自動化儀表及裝置-第二章-變送器和轉(zhuǎn)換器

控制儀表及裝置第二章變送器和轉(zhuǎn)換器1第二章變送器和轉(zhuǎn)換器第一節(jié)變送器的構成第二節(jié)差壓變送器第三節(jié)溫度變送器第四節(jié)電/氣轉(zhuǎn)換器變送器和2

一、基本定義:量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移二、變送器的構成本節(jié)重點內(nèi)容介紹第一節(jié)變送器的構成3第一節(jié)變送器的構成一、構成原理測量部分C放大器K反饋部分F調(diào)零、零點遷移Zi

Zf

Z0

yxyxymaxxmaxxminymin0變送器的構成原理和輸入輸出特性4二、量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移量程調(diào)整相當于改變變送器的輸入輸出特性的斜率，也就是改變變送器輸出信號y與輸入信號x之間的比例系數(shù)。

量程調(diào)整（即滿度調(diào)整）的目的:使變送器輸出信號上限值ymax與測量范圍上限值xmax相對應。方法：改變反饋部分反饋系數(shù)

改變測量部分轉(zhuǎn)換系數(shù)5零點調(diào)整使變送器測量起始點為零；零點遷移是把測量起始點由零遷移到某一數(shù)值。當測量起始點由零變?yōu)槟骋徽?，稱正遷移；而由零變?yōu)槟骋回撝?，稱為負遷移。

零點調(diào)整和零點遷移都是使變送器輸出信號下限值ymin與測量范圍的下限值xmin相對應，在xmin=

0時，稱為零點調(diào)整，在xmin≠

0時，稱為零點遷移。

6

一、力平衡式差壓變送器熟悉其結(jié)構、掌握其工作原理、讀懂電路圖二、電容式差壓變送器理解其結(jié)構、掌握其工作原理本節(jié)重點內(nèi)容介紹第二節(jié)差壓變送器7第二節(jié)差壓變送器用來將差壓、流量、液位等被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標準的信號，以實現(xiàn)對這些參數(shù)的顯示、記錄或自動控制。一、力平衡式差壓變送器（一）概述測量部分杠杠系統(tǒng)位移檢測放大器電磁反饋機構系統(tǒng)piFiFfI0變送器構成方框圖8（二）工作原理和結(jié)構1.工作原理Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+Mo△PiFiF1-MfFfIoSFo9作用：把被測差壓ΔP轉(zhuǎn)換成作用于主杠桿下端的輸入力Fi

A1=A2=AFi=A

(P1-P2)=AΔPi

Fi=A1P1-A2P2因:故:2.結(jié)構(1)測量部分10(2)杠桿系統(tǒng)

作用：進行力的傳遞和力矩比較。組成：主杠桿1、矢量機構2和副杠杠4，以及調(diào)零機構、零點遷移機構、靜壓調(diào)整和過載保護、平衡錘。11①

主杠桿——將輸入力Fi轉(zhuǎn)換為作用于矢量機構上的力F1：12②

矢量機構——將輸入力F1轉(zhuǎn)換為作用于副杠桿上的力F2

：改變tan，可改變差壓變送器的量程：4－15，量程比為tan15/tan4=3.8313③

副杠桿——進行力矩的比較

14幾點結(jié)論(1)在滿足深度負反饋的條件下,輸出電流Io與輸入差壓△Pi成正比。

(2)改變調(diào)零彈簧作用力Fo可調(diào)整變送器的零點。

(3)調(diào)整變送器的量程可通過改變tan和Kf來實現(xiàn)。

(4)零點和滿度應反復調(diào)整。15④調(diào)零和零點遷移機構1617平衡帶拉條⑤過載保護裝置和靜壓調(diào)整18⑤過載保護裝置和靜壓調(diào)整19平衡錘作用：使副杠桿的重心和其支點M重合，提高儀表的耐沖擊、耐振動性能；在儀表不垂直安裝時，不影響精度。20(3)電磁反饋裝置

作用：把變送器的輸出電流I0轉(zhuǎn)換成作用于副杠桿的電磁反饋力Ff

Ff=πB0DWI0

設

Kf

=πB0DW

改變反饋動圈的匝數(shù)，可以改變

Kf

的大小

則

Ff=KfI0211-3短接、2-4短接：W=W1=725匝

1-2短接：

W

=

W1+W2=2175匝

可實現(xiàn)3:1的量程調(diào)整

W1=725匝W2=1450匝Kf

=πB0DW

22（三）低頻位移檢測放大器

作用：把副杠桿上位移檢測片（銜鐵）的微小位移S轉(zhuǎn)換成4~20mA的直流輸出電流。由差動變壓器、低頻振蕩器、整流濾波電路、功率放大器組成。構成方框圖231.差動變壓器BD上罐形磁芯下罐形磁芯AC檢測片差動變壓器的結(jié)構S差動變壓器原理圖BDAC-+(1)結(jié)構241.差動變壓器BD上罐形磁芯下罐形磁芯AC檢測片差動變壓器的結(jié)構S差動變壓器原理圖BDAC-+(2)工作原理（a）位移s=δ/2uCD

