S第十一章变送单元0802

1、11变送单元v 变送单元在控制系统中起着重要的作用，它将各种过程参数如温度、压力、流量、液位等转换成相应的统一标准信号，以供系统显示或进行下一步的调整控制所用。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，因为只有获得了精确和可靠的过程参数，才能进行准确的数据处理，进而才能实现满意的控制效果。v 按被测量参数划分，变送器可分为压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器和湿度变送器等。本章首先讨论变迭器的构成和工作原理，然后结合典型的差压变送器和温度变送器实例，从变送器发展过程的角度进行功能分析。微电子技术的不断发展和现场级控制系统的网络化，使得变送器从原理和实现上都有

2、了新的发展，本章在分析常规变送器的基础上，还将结合几种新型变送器简要分析变送器的发展趋势。111常用变送器工作原理v 1111常用变送器结构分析 纵观各种常用变送器，其工作可分为基于闭环和开环两种模式，因而其结构亦按这两种方式划分。1112力矩平衡式原理 基于力矩平衡式的变送器，其工作原理的核心就在于如何将各种信号转换成等效的力矩，井测量出这些力矩达到相对平衡时所产生的微小位移，以备变送器进行放大和后处理。1113桥式电路原理v根据桥式电路的特性可知1114差动方式原理差动式原理主要用于开环模式的变送器112典型差压变迭器v11.2.1. 它主要由机械传递部分的双杠钎平衡机构和电路部分的位移检

3、测放大线路两部分组成 由力矩平衡原理可知，以o n为支点的主杠杆有力矩平衡关系：以02为支点的副杠钎有力矩平衡关系vDDZ-型差压计11.2.2.DDZ-型差压变送器式中式中 输入力；输入力； 膜盒正、负压室膜片的有效面积。膜盒正、负压室膜片的有效面积。 （1 1）测量部分）测量部分 测量测量部分的作用，是把测量差压部分的作用，是把测量差压p p转换成作用于主杠杆下端的输入力。转换成作用于主杠杆下端的输入力。测量部分如图测量部分如图3 31515所示。所示。 之间的关系为：之间的关系为：2211ApApFiiF21,AA使使 ，故，故dAAA21pAppAFddi)(21图图3 31515测量

4、部分的结构原理图测量部分的结构原理图返回目录返回目录（2 2）电磁反馈装置）电磁反馈装置 电磁反馈装置的作用是把变送器的输出电流电磁反馈装置的作用是把变送器的输出电流 转换成作用于副杠转换成作用于副杠杆的电磁反馈力杆的电磁反馈力 它由反馈动圈和永久磁钢组成，如图它由反馈动圈和永久磁钢组成，如图316所示。所示。 之间的关系为：之间的关系为： IfFWIBDFcf设设 WBDKcf则则 IKFff式中式中 电磁反馈装置的转换系数；电磁反馈装置的转换系数； 永久磁钢的磁感应强度；永久磁钢的磁感应强度； 反馈动圈的平均直径；反馈动圈的平均直径； 反馈动圈的匝数。反馈动圈的匝数。 fKBcDW图图3

5、316 16 电磁反馈装置的结构原理图电磁反馈装置的结构原理图返回目录返回目录（3 3）放大器）放大器 放大器采用低频位移检测放大器，它实质上是一个位移放大器采用低频位移检测放大器，它实质上是一个位移/ /电流转换电流转换器，把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移器，把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S S转换成转换成4 420mA20mA的直的直流输出电流。流输出电流。 低频位移检测放大器由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路低频位移检测放大器由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器组成，其原理线路图如图及功率放大器组成，其原理线路图如图3 31717所示，图所示，图3 318

6、18为其构成为其构成方框图。方框图。图图3 317 17 低频位移检测放大器原理线路图低频位移检测放大器原理线路图图图3 318 18 低频位移检测放大器构成方框图低频位移检测放大器构成方框图返回目录返回目录低频振荡器低频振荡器 差动变压器的作用是将位移检测片（衔铁）的位移差动变压器的作用是将位移检测片（衔铁）的位移S S转换成相应的电压信号转换成相应的电压信号 ，参见图，参见图3 31717。ABu 下面先分析差动变压器。下面先分析差动变压器。 差动变压器由位移检测片（衔铁），上、下罐形磁心和四组线圈差动变压器由位移检测片（衔铁），上、下罐形磁心和四组线圈组成，如图组成，如图3 31919所

7、示，图所示，图3 32020为位为位差动变压器的原理图。差动变压器的原理图。图图3 319 19 差动变压器的结构示意图差动变压器的结构示意图图图3 320 20 差动变压器的原理图差动变压器的原理图返回目录返回目录整流滤波电路整流滤波电路 整流滤波电路电路如图整流滤波电路电路如图3 32222所示。所示。 功率放大器功率放大器 功率放大器采用了如图功率放大器采用了如图3 32323所示的互补型复合管放大所示的互补型复合管放大电路，它将输入的电压信号电路，它将输入的电压信号 转换为变送器的输出电流转换为变送器的输出电流 。 4RUI98RAB4CABU5C4R4RU图图3 322 22 整流整

