第八章模擬變送器

第八章模擬變送器第一節(jié)1151模擬變送器

1151模擬變送器是美國羅斯蒙特(Rosemount)公司研制的產(chǎn)品，外形如圖8-1所示。目前，在火電廠應(yīng)用的變送器主要有電容式變送器（如1151，1151smar，3051，LD301和FCX）、電感式變送器（PTSD,T2600,）、壓阻式變送器（PTSP,ST3000）、硅諧振式變送器(EJA)和TT302現(xiàn)場總線溫度變送器。1151模擬變送器主要由測量部分和轉(zhuǎn)換電路兩大部分組成，其組成原理如圖8-2所示。圖中：△P,P為差壓、壓力；△C為差動電容；E為電源；I0為電流；RL為負(fù)載電阻。一、測量部分測量部分的作用是將被測參數(shù)(如差壓、壓力、液位、流量等)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的差動電容值的變化。圖8-3所示為測量部分的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1、2為隔離膜片；3為測量膜片；4、5為電容固定極板；6為剛性絕緣體；7為引出電極；8為灌充液。隔離膜片與被測介質(zhì)接觸，膜片l與3之間為一室，膜片2與3之間為另一室，兩室各自封閉，內(nèi)充硅油(或氟油)，組成兩室結(jié)構(gòu)的單元。測量膜片是一片彈性系數(shù)溫度穩(wěn)定性好的平板金屬膜片，作為差動可變電容的活動極板。在測量膜片兩側(cè)，有兩個在玻璃凹形球面（球缺面）上用真空蒸發(fā)有金屬層的固定極板。被測壓力PH和PL分別作用于高、低壓側(cè)的隔離膜片l、2上，灌充液將壓力傳送到測量膜片3上。當(dāng)兩側(cè)壓力不相等時，測量膜片向一側(cè)位移，如圖8-3(b)中的虛線所示。此時，測量膜片3與兩側(cè)固定極板間的距離一側(cè)增大，另一側(cè)減小，因此兩個固定極板與活動極板之間的電容量一個增大，另一個減小。引出電極7將這兩個電容的變化信號輸至轉(zhuǎn)換電路。這樣，測量部分就把被測參數(shù)(壓力、差壓、液位等)的變化轉(zhuǎn)換成差動電容量的變化。

