智能变送器的阻抗匹配问题

智能变送器的阻抗匹配问题

智能变送器是一种数字化的变送器，使用手持通信器或采用遵循相关协议的其他主机可在控制室、现场或在同一控制回路的任何地方，同其进行双向通信。同时，它还具有一些先进的功能，如操作人员无需到现场，只要在操作室通过手持通信器或DCS操作站键盘，就可以很容易地对现场智能变送器各种参数进行设定与修改或故障检查，大大降低了工人的劳动强度，也方便了工艺生产。智能变送器在石油化工企业推广得很快，但是，在使用智能变送器和仪表维护过程中也遇到了一些问题，在工作实际中采取了切实可行的措施进行解决，取得了较好的效果。
　　1 智能变送器应用中的问题
　　1.1 EJA智能变送器的应用
　　EJA 智能变送器是日本横河电机株式会社的产品，它率先采用了数字化单晶硅谐振式传感器。该传感器输出一对差值数字信号，用来直接消除外界干扰。公用工程装置现场使用了一台EJA118w双法兰液位变送器，控制室采用24 VDC稳压电源供电，将信号引入常规调节器，构成一个常规调节回路，并在测量回路中串联接人一台记录仪、一台液位高（H）限报警设定器和一台液位低（L）限报警设定器。EJA智能变送器应用回路如图1所示。
　　在安装前，采用BRAIN协议的BT200通信器对变送器、线路和回路中的其他仪表进行了校验，显示一切正常。但将智能变送器安装到现场，投用后发现智能变送器工作不稳定。当液位在85%以下时，控制回路尚能正常调节；但当液位超过85%时，现场水罐溢流，调节器液位指示在80%处波动，回路电流不再随被测参数值的增加而增加，变送器出现了故障。用 BT200通信器进行检查，诊断信息为通信故障。于是我们试着将记录仪删除，发现用BT200通信恢复正常，智能变送器的工作也恢复正常，即使回路电流达到或超过20 mA也能正常工作。据此我们判断是记录仪造成了智能变送器不能正常工作，可是，再次检查后发现记录仪也是好的。
　　由此可见，删除记录仪只是减少了回路的负载电阻，而整个回路的供电和仪表的连接顺序都没有改变。负载电阻的减少意味着变送器本身的供电电压的提高。经过分析可知，EJA智能变送器要求的供电电压必须大于10.5V，并且回路供电电压与负载电阻要满足R=（U-10.5）/0.0236。　　

当电源电压为24V时，最大外接负载为570Ω。变送器的供电电压必须大于16.4V，负载电阻必须大于25Ω， BT200才能与变送器通信。现场测量线路电阻为15Ω左右，各负载的电阻都为25Ω。
　　当液位超过85%时，变送器的供电电压为：
　　24-16×85%×（250+250+250+250+15）=10.2 V<10.5V （l）
　　由此可知，要使变送器正常工作，关键是增加其电压，使之大于10.5V。增加电压可以通过降低回路负载电阻的办法来解决，而由于回路负载电阻已固定，所以只有提高稳压电源的电压。最后将稳压电源的电压调到30V，变送器工作稳定，通信正常。
　　1.2 ST300智能变送器的应用
　　在装置DCS改造过程中，我们采用了美国Honeywell公司的DCS和ST3000智能变送器。根据本安防爆的要求，选用了P+F类型的安全栅。智能变送器用两芯屏蔽电缆连接到安全栅上，经过安全栅再连接到与DCS的AI卡相连的端子组件FTA上。 ST3000智能变送器与DCS连接回路接线如图3所示。
　　图3所示的接线方式支持4~20mA模拟信号和数字信号传递[4]。对每台智能变送器进行了校验并安装到现场后，联校时发现智能变送器工作不稳定，但检查线路、FTA、安全栅等硬件均正常。当被测参数较大时，回路电流就不再随被测参数值的增加而增加，则变送器出现故障，此时，用遵循DE协议的SFC通信器检查，诊断信息为HI RES/LOW VOLT，表明回路负载电阻太大或变送器供电电压太低。试着删除安全栅后，智能变送器的工作恢复正常，即使回路电流达到或超过20mA也能正常工作。经测量，线路电阻为15Ω左右、FTA信号采样电阻为250Ω、限流电阻为145Ω、安全栅电阻约为330Ω，所以在回路中，负载电阻=740Ω。
　　ST000智能变送器的电压与电阻关系如图4所示。负载电阻R=（U-10.8）/0.0218，供电电压U=24 VDC，变送器要求的最大负载电阻必须共605.5Ω， 显然740Ω超过了额定的605.5Ω阻值。由于无法再提高FTA的输出电压，导线电阻和FTA采样电阻降低比较困难，并且安全栅是从安全角度考虑设置的，也不能任意取消，所以，只有降低回路负载电阻，才能满足变送器的通信和使用要求。
　　通过查阅Honeywell公司的DCS用户手册可知，145Ω电阻在测量变送回路中起限流保护作用。将FTA上的145Ω限流电阻用烙铁焊接时，用焊接铜导线作短路处理，在此回路中不会影响 FTA 的安全运行，实施后变送器运行恢复正常。
　　　阴影部分为Honeywell DE通信协议的智能终端与变送器的可通信范围，在回路中至少要有250Ω的回路负载电阻，变送器本身的供电电压必须大于16.28VDC，否则智能终端与变送器不能正常通信。
　　2 智能变送器应用中的问题分析
　　为进一步分析智能变送器应用中的仪表供电和阻抗匹配问题，首先需要了解智能变送器（以EJA为例）的基本工作原理。EJA智能变送器是由单晶硅谐振式传感器上的两个H形振动梁分别将差压、压力信号转换为频率信号，送到脉冲计数器，再将频率之差直接传递至CPU进行信号处理；经D/A转换器转换为与输人信号相对应的4-20mA DC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字信号进行通信。膜盒组件中内置特性修正存储器存储传感器的环境温度、静压，输入输出特性修正经CPU运算的数据[7] 。通过I/O口与外部设备（如手持智能终端BT200或BT275以及DCS中的带通信功能的I/O卡）以数字通信方式传递数据，数字信号叠加在4-20mA信号线上，对4-20mA信号不产生任何扰动影响。
　　智能变送器在现场实际应用中，最常遇到的就是仪表供电和阻抗匹配问题，除EJA和ST3000智能变送器外，其他的智能变送器也存在同样的问题。如Rosemount的3051智能变送器最大负载电阻和供电电压也要满足如图5所示的对应关系，即R=43.5×（U-10.5），还要求直流电源的纹波应小于2%，对于CSA认证标准的变送器，其供电电压还不能超过42.4V。可见，智能变送器都对最低工作电压的幅值和负载电阻有严格要求，应用中也需要特别注意。
　　3 结束语
　　在使用和维护过程中，要认真阅读智能变送器和DCS系统资料；对现场仪表和DCS系统正常运行的技术要求须做深人细致的探讨；并结合工作实际，发挥仪表工程技术人员的智慧，处理好智能变送器的供电和阻抗匹配问题，从而为提高仪表维护水平，为智能变送器的推广使用，也为提高石油化工生产的自动化水平创造条件。