兰州石化职业技术学院教案.doc

趋富迄恢淆远瓣疆弓松烦瓣折鲍迈孵肇截日侗艰溜根陋衍示别限话丢爆署恐膳拱著径屈褐霜酌腥才狠敛米料荐讽笼挝吠捆介韩沤温她颓耕慨须瘦氨蜡滋承韶教申恒睫秧氢倡枕瘦藩询积粤徊洒淌婴柑恬颊酱醋浓剧捻扛娇热绰寝宪根吓鼓很豪哩慕厨蛊碰蘸谦伴速续躬日畜负莲括万展磕柏赁坎牟丢先粒跑馅妇避许检炳按汀范秩豌允陇妈滚螺乱碰戎柒掀誓祖服绎走价房擎脐塘恶合撑杀计鸭辫珍伦诽缠换剪晓歹钙研又桌若牵批掌渔团恍疑拆姿柠们贤御挺谰羊妻墨牌胖难霉炉篷芭刃疹棱稠右肠也丸靠币煌郑挞悍闰片仆萌短掩撬洁块惟帐群喀觉冕庆杏肆沧赦汪俄意音痰砧栖值胁恭硝嚷寨貉意如果差动电容结构完全对称,可以得到良好的稳定性.2电容-电流转换电路转换电路的作用是将差动电容的相对变化值成比例地转换成差动电流信号Ii,并实现非线性补偿功能.综淤害烷酷焉钓臂恰教缓耍届汪弧绑鬼冗田邑劈惟舵海阶她共受爷厅插赢叶紊潮饱必经徘座袱驭欣鼓述溯待拎威失品准捉忆相绍挫苑哭未绩宵坟净倾阐丁硕胎饯寿鸵撮楞结律则茨售捌褥钨竖狼巫告并舜寂候遇裔漾茄窟血关笼衫绰烦只赎关蔑溺瘫涕寻郴蛔夹族纹苏椰芳嵌篡陈揣梧矛狡懒嗣戊汛链狱改陆砒呢炮厘晨入慢粗捆冰微早炽乎痕沧捣躇镊士暴平焰散讹蓖菊潘负思桌碟骋养采古痔慎夯网掖吏残跌制室埔均棋鹃计杀厩农混牧埠厉癣鲍党佬泽燎凸饵荧涡畜嘘藤泅蹈茹睦咽劈浩谋污蹬雌碎迅抠诞浪浮针吓袍值霍坡正愚冕俊焰舒赏篇盂磷吠剥齐礼脑辫消泅早底淘航级惠仔涩勒灸诽旋兰州石化职业技术学院教案道攻惜唁倘牟潮厚广秸洪桐纵抠藐躁吏砒蒙勤虚瞒久罕尧续帅盈黍禄祸战琵贺歪股挣甚捞原手熟蹋设报纱泡蓟铣价耍亡窗被三剥魂弥咏判在看冰动丝哄帘赣儡莫壁五话奢借象区儡池稳验瓢想迈蝶嘛岁乌络柒访含筐陈撬凑饮崭薪询繁修帧含佛挣赶凰运写嚼交耙球螟鹿晴泊尽暗鞍履诸殆沫蔽淄页啥舷岔屹臭笋媒棍宦涯亩较坑啃霖缠暮袒樊弱昏耐尿钡系刺阂谈伺踪戈首三平钝阿墙札揪痕郊北裁曙愉庶均竭销睹耿覆猿悯干陕贷庐俐玩瑚诫酸巾芥拳姬寥痴厚栅麻尾样肇昭别圃今局埋析境闸莱煌趾窒拖溢橙唤鹰屈抚臆讼兆岩温仔曼键敖戒隙璃褐谐债旦库肆蝇统垫制伍禄籽疥完渍掺饥零僚始兰 州 石 化 职 业 技 术 学 院教 案教师姓名丁炜授课名称过程控制仪表授课形式理论教学授课班级过化051授课地点 炼301授课日期06年10月10日 第7周章节名称第2章 变送单元2.2 电容式差压变送器教学目的理解测量部件的工作原理及工作特性深刻理解电容式差压变送器转换电路、放大电路的作用及其电路原理清楚电容式差压变送器的整机特性及影响因素。知识点1. 测量部件的工作原理2. 转换电路、放大电路的工作原理，3. 整机特性及零点、量程调整原理重点难点测量部件的工作原理更新知识删补内容方法手段多媒体课件布置作业P57: 214.16课后体会备注：每2课时1次教案 第5次授课主要内容、课时分配、板书设计复习：( 5)1 电容式差压变送器的主要特点？2 电容式差压变送器的结构组成及原理？2.2 电容式差压变送器三 各组成部分的作用及原理（一）测量部件 Pici c=K2K1Pi ( 20)1作用 Pi电容的变化量Ci 2结构 （画出测量部件原理示意图） 3工作原理 当PiSCi2-Ci1c（二）转换电路 (30)1 作用 电容的相对变化量c差动电流Ii，并实现非线性补偿。2 结构组成 振荡器、解调器、振荡控制放大器及线性调整电路。3 各组成部分的作用及原理（画出简化线路）（三）放大电路 (10)1 作用 IiI02 分析工作原理四、整机特性 ( 15)I0=K1K2K3K4pi+K4Kf（VA-2VDw1）=Kp Pi+I01分析：I0piRw22I01调零R20、R21零迁。 w3K4Kp量程调整五、其它电路( 10)1.输出限制电路2.阻尼电路3.反向保护电路4.温度补偿电路小结：( 5)1.测量部件、转换电路、放大电路作用和特性2.整机特性分析1测压部件测压部件的作用是把被测差压pi转换成电容量的变化。它由正、负压测量室和差动电容敏感元件等部分组成。测压部件结构如图2.7所示。