=0（b）位移s<δ/2uCD

、uAB同相（c）位移s>δ/2uCD

、uAB反相252.低頻放大器D1、D2可以提供偏置電壓，使三極管BG1正常工作。

兩個二極管D1、D2就相當于一個穩(wěn)壓管。

振蕩器電路（1）振蕩器26低頻振蕩器的起振條件振蕩頻率：相位條件

：s</2時，

uCD

與

uAB

相位相同，則電路就形成正反饋。振幅條件：K

F

=1,選擇合適的電路參數(shù)，可滿足這一條件。1f0=LABC4227振蕩器的放大特性和反饋特性幅值可控工作點即：

S

FP點上移uAB

工作中，F(xiàn)隨S的變化而變化。S較大時，F(xiàn)較??；（磁阻較大）S較小時，F(xiàn)較大。（磁阻較?。?8(2)整流濾波電路整流濾波電路振蕩器的輸出電壓uAB經(jīng)二極管D4整流，通過電阻R8-9和電容C5濾波，得到平滑的直流電壓信號，再送至功放級。29(3)功率放大器穩(wěn)定工作點提高輸入阻抗穿透電流旁路，改善溫度特性采用復合管，目的一是提高電流放大倍數(shù)；二是電平配置30其他元件作用R1、C1：相位校正作用，對高次諧波造成相移，破壞其振蕩條件，防止高次諧波產(chǎn)生寄生振蕩。R10：改變放大器靈敏度。高量程時，通過端子7、8將其接入，以降低靈敏度。R7：穩(wěn)定振蕩管輸入電壓。C3、C6：高頻旁路電容，可減小交流分量。D9：防止電源反接。31安全火花防爆原則：①電子線路設計上。②安裝使用上（不讓火花竄入現(xiàn)場）隔離。盡可能減少貯能元件（L、C）并使現(xiàn)有貯能元件在故障情況下釋放的能量（電流、電壓）限制在安全額定以下。3、安全火花(本質(zhì)安全)防爆32限能限流負載兩線制位移檢測放大器總圖及本安防爆措施見下：33（一）概述檢測部分感壓膜片差動電容電容-電流轉(zhuǎn)換電路放大和輸出限制電路反饋電路調(diào)零、遷移信號＋－反饋信號轉(zhuǎn)換部分二、電容式差壓變送器電容式差壓變送器構成方框圖34（二）測量部件

作用：測量部件結(jié)構Ci235結(jié)論：(1)相對變化值與被測差壓成線性關系。

(2)與介電常數(shù)無關,可大大減小溫度對變送器的影響。(3)

與有關。愈小，靈敏度越高。36（三）轉(zhuǎn)換放大電路作用：將差動電容的相對變化值，轉(zhuǎn)換成標準的電流輸出信號。此外，還要實現(xiàn)零點調(diào)整、正負遷移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。電路構成:包括電容－電流轉(zhuǎn)換電路及放大電路兩部分37轉(zhuǎn)換放大部分電路原理方框圖振蕩器解調(diào)器穩(wěn)壓源調(diào)零及零點遷移功放和輸出限制量程調(diào)整（負反饋）基準電壓IC1IC3＋－E12～45VCi1Ci2RLI04～20mA共模信號－－＋差動信號振蕩控制放大器前置放大器381.電容－電流轉(zhuǎn)換電路振蕩器包括VT1、T1等，向Ci1和Ci2提供高頻電源將差動電容的相對變化值成比例地轉(zhuǎn)換為差動電流信號(電流變化值)。是一種變壓器反饋型振蕩電路，其振蕩頻率由檢測電容和變壓器次級繞組的電感決定。振蕩器的輸出幅值由控制放大器

IC1的輸出電壓決定。39解調(diào)和振蕩控制電路:包括解調(diào)器和振蕩控制電路Ii

=I2

-

I1

=(

I2+

I1)

解調(diào)(即相敏整流)后輸出兩組電流信號：差動信號和共模信號，使后者保持不變，可得Ci2-Ci1Ci2+Ci1=K3Ci2-Ci1Ci2+Ci140線性調(diào)整電路:包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等檢測元件中分布電容的存在，使差動電容的相對變化值減小，造成非線性誤差，故設計了線形調(diào)整電路。電路通過提高振蕩器輸出電壓幅度以增大解調(diào)器輸出電流的方法，來補償分布電容所產(chǎn)生的非線性誤差。補償電壓大小取決于RP1的阻值。412.放大及輸出限制電路將電流信號Ii

