變送器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測(cè)環(huán)節(jié)，它將被控變量，如溫度、壓力、流量、液位、成分等轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，輸出至控制器或計(jì)算機(jī)控制裝置。
變送器通常按被測(cè)參數(shù)分類(lèi)，主要有：差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、液位變送器和流量變送器等。
變送器的理想輸入輸出關(guān)系式和特性分別如式(3.1)和圖3.1所示。
圖3-1 變送器的理想輸入輸出特性
式中 x為變送器的輸入信號(hào)；y為相對(duì)應(yīng)于x時(shí)變送器的輸出；xma、xmin為變送器測(cè)量范圍的上限值和下限值； ymax、ymin為變送器輸出信號(hào)的上限值和下限值。
1．變送器的構(gòu)成原理
（1）模擬式變送器的構(gòu)成原理
模擬式變送器由測(cè)量部分、放大器、反饋部分以及零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移環(huán)節(jié)組成，其構(gòu)成原理如圖3.2 所示。
由圖3.2可以求得整個(gè)變送器的輸入輸出關(guān)系為
式中為測(cè)量部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)；
為放大器的放大系數(shù)；
為反饋部分的反饋系數(shù)。
當(dāng)滿足>>1的條件時(shí)，可得
式(3.2)和式(3.3)是對(duì)變送器特性進(jìn)行分析的主要依據(jù)，前者用于對(duì)變送器特性的深入研究，后者簡(jiǎn)明地體現(xiàn)了變送器輸出與輸入之間的靜態(tài)關(guān)系。
（2）智能式變送器的構(gòu)成原理
智能式變送器由以微處理器（CPU）為核心構(gòu)成的硬件電路和由系統(tǒng)程序、功能模塊構(gòu)成的軟件二大部分組成。
（3）變送器的共性問(wèn)題
1) 變送器的調(diào)整
變送器在使用之前，須進(jìn)行量程和零點(diǎn)的檢驗(yàn)或調(diào)整。
量程調(diào)整的目的，是使變送器的輸出信號(hào)上限值ymax與測(cè)量范圍的上限值xmax相對(duì)應(yīng)，如圖3.3所示。實(shí)現(xiàn)量程調(diào)整的方法，對(duì)于模擬式變送器，通常是改變反饋部分的反饋系數(shù)，
愈大，量程愈大；反之
愈小，量程愈小。有些模擬式變送器還可以通過(guò)改變測(cè)量部分轉(zhuǎn)換系數(shù)
來(lái)調(diào)整量程。對(duì)于數(shù)字式變送器，量程調(diào)整一般是通過(guò)組態(tài)實(shí)現(xiàn)的。
零點(diǎn)調(diào)整的目的，是使變送器的輸出信號(hào)下限值ymin 與測(cè)量范圍的下限值xmin相對(duì)應(yīng)，在xmin=0時(shí)，稱(chēng)為零點(diǎn)調(diào)整；在xmin≠0時(shí)，稱(chēng)為零點(diǎn)遷移，xmin＞0為正遷移，xmin＜0為負(fù)遷移，如圖3.4所示。零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移的方法，對(duì)于模擬式變送器，是通過(guò)改變加在放大器輸入端上的調(diào)零信
號(hào)z0的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于智能式變送器，也是通過(guò)組態(tài)來(lái)完成的。
進(jìn)行零點(diǎn)遷移，再輔以量程調(diào)整，可以提高儀表的測(cè)量精度。
圖3.3 變送器量程調(diào)整前
2) 變送器的線性化
變送器線性化的目的，是克服傳感器的非線性影響，使變送器的輸出信號(hào)y與被測(cè)參數(shù)x之間呈線性關(guān)系，即進(jìn)行傳感器的非線性補(bǔ)償。
對(duì)于模擬式變送器，非線性補(bǔ)償方法通常有如下兩種，其補(bǔ)償原理如圖3.5所示：
①使反饋部分與傳感器組件具有相同的非線性特性；
②使測(cè)量部分與傳感器組件具有相反的非線性特性。
對(duì)于智能式變送器來(lái)說(shuō)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。
3) 變送器的信號(hào)傳輸方式
①二線制
所謂“二線制”是用二根導(dǎo)線同時(shí)傳送變送器所需的電源和輸出電流信號(hào)，如圖3.6所示，這類(lèi)變送器稱(chēng)為二線制變送器。它具有節(jié)省連接電纜、有利于安全防爆、抗干擾和降低安裝費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。但二線制變送器必須在工作電流I、輸出端電壓UT和最小有效功率P三個(gè)方面滿足規(guī)定的要求。
