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1、1,第三章 变送器和变换器,教学目的与要求：了解变送器和转换器的功能作用，了解常见压力变送器的类型，理解其工作原理;掌握各种测温原理，理解集成温度传感器的结构及使用方法，了解多路温度测控电路；理解常见流量检测原理，知道如何进行使用。了解信号转换器的作用。,教学重点：流量、温度、压力检测原理及相关设备的使用。 教学难点：变送器电路原理,2,一、变送器和变换器的作用 1、变送器负责将控制系统需要的各种物理信号转换成为该系统统一的标准信号。 目前，各种新型变送器不断出现：电感式，扩散硅式，智能变送器，现场总线变送器,3.1 概 述,问题：由P6系统框图说明变送器的输入输出信号的由来和去向？,3,2、
2、转换器可以在不同信号标准的仪表之间起到信号转换的作用。 例如：电气转换器，气电转换器，电气阀门定位器，电流电压转换器，电压电流转换器，AD转换器，DA转换器，现场总线协议转换器等。,4,1、四线制指仪表的信号传输与供电采用四根导线，其中电源线两根，信号线两根。对电流信号和元器件功耗无严格要求 2、两线制指仪表的信号传输与供电共用两根导线。两线制仪表节省导线，有利于抗干扰和防爆。节省电缆线，安装费必须采用活零点变送器输出下限值应保证内部器件正常工作。,二、信号传输及供电的四线制与两线制,5,XTR101由一个高精度仪用放大器，压控输出电流源和两个精密1mA电流源组成，可以把微弱的电压信号进行放大
3、，并转换为420mA的电流信号，实现远距离传送。,三、两线制芯片介绍（了解）,6,A2、A2对3、4引脚输入信号作阻抗变换，A3、Q1、R1、R2组成输出过载保护，10、11提供两个1mA电流源。 Rs为量程调整电阻。 I04+(0.016+40/Rs)ein,7,输入偏置： R2 调整零点：R4 调整量程：Rs 失调补偿: 外接晶体管、Rp，减少功耗和温度变化,功能:毫伏420mA直流信号。,8,3.2 压力变送器 一、概述 差压变送器常见性能指标：P26 测量范围 量程设定范围 精度（0.1，0.25，0.5，1等） 量程比（仪表可调最大量程与最小量程之比） 电源电压与负载的关系 可调阻尼
4、时间 零点迁移范围 合理的量程调整和零点迁移可以 减小误差，提高灵敏度。,9,10,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。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变为某一负值，称为负迁移。,11,零点迁移以后，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
5、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。 各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。,P26 例：,12,二、电容式压力变送器 1、工作原理,13,差动电容解调器得到差动电流Ii和共模电流Icm 振荡控制放大器输出为振荡器供电，保证Icm恒定不变，则Ii与输入信号p成正比 通过电流控制放大器转换为标准电流信号输出。,14,绕组2-11输出的高频电压，经VD 2/4/6/8整流得到的直流电流IH和IL, IH路径：11R0C17CLVD62 IL路径：2 VD8CH-C17R0-11,15,绕组3-10、1-12输出的高频电压，经VD3/7和VD1
