第八章模拟变送器

第八章模拟变送器第一节1151模拟变送器

1151模拟变送器是美国罗斯蒙特(Rosemount)公司研制的产品，外形如图8-1所示。目前，在火电厂应用的变送器主要有电容式变送器（如1151，1151smar，3051，LD301和FCX）、电感式变送器（PTSD,T2600,）、压阻式变送器（PTSP,ST3000）、硅谐振式变送器(EJA)和TT302现场总线温度变送器。1151模拟变送器主要由测量部分和转换电路两大部分组成，其组成原理如图8-2所示。图中：△P,P为差压、压力；△C为差动电容；E为电源；I0为电流；RL为负载电阻。一、测量部分测量部分的作用是将被测参数(如差压、压力、液位、流量等)转换成相应的差动电容值的变化。图8-3所示为测量部分的结构示意图。图中：1、2为隔离膜片；3为测量膜片；4、5为电容固定极板；6为刚性绝缘体；7为引出电极；8为灌充液。隔离膜片与被测介质接触，膜片l与3之间为一室，膜片2与3之间为另一室，两室各自封闭，内充硅油(或氟油)，组成两室结构的单元。测量膜片是一片弹性系数温度稳定性好的平板金属膜片，作为差动可变电容的活动极板。在测量膜片两侧，有两个在玻璃凹形球面（球缺面）上用真空蒸发有金属层的固定极板。被测压力PH和PL分别作用于高、低压侧的隔离膜片l、2上，灌充液将压力传送到测量膜片3上。当两侧压力不相等时，测量膜片向一侧位移，如图8-3(b)中的虚线所示。此时，测量膜片3与两侧固定极板间的距离一侧增大，另一侧减小，因此两个固定极板与活动极板之间的电容量一个增大，另一个减小。引出电极7将这两个电容的变化信号输至转换电路。这样，测量部分就把被测参数(压力、差压、液位等)的变化转换成差动电容量的变化。

这种结构对测量膜片具有较好的过载保护能力。当被测差压过大时，测量膜片贴紧一侧的凹形球面上，不会因产生过大位移而损坏膜片。过载消除后，测量膜片恢复到正常位置。灌充液(硅油或氟油)除用作传递压力外，它的粘度特性对冲击力具有一定缓冲作用(阻尼作用)，可消除被测介质的高频脉动压差对变送器输出准确度的影响。二、位移-电容转换特性为分析简便，利用等效原理，将图8-3所示差动球面-平面型(固定极板为球面，活动极板为平面)电容简化成图8-4所示平板型差动电容。活动极板移动的方向和距离受被测差压的方向和大小控制。当被测差压变化使活动极板产生位移时，活动极板与两固定极板之间的电容量即发生变化。若活动极板移动距离，则它与固定极板之间的距离，一侧变为，而另一侧变为，如图8-4中所示。由图示可得差动平行板电容器的电容量计算公式为式中：为活动极板与上固定极板间的电容量；为活动极板与下固定极板间的电容量；K为量纲系数；A为电容极板的有效面积；ε为极板间介质的介电常数；为被测差压为零时，活动极板(测量膜片)与两固定极板之间的初始距离；为活动极板在被测压差作用下所产生的位移，如果采用差动平行板电容器的差动电容值作为输出量，则由式(8-3)可以看出，差动电容与活动极板的位移之间呈非线性关系。为得到线性转换关系，可取两电容之差与两电容之和的比值作为输出量，即式中k2为系数，k2=1/d0,位移△d0与差压△P之间的关系为d0=k1△P,则式(8-5)即为电容式变送器测量部分的输入量与输出量之间的线性特性表达式。由此式可得出如下结论：①当为常数时，（C1-C2）/（C1+C2）之比值与被测压差成线性关系；②（C1-C2）/（C1+C2）之比值与介电常数ε无关，即从设计原理上消除了介电常数随温度变化给测量带来的误差；③若设计一种转换电路，使其输出电流I0=K3（C1-C2）/（C1+C2），I0就与被测差压成正比关系；④如果电容极板的结构完全对称，则可以得到良好的稳定性；⑤在上述分析中，没有考虑分布电容的影响。若考虑分布电容的存在，则测量部分的电容比值为(8-6)比较式(8-6)和式(8-5)后可知，分布电容的影响将造成非线性误差。为了使变送器最终获得高于0.25级的准确度级，需在转换电路中设置线性调整环节。实测和计算均表明球面-平面型电容器有类似或接近平行板电容器的特性。测量部分大约有150pF的电容量输出。转换电路转换电路的作用是将测量部分的线性化输出信号转换成4～20mA，DC统一信号，并送至负载。此外，它还实现整机的零点调整、量程调整、正负迁移、线性调整及阻尼调整等功能。1151系列电容式变送器的输出类型：S型:4-20mA/数字，智能/阻尼可调；E型:4-20mA，线性，模拟/阻尼可调；G型:10-50mA，线性，模拟/阻尼可调；J型:4-20mA，平方根，模拟/阻尼可调；L型:0.8-3.2V，线性，低功耗/固定阻尼；M型:1-5V，线性，低功耗/固定阻尼转换电路共有三种类型，即E型(普通型)、J型(用于流量测量)、F型(用于微压差测量)。四、校验调整㈠主要性能

