控制仪表第二章

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/ /气转换器气转换器按照被控参数分类，变送器主要有差压变送按照被控参数分类，变送器主要有差压变送器、压力变送器、温度变送器、液位变送器和器、压力变送器、温度变送器、液位变送器和流量变送器等。流量变送器等。 变送器的理想输入输出特性如图所示。变送器的理想输入输出特性如图所示。 和和 分别为变送器测量范围的上限值和下限分别为变送器测量范围的上限值和下限值，即被测参数的上限值和下限值。值，即被

2、测参数的上限值和下限值。 和和 分别为变送器输出信号的分别为变送器输出信号的上限值和下限值，对于模拟式变送器，它们即上限值和下限值，对于模拟式变送器，它们即为统一标准信号的上限值和下限值；对于智能为统一标准信号的上限值和下限值；对于智能式变送器，它们即为输出的数字信号范围的上式变送器，它们即为输出的数字信号范围的上限值和下限值。限值和下限值。 maxxmaxyminyyxmaxx0minxmaxyminy变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性minx由图可得出变送器的输出一般表达式为由图可得出变送器的输出一般表达式为 minminmaxminmaxyyyxxxy式中式中 x-x-变送

3、器的输入信号；变送器的输入信号； y-y-相对应于相对应于X X时变送器的输出。时变送器的输出。模拟式变送器的构成原理模拟式变送器的构成原理 模拟式变送器完全由模拟元器件构成，它将模拟式变送器完全由模拟元器件构成，它将输入的各种被测参数转换成统一标准信号，其性输入的各种被测参数转换成统一标准信号，其性能也完全取决于所采用的硬件。从构成原理来看，能也完全取决于所采用的硬件。从构成原理来看，模拟式变送器由测量部分，放大器和反馈部分三模拟式变送器由测量部分，放大器和反馈部分三部分组成。在放大器的输入端还加有调零和零点部分组成。在放大器的输入端还加有调零和零点迁移信号迁移信号 , , 由零点调整（简称

4、调零）和零由零点调整（简称调零）和零点迁移（简称迁移）环节产生。点迁移（简称迁移）环节产生。 zz变送器的构成变送器的构成构成原理构成原理测量部分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 测量部分中包含检测元件，它的作用是检测被测参数测量部分中包含检测元件，它的作用是检测被测参数x x，并将其转换，并将其转换成放大器可以接受的信号成放大器可以接受的信号 , , 可以是电压、电流、位移和作用力可以是电压、电流、位移和作用力等信号，由变送器的类型决定；反馈部分把变送器

5、的输出信号等信号，由变送器的类型决定；反馈部分把变送器的输出信号y y转换成反转换成反馈信号馈信号 ；在放大器的输入端，；在放大器的输入端， 与调零及零点迁移信号与调零及零点迁移信号 的代数和的代数和同同 进行比较，其差值进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换成统一标准信号由放大器进行放大，并转换成统一标准信号y y输出。输出。izfzz 由图可以求得整个变送器的输入输出关系为由图可以求得整个变送器的输入输出关系为)(1zxKKKKyif式中式中 测量部分的转换系数；测量部分的转换系数； 放大器的放大系数；放大器的放大系数； 反馈部分的反馈系数。反馈部分的反馈系数。 KiKfK上式可以改写为

6、如下形式上式可以改写为如下形式ffiKKKzKKxKKy11izfz(3-1)(3-1)(3-2)(3-2)iz 式中第一项式中第一项 对应于图中的特性直线部分；第二项对应于图中的特性直线部分；第二项fiKKxKK1fKKKz1（调零项）影响特性直线的起点（调零项）影响特性直线的起点 的数值。的数值。miny对于输出信号范围为对于输出信号范围为4 420mA DC20mA DC的变送器，的变送器， 的数值由调零项和放大器的数值由调零项和放大器内电子器件的工作电流共同决定。内电子器件的工作电流共同决定。 当当 时，可得时，可得 1fKKffiKzxKKy 上式表明，在满足上式表明，在满足 的条件

7、时，变送器的输出输入关系仅取的条件时，变送器的输出输入关系仅取决于测量部分的特性和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。如决于测量部分的特性和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。如果测量部分的转换系数果测量部分的转换系数 和反馈部分的反馈系数和反馈部分的反馈系数 是常数，则变送器的是常数，则变送器的输出与输入具有如图所示的线性关系。输出与输入具有如图所示的线性关系。iKfKminy1fKK(3-3)(3-3)式（式（3 31 1）和式（）和式（3 33 3）是对变送器特性进行分）是对变送器特性进行分析的主要依据。式（析的主要依据。式（3 31 1）可以用于对变送器特）可以用于对变送器