放大，并輸出4~20mA的直流電流。42放大電路:包括IC3、VT3、VT4等IC3起前置放大作用，VT3、VT4組成復合管，將IC3的輸出電壓變換為變送器的輸出電流。電阻R31、R33、R34和電位器Rp3組成反饋網(wǎng)絡，輸出電流Io經(jīng)這一網(wǎng)絡分流，得到反饋電流If，送至放大器的輸入端，這深度負反饋保證了Ii和Io的線性關系。電位器Rp2用以調(diào)整輸出零位。S為正負遷移調(diào)整開關，可實現(xiàn)變送器的正向或負向遷移。電位器Rp3用以調(diào)整變送器的量程。對電路的分析，可推得如下的輸入、輸出關系式：43調(diào)零和調(diào)量程電路Io

=K3K4Ci2-Ci1Ci2+Ci1+K4K5(

UA-

aUVZ1)

式中：K4

=RiRf，K5

=1Ri，、a為分壓系數(shù)。44輸出限制電路:包括VT2、R18等當輸出電流超過允許值時，R18上壓降變大，使VT2的集電極電位降低，從而使該管處于飽和狀態(tài)，流過VT2(也即VT4)的電流受到限制(Io不超過30mA)。其它元件的作用R38、R39、C22和RP4構成阻尼電路，抑制變送器的輸出波動，RP4用來調(diào)整阻尼時間。VZ2起穩(wěn)壓作用，還可防止電源反接時損壞器件。VD12在指示儀表未接同時，為輸出電流提供通路,同時起反向保護作用。45第三節(jié)溫度變送器1.變送器分類：兩線制和四線制2.變送器品種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器3.四線制溫度變送器的特點（2條）4.變送器的線路結(jié)構：量程單元和放大單元5.讀懂直流毫伏變送器量程單元電路圖、熱電偶溫度變送器量程單元電路圖、熱電阻溫度變送器量程單元電路圖本節(jié)重點內(nèi)容介紹46第三節(jié)溫度變送器定義:將來自熱電偶或熱電阻的溫度信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標準的信號(420mA直流電流或15V直流電壓)，以實現(xiàn)對溫度的顯示、記錄或自動控制。分類：變送器有兩線制和四線制之分，主要討論四線制變送器。變送器有三個品種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器。47一、四線制溫度變送器1.四線制溫度變送器的特點：在熱電偶和熱電阻溫度變送器中，采用了線性化電路，實現(xiàn)了變送器輸出信號與溫度的線性關系。變送器輸入、輸出之間具有隔離變壓器，并且采取了本安防爆措施。（一）概述48輸入回路電壓放大反饋回路直流-交流變換器功率放大整流濾波隔離輸出U’ZU’fUi、Et-+UoIo量程單元放大單元溫度變送器結(jié)構方框圖2.結(jié)構在線路結(jié)構上分為量程單元和放大單元，放大單元是通用的，而量程單元則隨品種、測量范圍的不同而異。49（二）放大單元工作原理由IC1構成，要求采用低漂移、高增益的運算放大器。溫漂系數(shù)：UOS隨溫度而變化的數(shù)值，即在溫度變化Δt時，失調(diào)電壓的變化量為：ΔUOS的變化給儀表帶來的附加誤差表示為：溫漂系數(shù)和儀表附加誤差的關系：1.電壓放大電路其作用是將量程單元輸出的毫伏信號放大，輸出直流電流Io和直流電壓Uo信號。50當溫度變送器的最小量程Ui為3mV，溫升t為30oC，要求附加誤差小于等于0.3%時，通過計算可得失調(diào)電壓的溫漂系數(shù)：

512.功率放大電路由VT1、VT2、T0等組成。其作用是把

IC1

輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，再通過隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出。VT1、VT2起功放作用，由交流方波電壓供電。在方波的前后半周期，二極管輪流導通，電流通過T0的兩個繞組而產(chǎn)生交變磁通，在T0副邊產(chǎn)生交變電流iL。523.隔離輸出電路由整流二極管VD13~16、保護二極管VD17~18等組成。其作用是將功放輸出的交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號,并實現(xiàn)隔離輸出。7-8端接輸出負載，為電流輸出（4-20mA）5-6端為電壓輸出（1-5v）7534.直流-交流-直流(DC/AC/DC)變換器由整流二極管VD3~8、變壓器T1等組成。其作用是對儀表進行隔離式供電。先把24V直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的的交流方波電壓，再經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓，提供直流電壓。電路核心是直流-交流(DC/AC)變換器，一個磁耦合多諧振蕩器。振蕩頻率可求得感應電勢：ES

