变送器教程

1变送器教程变送器是自动控制系统中的一个重要组成部分，在各种工业过程自动控制系统中，变送器对温度、压力、液位、流量、成分等物理量进行测量，并转换成统一的标准信号。本章主要内容：•概述•差压及压力变送器•DDZ-Ⅲ型温度变送器•流量变送器•液位变送器•成分分析仪表•二线制变送器的电路分析及设计•智能压力变送器2调节器(控制器)被控对象测量变送环节(传感器、变送器)+－x执行器zeuqyf2.1概述1.概述：3过程控制系统由检测变送器、调节器、执行器和被控过程组成。检测变送器将被控参数如温度、压力、流量、液位、PH值以及成分量、状态量等检测出来，并变换成相应的统一标准信号，供系统显示、记录或进行下一步的调整控制作用。在任何系统的自动控制中变送器都是首要环节和重要组成部分，只有获得精确和可靠的被控参数，才能进行准确的数据处理，进而才能获得高质量的控制效果。4检测变送单元实际上包括两部分内容，首先是将被控参数检测出来，然后变送器将其变换成统一标准信号。由于利用单元组合仪表能方便灵活地组成各种难易程度的过程控制系统，因此，它在过程控制系统中应用极为广泛。单元组合仪表有气动单元组合仪表和电动单元组合仪表两大系列。表2-1是DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型仪表的性能比较。5表2-1DDZ-Ⅱ型与DDZ-Ⅲ型仪表的性能比较系列DDZ-ⅡDDZ-Ⅲ信号、传输方式、供电信号DC0～10mADC4～20mA、DC1～5V传输方式串联制(电流传送电流接收)并联制(电流传送电压接收)现场变送器连接方式四线制三线制供电AC220V单独供电DC24V集中供电并有断电备用电源防爆型式和电气元件开关防爆型式防爆型安全火花型安全栅无有电气元件分立元件集成组件结构、线路设计和功能差压变送器双杠杆机构①矢量机构温度变送器无线性化电路有线性化电路调节器偏差指示硬手动手动－自动切换需先平衡无保持电路功能一般全刻度指示和偏差指示硬手动和软手动软手动－自动切换可直接切换有保持电路功能多样系统构成一般灵活多样与计算机联用兼容性差兼容性好6本章主要介绍DDZ-Ⅲ型变送器及各种微型化、智能化变送器的原理及主要工作特性。从使用的角度来说，变送器量程调整、零点调整和零点迁移的概念是很重要的。量程调整或称满度调整，其目的是使变送器输出信号的上限值（或满度值）与输入测量信号上限值相对应。量程调整相当于改变变送器的灵敏度，即输入输出特性的斜率，见图2-1。图2-1变送器的量程调整maxymaxx7变送器零点调整的目的是使其输出信号的下限值与输入信号的下限值相对应。在xmin=0时为零点调整；见图2-2a。将变送器的测量起始点由零点迁移到某一正值或负值，称为零点迁移。在xmin≠0时为零点迁移。xmin＞0正迁移、xmin＜0负迁移。。零点迁移有正迁移和负迁移，见图2-2b和图2-2c。图2-2变送器的零点调整与零点迁移a)零点调整b)正零点迁移c)负零点迁移8实例某测温仪表的量程为0～500℃，输出信号为4～20mA，现欲测量200～1000℃应如何调整？92.变送器的信号：将各种物理量转换成统一的标准信号，标准信号是仪表（不同厂家的仪表）之间的协议。由0~10mA(0~5V,0~10V)→4~20mA(1~5V)→全数字化双向通信信号。DDZ-ⅡDDZ-Ⅲ3.变送器的发展：首先是传感器和变送器分离。传感器是借助敏感元件按一定的规律（物理、化学等）将非电物理量形式的信号转换成电信号。变送器是将传感器输出的电信号（微弱的电流、电压等）转换成标准信号。现在是传感器和变送器功能合一。变送器为输出标准信号的传感器，由于微机械加工技术和微电子技术的发展，敏感元件和信号调理电路一体化，构成集成变送器或智能变送器。104.变送器的构成原理变送器主要由测量部分、放大器和反馈部分组成。构成原理图如下图所示。