控制儀表及裝置第二章

《控制儀表及裝置》第二章變送器和轉(zhuǎn)換器內(nèi)容安排第一節(jié)變送器的構(gòu)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)換器變送器和轉(zhuǎn)換器第一節(jié)變送器的構(gòu)成一、構(gòu)成原理變送器的構(gòu)成原理和輸入輸出特性yxymaxxmaxxminymin0測量部分C放大器K反饋部分F調(diào)零、零點遷移Zi

Zf

Z0

yx信號處理部分變送器是基于負反饋原理工作的二、量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移量程調(diào)整相當(dāng)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）的目的是使變送器的輸出信號上限值ymax與測量范圍的上限值xmax相對應(yīng)。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)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(dāng)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的輸出信號下限值ymin與測量范圍的下限值xmin相對應(yīng)，在xmin=

0時，稱為零點調(diào)整，在xmin≠

0時，稱為零點遷移。實現(xiàn)方法：零點遷移的方法：輸入轉(zhuǎn)換調(diào)零、零點遷移放大器FXYCKZiZ0Zf注意：零點遷移（Z0)，量程不變；量程調(diào)節(jié)（F），則零點變；量程調(diào)節(jié)（C），則零點不變。例：有一臺DDZ-III型溫度變送器，精度1級，出廠時量程調(diào)為：0~1300℃①用這臺變送器測量一加熱爐的溫度（溫度范圍800~900℃），問：產(chǎn)生的最大絕對誤差是多少？變送器的靈敏度為多少？②將變送器的零點遷至700℃，量程調(diào)為700~1000℃，問：這時變送器的最大絕對誤差是多少？靈敏度為多少？℃℃℃℃三、線性化原因：傳感器組件的輸出信號與被測參數(shù)之間往往存在著非線性關(guān)系模擬式變送器非線性補償方法:1、使反饋部分與傳感器組件具有相同的非線性特性

2、使測量部分與傳感器組件具有相反的非線性特性1、反饋補償2、測量補償?shù)诙?jié)差壓變送器作用：用來將壓力、差壓、流量、液位等被測參數(shù)

轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的信號，以實現(xiàn)對這些參數(shù)

的顯示、記錄或自動控制。應(yīng)用：壓力變送器顯示、記錄或控制配電器測壓力：差壓變送器配電器顯示、記錄控制開方器測流量：H＋－通大氣測液位：一、力平衡式差壓變送器測量部分杠杠系統(tǒng)位移檢測放大器電磁反饋機構(gòu)系統(tǒng)piFiFfI0變送器構(gòu)成方框圖力平衡式差壓變送器電容式差壓變送器擴散硅式差壓變送器膜盒式差壓變送器1、低壓室2、高壓室3、測量膜盒4、軸封膜片5、主杠桿6、過載保護彈簧7、靜壓調(diào)整螺釘8、矢量機構(gòu)9、零點遷移彈簧10、平衡錘11、量程調(diào)整螺釘12、檢測片13、差動變壓器14、副杠桿15、放大器16、反饋動圈17、永久磁鋼18、電源19、負載20、調(diào)零彈簧變送器信號傳輸方框圖如下: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

1.測量部分作用：進行力的傳遞和力矩比較。

2.杠桿系統(tǒng)

F2L3L2L1杠桿系統(tǒng)受力圖F1F3F2L3L2L1杠桿系統(tǒng)受力圖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

4.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。組成：由差動變壓器、低頻振蕩器、整流濾波電路、功率放大器組成。

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(gòu)S差動變壓器原理圖（一）概述二、電容式差壓變送器檢測元件－差動電容構(gòu)成原理－位移平衡式變送器構(gòu)成方框圖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（二）測量部件作用：測量部件結(jié)構(gòu)結(jié)論：(1)相對變化值與被測差壓成線性關(guān)系。

(2)與介電常數(shù)無關(guān),可大大減小溫度對變送器的影響。(3)

與有關(guān)。愈小，靈敏度越高。（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(biāo)準(zhǔn)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。電路包括電容－電流轉(zhuǎn)換電路及放大電路兩部分轉(zhuǎn)換放大部分電路原理方框圖＋－E12～45V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(zhǔn)電壓IC1IC3Ci1Ci2RLI04～20mA共模信號－－＋差動信號振蕩控制放大器前置放大器1.電容－電流轉(zhuǎn)換電路⑴振蕩器

