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1、第八章 模拟变送器,第一节 1151模拟变送器 1151模拟变送器是美国罗斯蒙特(Rosemount)公司研制的产品，外形如图8-1所示。,目前，在火电厂应用的变送器主要有电容式变送器（如1151，1151 smar，3051，LD301和FCX）、电感式变送器（PTSD,T2600,）、压阻式变送器（PTSP ,ST3000）、硅谐振式变送器(EJA)和TT302现场总线温度变送器。,1151模拟变送器主要由测量部分和转换电路两大部分组成，其组成原理如图8-2所示。图中：P,P为差压、压力；C为差动电容；E为电源；I0为电流；RL为负载电阻。,一、测量部分 测量部分的作用是将被测参数(如差压
2、、压力、液位、流量等)转换成相应的差动电容值的变化。图8-3所示为测量部分的结构示意图。图中：1、2为隔离膜片；3为测量膜片；4、5为电容固定极板；6为刚性绝缘体；7为引出电极；8为灌充液。隔离膜片与被测介质接触，膜片l与3之间为一室，膜片2与3之间为另一室，两室各自封闭，内充硅油(或氟油)，组成两室结构的单元。测量膜片是一片弹性系数温度稳定性好的平板金属膜片，作为差动可变电容的活动极板。在测量膜片两侧，有两个在玻璃凹形球面（球缺面）上用真空蒸发有金属层的固定极板。,被测压力PH和PL分别作用于高、低压侧的隔离膜片l、2上，灌充液将压力传送到测量膜片3上。当两侧压力不相等时，测量膜片向一侧位移
3、，如图8-3(b)中的虚线所示。此时，测量膜片3与两侧固定极板间的距离一侧增大，另一侧减小，因此两个固定极板与活动极板之间的电容量一个增大，另一个减小。引出电极7将这两个电容的变化信号输至转换电路。这样，测量部分就把被测参数(压力、差压、液位等)的变化转换成差动电容量的变化。,这种结构对测量膜片具有较好的过载保护能力。当被测差压过大时，测量膜片贴紧一侧的凹形球面上，不会因产生过大位移而损坏膜片。过载消除后，测量膜片恢复到正常位置。灌充液(硅油或氟油)除用作传递压力外，它的粘度特性对冲击力具有一定缓冲作用(阻尼作用)，可消除被测介质的高频脉动压差对变送器输出准确度的影响。,二、位移-电容转换特性
4、 为分析简便，利用等效原理，将图8-3所示差动球面-平面型(固定极板为球面，活动极板为平面)电容简化成图8-4所示平板型差动电容。活动极板移动的方向和距离受被测差压的方向和大小控制。当被测差压变化使活动极板产生位移时，活动极板与两固定极板之间的电容量即发生变化。若活动极板移动距离，则它与固定极板之间的距离，一侧变为，而另一侧变为，如图8-4中所示。 由图示可得差动平行板电容器的电容量计算公式为,式中：为活动极板与上固定极板间的电容量；为活动极板与下固定极板间的电容量；K为量纲系数；A为电容极板的有效面积；为极板间介质的介电常数；为被测差压为零时，活动极板(测量膜片)与两固定极板之间的初始距离；
5、为活动极板在被测压差作用下所产生的位移，如果采用差动平行板电容器的差动电容值作为输出量，则,由式(8-3)可以看出，差动电容与活动极板的位移之间呈非线性关系。为得到线性转换关系，可取两电容之差与两电容之和的比值作为输出量，即,式中 k2为系数， k2=1/d0,位移d0与差压P之间的关系为d0=k1 P,则,式(8-5)即为电容式变送器测量部分的输入量与输出量之间的线性特性表达式。由此式可得出如下结论： 当为常数时，（C1-C2）/（C1+C2）之比值与被测压差成线性关系；,（C1-C2）/（C1+C2）之比值与介电常数无关，即从设计原理上消除了介电常数随温度变化给测量带来的误差； 若设计一种