1151系列共有各种测量范围的差压、压力、绝压、流量、远传差压、远传压力等10个品种的仪表。变送器的基本精度为±0.25～±0.35％；测量范围：最小差压0～1.3kPa，最大差压0～6.89MPa；最小压力0～1.3kPa，最大压力0～41.37MPa；量程比：6。㈡接线1151变送器为二线制仪表，电源、信号合用两根导线，电源、信号端子位于电气壳体内的接线侧。接线时，将标有“接线侧”那边的盖子拧开，上部标有SIGNAL(信号)的两个端子接电源，下部标有TEST(测试)的两个端子接内阻小于10Ω的电流表，也可不接。不要将电源接到测试端子，否则会烧坏二极管，为防止二极管烧坏，使变送器继续工作，可以将两个测试端子短接．但电源极性不能再接反。

图8-5为仪表校验时的接线图。

电源一般为24VDC，但可以在12～45VDC范围内改变。如果是12V供电，则不能带负载，否则便不能正常工作；如果是45V供电，则可以带1650Ω的负载。电源电压不能超过45V，超过了会损坏电路。当供电24V，负载为500Ω时，此时读数灵敏度最高。

输出信号的测量可以用电流表，也可以用数字电压表，一般用电压表，因为如果用电流表，万一接线错误容易把电流表烧坏。用电压表时，则要在回路内串接一个250Ω的标准电阻R，然后再把电压表接在电阻两端，测出电压后再算出电流值。