8、特性的深入研究，如考察放大器放大系数性的深入研究，如考察放大器放大系数K K对整机特对整机特性的影响等；而式性的影响等；而式3 33 3直观的体现了变送器输入直观的体现了变送器输入与输出之间的静态关系，实际应用中较方便。与输出之间的静态关系，实际应用中较方便。 在小型电子式模拟变送器中，反馈部分常常仅由几个在小型电子式模拟变送器中，反馈部分常常仅由几个电阻和电位器构成，因此常把反馈部分和放大器合在一起电阻和电位器构成，因此常把反馈部分和放大器合在一起作为一个负反馈放大部分看待；或者将反馈部分和放大器作为一个负反馈放大部分看待；或者将反馈部分和放大器合做在一块芯片内，这样变送器即可看成由测量部分

9、和负合做在一块芯片内，这样变送器即可看成由测量部分和负反馈放大器两部分组成。另外，调零和零点迁移环节也常反馈放大器两部分组成。另外，调零和零点迁移环节也常常合并在放大器中。常合并在放大器中。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xm

10、ax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变送器的共性问题变送器的共性问题变送器在使用之前，须进行量程调整和零点调整。变送器在使用之前，须进行量程调整和零点调整。量程调整量程调整 量程调整的目的，是使变送器的输出信量程调整的目的，是使变送器的输出信号上限值号上限值 与测量范围的上限值与测量范围的上限值 相相对应。图为变送器量程调整前后的输入输出对应。图为变送器量程调整前后的输入输出特性。由该图可见，量程调整相当于改变变特性。由该图可见，量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是

11、改变变送器输出信号送器输出信号y y与输入信号与输入信号x x之间的比例系数。之间的比例系数。 maxyymaxxminxmaxxx0minymaxy变送器量程调整前后的变送器量程调整前后的输入输出特性输入输出特性零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 零点调整使变送器的测量起点为零，而零点迁移是把测量的起始零点调整使变送器的测量起点为零，而零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值（正值或负值）。测量的起始点由零变为某一点由零迁移到某一数值（正值或负值）。测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量的起始点由零变为某一负值，称为正值，称为正迁移；反之，当测量的起始点由零变为某一负值，

12、称为负迁移。负迁移。maxx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

13、法：改变调零信号改变调零信号Z0 0 零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿x x坐标向右或向左平移了一段坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。 进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。 零点调整的调整量通常比较小，而零点迁移的调整量比较大，可达量零点调整的调整量通常比较小，而零点迁移的调整量比较大，可达量程的一倍或数倍。程的一倍或数倍。 各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定

14、。 零点调整和零点迁移的方法，对于模拟式变送器，是通过改变加在放零点调整和零点迁移的方法，对于模拟式变送器，是通过改变加在放大器输入端上的调零信号大器输入端上的调零信号 的大小来实现。的大小来实现。z变送器零点迁移前后的输入输出特性变送器零点迁移前后的输入输出特性xmaxx0 0minxmaxyminyxmaxx0 0maxyminyminxxmaxx0maxyminy(a) (a) 未迁移未迁移(b) (b) 正迁移正迁移(c) (c) 负迁移负迁移y yy yy y线性化线性化 变送器在使用时，总是变送器在使用时，总是希望其输出信号与被测参数希望其输出信号与被测参数之间成线性关系，但由于传

15、之间成线性关系，但由于传感器组件的输出信号与被测感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性参数之间往往存在着非线性关系，因此，为了使变送器关系，因此，为了使变送器的输出信号的输出信号y y与被测参数与被测参数x x之之间呈线性关系，必须进行非间呈线性关系，必须进行非线性补偿。线性补偿。 对于模拟式变送器，非对于模拟式变送器，非线性补偿方法通常有两种，线性补偿方法通常有两种，如图所示：如图所示： 1 1 使反馈部分与传感器使反馈部分与传感器组件具有相同的线性特性；组件具有相同的线性特性； 2 2 使测量部分与传感器使测量部分与传感器组件具有相反的线性特性。组件具有相反的线性特性。检测元件检

16、测元件x x测量部分测量部分xziz放大器放大器反馈部分反馈部分y_fz(a) (a) 反馈补偿反馈补偿检测元件检测元件x x测量部分测量部分放大器放大器反馈部分反馈部分y(b) (b) 测量补偿测量补偿非线性补偿原理非线性补偿原理_fzzxiz 方法方法1 1的非线性补偿原理如图的非线性补偿原理如图（a a）所示。由图可见，由于反馈部分所示。由图可见，由于反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性，而负反馈放大器的特性是反馈部与传感器组件具有相同的非线性特性，而负反馈放大器的特性是反馈部分特性的倒特性，因此负反馈放大器的特性刚好与传感器组件的非线性分特性的倒特性，因此负反馈放大器的特性刚好与传