這種結(jié)構(gòu)對測量膜片具有較好的過載保護能力。當(dāng)被測差壓過大時，測量膜片貼緊一側(cè)的凹形球面上，不會因產(chǎn)生過大位移而損壞膜片。過載消除后，測量膜片恢復(fù)到正常位置。灌充液(硅油或氟油)除用作傳遞壓力外，它的粘度特性對沖擊力具有一定緩沖作用(阻尼作用)，可消除被測介質(zhì)的高頻脈動壓差對變送器輸出準(zhǔn)確度的影響。二、位移-電容轉(zhuǎn)換特性為分析簡便，利用等效原理，將圖8-3所示差動球面-平面型(固定極板為球面，活動極板為平面)電容簡化成圖8-4所示平板型差動電容?；顒訕O板移動的方向和距離受被測差壓的方向和大小控制。當(dāng)被測差壓變化使活動極板產(chǎn)生位移時，活動極板與兩固定極板之間的電容量即發(fā)生變化。若活動極板移動距離，則它與固定極板之間的距離，一側(cè)變?yōu)?，而另一?cè)變?yōu)椋鐖D8-4中所示。由圖示可得差動平行板電容器的電容量計算公式為式中：為活動極板與上固定極板間的電容量；為活動極板與下固定極板間的電容量；K為量綱系數(shù)；A為電容極板的有效面積；ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；為被測差壓為零時，活動極板(測量膜片)與兩固定極板之間的初始距離；為活動極板在被測壓差作用下所產(chǎn)生的位移，如果采用差動平行板電容器的差動電容值作為輸出量，則由式(8-3)可以看出，差動電容與活動極板的位移之間呈非線性關(guān)系。為得到線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，可取兩電容之差與兩電容之和的比值作為輸出量，即式中k2為系數(shù)，k2=1/d0,位移△d0與差壓△P之間的關(guān)系為d0=k1△P,則式(8-5)即為電容式變送器測量部分的輸入量與輸出量之間的線性特性表達(dá)式。由此式可得出如下結(jié)論：①當(dāng)為常數(shù)時，（C1-C2）/（C1+C2）之比值與被測壓差成線性關(guān)系；②（C1-C2）/（C1+C2）之比值與介電常數(shù)ε無關(guān)，即從設(shè)計原理上消除了介電常數(shù)隨溫度變化給測量帶來的誤差；③若設(shè)計一種轉(zhuǎn)換電路，使其輸出電流I0=K3（C1-C2）/（C1+C2），I0就與被測差壓成正比關(guān)系；④如果電容極板的結(jié)構(gòu)完全對稱，則可以得到良好的穩(wěn)定性；⑤在上述分析中，沒有考慮分布電容的影響。若考慮分布電容的存在，則測量部分的電容比值為(8-6)比較式(8-6)和式(8-5)后可知，分布電容的影響將造成非線性誤差。為了使變送器最終獲得高于0.25級的準(zhǔn)確度級，需在轉(zhuǎn)換電路中設(shè)置線性調(diào)整環(huán)節(jié)。實測和計算均表明球面-平面型電容器有類似或接近平行板電容器的特性。測量部分大約有150pF的電容量輸出。轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路的作用是將測量部分的線性化輸出信號轉(zhuǎn)換成4～20mA，DC統(tǒng)一信號，并送至負(fù)載。此外，它還實現(xiàn)整機的零點調(diào)整、量程調(diào)整、正負(fù)遷移、線性調(diào)整及阻尼調(diào)整等功能。1151系列電容式變送器的輸出類型：S型:4-20mA/數(shù)字，智能/阻尼可調(diào)；E型:4-20mA，線性，模擬/阻尼可調(diào)；G型:10-50mA，線性，模擬/阻尼可調(diào)；J型:4-20mA，平方根，模擬/阻尼可調(diào)；L型:0.8-3.2V，線性，低功耗/固定阻尼；M型:1-5V，線性，低功耗/固定阻尼轉(zhuǎn)換電路共有三種類型，即E型(普通型)、J型(用于流量測量)、F型(用于微壓差測量)。四、校驗調(diào)整㈠主要性能

1151系列共有各種測量范圍的差壓、壓力、絕壓、流量、遠(yuǎn)傳差壓、遠(yuǎn)傳壓力等10個品種的儀表。變送器的基本精度為±0.25～±0.35％；測量范圍：最小差壓0～1.3kPa，最大差壓0～6.89MPa；最小壓力0～1.3kPa，最大壓力0～41.37MPa；量程比：6。㈡接線1151變送器為二線制儀表，電源、信號合用兩根導(dǎo)線，電源、信號端子位于電氣殼體內(nèi)的接線側(cè)。接線時，將標(biāo)有“接線側(cè)”那邊的蓋子擰開，上部標(biāo)有SIGNAL(信號)的兩個端子接電源，下部標(biāo)有TEST(測試)的兩個端子接內(nèi)阻小于10Ω的電流表，也可不接。不要將電源接到測試端子，否則會燒壞二極管，為防止二極管燒壞，使變送器繼續(xù)工作，可以將兩個測試端子短接．但電源極性不能再接反。

圖8-5為儀表校驗時的接線圖。

電源一般為24VDC，但可以在12～45VDC范圍內(nèi)改變。如果是12V供電，則不能帶負(fù)載，否則便不能正常工作；如果是45V供電，則可以帶1650Ω的負(fù)載。電源電壓不能超過45V，超過了會損壞電路。當(dāng)供電24V，負(fù)載為500Ω時，此時讀數(shù)靈敏度最高。

輸出信號的測量可以用電流表，也可以用數(shù)字電壓表，一般用電壓表，因為如果用電流表，萬一接線錯誤容易把電流表燒壞。用電壓表時，則要在回路內(nèi)串接一個250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻R，然后再把電壓表接在電阻兩端，測出電壓后再算出電流值。

