1.检测变送仪表的基本概念与组成

在自动化领域，我们经常接触到的检测变送仪表主要包括传感器、变送器等。

1）传感器

传感器是由敏感元件和相应线路所组成的物理系统，其中的敏感元件直接与被测对象发生关联（往往与工艺介质直接接触），感受被测参数的变化，按照一定的规律转换并传送出可用的输出电量或非电量信号。

2）变送器

变送器是将传感器输出的物理测量信号或普通电信号，转换为标准电信号输出或以标准通信协议方式输出的设备。标准信号是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号，如电流4～20 mA、电压1～5 V或气压20～100 kPa都是当前通用的标准信号。

有时也将传感器和变送电路统称为变送器。变送器输出信号发送给调节仪表、记录仪表或显示仪表，用于系统参数的调节、历史数据记录及显示等。

3）二线制变送器

所谓“二线制”变送器就是将给现场变送器供电的电源线与检测的输出信号线合并起来，一共只用2根导线的变送器。下面以图3-1所示的简化的两线制压力变送器的示意图为例，说明两线制变送器的基本组成与工作原理。

图3-1中左侧为现场两线制压力变送器，右侧250Ω电阻将4～20mA电流转化为1～5 V电压，进入调节器的模拟量输入通道进行A/D转换，具体电流大小取决于被测压力p。图中，被测压力p经弹性波纹管转变为电位器RP1的滑动触头位移，触头滑动范围对应压力p的量程，进而产生正比于压力p的输出电压V1，该电压经过运算放大器A和晶体管VT组成的电流负反馈电路，将V1转变为晶体管的输出电流I2，I2在0～16 mA之间跟随被测压力p按比例变化。此外，为给图中仪表内的检测与放大电路供电，用了4 mA的恒流电源，它把内部耗电稳定在一固定的数值上。图中稳压管VD除用来稳定内部的供电电压外，还调剂内部的供电电流。这样，上述2个部分电流合计，流过该仪表的总电流在4～20 mA之间变化，实现了电源线和信号线的合并。使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。

二线制变送器的接线如图3-1的右侧所示。如果调节器接受的是1～5 V的电压信号，则需在输入端跨接一个250Ω电阻。

图3-1　两线制变送器的基本组成

“四线制”变送器有2根电源线和2根信号线。接线时电源线接供电电源，信号线接调节器（或A/D模块）的信号输入端。(www.daowen.com)

4）智能型变送器

智能型变送器是将传感器和变送器作为微处理器驱动，利用微处理器的强大运算和存储能力，实现对传感器的测量信号进行调理（如A/D转换、放大、滤波等）、数据显示、自动校正和自动补偿等功能的变送器。

智能型变送器具有以下优点：（1）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；（2）具有自我诊断能力，上电初始化过程中以及正常运行期间，可自动对传感器进行自检，以检查传感器各部分是否工作正常，提高设备管理能力；（3）具有丰富的数据计算及处理功能，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；（4）可以通过反馈回路对传感器的测量过程进行调节和控制，使采集数据达到最佳；（5）具有信息存储和记忆能力，可存储传感器的特征数据、组态信息和补偿特性等；（6）具有数字通信功能，可将检测数据以数字信号的形式输出。

2.信号传输标准

1）模拟信号传输标准

来自不同生产厂家的各种现场检测变送仪表、执行器等，要实现与中央控制室中的监控仪表互连，一定要建立各方所接受的统一的信号传输标准。国际电工委员会于1973年4月通过的信号传输国际标准规定：过程控制系统现场模拟传输信号采用直流电流4～20 mA，直流电压1～5 V。其中，直流电流4～20 mA可用于3～5 km的远距离信号传输，控制室内各仪表之间的（如电气控制柜内）短距离传输信号可采用直流电压1～5 V。在气动仪表中还采用20～100 kPa作为通用的标准气压传输信号。

现场变送器（两线制）与控制室内控制器、记录仪表的接线如图3-2所示。采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应扰动相区别，不存在相移问题，且不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。采用电流进行远距离传输的优点在于，变送器可看作一个电流源，其内阻近似无限大，因此输出电流不受传输导线电阻以及负载（调节器、记录仪表等）电阻变化的影响，仅取决于被测变量的大小；此外，传输线路上负载电阻相对变送器内阻很小，属于低阻抗电路，因而负载电阻（如250Ω）两端的电压对外界扰动也不敏感，抗扰动能力很强，非常适合于信号的远距离传输。

图3-2　现场变送器与控制室内控制器、记录仪表的接线

需要指出的是，与一般用“零”电流或电压表示零信号的方式不同，这种以20 mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4 mA表示零信号的安排，称为“活零点”。“活零点”的好处是有利于识别断电、断线等故障，且为实现仪表两线制提供了可能性。

2）数字信号传输标准

目前，自动化仪表通常采用PC借助串口或以太网对可编程数字调节器、PLC等进行编程操作及程序下载；而数字仪表与上位操作站或控制站之间的远距离实时数据传输则一般采用RS-485物理层传输标准，或者IEC 61158-2等现场总线物理层标准。其中，HART传输技术则同时兼容4～20 mA模拟信号传输与数字信号传输。

在过程控制领域，使用最为广泛的数字总线传输标准无疑当属IEC 61158-2标准。用于过程控制的主要现场总线（如Profibus-PA，FF等）的物理层都采用了符合IEC 61158-2标准的传输技术。该标准确保本质安全，并通过总线直接给现场设备供电，能满足石油、化工等广泛工业领域的要求。传输介质为屏蔽或非屏蔽的双绞线，允许使用线形、树形或星形网络。最大的总线段长度取决于供电装置、导线类型和所连接的站点电流消耗。