[工学]过控技术第四章 变送器和转换器.ppt

1 过程控制装置三环节 变送器 压力变送器 差压变送器 温度变送器 流量变送器 液位变送器 调节器 PID调节器 执行器 气动执行器 电动执行器 电气转换器 第4章过程控制装置 2 对工业过程进行检测 显示 控制和执行等仪表总称为自动控制仪表 又称自动化仪表 自动化仪表的作用是代替人对生产过程进行测量 控制 监督和保护 在了解控制原理的同时 还要理解自动化仪表的工作原理和性能特点 以便合理地选择和正确地使用 3 自动控制仪表可以从不同的角度分类 下面仅从使用能源种类和结构形态分类 按能源分类气动仪表以压缩空气为能源及传递信号的仪表 其传送距离受到限制 具有防爆特点 其执行器作用力大 工作平稳可靠 4 电动仪表以电作为能源及传送信号的仪表 传送距离远 便于与计算机配合 在生产自动化中被广泛应用 电动仪表又分为电气 又称电动机械 式和电子式两大类 电气式不使用电子元器件 依靠传感器从被测介质中取得能量 就可以推动电接点或电位器动作 它的结构简单 价格便宜 电子式采用电子元器件 由于采用放大器等电子器件 不但可提高测量精度 还可以利用反馈电路 对输入信号进行各种控制规律的运算 从而实现多种控制规律 提高控制品质 5 直接作用式仪表这种仪表不需要辅加能源 只是传感器从被测 控 介质中取得能量 就足以推动执行器动作 故又称自力式仪表 常见的有浮球式液位调节器 膨胀式温度调节器和燃气压力直接作用调节器等 它们将传感器 控制器及执行器等组合在一起 习惯上称为调节器 它们结构简单 不产生火花 使用安全 维修方便 适用于控制精度要求不高的场合 6 按结构形式分类基地式仪表以指示 记录仪表为主体 附加调节装置而组成 即把变送 调节 显示等部分装在一个壳内形成整体 利用一台仪表就能完成一个简单控制系统的测量 记录及控制等全部功能 结构比较简单 常用于单机控制系统 7 单元组合式仪表 单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求 分成若干独立作用的单元 各单元之间用统一的标准信号联系 使用时 针对不同的要求 将各单元以不同的形式组合 可以组成各种各样的自动检测和控制系统 优点 可以用有限的单元组成各种各样的控制系统 具有高度的通用性和灵活性 可以通过转换单元 把气动表 电动表 甚至液动表联系起来 混合使用 8 由于各单元独立作用 所以在布局 安装 维护上也更合理 更方便 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理 工作位移小 无机械摩擦 精度高 使用寿命长 性能较好 由于零部件的标准化 系列化 有利于大规模生产 降低了成本 提高了产量和质量 有利于发展新品种 采用新工艺 新技术 9 分类 根据使用能源的不同 单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表 在电动单元组合仪表中还包括执行单元 K 10 气动单元组合仪表是以0 14MPa压缩空气为能源 各单元之间以统一的0 02 0 1MPa气压标准信号相联系 整套仪表的精度为1级 电动单元组合式仪表的发展阶段 DDZ 型 电子管器件为主要器件DDZ 型 晶体管等分立元件为主要器件DDZ 型 线性集成电路作为核心器件 11 组装电子式调节仪表组装电子式调节仪表是在单元组合仪表的基础上发展起来的成套仪表装置 它的基本组件是一块一块具有不同功能的功能模件 功能模件 是指各种典型线路构成的标准电路板 每种电路板具有一种或数种功能 并有同一规格尺寸 输入输出端子 电源和信号灯 这种仪表又称功能模件式仪表或插入式仪表 现代化的大型控制 需要组成各种复杂控制系统及集中的显示操作 设计人员只要根据工程要求 选用相应的功能模件 配上标准化的机箱和外部设备 就可灵活地组成各种专用的控制装置 12 组装电子式调节仪表特点 功能齐全 组装灵活 由于组件系列化 标准化 功能独立 插接件和输入输出信号统一 因此可以合理地组成各种不同装置 以满足不同对象的要求 安全可靠 维修方便 可以根据每个组件的特点 