6、转换电路，使其输出电流I0=K3（C1-C2）/（C1+C2），I0就与被测差压成正比关系； 如果电容极板的结构完全对称，则可以得到良好的稳定性； 在上述分析中，没有考虑分布电容的影响。若考虑分布电容的存在，则测量部分的电容比值为(8-6),比较式(8-6)和式(8-5)后可知，分布电容的影响将造成非线性误差。为了使变送器最终获得高于0.25级的准确度级，需在转换电路中设置线性调整环节。 实测和计算均表明球面-平面型电容器有类似或接近平行板电容器的特性。测量部分大约有150pF的电容量输出。,转换电路 转换电路的作用是将测量部分的线性化输出信号转换成420mA，DC统一信号，并送至负载。此外，
7、它还实现整机的零点调整、量程调整、正负迁移、线性调整及阻尼调整等功能。 1151系列电容式变送器的转换电路共有三种类型，即E型(普通型)、J型(用于流量测量)、F型(用于微压差测量)。,四、校验调整 主要性能 1151系列共有各种测量范围的差压、压力、绝压、流量、远传差压、远传压力等10个品种的仪表。变送器的基本精度为O.250.35；测量范围：最小差压01.3kPa，最大差压06.89MPa；最小压力O1.3kPa，最大压力O41.37MPa；量程比：6。,接线 1151变送器为二线制仪表，电源、信号合用两根导线，电源、信号端子位于电气壳体内的接线侧。接线时，将标有“接线侧”那边的盖子拧开，
8、上部标有SIGNAL(信号)的两个端子接电源，下部标有TEST(测试)的两个端子接内阻小于10的电流表，也可不接。不要将电源接到测试端子，否则会烧坏二极管，为防止二极管烧坏，使变送器继续工作，可以将两个测试端子短接但电源极性不能再接反。,图8-5为仪表校验时的接线图。 电源一般为24V DC，但可以在1245V DC范围内改变。如果是12V供电，则不能带负载，否则便不能正常工作；如果是45V供电，则可以带1650的负载。电源电压不能超过45V，超过了会损坏电路。 当供电24V，负载为500时，此时读数灵敏度最高。 输出信号的测量可以用电流表，也可以用数字电压表，一般用电压表，因为如果用电流表，
9、万一接线错误容易把电流表烧坏。用电压表时，则要在回路内串接一个250的标准电阻R，然后再把电压表接在电阻两端，测出电压后再算出电流值。,电源电压不能超过45V DC，超过了会损坏电路。 当供电24V DC，负载为500时，此时读数灵敏度最高。,(1-7),输出信号的测量可以用电流表，也可以用数字电压表，一般用电压表，因为如果用电流表，万一接线错误容易把电流表烧坏。用电压表时，则要在回路内串一个250的标准电阻R，然后再把电压表接在电阻两端，测出电压后再算出电流值。（若电压为3V,电流是多少mA？）,校验调整 按图8-5所示的校验线路图接好线，经检查变送器的校验方法和一般仪表的校验方法一样，从引
10、压口通入信号压力读出仪表示值，然后算出仪表的误差与回差，并确定合格与否。,当信号压力为测量范围下限时，输出为4mA，不对时，调零点螺钉；当信号压力为测量范围上限时，输出为20mA，否则调量程螺钉。 零点和量程要反复调，直到合格为止。量程、零点调好以后，再将量程压力分为4档或5档，读出相应的仪表示值。由于1151变送器是位移平衡仪表，所以不能只校正O、50、100三点。如线性不合格，则还要调线性调整器。,1 零点和量程调整。 仪表的零点和量程调整螺钉位于电气壳体的铭牌后面。零点螺钉在上面标有字母Z；量程螺钉在下方，标有字母R，移开铭牌即可进行调校(见后图)。调零点时，量程不受影响，但量程调整会影
11、响零点，影响零点的量为量程调整量的15。为了补偿这个影响，最简单的方法是超调25。,例如要求某变送器的使用范围为0152kPa，现在的情况是： 0输入时，输出4mA； 15.2kPa输入时，输出1 9.8mA。 这时可以调量程，使输出为 19.8+(20.0-19.8)1.25=20.05(mA)。即比实际量程多调了0.05mA，它正好为量程增加量(20.05-1 9.8) =0.25(mA)的15，这样再把零点调至4mA，量程也就正确了。,零点和量程调整中，有机械间隙，改变调整方向时会出现死区。对于机械间隙，最简的办法是反向调整之前要有意超调。 2 正、负零点迁移。 变送器的正、负零点迁移，