17、感器组件的非线性关系相反，结果使得变送器输出信号关系相反，结果使得变送器输出信号Y Y与输入信号与输入信号X X之间呈线性关系。之间呈线性关系。 方法方法2 2的非线性补偿原理如图的非线性补偿原理如图（b b）所示。由图可见，由于测量部分所示。由图可见，由于测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性，刚好补偿了传感器组件的非线性，与传感器组件具有相反的非线性特性，刚好补偿了传感器组件的非线性，因此输入放大器的信号特性是线性的，只要负反馈放大器的特性是线性因此输入放大器的信号特性是线性的，只要负反馈放大器的特性是线性的，则变送器输出信号的，则变送器输出信号Y Y与输入信号与输入信号X X之间呈线性

18、关系。之间呈线性关系。 变送器信号传输方式变送器信号传输方式 通常，变送器安装在现场，它的电源从控制室送来，而输出信号传通常，变送器安装在现场，它的电源从控制室送来，而输出信号传送到控制室。电动模拟式变送器采用二线制或四线制传送电源或输出信送到控制室。电动模拟式变送器采用二线制或四线制传送电源或输出信号。智能式变送器采用双向全数字量传送信号，即现场总线通信方式；号。智能式变送器采用双向全数字量传送信号，即现场总线通信方式；目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通信电缆中同时传输目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通信电缆中同时传输4-20mADC4-20mADC电电流信号和数字信号，这种方式称为流信

19、号和数字信号，这种方式称为HARTHART协议通信方式。协议通信方式。 （1 1） 二线制和四线制传输二线制和四线制传输 电动模拟式变送器的二线制和四线制传输电源和输出信号方式如图所示。电动模拟式变送器的二线制和四线制传输电源和输出信号方式如图所示。图（图（a a）为二线制传输方式，这种方式中，电源、负载电阻和变送器是串联）为二线制传输方式，这种方式中，电源、负载电阻和变送器是串联的，目前大多数变送器均为二线制变送器。图（的，目前大多数变送器均为二线制变送器。图（b b）为四线制传输方式，这）为四线制传输方式，这种方式中，电源和负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和输出信号种方式中，电源和

20、负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和输出信号分别用二根导线传输，这类变送器称为四线制变送器。分别用二根导线传输，这类变送器称为四线制变送器。二二线线制制变变送送器器IUrILRE四四线线制制变变送送器器ILR电电源源（a a）二线制变送器）二线制变送器（b b）四线制变送器）四线制变送器变送器的电源和输出信号传输方式变送器的电源和输出信号传输方式 二线制变送器同四线制变送器相比，具有节省连接电缆、有利于安全二线制变送器同四线制变送器相比，具有节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰等优点，从而大大降低安装费用，减少自控系统投资。但二防爆和抗干扰等优点，从而大大降低安装费用，减少自控系统投资。

21、但二线制变送器，必须满足如下三个条件。线制变送器，必须满足如下三个条件。 变送器的正常工作电流变送器的正常工作电流 必须得等于或小于变送器输出电流的最小值必须得等于或小于变送器输出电流的最小值 。 通常，二线制变送器的输出通常，二线制变送器的输出电流下限值为电流下限值为4mADC4mADC，在此条件下，变送器须能，在此条件下，变送器须能够正常工作。但对于输出电流为够正常工作。但对于输出电流为0-10mADC0-10mADC的变送器，若也采用二线制，则在输出的变送器，若也采用二线制，则在输出电流为零时，变送器的工作电流也为零。显然，凡输出电流采用电流为零时，变送器的工作电流也为零。显然，凡输出电

22、流采用0-10mADC0-10mADC的仪表的仪表是不能采用二线制的。是不能采用二线制的。在下列电压条件下，变送器能保持正常工作。在下列电压条件下，变送器能保持正常工作。 式中式中 变送器输出端电压；变送器输出端电压； 电源电压的最小值；电源电压的最小值； 输出电流的上限值，输出电流的上限值，20mADC ； 变送器的最大负载电阻值；变送器的最大负载电阻值； 连接导线的电阻值。连接导线的电阻值。 由图由图（a a）可以看出，变送器的输出端电压值可以看出，变送器的输出端电压值 等等于电源电压值和输出电于电源电压值和输出电流在负载电阻流在负载电阻 及传输导线电阻及传输导线电阻 上的压降之差，为保证

23、变送器的正常工作，上的压降之差，为保证变送器的正常工作，输出端电压值只允许在限定范围之内变化。如果负载电阻要增加，电源电压就需输出端电压值只允许在限定范围之内变化。如果负载电阻要增加，电源电压就需增大。增大。 变送器的最小有效功率变送器的最小有效功率P P为为IminoIminoII )(maxmaxminrRIEULoTTUminEmaxoImaxLRrTULRr)(maxminminminLooRIEIP差压变送器差压变送器用来将差压、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