②HART傳輸方式
圖3.6 二線制變送器
HART傳輸方式是在一條電纜上同時(shí)傳輸4～20mADC的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，如圖3.7所示。即在4～20mADC基礎(chǔ)上疊加幅度為±0.5mA的正弦調(diào)制波作為數(shù)字信號(hào)，頻率1200 Hz代表邏輯 “1”， 2200 Hz 代表邏輯 “0”，其傳送速率為1200 bit/s。
圖3.7 HART傳輸信號(hào)
HART傳輸方式是基于HART通信協(xié)議的，HART通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層構(gòu)成。
HART協(xié)議通信方式由微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421、HART通信模塊、波形整形電路和帶通濾波器組成的電路實(shí)現(xiàn)。
③現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式
現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)由8種類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線組成，各種類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議盡管不同的，但都是由物理層、鏈路層和應(yīng)用層以及通信媒體共同構(gòu)成。
現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式由微處理器CPU、通信控制單元和媒體訪問(wèn)單元MPU組成的電路實(shí)現(xiàn)。
2．差壓變送器
差壓變送器用來(lái)將差壓、流量、液位等被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的顯示、記錄或自動(dòng)控制。
按照檢測(cè)元件分類(lèi)，差壓變送器有很多種，例如膜盒式、電容式和擴(kuò)散硅式差壓變送器以及具有廣闊使用前景的智能式差壓變送器等。
（1）膜盒式差壓變送器
膜盒式差壓變送器是基于力矩平衡原理工作的，它由測(cè)量部分、杠桿系統(tǒng)、放大器和反饋機(jī)構(gòu)組成，如圖3.8所示，其檢測(cè)元件采用膜盒或膜片。
圖3-8 膜盒式差壓變送器構(gòu)成框圖
被測(cè)差壓信號(hào)ΔP經(jīng)測(cè)量部分轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸入力Fi，Fi與反饋機(jī)構(gòu)輸出的反饋力Ff一起作用于杠桿系統(tǒng)，使杠桿產(chǎn)生微小的位移，再經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)輸出。當(dāng)輸入力與反饋力對(duì)杠桿系統(tǒng)所產(chǎn)生的力矩達(dá)到平衡時(shí)，杠桿系統(tǒng)便達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)變送器的輸出信號(hào)y反映了被測(cè)差壓ΔP的大小。
（2）電容式差壓變送器
電容式差壓變送器是基于差動(dòng)測(cè)量原理工作的，檢測(cè)元件采用電容式壓力傳感器。
電容式壓力傳感器是測(cè)量部分的核心，它由中心感壓膜片（即差動(dòng)電容的可動(dòng)電極）與正、負(fù)壓側(cè)弧形電極（即差動(dòng)電容的固定電極）等組成，如圖3.9所示。中心感壓膜片和正壓側(cè)弧形電極構(gòu)成的電容為Ci1，和負(fù)壓側(cè)弧形電極構(gòu)成的電容為Ci2。
圖3.9電容式壓力傳感器原理
當(dāng)ΔP =0時(shí)，感壓膜片與兩邊弧形電極之間的距離相等，即S1=S2=S0，此時(shí)Ci1= Ci2=15pF。在ΔP＞0時(shí)，Ci1的電容量減小，Ci2的電容量增大。設(shè)感壓膜片在ΔP作用下產(chǎn)生位移δ，則
S1=S0+δ S2=S0－δ
若不考慮邊緣電場(chǎng)影響，感壓膜片與兩邊弧形電極構(gòu)成的Ci1和Ci2可近似地看成是平板電容器，其電容量可分別表示為
上兩式中，ε為介電常數(shù)，A為弧形電極的面積。若取兩電容量之差與兩電容量之和的比值，即差動(dòng)電容的相對(duì)變化值，則有
差動(dòng)電容的相對(duì)變化值經(jīng)過(guò)電容／電流轉(zhuǎn)換電路成比例地轉(zhuǎn)換為差動(dòng)信號(hào)Id，并實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償功能。Id經(jīng)放大部分放大并轉(zhuǎn)換成4～20mA的直流輸出電流。放大部分包括電流放大電路、零點(diǎn)調(diào)整與零點(diǎn)遷移電路、輸出限幅電路及阻尼調(diào)整電路，還實(shí)現(xiàn)量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整和遷移、輸出限幅和阻尼調(diào)整功能。