=4WcBmST因此振蕩頻率為：f

=4WcBmSES(T為周期,S為磁芯截面積，Bm為磁感應強度)54（三）直流毫伏變送器量程單元R109R110R140上K下量程單元由輸入回路(左半部分)和反饋回路(右半部分)組成，將其與IC1聯(lián)系起來畫成下圖。輸入電阻輸入電阻穩(wěn)壓二極管Ui輸入電壓零點調(diào)整和零點遷移電路濾波電容輸入信號斷路報警電路Rp1Rp21Rp22Rp11Rp2量程調(diào)整電位器55輸入回路:

R101、R102及VZ101、VZ102分別起限流和限壓作用。R103、R104、R105及RP1組成零點調(diào)整和零點遷移電路，橋路基準電壓UZ由集成穩(wěn)壓器提供。圖中紅筆部分為輸入信號斷路報警電路。按疊加原理，IC1同相輸入端的電壓UT為:UT=Ui

+Uz’=Ui

+Rcd

+R103R103+RP1//R104

+R105Uz(式中Rcd

=RP11R104RP1+R104

Ui

+R105Rcd

+R103Uz=Ui

+

Uz)56從反饋回路可得IC1反相輸入端的電壓UF為UF=R106+R111+RP21R111+R114UzR115R115+R116U05+R106R107=1U0+Uz57從反饋回路可得IC1反相輸入端的電壓UF為UF=R106+R111+RP21R111+R114UzR115R115+R116U05+R106R107=1U0+Uz因UT

UF故U0=

[Ui

+(-)Uz

]結(jié)論：(1)改變值,即更換R103和調(diào)整RP1,可實現(xiàn)零遷和調(diào)零。

(2)改變值,即更換R114和調(diào)整RP2,可實現(xiàn)量程調(diào)整。

(3)零位和滿度必須反復調(diào)整。

UT

Ui

+R105Rcd

+R103Uz=Ui

+

Uz58（四）熱電偶溫度變送器量程單元EtVs4Vs2Vs3Vs1Uz’Uz591.冷端溫度補償采用兩個銅電阻，固定為50。當熱電偶型號不同時，只需調(diào)整幾個錳銅電阻或金屬膜電阻。按疊加原理，可求得IC1同相端的電壓UT為(見教材)UT=Et+RCu1

RCu2R103+RCu1+RCu2)Uz1R105(R100+

所以，601.冷端溫度補償UT=Et+RCu1

RCu2R103+RCu1+RCu2)Uz1R105(R100+

從上式可知，冷端環(huán)境溫度變化時，RCu1、RCu2的阻值也隨之變化，從而補償了由于環(huán)境溫度升降引起的熱電偶電勢的變化。而且，補償特性與熱電偶的特性相似，故補償精度高。61熱電偶溫度變送器線性化原理方框圖熱電偶放大部分非線性反饋回路EtVz’+-ttttEtVoVo(Vo)tVf’Vf’2.線性化采取在反饋回路中置入與熱電偶特性相一致的非線性電路的方法，如下圖所示。62用四段折線來模擬非線性運算電路，如下圖。折線的段數(shù)及斜率大小由熱電偶的特性來確定。表示直線的斜率。Va4Vf5Vf4Vf3Vf2Vf1Va3Va2Va10Va5VfVa1432①②③④63非線性電路的實現(xiàn)Vs4Vs3Vs2Vs1在IC2的反饋回路中加入一些穩(wěn)壓管和基準電壓，利用穩(wěn)壓管的擊穿特性實現(xiàn)折線電路。64非線性電路的實現(xiàn)第一段直線Vs4Vs3Vs2Vs1RaΔUaΔUcΔUfΔUbRo6566非線性電路的實現(xiàn)第二段直線Vs4Vs3Vs2Vs1RaΔUaΔUcΔUfΔUbRoR11967斜率變大了68Ir（五）熱電阻溫度變送器量程單元691.線性化原理與電路分析（1）熱電阻和溫度之間的關系如鉑熱電阻，電阻阻值和溫度之間的關系，如下圖所示。當Rt隨溫度而增加時，增加量將隨著溫度的升高而減小。tRt上凸曲線70UzUo1.線性化原理與電路分析(2)正反饋線性化采用正反饋的方法來達到線性化的目的，如下圖所示。當Rt隨溫度而增加時，Ut將增大。而且Ut的增加量也將隨著溫度的升高而增大，從而實現(xiàn)線性化。1zttgVVgR=-Rt小于1下凹曲線VT=71Ir2.引線電阻補償電路Ir為消除引線電阻的影響，熱電阻采用三導線接法，要求r1=r2=r3=r。由R23、R24、r2構成的支路為引線電阻補償電路。

調(diào)整R24,使Ir

=It,流過r3的兩電流大小相等,方向相反，故r3上不產(chǎn)生壓降。另，電阻r1、r2上的壓降Itr和Irr亦極性相反，從而消除了引線電阻