第二章变送器与转换器

1、第二章第二章 变送器和转换器变送器和转换器第二章第二章 变送器和转换器变送器和转换器第一节第一节 变送器的构成变送器的构成第二节第二节 差压变送器差压变送器第三节第三节 温度变送器温度变送器第四节第四节 电电/ /气转换器气转换器变送器是单元组合仪表中不可缺少的单元，其作用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制由于变量种类多，因此，变送器的类型也较多u温度变送器u压力变送器u液位变送器u流量变送器按工作能源可分为：电动变送器气动变送器生产过程最常用的变送器是温度变送器差压变送器 有些变送器测量与变送单元做在一起，如差压变送器，有些变送器则只有变送功

2、能，如温度变送器变送器变送器 (TRANSMITTER)的构成的构成构成原理：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。 测量部分C放大器K反馈部分F调零、零点迁移Zi Zf Z0 yxyxymaxxmaxxminymin0变送器的构成原理和输入输出特性0()1KyCxzKF01()yCxzF1K F 差压（压力）变送器量程调整、零点调整和零点迁移量程调整、零点调整和零点迁移量程调整量程调整相当于改变变相当于改变变送器的输入输出特性的送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送斜率，也就是改变变送器输出信号器输出信号y与输入信号

3、与输入信号x之间的比例系数。之间的比例系数。 量程调整量程调整（即满度调整）的目的是（即满度调整）的目的是使变送器的输出信使变送器的输出信号上限值号上限值ymax与测量范围的上限值与测量范围的上限值xmax相对应。相对应。方法方法：改变反馈部分反馈系数改变反馈部分反馈系数 改变测量部分转换系数改变测量部分转换系数零点调整使变送器测量起始点为零；零点迁移是把测量起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始点由零迁移到某一数值。当测量起始点由零变为某一正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。值，称正迁移；而由零变为某一负值，称为负迁

4、移。 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移都是都是使变送器的输出信号下限值使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值与测量范围的下限值xmin相对应，在相对应，在xmin= 0时，称时，称为零点调整，在为零点调整，在xmin 0时，称为零点迁移时，称为零点迁移。 实现方法实现方法：改变调零信号改变调零信号Z0 0 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。应用分析应用分析 pHgh g 1212()pHghhg gh ghh212)(差压变送器差压变送器(Differential p

5、ressure transmitter)用来将差压、流量、液位等被测参数转换为统一标准的用来将差压、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、记录或自动控制信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。一、力平衡式差压变送器一、力平衡式差压变送器（一）概述（一）概述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（二）工作原理和结构（二）工作原理和结构 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，

6、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4-20mA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。1、工作原理工作原理：Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+MoPiFiF1-MfFfIoSFo1 3000200taniffffpiffl l AlIpFl l Kl KlKpFl KA-膜片有效面积 L1、L2Fi、F1到主杠杆支点H的力臂L3、Lo、LfF2、Fo、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

7、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 由上述工作原理可画出其传输方框图： 测量部分将被测差压转换成相应的作用力，该力与反馈机构输出的作用力一起作用于杠杠，引起杠杠发生微小偏移，再经过位移检测放大器转换成统一的电流（或气压）输出。 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。几点结论几点结论( (1) )在满足深度负反馈的条件下,输出电流Io与输入 差压Pi成正比。( (2) )改变调零弹簧作用力Fo可调整变送器的零点。( (3) )调整变送器的量程可通过改变tan和Kf来实现。( (4) )零点和满度应反复调整。作用

8、：把被测差压作用：把被测差压P转换成转换成作用于主杠杆下端的输入力作用于主杠杆下端的输入力Fi A1= A2= AFi= A (P1 -P2) = APi Fi= A1P1 -A2P2因因: : 故故:2. 结构结构测量部分测量部分测量部分测量部分分析分析(一）一）检测检测部分部分: : 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（双膜片受温度变化抵消）。膜盒内有充有硅油。（为一种无色透明液体。它具有优异的电绝缘性和耐高低温性。闪点高、凝固点低，可在50+200下长期使用，粘温系数小、压缩率大，表面张力低，憎水防潮性好，比热和导热系数小，生理惰性好。）测量部分测