電源電壓不能超過45VDC，超過了會損壞電路。當(dāng)供電24VDC，負(fù)載為500Ω時，此時讀數(shù)靈敏度最高。(1-7)輸出信號的測量可以用電流表，也可以用數(shù)字電壓表，一般用電壓表，因為如果用電流表，萬一接線錯誤容易把電流表燒壞。用電壓表時，則要在回路內(nèi)串一個250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻R，然后再把電壓表接在電阻兩端，測出電壓后再算出電流值。（若電壓為3V,電流是多少mA？）㈢校驗調(diào)整按圖8-5所示的校驗線路圖接好線，經(jīng)檢查變送器的校驗方法和一般儀表的校驗方法一樣，從引壓口通入信號壓力．讀出儀表示值，然后算出儀表的誤差與回差，并確定合格與否。當(dāng)信號壓力為測量范圍下限時，輸出為4mA，不對時，調(diào)零點螺釘；當(dāng)信號壓力為測量范圍上限時，輸出為20mA，否則調(diào)量程螺釘。零點和量程要反復(fù)調(diào)，直到合格為止。量程、零點調(diào)好以后，再將量程壓力分為4檔或5檔，讀出相應(yīng)的儀表示值。由于1151變送器是位移平衡儀表，所以不能只校正O％、50％、100％三點。如線性不合格，則還要調(diào)線性調(diào)整器。1零點和量程調(diào)整。儀表的零點和量程調(diào)整螺釘位于電氣殼體的銘牌后面。零點螺釘在上面標(biāo)有字母Z；量程螺釘在下方，標(biāo)有字母R，移開銘牌即可進行調(diào)校(見后圖)。調(diào)零點時，量程不受影響，但量程調(diào)整會影響零點，影響零點的量為量程調(diào)整量的1／5。為了補償這個影響，最簡單的方法是超調(diào)25％。例如要求某變送器的使用范圍為0～15．2kPa，現(xiàn)在的情況是：0輸入時，輸出4mA；15.2kPa輸入時，輸出19.8mA。這時可以調(diào)量程，使輸出為19.8+(20.0-19.8)×1.25=20.05(mA)。即比實際量程多調(diào)了0.05mA，它正好為量程增加量(20.05-19.8)=0.25(mA)的1／5，這樣再把零點調(diào)至4mA，量程也就正確了。零點和量程調(diào)整中，有機械間隙，改變調(diào)整方向時會出現(xiàn)死區(qū)。對于機械間隙，最簡的辦法是反向調(diào)整之前要有意超調(diào)。2正、負(fù)零點遷移。變送器的正、負(fù)零點遷移，實際上也是調(diào)零點，只是調(diào)整的范圍很寬。零點正、負(fù)遷移的調(diào)整方法是改變接插件位置，它在放大板元件一面。遷移時先把儀表的電源停掉，把板拔下來，然后再改變接插件位置。變送器遷移插座共有三個位置，中間位置為無遷移，插在字母“E”處為負(fù)遷移，插在字母“S”處為正遷移。線性、阻尼調(diào)整。儀表出廠以前，制造廠已把線性調(diào)整在最佳位置，所以用戶不要輕易去調(diào)它。

調(diào)整零點和進行零點遷移對量程沒有影響，但調(diào)整量程則會影響零點，無零點遷移時影響較小?，F(xiàn)用1151變送器測量汽包的液位，如圖所示。已知d=2m;h=0.25m;l=1.5m;ρ=900kg/m3;ρ0=1000kg/m3.試求：（１）液位分別為０％和１００％時的差壓值？（２）若h升高，△P增大，且1151的正壓側(cè)接汽包，負(fù)壓側(cè)接平衡容器，應(yīng)采用何種遷移？零點遷移量為多少？（3）變送器的量程是多少？HL100%0%lρρ0hd解：（1）0%水位的差壓值ΔP0=PH–PL=ρ0gd-ρ0gh=17395Pa100%水位的差壓值ΔP100=PH–PL