6、/5整流，同样得到IH和IL IH路径：3VD3/7CHC17R6/R8-10 IL路径：12R7/R9C17CLVD5/1-1,16,经VD4/8和VD2/6整流而流经R0的IH和IL,方向相反， IH-IL即为解调器的输出信号Ii，在R0上送到下级放大 经VD3/7和VD1/5整流而流经R6/R8、R7/R9的两个电流，方向一致， IH+IL为解调器的共模电流信号。 IH、IL的平均值：,17,只要Icm为常数，Ii即可与 成正比,18,振荡控制放大器： 作用是使IH+IL为常数 IC1接收两个电压信号之差：一个是VE在R8、R9上的压降，另一个是IH+IL在R6/R8、R7/R9上的压降
7、 IC1、振荡器和解调器一部分电路构成深度负反馈电路，使放大器输入端的两个电压信号近似相等。,参考文献：控制仪表及装置。吴勤勤。化工出版社,19,由IC3、V3、V4、V5构成负反馈电路。 IC3的同相输入端：转换信号、负反馈信号、调零信号。 使同、反相输入端为常数，可得,P29电路其余部分请看书学习,电流控制放大器,20,P29图3.9,21,3、智能电容式变送器,268通信器：完成对智能变送器的查询、测试、组态和数字微调等工作。 组态：将量程、工程单位变换、输出形式、阻尼、线性常数等写入EEPROM。,22,三、扩散硅压力变送器,应用压阻传感原理（应变材料受到应力发生形变时，电阻值发生改变
8、）来检测压力。具有滞后小，灵敏度高，量程广，性能稳定的优点。,23,压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,24,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,25,26,3.3 温度检测及变送器,一、温度检测原理 温度是表示无题物体冷热程度的物理量。 测温方法可以分为直接测温和间接测温。 1、直接测温法 敏感元件与被测系统直接接触。 例如：热电偶，热敏电阻，PN结，石英晶体温度传感器等。,27,电阻测温(自行复习) 根据导体或者半导体的电阻值随温度变换的性质，把电阻值反映出来作为电阻温度计。 金属铜在50150范围内，阻值与温度呈线
9、性关系。,28,29,热电偶测温(自行复习) 两种不同导体（或半导体）A和B接成闭合回路，结点分别放置于T和T0的环境中，则在该回路中会产生热电动势：接触电势和温差电势。eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),30,热电偶分度表,31,冷端温度补偿问题。用补偿导线（延伸导线）把热电偶的冷端延长到温度较为稳定的地方。 补偿导线和对应的热电偶在0150摄氏度范围内，具有基本相同的热电性能。,32,PN结测温(自行复习) PN结压降为：,33,34,W1调节电路零点，W2调节电路增益,问题：如果用单片机怎么实现？,35,石英晶体温度传感器 以石英晶体为测温元件，将温度变化转
10、化为 石英晶体振荡频率变化，再将频率信号进行转换，得到温度值。,36,2、不接触测温法 是测温敏感元件不被测系统不直接接触而测定其温度的测量方法。测温温度高，反应速度快，热惯性小的优点。 常用：全辐射测温法，亮度测温法，比色测温法，光谱测温法。,37,思考题： 1.热电偶测温原理是什么？ 2.为什么需要冷端温度补偿？ 3 .两线制芯片XTR101的作用是什么？,38,二、集成温度传感器,1、AD590，输出电流与所测绝对温度成比例。 特点：,39,AD581:高精度稳压电源 A1：I-U的转换 A2:跟随器，阻抗变换,40,2、单片集成温度传感器DS1820,外形入三极管，三个引脚为电源，地，
11、数据线。 测温范围：55125，增量0.5，输出值用9位二进制数表示。转换时间200ms。,41,42,43,44,性能特点： 1.采用独特的单线总线技术，通过串行通信接口直接输出被测温度值，适配各种单片机和系统机 2.温度分辨力可编程，DB1820分别工作在9、10、11、12模式下，所对应的温度分辨率依次为0.5、0.25、0.125、0.0625C. 3.用户可以分别设定温度的上下限并写入随机存储器中，可以迅速识别发生了温度越线报警的器件。 4.具有电源反接保护电路,45,三.典型模拟式温度变送器,1.概念,典型模拟式温度变送器由三部分：输入部分、放大器和反馈部分组成，其测温元件，一般不
