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1、控制仪表及装置,第二章 变送器和转换器,第二章 变送器和转换器,第一节 变送器的构成 第二节 差压变送器 第三节 温度变送器 第四节 电/气转换器,按照被控参数分类，变送器主要有差压变送 器、压力变送器、温度变送器、液位变送器和流量变送器等。 变送器的理想输入输出特性如图所示。 和 分别为变送器测量范围的上限值和下限值，即被测参数的上限值和下限值。 和 分别为变送器输出信号的上限值和下限值，对于模拟式变送器，它们即为统一标准信号的上限值和下限值；对于智能式变送器，它们即为输出的数字信号范围的上限值和下限值。,模拟式变送器的构成原理,模拟式变送器完全由模拟元器件构成，它将输入的各种被测参数转换成
2、统一标准信号，其性能也完全取决于所采用的硬件。从构成原理来看，模拟式变送器由测量部分，放大器和反馈部分三部分组成。在放大器的输入端还加有调零和零点迁移信号 , 由零点调整（简称调零）和零点迁移（简称迁移）环节产生。,变送器的构成,构成原理,变送器的构成原理和输入输出特性,测量部分中包含检测元件，它的作用是检测被测参数x，并将其转换成放大器可以接受的信号 , 可以是电压、电流、位移和作用力等信号，由变送器的类型决定；反馈部分把变送器的输出信号y转换成反馈信号 ；在放大器的输入端， 与调零及零点迁移信号 的代数和同 进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换成统一标准信号y输出。,由图可以求得整个变
3、送器的输入输出关系为,式中 测量部分的转换系数； 放大器的放大系数； 反馈部分的反馈系数。,上式可以改写为如下形式,(3-1),(3-2),式中第一项 对应于图中的特性直线部分；第二项,（调零项）影响特性直线的起点 的数值。,对于输出信号范围为420mA DC的变送器， 的数值由调零项和放大器内电子器件的工作电流共同决定。,当 时，可得,上式表明，在满足 的条件时，变送器的输出输入关系仅取决于测量部分的特性和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。如果测量部分的转换系数 和反馈部分的反馈系数 是常数，则变送器的输出与输入具有如图所示的线性关系。,(3-3),式（31）和式（33）是对变送器特
4、性进行分析的主要依据。式（31）可以用于对变送器特性的深入研究，如考察放大器放大系数K对整机特性的影响等；而式33直观的体现了变送器输入与输出之间的静态关系，实际应用中较方便。,在小型电子式模拟变送器中，反馈部分常常仅由几个电阻和电位器构成，因此常把反馈部分和放大器合在一起作为一个负反馈放大部分看待；或者将反馈部分和放大器合做在一块芯片内，这样变送器即可看成由测量部分和负反馈放大器两部分组成。另外，调零和零点迁移环节也常常合并在放大器中。,量程调整、零点调整和零点迁移,量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数。,量程调整（即满度调整）的
5、目的是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。,方法：改变反馈部分反馈系数 改变测量部分转换系数,变送器的共性问题,变送器在使用之前，须进行量程调整和零点调整。,量程调整,量程调整的目的，是使变送器的输出信号上限值 与测量范围的上限值 相对应。图为变送器量程调整前后的输入输出特性。由该图可见，量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数。,零点调整和零点迁移,零点调整使变送器的测量起点为零，而零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值（正值或负值）。测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量的起始点由零
6、变为某一负值，称为负迁移。,零点调整使变送器测量起始点为零；零点迁移是把测量起始点由零迁移到某一数值。当测量起始点由零变为某一正值，称正迁移；而由零变为某一负值，称为负迁移。,零点调整和零点迁移都是使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin= 0时，称为零点调整，在xmin 0时，称为零点迁移。,实现方法：改变调零信号Z0,零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。 进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。 零点调整的调整量通常比较小，而零点迁移的调整量比较大，可达量程的一倍或数倍。
7、 各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。 零点调整和零点迁移的方法，对于模拟式变送器，是通过改变加在放大器输入端上的调零信号 的大小来实现。,线性化,变送器在使用时，总是希望其输出信号与被测参数之间成线性关系，但由于传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系，因此，为了使变送器的输出信号y与被测参数x之间呈线性关系，必须进行非线性补偿。 对于模拟式变送器，非线性补偿方法通常有两种，如图所示： 1 使反馈部分与传感器组件具有相同的线性特性； 2 使测量部分与传感器组件具有相反的线性特性。,_,方法1的非线性补偿原理如图（a）所示。由图可见，由于反馈部分与传感器组件具有相同的非线性
8、特性，而负反馈放大器的特性是反馈部分特性的倒特性，因此负反馈放大器的特性刚好与传感器组件的非线性关系相反，结果使得变送器输出信号Y与输入信号X之间呈线性关系。 方法2的非线性补偿原理如图（b）所示。由图可见，由于测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性，刚好补偿了传感器组件的非线性，因此输入放大器的信号特性是线性的，只要负反馈放大器的特性是线性的，则变送器输出信号Y与输入信号X之间呈线性关系。,变送器信号传输方式,通常，变送器安装在现场，它的电源从控制室送来，而输出信号传送到控制室。电动模拟式变送器采用二线制或四线制传送电源或输出信号。智能式变送器采用双向全数字量传送信号，即现场总线通信方式；