确定合理的例行试验条件 有利于提高整机的可靠性 当某一组件有故障时 可以迅速更换备用组件 保证系统正常运行 而且由于组件标准化 检查和维修也容易 操作方便 便于集中监督管理 组件采用集成电路和小型元器件 装置小 控制盘 板 面小 操作方便 成套性 便于选型设计 由于采用通用接线 以适用成套装置的形式提供用户 方便了设计 缩短安装调校时间 13 使用常规仪表的中央控制室 14 早期的DCS控制系统 15 DCS控制系统 16 变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量 如温度 压力 流量 液位 和电信号 如电压 电流 频率 气压信号等 转换成相应的统一标准信号 4 20mA电流信号 4 1变送器 变送器分类 气动变送器电动变送器 17 1 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 4 1 0变送器原理与量程调整零点迁移 18 19 20 2 量程调整 零点调整和零点迁移 变送器涉及的另一个问题是量程 零点调整和零点漂移 量程调整其目的是使变送器输出信号的上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应 相当于改变输入输出特性的斜率 也就是改变y与x的比例系数 量程调整通常是通过改变反馈系数F的大小来实现的 F大 量程就大 F小 量程就小 也有些变送器还可以通过改变转换系数c来调整量程 21 零点调整和零点迁移 使变送器的输出信号下限值ymiin与测量范围的下限值xmin对应 在xmin 0时 称为零点调整 在xmin 0时 称为零点迁移 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 22 例4 2已知被测参数的最大波动范围为4000 5000Pa 按照不进行零点迁移和进行零点迁移分别选择测量变送器 并分析精度为1 0级时各自变送器的基本误差值和仪表灵敏度 解 当不进行零点迁移时 需选择量程为0 5000Pa的变送器 输出为4 20mADC 若有迁移 可选用4000 5000Pa的变送器 量程为1000Pa 若精度为1 0级 不加迁移时 仪表的误差为 5000Pa 1 50Pa 仪表的灵敏度为 20 4 mA 5000Pa使用迁移后 仪表的基本误差为 1000Pa 1 10Pa 仪表的灵敏度为 20 4 mA 1000Pa 零点迁移后 测量精度与灵敏度都提高了5倍 23 4 1 1差压变送器 力平衡式差压变送器电容式差压变送器扩散硅式差压变送器 差压变送器是将液体 气体或蒸汽的压力 流量 液位等工艺量转换成统一的标准信号 作为记录仪 调节器或计算机装置的输入信号 以实现对上述变量的显示 记录或自动控制 本节着重讨论普遍使用的力平衡式差压变送器和电容式差压变送器 24 力平衡式差压变送器 概述 力平衡式差压变送器包括 测量部分杠杆部分位移检测放大器电磁反馈机构 工作原理 力矩平衡原理 25 测量部分是将被测差压 Pi转换成相应的输入力Fi 该力与电磁反馈机构输出的作用力Ff一起作用于杠杆系统 使杠杆系统产生微小的偏移 在经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号 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 26 27 工作原理 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 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 28 由上述工作原理可画出其传输方框图 A 膜片有效面积L1 L2 Fi F1到主杠杆支点H的力臂L3 Lo Lf F2 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 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 