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1、辽宁科技大学电信学院辽宁科技大学电信学院过程控制及仪表过程控制及仪表第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器例子：温度变送器例子：温度变送器 变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量( (如温度、压力、流量、如温度、压力、流量、 液位液位) )和电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标和电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标 准信号，以供显示、记录和控制之用。准信号，以供显示、记录和控制之用。变送器在控制回路中的位置？变送器在控制回路中的位置？温度变送器温度变送器热电偶热电偶第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换
2、器一、变送器的构成一、变送器的构成 构成原理：构成原理：变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图所示，它包变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图所示，它包括括测量部分测量部分（既输入转换部分）、（既输入转换部分）、放大器放大器和和反馈部分反馈部分。x测量部分测量部分C Czi放大器放大器K Ky反馈部分反馈部分F Fzf+零点调整零点调整零点迁移零点迁移+z0第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器上式中：上式中：K-K-放大器系数；放大器系数；F-F-反馈部分的反馈系数；反馈部分的反馈系数；C-C-测量部分的转换系数；测量部分的转换系数；当满足深度负反馈的条件时，即当满足深度负反
3、馈的条件时，即KF1,KF1,则上式变为：则上式变为：根据上图可得变送器的输入输出关系为：根据上图可得变送器的输入输出关系为： 因此在深度负反馈的条件下，变送器输出与输入之间的关系取决于测量因此在深度负反馈的条件下，变送器输出与输入之间的关系取决于测量部分和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。如果转换系数部分和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。如果转换系数C C和反和反馈系数馈系数F F是常数是常数，则变送器的，则变送器的输出和输入输出和输入将将保持良好的线性关系保持良好的线性关系。变送器的量程调整、零点调整和零点迁移变送器的量程调整、零点调整和零点迁移 1、量程调整、量程调整
4、使变送器的输出信号上限值使变送器的输出信号上限值y ymaxmax与测量范围的上限值与测量范围的上限值x xmaxmax相对应相对应 xyxminxmaxyminymax第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器 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 变送器输出信号变送器输出信号y y与输入信号与输入信号x x之间的比例系数之间的比例系数 。量程调整的方法量程调整的方法 ：改变反馈部分的反馈系数改变反馈部分的反馈系数F :F : 改变测量部分转换系数改变测量部分转换系数C C : :F F C C 量程量程 量程量程
5、2 2 2 2、零点调整零点调整零点调整零点调整和零点迁移和零点迁移和零点迁移和零点迁移 使变送器的输出信号下限值使变送器的输出信号下限值y ymimin n与测量范围的下限值与测量范围的下限值x xmimin n相对应，相对应， 在在x xmimin n=0=0时，称为零点调整，在时，称为零点调整，在x xminmin00时，称为零点迁移时，称为零点迁移。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器零点调整零点调整使变送器的测量起始点为零使变送器的测量起始点为零零点迁移零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值是把测量的起始点由零迁移到某一数值当测量的起始点由零变为某一正值，称为当测量的起始点
