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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