9、量部分分析（二）分析（二）工作过程工作过程： 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。杠杆系统杠杆系统 作用：作用：进行力的传递和进行力的传递和力矩比较力矩比较。 组成： 主杠杆1、矢量机构2和副杠杠4，以及调零机构、零点迁移机构、静压调整和过载保护、平衡锤。 主杠杆主杠杆将输入力将输入力Fi转换为转换为作用于矢量机构上的力作用于矢量机构上的力F1 ：iFllF211 矢量机构矢量机构将输入力将输入力F1转换为作用于副转换为作用于副杠杆上的力杠杆上的力F2 ：21ta

10、nFF改变改变tan ，可改变差，可改变差压变送器的量程压变送器的量程 ：415，量程比为，量程比为tan15/tan4=3.83 副杠杆副杠杆1 321 320 0pffiff f oiol l Atgl lKl lA PtglKMMF lMKlI其中：1 32l l Atgkpl lfKf进行力矩的比较进行力矩的比较 /iofopiooffMMMIKP l F l k 000if31i0002ffffPi(2 )FF25. ,(APF )tgIFKKKPooaFlllllllll杠 杆 系 统 ：作 用 ： 把 输 入 力与 电 磁 反 馈 力比 较 ， 然 后 转 换 成 检 测 片 的

11、 位 移 。组 成 ： 主 、 副 杠 杆 ， 调 零 机 构 ， 零 点 迁 移 机 构 ， 静 压 调 整 和 过 载 保护 装 置 ， 平 衡 锤 ， 矢 量 机 构 。 见 图。调 零 和 零 点 迁 移 机 构 ：零 点 由 调 零 弹 簧 调 整 ；零 点 迁 移 由 迁 移 弹 簧 调 整 。设 迁 移 力到 主 杠 杆 支 点 的 距 离 为则 有0001ffFF (2 -6 )AKlll 调零和零点迁移机构调零和零点迁移机构.1.2.2-929.25bcM零点迁移原则：零点迁移后被测差压的上限不能超过该表所规定的上限值，迁移后的最小量程不得小于该表的最小量程。静压调整和过载保

12、护装置：作用：克服变送器的静压误差和过载时起保护作用。静压误差：属系统误差。静压误差产生的原因：测量膜片有效面积不等；拉条装配不正。见图。解决办法：调静压调整螺钉。过载保护装置：见图。平衡锤：作用：见图，使负杠杆的重心和支点重合，提高仪表的耐冲击、耐振动性能，而且在仪表不垂直安装时也不影响精度。 静压调整和过载保护装置、平衡锤静压调整和过载保护装置、平衡锤1.2.M静压调整和过载保护装置：作用：克服变送器的静压误差和过载时起保护作用。静压误差：属系统误差。静压误差产生的原因：测量膜片有效面积不等；拉条装配不正解决办法：调静压调整螺钉。平衡锤：作用：使负杠杆的重心和支点重合，提高仪表的耐冲击、耐

13、振动性能，而且在仪表不垂直安装时也不影响精度。平衡带拉条电磁反馈装置电磁反馈装置 作用：作用：把变送器的输出电流把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的转换成作用于副杠杆的电磁反馈力电磁反馈力Ff （B气隙磁感应强度、气隙磁感应强度、D动圈平均直径、动圈平均直径、W动圈匝数）动圈匝数） Ff =BDcWI0 设设 Kf =BDcW 改变反馈动圈的匝数，改变反馈动圈的匝数，可以改变可以改变 Kf 的大小的大小 则则 Ff = KfI01-3短接、短接、2-4短接短接：W = W1=725匝 1-2短接：短接： W = W1+W2=2175匝 可实现可实现3:1的量程调整的量程调整 W1=725

14、匝，匝，W2=1450匝匝（三）低频位移检测（三）低频位移检测放大器放大器 作用：作用：把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S转换成转换成420mA的直流输出电流。的直流输出电流。它实质上就是一个它实质上就是一个位移位移-电流转换器。电流转换器。 由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率放大器组成。放大器组成。 1.1.差动变压器差动变压器：将检测片的位移将检测片的位移s s转换成相应的转换成相应的电压电压UCD。BD上罐形磁芯下罐形磁芯AC检测片差动变压器的结构S差动变压器原理图当s=/2 时 e2=e2

15、 UCD=e2- e2=0差动变压器无输出当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。2.2.低频振荡器低频振荡器LAB和C 4构成并联谐振回路，D1、D2 可以提供偏可以提供偏置置电压电压，使三，使三极极管管BG1正正常工作。常工作。两个两个二极管二极管D1、D2就相就相当当于一于一个稳压个稳压管，和管，和R6构构成分成分压压偏置偏置电电路，且具有路，且具有温温度度补偿补偿作用。作用。R2电流负反馈电阻，起起负负反反馈馈作用作用, 从从而而稳稳定了定了BG1的工作点。的工