6、由零变为某一正值，称为正迁移正迁移；当测量的起始点由零变为某一负值，称为当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移负迁移; ; 由由 可知：可知：零点迁移的方法调零点迁移的方法调Z Z0 0第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器二、差压变送器二、差压变送器 差压变送器是将差压变送器是将液体液体、气体或蒸汽的压力气体或蒸汽的压力、流量流量、等工艺量转换成统一、等工艺量转换成统一的标准信号，作为指示记录仪、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对的标准信号，作为指示记录仪、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。上述变量的显
7、示、记录或自动控制。 本节着重讨论普遍使用的本节着重讨论普遍使用的力平衡式力平衡式差压变送器差压变送器。（一）、概述（一）、概述 力平衡式差压变送器包括力平衡式差压变送器包括测量部分测量部分、杠杆部分杠杆部分、位移检测放大器位移检测放大器及及电电磁反馈机构磁反馈机构。其构成方框图如下：。其构成方框图如下：第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器 测量部分是将被测差压测量部分是将被测差压P P转换成相应的输入力转换成相应的输入力F Fi i，该力与电磁反馈机该力与电磁反馈机构输出的作用力构输出的作用力F Ff f一起作用于杠杆系统，使杠杆系统产生微小的偏移，再一起作用于杠杆系统，使杠杆系统产生
8、微小的偏移，再经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。 由于采用了深度负反馈，因而测量精度较高，而且保证了由于采用了深度负反馈，因而测量精度较高，而且保证了被测差压被测差压PiPi和输出电流和输出电流IoIo之间的线性关系。之间的线性关系。第三章第三章 变送器变送器（二）、工作原理和结构（二）、工作原理和结构 1 1、工作原理：、工作原理： 被测差压信号被测差压信号P1P1、P2P2分别引入分别引入元件元件3 3的两侧，则的两侧，则PPi i转换为转换为FiFi，该力作用于主杠杆的下端，使主杠该力作用于主杠杆的下端，使主杠杆以轴封膜片杆以轴封
9、膜片4 4为支点偏转，为支点偏转，F1F1沿沿水平推动水平推动8 8。F1F1分解分解F2F2和和F3F3，F2F2带带动动1414以以M M为支点逆时针偏转，此时为支点逆时针偏转，此时1212靠近差动变压器，使两者间气隙靠近差动变压器，使两者间气隙减小。减小。检测片的位移变化量通过检测片的位移变化量通过1515转换为转换为4-20mA4-20mA的的IoIo，作为输出作为输出。IoIo又流过又流过1616，产生，产生FfFf使副杠杆顺时针使副杠杆顺时针偏转，当偏转，当FfFf和和FiFi力矩平衡时，变送力矩平衡时，变送器状态稳定。器状态稳定。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器作用：是
10、将副杠杆上检测片的微小位移作用：是将副杠杆上检测片的微小位移s s转换成直流输出电流转换成直流输出电流IoIo。组成：组成：差动变压器、低频振荡器、整流滤波差动变压器、低频振荡器、整流滤波及及功率放大器功率放大器。（三）低频位移检测放大器（三）低频位移检测放大器第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器1 1、差动变压器、差动变压器 差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯和四组线圈构成。差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯和四组线圈构成。 如图如图2-132-13所示，其作用是将检测片的位移所示，其作用是将检测片的位移s s转换成相应的电压信号转换成相应的电压信号u uCDCD。
11、第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器2 2、低频振荡器、低频振荡器低频放大器由低频放大器由振荡器振荡器、整流滤波整流滤波、及、及功率放大器功率放大器三部分组成。三部分组成。、振荡器振荡器线路图如右图：由线路图如右图：由LABLAB、C4C4构成的并构成的并联振荡回路的固有频率也就是低频联振荡回路的固有频率也就是低频振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器振荡的振幅条件：即振荡的振幅条件：即KF=1KF=1检测片位移检测片位移S S与振荡器输出电压与振荡器输出电压UABUAB之间的关系：之间的关系：如下图，说明振荡器的放大特性是非线形的，而反馈特性在铁芯