电源电压不能超过45VDC，超过了会损坏电路。当供电24VDC，负载为500Ω时，此时读数灵敏度最高。(1-7)输出信号的测量可以用电流表，也可以用数字电压表，一般用电压表，因为如果用电流表，万一接线错误容易把电流表烧坏。用电压表时，则要在回路内串一个250Ω的标准电阻R，然后再把电压表接在电阻两端，测出电压后再算出电流值。（若电压为3V,电流是多少mA？）㈢校验调整按图8-5所示的校验线路图接好线，经检查变送器的校验方法和一般仪表的校验方法一样，从引压口通入信号压力．读出仪表示值，然后算出仪表的误差与回差，并确定合格与否。当信号压力为测量范围下限时，输出为4mA，不对时，调零点螺钉；当信号压力为测量范围上限时，输出为20mA，否则调量程螺钉。零点和量程要反复调，直到合格为止。量程、零点调好以后，再将量程压力分为4档或5档，读出相应的仪表示值。由于1151变送器是位移平衡仪表，所以不能只校正O％、50％、100％三点。如线性不合格，则还要调线性调整器。1零点和量程调整。仪表的零点和量程调整螺钉位于电气壳体的铭牌后面。零点螺钉在上面标有字母Z；量程螺钉在下方，标有字母R，移开铭牌即可进行调校(见后图)。调零点时，量程不受影响，但量程调整会影响零点，影响零点的量为量程调整量的1／5。为了补偿这个影响，最简单的方法是超调25％。例如要求某变送器的使用范围为0～15．2kPa，现在的情况是：0输入时，输出4mA；15.2kPa输入时，输出19.8mA。这时可以调量程，使输出为19.8+(20.0-19.8)×1.25=20.05(mA)。即比实际量程多调了0.05mA，它正好为量程增加量(20.05-19.8)=0.25(mA)的1／5，这样再把零点调至4mA，量程也就正确了。零点和量程调整中，有机械间隙，改变调整方向时会出现死区。对于机械间隙，最简的办法是反向调整之前要有意超调。2正、负零点迁移。变送器的正、负零点迁移，实际上也是调零点，只是调整的范围很宽。零点正、负迁移的调整方法是改变接插件位置，它在放大板元件一面。迁移时先把仪表的电源停掉，把板拔下来，然后再改变接插件位置。变送器迁移插座共有三个位置，中间位置为无迁移，插在字母“E”处为负迁移，插在字母“S”处为正迁移。线性、阻尼调整。仪表出厂以前，制造厂已把线性调整在最佳位置，所以用户不要轻易去调它。

调整零点和进行零点迁移对量程没有影响，但调整量程则会影响零点，无零点迁移时影响较小。现用1151变送器测量汽包的液位，如图所示。已知d=2m;h=0.25m;l=1.5m;ρ=900kg/m3;ρ0=1000kg/m3.试求：（１）液位分别为０％和１００％时的差压值？（２）若h升高，△P增大，且1151的正压侧接汽包，负压侧接平衡容器，应采用何种迁移？零点迁移量为多少？（3）变送器的量程是多少？HL100%0%lρρ0hd解：（1）0%水位的差压值ΔP0=PH–PL=ρ0gd-ρ0gh=17395Pa100%水位的差压值ΔP100=PH–PL

=ρ0gd-ρg(h+l)=4165Pa（2）零点迁移量为17395Pa，负迁。（3）量程为：ΔP=∣ΔP100–ΔP0∣=13230Pa练习及思考题

(1)1151系列电容式变送器的测量部分在整机中起什么作用?(2)1151系列电容式变送器的测量部分的输出为什么要采用(C1-C2)/(C1+C2)信号?(3)1151系列电容式变送器的E型转换电路由哪几部分组成?各部分的作用是什么?(4)1151系列电容式变送器中设置了哪些调整环节?它们各调整变送器的什么特性?(5)115l系列电容式变送器的电源电压为什么要根据外接负载电阻的大小来选取?(6)1151系列电容式变送器在调量程时会影响零位吗?而调零位时对量程有影响吗?

