自动化仪表及装置-第二章-变送器和转换器

控制仪表及装置第二章变送器和转换器1第二章变送器和转换器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/气转换器变送器和2

一、基本定义:量程调整、零点调整和零点迁移二、变送器的构成本节重点内容介绍第一节变送器的构成3第一节变送器的构成一、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4二、量程调整、零点调整和零点迁移量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数。

量程调整（即满度调整）的目的:使变送器输出信号上限值ymax与测量范围上限值xmax相对应。方法：改变反馈部分反馈系数

改变测量部分转换系数5零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。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。

零点调整和零点迁移都是使变送器输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=

0时，称为零点调整，在xmin≠

0时，称为零点迁移。

6

一、力平衡式差压变送器熟悉其结构、掌握其工作原理、读懂电路图二、电容式差压变送器理解其结构、掌握其工作原理本节重点内容介绍第二节差压变送器7第二节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）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8（二）工作原理和结构1.工作原理Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+Mo△PiFiF1-MfFfIoSFo9作用：把被测差压ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi

A1=A2=AFi=A

(P1-P2)=AΔPi

Fi=A1P1-A2P2因:故:2.结构(1)测量部分10(2)杠杆系统

作用：进行力的传递和力矩比较。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。11①

主杠杆——将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1：12②

矢量机构——将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2

：改变tan，可改变差压变送器的量程：4－15，量程比为tan15/tan4=3.8313③

副杠杆——进行力矩的比较

14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。15④调零和零点迁移机构1617平衡带拉条⑤过载保护装置和静压调整18⑤过载保护装置和静压调整19平衡锤作用：使副杠杆的重心和其支点M重合，提高仪表的耐冲击、耐振动性能；在仪表不垂直安装时，不影响精度。20(3)电磁反馈装置

作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff

Ff=πB0DWI0

设

Kf

=πB0DW

改变反馈动圈的匝数，可以改变

Kf

的大小

则

Ff=KfI0211-3短接、2-4短接：W=W1=725匝

1-2短接：

W

=

W1+W2=2175匝

可实现3:1的量程调整

W1=725匝W2=1450匝Kf

=πB0DW

22（三）低频位移检测放大器

作用：把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S转换成4~20mA的直流输出电流。由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率放大器组成。构成方框图231.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差动变压器原理图BDAC-+(1)结构241.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差动变压器原理图BDAC-+(2)工作原理（a）位移s=δ/2uCD

=0（b）位移s<δ/2uCD

、uAB同相（c）位移s>δ/2uCD

、uAB反相252.低频放大器D1、D2可以提供偏置电压，使三极管BG1正常工作。

两个二极管D1、D2就相当于一个稳压管。

振荡器电路（1）振荡器26低频振荡器的起振条件振荡频率：相位条件

：s</2时，

uCD

与

uAB

相位相同，则电路就形成正反馈。振幅条件：K

F

=1,选择合适的电路参数，可满足这一条件。1f0=LABC4227振荡器的放大特性和反馈特性幅值可控工作点即：

S

FP点上移uAB

工作中，F随S的变化而变化。S较大时，F较小；（磁阻较大）S较小时，F较大。（磁阻较小）28(2)整流滤波电路整流滤波电路振荡器的输出电压uAB经二极管D4整流，通过电阻R8-9和电容C5滤波，得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。29(3)功率放大器稳定工作点提高输入阻抗穿透电流旁路，改善温度特性采用复合管，目的一是提高电流放大倍数；二是电平配置30其他元件作用R1、C1：相位校正作用，对高次谐波造成相移，破坏其振荡条件，防止高次谐波产生寄生振荡。R10：改变放大器灵敏度。高量程时，通过端子7、8将其接入，以降低灵敏度。R7：稳定振荡管输入电压。C3、C6：高频旁路电容，可减小交流分量。D9：防止电源反接。31安全火花防爆原则：①电子线路设计上。②安装使用上（不让火花窜入现场）隔离。尽可能减少贮能元件（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。3、安全火花(本质安全)防爆32限能限流负载两线制位移检测放大器总图及本安防爆措施见下：33（一）概述检测部分感压膜片差动电容电容-电流转换电路放大和输出限制电路反馈电路调零、迁移信号＋－反馈信号转换部分二、电容式差压变送器电容式差压变送器构成方框图34（二）测量部件

作用：测量部件结构Ci235结论：(1)相对变化值与被测差压成线性关系。

(2)与介电常数无关,可大大减小温度对变送器的影响。(3)