12、未饱和的如下图，说明振荡器的放大特性是非线形的，而反馈特性在铁芯未饱和的情况下是线形的。两条线的交点情况下是线形的。两条线的交点p p即为稳定后的工作点，即为稳定后的工作点，p p点对应的点对应的u uABAB就就是振荡器的输出电压。是振荡器的输出电压。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器、整流滤波整流滤波振荡器的输出电压振荡器的输出电压UABUAB经二极管经二极管VD4VD4整流以及通过电阻整流以及通过电阻R8R8、R9R9和电和电容容C5C5滤波得到平滑的直流电压信滤波得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。号，再送至功放级。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器、功率放大器功率放
13、大器功率放大器由晶体管功率放大器由晶体管VT2VT2、VT3VT3和电阻和电阻R3R3、R4R4、R5R5组成，如组成，如2-182-18所示。放大器采用所示。放大器采用PNP-NPNPNP-NPN互互补型复合管，其目的一是提高电流大系数；二补型复合管，其目的一是提高电流大系数；二是电平配置，使是电平配置，使VT2VT2的基级电平与前级输出信的基级电平与前级输出信号的电平相匹配。号的电平相匹配。R3R3为稳定工作的反馈电阻，同时提高功放级的为稳定工作的反馈电阻，同时提高功放级的输入阻抗，有利于滤波器输出电压的稳定。输入阻抗，有利于滤波器输出电压的稳定。R5R5为为VT2VT2、VT3VT3集电
14、极与发射级之间的穿透电流提集电极与发射级之间的穿透电流提供旁路，用以改善放大器的温度性能，提高了供旁路，用以改善放大器的温度性能，提高了电路的稳定性。电路的稳定性。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器电磁反馈机构电磁反馈机构作用是将输出电流作用是将输出电流IoIo转换成电磁反馈力转换成电磁反馈力FfFf，此力作用于副杠杆，产生反馈此力作用于副杠杆，产生反馈力矩力矩MfMf，以便和测量部分产生的输入力矩以便和测量部分产生的输入力矩MiMi相平衡。相平衡。反馈力反馈力FfFf的大小为：的大小为： Ff=Ff=KfKf *Io *IoKfKf是电磁结构常数，是电磁结构常数，其值为其值为：第三章
15、第三章 变送器和转换器变送器和转换器 四、差压变送器应用四、差压变送器应用敞口容器敞口容器P+ -I0HPBP气P2=P气P1420 mA第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器密闭带压容器密闭带压容器PBPAI0HP1P2P420 mA第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器正迁移正迁移 20PBP+ -PAhh0 P上2I0 mA04 P上2kPaI0P1P2P420 mA第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器测量部分 PBP+ -PAhh000h1调节器负迁移负迁移 I0P1P2P420 mA1 m4m02mI0第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器三、温度变送器三、温度变送
16、器 温度变送器与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为温度变送器与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统标准的统一信号一信号；可分为：可分为：四线制四线制温度变送器和温度变送器和两线制两线制温度变送器，各类变送器又分温度变送器，各类变送器又分为三个品种：为三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和和热电阻温度变送器。热电阻温度变送器。这这里我们主要讲解四线制温度变送器。里我们主要讲解四线制温度变送器。四线制温度变送器有如下特点：四线制温度变送器有如下特点： （1 1）主放大器为低漂移、高增益的运算放大器，使仪表具有良好的）主放大器为低漂移、高增
17、益的运算放大器，使仪表具有良好的可靠性和稳定性。可靠性和稳定性。 （2 2）在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变）在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线形关系，便于指示和记录。送器的输出信号和被测温度呈线形关系，便于指示和记录。 （3 3）变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，采用了安全隔离变）变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，采用了安全隔离变压器，并采用了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量压器，并采用了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。来自危险场所的直流毫伏或温