24、、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）概述测量部分杠杆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1.1. 工作原理工作原理Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+MoPiFiF1-MfFfIoSFo1 3000200taniffffpiffl l AlIpFl l Kl KlKpFl K式中式中 变送器的比例系数，变送器的比例系数， 。 pKffpKllllAK231tan 由上式由上式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下，在满足深度负反馈条件下，输出电流Io与输

25、入差压Pi成正比。00FKllff 式中式中 为调零项，为调零项，改变调零弹簧作用力Fo可调整变送器的零点。 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，因此力平衡式差压变送器在调较调整量程会影响变送器的零点，因此力平衡式差压变送器在调较时，零点和量程要反复调整。时，零点和量程要反复调整。13000200t a niffffpiffl lAlIpFl lKlKlKpFlK作用：把被测差压作用：把被测差压P转换成作用转换成作用于主杠杆下端

26、的输入力于主杠杆下端的输入力Fi ，Ai 为为膜盒正、负压室膜片的有效面积。膜盒正、负压室膜片的有效面积。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：组成： 主杠杆主杠杆1、矢量机、矢量机构构2和副杠杠和副杠杠4，以及调零以及调零机构、零点迁移机构、静机构、零点迁移机构、静压调整和过载保护、平衡压调整和过载保护、平衡锤。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 ：iFl

27、lF211 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 ：21tanFF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 副杠杆副杠杆进行力矩的比较进行力矩的比较 fffFlMCMSlS 000Ml FifMMM32iMl F000if31i0002f ff fPi(2)FF25. ,( A PF )tgIFKKKPooaFll lllllll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

28、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0001f fFF (2-6)AKlll 调零和零点迁移机构调零和零点迁移机构.1.2.2-92 9.2 5bcM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

29、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、耐振动性能，而且在仪表不垂直安装时也不影解决办法：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 ，它由反馈动圈和永久磁钢组成。，它由反

30、馈动圈和永久磁钢组成。 Ff =BDcWI0 设设 Kf =BDcW 改变反馈动圈的匝数，可以改变改变反馈动圈的匝数，可以改变 Kf 的大小的大小 则则 Ff = KfI0电磁反馈装置的结构原理图电磁反馈装置的结构原理图式中式中 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。 1-3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匝，匝，W2=1450匝匝（三）低频

31、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。 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。 构成方框图实质上是一个位移实质上是一个位移/ /电流转换器。电流转换器。低频位移检测放大器原理图低频位移检测放大器原理图1.1.差动变压器：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差动变压器由位移检测片（衔铁），上、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

32、。下罐形磁心和四组线圈组成。差动变压器的原理图差动变压器的原理图2.2.低频振荡器低频振荡器D1、D2 可以提供偏置可以提供偏置电电压压，使三，使三极极管管BG1正常工正常工作。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。管。R2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 0时，Ci1电容量减小，Ci2电容量增大。（三）转换放大电路（三）转换放大电路作用：作用： 将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输出信

33、号。出信号。 此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、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。阻尼调整等功能。电路包括电路包括电容电流转换电路及放大电路两部分转换放大部分电路原理方框图转换放大部分电路原理方框图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IC1IC3E1245VCi1Ci2RLI 0420mA共模信号差动信号振荡控制放大器前置放大器1.1.电容电流转换电路电容电流转换电路振荡器振荡器 包括包括VT1、T1等，向等，向Ci1和和Ci2提供高频电源提供高频电源将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流将差动电容的相对变化值

34、成比例地转换为差动电流信号信号 (电流变化值电流变化值)。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。 电容电容/电流转换电路电流转换电路 其作用是将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动信号。其作用是将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动信号。它由振荡器、解调器、振荡控制放大电路和线性调整电路等它由振荡器、解调器、振荡控制放大电路和线性调整电路等部分组成。部分组成。电容式压力传感器的电容式压力传感器的Ci1和和Ci2由振荡器供电，因此，两个电容由振荡器供电，因此，两个电容的电容量变化，被转换为电流变化，其

35、中流过的电容量变化，被转换为电流变化，其中流过Ci1的电流为的电流为 i1 流过流过Ci2的电流为的电流为 i2。经解调器相敏整流后输出两组信号，一。经解调器相敏整流后输出两组信号，一组（组（i2-i1 ）为差动信号）为差动信号Id，另一组（，另一组（i2+i1 ）为共模信号）为共模信号Ic。差动信号差动信号Id经电流放大电路放大成经电流放大电路放大成420mADC的输出电流的输出电流I0；共模信号共模信号Ic作为振荡控制放大电路的输入信号，以控制振荡作为振荡控制放大电路的输入信号，以控制振荡器的供电电压，使得器的供电电压，使得 i1+i2 保持不变，从而保证保持不变，从而保证Id与输入差与输

