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1、控制仪表及装置控制仪表及装置 第二章 变送器和转换器 内容安排 第一节节 变变送器的构成 第二节节 差压变压变 送器 第三节节 温度变变送器 第四节节 电电/气转换转换 器 第一节 变送器的构 成 一、构成原理 变送器的构成原理和输入输出特性 y x ymax xmaxxmin ymin 0 测量部分 C 放大器 K 反馈部分 F 调零、零点迁移 Zi Zf Z0 yx 信号处理部分 二、量程调整、零点调整和零点迁移 量程调整：包括上限调整和下限调整 上限调整（满度调整）：输出信号的上限值 与测量信号的上限值 相对应。 下限调整：零点调整、零点迁移 方法：改变反馈部分反馈系数 改变测量部分转换
2、系数 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 变送器的零点迁移与量程调整 必要性 l适用于大范围物理量的测量； l正确选测测量范围；差压变送器的测量范围等于 量程和迁移量之和。 l提高测量的
3、准确度； 变送器的零点迁移与量程调整 零点迁移配合量程调整意义举例 差压变送器精度为0.5级，量程为 010 Kpa，被测差压范围是610KPa； 调整前： 变送器输出最大误差为： 10 x 0.5% = 0.05 Kpa (50 Pa)； 调整后（零点迁移，迁移量6KPa，量程为 4 KPa）； 变送器输出最大误差为： 4 x 0.5% = 0.02 Kpa (20 Pa)； 提高测量 精度 变送器的零点迁移与量程调整 零点迁移配合量程调整意义举例 零点正迁移：以抵消连通管路中的液体静压力 液位为零， 变送器输出 大于零 变送器的零点迁移与量程调整（5） 零点迁移配合量程调整意义举例 零点负
4、迁移：以抵消负压室多出的固定差压 液位为 零，变 送器输 出小于 零 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： 压力变送器显示、记录或控制配电器 测压力 ： 差压变送器配电器显示、记录控制开方器 测流量 ： H 通大气 测液位 ： 第二节 差压变送器 分类： 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 一、力平衡式差压变送器 测量部分杠杠系统 位移检测 放大器 电磁反馈 机构系统 pi Fi Ff I0 变送器构成方框图 力 平 衡 式 差 压 变 送 器 力平衡式差压变送器 l变
5、送器信号传输方框图 - 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 作用：进行 力的传递和 力矩比较。 2.杠杆系统 3.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 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 D 上罐形磁芯 下罐形磁芯 A C 检测片 差动变压器的结构 S 差动变压器原理图 （一）概述 二、电容式差压变送器 检测元件差动电容构成原理位移平衡式 变送器构成方框图 感
6、压 膜片 差动 电容 电容-电流 转换电路 放大和输 出限制电路 反馈 电路 调零、迁移信号 反馈 信号 （二）测量部件 作用： 测量部件结构 结论： (1) 相对变化值 与被测差压 成线性关系。 (2) 与介电常数 无关 ,可大大减小温度对变送器的影响。 (3) 与 有关。 愈小，灵敏度越高。 （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 转换放大部分电路原理方框 图 E 1245V 振荡器解调器 稳压 源 调零及 零点迁移 功放和 输出限制 量程调
7、整 （负反馈 ） 基准 电压 IC1 IC3 Ci1Ci2 RL I 0 420mA 共模信号 差动信号 振荡控制 放大器 前置 放大器 包括： l1.电容电流转换电路 l2.放大及输出限制电路 1.电容电流转换电路 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)。 包括： 振荡器 解调和振荡控制电路线性 调整电路 振荡器 包括VT1、T1等，向Ci1和Ci2提供高频电源 是一种变压器反馈型振 荡电路，其振荡频率由检测 电容和变压器次级绕组的电 感决定。 振荡器的输出幅 值由控制放大器 IC1 的输出电压决定。 解调和振荡控制电路 只要设法使I1+I2保持不变，即可实
8、现电流信号Ii与电容 相对变化值成线性关系。 Ii = I2 - I1 = ( I2+ I1) Ci2-Ci1 Ci2+Ci1 = K3 Ci2-Ci1 Ci2+Ci1 解调器 由VD1VD8构成 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 线性调整电路(包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等) 检测元件中分布电容的存在，使差动电容的相对变 化值减小，造成非线性误差，故设计了线形调整电路。 电路通过提高振荡器输 出电压幅度以增大解调器输 出电流的方法，来补偿分布 电容所产生的非线性误差。 补偿电压大小取决于RP1 的阻值。 2.放大及输出限制电路 作用：将电流信
9、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。 电阻R31、 R33、 R34和电位器Rp3组成反馈网络，输出电流Io 经这一网络分流，得到反馈电流If，送至放大器的输入端， 这深度负反馈保证了Ii 和 Io的线性关系。 电位器Rp2用以调整输出零位。S为正负迁移调整开关， 可实现变送器的正向或负向迁移。电位器Rp3用以调整变送器 的量程。 对电路的分析，可推得如下的输入、输出关系式： 调零电路 调量程电路 Io = K3K4 Ci2-Ci1 Ci2+
10、Ci1 + K4K5 ( UA- aUVZ1) 式中 ： K4 = Ri Rf ，K5 = 1 Ri ，、a为分压系数 。 输出限制电路(包括VT2、 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)。 其它元件的作用 R38、R39、C22和RP4构成阻尼电路，抑制变送器的输出 波动，RP4用来调整阻尼时间。 VZ2起稳压作用，还可防止电源反接时损坏器件 。 VD12在指示仪表未接同时，为输出电流提供通路, 同时起反向保护作用。 三、扩散硅电子式差压（压力）变送 器 扩散硅
11、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）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 包括： l测量部件 l放大线路 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(420m
12、ADC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。 温度变送器 显示、记录或控制 电源 热电阻 热电偶 毫伏信号 420mADC或 15VDC电阻或mV 24VDC 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 温度变送器结构方框图 在线路结构上分为量程单元和放大单元，
13、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。 输入回路 电压放大 反馈回路 直流-交流 变换器 功率放大 整流滤波 隔离输出 UZ Uf Ui、Et- + Uo Io 量程单元 放大单元 （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。 放大器的温漂系数:输出电压随温度而变化的数值 放大器温漂产生的误差： 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、V
14、T2、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
15、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（实质上是一个磁耦 合多谐振荡器）。 振荡频率 ： 感应电势：ES = 4WcBmS T 因此振荡频率为 ： f = 4WcBmS T (T为周期, S为磁 芯截面积，Bm为磁 感应强度) 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 R109 R110 R140 上 K 下 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。 输入回路 : R101、R102及VZ101、VZ102分别起限流和限压作用。 R103、R104 、R105及RP1组成