18、度信号。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器1、三种温度变送器的基本结构框图、三种温度变送器的基本结构框图量程单元量程单元放大单元（三种通用）放大单元（三种通用）输入回路输入回路直流直流交流交流直流直流变换器变换器整流滤波整流滤波电压放大电压放大隔离输出隔离输出功率放大功率放大反馈回路反馈回路Et24v DCV0 -15 VI0420 mA+mVI0+ -+ -+ -i0V02VzVfVIf第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器2、放大单元工作原理、放大单元工作原理 放大单元的作用是将量程单元的输出毫伏信号进行电压和功率放大，输出统放大单元的
19、作用是将量程单元的输出毫伏信号进行电压和功率放大，输出统一的直流电流信号一的直流电流信号I0和直流电压信号和直流电压信号U0。同时，输出的电流又经反馈部分转换成反。同时，输出的电流又经反馈部分转换成反馈电压信号馈电压信号Uf，送至量程单元。，送至量程单元。、电压放大电路、电压放大电路 采用低温漂的高增益运算放大器。采用低温漂的高增益运算放大器。、功率放大电路、功率放大电路 作用：作用：将运算放大器输出的电将运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的压信号转换成具有一定负载能力的电流信号，同时，通过隔离变压器电流信号，同时，通过隔离变压器实现隔离输出。实现隔离输出。 采用了复合管是为了提高
20、输入阻抗，减小线性集成电路功耗。引入射采用了复合管是为了提高输入阻抗，减小线性集成电路功耗。引入射极电阻一方面为了稳定功率放大器的工作状态另一方面为了从极电阻一方面为了稳定功率放大器的工作状态另一方面为了从R4R4两端取出两端取出反馈电压反馈电压Uf第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器、隔离输出、隔离输出 为了避免输出、输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之为了避免输出、输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间采用隔离变压器间采用隔离变压器ToTo来传递信号。来传递信号。ToTo为电流互感器，交流比为为电流互感器，交流比为1 1：1 1。所以输出电流所以输出电流iLi
21、L等于功放电路复合管集电极电流等于功放电路复合管集电极电流。250电流输出回路电流输出回路电压输出回路电压输出回路第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器、直流直流- -交流交流- -直流转换器直流转换器 用来对仪表进行隔离式供电。是用来对仪表进行隔离式供电。是DDZ-DDZ-仪表的通用部分。仪表的通用部分。 其工作过程为：先把电源供给的其工作过程为：先把电源供给的24V24V直流电压转换成一定频率的交流方直流电压转换成一定频率的交流方波电压，再经过整流、滤波、稳压提供给直流电压。波电压，再经过整流、滤波、稳压提供给直流电压。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器3.3.直流毫伏变送器量
22、程单元直流毫伏变送器量程单元UZUfU0=Ui+（-）UzU0第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器4.4.热电偶温度变送器量程单元热电偶温度变送器量程单元输入信号断路报警电输入信号断路报警电路的作用与直流毫伏路的作用与直流毫伏变送器的作用相同。变送器的作用相同。区别在于：区别在于： I I、在热电偶温度在热电偶温度变送器的输入回路中变送器的输入回路中增加了热电偶冷端温增加了热电偶冷端温度补偿电路。度补偿电路。 IIII、在反馈回路中在反馈回路中增加了线性化电路增加了线性化电路。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器5.5.热电阻温度变送器量程单元热电阻温度变送器量程单元 与上述两种变
23、送器的区别：线性化电路，置于输入回路中；热电阻引与上述两种变送器的区别：线性化电路，置于输入回路中；热电阻引线补偿电路。线补偿电路。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器三、电气转换三、电气转换 电电/ /气转换器是将电动仪表输出的气转换器是将电动仪表输出的4-20mA4-20mA直流电流信号转换成可被直流电流信号转换成可被气动仪表接受的气动仪表接受的20-100KPa20-100KPa标准气压信号，以实现电动仪表和气动仪表的标准气压信号，以实现电动仪表和气动仪表的联用，构成混合控制系统，发挥电、气仪表各自的优点。联用，构成混合控制系统，发挥电、气仪表各自的优点。主要性能指标：主要性能指标
