智能變送器的阻抗匹配問題

智能變送器是一種數字化的變送器，使用手持通信器或采用遵循相關協議的其他主機可在控制室、現場或在同一控制回路的任何地方，同其進行雙向通信。同時，它還具有一些先進的功能，如操作人員無需到現場，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場智能變送器各種參數進行設定與修改或故障檢查，大大降低了工人的勞動強度，也方便了工藝生產。智能變送器在石油化工企業推廣得很快，但是，在使用智能變送器和儀表維護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行解決，取得了較好的效果。
　　1 智能變送器應用中的問題
　　1.1 EJA智能變送器的應用
　　EJA 智能變送器是日本橫河電機株式會社的產品，它率先采用了數字化單晶硅諧振式傳感器。該傳感器輸出一對差值數字信號，用來直接消除外界干擾。公用工程裝置現場使用了一臺EJA118w雙法蘭液位變送器，控制室采用24 VDC穩壓電源供電，將信號引入常規調節器，構成一個常規調節回路，并在測量回路中串聯接人一臺記錄儀、一臺液位高（H）限報警設定器和一臺液位低（L）限報警設定器。EJA智能變送器應用回路如圖1所示。
　　在安裝前，采用BRAIN協議的BT200通信器對變送器、線路和回路中的其他儀表進行了校驗，顯示一切正常。但將智能變送器安裝到現場，投用后發現智能變送器工作不穩定。當液位在85%以下時，控制回路尚能正常調節；但當液位超過85%時，現場水罐溢流，調節器液位指示在80%處波動，回路電流不再隨被測參數值的增加而增加，變送器出現了故障。用 BT200通信器進行檢查，診斷信息為通信故障。于是我們試著將記錄儀刪除，發現用BT200通信恢復正常，智能變送器的工作也恢復正常，即使回路電流達到或超過20 mA也能正常工作。據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，再次檢查后發現記錄儀也是好的。
　　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。負載電阻的減少意味著變送器本身的供電電壓的提高。經過分析可知，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載電阻要滿足R=（U-10.5）/0.0236。　　

當電源電壓為24V時，最大外接負載為570Ω。變送器的供電電壓必須大于16.4V，負載電阻必須大于25Ω， BT200才能與變送器通信。現場測量線路電阻為15Ω左右，各負載的電阻都為25Ω。
　　當液位超過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載電阻的辦法來解決，而由于回路負載電阻已固定，所以只有提高穩壓電源的電壓。最后將穩壓電源的電壓調到30V，變送器工作穩定，通信正常。
　　1.2 ST300智能變送器的應用
　　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模擬信號和數字信號傳遞[4]。對每臺智能變送器進行了校驗并安裝到現場后，聯校時發現智能變送器工作不穩定，但檢查線路、FTA、安全柵等硬件均正常。當被測參數較大時，回路電流就不再隨被測參數值的增加而增加，則變送器出現故障，此時，用遵循DE協議的SFC通信器檢查，診斷信息為HI RES/LOW VOLT，表明回路負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正常，即使回路電流達到或超過20mA也能正常工作。經測量，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，負載電阻=740Ω。
　　ST000智能變送器的電壓與電阻關系如圖4所示。負載電阻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置的，也不能任意取消，所以，只有降低回路負載電阻，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作用。將FTA上的145Ω限流電阻用烙鐵焊接時，用焊接銅導線作短路處理，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正常。
　　　陰影部分為Honeywell DE通信協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 智能變送器應用中的問題分析
　　為進一步分析智能變送器應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、壓力信號轉換為頻率信號，送到脈沖計數器，再將頻率之差直接傳遞至CPU進行信號處理；經D/A轉換器轉換為與輸人信號相對應的4-20mA DC的輸出信號，并在模擬信號上疊加一個BRAIN/HART數字信號進行通信。膜盒組件中內置特性修正存儲器存儲傳感器的環境溫度、靜壓，輸入輸出特性修正經CPU運算的數據[7] 。通過I/O口與外部設備（如手持智能終端BT200或BT275以及DCS中的帶通信功能的I/O卡）以數字通信方式傳遞數據，數字信號疊加在4-20mA信號線上，對4-20mA信號不產生任何擾動影響。
　　智能變送器在現場實際應用中，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智能變送器最大負載電阻和供電電壓也要滿足如圖5所示的對應關系，即R=43.5×（U-10.5），還要求直流電源的紋波應小于2%，對于CSA認證標準的變送器，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載電阻有嚴格要求，應用中也需要特別注意。
　　3 結束語
　　在使用和維護過程中，要認真閱讀智能變送器和DCS系統資料；對現場儀表和DCS系統正常運行的技術要求須做深人細致的探討；并結合工作實際，發揮儀表工程技術人員的智慧，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水平，為智能變送器的推廣使用，也為提高石油化工生產的自動化水平創造條件。