与有关。愈小，灵敏度越高。36（三）转换放大电路作用：将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输出信号。此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。电路构成:包括电容－电流转换电路及放大电路两部分37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IC1IC3＋－E12～45VCi1Ci2RLI04～20mA共模信号－－＋差动信号振荡控制放大器前置放大器381.电容－电流转换电路振荡器包括VT1、T1等，向Ci1和Ci2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信号(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。39解调和振荡控制电路:包括解调器和振荡控制电路Ii

=I2

-

I1

=(

I2+

I1)

解调(即相敏整流)后输出两组电流信号：差动信号和共模信号，使后者保持不变，可得Ci2-Ci1Ci2+Ci1=K3Ci2-Ci1Ci2+Ci140线性调整电路:包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等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RP1的阻值。412.放大及输出限制电路将电流信号Ii

放大，并输出4~20mA的直流电流。42放大电路:包括IC3、VT3、VT4等IC3起前置放大作用，VT3、VT4组成复合管，将IC3的输出电压变换为变送器的输出电流。电阻R31、R33、R34和电位器Rp3组成反馈网络，输出电流Io经这一网络分流，得到反馈电流If，送至放大器的输入端，这深度负反馈保证了Ii和Io的线性关系。电位器Rp2用以调整输出零位。S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Rp3用以调整变送器的量程。对电路的分析，可推得如下的输入、输出关系式：43调零和调量程电路Io

=K3K4Ci2-Ci1Ci2+Ci1+K4K5(

UA-

aUVZ1)

式中：K4

=RiRf，K5

=1Ri，、a为分压系数。44输出限制电路:包括VT2、R18等当输出电流超过允许值时，R18上压降变大，使VT2的集电极电位降低，从而使该管处于饱和状态，流过VT2(也即VT4)的电流受到限制(Io不超过30mA)。其它元件的作用R38、R39、C22和RP4构成阻尼电路，抑制变送器的输出波动，RP4用来调整阻尼时间。VZ2起稳压作用，还可防止电源反接时损坏器件。VD12在指示仪表未接同时，为输出电流提供通路,同时起反向保护作用。45第三节温度变送器1.变送器分类：两线制和四线制2.变送器品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热电阻温度变送器3.四线制温度变送器的特点（2条）4.变送器的线路结构：量程单元和放大单元5.读懂直流毫伏变送器量程单元电路图、热电偶温度变送器量程单元电路图、热电阻温度变送器量程单元电路图本节重点内容介绍46第三节温度变送器定义:将来自热电偶或热电阻的温度信号转换为统一标准的信号(420mA直流电流或15V直流电压)，以实现对温度的显示、记录或自动控制。分类：变送器有两线制和四线制之分，主要讨论四线制变送器。变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热电阻温度变送器。47一、四线制温度变送器1.四线制温度变送器的特点：在热电偶和热电阻温度变送器中，采用了线性化电路，实现了变送器输出信号与温度的线性关系。变送器输入、输出之间具有隔离变压器，并且采取了本安防爆措施。（一）概述48输入回路电压放大反馈回路直流-交流变换器功率放大整流滤波隔离输出U’ZU’fUi、Et-+UoIo量程单元放大单元温度变送器结构方框图2.结构在线路结构上分为量程单元和放大单元，放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。49（二）放大单元工作原理由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的运算放大器。温漂系数：UOS随温度而变化的数值，即在温度变化Δt时，失调电压的变化量为：ΔUOS的变化给仪表带来的附加误差表示为：温漂系数和仪表附加误差的关系：1.电压放大电路其作用是将量程单元输出的毫伏信号放大，输出直流电流Io和直流电压Uo信号。50当温度变送器的最小量程Ui为3mV，温升t为30oC，要求附加误差小于等于0.3%时，通过计算可得失调电压的温漂系数：

512.功率放大电路由VT1、VT2、T0等组成。其作用是把

IC1

输出的电压信号转换成电流信号，再通过隔离变压器实现隔离输出。VT1、VT2起功放作用，由交流方波电压供电。在方波的前后半周期，二极管轮流导通，电流通过T0的两个绕组而产生交变磁通，在T0副边产生交变电流iL。523.隔离输出电路由整流二极管VD13~16、保护二极管VD17~18等组成。其作用是将功放输出的交流信号转换成直流信号,并实现隔离输出。7-8端接输出负载，为电流输出（4-20mA）5-6端为电压输出（1-5v）7534.直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器由整流二极管VD3~8、变压器T1等组成。其作用是对仪表进行隔离式供电。先把24V直流电压转换成一定频率的的交流方波电压，再经过整流、滤波和稳压，提供直流电压。电路核心是直流-交流(DC/AC)变换器，一个磁耦合多谐振荡器。振荡频率可求得感应电势：ES

