變送器是自動控制系統(tǒng)的檢測環(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)的模擬信號或數(shù)字信號，輸出至控制器或計算機(jī)控制裝置。
變送器通常按被測參數(shù)分類，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；y為相對應(yīng)于x時變送器的輸出；xma、xmin為變送器測量范圍的上限值和下限值； ymax、ymin為變送器輸出信號的上限值和下限值。
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可以求得整個變送器的輸入輸出關(guān)系為
式中為測量部分的轉(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，可得
式(3.2)和式(3.3)是對變送器特性進(jìn)行分析的主要依據(jù)，前者用于對變送器特性的深入研究，后者簡明地體現(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上限值ymax與測量范圍的上限值xmax相對應(yīng)，如圖3.3所示。實(shí)現(xiàn)量程調(diào)整的方法，對于模擬式變送器，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改變測量部分轉(zhuǎn)換系數(shù)
來調(diào)整量程。對于數(shù)字式變送器，量程調(diào)整一般是通過組態(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下限值ymin 與測量范圍的下限值xmin相對應(yīng)，在xmin=0時，稱為零點(diǎn)調(diào)整；在xmin≠0時，稱為零點(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，對于模擬式變送器，是通過改變加在放大器輸入端上的調(diào)零信
號z0的大小來實(shí)現(xiàn)；對于智能式變送器，也是通過組態(tài)來完成的。
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y與被測參數(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使測量部分與傳感器組件具有相反的非線性特性。
對于智能式變送器來說，通過軟件實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。
3) 變送器的信號傳輸方式
①二線制
所謂“二線制”是用二根導(dǎo)線同時傳送變送器所需的電源和輸出電流信號，如圖3.6所示，這類變送器稱為二線制變送器。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傳輸4～20mADC的模擬信號和數(shù)字信號，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，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
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)場總線通信方式
現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(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)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)由8種類型現(xiàn)場總線組成，各種類型現(xiàn)場總線的通信協(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)場總線通信方式由微處理器CPU、通信控制單元和媒體訪問單元MPU組成的電路實(shí)現(xiàn)。
2．差壓變送器
差壓變送器用來將差壓、流量、液位等被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號或數(shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)對這些參數(shù)的顯示、記錄或自動控制。
按照檢測元件分類，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
被測差壓信號ΔP經(jīng)測量部分轉(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)一信號輸出。當(dāng)輸入力與反饋力對杠桿系統(tǒng)所產(chǎn)生的力矩達(dá)到平衡時，杠桿系統(tǒng)便達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時變送器的輸出信號y反映了被測差壓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測量原理工作的，檢測元件采用電容式壓力傳感器。
電容式壓力傳感器是測量部分的核心，它由中心感壓膜片（即差動電容的可動電極）與正、負(fù)壓側(cè)弧形電極（即差動電容的固定電極）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，感壓膜片與兩邊弧形電極之間的距離相等，即S1=S2=S0，此時Ci1= Ci2=15pF。在ΔP＞0時，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，即差動電容的相對變化值，則有
差動電容的相對變化值經(jīng)過電容／電流轉(zhuǎn)換電路成比例地轉(zhuǎn)換為差動信號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測量原理工作的，即在輸入差壓增大時，兩個擴(kuò)散電阻(R1和R3)的阻值增大，
兩個擴(kuò)散電阻(R2和R4)的阻值減小，參見圖3.10。若ΔP =0時， 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
溫度變送器與測溫元件配合使用，將溫度或溫差信號轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號或數(shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)對溫度（溫差）參數(shù)顯示、記錄或自動控制。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)對其它工藝參數(shù)的測量。
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。在結(jié)構(gòu)上，溫度變送器有測溫元件和變送器連成一個整體的一體化結(jié)構(gòu)，也有測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：一種是輸出信號與溫度之間呈線性關(guān)系；另一種是輸出信號與與變送器的輸入信號（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時，必須考慮熱電偶冷端補(bǔ)償問題；接受熱電阻信號時，必須考慮導(dǎo)線電阻的補(bǔ)償問題。
（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和電動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)展過程。 檢測元件把被測溫度Ti或其他工藝參數(shù)X轉(zhuǎn)換為變送器的輸入信號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Ui后，Ui與調(diào)零信號UZ的代數(shù)和同反饋信號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Io。氣動溫度變送器還需將放大器的輸出電流信號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。
DDZ―???型溫度變送器的輸入回路隨所接受的信號類型而改變：接受直流毫伏信號時，為由穩(wěn)壓管、電阻和電位器組成的電路；接受熱電偶信號時，增加了熱電偶冷端補(bǔ)償電路，補(bǔ)償電路由3個精密穩(wěn)定電阻和2個銅線繞電阻構(gòu)成，不同型號的熱電偶只需改變其中2個精密穩(wěn)定電阻的阻值；接受熱電阻信號時，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熱電阻的電流隨被測溫度增大而增大，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和輸入信號之間進(jìn)行隔離的隔離輸出電路組成。在接受直流毫伏信號和接受熱電阻信號時，反饋回路由電阻和電位器組成的電路構(gòu)成；在接受熱電偶信號時，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，它直接安裝在被測溫度的工藝設(shè)備上，具有體積小、重量輕、現(xiàn)場安裝方便、以及輸出信號抗干擾能力強(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。變送器模塊把測溫元件的輸出信號Et或Rt轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，其大多數(shù)以一片專用變送器芯片為主，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輸入信號并轉(zhuǎn)換成4～20mA或其他范圍直流輸出電流的專用變送器芯片。它主要由信號放大器、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)熱電偶的類型計算得出；與熱電偶配用時輸出電壓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)。