29 在差压变送器的放大系数 K1K2 和反馈系数 LfKf 的乘积足够大时 当变送器处于稳定时 将满足力矩平衡关系 Mi Mo Mf Io Kp Pi LoFo LfKf 30 结构 具体各部结构及作用 检测部分 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 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 是变送器中机械传动和力矩平衡部分作用 使F1产生力矩与电磁反馈力Ff产生的力矩进行比较 再转化为检测片的位移 现分析其主要机构 31 调零和零点迁移机构 零点迁移 调节迁移弹簧来实现 调零 由调零弹簧来调整 迁移弹簧对杠杆施加一个迁移力F o设F o到主杠杆支点的距离为L o 则有 32 静压调整和过载保护装置 产生原因 膜盒两侧的膜片有效面积不等 主杠杆 拉条等装配不正 会使主杠杆产生一个附加力矩 消除方法 在主杠杆上安装一个静压调整装置 平衡锤 在副杠杆重心与支点M重合 从而提高了仪表的耐冲击 耐振动性能 而且仪表不垂直安装时也不影响精度 矢量机构 组成 由矢量板 推板组成 改变 可改变差压变送器的量程 当仅用矢量机构调整量程时的量程比为 33 3 电磁反馈机构 作用是将输出电流Io转换成电磁反馈力Ff 此力作用于副杠杆 产生反馈力矩Mf 以便和测量部分产生的输入力矩Mi相平衡 反馈力Ff的大小为 Ff KfIoKf是电磁结构常数 其值为 34 低频位移检测放大器 作用 是将副杠杆上检测片的微小位移s转换成直流输出电流Io其原理线路图2 12如下页 其组成有 差动变压器低频振荡器整流滤波电路功率放大器 35 36 差动变压器 差动变压器是由检测片 衔铁 上 下罐形磁芯和四组线圈构成 如图2 13所示 其作用是将检测片的位移s转换成相应的电压信号uCD 37 讨论 当s 2时 e 2 e 2 UCD e 2 e 2 0差动变压器变压器输出 当s e 2 UCD e 2 e 2 0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 e 2 e 2 UCD e 2 e 2 0此时UCD与UAB反相 38 低频振荡器 低频放大器由振荡器 整流滤波 及功率放大器三部分组成 振荡器线路图如右图 由LAB C4构成的并联振荡回路的固有频率也就是低频振荡器的振荡频率 39 振荡的振幅条件 即KF 1 检测片位移S与振荡器输出电压UAB之间的关系 如下图 说明振荡器的放大特性是非线形的 而反馈特性在铁芯未饱和的情况下是线形的 两条线的交点p即为稳定后的工作点 p点对应的u AB就是振荡器的输出电压 40 整流滤波 振荡器的输出电压UAB经二极管VD4整流以及通过电阻R8 R9和电容C5滤波得到平滑的直流电压信号 再送至功放级 整流滤波电路并联在LAB C4回路的两端 因此它的总阻抗不能太小 否则将要影响振荡器的工作 41 功率放大器 功率放大器由晶体管VT2 VT3和电阻R3 R4 R5组成 如2 18所示 放大器采用PNP NPN互补型复合管 其目的一是提高电流大系数 二是电平配置 使VT2的基级电平与前级输出信号的电平相匹配 R3为稳定工作的反馈电阻 同时提高功放级的输入阻抗 有利于滤波器输出电压的稳定 R5为VT2 VT3集电极与发射级之间的穿透电流提供旁路 用以改善放大器的温度性能 提高了电路的稳定性 42 安全防爆基础知识 易燃易爆的固体粉尘 气体或蒸汽 与空气混合成为具有火灾或爆炸危险的混合物安装在这类场所的检测仪表和执行器 如果产生的火花具有点燃这些危险混合物的能量 则产生火灾或爆炸 43 危险场所的分类 第一类含有可燃性气体或蒸汽的爆炸性混合物的场所 称为Q类场所 第二类含有可燃性粉尘或纤维混合物的场所 称为G类场所 第三类火灾危险场所 称为H类场所 44 Q类场所 第一类危险程度最高 将其又分为三级 Q 1级在正常情况下能形成爆炸性混合物的场所Q 2级仅在不正常情况下形成爆炸性混合物的场所Q 3级在不正常情况下 只能在局部地区形成爆炸性混合物的场所 