=ρ0gd-ρg(h+l)=4165Pa（2）零點遷移量為17395Pa，負(fù)遷。（3）量程為：ΔP=∣ΔP100–ΔP0∣=13230Pa練習(xí)及思考題

(1)1151系列電容式變送器的測量部分在整機中起什么作用?(2)1151系列電容式變送器的測量部分的輸出為什么要采用(C1-C2)/(C1+C2)信號?(3)1151系列電容式變送器的E型轉(zhuǎn)換電路由哪幾部分組成?各部分的作用是什么?(4)1151系列電容式變送器中設(shè)置了哪些調(diào)整環(huán)節(jié)?它們各調(diào)整變送器的什么特性?(5)115l系列電容式變送器的電源電壓為什么要根據(jù)外接負(fù)載電阻的大小來選取?(6)1151系列電容式變送器在調(diào)量程時會影響零位嗎?而調(diào)零位時對量程有影響嗎?

有一儲油罐如圖所示，現(xiàn)采用1151系列差壓變送器測量罐內(nèi)的液位。罐內(nèi)液體介質(zhì)的密度ρ1=1200kg／m3，變送器的負(fù)壓室充水，水的密度ρ2=1000kg／m3。圖中：a=2m，b=2.5m，C=5m。試求：①變送器的零點遷移量為多少?應(yīng)采用何種遷移(正向或負(fù)向)?②變送器的測量范圍是多少?③若按上述遷移量和測量范圍調(diào)校好儀表后，假定在初步試運行時，罐內(nèi)液體介質(zhì)為水，變送器負(fù)壓室仍充水，這時變送器輸出指示值L1=50％，其罐內(nèi)實際水位L2=?(%)。選擇不同測量范圍的1151差壓變送器是由于其測量膜片的①厚度不同；②材料不同；③直徑不同。答案①填空①1151差壓變送器采用可變電容作為敏感元件，當(dāng)差壓增加時，測量膜片發(fā)生位移，于是低壓側(cè)的電容量（增加），高壓側(cè)的電容量（減少）。②1151差壓變送器的測量范圍最小時（0～1.3KPa），最大是（0～6890KPa）。③在1151差壓變送器的最小調(diào)校量程使用時，則最大的負(fù)遷移為量程的（600%），最大的正遷移為量程的（500%）。如果1151差壓變送器的最大調(diào)校量程使用時，則最大的負(fù)遷移為量程的（100%），最大的正遷移為量程的（0%）。由C=εA/d可知，電容C與位移d成反比。但是，為什么電容之差和電容之和的比則與位移的變化成線性關(guān)系呢？試證明之。選擇如把1151的電源極性接反，則儀表①燒壞；②沒有輸出；③輸出跑最大。答案②圖示的接線方法那個是正確的？變送器+--++-電流表直流電源變送器+--++-電流表直流電源1151壓力變送器的材料范圍原為0～100KPa，現(xiàn)零位遷移100%，求①儀表的測量范圍。②儀表的量程。③輸入100、150、200KPa時，儀表的輸出為多少mA。①儀表的測量范圍變?yōu)?00～200KPa。②儀表的量程是200-100=100KPa。