（3）擴(kuò)散硅式差壓變送器
擴(kuò)散硅式差壓變送器的的檢測(cè)元件采用擴(kuò)散硅壓阻傳感器。
擴(kuò)散硅壓阻傳感器通常是在硅膜片上用離子注入和激光修正方法形成4個(gè)阻值相等的擴(kuò)散電阻，應(yīng)用中將其接成惠斯頓電橋形式，如圖3.10所示。單晶硅具有材質(zhì)純、功耗小、滯后和蠕變小、機(jī)械穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是擴(kuò)散電阻存在溫度效應(yīng)，環(huán)境溫度的變化將引起零位、滿度、應(yīng)力靈敏度的變化。因此必須采取補(bǔ)償措施，使得溫度影響減至最小。
圖3.10擴(kuò)散硅壓阻傳感器原理
擴(kuò)散硅壓阻傳感器基于雙差動(dòng)測(cè)量原理工作的，即在輸入差壓增大時(shí)，兩個(gè)擴(kuò)散電阻(R1和R3)的阻值增大，
兩個(gè)擴(kuò)散電阻(R2和R4)的阻值減小，參見(jiàn)圖3.10。若ΔP =0時(shí)， R1 = R2 =R3 = R4；且擴(kuò)散電阻的變化量相等，即，則擴(kuò)散硅壓阻傳感器的輸出電壓Us為
（3.6）
式中 IS為橋路的工作電流。
Us經(jīng)放大部分放大并轉(zhuǎn)換成4～20mA的整機(jī)的輸出信號(hào)Io，放大部分還實(shí)現(xiàn)量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整和輸出限幅功能。
（4）智能式差壓變送器
目前實(shí)際應(yīng)用的智能式差壓變送器種類(lèi)較多，結(jié)構(gòu)各有差異，但從總體結(jié)構(gòu)上看是相似的。中控公司的1151智能式差壓變送器是在模擬的電容式差壓變送器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種智能式變送器，這些變送器均采用HART協(xié)議通信方式。
智能式差壓變送器的軟件還提供各種功能，以提高變送器的精度和性能，如非線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、量程轉(zhuǎn)換、工程單位轉(zhuǎn)換、線性／平方根輸出的選定、數(shù)字阻尼、通信報(bào)警等等。
智能式差壓變送器通常還備有手持通信器（即數(shù)據(jù)設(shè)定器），用于對(duì)變送器進(jìn)行調(diào)整、設(shè)定、組態(tài)或讀取變送器輸出數(shù)據(jù)的。
3．溫度變送器
溫度變送器與測(cè)溫元件配合使用，將溫度或溫差信號(hào)轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度（溫差）參數(shù)顯示、記錄或自動(dòng)控制。溫度變送器還可以作為直流毫伏變送器或電阻變送器使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它工藝參數(shù)的測(cè)量。
溫度變送器可分為模擬式溫度變送器和智能式溫度變送器兩大類(lèi)。在結(jié)構(gòu)上，溫度變送器有測(cè)溫元件和變送器連成一個(gè)整體的一體化結(jié)構(gòu)，也有測(cè)溫元件另配的分體式結(jié)構(gòu)。
模擬式溫度變送器有兩種形式：一種是輸出信號(hào)與溫度之間呈線性關(guān)系；另一種是輸出信號(hào)與與變送器的輸入信號(hào)（Et或Rt）之間呈線性關(guān)系。兩種形式的區(qū)別僅在于變送器中有否非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。智能式溫度變送器輸出信號(hào)與溫度之間總是呈線性關(guān)系。
溫度變送器接受熱電偶信號(hào)時(shí)，必須考慮熱電偶冷端補(bǔ)償問(wèn)題；接受熱電阻信號(hào)時(shí)，必須考慮導(dǎo)線電阻的補(bǔ)償問(wèn)題。
（1）典型模擬式溫度變送器
典型模擬式溫度變送器由輸入回路、放大器和反饋回路組成，如圖3.11所示。
典型模擬式溫度變送器是氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表變送單元的主要品種，都經(jīng)歷了從Ⅰ型到Ⅱ型、再到???型的發(fā)展過(guò)程。 檢測(cè)元件把被測(cè)溫度Ti或其他工藝參數(shù)X轉(zhuǎn)換為變送器的輸入信號(hào)Xi（Et、Rt或Ei），送入變送器。Xi經(jīng)輸入回路變換成直流毫伏信號(hào)Ui后，Ui與調(diào)零信號(hào)UZ的代數(shù)和同反饋信號(hào)Uf進(jìn)行比較，其差值送入放大器，經(jīng)放大得到整機(jī)的輸出信號(hào)Io。氣動(dòng)溫度變送器還需將放大器的輸出電流信號(hào)I0經(jīng)儀表內(nèi)的電/氣轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成20～100kPa的氣壓信號(hào)。