45 仪表防爆要求 用于危险区的控制系统中 一部分仪表安装在控制室内 无防爆要求 一部分安装在现场 如电动仪表中的变送器 执行器 电气转换器等 有防爆要求 两部分仪表需经防爆安全栅联接 当两部分距离较远时 还要采用防爆联接电缆 46 爆炸性物质的分类 分级与分组 分类通常将爆炸性物质分为三类I类物质 矿井甲烷 类物质 爆炸性气体 可燃蒸气 类物质 爆炸性粉尘 易燃纤维 分级与分组爆炸性气体的分级与分组 I 类 在标准试验条件下 按照其最大试验安全间隙和最小引爆电流比分级 按照其引燃温度值分组 如表4 1给出了部分示例 爆炸性粉尘和易燃纤维的分级与分组 类 爆炸性粉尘和易燃纤维按照其物理性质分级 按照其自燃温度分组 47 48 防爆仪表的分类 分级和分组自动化仪表属于低压电气仪表 用于危险场合时 应按照电气设备防爆规程管理 按照规定 防爆电气设备可制成隔爆型 本质安全型等10种结构类型 其设备的分类 分级 分组与爆炸性物质的分类 分级 分组方法相同 其等级参数及符号也相同 其中温度等级是按照最高表面温度确定的 对隔爆型是指外壳温度 其余各类型是指可能与爆炸性混合物接触的表面的温度 自动化仪表的防爆结构主要有两种类型 隔爆型 标志为 d 本质安全型 标志为 i 49 隔爆型隔爆型仪表的特点是 仪表的电路和接线端子全部置于隔爆壳体中 表壳的强度足够大 表壳结合面间隙足够深 最大的间隙宽度又足够窄 即使仪表因事故产生火花 也不会引起仪表外部的可燃性物质发生爆炸 设计隔爆型仪表结构的具体措施有 采用耐压 8 10 102kPa以上的表壳 表壳外部的温升不得超过由气体或蒸气的自燃温度所规定的数值 表壳结合面的缝隙宽度和深度应根据它的容积和气体的级别采取规定的数值等 50 隔爆仪表在安装及维护正常时 处于安全状态 但在揭开仪表表壳时 它就失去了防爆性能 因此 不能在通电运行的情况下打开外壳进行检修或调整 对于组别 级别高的易燃易爆性气体如氢气 乙炔 二硫化碳等 不宣采用隔爆型防爆仪表 这是因为一方面对这些气体所要求的隔爆型仪表的表壳在加工上有因难 另一方面 即使能解决加工问题 但经过长期使用后 由于磨损 很难长期保持要求的间隙 会逐渐失去防爆性能 这些都是隔爆型防爆仪表的弱点 51 本质安全防爆型是指在正常状态下和故障状态下 由电路及设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起易燃易爆性气体或蒸气爆炸的防爆类型 正常状态指在设计规定条件下的工作状态 如设计规定的断开和闭合电路动作所产生的火花 故障状态指因事故而发生短路 断路等情况 具有本质安全防爆的系统包括两种电路 安装在危险场所中的本质安全电路及安装在非危险场所中的非本质安全电路 为了防止非本质安全电路中过大的能量传入危险场所中的本质安全电路中 在两者之间采用了防爆安全栅 使整个仪表系统具有本质安全防爆性能 如图4 26所示 52 53 本质安全防爆系统的性能主要由以下措施来保证 首先 本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流 如正常工作时电压不大于24VDC 电流不大于20mADC 故障电压不大于35VDC 电流不大于35mADC 限制仪表所用电阻 电容和电感参数的大小 以保证在正常及故障条件时所产生的火花能量不足以点燃爆炸性混合物 其次 用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开 再次 在现场仪表到控制室仪表之间的连接导线不得形成过大的分布电感和电容 本质安全防爆型仪表的防爆性能最好 理论上讲它适用于一切危险场所和一切易爆气体 其安全性能不随时间而变化 而且维修方便 可在运行状态下进行维修和调整 54 防爆安全栅防爆栅 安全保持器 用途 限制送往现场单元的电压 电流 保证进入现场的电功率在安全范围之内 传统 包括充油型 充气型 隔爆型等 将可能产生火花的电路从结构上与爆炸性气体隔开 新型 安全火花型 电路设计上考虑防爆 将电路在短路 开断及误操作下产生的火花限制在爆炸性气体的点燃能量之下 归类 