有一储油罐如图所示，现采用1151系列差压变送器测量罐内的液位。罐内液体介质的密度ρ1=1200kg／m3，变送器的负压室充水，水的密度ρ2=1000kg／m3。图中：a=2m，b=2.5m，C=5m。试求：①变送器的零点迁移量为多少?应采用何种迁移(正向或负向)?②变送器的测量范围是多少?③若按上述迁移量和测量范围调校好仪表后，假定在初步试运行时，罐内液体介质为水，变送器负压室仍充水，这时变送器输出指示值L1=50％，其罐内实际水位L2=?(%)。选择不同测量范围的1151差压变送器是由于其测量膜片的①厚度不同；②材料不同；③直径不同。答案①填空①1151差压变送器采用可变电容作为敏感元件，当差压增加时，测量膜片发生位移，于是低压侧的电容量（增加），高压侧的电容量（减少）。②1151差压变送器的测量范围最小时（0～1.3KPa），最大是（0～6890KPa）。③在1151差压变送器的最小调校量程使用时，则最大的负迁移为量程的（600%），最大的正迁移为量程的（500%）。如果1151差压变送器的最大调校量程使用时，则最大的负迁移为量程的（100%），最大的正迁移为量程的（0%）。由C=εA/d可知，电容C与位移d成反比。但是，为什么电容之差和电容之和的比则与位移的变化成线性关系呢？试证明之。选择如把1151的电源极性接反，则仪表①烧坏；②没有输出；③输出跑最大。答案②图示的接线方法那个是正确的？变送器+--++-电流表直流电源变送器+--++-电流表直流电源1151压力变送器的材料范围原为0～100KPa，现零位迁移100%，求①仪表的测量范围。②仪表的量程。③输入100、150、200KPa时，仪表的输出为多少mA。①仪表的测量范围变为100～200KPa。②仪表的量程是200-100=100KPa。③输入100、150、200KPa时，仪表的输出为4、12、20mA.有人在校验1151AP绝对压力变送器时，发现只要通上电源，仪表就有12mA输出。这种现象正常吗（如果仪表的测量范围为50～150KPa绝压，当时的大气压为100KPa）？答绝对压力变送器测的是绝对压力，该仪表的测量范围为50～150KPa，也就是说：输入50KPa绝压时仪表输出4mA;输入150KPa绝压时仪表输出20mA。仪表在大气压力作用下，即输入的是大气压力100KPa，仪表的输出为现仪表输出正好为12mA，所以是正常的。第二节扩散硅压力变送器单晶硅是接受压力的理想材料。它具有很多优良的机械、物理性能。其材质纯，功耗小，滞后和蠕变极小，机械稳定性好。另外，单晶硅传感器的制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼容性，扩散硅压阻式压力传感器就是其中的一种。扩散硅压力变送器主要由压阻式压力传感器和变送器电路两部分组成。⒈压阻式压力传感器当压力作用到半导体材料上，除会产生形变外，材料的电阻率亦随之而变。这种由于压力作用而使材料电阻率改变的现象称为压阻效应。能产生明显的压阻效应的半导体材料很多，其中半导体单晶硅的性能最为优良。通过扩散杂质使其形成四个P型电阻，并组成电桥。当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有相应的输出。压阻式压力传感器由外壳、硅杯和引线组成，如图8-9所示。图中：1为高压引压口Pl；2为低压引压口P2；3为硅杯；4为单晶硅膜片；5为扩散型应变片（电阻）；6为扩散电阻引线；7为电极及引线；8为玻璃粘接剂；9为玻璃基板；10为端子。压阻式压力传感器核心部分是一块方形的硅膜片，如图8-9(b)所示。在硅膜片上，利用集成电路工艺制作了四个阻值相等的电阻。图中虚线圆内是承受压力区域，靠近虚线圆心的两个电阻受拉应力，其阻值随应力增大而增大；靠近虚线圆边缘的两个电阻受压应力，其阻值随应力增大而减小。即R2、R4所感受的是正应变(拉应变)，R1、R3所感受的是负应变(压应变)。应力是材料抵抗破坏的能力，应变是材料抵抗变形的能力，两者是有区别的。四个电阻之间用面积较大、阻值较小的扩散电阻引线连接，构成一个电桥。

硅片的表面用Si02薄膜加以保护，并用铝质导线做电桥的引线。因为硅膜片底部被加工成中间薄(用于产生应变)、周边厚(起支撑作用)，所以又称为硅杯，如图8-9(c)所示。将硅杯和玻璃基板在高温下用玻璃粘接剂粘贴在一起，并紧密地安装在壳体中，这样就制成了压阻式(也叫扩散硅式或固体器件式)压力传感器。当硅杯两侧存在压力差时(P1≠P2)，硅膜片产生变形，四个应变电阻在应力的作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡。按照不平衡电桥的工作方式，输出的电压与膜片两侧的压差△P成正比，即