12、实际上也是调零点，只是调整的范围很宽。,零点正、负迁移的调整方法是改变接插件位置，它在放大板元件一面。迁移时先把仪表的电源停掉，把板拔下来，然后再改变接插件位置。变送器迁移插座共有三个位置，中间位置为无迁移，插在字母“E”处为负迁移，插在字母“S”处为正迁移。,线性、阻尼调整。 仪表出厂以前，制造厂已把线性调整在最佳位置，所以用户不要轻易去调它。,调整零点和进行零点迁移对量程没有影响，但调整量程则会影响零点，无零点迁移时影响较小。,现用1151变送器测量汽包的液位，如图所示。已知d=2m; h=0.25m; l=1.5m; =900kg/m3; 0=1000kg/m3.试求：（）液位分别为和时
13、的差压值？（）若h升高，P增大，且1151的正压侧接汽包，负压侧接平衡容器，应采用何种迁移？零点迁移量为多少？ （3）变送器的量程是多少？,H,L,100%,0%,l,0,h,d,解： （1）0%水位的差压值P0 = PH PL =0gd- 0gh = 17395 Pa 100%水位的差压值P100 = PH PL =0gd- g(h+l) = 4165 Pa （2） 零点迁移量为17395 Pa，负迁。 （3）量程为： P=P100 P0=13230 Pa,练习及思考题 (1)1151系列电容式变送器的测量部分在整机中起什么作用? (2)1151系列电容式变送器的测量部分的输出为什么要采用(
14、C1-C2)/ (C1+C2)信号? (3)1151系列电容式变送器的E型转换电路由哪几部分组成?各部分的作用是什么?,(4) 1151系列电容式变送器中设置了哪些调整环节?它们各调整变送器的什么特性? (5)115l系列电容式变送器的电源电压为什么要根据外接负载电阻的大小来选取? (6)1151系列电容式变送器在调量程时会影响零位吗?而调零位时对量程有影响吗?,有一储油罐如图所示，现采用1151系列差压变送器测量罐内的液位。罐内液体介质的密度1=1200kgm3，变送器的负压室充水，水的密度2=1000kgm3。图中：a=2m，b=2.5m，C=5 m。 试求：变送器的零点迁移量为多少?应采
15、用何种迁移(正向或负向)? 变送器的测量范围是多少?若按上述迁移量和测量范围调校好仪表后，假定在初步试运行时，罐内液体介质为水，变送器负压室仍充水，这时变送器输出指示值L1=50，其罐内实际水位L2=?(%)。,选择 不同测量范围的1151差压变送器是由于其测量膜片的 厚度不同； 材料不同； 直径不同。 答案,填空 1151差压变送器采用可变电容作为敏感元件，当差压增加时，测量膜片发生位移，于是低压侧的电容量（增加），高压侧的电容量（减少）。 1151差压变送器的测量范围最小时 （01.3KPa），最大是（06890KPa）。 在1151差压变送器的最小调校量程使用时，则最大的负迁移为量程的（
16、600%），最大的正迁移为量程的（500%）。如果1151差压变送器的最大调校量程使用时，则最大的负迁移为量程的（100%），最大的正迁移为量程的（0%）。,由C=A / d可知，电容C与位移d成反比。但是，为什么电容之差和电容之和的比则与位移的变化成线性关系呢？试证明之。 选择 如把1151的电源极性接反，则仪表 烧坏；没有输出；输出跑最大。 答案,图示的接线方法那个是正确的？,变送器,+,-,-,+,+,-,电流表,直流电源,变送器,+,-,-,+,+,-,电流表,直流电源,1151压力变送器的材料范围原为0100KPa，现零位迁移100%，求 仪表的测量范围。 仪表的量程。 输入100、150、200 KPa时，仪表的输出为多少mA。,仪表的测量范围变为100
