《控制仪表及装置第二章2》由会员分享,可在线阅读,更多相关《控制仪表及装置第二章2(78页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、控制仪表及装置,第二章 变送器和转换器,内容安排,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,变送器 和 转换器,第一节 变送器的构成,一、构成原理,变送器是基于负反馈原理工作的,二、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,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
2、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:,零点迁移的方法:,注意:零点迁移(Z0),量程不变; 量程调节(F),则零点变; 量程调节(C),则零点不变。,例:有一台DDZ-III型温度变送器,精度1级,出厂时量程调为:01300 用这台变送器测量一加热炉的温度(温度范围800900), 问:产生的最大绝对误差是多少?变送器的灵敏度为多少? 将变送器的零点迁至700,量程调为7001000, 问:这时变送器的最大绝对误差
3、是多少?灵敏度为多少?,三、线性化,原因: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 模拟式变送器非线性补偿方法: 1、使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性 2、使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性,1、反馈补偿,2、测量补偿,第二节 差压变送器,作用:用来将压力、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。,应用:,一、力平衡式差压变送器,力平衡式差压变送器 电容式差压变送器 扩散硅式差压变送器,膜盒式差压变送器,1、低压室,2、高压室,3、测量膜盒,4、轴封膜片,5、主杠杆,6、过载保护弹簧,7、静压调整螺钉,8、矢量
4、机构,9、零点迁移弹簧,10、平衡锤,11、量程调整螺钉,12、检测片,13、差动变压器,14、副杠杆,15、放大器,16、反馈动圈,17、永久磁钢,18、电源,19、负载,20、调零弹簧,变送器信号传输方框图如下:,作用:把被测差压P转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi,1.测量部分,1、负压室,2、基座,3、正压室,4、C型弹簧,5、主杠杆,6、硬锌,10、轴封膜片,8、硅油,7、金属膜片,9、密封圈,作用:进行力的传递和力矩比较。,2.杠杆系统,零点及量程调整,(1)调零及零点迁移,零点迁移:通过调节迁移弹簧来实现。,F2,L3,L2,L1,3.电磁反馈装置,作用:把变送器的输出电流I0转
5、换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff,1、反馈动圈,2、导磁体,3、永久磁钢,4、副杠杆,Ff =BDWI0 设 Kf =BDW 则 Ff = Kf*I0 改变反馈动圈的匝数,可以改变 Kf的大小 B:气隙感应强度 D:动圈平均直径 W:动圈匝数,4.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。 组成:由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电 路、功率放大器组成。,差动变压器,B,1、当S=,上下磁阻相等 Ucd=0,2、当S,上半部磁阻减小 Ucd与Uab同相,3、当S,上半部磁阻增大, Ucd与Uab反相,低频放大器,由振荡器、整流滤波及功率
6、放大器,VD1,VD2,R6-构成分压式偏置电路; R2电流负反馈电阻, 稳定VT1的 直流工作点。,低频放大器,由振荡器、整流滤波及功率放大器,振荡条件分析:,相位条件:只要UCD与UAB的相位相同,则反馈信号与放大器的输入信号同相,电路就形成正反馈。,振幅条件:KF=1 只要选择合适的电路参数,容易满足。,整流滤波,功率放大器,(一)概述,二、电容式差压变送器,(二)测量部件,测量部件结构,结论:,(三)转换放大电路,作用: 将差动电容的相对变化值,转换成标准的电流输出信号。 此外,还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。,电路包括电容电流转换电路及放大电路两部分,转换放大部
7、分电路原理方框图,1.电容电流转换电路, 振荡器 包括VT1、T1等,向Ci1和Ci2提供高频电源,作用:将差动电容的相对变化值成比例地转换为 差动电流信号 (电流变化值)。, 解调和振荡控制电路,电流i1的路线:T1(11)C11 C17Ci1C1VD4、VD8T1(2),振荡器输出为正半周时:,电流i2的路线为 : T1(2)VD6、VD6C2Ci2C17C11T1(11),电流i1的路线为: T1(3)R4VD7、VD3C1Ci1C17R6R8T1 (10),振荡器输出为负半周时:,电流i2的路线为: T1(12)R7R9C17Ci2C2VD1VD5R3T1(1),i2,i1以相反的方向
8、流过C11,两者平均值之差I2-I1即为解调器输出的差动信号Id , i1、i2流过R6R8和R9R7产生的电压两者平均值之和I2I1即为解调器输出的共模信号Ic 。, 解调和振荡控制电路, 振荡控制放大器 主要包括放大器 IC1,其作用是保持I1+I2不变,IC1的作用,就是使流过VD3,VD7和VD1,VD5的电流之和I1+I2等于常数。,2.放大及输出限制电路,作用:将电流信号 Ii 放大,并输出4 20mA的直 流电流。, 放大电路(包括IC3、VT3、 VT4等),IC3起前置放大作用, VT3、 VT4组成复合管,将IC3的输出电压变换为变送器的输出电流。,输出限制电路(包括VT2