36、入差压压P成比例关系。成比例关系。UR为运算放大器为运算放大器IC2输出电压。由于输出电压。由于IC2构成电压跟随器，其构成电压跟随器，其输入电压稳压管输入电压稳压管VZ1的稳定电压通过的稳定电压通过R10，R13和和R14分压所分压所得，故得，故UR是恒定的，其作用是为振荡控制放大电路提供基准是恒定的，其作用是为振荡控制放大电路提供基准电压。电压。 电容电容/电流转换电路电流转换电路 振荡器振荡器 振荡器用于向电容式压传感器的振荡器用于向电容式压传感器的Ci1和和Ci2提供高频提供高频电源。电源。U01为运算放大器为运算放大器IC1的输出电压，作为振荡器的供电电压，的输出电压，作为振荡器的供

37、电电压，因此因此U01的大小可控制振荡器的输出辐度。变压器有三组输出的大小可控制振荡器的输出辐度。变压器有三组输出绕组并构成绕组并构成 了相应的整流回路，图了相应的整流回路，图2-23画出了一个输出绕组画出了一个输出绕组回路的等效电路，其等效电感为回路的等效电路，其等效电感为L，等效负载电容为，等效负载电容为C，它的，它的大小主要取决于测量元件的差动电容值。大小主要取决于测量元件的差动电容值。由图由图2-23可见，振荡器为变压器反馈振荡器。等效负载电容可见，振荡器为变压器反馈振荡器。等效负载电容C和输出绕组的电感和输出绕组的电感L构成了并联谐振回路，其谐振频率也就构成了并联谐振回路，其谐振频率

38、也就是振荡器的振荡频率，约为是振荡器的振荡频率，约为32KHZ，由于测量元件的差动电，由于测量元件的差动电容值是随输入差压容值是随输入差压P而变化的，因此振荡器的振荡频率也是而变化的，因此振荡器的振荡频率也是变化的。变化的。解调解调和振荡控制电路和振荡控制电路 (包括解调器和振荡控制电路包括解调器和振荡控制电路)Ii = I2 - I1 = ( I2+ + I1) 解调解调(即相敏整流即相敏整流)后输出两组电流信号后输出两组电流信号 ：差动信号：差动信号和共模信号，使后者保持不变，可得和共模信号，使后者保持不变，可得Ci2- -Ci1Ci2+ +Ci1= K3Ci2- -Ci1Ci2+ +Ci

39、1 解调器解调器 解调器用于对通过差动电容解调器用于对通过差动电容Ci1和和Ci2的高频电流进行的高频电流进行半波整流，它包括二极管半波整流，它包括二极管VD1VD8，分别构成四个半波整流电路。，分别构成四个半波整流电路。每一个回路中，采用两个二极管串联，目的是提高电路的可靠性。每一个回路中，采用两个二极管串联，目的是提高电路的可靠性。由于差动电容的电容量很小，其阻抗远大于回路中其他电容和电阻由于差动电容的电容量很小，其阻抗远大于回路中其他电容和电阻的阻抗，因此在振荡器输出幅度恒定的情况下，各个回路的电流主的阻抗，因此在振荡器输出幅度恒定的情况下，各个回路的电流主要取决于要取决于Ci1和和Ci

40、2。图图2-24中，流过中，流过VD1、VD5的电流和流过的电流和流过VD2、VD6的电流，都是的电流，都是由由Ci2决定的，因此可以认为两者相等，均为决定的，因此可以认为两者相等，均为 i 2。流过。流过VD3、VD7电流和流过电流和流过VD4、VD8的电流都是由的电流都是由Ci1决定的，因此可以认为两决定的，因此可以认为两者也相等，均为者也相等，均为 i 1。解调器的工作原理可结合图解调器的工作原理可结合图2-24来说明。来说明。当振荡器输出为正半周时（当振荡器输出为正半周时（T1同相端为正时），同相端为正时），VD2、VD6及及VD3，VD7导通，而导通，而VD1，VD5及及VD4，VD

41、8截止。绕组截止。绕组2-11产生的电流产生的电流 i2 的路线为的路线为 )11(,21111722261TCCCCVDVDTi绕组绕组3-10产生的电流的路线为产生的电流的路线为 )10(,318617113741TRRCCCVDVDRTi当振荡器输出为负半周时（当振荡器输出为负半周时（T1T1同相端为负时），同相端为负时），VD1VD1、VD5VD5及及VD4VD4，VD8VD8导通，导通，而而VD2VD2，VD6VD6及及VD3VD3，VD7VD7截止。绕组截止。绕组2-112-11产生的电流产生的电流 i1 i1 的路线为的路线为 从图从图2-242-24中可以看出，绕组中可以看出，