变送器的构成原理图112.2差压及压力变送器差压（压力）变送器作为过程控制系统的检测变送部分，将液体、气体或蒸汽的差压（压力）、流量、液位等工艺参数，转换成统一标准信号，作为显示记录仪、运算器和调节器的输入信号，以实现生产过程的连续的检测和自动控制。压力单位：国际单位：Pa，KPa，MPa工程单位：工程大气压（kgf/cm2），标准大气压（atm）,毫米汞柱(mmHg),毫米水柱(mmH2O)，巴(bar)，托(Torr)等。12以1151型压力变送器为例，美国Rosemount公司开发的产品，综合误差为量程的±0.25%。国内上海自动化仪表一厂，西安仪表厂等引进生产。原理框图如图所示。它是将传感器和变送器合二为一。传感器由敏感器和测量电路组成。差动电容差压变送器包括差动电容（测量部分）和转换放大电路两部分组成，差动电容的作用是将压力转换成电容比，转换放大电路的作用就是将电容比提取出来，并转变成DC4～20mA输出。1151型电容式差压变送器是该类变送器的典型产品。一.差动电容式压力变送器13电容式差压变送器组成方框图141.敏感器结构(测量部分）差动电容式敏感器如下图所示。其核心是由中心可动极板与两侧固定极板构成的。差动球－平面型电容CL和CH。15结构特点：可承受过压能力强，适合于测量绝对压力很高，而压差很小的场合。即使一侧的压力消失，使膜片贴在壳体上，不再继续变形，而不致破裂。当两侧压力相等，P1=P2时，中心膜片无位移＝0，CL=CH≈150pf。当两侧压力不相等，P1≠P2时，⊿P=P2-P1，中心膜片的位移δ＝k⊿P,(k为与膜片尺寸材料有关的系数)162.转换放大部分原理框图差动电容差压变送器的转换放大电路作用是将差动电容相对变化量提取出来，并转换成4～20mA标准的电流输出信号，还要实现0点调整，量程调整，阻尼调整等功能。PKPPTdaCCCCCCCHLHLHL112024其中：a：动极板工作半径，T：动极板初始力d0：定、动极板初始距离选取差动电容的电容之比有：17电容比调制是在差动电容检测头内完成的，图中未画出。图中解调器、振荡器、振荡控制器相当于电容比－电流转换电路；电流放大器、电流控制器、电流限制器相当于放大和输出限制电路，电流检测器相当于反馈电路。18电容比调制是在差动电容检测头内完成的，图中未画出。图中包括电容比－电流转换和放大电路两部分，差动电容比由振荡器供电，经解调后（直流信号）输出两个电流信号：①差动信号，②共模信号。共模信号作为振荡控制器的输入，其输出控制振荡器的输出电压的幅值，从而达到稳频稳幅的要求；差动电流信号Is与电容比成正比，即与⊿P成正比，Is经电流放大器、零点调整、量程调整、零点迁移、输出电流限幅和过流保护等转换成4～20mA输出电流，即I0∝Is∝⊿P该类差压变送器输出电流与被测差压具有良好的线性关系，是二线制仪表，且具有安全火花性能，可用于易燃易爆的场合。1920二、扩散硅压力变送器由于单晶硅具有优良的机械物理性能。滞后蠕变极小，稳定性好。随着微机械制造技术的进步，扩散硅压阻传感器逐年得到广泛的应用。压阻传感器原理扩散硅压力变送器结构图应力作用到半导体硅片上，其产生形变，电阻率发生变化。受压电阻率↓，受拉电阻率↑，称为压阻效应。整个检测元件由两片研磨后胶合成的硅片组成。在硅杯上制作压阻元件，利用金属丝将压阻元件引接到印制电路板板上。硅杯两面浸在硅油中，硅油与被测介质间有金属隔离膜片分开。被测差压引入测量元件后，通过金属膜片和硅油传递到硅杯上，压阻元件的电阻值发生变化。21扩散硅压力变送器电原理图TO－8系列压力传感器在硅片上用离子注入和激光修正法形成4个阻值相等的扩散电阻，连接成惠斯顿电桥形式，如图所示。22其中RB和RC受压，RA和RD受拉。电桥由电流源I供电。通过MEMS技术在膜片上形成压力室，与取压口相通，另一侧与大气相连。桥路输出电压V0和膜片受压力差成正比。外壳材料有：尼龙、陶瓷、不锈钢等。封装结构有：双列直插式DIP、表面贴装式、印刷电路板等。23242.3DDZ－Ⅲ型温度变送器温度也是流程工业生产过程中最基本的物理参数之一。