属于本质安全防爆仪表 比结构防爆仪表高一等级 55 性质 安全火花防爆仪表和安全火花防爆系统属于两个不同的概念 内容 防爆仪表只保证仪表内部不产生危险火花 不包括外部引线 电源线 信号线等 注 系统与仪表的区别 定义 由安全火花仪表和经过防爆栅连接组成的工业控制系统 安全火花防爆系统的基本结构 注意 防爆栅的作用 56 防爆栅的局限性 只能限制进入现场的瞬时功率 必须与安全火花型仪表配合 安全火花防爆系统的充分必要条件 1 在危险现场的仪表必须是安全火花型 2 现场仪表与非危险场所之间的电路连接必须经过防爆栅 57 防爆栅的基本工作原理 齐纳式 改进型齐纳式 主要种类 电阻式 齐纳式 隔离式 电阻式 电阻串联于电源线或信号线限制进入危险现场的电流 缺点 电源 信号受衰减 齐纳式 利用串联电阻限流 利用并联齐纳稳压管限压 过流限制分析 58 隔离式防爆栅 1 检测端防爆栅 DDZ 防爆栅的隔离方案 具体措施 变压器作为输入输出电源隔离 晶体管截止限压 限流截止式控制电路 两处隔离 变送器配合使用的检测端防爆栅 执行其配合使用的执行端防爆栅 分为检测端和执行端防爆栅 59 隔离示意图 信号隔离 电源隔离 涉及内容 1 电路组成 2 信号流程分析 3 调制解调原理 60 检测端防爆栅的简化原理图 分析内容 1 DC AC转换原理 2 调制原理 3 解调放大原理 61 基本工作原理描述 信号流向 由变送器输入 经限压 限流电路 经调制电路 经隔离防爆栅 经解调电路至控制室 供电电源 24V电源接通 VT1 VT2得电 产生推挽振荡 DC AC转换 输出3路 a 为4 20mA产生电路供电 b 作为调制开关切换控制信号 c 为限压 限流保护电路供电 限压限流 过压VD15 VD16击穿 VT3 VT5导通 VT4 VT6截至 信号通道关断 调制电路 调制开关VD13 VD14轮流切换变送器引入信号 分时流过调制变压器T2原边上 下绕组 将电平信号转换为交变信号 解调电路 副边信号时VT7 VT8 VT9 VT10轮流导通 导通程度由原边4 20mA电平决定 对施加电源控制后还原4 20mA信号 62 限压限流电路原理及特性曲线 检测端防爆栅简化原理图 限压限流特性曲线 63 调制解调电路工作原理 调制和解调放大电路原理图 斩波供电 64 2 执行端防爆栅 执行端防爆栅电路原理图 执行端防爆栅工作原理 65 隔离式安全栅 通过隔离 限压和限流等措施 限制注入危险场所的能量来保证安全火花性能 危险侧设备与安全侧设备的一切联系 如供能 信号传递等 都是通过电磁转换方式进行的 利用符合要求的非线性特性的电路 把危险侧的电源 电压值限制在安全值以下 66 隔离式安全栅的主要指标 输入信号输入式4 20mA DC输出式4 20mA DC 输出信号输入式1 5V DC 4 20mA DC输出式4 20mA DC 负载电阻输入式电流负载电阻0 100 输出式负载电阻为250 750 防爆额定电压220V DC AC 67 隔离式安全栅特点 通用性强 使用时不需要特别本安接地 系统可以在危险区或安全区认为合适的任何一方接地 使用方便 电源 信号输入 信号输出均通过变压耦合 实现信号的输入 输出完全隔离 使安全栅的工作更加安全可靠 68 电源隔离处理 采用变压器隔离 输入电源经DC AC变换器变成交流方波 再经变压器耦合 AC DC 滤波得到直流稳压电源 通过电流 电压限制电路 给现场提供隔离电源 69 输入隔离式安全栅 接受变送器的输出电流 经调制变成交流方波信号 通过信号变压器耦合到安全侧 经解调放大还原为直流信号输出 实现危险侧输入信号与安全侧输出信号隔离 70 输出隔离式安全栅 安全侧的输入直流信号通过调制变成交流方波信号 经信号变压器耦合到危险侧 送入解调放大器 输出直流信号 在危险侧信号输出端通过快速熔丝 限压电路 限流电路组成齐纳式限压限流电路 把通往现场的电压和电流限制在一个安全值内 71 隔离式安全栅原理图 72 安全火花防爆 安全火花防爆原则 电子线路设计上 安装使用上 不让火花窜入现场 隔离 尽可能减小贮能元件 