8、流滤波电路滤波电路4RU4R3RLR5R+24V-I9VT10VT图图3 32323 功率放大器功率放大器返回目录返回目录（4 4）杠杆系统）杠杆系统 杠杆系统的作用是进行力的传递杠杆系统的作用是进行力的传递和力矩比较，它由主杠杆和力矩比较，它由主杠杆1 1、矢量机构、矢量机构2 2和副杠杆和副杠杆4 4三部分组成，如图三部分组成，如图3 32424所示所示。（5 5）整机特性）整机特性 综合以上分析，可得出综合以上分析，可得出DDZDDZ型型差压变送器的整机方块图，如图差压变送器的整机方块图，如图3 32525所示。所示。 iFipdA21ll1Ftan2F3liMMC1slSkIfKflf

9、M_图图3 325 DDZ 25 DDZ 型差压变送器的整机方块图型差压变送器的整机方块图图图3 324 24 杠杆系统结构受力图杠杆系统结构受力图返回目录返回目录 由图由图3 32424可以求得在满足条件时可以求得在满足条件时 ，矢量机构，矢量机构DDZDDZ型差压型差压变送器的输出输入变送器的输出输入关系如下关系如下1ffsKklclzffzpzffzffdFKllpKFKllpKllllAI231tan式中式中 变送器的比例系数，变送器的比例系数， 。 pKffdpKllllAK231tan（3 34 4） 由式由式（3 34 4）可以）可以看出以下几点看出以下几点 在满足深度负反馈条件

10、下，变送器的输出与输入关系取决于测量在满足深度负反馈条件下，变送器的输出与输入关系取决于测量部分和反馈部分的特性。部分和反馈部分的特性。FKllffz 式中式中 为调零项。为调零项。 改变改变 和和 可以改变变送器的比例系数可以改变变送器的比例系数 的大小，因此的大小，因此改变改变 或或 可以调整变送器的量程。可以调整变送器的量程。tanfKpKtanfK 调整量程会影响变送器的零点，因此膜盒式差压变送器在调较时，调整量程会影响变送器的零点，因此膜盒式差压变送器在调较时，零点和量程要反复调整。零点和量程要反复调整。返回目录返回目录 1123差动电容式差压变送器v 差动电容式变送器是一种没有传动

11、杠杆的两线制差压变送器，主要由测量元件和转换放大电路两部分组成。 根据弹性的基本原理可知，2RI量元件两例的压差与可移动极板的位移呈线性关系，即 v根据平板电容原理可有：113典型温度交迭器v11.3.1.v11.3.1.1热电偶输入电路11312直流毫伏输入电路v温度变送器亦可作为直流毫 伏变送器使用，以便将其他 相当于热电势的直流毫伏信 号转变为统一标难的010mA 电流输出。 11313热电阻输入电路11.3.2.DDZ-型温度变送器v 11321直流毫伏输入电路 直流毫伏变送器的输人电路由输人、调零和反馈三部分环节组成，如图1122所示，分别完成输入情号的接收、变送器零点的调整和反馈信

12、号与输人情号的合成。11322热电偶输入电路v热电偶输入电路只是为适应热电偶进行冷端温度补偿的需要，在电阻只G的桥臀上增加了铜电阻Rcu，因而将调零环节移到了桥路的另一例。由于热电偶的特性是非线性的，需要在反馈回路中设计用于补偿的非线性环节，以提供线性化的独入输出特性。11323热电阻榆入电路v 热电阻温度变送器仍 由输入、调零和反馈 三部分环节组成 114新型变送器浅析v 1141新型变送器发展趋势 现代变送器的首要特征就是小型化，包括测量元件的小型化，传递机构的小型化，调制及功率放大的小型化等。 微电子技术的出现，给变送器的发展提出了新的课题。它可以取代传统的力矩杠杆系统，同时在测量元件的

13、制作上也有了全新的突破。 变送器仪表的集成化是另一重要发展趋势。集成化的前提是电子化，它不仅包括将多个单元集成于体，如将输入电路、信号调制、功率放大、线性化处理、通讯功率等模块均集成在一片芯片上，从而极大地缩小变送器电子电路的体积，更好地保证其性能的稳定；同时也应包括测量元件自身和与外界连接的集成。 总之，小型化、电子化、结果可提供更为可靠的性能、网络化和集成化是变送器的必然发展趋势。其更为紧凑的结构、更为灵活的连接和更为方便的维护。v11.4.2. 微电子式变送器 11422硅谐振差压变送器v硅谐很差压变送器 硅谐振差压变送器的基本工作原理如图1131中的(a)所示。1143数字式变送器v随着微计算机技术的发展，出现了多种智能型的差压和温度变送器。 数字式交送器的核心是微处理器，因而要求各种信号在变送器内部进行交换和处理时均采用数字信号方式。微处理器的处理功能般包括检测信号的线性化处邵、量程调整、数据转换、系统白检以及