9、目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通信电缆中同时传输4-20mADC电流信号和数字信号，这种方式称为HART协议通信方式。,（1） 二线制和四线制传输 电动模拟式变送器的二线制和四线制传输电源和输出信号方式如图所示。图（a）为二线制传输方式，这种方式中，电源、负载电阻和变送器是串联的，目前大多数变送器均为二线制变送器。图（b）为四线制传输方式，这种方式中，电源和负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和输出信号分别用二根导线传输，这类变送器称为四线制变送器。,二线制变送器同四线制变送器相比，具有节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰等优点，从而大大降低安装费用，减少自控系统投资。但二线制变送器，
10、必须满足如下三个条件。,变送器的正常工作电流 必须得等于或小于变送器输出电流的最小值 。 通常，二线制变送器的输出电流下限值为4mADC，在此条件下，变送器须能够正常工作。但对于输出电流为0-10mADC的变送器，若也采用二线制，则在输出电流为零时，变送器的工作电流也为零。显然，凡输出电流采用0-10mADC的仪表是不能采用二线制的。 在下列电压条件下，变送器能保持正常工作。 式中 变送器输出端电压； 电源电压的最小值； 输出电流的上限值，20mADC ； 变送器的最大负载电阻值； 连接导线的电阻值。 由图（a）可以看出，变送器的输出端电压值 等于电源电压值和输出电流在负载电阻 及传输导线电阻
11、 上的压降之差，为保证变送器的正常工作，输出端电压值只允许在限定范围之内变化。如果负载电阻要增加，电源电压就需增大。 变送器的最小有效功率P为,差压变送器,用来将差压、流量、液位等被测参数转换为统一标准的信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。,一、力平衡式差压变送器 （一）概述,测量部分,杠杆系统,位移检测 放大器,电磁反馈 机构系统,Fi,Ff,I0,变送器构成方框图,（二）工作原理和结构,1. 工作原理,式中 变送器的比例系数， 。,由上式可以看出以下几点 在满足深度负反馈条件下，输出电流Io与输入差压Pi成正比。, 式中 为调零项，改变调零弹簧作用力Fo可调整变送器的零点。, 改
12、变 和 可以改变变送器的比例系数 的大小，因此改变 或 可以调整变送器的量程。, 调整量程会影响变送器的零点，因此力平衡式差压变送器在调较时，零点和量程要反复调整。,作用：把被测差压P转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi ，Ai 为膜盒正、负压室膜片的有效面积。,A1= A2= A,Fi= A (P1 -P2) = APi,Fi= A1P1 -A2P2,因:,故:,2. 结构 测量部分,杠杆系统,作用：进行力的传递和力矩比较。,组成： 主杠杆1、矢量机构2和副杠杠4，以及调零机构、零点迁移机构、静压调整和过载保护、平衡锤。, 主杠杆,将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1 ：, 矢量机构,将
13、输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2 ：,改变tan，可改变差压变送器的量程 ：415，量程比为tan15/tan4=3.83, 副杠杆,进行力矩的比较, 调零和零点迁移机构, 静压调整和过载保护装置、平衡锤,平衡带拉条,电磁反馈装置,作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff ，它由反馈动圈和永久磁钢组成。,Ff =BDcWI0,设 Kf =BDcW,改变反馈动圈的匝数，可以改变 Kf 的大小,则 Ff = KfI0,电磁反馈装置的结构原理图,式中 电磁反馈装置的转换系数； 永久磁钢的磁感应强度； 反馈动圈的平均直径； 反馈动圈的匝数。,1-3短接、2-4短接：,W =
14、 W1=725匝,1-2短接：,W = W1+W2=2175匝,可实现3:1的量程调整,W1=725匝，W2=1450匝,（三）低频位移检测放大器,作用：把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S转换成420mA的直流输出电流。 由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率放大器组成。,构成方框图,实质上是一个位移/电流转换器。,低频位移检测放大器原理图,1.差动变压器：将位移检测片（衔铁）的位移S转换成相应的电压信号,B,差动变压器由位移检测片（衔铁），上、下罐形磁心和四组线圈组成。,差动变压器的原理图,2.低频振荡器,D1、D2 可以提供偏置电压，使三极管BG1正常工作。 两个二极管D1、D
15、2就相当于一个稳压管。 R2起负反馈作用, 从而稳定了BG1的工作点。,振荡器电路,低频振荡器的起振条件,振荡频率：,相位条件 s /2 时， uCD 与 uAB 相位相同，则电路就形成正反馈。,振幅条件 K F = 1, 选择合适的电路参数，可满足这一条件。,1,f0 =, LABC4,2,振荡器的放大特性和反馈特性,即： S F P点上移 uAB ,工作中，F随S的变化而变化。 S较大时，F较小；（磁阻较大） S较小时，F较大。（磁阻较小）,3.整流滤波电路,整流滤波电路,震荡器的输出电压uAB经二极管D4整流，通过电阻R8-9和电容C5滤波，得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。,4.功率放大器,稳定工作点 提高输入阻抗,穿透电流旁路，改善温度特性,采用复合管，目的一是提高电流放大倍数；二是电平配置,其他元件作用,R1、C1：相位校正作用，对高次谐波造成相移，破坏其振荡条件，防止高次谐波产生寄生振荡。,R10：改变放大器灵敏度。高量程时，通过端子7、8将其接入，以降低灵敏度。,R7：稳定振荡管输入电压。,C3、C6：高频旁路电容，可减小交流分量。,D9：防止电源反接。,电容式差压变送器,测量部分,其检测元件采用电容式压力传感器，是目前工业上普遍使用的一种变送器。 输入差压 作用于测量部分电容式压力传