24、：（1 1）输入信号：）输入信号：4-20mA(DC)4-20mA(DC)（2 2）输出信号：输出信号：0.02-0.1MPa 0.02-0.1MPa （3 3）变差：变差： 0.5%0.5%（4 4）基本误差：基本误差：0.5% 0.5% （5 5）灵敏度：）灵敏度：0.05% 0.05% （6 6）防爆等级：安全隔爆复合型、安全火花型）防爆等级：安全隔爆复合型、安全火花型（一）、概述（一）、概述第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器（二）、气动仪表的基本元件（二）、气动仪表的基本元件 气动仪表由气阻、气容、弹性元件、喷嘴气动仪表由气阻、气容、弹性元件、喷嘴- -挡板机构和功率放大器等基
25、挡板机构和功率放大器等基本元件。本元件。1 1、气阻：在流体呈层流状态时，可表示为：、气阻：在流体呈层流状态时，可表示为：2 2、气容、气容 包括固体气容和弹性气容包括固体气容和弹性气容V:V:气室体积气室体积 R R：气体常数：气体常数T T：气体绝对温度：气体绝对温度第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器弹性气容可表示为：弹性气容可表示为：3.3.弹性元件弹性元件 为适应不同的工作目的，可作成各种不同结构和形状。他包括各种不同为适应不同的工作目的，可作成各种不同结构和形状。他包括各种不同形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片。形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片。 弹性元件指标：
26、弹性元件指标：I I、弹性特性；弹性特性；IIII、刚度与灵敏度；刚度与灵敏度；IIIIII、滞后与滞后量。滞后与滞后量。 弹性元件在气动仪表中的作用：弹性元件在气动仪表中的作用：将压差转换成位移，在仪器的连接处将压差转换成位移，在仪器的连接处产生一定的操作力。产生一定的操作力。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器4 4、喷嘴挡板机构、喷嘴挡板机构 作用：将微小的作用：将微小的位移转换成相应的压位移转换成相应的压力信号力信号。5 5、功率放大器、功率放大器 它是将喷嘴挡板的输出压力和流量都它是将喷嘴挡板的输出压力和流量都放大。目前采用耗气式放大器，它由壳体放大。目前采用耗气式放大器，它由
27、壳体6 6、膜片、膜片1 1、锥阀、锥阀2 2、球阀、球阀4 4、簧片、簧片5 5、恒气、恒气阻阻7 7等组成。等组成。第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器 此转换器是基于力矩此转换器是基于力矩平衡原理工作的。其结构平衡原理工作的。其结构是多样的，现以具有正负是多样的，现以具有正负两个反馈波纹管的电两个反馈波纹管的电/ /气气转换器为例讨论其工作原转换器为例讨论其工作原理。转换器是由理。转换器是由电流电流- -位位移转换移转换部分，部分，位移位移- -气压气压转换转换部分、部分、气动功率放大气动功率放大部分和部分和反馈反馈部分组成部分组成。工作原理：当电流工作原理：当电流IiIi进入动圈
28、后，产生的磁通与永久磁钢相互作用，产生的进入动圈后，产生的磁通与永久磁钢相互作用，产生的磁力带动磁力带动3 3饶饶5 5转动，挡板转动，挡板8 8靠近喷嘴靠近喷嘴9 9，使其背压升高，功率放大后输出，使其背压升高，功率放大后输出PoPo，PoPo送至送至6 6所产生向上的负反馈力，所产生向上的负反馈力，PoPo同时送至正反馈波纹管产生向上的正反同时送至正反馈波纹管产生向上的正反馈力，以抵消一部分负反馈的影响。因而不需要太大的力就可以达到平衡。馈力，以抵消一部分负反馈的影响。因而不需要太大的力就可以达到平衡。（三）电（三）电/气转换器工作原理气转换器工作原理A1A2第三章第三章 变送器和转换器变送器和转换器 （1 1）输入电流与输出压力）输入电流与输出压力p0p0成比例关系，改变成比例关系，改变Lf1Lf1，Lf2Lf2可调节转换可调节转换器量程，改变零点。器量程，改变零点。 （）当（）当（A1*Lf1-A2*Lf2)A1*Lf1-A2*Lf2)取较小时，便能减小取较小时，便能减小KiKi*Li*Li，从而可缩小从而可缩小转换器的体积。转换器的体积。 （）波纹管面积随温度变化对输出的影响可以相互抵消，即起到（）波纹管面积随温度变化对输出的影响可以相互抵消，即起到温度补偿作用。温度补偿作用。右图为杠杆的受力图，可得：右图为杠杆的受力图，可得：