12、包括在变送器内，而是通过接线端子与变送器相连接。,46,原理：检测元件把被测温度Ti或其他工艺参数X转换为变送器的输入信号xi ，送入变送器。经输入回路变换成直流毫伏信号ui后，ui和调零与零迁移电路产生的调零信号uz 的代数和同反馈电路产生的反馈信号进行比较，其差值送入放大器，经放大得到整机的输出信号Io。气动温度变送器还需要将放大器的输出电流信号Io经仪表内的电/气转换器转换成20-100kPa的气压信号。,47,DDZ型温度变送器有带非线性补偿电路与不带非线性补偿电路的热电偶温度变送器和热电阻温度变送器以及直流毫伏变送器等多个品种。,常见三种：直流毫伏变送器、带非线性补偿电路的热电偶温度
13、变送器和热电阻温度变送器。前一种是将直流毫伏信号转换成4-20mADC输出信号，后两种则分别与热电偶和热电阻相配合，将温度信号线性地转换成统一标准信号。,48,49,例：用两线制芯片实现温度变送器 1、热电偶温度变送器,Rs量程调节 VD检测冷端温度 R5和R6是冷端补偿分压电阻 R4是固定温度冷端补偿电阻。 输出420mA。,50,1)量程的计算,由测温范围T，查分度表对应的热电势范围e，变送器输出为4-20mA,则I为16mA。,见P24 3.1,51,2）冷端补偿分压电阻R5和R6的计算,当PN节在25C时，节电压=0.6V， V/ T=-2mV/ C,热电势对温度的变化率e/T=k1,
14、有,先确定R5=2K,计算出R6.,52,3)固定温度的冷端补偿R4的计算 (零点调整),e=e2-e1=Et+V4-e1,当冷端=25C时，测量电压=0，有,可算出V4,其上流过的电流为1mA，从而算出R4.,53,2、热电阻温度变送器 Rs是量程调节电阻，R4是零点调整电阻。,自行学习量程电阻和零点调整电阻的计算Rs,54,由测温元件和变送器模块两部分构成并直接安装在被测温度的工艺现场，而输出的信号为统一的标准信号，这种变送器具有体形小、重量轻、现场安装方便、特别是输出信号的抗扰能力极强。便于远距离传输。与热电偶配合时，可不采用补偿导线。 需要注意的是现场的环境温度，一般元件的工作温度在-
15、20-80,一体化化温度变送器,见资料,55,2.智能式温度变送器,56,TT302温度变送器的硬件构成原理图,见资料,57,作业： 某DDZ- 型差压变送器输入信号从20KPa变化到60KPa，输出信号相应从最小变化到最大。若输出信号从30KPa变化到40KPa，其输出应从多少变化到多少？ 热偶、热阻温度变送器的基本组成有何不同？,58,3.4 流量检测及变送,一、流量检测原理（复习） 流量：单位时间内流过管道某一断面的流体数量。这是瞬时流量。 根据表示流体数量的单位不一样，可以分为 体积流量qv，质量流量qm ，重量流量qG 。 流量检测方法：节流式，变面积式，电磁式，漩涡式，涡轮式，激光
16、式等。,59, 流量孔板,由伯努利方程,和,先求出v2,再利用q=vA.,求出体积流量,60,质量流量,61,对于可压缩流体,:校正系数,62,测量对象：流体方面，单相、混相、洁净、脏污； 工作状态：常压、高压、真空、常温、高温、低温； 流动条件：亚音速流、临界流、脉动流,差压流量计结构简单、使用方便、适应性广，管径在50-1000mm范围都可以使用，几乎能测量各种工况下的流量。 安装要求严格需要足够长的直管段,63,差压式流量计组成,节流装置：安装于管道中产生差压，节流件前后的差压与流量成开方关系。 引压导管：取节流装置前后产生的差压，传送给差压变送器。 差压变送器：产生的差压转换为标准电信号（4-20mA）。,64,标准节流元件,标准孔板,结构简单，安装方便，适合大流量的测量,标准喷嘴,标准文丘里管,结构复杂，压力损失比孔板小,从对装置的腐蚀性和磨损看，应选用文丘里管、喷嘴 从
