控制仪表及装置第二章(李忠虎)

1《控制仪表及装置》第二章变送器和转换器2内容安排第一节变送器的构成第二节差压变送器第三节温度变送器第四节电/气转换器3第一节变送器的构成一、构成原理0()1KyCxzKF01()yCxzF1KF变送器的构成原理和输入输出特性yxymaxxmaxxminymin0测量部分C放大器K反馈部分F调零、零点迁移ZiZfZ0yx信号处理部分4二、量程调整、零点调整和零点迁移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y与输入信号x之间的比例系数。量程调整（即满度调整）的目的是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。方法：改变反馈部分反馈系数改变测量部分转换系数5零点调整使变送器测量起始点为零；零点迁移是把测量起始点由零迁移到某一数值。当测量起始点由零变为某一正值，称正迁移；而由零变为某一负值，称为负迁移。零点调整和零点迁移都是使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin≠0时，称为零点迁移。实现方法：改变调零信号Z06第二节差压变送器作用：用来将压力、差压、流量、液位等被测参数转换为统一标准的信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。应用：压力变送器显示、记录或控制配电器测压力：差压变送器配电器显示、记录控制开方器测流量：H＋－通大气测液位：7一、力平衡式差压变送器测量部分杠杠系统位移检测放大器电磁反馈机构系统piFiFfI0变送器构成方框图力平衡式差压变送器电容式差压变送器扩散硅式差压变送器89作用：把被测差压ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi1.测量部分10作用：进行力的传递和力矩比较。2.杠杆系统113.电磁反馈装置作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff124.低频位移检测放大器作用：把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S转换成4~20mA的直流输出电流。组成：由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率放大器组成。13差动变压器BD上罐形磁芯下罐形磁芯AC检测片差动变压器的结构S差动变压器原理图14（一）概述二、电容式差压变送器检测元件－差动电容构成原理－位移平衡式变送器构成方框图感压膜片差动电容电容-电流转换电路放大和输出限制电路反馈电路调零、迁移信号＋－反馈信号iPS2121iiiiCCCC21II0I15（二）测量部件作用：iP2121iiiiCCCCi1i20CC时，iPi1i10CC时，电容量减小，电容量增大iP测量部件结构162100221000[1/()1/()][1/()1/()]iiiiCCASSSSSKSCCASSSSS1iSKP2121221iiiiiCCKSKKPCC11110iAACSSS22220iAACSSS结论：1212iiiiCCCC(1)相对变化值与被测差压成线性关系。iP(2)与介电常数无关,可大大减小温度对变送器的影响。(3)与有关。愈小，灵敏度越高。0S0S17（三）转换放大电路作用：将差动电容的相对变化值，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。电路包括电容－电流转换电路及放大电路两部分18转换放大部分电路原理方框图＋－E12～45V振荡器解调器稳压源调零及零点迁移功放和输出限制量程调整（负反馈）基准电压IC1IC3Ci1Ci2RLI04～20mA共模信号－－＋差动信号振荡控制放大器前置放大器191.电容－电流转换电路⑴振荡器包括VT1、T1等，向Ci1和Ci2提供高频电源作用：将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号(电流变化值)。是一种变压器反馈型振荡电路，其振荡频率由检测电容和变压器次级绕组的电感决定。振荡器的输出幅值由控制放大器IC1的输出电压决定。20⑵解调和振荡控制电路只要设法使I1+I2保持不变，即可实现电流信号Ii与电容相对变化值成线性关系。Ii=I2-I1=(I2+I1)Ci2-Ci1Ci2+Ci1=K3Ci2-Ci1Ci2+Ci1①解调器由VD1～VD8构成②振荡控制放大器主要包括放大器IC1，其作用是保持I1+I2不变21⑶线性调整电路(包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等)检测元件中分布电容的存在，使差动电容的相对变化值减小，造成非线性误差，故设计了线形调整电路。电路通过提高振荡器输出电压幅度以增大解调器输出电流的方法，来补偿分布电容所产生的非线性误差。补偿电压大小取决于RP1的阻值。222.放大及输出限制电路作用：将电流信号Ii放大，并输出4~20mA的直流电流。23⑴放大电路(包括IC3、VT3、VT4等)IC3起前置放大作用，VT3、VT4组成复合管，将IC3的输出电压变换为变送器的输出电流。电阻R31、R33、R34和电位器Rp3组成反馈网络，输出电流Io经这一网络分流，得到反馈电流If，送至放大器的输入端，这深度负反馈保证了Ii和Io的线性关系。电位器Rp2用以调整输出零位。S为正负迁移调整开关，可实现变送器的正向或负向迁移。电位器Rp3用以调整变送器的量程。对电路的分析，可推得如下的输入、输出关系式：24调零电路调量程电路Io=K3K4Ci2-Ci1Ci2+Ci1+K4K5(UA-aUVZ1)式中：K4=RiRf，K5=1Ri，、a为分压系数。25⑵输出限制电路(包括VT2、R18等)当输出电流超过允许值时，R18上压降变大，使VT2的集电极电位降低，从而使该管处于饱和状态，流过VT2(也即VT4)的电流受到限制(Io不超过30mA)。其它元件的作用R38、R39、C22和RP4构成阻尼电路，抑制变送器的输出波动，RP4用来调整阻尼时间。