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 73 电容式差压变送器 电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器 它采用差动电容作为检测元件 整个变送器无机械传动 调整装置 并且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构 变送器包括测量部分和转换放大电路两部分 74 此电容变化量由电容 电流转换电路转换成直流信号 电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较 其差值送入放大电路 经放大得到整机的输出电流Io 75 测量部件 测量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检测元件 膜盒 等部分组成 若不考虑边缘电场的影响 感压膜片和两边固定电极构成的电容Ci1 Ci2为 76 77 转换放大器 作用 是将上述差动电容的相对变化值转换成标准的电流输出信号 完成零点调整 正负迁移 量程调整 阻尼调整等功能 其结构原理图如下 它由电容 电流转换电路和放大电路组成 78 图2 28电容式差压变送器电路图 79 1 电容 电流转换电路 作用 将差动电容的相对变化值成比例的转化成差动电流信号 振荡器作用是用来向差动电容Ci1 Ci2提供高频电流 其线路图如2 23 由图知这是一种变压器反馈型振荡电路 只要适当的选择电路元件的变量 便可满足振荡条件 供电 由IC1输出电压Uo1供电 IC1可控制振荡器输出幅度 频率 即为L C构成的并联谐振电路 80 解调和振荡控制电路 81 线性调整电路 由于差动电容检测元件中分布电容的存在 将造成非线形误差 分布电容使差动电容变化量减小而使Ii减小 为使Ii增大而设计了此电路 82 2 放大及输出限制电路 作用 是将电流信号Ii放大 并输出4 20mA的直流电流 放大电路 输出限制电路 由VT2 R18组成作用 防止输出电流过大 损坏器件 Io 30mA 83 扩散硅式差压变送器 一种无杠杆的变送器 采用硅杯压阻传感器作为敏感元件 特点 体积小 重量轻 结构简单 稳定性好 精度也高 变送器包括测量元件和放大线路两部分 硅杯 敏感元件 弹性元件 检测元件 由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成 测量原理 当硅杯受压时 压阻效应使其上的扩散电阻发生变化 从而使由这些电阻组成的电桥产生不平衡电压 1 硅杯不受压时 Pi 0 Rs1 Rs2 Rs3 Rs4 84 2 硅杯受压时 Pi 0 Rs1 Rs3 Rs2 Rs4 3 负反馈由图知 VT的发射极电流来自电桥的一个臂 当 Pi Io Rf上的压降使B点电位降低 所以对IC的输入端而言 是负反馈作用 这样就保证了变送器电路具有比例变换关系 85 图1这种压力变送器主要利用液体或气体在检测器件上形成的压力来检测液体或者气体的流量或压强 把这种压力信号转变成标准的0 10V或者4 20mA电信号 以便控制使用 图2中所示的元件就是各种压力传感器的核心部件 压力和电信号的转化主要由它们完成 这种元件主要由压力检测体和放大电路组成 图1压力变送器 图2压力变送器部件 压力变送器实例介绍 86 温度变送器 四线制温度变送器两线制温度变送器 温度变送器与测温元件配合使用 将温度或温差信号转换成为标准的统一信号 还可以作为直流毫伏变送器使用 用以将其它能够转换成直流毫伏信号的工艺变量转换成为标准的统一信号 其可分为 87 四线制温度变送器 1 四线制温度变送器有如下特点 1 主放大器为低漂移 高增益的运算放大器 使仪表具有良好的可靠性和稳定性 2 在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路 从而使变送器的输出信号和被测温度呈线形关系 便于指示和记录 3 变送器的输入 输出之间具有隔离变压器 采用了安全隔离变压器 并采用了安全火花防爆措施 故具有良好的抗干扰性能 