包括VT1、T1等，向Ci1和Ci2提供高頻電源作用：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。⑵解調(diào)和振蕩控制電路

只要設(shè)法使I1+I2保持不變，即可實現(xiàn)電流信號Ii與電容相對變化值成線性關(guān)系。Ii

=I2

-

I1

=(

I2+

I1)

Ci2-Ci1Ci2+Ci1=K3Ci2-Ci1Ci2+Ci1①解調(diào)器

由VD1～VD8構(gòu)成②振蕩控制放大器主要包括放大器IC1，其作用是保持I1+I2不變⑶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(shè)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。2.放大及輸出限制電路作用：將電流信號Ii

放大，并輸出4~20mA的直流電流。⑴放大電路(包括IC3、VT3、VT4等)

IC3起前置放大作用，VT3、VT4組成復(fù)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(luò)，輸出電流Io經(jīng)這一網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(guān)，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(guān)系式：調(diào)零電路調(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)。⑵輸出限制電路(包括VT2、R18等)

當(dāng)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(gòu)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。三、擴散硅電子式差壓（壓力）變送器擴散硅電子式差壓（壓力）變送器采用硅杯壓阻傳感器作為感壓元件，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好和測量精度比較高等特點。這種變送器的感壓元件由兩片研磨后膠合成杯狀的硅片組成，如圖所示的硅杯。當(dāng)p1≠p2時，硅杯杯底受側(cè)向壓力差作用而向一側(cè)彎曲，這就使在杯底表面擴散的電阻阻值發(fā)生變化，這些電阻阻值變化再通過電橋等電路的進一步處理，最終將待測壓力或差壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號（4～20mADC）輸出。1—外殼；2—低壓腔；3—電阻（擴散硅）；4—高壓腔；5—硅杯；6—引線擴散硅壓阻傳感器設(shè)：第三節(jié)溫度變送器作用:將來自熱電偶或熱電阻的溫度信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)

一標(biāo)準(zhǔn)的信號(420mADC或15VDC)，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。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。溫度變送器顯示、記錄或控制電源熱電阻熱電偶毫伏信號420mADC或15VDC電阻或mV24VDC四線制溫度變送器的特點：1、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(guān)系。2、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、四線制溫度變送器（一）概述電動溫度變送器溫度變送器結(jié)構(gòu)方框圖

在線路結(jié)構(gòu)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。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（二）放大單元由IC1構(gòu)成，要求采用低漂移、高增益的運算放大器。（參見P73～75圖）1.電壓放大電路作用：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。

當(dāng)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)：

2.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(dǎo)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。3.隔離輸出電路

由整流二極管VD13～VD16、保護二極管VD17～VD18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）74.直流-交流-直流(DC/AC/DC)變換器組成：由整流二極管VD3~8、變壓器T1等組成。（P73～75）方法：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：直流-交流(DC/AC)變換器（實質(zhì)上是一個磁耦合多諧振蕩器）。振蕩頻率：可求得感應(yīng)電勢：ES

=4WcBmST因此振蕩頻率為：f

=4WcBmST(T為周期,S為磁芯截面積，Bm為磁感應(yīng)強度)作用：是對儀表進行隔離式供電。（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(zhǔn)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)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(fù)調(diào)整。

（四）熱電偶溫度變送器量程單元EtVs4Vs2Vs3Vs1P681.冷端溫度補償

采用兩個銅電阻，固定為50。當(dāng)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UT=Ei+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。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。

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。Va4Vf5Vf4Vf3Vf2Vf1Va3Va2Va10Va5VfVa1432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(zhǔn)電壓，利用穩(wěn)壓管的擊穿特性實現(xiàn)折線電路。Ir（五）熱電阻溫度變送器量程單元1.線性化

線行化電路置于輸入回路，采用正反饋的方法來達到線性化的目的，如下圖所示。

當(dāng)Rt隨溫度而增加時，It將增大。而從上式可知，Rt的增加導(dǎo)致It的進一步加大，從而實現(xiàn)線性化。2.引線電阻補償IrIr

為消除引線電阻的影響，熱電阻采用三導(dǎo)線接法，要求r1=r2=r3=r。由R23、R24、r2構(gòu)成的支路為引線電阻補償電路。

二、兩線制溫度變送器（P77圖）第四節(jié)電/氣轉(zhuǎn)換器一、概述

將電動儀表輸出的4～20mA直流電