=4WcBmST因此振荡频率为：f

=4WcBmSES(T为周期,S为磁芯截面积，Bm为磁感应强度)54（三）直流毫伏变送器量程单元R109R110R140上K下量程单元由输入回路(左半部分)和反馈回路(右半部分)组成，将其与IC1联系起来画成下图。输入电阻输入电阻稳压二极管Ui输入电压零点调整和零点迁移电路滤波电容输入信号断路报警电路Rp1Rp21Rp22Rp11Rp2量程调整电位器55输入回路:

R101、R102及VZ101、VZ102分别起限流和限压作用。R103、R104、R105及RP1组成零点调整和零点迁移电路，桥路基准电压UZ由集成稳压器提供。图中红笔部分为输入信号断路报警电路。按叠加原理，IC1同相输入端的电压UT为:UT=Ui

+Uz’=Ui

+Rcd

+R103R103+RP1//R104

+R105Uz(式中Rcd

=RP11R104RP1+R104

Ui

+R105Rcd

+R103Uz=Ui

+

Uz)56从反馈回路可得IC1反相输入端的电压UF为UF=R106+R111+RP21R111+R114UzR115R115+R116U05+R106R107=1U0+Uz57从反馈回路可得IC1反相输入端的电压UF为UF=R106+R111+RP21R111+R114UzR115R115+R116U05+R106R107=1U0+Uz因UT

UF故U0=

[Ui

+(-)Uz

]结论：(1)改变值,即更换R103和调整RP1,可实现零迁和调零。

(2)改变值,即更换R114和调整RP2,可实现量程调整。

(3)零位和满度必须反复调整。

UT

Ui

+R105Rcd

+R103Uz=Ui

+

Uz58（四）热电偶温度变送器量程单元EtVs4Vs2Vs3Vs1Uz’Uz591.冷端温度补偿采用两个铜电阻，固定为50。当热电偶型号不同时，只需调整几个锰铜电阻或金属膜电阻。按叠加原理，可求得IC1同相端的电压UT为(见教材)UT=Et+RCu1

RCu2R103+RCu1+RCu2)Uz1R105(R100+

所以，601.冷端温度补偿UT=Et+RCu1

RCu2R103+RCu1+RCu2)Uz1R105(R100+

从上式可知，冷端环境温度变化时，RCu1、RCu2的阻值也随之变化，从而补偿了由于环境温度升降引起的热电偶电势的变化。而且，补偿特性与热电偶的特性相似，故补偿精度高。61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EtVz’+-ttttEtVoVo(Vo)tVf’Vf’2.线性化采取在反馈回路中置入与热电偶特性相一致的非线性电路的方法，如下图所示。62用四段折线来模拟非线性运算电路，如下图。折线的段数及斜率大小由热电偶的特性来确定。表示直线的斜率。Va4Vf5Vf4Vf3Vf2Vf1Va3Va2Va10Va5VfVa1432①②③④63非线性电路的实现Vs4Vs3Vs2Vs1在IC2的反馈回路中加入一些稳压管和基准电压，利用稳压管的击穿特性实现折线电路。64非线性电路的实现第一段直线Vs4Vs3Vs2Vs1RaΔUaΔUcΔUfΔUbRo6566非线性电路的实现第二段直线Vs4Vs3Vs2Vs1RaΔUaΔUcΔUfΔUbRoR11967斜率变大了68Ir（五）热电阻温度变送器量程单元691.线性化原理与电路分析（1）热电阻和温度之间的关系如铂热电阻，电阻阻值和温度之间的关系，如下图所示。当Rt随温度而增加时，增加量将随着温度的升高而减小。tRt上凸曲线70UzUo1.线性化原理与电路分析(2)正反馈线性化采用正反馈的方法来达到线性化的目的，如下图所示。当Rt随温度而增加时，Ut将增大。而且Ut的增加量也将随着温度的升高而增大，从而实现线性化。1zttgVVgR=-Rt小于1下凹曲线VT=71Ir2.引线电阻补偿电路Ir为消除引线电阻的影响，热电阻采用三导线接法，要求r1=r2=r3=r。由R23、R24、r2构成的支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，从而消除了引线电阻