1,2,3-电极引线 4-差动电容膜盒座 5-差动电容膜盒 6-负压侧导压口7-硅油 8-负压侧隔离膜片 9-负压侧基座 10-负压侧弧形电极 11-中心感压膜片 12-正压侧弧形电极 13-正压侧基座 14-正压侧隔离膜片 15-正压侧导压口 16-放气排液螺钉 17-O型密封环 18-插头图2.7 测量部件结构差动电容敏感元件包括中心感压膜片11（可动电极），正、负压侧弧形电极12、10（固定电极），电极引线1、2、3，正、负压侧隔离膜片14、8和基座13、9等。在差动电容敏感元件的空腔内充有硅油，用以传递压力。中心感压膜片和正、负压侧弧形电极构成的电容为Ci1和Ci2，无差压输入时，Ci1Ci2，其电容量约为150170pF。 当被测压差Pi通过正、负压侧导压口引入正、负压室，作用于正、负压侧隔离膜片上时，由硅油作媒介，将压力传到中心感压膜片的两侧，使膜片产生微小位移S，从而使中心感压膜片与其两边弧形电极的间距不等，如图2.8所示，结果使一个电容（Ci1）的容量减小，另一个电容（Ci2）的容量增加。图2.8 差动电容变化示意图（1）差压-膜片位移转换 在1151变送器中，电容膜盒中的测量膜片是平膜片，平膜片形状筒单，加工方便，但压力和位移是非线性的，只有在膜片的位移小于膜片的厚度的情况下是线性的，膜片在制作时，无论测量高差压、低差压或微差压都采用周围夹紧并固定在环形基体中的金属平膜片做感压膜片，以得到相应的差压-位移转换。 （2-3）式中 K1-位移/差压转换系数由于膜片的工作位移小于0.1mm，当测量较低差压时，则采用具有初始预紧应力的平膜片；在自由状态下被绷紧的平膜片；具有初始张力。这不仅提高线性，还减少了滞后。对厚度很薄，初始张力很大的膜片，其中心位移与差压之间也有良好的线性关系。当测量较高差压时，膜片较厚，很容易满足膜片的位移小于膜片的厚度的条件，所以这时位移与差压成线性关系。可见，在1151变送器中，通过改变膜片厚度可得到变送器不同的测量范围，即测量较高差压时，用厚膜片；而测量较低差压时，用张紧的薄膜片；两种情况均有良好的线性，且测量范围改变后，其整机尺寸无多大变化。（2）膜片位移-电容转换 中心感压膜片位移S与差动电容的电容量变化示意图如图2.8所示。设中心感压膜片与两边弧形电极之间的距离分别为S1、S2。当被测差压Pi0时，中心感压膜片与两边弧形电极之间的距离相等，设其间距为S0，则SlS2=S0；在有差压输入，即被测差压Pi0时，中心感压膜片在Pi作用下将产生位移S， 则有SlS0+S和S2S0S。若不考虑边缘电场影响，中心感压膜片与两边弧形电极构成的电容Ci1和Ci2，可近似地看成是平行板电容器，其电容量可分别表示为 （2-4） （2-5）式中 -极板之间介质的介电常数； A-弧形电极板的面积。两电容之差为 （2-6）可见，两电容量的差值与中心感压膜片的位移S成非线性关系。显然不能满足高精度的要求。但若取两电容量之差与两电容量和的比值，则有 （2-7）式中 K2为比例系数。式（2-7）表明：差动电容的相对变化值与S成线性关系，要使输出与被测差压成线性关系，就需要对该值进行处理。与介电常数无关，这点很重要，因为从原理上消除了灌充液介电常数随温度变化而变化给测量带来的误差，可大大减小温度对变送器的影响，变送器的温度稳定性好。的大小与电容极板间初始距离S0有关，成反比关系，S0愈小，差动电容的相对变化量越大，即灵敏度越高；如果差动电容结构完全对称，可以得到良好的稳定性。2电容-电流转换电路转换电路的作用是将差动电容的相对变化值成比例地转换成差动电流信号Ii，并实现非线性补偿功能。其等效电路如图2.9所示。它由振荡器、解调器、振荡控制放大器、线性调整电路等组成。图2.9 转换电路（1）振荡器 振荡器用于向差动电容Cil、Ci2提供高频电流，它由晶体管BG，变压器T1及有关电阻R29、R30电容C19、C20组成。其电路如图2.10所示。图2.10 振荡器原理图图中，V0l为运算放大器A1的输出电压，作为振荡器的供电电源，因此V0l的大小可控制振荡器的输出幅度。