且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号 88 其结构图如2 31 整机线路图如下页图2 44 两部分分别设置在两块印刷线路板上 用插接件相互连接 其中放大单元是通用的 而量程单元则随品种 测量范围的不同而异 89 图2 44直流毫伏变送器电路图 90 2 放大单元工作原理 由集成运算放大器 功率放大器 直流 交流 直流转换器 隔离部分组成 电压放大电路由集成运算放大器IC1组成 设变送器的环境温度为 t 失调电压温漂系数 91 功率放大电路 作用 将运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号 同时 通过隔离变压器实现隔离输出 采用了复合管是为了提高输入阻抗 减小线形集成电路功耗 引入射极电阻一方面为了稳定功率放大器的工作状态另一方面为了从R4两端取出反馈电压Vf 92 隔离输出 为了避免输出 输入之间有直接电的联系 在功率放大器与输出回路之间采用隔离变压器To来传递信号 To 实为电流互感器 交流比为1 1所以输出电流iL等于功放电路复合管集电极电流 93 直流 交流 直流转换器 用来对仪表进行隔离式供电 是DDZ 仪表的通用部分 其工作过程为 先把电源供给的24V直流电压转换成一定频率的交流方波电压 再经过整流 滤波 稳压提供给直流电压 94 振荡频率 95 3 支流毫伏变送器量程单元 96 97 4 热电偶温度变送器量程单元 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形化电路 98 热电偶冷端温度补偿电路 表明 I 冷端温度变化时 引起热电偶热电势的变化 II 当 时 补偿电势V z 即V z t是上凹形曲线 而Et t也为下凹形曲线 二者综合即为线性特性 99 线性化原理及电路分析 线性化电路可使热电偶温度变送器的输出信号与被测信号成线性关系 I 线性化原理 由图可知 Et U z U f如果U f t为非线性 并于Et t非线性相对应 则 t为线性 100 II 线性化电路 即非线性运算电路实为一个折线电路 是用折线来近似表示的 折线的段数及斜率大小由热电偶的特性来确定 一般用4 6段表示时 误差小于0 2 要采用图2 38的特性曲线 可采用2 39的电路结构 VZ103 Vd106稳压管稳压值为VD 其特性在击穿之前电阻极大 相当于开路 而当击穿后 动态电阻极小 相当于短路 101 该线路决定了第一段直线的斜率 1 当要求后一段的直线斜率大于前一段时 如图2 38 2 1可在R120上并联一个电阻 如R119此时负反馈减小 输出Ua增加 如要求后一段直线斜率小于前一段则可在Ra上并联一电阻 此时输出Ua减小 102 5 热电阻温度变送器量程单元 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 103 I 线性化原理及分析 热电阻线性化电路原理如图 现把IC2看成是理想运算放大器 UT UF可得 104 II 引线电阻补偿电路 为消除引线电路的影响 热电阻采用三线接法 由R23 R24 2构成的支路为引线电阻补偿电路 若不考虑此电路 则 U t Ut 2It 若存在引线补偿电路 有电流I 流过 2 3 调整R24使I It则流过 3的电流大小相等 方向相反 所以 3上不产生压降 因为设计时 R29 R30 R31 所以由 1 2产生的压降引到反相端时 互相抵消 故三线制接法可消除引线电阻对测量的影响 105 6 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 106 两线制温度变送器 1 输入回路包括电阻R6 R11 Rcu 电位器Rp1等组成的桥路 电容C2 C5电阻R17 R20等组成的滤波电路及由二极管组成的限幅电路 1 2端连接测温元件热电偶 3 4短接 桥路输出不平衡电压与热电偶的热电势相叠加 送至放大器的输入端 铜电阻Rcu起冷端温度补偿作用 Rp1用来调节零点 107 2 反馈回路 反馈回路由电阻R13