1、0755-83376489,1,第二章 变送器和转换器,变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位)和电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号。,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,上一页,目录,下一页,0755-83376489,2,第一节 变送器的构成,一、构成原理二、量程调整、零点调整和零点迁移,一、构成原理变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图所示，它包括测量部分（既输入转换部分）、放大器和反馈部分。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,3,一、构成原理,上一页,目录,下一页,
2、0755-83376489,4,二、量程调整、零点调整和零点迁移,变送器涉及的另一个问题是量程、零点调整和零点漂移。,1、量程调整其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。相当于改变输入输出特性的斜率，也就是改变y与x的比例系数。,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。也有些变送器还可以通过改变转换系数c来调整量程。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,5,2、零点调整和零点迁移,使变送器的输出信号下限值ymiin与测量范围的下限值xmin相对应。,在xmin=0时，称为零点调整；在xmin0时，称为零点迁
3、移。,由上图可知，零点迁移后变送器的输出特性沿x坐标向右或左平移，其斜率没有变，即变送器量程不变。进行零点迁移，在辅以量程调整，可提高仪表的测量灵敏度。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,6,第二节 差压变送器,一、力平衡式差压变送器二、电容式差压变送器三、扩散硅式差压变送器,差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺量转换成统一的标准信号，作为只是记录仪、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。 本节着重讨论普遍使用的力平衡式差压变送器和电容式差压变送器。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,7,一、力平衡式差压变送器,
4、（一）、概述（二）、工作原理和结构（三）、低频位移检测放大器,（一）、概述力平衡式差压变送器包括测量部分、杠杆部分、位移检测放大器及电磁反馈机构。其构成方框图如下：,上一页,目录,下一页,0755-83376489,8,工作原理：是按力矩平衡原理工作的。,测量部分是将被测差压Pi转换成相应的输入力Fi，该力与电磁反馈机构输出的作用力Ff一起作用于杠杆系统，使杠杆系统产生微小的偏移，在经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。,由于采用了深度负反馈，因而测量精度较高，而且保证了被测差压Pi和输出电流Io之间的线性关系。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,9,（二）工作原理和结
5、构,1、工作原理：,根据图叙述其工作原理：,被测差压信号P1、P2分别引入元件3的两侧，则Pi转换为Fi，该力作用于主杠杆的下端，使主杠杆以轴封膜片4为支点偏转，F1沿水平推动8。F1分解F2和F3，F2带动14以M为支点逆时针偏转，此时12靠近差动变压器，使两者间气隙减小。,检测片的位移变化量通过15转换为420mA的Io，作为输出。,Io又流过16，产生Ff使副杠杆顺时针偏转，当Ff和Fi力矩平衡时，变送器状态稳定。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,10,由上述工作原理可画出其传输方框图：,A-膜片有效面积 L1、L2Fi、F1到主杠杆支点H的力臂L3、Lo、LfF2、F
6、o、Ff到副杠杆支点M的力臂L4检测片12到副杠杆支点M的距离tg矢量机构的力传递系数， 为矢量角K1副杠杆力矩-位移转换系数 Kf电磁反馈机构的电磁结构常数K2低频位移检测放大器位移-电流转换系数,上一页,目录,下一页,0755-83376489,11,在差压变送器的放大系数（K1K2）和反馈系数（LfKf）的乘积足够大时，当变送器处于稳定时，将满足力矩平衡关系：,Mi+Mo=MfIo=KpPi+LoFo/LfKf,上一页,目录,下一页,0755-83376489,12,2.结构：（具体各部结构及作用）,检测部分: P 输入力Fi ，组成：由高低压式膜盒、轴封膜片双膜片结构可减小温度的影响（
7、双膜片受温度变化抵消）。膜盒内有充有硅油。,工作过程： P作用膜盒上时，膜片2和硬心同时向右移动，迫使盒内硅油通过孔向右流动，并在连接片6上产生集中力Fi当Pi逐渐加大，超过额定差压时，膜片与机座接触，起到单向过载保护作用。,杠杆系统：是变送器中机械传动和力矩平衡部分作用：使F1产生力矩与电磁反馈力Ff产生的力矩进行比较，再转化为检测片的位移。现分析其主要机构：,上一页,目录,下一页,0755-83376489,13,、 调零和零点迁移机构：,零点迁移：调节迁移弹簧来实现。调零：由调零弹簧来调整。迁移弹簧对杠杆施加一个迁移力Fo设Fo到主杠杆支点的距离为Lo,则有：,上一页,目录,下一页,07
8、55-83376489,14,、静压调整和过载保护装置：,产生原因：膜盒两侧的膜片有效面积不等。 主杠杆、拉条等装配不正，会使主杠杆产生一个附加力矩。消除方法：在主杠杆上安装一个静压调整装置。,、平衡锤：在副杠杆重心与支点M重合，从而提高了仪表的耐冲击，耐振动性能，而且仪表不垂直安装时也不影响精度。,、矢量机构：组成：由矢量板、推板组成。改变可改变差压变送器的量程。当仅用矢量机构调整量程时的量程比为：,上一页,目录,下一页,0755-83376489,15,3.电磁反馈机构,作用是将输出电流Io转换成电磁反馈力Ff，此力作用于副杠杆，产生反馈力矩Mf，以便和测量部分产生的输入力矩Mi相平衡。,