VZ2起稳压作用，还可防止电源反接时损坏器件。VD12在指示仪表未接同时，为输出电流提供通路,同时起反向保护作用。26三、扩散硅电子式差压（压力）变送器扩散硅电子式差压（压力）变送器采用硅杯压阻传感器作为感压元件，它具有体积小、重量轻、结构简单、稳定性好和测量精度比较高等特点。这种变送器的感压元件由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成，如图所示的硅杯。当p1≠p2时，硅杯杯底受侧向压力差作用而向一侧弯曲，这就使在杯底表面扩散的电阻阻值发生变化，这些电阻阻值变化再通过电桥等电路的进一步处理，最终将待测压力或差压转换为标准信号（4～20mADC）输出。1—外壳；2—低压腔；3—电阻（扩散硅）；4—高压腔；5—硅杯；6—引线27PKRUUSZS41SWURRRU)21(1580119010RUI2829扩散硅压阻传感器RRRRR4321设：RRRRR4321)(2133RRIUSS)(2144RRISRIUSSPKISS30第三节温度变送器作用:将来自热电偶或热电阻的温度信号转换为统一标准的信号(420mADC或15VDC)，以实现对温度的显示、记录或自动控制。分类：变送器有两线制和四线制之分，主要讨论四线制变送器。有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热电阻温度变送器。温度变送器显示、记录或控制电源热电阻热电偶毫伏信号420mADC或15VDC电阻或mV24VDC31四线制温度变送器的特点：1、在热电偶和热电阻温度变送器中，采用了线性化电路，实现了变送器输出信号与温度的线性关系。2、变送器输入、输出之间具有隔离变压器，并且采取了本安防爆措施。一、四线制温度变送器（一）概述电动温度变送器32温度变送器结构方框图在线路结构上分为量程单元和放大单元，放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。输入回路电压放大反馈回路直流-交流变换器功率放大整流滤波隔离输出U’ZU’fUi、Et-+UoIo量程单元放大单元33（二）放大单元由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的运算放大器。（参见P73～75图）1.电压放大电路作用：是将量程单元输出的毫伏信号放大，输出直流电流Io和直流电压Uo信号。0.3/osVVct当温度变送器的最小量程Ui为3mV，温升t为30oC，要求附加误差小于等于0.3%时，通过计算可得失调电压的温漂系数：342.功率放大电路由VT1、VT2、T0等组成。其作用是把IC1输出的电压信号转换成电流信号，再通过隔离变压器实现隔离输出。VT1、VT2起功放作用，由交流方波电压供电。在方波的前后半周期，二极管轮流导通，电流通过T0的两个绕组而产生交变磁通，在T0副边产生交变电流iL。353.隔离输出电路由整流二极管VD13～VD16、保护二极管VD17～VD18等组成。其作用是将功放输出的交流信号转换成直流信号,并实现隔离输出。7、8端接输出负载，为电流输出（4-20mA）5、6端为电压输出（1-5V）7364.直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器组成：由整流二极管VD3~8、变压器T1等组成。（P73～75）方法：先把24V直流电压转换成一定频率的的交流方波电压，再经过整流、滤波和稳压，提供直流电压。电路核心：直流-交流(DC/AC)变换器（实质上是一个磁耦合多谐振荡器）。振荡频率：可求得感应电势：ES=4WcBmST因此振荡频率为：f=4WcBmST(T为周期,S为磁芯截面积，Bm为磁感应强度)作用：是对仪表进行隔离式供电。37（三）直流毫伏变送器量程单元R109R110R140上K下量程单元由输入回路(左半部分)和反馈回路(右半部分)组成，将其与IC1联系起来画成下图。38输入回路:R101、R102及VZ101、VZ102分别起限流和限压作用。R103、R104、R105及RP1组成零点调整和零点迁移电路，桥路基准电压UZ由集成稳压器提供。图中红笔部分为输入信号断路报警电路。按叠加原理，IC1同相输入端的电压UT为UT=Ui+Uz’=Ui+Rcd+R103R103+RP1//R104+R105Uz(式中Rcd=RP11R104RP1+R104Ui+R105Rcd+R103Uz=Ui+Uz)39从反馈回路可得IC1反相输入端的电压UF为UF=R106+R111+RP21R111+R114UzR115R115+R116U05+R106R107=1U0+Uz因UTUF故U0=[Ui+(-)Uz]结论：(1)改变值,即更换R103和调整RP1,可实现零迁和调零。(2)改变值,即更换R114和调整RP2,可实现量程调整。(3)零位和满度必须反复调整。40（四）热电偶温度变送器量程单元EtVs4Vs2Vs3Vs1P68411.冷端温度补偿采用两个铜电阻，固定为50。当热电偶型号不同时，只需调整几个锰铜电阻或金属膜电阻。按叠加原理，可求得IC1同相端的电压UT为UT=Ei+RCu1RCu2R103+RCu1+RCu2)Uz1R105(R100+从上式可知，冷端环境温度变化时，RCu1、RCu2的阻值也随之变化，从而补偿了由于环境温度升降引起的热电偶电势的变化。而且，补偿特性与热电偶的特性相似，故补偿精度高。42热电偶温度变送器线性化原理方框图热电偶放大部分非线性反馈回路EtVz′+-ttttEtVoVo(Vo)tVf′Vf′2.线性化采取在反馈回路中置入与热电偶特性相一致的非线性电路的方法，如下图所示。43用四段折线来模拟非线性运算电路，如下图。折线的段数及斜率大小由热电偶的特性来确定。表示直线的斜率。Va4Vf5Vf4Vf3Vf2Vf1Va3Va2Va10Va5VfVa143244非线性电路的实现Vs4Vs3Vs2Vs1在IC2的反馈回路中加入一些稳压管和基准电压，利用稳压管的击穿特性实现折线电路。45Ir（五）热电阻温度变送器量程单元46tttVIR17161716191617FzttRVVRRRRRIRR1zttgVIgR1.线性化线行化电路置于输入回路，采用正反馈的方法来达到线性化的目的，如下图所示