DDZ―???型溫度變送器的輸入回路隨所接受的信號(hào)類(lèi)型而改變：接受直流毫伏信號(hào)時(shí)，為由穩(wěn)壓管、電阻和電位器組成的電路；接受熱電偶信號(hào)時(shí)，增加了熱電偶冷端補(bǔ)償電路，補(bǔ)償電路由3個(gè)精密穩(wěn)定電阻和2個(gè)銅線繞電阻構(gòu)成，不同型號(hào)的熱電偶只需改變其中2個(gè)精密穩(wěn)定電阻的阻值；接受熱電阻信號(hào)時(shí)，增加了線性化電路和導(dǎo)線電阻補(bǔ)償電路，線性化電路采用正反饋方法使流過(guò)熱電阻的電流隨被測(cè)溫度增大而增大，從而實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償，導(dǎo)線電阻補(bǔ)償采用三線制接法。放大器由低漂移型高增益運(yùn)算放大器、起著放大和調(diào)制作用的功率放大器和將變送器輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間進(jìn)行隔離的隔離輸出電路組成。在接受直流毫伏信號(hào)和接受熱電阻信號(hào)時(shí)，反饋回路由電阻和電位器組成的電路構(gòu)成；在接受熱電偶信號(hào)時(shí)，反饋回路增加了實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償?shù)木€性化電路，線性化電路實(shí)際上是一個(gè)折線電路。
DDZ―???型溫度變送器屬安全火花型防爆儀表，采用四線制的連接方式。因此在變送器的構(gòu)成上，除了輸入部分、放大器和反饋部分之外，還增加了為其他部分進(jìn)行隔離式供電的直流／交流／直流變換器部分，以滿足防爆儀表的要求。
（2）一體化溫度變送器
所謂一體化溫度變送器是指將變送器模塊安裝在測(cè)溫元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi)的一種溫度變送器，它直接安裝在被測(cè)溫度的工藝設(shè)備上，具有體積小、重量輕、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、以及輸出信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。
一體化溫度變送器，由測(cè)溫元件和變送器模塊兩部分構(gòu)成，如圖3.12所示。變送器模塊把測(cè)溫元件的輸出信號(hào)Et或Rt轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，其大多數(shù)以一片專(zhuān)用變送器芯片為主，外接少量元器件構(gòu)成，常用的變送器芯片有AD693、XTR101、
XTR103、IXR100等。變送器模塊也有由通用的運(yùn)算放大器構(gòu)成或采用微處理器構(gòu)成的。
AD693是一種可以直接接受0～100mVDC輸入信號(hào)并轉(zhuǎn)換成4～20mA或其他范圍直流輸出電流的專(zhuān)用變送器芯片。它主要由信號(hào)放大器、U／I變換器、基準(zhǔn)電壓源和輔助放大器構(gòu)成，通過(guò)外接電阻可以調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，輔助放大器可以靈活使用。
直流不平衡電橋是一種便于與各種熱電偶、熱電阻配合使用，并實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、熱電阻導(dǎo)線補(bǔ)償和變送器零點(diǎn)調(diào)整、零點(diǎn)遷移的電路，如圖3.13所示。
圖中，US 、IS 分別為電橋的供電電壓和電流； W3為電橋電流的調(diào)整電位器；W1為調(diào)零和零遷電位器；r為連接熱電阻的導(dǎo)線電阻值；RCu用以冷端溫度補(bǔ)償，其值需根據(jù)熱電偶的類(lèi)型計(jì)算得出；與熱電偶配用時(shí)輸出電壓Ui為
（3）智能式溫度變送器
智能式溫度變送器的特點(diǎn)為通用性強(qiáng)、使用方便靈活、補(bǔ)償功能齊全、具有通信功能和自診斷功能等，某些智能式溫度變送器還具有控制功能。
TT302溫度變送器是一種符合FF通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表，它可以與各種熱電阻（Cu10、Ni120、Pt50、Pt100、Pt500）或熱電偶（B、E、J、K、N、R、S、T、L、U）配合使用測(cè)量溫度，也可以使用其它具有電阻或毫伏(mV)輸出的傳感器，如負(fù)載傳感器、電阻位置指示器等測(cè)量其它參數(shù)。具有量程范圍寬、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、重量輕以及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。