9、、 R18等),当输出电流超过允许值时,R18上压降变大,使VT2的集电极电位降低,从而使该管处于饱和状态,流过VT2(也即VT4)的电流受到限制(Io不超过30mA)。,三、扩散硅电子式差压(压力)变送器,扩散硅电子式差压(压力)变送器采用硅杯压阻传感器作为感压元件,它具有体积小、重量轻、结构简单、稳定性好和测量精度比较高等特点。 这种变送器的感压元件由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成,如图所示的硅杯。,当p1p2时,硅杯杯底受侧向压力差作用而向一侧弯曲,这就使在杯底表面扩散的电阻阻值发生变化,这些电阻阻值变化再通过电桥等电路的进一步处理,最终将待测压力或差压转换为标准信号(420mA DC)
10、输出。,1外壳;2低压腔;3电阻(扩散硅); 4高压腔; 5硅杯;6引线,第三节 温度变送器,作用:将来自热电偶或热电阻的温度信号转换为统 一标准的信号(420mADC或15VDC),以实 现对温度的显示、记录或自动控制。,分类:变送器有两线制和四线制之分,主要讨论四线制 变送器。有三个品种:直流毫伏变送器、热电偶 温度变送器、热电阻温度变送器。,四线制温度变送器的特点: 1、在热电偶和热电阻温度变送器中,采用了线性化 电路,实现了变送器输出信号与温度的线性关系。 2、变送器输入、输出之间具有隔离变压器,并且采 取了本安防爆措施。,一、四线制温度变送器,(一)概述,电动温度变送器,温度变送器结
11、构方框图,在线路结构上分为量程单元和放大单元,放大单元是通用的,而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。,(二)放大单元,由IC1构成,要求采用低漂移、高增益的运算放大器。 (参见P7375图),1.电压放大电路,作用:是将量程单元输出的毫伏信号放大,输出 直流电流Io 和直流电压Uo信号。,当温度变送器的最小量程Ui 为3mV,温升t为30oC,要求附加误差小于等于0.3%时,通过计算可得失调电压的温漂系数:,2. 功率放大电路,由VT1、VT2、T0等组成。其作用是把 IC1 输出的电压信号转换成电流信号,再通过隔离变压器实现隔离输出。,VT1、VT2起功放作用,由交流方波电压供电。 在方
12、波的前后半周期,二极管轮流导通,电流通过T0的两个绕组而产生交变磁通,在T0副边产生交变电流iL 。,3.隔离输出电路,由整流二极管VD13VD16、保护二极管VD17VD18等组成。其作用是将功放输出的交流信号转换成直流信号, 并实现隔离输出。,7、8端接输出负载,为电流输出(4-20mA) 5、6端为电压输出(1-5V),7,4. 直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器,组成:由整流二极管VD38、变压器T 1等组成。(P7375),方法:先把24V直流电压转换成一定频率的的交流方波电 压,再经过整流、滤波和稳压,提供直流电压。,电路核心:直流-交流(DC/AC)变换器(实质上是一个磁
13、耦 合多谐振荡器)。,作用:是对仪表进行隔离式供电。,(三)直流毫伏变送器量程单元,量程单元由输入回路(左半部分)和反馈回路(右半部分)组成,将其与IC1 联系起来画成下图。,R101、R102及VZ101、VZ102分别起限流和限压作用。,R103、R104 、R105及RP1组成零点调整和零点迁移电路,基基准电压UZ准电压UZ,断线报警电路,输入回路:,结论:,(1)改变值, 即更换R103和调整RP1,可实现零迁和调零。,(2)改变值, 即更换R114和调整RP2, 可实现量程调整。,(3)零位和满度必须反复调整。,(四)热电偶温度变送器量程单元,R105、R103及R100为锰铜电阻或
14、者精密金属膜电阻,RCu1、RCu2为铜线绕电阻,其阻值在0时为50,B1接B3时,B1接B2时,线性化调整电路,1. 冷端温度补偿,采用两个铜电阻,固定为50。当热电偶型号不同时,只需调整几个锰铜电阻或金属膜电阻。,2. 线性化,采取在反馈回路中置入与热电偶特性相一致的非线性电路的方法,如下图所示。,用四段折线来模拟非线性运算电路,如下图。折线的段数及斜率大小由热电偶的特性来确定。 表示直线的斜率。,非线性电路的实现,在IC2的反馈回路中加入一些稳压管和基准电压,利用稳压管的击穿特性实现折线电路。,第一段,UfUf2,斜率r1;要求:Uc=Ud+Us1, UcUd+Us2, UcUd+Us3
15、, UaUd+Us4,第2段,Uf2Uf=Uf3,斜率r2;要求: Ud+Us1 Uc=Ud+Us2, UcUd+Us3, Ua=Ud+Us4,(五)热电阻温度变送器量程单元,1.线性化,线行化电路置于输入回路,采用正反馈的方法来达到线性化的目的,如下图所示。,当Rt随温度而增加时,It将增大。而从上式可知,Rt的增加导致It的进一步加大,从而实现线性化。,2. 引线电阻补偿,为消除引线电阻的影响,热电阻采用三导线接法,要求r1=r2=r3=r。由R23、R24、r2构成的支路为引线电阻补偿电路。,二、两线制温度变送器(P77图),第四节 电/气转换器,一、概述,将电动仪表输出的420mA直流
16、电流转换成可被气动仪表接受的 20100kPa 标准气压信号,以实现电动、气动仪表的联用。,电/气转换器,二、气动仪表的基本元件,(一)气阻,气阻与电阻相似,它可以改变气路中的气体流量。流过气阻的流体为层流状态时,气阻呈现为线性;而流体为紊流状态时,气阻呈现非线性。 有恒气阻(毛细管、小孔等)与可调气阻(变气阻)。,(二)气容,气容与电容相似,它是具有一定容积的气室,是储能元件;有固定气容与弹性气容两种。,固定气室的气容量为恒值。弹性气容在工作过程中容积发生变化,气容量也随之改变。,(三)弹性元件,用来产生力、储存机械能、缓冲振动,把力、差压等物理量转换为位移。 弹性元件有弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片等。,(四)喷嘴挡板机构,把微小的位移转换