讲得最透彻的电容式差压变送器原理(带图)

第六节电容式差压变送器一、有关变送器的常识变送器是现场仪表，其输出信号送至控制室中，而它的供电又来自控制室。变送器的信号传送和供电方式通常有如下两种：1四线制传输供电电源和输出信号分别用两根导线传输，如右图所示。图中的变送器称为四线制变送器。电源装置接收仪表变送器现场控制室四线传输由于电源与信号分别传送，因此对电流信号的零点及元器件的功耗无严格要求。在该传输方式中，若变送器的一个输出端与电源装置的负端相连，也就成了三线制传输。2两线制传输变送器与控制室之间仅用两根导线传输。这两根导线既是电源线，又是信号线，如右图所示。图中的变送器称为两线制变送器。电源装置接收仪表变送器现场控制室两线传输R采用两线制变送器不仅可节省大量电缆线和安装费用，而且有利于安全防爆。因此这种变送器得到了较快的发展。要实现两线制变送器，必须采用活零点的电流信号。由于电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。因此，信号电流的下限值不能过低。国际统一电流信号采用4~2OmA(DC)，为制作两线制变送器创造了条件。许多模拟变送器的构成方框图见右图，它包括测量部分（即输入转换部分）、放大器和反馈部分。测量部分用以检测被测参数x,并将其转换成能被放大器接受的输入信号zi(电压、电流、位移、作用力或力矩等信号)。反馈部分则把变送器的输出信号y转换成反馈信号zf，再回送至输入端。zi与调零信号z0的代数和同反馈信号zf进行比较，其差值送入放大器进放大，并转换成标准输出信号y。调零零点迁移测量部分C放大器K反馈部分Fyzi+z0_zfX3许多模拟变送器的构成原理由下图可以求得变送器输出与输入之间的关系为:式中，K—放大器的放大系数；F—反馈部分的反馈系数；C—测量部分的转换系数。当满足深度负反馈的条件，即KFl时，上式变为:上式表明，在KFl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C和反馈系数F是常数，则变送器的输出与输入将保持良好的线性关系。FZCXY0KFZCXKY1)(0变送器的输入输出特性示于右图，xmax和xmin分别为被测参数的上限值和下限值，也即变送器测量范围的上、下限值(图中xmin=0),ymax和ymin分别为输出信号的上限值和下限值。它们与统一标准信号的上、下限值相对应。4量程调整、零点调整和零点迁移变送器涉及的另一个共性问题是量程、零点调整和零点迁移。0xminXmaxyminymaxyx(1)量程调整量程调整(即满度调整)的目的是使变送器输出信号的上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。即当x=xmax时，使y=ymax。量程调整通常是通过改变反馈系数F的大小来实现的。F大，量程就大；F小，量程就小。有些变送器还可以通过改变转换系数C来调整量程。yymaxymin0xmaxxxmax(2)零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移的目的，都是使变送器输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。即当x=xmin时，使y=ymin。在xmin=0时，为零点调整,在xmin不等于时，为零点迁移。也就是说，零点调整使变送器的测量起始点为零，而零点迁移则是把测量起始点由零迁移到某一数值(正值或负值)。当测量起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量起始点由零变为某一负值，称为负迁移。变送器零点调整和零点迁移可通过改变调零信号z0的大小来实现。当z0为负时可实现正迁移；而当z0为正时则可实现负迁移。二、电容式差压变送器(见教材P142～P146)电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器，它采用差动电容作为检测元件，整个变送器无机械传动、调整装置，并且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构，因此仪表结构简单，性能稳定、可靠，且具有较高的精度。一个典型的变送器的主要性能指标如下：（1）基本误差有0.25%，0.35%，0.5%三种；（2）输出信号4~20mA(DC)(两线制)（3）负载电阻0~600（在24V(DC)供电时），0~1650（在45V(DC)供电时）。（4）电源电压12~45V(DC),一般为24V(DC)。高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置各种电容式压力变送器外形图各种电容式压力变送器外形图法兰各种电容式压力变送器外形图变送器包括测量部分和转换放大电路两部分，其构成方框如图所示。输入差压pi作用于测量部分的感压膜片，使其产生位移，从而使感压膜片（即可动电极）与两固定电极所组成的差动电容器之电容量发生变化。此电容变化量由电容—电流转换电路转换成电流信号，电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较，其差值送入放大电路，经放大得到整机的输出电流I0。调零零点迁移电容-电流转换电路放大和输出限制电路反馈电路_+电源信号反馈信号电容变化差动电容感压膜片位移测量部分转换放大部分电容式差压变送器构成方框图IoΔPi（一）测量部分（部件）测量部分的作用是把被测差压pi转换成电容量的变化。它由正、负压测量室和差动电容检测元件（膜盒）等部分组成，其结构如图所示。差动电容检测元件包括中心感压膜片11，(即可动电极)，正、负压侧弧形电极12、10（即固动电极)，电极引线1、2、3，正、负压侧隔离膜片14、8和基座13、9等。在检测元件的空腔内充有硅油，用以传递压力。感压膜片和其两边的正·负压侧弧形电极形成电容Ci1和Ci2。无差压输入时，Ci1=Ci2，其电容量约为150~17OpF。电容式差压变送器测量部件1-隔离膜片；2，7-固定弧形电极；3-硅油；4-测量膜片；5-玻璃层；6-底座当被测差压pi通过正、负压侧导压口引入正、负压室，作用于正、负压侧隔离膜片上时，迫使硅油向右移动，将压力传递到中心感压膜片的两侧，使膜片向右产生微小位移S，如图所示。