16、作点。振荡器电路低频振荡器的起振条件低频振荡器的起振条件振荡频率振荡频率：相位条件相位条件 ： s 输入回路电阻R101、R102及稳压管VZ101、VZ102分别起限流和限压作用C101用以滤除输入信号Ui中的交流分量电阻R103、R104 、R105及零点调整电位器RP1组成零点调整和零点迁移电路，基准电压Uz由集成稳压器提供，为+5v103 111 1104104111041104110311041051110410310411031104105/ / /TiziPzPPPPPTizPUUUURIRIRRUIIRRRRRRRRRRRRRUUURRRR而I1RP11R103R105RP1d

17、cRP12I1UZUZ 反馈回路由电阻R106、R107 、R111 、R114R116及量程电位器RP2 等组成反馈电压Uf引自放大单元功率放大电路射极电阻R4的两端10610711121115ff1061071112114115116115116221141151161061061071112114115116106107/ / / / /z/ / /PFPPPRRRRRUUURRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRUzUfR107R106R111RP21RP22R114R116R115Uf (= UF)1031104107106114111110061072115116f4451

18、5/ / / /5PPoooRRRRRRRRRRRRRUUUI RRR，又由于111041031041103cd105105106111P21115106111114115116107z5PPTizizoFRRRRRRRUUUUURRRRRRURUURRRRR1111141151161031061051061112111510705,cdPFTizRRRRRRRRRRRRRUUUUU设由，得到 输入输出关系111041031041103110410510610711121f1061071112115f11511411511622114115116111610610610706107111211

19、4115116z/PPTizPPFPPPRRRRRUUURRRRRRRRUURRRRRRRRRRRRRRRRRRURRRURRR 结论变送器的输出电压Uo和输入信号Ui之间呈线性关系零点调整和零点迁移：改变R104和调整电位器RP1，可在小范围内改变调零信号；更换电阻R103可以大幅度地改变零点迁移量。与决定零点迁移的方向和大小量程调整：调整电位器RP2，可以在小范围调量程；改变R114可以大幅度地改变送器的量程调整比例系数，不仅调整了变送器的量程范围，而且使变送器的零位也受到影响；另一方面调整的大小时，变送器的满度输出也会相应发生变化。在仪表调校时，要对仪表的零点和满度反复加以调整。0111

20、1141151161031061051061112111510711104cd10415,izcdPPPUUURRRRRRRRRRRRRRRRRR其中四、热电偶温度变送器四、热电偶温度变送器(Thermocouple temperature transmitter)量程单元量程单元输入信号断路报警电路的作用与直流毫伏变送器的作用相同。区别在于：I、在热电偶温度变送器的输入回路中增加了热电偶冷端温度补偿电路。II、在反馈回路中增加了线性化电路。热电偶温度变送器量程单元热电偶温度变送器量程单元电路原理图IC1UFUTUzUfEtUzR102R101C101R106VZ101VZ102IC2R100

21、R103R116RCu1RCu2R104R105R107R108R124RP2RP1R111R112R113R114RoUS4VZ103R115R120R121R122R119VZ106US1B2B1B3 热电偶冷端温度补偿电路分析：12100105103121()TtzCuCutzCuCuUEURRERURRRR补偿原因：热电偶产生的热电势热电偶产生的热电势E Et t与热电偶的冷端温度有关与热电偶的冷端温度有关RCu1R100R105RCu2R103I1UZUZ12cucuRR当冷端温度发生变化时，和的阻值也发生变化，从而补偿了热电偶的热电势由于冷端温度变化而发生的变化。 热电偶冷端温度补

22、偿(2)RCu1、RCu2为铜电阻；R105 、R103和R100为锰铜电阻或精密金属膜电阻，阻值与热电偶型号有关。 R105 =7.5k, R103和R100的阻值根据以下两个条件进行计算：12100105103121()TtzCuCutzCuCuUEURRERURRRR121250025505025zcucuztcucucutCUmVRRtCUmVERRR 时，（此时）时，（此时） 线性化原理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EtUz+-UotUftEt0t0tUo0t(Uo)Uf0线性化电路处于反馈回路中，因而它的特性应与所采用的热电偶的特性相同。线性化电路是一

