智能變送器的阻抗匹配問題

智能變送器是一種數(shù)字化的變送器，使用手持通信器或采用遵循相關(guān)協(xié)議的其他主機(jī)可在控制室、現(xiàn)場或在同一控制回路的任何地方，同其進(jìn)行雙向通信。同時，它還具有一些先進(jìn)的功能，如操作人員無需到現(xiàn)場，只要在操作室通過手持通信器或DCS操作站鍵盤，就可以很容易地對現(xiàn)場智能變送器各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定與修改或故障檢查，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度，也方便了工藝生產(chǎn)。智能變送器在石油化工企業(yè)推廣得很快，但是，在使用智能變送器和儀表維護(hù)過程中也遇到了一些問題，在工作實際中采取了切實可行的措施進(jìn)行解決，取得了較好的效果。
　　1 智能變送器應(yīng)用中的問題
　　1.1 EJA智能變送器的應(yīng)用
　　EJA 智能變送器是日本橫河電機(jī)株式會社的產(chǎn)品，它率先采用了數(shù)字化單晶硅諧振式傳感器。該傳感器輸出一對差值數(shù)字信號，用來直接消除外界干擾。公用工程裝置現(xiàn)場使用了一臺EJA118w雙法蘭液位變送器，控制室采用24 VDC穩(wěn)壓電源供電，將信號引入常規(guī)調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個常規(guī)調(diào)節(jié)回路，并在測量回路中串聯(lián)接人一臺記錄儀、一臺液位高（H）限報警設(shè)定器和一臺液位低（L）限報警設(shè)定器。EJA智能變送器應(yīng)用回路如圖1所示。
　　在安裝前，采用BRAIN協(xié)議的BT200通信器對變送器、線路和回路中的其他儀表進(jìn)行了校驗，顯示一切正常。但將智能變送器安裝到現(xiàn)場，投用后發(fā)現(xiàn)智能變送器工作不穩(wěn)定。當(dāng)液位在85%以下時，控制回路尚能正常調(diào)節(jié)；但當(dāng)液位超過85%時，現(xiàn)場水罐溢流，調(diào)節(jié)器液位指示在80%處波動，回路電流不再隨被測參數(shù)值的增加而增加，變送器出現(xiàn)了故障。用 BT200通信器進(jìn)行檢查，診斷信息為通信故障。于是我們試著將記錄儀刪除，發(fā)現(xiàn)用BT200通信恢復(fù)正常，智能變送器的工作也恢復(fù)正常，即使回路電流達(dá)到或超過20 mA也能正常工作。據(jù)此我們判斷是記錄儀造成了智能變送器不能正常工作，可是，再次檢查后發(fā)現(xiàn)記錄儀也是好的。
　　由此可見，刪除記錄儀只是減少了回路的負(fù)載電阻，而整個回路的供電和儀表的連接順序都沒有改變。負(fù)載電阻的減少意味著變送器本身的供電電壓的提高。經(jīng)過分析可知，EJA智能變送器要求的供電電壓必須大于10.5V，并且回路供電電壓與負(fù)載電阻要滿足R=（U-10.5）/0.0236。　　

當(dāng)電源電壓為24V時，最大外接負(fù)載為570Ω。變送器的供電電壓必須大于16.4V，負(fù)載電阻必須大于25Ω， BT200才能與變送器通信。現(xiàn)場測量線路電阻為15Ω左右，各負(fù)載的電阻都為25Ω。
　　當(dāng)液位超過85%時，變送器的供電電壓為：
　　24-16×85%×（250+250+250+250+15）=10.2 V<10.5V （l）
　　由此可知，要使變送器正常工作，關(guān)鍵是增加其電壓，使之大于10.5V。增加電壓可以通過降低回路負(fù)載電阻的辦法來解決，而由于回路負(fù)載電阻已固定，所以只有提高穩(wěn)壓電源的電壓。最后將穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)到30V，變送器工作穩(wěn)定，通信正常。
　　1.2 ST300智能變送器的應(yīng)用
　　在裝置DCS改造過程中，我們采用了美國Honeywell公司的DCS和ST3000智能變送器。根據(jù)本安防爆的要求，選用了P+F類型的安全柵。智能變送器用兩芯屏蔽電纜連接到安全柵上，經(jīng)過安全柵再連接到與DCS的AI卡相連的端子組件FTA上。 ST3000智能變送器與DCS連接回路接線如圖3所示。