42、绕组2-112-11在振荡器正、负半周中产生的电流在振荡器正、负半周中产生的电流i1i1和和i2i2以相反的方向流过以相反的方向流过C11C11，两者平均值之差，两者平均值之差I2-I1I2-I1即为解调器输出的差动即为解调器输出的差动信号信号IdId，作为一下级电流放大器的输入信号。绕组，作为一下级电流放大器的输入信号。绕组3-103-10和和1-121-12产生的电产生的电流流i1i1和和i2i2流过流过R6/R8R6/R8和和R9/R7R9/R7产生的电压，对运算放大器产生的电压，对运算放大器IC1IC1输出端说，输出端说，极性相同，两者平均值之和极性相同，两者平均值之和I2+I1I2+

43、I1即为解调器输出的共模信号即为解调器输出的共模信号IcIc。为了求得差动信号为了求得差动信号I2-I1I2-I1与差动电容相对变化值的关系，先要确定与差动电容相对变化值的关系，先要确定i1i1、i2i2的大小。因为电路时间常数比振荡周期小得多，可以认为的大小。因为电路时间常数比振荡周期小得多，可以认为C Ci1i1、C Ci2i2两端电两端电压的变化等于振荡器输出高频电压的峰压的变化等于振荡器输出高频电压的峰- -峰值峰值UppUpp，因此可求得，因此可求得 i1i1和和i2i2的的平均值平均值I1I1，I2I2如下如下 )2(,11184117111TVDVDCCCCTi绕组绕组1-121

44、-12产生的电流产生的电流i2 i2 的路线为的路线为) 1 (,1213512217971TRVDVDCCCRRTi 式中式中 T振荡器输出高频电压的周期；振荡器输出高频电压的周期； f振荡器输出高频电压的频率。振荡器输出高频电压的频率。fUCTUCIppippi111fUCTUCIppippi222因此，两电流的平均值之差因此，两电流的平均值之差IdId及两者之和及两者之和IcIc分别为分别为fUCCIIIppiid1212fUCCIIIppiic1212又因为又因为fUCCfUCCIIppiippiicd)()(1212可得可得 1212iiiiCdCCCCIIpKpKIpKKIImcc

45、d21 有：式中，式中，KmKm电容式变送器测量部分的转换系数，电容式变送器测量部分的转换系数，Km=IcKm=Ic* *K K上式表明，只要设法使上式表明，只要设法使I I2 2+I+I1 1即即IcIc维持恒定，便可使测量部分维持恒定，便可使测量部分输出的差动信号输出的差动信号IdId和输入差压和输入差压P P成比例关系。成比例关系。 振荡控制放大器振荡控制放大器 其作用是使流过其作用是使流过VD1VD1，VD5VD5和和VD3VD3，VD7VD7的电流之和的电流之和I I2 2+I+I1 1即即IcIc等于常等于常数。数。由图由图2-242-24可知，在不考虑线性调整电路作用时，可知，在

46、不考虑线性调整电路作用时，IC1IC1的输入端接受的输入端接受两个电压信号：一个是基准电压两个电压信号：一个是基准电压URUR在在R9R9和和R8R8上的压降，设为上的压降，设为Ui1,Ui1,另另一个是共模信号一个是共模信号IcIc在在R6/R8R6/R8和和R7/R9R7/R9上的压降，设为上的压降，设为Ui2Ui2。 由于由于R6=R9，R7=R8，故上式可写成，故上式可写成RRiURRRURRRU979868129797186862IRRRRIRRRRUiRiURRRRU869811286862IIRRRRUi如把如把IC1看作理想运算放大器，即看作理想运算放大器，即Ud=Ud1+Ud

47、2=0 则可得则可得 上式中上式中R6R6，R8R8，R9R9和和URUR均恒定不变，因此均恒定不变，因此I2+I1I2+I1也恒定不变，即也恒定不变，即IcIc为为常数。常数。RiiURRRRIIUU869812210线性调整电路线性调整电路( (包括包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等等)检测元件中分布电容的存在，使差动电容的相对变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化值减小，造成非线性误差，故设计了线形调整电路。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R

48、P1的阻值。 线性调整电路线性调整电路 线性调整电路的作用是进行非线性补偿，以保证测量部分输出的差线性调整电路的作用是进行非线性补偿，以保证测量部分输出的差动信号动信号Id和输入差压和输入差压P成线性关系。成线性关系。Id和和P的非线关系是由电容式压力传感器的的非线关系是由电容式压力传感器的分布电容引起的。分布电容引起的。在考虑电容式压力传感器的分布电容在考虑电容式压力传感器的分布电容C0时，差动电容的实际电容量为时，差动电容的实际电容量为 因此测量部分输出的差动信号因此测量部分输出的差动信号Id变为变为 011CCCii022CCCii1201212012121212212)()(iiiii