控制过程中的化学、物理变化均和温度有关，最常见的检测技术是采用温度传感器（热电偶，热电阻）进行测量，不同的温度范围选用不同的温度传感器。温度变送器将温度、温差以及与温度有关的工艺参数和直流毫伏信号变换成DC4～20mA或DC1～5V的统一标准信号。25DDZ－Ⅲ型温度变送器的型号有三种：①热电偶温度变送器，②热电阻温度变送器，③直流mV变送器。其结构框图如下图所示。这三类变送器都采用四线制连接方式，在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分，其中放大单元是三者通用，而量程单元则随品种、测量范围的不同而不同。2627一、直流毫伏变送器的量程单元直流毫伏变送器的量程单元由信号输入电路，零点调整桥路和反馈电路等部分组成。直流毫伏变送器量程单元28输入回路中Ri1、Ri2和VS1、VS2起限流和限压作用，限制打火能量在安全火花范围内。Ri1、Ri2与Ci还组成低通滤波器，以滤掉输人信号Vi中的交流分量。零点调整电路由Ri3、Ri4、Ri5、Ri6、Ri7和RPi电位器等组成，其中Ri5=Ri7的阻值远远大于其他电阻的阻值，作用是限制支路电流。VTZ和RZ构成恒流源。桥路电压由VTZ和VS3提供。反馈回路由Rf1、Rf2、Rf3和量程调整电位器RPf等组成。其中Rf1为反馈电压源的内阻，其阻值远小于Rf2。Vf来自放大单元的隔离反馈部分。29热电偶温度变送器量程单元原理图它包括①输入电路，②调0和调量程回路，③非线性反馈回路等。二、热电偶温度变送器的量程单元30由图可见，该变送器的量程单元与直流毫伏变送器的量程单元基本相同，但是由于热电偶检测元件的特性，存在三点差异：1）热电偶冷端温度的自动补偿。（在Ri3桥臂上增加一铜电阻RCu）;2)在反馈回路增加了热电偶特性的线性化电路；3）零点调整电位器RPi由桥路的左边移到桥路的右边。1.进行冷端温度校正：当热电偶的被测温度一定而冷端温度升高时，其热电势Vi将减少。为补偿Vi的减少需在桥路输出增加一个适当的值，为此在桥路串接一铜电阻放在冷端附近。冷端铜电阻阻值为：Rcu(t0)=R0(1+αt0)α为铜电阻温度系数Rcu具有正的温度系数，其阻值随温度的增加而增加，接于Ri3桥臂便可达到热电偶冷端温度自动补偿的目的。312.反馈线性化:IoEt-+Et热电偶被测温度T输入电路放大电路非线性反馈输出电流IoTIoVfT在反馈电路中需要完成量程调整和非线性校正两个功能。量程调整实质上是调整放大电路的闭环放大倍数，通过调节反馈电阻的大小就可实现。而非线性校正则需要一个校正网络来实现。32折线逼近法线性化原理a)折线逼近原理b)电路原理图下图是采用4段折线逼近热电偶的特性原理图331）当Vf电压使运放输出VcVf1时，对应变送器的零点，即I0=4mA或V0=1V；2)当Vf增加，Vf1Vc≤Vf2时，VS1~VS3均截止，电阻网络取决于Rf17、Rf18、Rf7和Rf8，此时折线斜率为α1；3)当Vf继续增加，Vf2Vc≤Vf3时，VS1导通，而VS2、VS3均截止，将Rf9并联到支路1，此时折线斜率为α2；4)以此类推，当Vf继续增加，达到Vf3Vc≤Vf4和Vf4Vc≤Vf5时，VS2和VS3相继导通，相继支路3和支路4的电阻并联到电阻网络中去，此时，折线斜率为α3和α4。从而用4段折线逼近热电偶的非线性特性。5)由上述原理可见，折线的拐点取决于基准电压之值。折线的斜率取决于电阻网络的电阻值。3435三、热电阻温度变送器的量程单元热电阻温度变送器量程单元原理图36图中，Rt为测温电阻；热电阻与桥路之间的连接采用三线制，引线电阻r1=r2=r3=1Ω；VS1~VS4为限压稳压管，起安全火花防爆作用；RPi为零点调整电位器；RPf为量程调整电位器；VZ为供桥电压；Ri2=Ri5且Ri2、Ri5的阻值远大于其他桥臂电阻阻值，故其起到恒定桥臂电流的作用，Rf4支路引进正反馈电流I1′，对热电阻的非线性进行线性化。37热电阻