化模块和运算器。AI模块进行滤波、报警和工程单位的转换，并将测量值提供给其他功能模块。ISEL模块用以对温度测量信号的***高、***低、中值或平均值做出选择，也可以选择热备份。PID模块提供标准PID算法，它有两个PID功能块，可构成串级控制回路。运算器可对测量值进行基本的算术运算。特性化模块用以改变输入信号的特性，例如将温度转换为湿度值，把毫伏转换为温度值等。

第十章思考题与习题

   10-1 现场总线仪表有哪些优点？

    10-2 AI的XD_SCALE组态参数为：400、 -50、 1001、 0，试说明其含义。

10-3AI的OUT_SCALE组态参数为：100、 0、 1342、 1，试说明其含义。

10-4用压力变送器测量压力，压力变送器测量范围为0～100千帕，试组态AI(XD_SCALE, OUT_ SCALE, L_TYPE, CHANNEL)参数。若测得压力为45千帕，此时OUT为多少？（答案：45千帕）

10-5用压力变送器测量液位，压力变送器测量范围为0～5千帕，对应液位为0.5 ～5.5m，试组态AI参数。若测得压力为3.5千帕，此时OUT为多少？（答案：4m）

10-6用差压变送器测量流量（孔板作为节流元件），差压变送器测量范围为0～2.5千帕，对应流量为0 ～1000kg/h，试组态AI参数。若测得压力为0.9千帕，此时OUT为多少？（答案：600kg/h）

10-7用FF温度变送器测量温度送给操作员站，温度变送器测量范围为-200～450℃，试组态AI参数。若测得温度为100 ℃ ，此时OUT为多少？（答案：100 ℃）

10-8用LD302测量流量，如果流量在0～800 变化，通过孔板产生的差压变化为0～4kPa，若XD_SCALE设置为0～6kPa，OUT_SCALE设置为0～800 ，Low_OUT设置为15%。试求流量低于何值时输出为 ，对应的差压是多少千帕？（答案：0.135kPa）

10-9 一个10m高的装水罐(密度1000kg/m3)，变送器安装在罐下0.5m处，需要将静压读数转换为米，如何以千帕为单位设置XD_SCALE?（答案：102.9；4.9；1133；1）

10-10使用压力变送器测量压力，如何设置AI（L_TYPE）功能块?

10-11AI功能块组态参数如下：OUT_SCALE.EU100％：200，OUT_SCALE.EU0％=0，HI_LIM：190，ALARM_HYS=5％，试求回差和清除报警的数值。(答案：10；180)

10-12 TT302的差分或双通道的接线图如图10-33所示，试写出电阻-电压关系式，并说明其优缺点。

10-13用TT302温度变送器测量温度，温度变送器测量范围为-200～450℃，试组态AI参数。若测得温度为100 ℃ ，此时OUT为多少？(答案：100 ℃)

10-14说明3244FF的结构特点及软件功能。