49、iciiiiciiiicdCCCCCCCICCCCCICCCCII可得可得 在输入差压在输入差压P=0时，时，Ci1=Ci2，而随，而随P的增大，的增大，Ci2增大，增大，Ci1减小。减小。实验和理论计算表明，实验和理论计算表明，Ci2增大的速率要比增大的速率要比Ci1减小的速率快，这将使得减小的速率快，这将使得（Ci2+ Ci1）随着）随着P的增加而增大，的增加而增大，Id与与P之间不存在线性关系。之间不存在线性关系。如果使如果使IC随着随着P的增大而减小，从而使乘积保持不变，则的增大而减小，从而使乘积保持不变，则Id与与P之间之间的线性关系也就保持不变。线性调整电路即按照这一原理实现非线性

50、补偿的线性关系也就保持不变。线性调整电路即按照这一原理实现非线性补偿的。的。 变成器变成器T1的输出绕组的输出绕组3-10和和1-12的输出电压经的输出电压经VD9，VD10，半波整流，半波整流后，在后，在R22，R23，RP1上形成压降，经上形成压降，经C8滤波后可得到补偿电压滤波后可得到补偿电压Ui3。因因R22=R23，故当，故当RP1=0时，绕组时，绕组3-10回路和绕组回路和绕组1-12回路在振荡器正、回路在振荡器正、负半周内的负载电阻相等，负半周内的负载电阻相等，Ui3=0，无补偿作用；而当，无补偿作用；而当RP10时，两绕组时，两绕组回路在振荡器正负半周内的负载电阻不相等，所以回

51、路在振荡器正负半周内的负载电阻不相等，所以Ui30。pKIpCCCKIIciiCd312021调整电位器RP1，可以改变补偿电压Ui3的大小使得变送器的非线性误差小于0.1%。2.放大及输出限制电路放大及输出限制电路将电流信号将电流信号 Ii 放大，并输出放大，并输出4 20mA的直流电流。的直流电流。放大部分放大部分 放大部分的作用是把测量部分输出的差动信号放大部分的作用是把测量部分输出的差动信号Id放大并转换成放大并转换成420mA的的直流输出电流，并实现量程调整、零点调整和迁移、输出限幅和阻尼调整直流输出电流，并实现量程调整、零点调整和迁移、输出限幅和阻尼调整功能。它由电流放大电路、零点

52、调整与零点迁移电路、输出限幅电路及阻功能。它由电流放大电路、零点调整与零点迁移电路、输出限幅电路及阻尼调整电路组成。尼调整电路组成。（1）电流放大电路）电流放大电路电流放大电路的作用是把电流放大电路的作用是把Id并转换成并转换成420mA的直流输出电流，并实现量的直流输出电流，并实现量程调整。它包括放大器和反馈电路，前者由运算放大器程调整。它包括放大器和反馈电路，前者由运算放大器IC3和晶体管和晶体管VT3，VT4及有关元件组成；后者由电阻及有关元件组成；后者由电阻R31，R33，R34和电位器和电位器RP3组成。组成。图中，图中，VZ1的稳定电压经的稳定电压经R10，R13，R14分压后加在

53、分压后加在IC3的反相输入端，的反相输入端，使得使得IC3的反相输入端电位在共模输入电压范围之内，以保证运算放大器的反相输入端电位在共模输入电压范围之内，以保证运算放大器能正常工作。能正常工作。R19为变送器电子器件的工作电流提供通路，以保证变送器为变送器电子器件的工作电流提供通路，以保证变送器在接通电源时能能正常启动工作。在接通电源时能能正常启动工作。Ra,Rb,Rc为为R31，RP3组成的电路组成的电路-Y变换后的等效电阻，设变换后的等效电阻，设RP31,RP32分别为中心触点左右两边的阻值，则分别为中心触点左右两边的阻值，则Ra,Rb分别为分别为33132313313131,WWWbWW

54、aRRRRRRRRRR输出电流输出电流I0流经的路线为流经的路线为 其中，流经其中，流经R34，C11支路的部分电流为支路的部分电流为I0产生的反馈电流产生的反馈电流If。下面分析该电路输出电流下面分析该电路输出电流I0 与输入信号与输入信号Id的关系。的关系。测量部分输出的差动信号测量部分输出的差动信号Id 对对C11充电，使得充电，使得B与基准地（与基准地（A3电源正极）之间的电源正极）之间的电压电压Ub增加，从而增加，从而A3的输出电压的输出电压U03增大，即增大，即VT3的基极电压增加，其集电极电的基极电压增加，其集电极电流流Ic3 也就是也就是VT4的基极电流的基极电流Ic4 增加，