③輸入100、150、200KPa時，儀表的輸出為4、12、20mA.有人在校驗1151AP絕對壓力變送器時，發(fā)現(xiàn)只要通上電源，儀表就有12mA輸出。這種現(xiàn)象正常嗎（如果儀表的測量范圍為50～150KPa絕壓，當(dāng)時的大氣壓為100KPa）？答絕對壓力變送器測的是絕對壓力，該儀表的測量范圍為50～150KPa，也就是說：輸入50KPa絕壓時儀表輸出4mA;輸入150KPa絕壓時儀表輸出20mA。儀表在大氣壓力作用下，即輸入的是大氣壓力100KPa，儀表的輸出為現(xiàn)儀表輸出正好為12mA，所以是正常的。第二節(jié)擴散硅壓力變送器單晶硅是接受壓力的理想材料。它具有很多優(yōu)良的機械、物理性能。其材質(zhì)純，功耗小，滯后和蠕變極小，機械穩(wěn)定性好。另外，單晶硅傳感器的制造工藝與硅集成電路工藝有很好的兼容性，擴散硅壓阻式壓力傳感器就是其中的一種。擴散硅壓力變送器主要由壓阻式壓力傳感器和變送器電路兩部分組成。⒈壓阻式壓力傳感器當(dāng)壓力作用到半導(dǎo)體材料上，除會產(chǎn)生形變外，材料的電阻率亦隨之而變。這種由于壓力作用而使材料電阻率改變的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。能產(chǎn)生明顯的壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體材料很多，其中半導(dǎo)體單晶硅的性能最為優(yōu)良。通過擴散雜質(zhì)使其形成四個P型電阻，并組成電橋。當(dāng)膜片受力后，由于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，電阻阻值發(fā)生變化，使電橋有相應(yīng)的輸出。壓阻式壓力傳感器由外殼、硅杯和引線組成，如圖8-9所示。圖中：1為高壓引壓口Pl；2為低壓引壓口P2；3為硅杯；4為單晶硅膜片；5為擴散型應(yīng)變片（電阻）；6為擴散電阻引線；7為電極及引線；8為玻璃粘接劑；9為玻璃基板；10為端子。壓阻式壓力傳感器核心部分是一塊方形的硅膜片，如圖8-9(b)所示。在硅膜片上，利用集成電路工藝制作了四個阻值相等的電阻。圖中虛線圓內(nèi)是承受壓力區(qū)域，靠近虛線圓心的兩個電阻受拉應(yīng)力，其阻值隨應(yīng)力增大而增大；靠近虛線圓邊緣的兩個電阻受壓應(yīng)力，其阻值隨應(yīng)力增大而減小。即R2、R4所感受的是正應(yīng)變(拉應(yīng)變)，R1、R3所感受的是負(fù)應(yīng)變(壓應(yīng)變)。應(yīng)力是材料抵抗破壞的能力，應(yīng)變是材料抵抗變形的能力，兩者是有區(qū)別的。四個電阻之間用面積較大、阻值較小的擴散電阻引線連接，構(gòu)成一個電橋。