　　圖3所示的接線方式支持4~20mA模擬信號和數(shù)字信號傳遞[4]。對每臺智能變送器進(jìn)行了校驗并安裝到現(xiàn)場后，聯(lián)校時發(fā)現(xiàn)智能變送器工作不穩(wěn)定，但檢查線路、FTA、安全柵等硬件均正常。當(dāng)被測參數(shù)較大時，回路電流就不再隨被測參數(shù)值的增加而增加，則變送器出現(xiàn)故障，此時，用遵循DE協(xié)議的SFC通信器檢查，診斷信息為HI RES/LOW VOLT，表明回路負(fù)載電阻太大或變送器供電電壓太低。試著刪除安全柵后，智能變送器的工作恢復(fù)正常，即使回路電流達(dá)到或超過20mA也能正常工作。經(jīng)測量，線路電阻為15Ω左右、FTA信號采樣電阻為250Ω、限流電阻為145Ω、安全柵電阻約為330Ω，所以在回路中，負(fù)載電阻=740Ω。
　　ST000智能變送器的電壓與電阻關(guān)系如圖4所示。負(fù)載電阻R=（U-10.8）/0.0218，供電電壓U=24 VDC，變送器要求的最大負(fù)載電阻必須共605.5Ω， 顯然740Ω超過了額定的605.5Ω阻值。由于無法再提高FTA的輸出電壓，導(dǎo)線電阻和FTA采樣電阻降低比較困難，并且安全柵是從安全角度考慮設(shè)置的，也不能任意取消，所以，只有降低回路負(fù)載電阻，才能滿足變送器的通信和使用要求。
　　通過查閱Honeywell公司的DCS用戶手冊可知，145Ω電阻在測量變送回路中起限流保護(hù)作用。將FTA上的145Ω限流電阻用烙鐵焊接時，用焊接銅導(dǎo)線作短路處理，在此回路中不會影響 FTA 的安全運行，實施后變送器運行恢復(fù)正常。
　　　陰影部分為Honeywell DE通信協(xié)議的智能終端與變送器的可通信范圍，在回路中至少要有250Ω的回路負(fù)載電阻，變送器本身的供電電壓必須大于16.28VDC，否則智能終端與變送器不能正常通信。
　　2 智能變送器應(yīng)用中的問題分析
　　為進(jìn)一步分析智能變送器應(yīng)用中的儀表供電和阻抗匹配問題，首先需要了解智能變送器（以EJA為例）的基本工作原理。EJA智能變送器是由單晶硅諧振式傳感器上的兩個H形振動梁分別將差壓、壓力信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，送到脈沖計數(shù)器，再將頻率之差直接傳遞至CPU進(jìn)行信號處理；經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為與輸人信號相對應(yīng)的4-20mA DC的輸出信號，并在模擬信號上疊加一個BRAIN/HART數(shù)字信號進(jìn)行通信。膜盒組件中內(nèi)置特性修正存儲器存儲傳感器的環(huán)境溫度、靜壓，輸入輸出特性修正經(jīng)CPU運算的數(shù)據(jù)[7] 。通過I/O口與外部設(shè)備（如手持智能終端BT200或BT275以及DCS中的帶通信功能的I/O卡）以數(shù)字通信方式傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)字信號疊加在4-20mA信號線上，對4-20mA信號不產(chǎn)生任何擾動影響。
　　智能變送器在現(xiàn)場實際應(yīng)用中，最常遇到的就是儀表供電和阻抗匹配問題，除EJA和ST3000智能變送器外，其他的智能變送器也存在同樣的問題。如Rosemount的3051智能變送器最大負(fù)載電阻和供電電壓也要滿足如圖5所示的對應(yīng)關(guān)系，即R=43.5×（U-10.5），還要求直流電源的紋波應(yīng)小于2%，對于CSA認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的變送器，其供電電壓還不能超過42.4V。可見，智能變送器都對最低工作電壓的幅值和負(fù)載電阻有嚴(yán)格要求，應(yīng)用中也需要特別注意。
　　3 結(jié)束語
　　在使用和維護(hù)過程中，要認(rèn)真閱讀智能變送器和DCS系統(tǒng)資料；對現(xiàn)場儀表和DCS系統(tǒng)正常運行的技術(shù)要求須做深人細(xì)致的探討；并結(jié)合工作實際，發(fā)揮儀表工程技術(shù)人員的智慧，處理好智能變送器的供電和阻抗匹配問題，從而為提高儀表維護(hù)水平，為智能變送器的推廣使用，也為提高石油化工生產(chǎn)的自動化水平創(chuàng)造條件。