55、增加，VT4 的发射极电流的发射极电流Ic4增大，增大，VT4 即为变即为变送器输出电流送器输出电流I0。I0经反馈电路产生的反馈电流如果也增加。如果经经反馈电路产生的反馈电流如果也增加。如果经R34对对C11反反向充电，使向充电，使Ub减小。在如果减小。在如果=Id，即，即C11的正、反向充电电源相等时，的正、反向充电电源相等时，U8一定，一定，相应的输出电流相应的输出电流I0也一定，这时，也一定，这时，I0与与Id成比例关系。成比例关系。由图可以求得反馈电流与由图可以求得反馈电流与I0的关系为的关系为113442181133112/CRERVTVTRVDRPRVDELbaoobafRRRR

56、IRRRIRRRRRRI3334348333433833式中，Kf为反馈部分的反馈系数，3433RRRKaf 最后经计算得；最后经计算得； 上式表明：上式表明：在量程一定时，在量程一定时，Kf与与Km为常数，即变送器的输出电流为常数，即变送器的输出电流I0和输入和输入 信号信号P之间呈之间呈线性关系，其基本误差一般为线性关系，其基本误差一般为0.2%，变差为，变差为0.1%；改变反馈系数改变反馈系数Kf的大小，可以调整变送器的量程，的大小，可以调整变送器的量程，Kf的改变是通过调整电位器的改变是通过调整电位器RP3实现的，实现的，RP3为量程调整电位器。为量程调整电位器。（2）零点调整与零点迁

57、移电路）零点调整与零点迁移电路零点调整与零点迁移电路分别用以调整变送器的输出零位和实现变送器的零点迁零点调整与零点迁移电路分别用以调整变送器的输出零位和实现变送器的零点迁移。移。图图2-26中，电阻中，电阻R36，R37和电位器和电位器RP2构成零点调整电路，构成零点调整电路，RP2为调零电位器。为调零电位器。在输入在输入 差压差压P=0时，调整电位器时，调整电位器RP2，可以使得变送器的输出零点电流为，可以使得变送器的输出零点电流为4MA。值得指出的是，调整值得指出的是，调整RP2改变变送器零点电流时，对变送器的满度值会有影响；改变变送器零点电流时，对变送器的满度值会有影响；而调整电位器而调

58、整电位器RP3改变变送器的量程时，对变送器的零点电流也会有影响。因此，改变变送器的量程时，对变送器的零点电流也会有影响。因此，在仪表调校时，应反复调整零点和满度。在仪表调校时，应反复调整零点和满度。pKKIKImfdfo11图中，电阻图中，电阻R20，R21和开关和开关S构成零点迁移电路，构成零点迁移电路，S为零点迁为零点迁移开关。零点迁移电路的作用与调零电路相类似，把移开关。零点迁移电路的作用与调零电路相类似，把S接通接通R20或或R21，使变送器的零位电流产生了很大的变化，即实现了变，使变送器的零位电流产生了很大的变化，即实现了变送器的零点迁移。接通送器的零点迁移。接通R20时，零位电流减

59、小，从而可实现正时，零位电流减小，从而可实现正迁移；当接通迁移；当接通R21时，零位电流增加，可实现负迁移。时，零位电流增加，可实现负迁移。 放大放大电路电路( (包括包括IC3、VT3、 VT4等等)IC3起前置放大作用，起前置放大作用， VT3、 VT4组成复合管，将组成复合管，将IC3的输出电压变换为变送器的输出电流。的输出电压变换为变送器的输出电流。电阻电阻R31、 R33、 R34和电位器和电位器Rp3组成反馈网络，输出电组成反馈网络，输出电流流Io经这一网络分流，得到反馈电流经这一网络分流，得到反馈电流If，送至放大器送至放大器的输入端，这深度负反馈的输入端，这深度负反馈保证了保证

60、了Ii 和和 Io的线性关系。的线性关系。电位器电位器Rp2用以调整输出零位。用以调整输出零位。S为正负迁移调整开关，为正负迁移调整开关，可实现变送器的正向或负向迁移。电位器可实现变送器的正向或负向迁移。电位器Rp3用以调用以调整变送器的量程。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：对电路的分析，可推得如下的输入、输出关系式：调零和调量程电路Io = K3K4Ci2- -Ci1Ci2+ +Ci1+ K4K5 ( UA- - a aUVZ1) 式中：式中：K4 =RiRf，K5 =1Ri，、a a为分压系数。（3）输出限幅电路）输出限幅电路输出限幅电路用于限制变送器输出电流输