硅片的表面用Si02薄膜加以保護，并用鋁質(zhì)導(dǎo)線做電橋的引線。因為硅膜片底部被加工成中間薄(用于產(chǎn)生應(yīng)變)、周邊厚(起支撐作用)，所以又稱為硅杯，如圖8-9(c)所示。將硅杯和玻璃基板在高溫下用玻璃粘接劑粘貼在一起，并緊密地安裝在殼體中，這樣就制成了壓阻式(也叫擴散硅式或固體器件式)壓力傳感器。當(dāng)硅杯兩側(cè)存在壓力差時(P1≠P2)，硅膜片產(chǎn)生變形，四個應(yīng)變電阻在應(yīng)力的作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡。按照不平衡電橋的工作方式，輸出的電壓與膜片兩側(cè)的壓差△P成正比，即

當(dāng)引壓口向大氣敞開時，輸出電壓對應(yīng)于“表壓”，即

當(dāng)引壓口處于絕對真空時，輸出電壓對應(yīng)于“絕對壓力”，即

壓阻式壓力傳感器與其他形式的壓力傳感器相比有許多突出的優(yōu)點。由于四個應(yīng)變電阻是直接制作在同一硅片上，所以工藝一致性好，溫度引起的電阻值漂移能互相抵消。由于半導(dǎo)體壓阻系數(shù)很高，所以構(gòu)成的壓力傳感器靈敏度高，輸出信號大。又由于硅膜片本身就是很好的彈性元件，而四個擴散型應(yīng)變電阻又直接制作在硅片上，所以遲滯、蠕變都非常小，動態(tài)響應(yīng)快。擴散硅的制造容易受到各種因素的影響，它對溫度和靜壓的變化非常敏感，并且是非線性的關(guān)系，從而造成傳感器的特性有大的離散性，同一批號中的各個傳感器特性也會出現(xiàn)較大差異。但隨著計算機的發(fā)展，儀表內(nèi)的微處理機可以對擴散硅傳感器的離散性和非線性進行很好的補償，從而使擴散硅傳感器在HART儀表和現(xiàn)場總線儀表中的應(yīng)用開始增多。目前廠商提供的壓阻式傳感器的種類很多，外殼材料有尼龍、陶瓷、不銹鋼等。封裝結(jié)構(gòu)有雙列直插，表面安裝，印刷電路板及隔離膜等，壓力接口有導(dǎo)管及螺紋連接。

2．變送器電路變送器電路的作用是將橋路輸出的毫伏信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號。對于二線制4～20mA電流型變送器，要求采用低功耗的元器件。整個變送器電路的起始電流消耗在4mA之內(nèi)。另外變送器電路的器件質(zhì)量，如溫漂、時漂，抗共模干擾能力，噪聲指標(biāo)等會直接影響到變送器的測量精度。擴散硅壓力變送器在國內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用。由于固體傳感器理論及加工工藝的不斷發(fā)展，還會有新的變送器問世。第三節(jié)一體化溫度變送器在火電廠應(yīng)用DCS后，由于DCS有專門配接熱電偶和熱電阻的輸入模板（卡件），使溫度變送器的用量大幅度減少，而且模擬溫度變送器也逐漸被淘汰，因此，對模擬溫度變送器，本章只介紹小巧玲瓏的一體化溫度變送器。一體化溫度變送器是電子技術(shù)與集成電路技術(shù)的產(chǎn)物，是溫度傳感元件與變送器電路在空間緊密連接的產(chǎn)品。由于變送器模塊體積小(約以內(nèi))，它可直接安裝在常規(guī)熱電偶或熱電阻的接線盒中，它作為一種新型結(jié)構(gòu)的溫度變送器已應(yīng)用在工業(yè)各領(lǐng)域。目前市場上該產(chǎn)品種類較多，輸出有非線性和線性兩種，輸出信號為4～20mA或O～10mA，供電電壓為24VDC。變送器模塊一般以專用集成芯片為主，外加少量器件，由于一體化的結(jié)構(gòu)，變送器模塊有時往往置于較高的環(huán)境溫度下，因而一體化溫度變送器電路對環(huán)境溫度要求較高，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為-40～+85℃，有些產(chǎn)品上限環(huán)境溫度可擴展到+110℃。目前市場上還出現(xiàn)體積更小的一體化溫度變送器，其溫度傳感器采用半導(dǎo)體材料，其測溫范圍和精度受到一定的限制。變送器模塊微型化，利于做成一體化隔爆型溫度變送器。一、一體化熱電偶溫度變送器一體化熱電偶溫度變送器是國內(nèi)新一代超小型溫度檢測儀表。它主要由熱電偶和熱電偶溫度變送器模塊組成，可用以對各種液體、氣體、固體的溫度進行檢測，應(yīng)用于溫度的自動檢測、控制的各個領(lǐng)域，也適用于各種儀器以及計算機系統(tǒng)的配套使用。一體化溫度變送器的特點是將傳感器(熱電偶)與變送器綜合為一體。變送器的作用是對傳感器輸出的溫度變化信號進行處理，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號輸出，送到顯示、運算、控制等單元，以實現(xiàn)動檢測和控制。一體化熱電偶溫度變送器的變送模塊，對熱電偶輸出的熱電勢經(jīng)濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換等電路處理后，變換成與溫度成線性關(guān)系的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。它的原理框圖如圖8-10所示。一體化熱電偶溫度變送器的變送單元置于熱電偶的接線盒里，取代接線座。安裝后的一體化熱電偶溫度送器的外觀結(jié)構(gòu)如圖8-11所示。圖中：1為變送器模塊；2為穿線孔；3為接線盒；4為進線孔；5為固定裝