当引压口向大气敞开时，输出电压对应于“表压”，即

当引压口处于绝对真空时，输出电压对应于“绝对压力”，即

压阻式压力传感器与其他形式的压力传感器相比有许多突出的优点。由于四个应变电阻是直接制作在同一硅片上，所以工艺一致性好，温度引起的电阻值漂移能互相抵消。由于半导体压阻系数很高，所以构成的压力传感器灵敏度高，输出信号大。又由于硅膜片本身就是很好的弹性元件，而四个扩散型应变电阻又直接制作在硅片上，所以迟滞、蠕变都非常小，动态响应快。扩散硅的制造容易受到各种因素的影响，它对温度和静压的变化非常敏感，并且是非线性的关系，从而造成传感器的特性有大的离散性，同一批号中的各个传感器特性也会出现较大差异。但随着计算机的发展，仪表内的微处理机可以对扩散硅传感器的离散性和非线性进行很好的补偿，从而使扩散硅传感器在HART仪表和现场总线仪表中的应用开始增多。目前厂商提供的压阻式传感器的种类很多，外壳材料有尼龙、陶瓷、不锈钢等。封装结构有双列直插，表面安装，印刷电路板及隔离膜等，压力接口有导管及螺纹连接。

2．变送器电路变送器电路的作用是将桥路输出的毫伏信号转换成标准电流信号。对于二线制4～20mA电流型变送器，要求采用低功耗的元器件。整个变送器电路的起始电流消耗在4mA之内。另外变送器电路的器件质量，如温漂、时漂，抗共模干扰能力，噪声指标等会直接影响到变送器的测量精度。扩散硅压力变送器在国内外都得到了广泛应用。由于固体传感器理论及加工工艺的不断发展，还会有新的变送器问世。第三节一体化温度变送器在火电厂应用DCS后，由于DCS有专门配接热电偶和热电阻的输入模板（卡件），使温度变送器的用量大幅度减少，而且模拟温度变送器也逐渐被淘汰，因此，对模拟温度变送器，本章只介绍小巧玲珑的一体化温度变送器。一体化温度变送器是电子技术与集成电路技术的产物，是温度传感元件与变送器电路在空间紧密连接的产品。由于变送器模块体积小(约以内)，它可直接安装在常规热电偶或热电阻的接线盒中，它作为一种新型结构的温度变送器已应用在工业各领域。目前市场上该产品种类较多，输出有非线性和线性两种，输出信号为4～20mA或O～10mA，供电电压为24VDC。变送器模块一般以专用集成芯片为主，外加少量器件，由于一体化的结构，变送器模块有时往往置于较高的环境温度下，因而一体化温度变送器电路对环境温度要求较高，工业标准为-40～+85℃，有些产品上限环境温度可扩展到+110℃。目前市场上还出现体积更小的一体化温度变送器，其温度传感器采用半导体材料，其测温范围和精度受到一定的限制。变送器模块微型化，利于做成一体化隔爆型温度变送器。一、一体化热电偶温度变送器一体化热电偶温度变送器是国内新一代超小型温度检测仪表。它主要由热电偶和热电偶温度变送器模块组成，可用以对各种液体、气体、固体的温度进行检测，应用于温度的自动检测、控制的各个领域，也适用于各种仪器以及计算机系统的配套使用。一体化温度变送器的特点是将传感器(热电偶)与变送器综合为一体。变送器的作用是对传感器输出的温度变化信号进行处理，转换成相应的标准统一信号输出，送到显示、运算、控制等单元，以实现动检测和控制。一体化热电偶温度变送器的变送模块，对热电偶输出的热电势经滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换等电路处理后，变换成与温度成线性关系的4～20mA标准电流信号输出。它的原理框图如图8-10所示。一体化热电偶温度变送器的变送单元置于热电偶的接线盒里，取代接线座。安装后的一体化热电偶温度送器的外观结构如图8-11所示。图中：1为变送器模块；2为穿线孔；3为接线盒；4为进线孔；5为固定装