输入差压pi与中心感压膜片位移S的关系可表示为：S=K1pi式中Kl为由膜片材料特性和结构参数所确定的系数。Ci1S0S1S2S0SCi2差动电容变化示意图设中心感压膜片与两边固定电极之间的距离分别为S1和S2。当被测差压pi=0时，中心感压膜片与两边固定电极之间的距离相等。设其间距为SO，则S1=S2=S0。当被测差压pi不等于0时，中心感压膜片产生位移S。此时有：S1=S0+S，S2=S0-S若不考虑边缘电场的影响，感压膜片与两边固定电极构成的电容Ci1和Ci2，可近似地看成是平板电容器。其电容量分别为：Ci1=A/(S0+S)Ci2=A/(S0-S)式中为极板间介质的介电常数；A为固定极板的面积。经过数学推导得出：(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)=S/S0=K2SK2=1/S0上式表明：(a)差动电容的相对变化量(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)与S成线性关系，因此转换放大部分应将这一相对变化值变换为直流电流信号。(b)(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)与介电常数无关。这一点非常重要，因为是随温度变化的，现不出现在式中，无疑可大大减小温度对变送器的影响。(c)(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)与S0有关。S0愈小，差动电容的相对变化量愈大，即灵敏度愈高。(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)=K1K2pi应当指出，在上述的讨论中，并没有考虑到分布电容的影响。事实上，由于分布的电容C0的存在，差动电容的相对变化量变为：分布电容的存在将会给变送器带来非线性误差，为了保证仪表的精度，应在转换电路中加以克服。2010212010210()()()()2iiiiiiiiCCCCCCCCCCCCC（二）转换和放大电路转换和放大电路的作用是将上述差动电容的相对变化转换成标准的电流输出信号。此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。其原理框图如下页图所示。转换放大电路原理框图振荡器解调器稳压源基准电压调零及零点迁移前置放大器功放和输出限制量程调整(负反馈)IC1IC3+-+-RL12-45VIo4-20mACi1Ci2E差动信号信号共模-该电路包括电容-电流转换电路及放大电路两部分。它们分别由振荡器、解调器、振荡控制放大器以及前置放大器、调零与零点迁移电路、量程调整电路(负反馈电路)、功放与输出限制电路等组成。差动电容器Ci1、Ci2由振荡器供电，经解调(即相敏整流)后，输出两组电流信号：一组为差动信号；另一组为共模信号。差动信号随输入差压pi而变化，此信号与调零及调量程信号(即反馈信号)迭加后送入运算放大器IC3,再经功放和限流得到4~2OmA的输出电流。共模信号与基准电压进行比较，其差值经IC1放大后，去作为振荡器的供电，从而使共模信号保持不变。下面的分析将证实，当共模信号为常数时，能保证差动信号与输入差压之间成单一的比例关系。转换放大部分的完整电路图最后给出。1、电容—电流转换电路电容-电流转换电路的功能是将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号(即电流变化值)。(1)振荡器振荡器用来向差动电容Ci1、Ci2提供高频电流，它由晶体管BG1、变压器T1及一些电阻、电容组成。振荡器电路如右图所示。在电路设计时，只要适当选择电路元件的参数，便可满足振荡条件。Vo1BG1R29R30C19C20T16957振荡器原理图(2)解调和振荡控制电路这部分电路包括解调器和振荡控制放大器。前者主要由二极管D1~D8构成，后者即为集成运算放大器IC1。电路原理见下页图。振荡器由放大器IC1的输出电压Vo1供电，从而使IC1能控制振荡器的输出幅度。解调和振荡控制电路图i2i1IC1C8R6R7R8R9Vi1Vi2I2I1I2C11RiI2I1VRC17D1D2D3D4D5D6D7D8Ci1Ci2T1振荡器123101112Vo1+-I1图中Ri为并在电容C11两端的等效电阻。VR是运算放大器IC2的输出电压。由电路总图可知，此电压是稳定不变的，它作为IC1输入端的基准电压源。IC1的输出电压Vo1作为振荡器的电源电压。变压器T1的三个绕组(L1-12、L2-11、L3-10)分别与一些二极管和差动电容串接在电路中。由于差动电容器的容量很小，其值远远小于C11和C17,因此在振荡器输出幅度恒定的情况下，通过Ci1和Ci2的电流的大小，主要取决于这两个电容的容量。（i）解调器它用于对差动电容Ci1和Ci2的高频电流进行半波整流。当振荡器输出为负半周时，即同名端为负时，D1、D5和D4、D8导通而D2、D6和D3、D7截止，线圈L1-12产生的电压经如下路径形成电流i2:L2-11D2、D6Ci2C17RiC11L2-11当振荡器输出为正半周时，即同名端为正时，D2、D6和D3、D7导通而D1、D5和D4、D8截止，线圈L2-11产生的电压经如下路径形成电流i2：L3-10D3、D7Ci1C17R6R8L3-10同时线圈L3-10产生的电压经如下路径形成电流i1:L1-12R7R9C17Ci2D1、D5L1-12L2-11RiC11C17Ci1D4、D8L2-11同时线圈L2-11产生的电压经如下路径形成电流i1:IC1C8R6R7R8R9Vi1Vi2I2I1I2C11RiI2I1VRC17D1D2D3D4D5D6D7D8Ci1Ci2T1振荡器123101112Vo1+-i2Ttttt0T2Tt0T2Tt0TT/23T/2T/23T/2T2T流过Ri||C11的i1流过R6||R8的i10T2T002T流过Ri||C11的i2TT/23T/2流过R7||R9的i23T/2TT/2i1根据电路条件，差动电容的电容量很小，即它们的阻抗较大，其它电阻和电容的阻抗相对来说可忽略不计。设线圈L2-11、L3-10、L1-12电压的峰值为Um，通过Ci1和Ci2的电流的峰值分别为ICi2、ICi1：半波整流的平均电流公式为I整=KIm=Im/ICi2=