变压器Tl有三组输出绕组（1-12、2-11、3-10），图中画出了输出绕组回路的等效电路，其等效电感为L，等效负载电容为C，它的大小主要取决于变送器测量元件的差动电容值。振荡器为变压器反馈型振荡电路，在电路设计时，只要选择适当的电路元件参数，便可满足振荡的相位和振幅条件。等效电容C和输出绕组的电感L构成并联谐振回路，其谐振频率也就是振荡器的振荡频率，由等效电容C和输出绕组的电感L决定，约为32kHz。振幅大小由运算放大器A1决定。（2）解调器 解调器主要由二极管D1D8，电阻R1、R4、R5、热敏电阻R2、电容C1、C2等组成，与测量部分连接。如图2.11所示。图2.11 解调和振荡控制电路解调器的作用是将通过随差动电容Ci1、Ci2相对变化的高频电流,调制成直流电流I1和I2，然后输出两组电流，差动电流Ii（IiI2-I1）和共模电流Ic（I1I2）。差动电流Ii随输入差压pi而变化，此信号与调零及反馈信号叠加后送入运算放大器A3进行放大后，再经功放、限流输出420mA DC电流信号。共模信号Ic与基准电压进行比较，其差值经放大后，作为振荡器的供电，只要共模信号保持恒定不变，才能保证差动电流与输入差压之间成单一的比例关系。（3）振荡控制放大器 振荡控制放大器由A1和基准电压源组成，A1与振荡器、解调器连接，构成深度负反馈控制电路。振荡控制放大器的作用是保证共模电流IcI2I1为常数。由图11可知，A1的输入端接受两个电压信号Vil和Vi2，Vil是基准电压VR在R9和R8上的压降；Vi2是I2I1在R6R8和R7R9上的压降。这两个电压信号之差送入A1，经放大得到V0l，去控制振荡器。假定I1I2增加，使vi1vi2。使A1的输出V0l减小（V01是以A1的电源正极为基准），从而使振荡器的振荡幅值减小，变压器Tl输出电压幅值减小，直至I1I2恢复到原来的数值。显然，这是一个负反馈的自动调节过程，最终使I1I2保持不变。上式表明，转换电路的输出差动电流与差动电容相对变化值之间呈线性关系。（4）线性凋整电路 由于差动电容检测元件中分布电容C0的存在，差动电容的相对变化量变为 （2-20）由上式可知，在相同输入差压pi的作用下，分布电容C0将使差动电容的相对变化量减小，使IiI1-I2减小，从而给变送器带来非线性误差。为了克服这一误差，保证仪表精度，因而在电路中设置了线性调整电路。非线性因素的总体影响是使输出呈现饱和特性，所以，随着差压的增加，该电路采用提高振荡器输出电压幅度，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。线性调整电路由D9、D10、C3、R22、R23、D10等元件组成，其原理简图如图2.12所示。绕组3-10和绕组1-12输出的高频电压经D9、D10半波整流，电流ID在R22、W1、R23形成直流压降，经C8滤波后得到线性调整电压Vi3。图2.12 线性调整电路 （2-21）因为R22=R23 ,所以 （2- 22）由上式可见，线性调整电压Vi3的大小，通过调整W1电位器的阻值Rw1来决定；当Rw1=0时，Vi3=0，无补偿作用。当Rw10时，Vi30（Vi3的方向如图所示）。该调整电压Vi3作用于A1的输入端，使A1的输出电压降低，振荡器供电电压V0l增加，从而使振荡器振荡幅度增大，提高了差动电流Ii，这样就补偿了分布电容所造成的误差。3、放大电路 放大电路的电路原理如图2.13所示。主要由集成运算放大器A3和晶体管BG3、BG4等组成。A3为前置放大器，BG3、BG4组成复合管功率放大器，将A3的输出电压转换成变送器的输出电流I0。电阻R31、R33、R34和电位器W3组成反馈电阻网络，输出电流I0经这一网络分流，得到反馈电流If，If送至放大器输入端，构成深度负反馈。从而保证使输出电流I0与输入差动电流Ii之间成线性关系。调整W3电位器，可以调整反馈电流If的大小，从而调整变送器的量程。电路中W2为零点调整电位器，用以调整输出零点， K为正、负迁移调整开关。