9、反馈力Ff的大小为：Ff=Kf IoKf是电磁结构常数，其值为：,上一页,目录,下一页,0755-83376489,16,（三）、低频位移检测放大器,作用：是将副杠杆上检测片的微小位移s转换成直流输出电流Io其原理线路图2-12如下页：其组成有：差动变压器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器。,1、差动变压器2、低频振荡器3、安全火花防爆,上一页,目录,下一页,0755-83376489,17,上一页,目录,下一页,0755-83376489,18,1、差动变压器,差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯和四组线圈构成。如图2-13所示，其作用是将检测片的位移s转换成相应的电压信号uCD,上
10、一页,目录,下一页,0755-83376489,19,讨论：,当s=/2 时 e2=e2 UCD=e2- e2=0差动变压器变压器输出,当se2 UCD=e2- e20此时UCD与UAB同相,当s/2 时，因差动变压器，上半部磁路磁阻增大互感减小 e2e2 UCD=e2- e20此时UCD与UAB反相。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,20,2、低频振荡器,低频放大器由振荡器、整流滤波、及功率放大器三部分组成。,、振荡器线路图如右图：由LAB、C4构成的并联振荡回路的固有频率也就是低频振荡器的振荡频率。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,21,振荡的振幅条件：
11、即KF=1,检测片位移S与振荡器输出电压UAB之间的关系：如下图，说明振荡器的放大特性是非线形的，而反馈特性在铁芯未饱和的情况下是线形的。两条线的交点p即为稳定后的工作点，p点对应的uAB就是振荡器的输出电压。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,22,、整流滤波,振荡器的输出电压UAB经二极管VD4整流以及通过电阻R8、R9和电容C5滤波得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。,整流滤波电路并联在LAB、C4回路的两端，因此它的总阻抗不能太小，否则将要影响振荡器的工作。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,23,、功率放大器,功率放大器由晶体管VT2、VT3和电阻R
12、3、R4、R5组成，如2-18所示。放大器采用PNP-NPN互补型复合管，其目的一是提高电流大系数；二是电平配置，使VT2的基级电平与前级输出信号的电平相匹配。,R3为稳定工作的反馈电阻，同时提高功放级的输入阻抗，有利于滤波器输出电压的稳定。R5为VT2、VT3集电极与发射级之间的穿透电流提供旁路，用以改善放大器的温度性能，提高了电路的稳定性。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,24,3、安全火花防爆,安全火花防爆原则：、电子线路设计上。、安装使用上（不让火花窜入现场）隔离。,尽可能减小贮能元件（L、C）并使现有贮能元件在故障情况下释放的能量（电流、电压）限制在安全额定以下。,
13、上一页,目录,下一页,0755-83376489,25,二、电容式差压变送器,（一）、概述（二）、测量部件（三）、转换放大器,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。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,26,（一）、概述变送器包括测量部分和转换放大电路两部分。其结构图如下。,此电容变化量由电容-电流转换电路转换成直流信号，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Io。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,27,（二）
14、、测量部件,测量部件的作用是把被测差压P i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。其结构图如下：,若不考虑边缘电场的影响，感压膜片和两边固定电极构成的电容Ci1、Ci2为：,上一页,目录,下一页,0755-83376489,28,上一页,目录,下一页,0755-83376489,29,（三）、转换放大器,作用：是将上述差动电容的相对变化值转换成标准的电流输出信号。此外还要完成零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。其结构原理图如下：,它是由电容-电流转换电路和放大电路组成。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,30,图2-28 电容式差
15、压变送器电路图,上一页,目录,下一页,0755-83376489,31,1.电容-电流转换电路,作用：将差动电容的相对变化值成比例的转化成差动电流信号。、振荡器 作用是用来向差动电容Ci1、Ci2提供高频电流。其线路图如2-23,由图知这是一种变压器反馈型振荡电路，只要适当的选择电路元件的变量，便可满足振荡条件。供电：由IC1输出电压Uo1供电， IC1可控制振荡器输出幅度。频率：即为L、C构成的并联谐振电路。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,32,、解调和振荡控制电路,上一页,目录,下一页,0755-83376489,33,、线性调整电路,由于差动电容检测元件中分布电容的存