23、个折线电路，它是用折线来近似热电偶的特性曲线。非线性运算电路非线性运算电路原理图UbIC2R116RaRoUS4VZ103R115R120R121R122R119VZ106US1R123UaUcUfUa4Uf5Uf4Uf3Uf2Uf1Ua3Ua2Ua10Ua5UfUa1432非线性运算电路特性曲线示例+IC2-RaUfUaUbR115R120R121R122RoUc1221211221211221201211221201151211151211221122122120()/ /()/ /11fccbaaboaaafoaRUURRRRRUURRRRRUURRURRRRRURRRRR非线性运算电路

24、（2）Ra减小， 减小R120 减小， 增大UbIC2R116RaRoUS4VZ103R115R120R121R122R119VZ106US1R123UaUcUf稳压管均未导通UcUD+US1稳压管VZ106导通+IC2-RaUfUaUbR115R120RoUcR121R122R119非线性运算电路（3）212111512112212212212011911/ /afaoaUURRRRRRRRRRRUbIC2R116RaRoUS4VZ103R115R120R121R122R119VZ106US1R123UaUcUfUa4Uf5Uf4Uf3Uf2Uf1Ua3Ua2Ua10Ua5UfUa1432基

25、准电压的数值和稳压管的击穿电压取决于折线的拐点。如果能根据所要求的斜率去选配相应的并联电阻的阻值，就能使非线性运算电路的输出特性与热电偶的特性相一致，达到非线性补偿的目的。由于不同测温范围时的热电偶特性不一样，因此在调整仪表的零点或量程时，必须同时改变非线性运算电路的结构和电路中有关元件的参数。应注意的是：五、热电阻温度变送器五、热电阻温度变送器(Thermal resistance temperature transmitter)量程单元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；热电阻引线补偿电路。ItIC2RtUtUfR16R17R19R18IC1VZ101 VZ104r

26、1r2r3R37R36R35RP2R34C101R30R31R29R28R27R23R25R24R26RP1Ir热电阻温度变送器量程单元电路原理图Uz热电阻温度变送器量程单元电路原理图tttVI R 17161716191617FzttRVVRRRRRIRR1zttgVIgR1. 线性化线性化线行化电路置于输入回路线行化电路置于输入回路，采用正反馈的方法来达到线性，采用正反馈的方法来达到线性化的目的，如下图所示。（化的目的，如下图所示。（P72)P72)当当R Rt随温度而增加时，随温度而增加时， I It将增大。而从上式可知，将增大。而从上式可知，R Rt的增加的增加导致导致I It的进一步

27、加大，从而补偿了热电阻随被测温度的升高的进一步加大，从而补偿了热电阻随被测温度的升高其变化量逐渐减小的趋势，实现线性化。其变化量逐渐减小的趋势，实现线性化。Ir2. 引线电阻补偿引线电阻补偿Ir为消除引线电阻的影响为消除引线电阻的影响， 热电阻采用三导线接法，热电阻采用三导线接法，要求要求r r1 = r r2 = r r3 = r=1r=1 。由由R R23、R R24、r r2构成的支构成的支路为引线电阻补偿电路。路为引线电阻补偿电路。 调整R24,使Ir =It,流过r3的两电流大小相等, 方向相反，故r3上不产生压降。另电阻 r1 、r2 上的压降Itr和Irr亦极性相反，从而消除了引

28、线电阻影响。六、安全火花型防爆措施六、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。电电/气转换器气转换器(Electrical pneumatic signal converter)一、概述一、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：420m

29、A(DC)（2）输出信号：20100KPa （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、安全火花型电气转换器气阻与电阻相似，它可以改变气路中的气体流量气阻与电阻相似，它可以改变气路中的气体流量。流。流过气阻的流体为层流状态时，气阻呈现为线性；而流过气阻的流体为层流状态时，气阻呈现为线性；而流体为紊流状态时，气阻呈现非线性。体为紊流状态时，气阻呈现非线性。有有恒气阻恒气阻( (毛细管、小孔等毛细管、小孔等) )与与可调气阻可调气阻( (变气阻变气阻) )。二、气动仪表的基本元件二、气动仪表的基本元件（一）气阻（一）气阻气容与电容相似，它是具有一定容积的气室，是储能元件；有固定气容与弹性气容两种。固定气室的气容量为恒值。 弹性气容在工作过程中容积发生变化，气容量也随之改变。（二）气容（二）气容（三