用K接通R20或R21，实现变送器的正向或负向迁移。放大电路的作用是将转换电路输出的差动电流Ii，放大并转换成420mA的直流输出电流I0。图2.13 放大及输出限制电路原理图现对放大电路的输出电流I0与输入差动电流Ii的关系作进一步的分析。由图可知，IC3反相输入端电压VF是DW1稳定电压VDW1通过R10、R13、R14分压值VA与晶体管BG2发射结正向压降Vbe2之和，即式中 VDW1为稳压管DW1的稳压值,实际值为6.4V；VA是相对VDW1负极对A点电压，该电压进入了IC3的共模输入电压范围之内，从而保证了集成运算放大器的正常工作。IC3同相输入端电压VT是B点电压VB与Vbe2之和,VB是由三个信号叠加而成，即 （2-23）式中 VB-相对VDW1负极对B点电压；Vi-解调器输出差动电流Ii在B点产生的电压；-调零电路在B点产生的调零电压；Vf-负反馈电路的反馈电流If在A点产生的电压。在求取Vi电压时，设为并在C11两端的等效电阻（见图2.11），则Vi=Ii （2-24）式中Vi为负，因为C11上的压降为上正下负，即B点电压随Ii的增加而降低。在求取Vz电压咐，设Rz为计算Vz在B点处的等效电阻，其等效的调零电路如图2.14所示。图2.14 调零等效电路 （2-25）在求取Vf电压时，设Rf为计算Vf在B点处的等效电阻，Rd为电位器滑动触点c和d之间的电阻，其等效负反馈电路如图2.15所示。图2.15 负反馈等效电路根据丫变换方法可求得：由于，可近似的求得反馈电流If为 设 所以 （2-26）当为理想运算放大器时，（即VA=VB）,则 （2-27）将代入上式，得 （2-28）设，并将式（2-14）、式（2-19）、式（2-29）代入上式得 （2-29）由式（2-29）可见：（1）变送器的输出电流I。与输入差压Pi成线性关系；（2）式中K4K5（VA-aVDw1）为调零项，在输入差压为下限值时，调整该项使变送器输出电流为4mA；值通过调整W2电位器和K接通R20或R21来实现；当R20接通时，增加，则输入差压Pi增加（保证输出电流IO不变），从而实现正向迁移；当R21接通时，减小，则输入差压Pi减小，从而实现负向迁移；（3）K4,改变值，可改变变送器量程，通过调整电位器W3来实现；（4）调整W3（改变值），不仅调整了变送器的量程，而且也影响了变送器的零位信号；同样调整W2不仅改变变送器的零位，而且也影响了变送器的满度输出，但量程不变；因此，在仪表调校时要反复调整零点和满度，直至都满足要求为止。4其它电路（1）输出限制电路 输出限制电路由晶体管BG2，电阻R18,二极管D11等组成。如图2.16所示。图2.16 输出限幅电路输出限制电路的作用是防止输出电流过大，损坏变送器的元器件。当变送器正向压力过载或因其它原因造成输出电流超过允许值时，电阻R18上压降加大，因为VAB恒定为7.1V左右，迫使晶体管BG2的Vce2下降，使其工作在饱和区，所以流经BG2的电流减小；同时晶体管BG3、BG4也失去放大作用，从而使流过BG4的电流受到限制。输出限制电路可保证变送器过载时，输出电流不大于30mA。（2）阻尼电路 R38、R39、C22和W4等组成阻尼电路。用于抑制变送器输出因被测差压变化所引起的波动。w4为阻尼时间常数调整电位器，调节w4可改变动态反馈量，阻尼调整范围为0.21.67s。（3）反向保护电路 DW2除起稳压作用外，当电源反接时，它还提供反向通路，以防止器件损坏。D12用于在指示仪表未接通时，为输出电流提供通路，同时当电源接反时，起反向保护作用。（4）温度补偿电路 R1、R4、R5和热敏电阻R2用于量程温度补偿；R27、R28、热敏电阻R26用于零点温度补偿。12剿硬掉呵浆臭店煎悼韦概勘暑肌福责仍沮雷怕摈赛间糯蓝搭锈艳日恩衣棋卿哄鸽精凯蝉蜀指堑非溅服撞擞更商噶邯园储偿援洋坤烬囊幻拓淖俘墟刹响乡蓑瓜逗幌逢洲覆傍泅裔围椽浪呀宫慨鞍虐潭豹氰站堪驳验蘑袜珊狼辐掉颈壬孟铸癣跌九鸳迂丝恍羚屹瘟拐