16、在，将造成非线形误差。分布电容使差动电容变化量减小而使Ii减小，为使Ii增大而设计了此电路。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,34,2.放大及输出限制电路,作用：是将电流信号Ii放大，并输出420mA的直流电流。,、放大电路,、输出限制电路,由VT2、R18组成作用：防止输出电流过大，损坏器件。Io1可在R120上并联一个电阻，如R119此时负反馈减小，输出Ua增加。如要求后一段直线斜率小于前一段则可在Ra上并联一电阻。此时输出Ua减小。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,54,5.热电阻温度变送器量程单元,与上述两种变送器的区别：线性化电路，置于输入回路中；
17、热电阻引线补偿电路。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,55,I、线性化原理及分析,热电阻线性化电路原理如图：现把IC2看成是理想运算放大器，UT=UF可得：,上一页,目录,下一页,0755-83376489,56,II、引线电阻补偿电路,为消除引线电路的影响，热电阻采用三线接法。由R23、R24、2构成的支路为引线电阻补偿电路。,若不考虑此电路,则：Ut=Ut+2It,若存在引线补偿电路，有电流I流过2、3，调整R24使I= It则流过3的电流大小相等，方向相反。所以3上不产生压降。因为设计时， R29= R30+R31，所以由1、2产生的压降引到反相端时，互相抵消。故三线制
18、接法可消除引线电阻对测量的影响。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,57,6.安全火花型防爆措施,（1）、输入、输出及电源回路之间通过变压器To和T1而相互隔离，在变压器中设有“防止短接板”。（2）、在输入端设有限压元件、限流元件，以防高电能传递到现场。（3）、在输入端及电源端装有大功率二极管及熔断丝。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,58,二、两线制温度变送器,1.输入回路包括电阻R6-R11、Rcu、电位器Rp1等组成的桥路、电容C2-C5电阻R17-R20等组成的滤波电路及由二极管组成的限幅电路。1、2端连接测温元件热电偶，3、4短接，桥路输出不平衡电压
19、与热电偶的热电势相叠加，送至放大器的输入端。铜电阻Rcu起冷端温度补偿作用，Rp1用来调节零点。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,59,2.反馈回路,反馈回路由电阻R13、R14电位器Rp2等组成。反馈电流If由晶体管VT5输出，通过R13 Rp2在R10上的压降即为反馈电压，调节Rp2改变反馈量，即可调节量程。,3.放大器电压放大器采用低漂移、高增益、高输入阻抗、低噪声的集成运算放大器。,4.稳压源由于采用两线制方式，当输出电流及负载阻值变化时，仪表工作电压也随之变化，因此在线路中附加稳压环节。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,60,第四节、电/气转换器,
20、一、概述二、气动仪表的基本元件三、电/气转换器工作原理,上一页,目录,下一页,0755-83376489,61,一、概述,电/气转换器是将电动仪表输出的420mA直流电流信号转换成可被气动仪表接受的20100KPa标准气压信号，以实现电动仪表和气动仪表的联用，构成混合控制系统，发挥电、气仪表各自的优点。主要性能指标：（1）输入信号：420mA(DC)（2）输出信号：0.020.1MPa （3）变差： 0.5%（4）基本误差：0.5% （5）灵敏度：0.05% （6）防爆等级：安全隔爆复合型、安全火花型,上一页,目录,下一页,0755-83376489,62,二、气动仪表的基本元件,气动仪表由气
21、阻、气容、弹性元件、喷嘴-挡板机构和功率放大器等基本元件。1、气阻在流体呈层流状态时，可表示为：,2、气容 包括固体气容和弹性气容,上一页,目录,下一页,V:气室体积 R：气体常数T：气体绝对温度,0755-83376489,63,3.弹性元件 为适应不同的工作目的，可作成各种不同结构和形状。他包括各种不同形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片。弹性元件的指标：I、弹性特性。II、刚度与灵敏度。III、滞后与滞后量。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,64,4、喷嘴挡板机构,作用：将微小的位移转换成相应的压力信号。,5、功率放大器它是将喷嘴挡板的输出压力和流量都放大。目前采用
22、耗气式放大器，它由壳体、膜片、锥阀、球阀、簧片、恒气阻等组成。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,65,三、电/气转换器工作原理,是基于力矩平衡原理工作的。其结构是多样的，现以具有正负两个反馈波纹管的电/气转换器为例讨论其工作原理。转换器是由电流-位移转换部分，位移-气压转换部分、气动功率放大部分和反馈部分组成。,工作原理：当电流Ii进入动圈后，产生的磁通与永久磁钢相互作用，产生的磁力带动3饶5转动，挡板8靠近喷嘴9，使其背压升高，功率放大后输出Po，Po送至6所产生向上的负反馈力，Po同时送至正反馈波纹管产生向上的正反馈力，以抵消一部分负反馈的影响。因而不需要太大的力就可以达到平衡。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,66,图2-53为杠杆的受力图得,（1）、输入电流与输出压力p。成比例关系，改变Lf1Lf2可调节转换器量程，改变Fo 的零点。（）、当（A1Lf1-A2Lf2)取较小时，便能减小KiLi，从而可缩小转换器的体积。（）、波纹管面积随温度变化对输出的影响可以相互抵消，即起到温度补偿作用。,上一页,目录,下一页,0755-83376489,67,智能式温度变送器实例TT302温度变送器,特点：量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、重量轻以及安装维护方便,上一页,目录,下一页,
