控制仪表及装置二PPT课件

1 控制仪表及装置 第二章变送器和转换器 2 内容安排 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 变送器和转换器 3 第一节变送器的构成 一 构成原理 变送器是基于负反馈原理工作的 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 的目的是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值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的输出信号下限值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 实现方法 6 零点迁移的方法 注意 零点迁移 Z0 量程不变 量程调节 F 则零点变 量程调节 C 则零点不变 7 例 有一台DDZ III型温度变送器 精度1级 出厂时量程调为 0 1300 用这台变送器测量一加热炉的温度 温度范围800 900 问 产生的最大绝对误差是多少 变送器的灵敏度为多少 将变送器的零点迁至700 量程调为700 1000 问 这时变送器的最大绝对误差是多少 灵敏度为多少 8 三 线性化 原因 传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系模拟式变送器非线性补偿方法 1 使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性2 使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性 9 1 反馈补偿 10 2 测量补偿 11 第二节差压变送器 作用 用来将压力 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 应用 12 一 力平衡式差压变送器 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 膜盒式差压变送器 13 1 低压室 2 高压室 3 测量膜盒 4 轴封膜片 5 主杠杆 6 过载保护弹簧 7 静压调整螺钉 8 矢量机构 9 零点迁移弹簧 10 平衡锤 11 量程调整螺钉 12 检测片 13 差动变压器 14 副杠杆 15 放大器 16 反馈动圈 17 永久磁钢 18 电源 19 负载 20 调零弹簧 14 变送器信号传输方框图如下 15 作用 把被测差压 P转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi 1 测量部分 1 负压室 2 基座 3 正压室 4 C型弹簧 5 主杠杆 6 硬锌 10 轴封膜片 8 硅油 7 金属膜片 9 密封圈 16 作用 进行力的传递和力矩比较 2 杠杆系统 17 18 零点及量程调整 1 调零及零点迁移 19 零点迁移 通过调节迁移弹簧来实现 F2 L3 L2 L1 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 1 反馈动圈 2 导磁体 3 永久磁钢 4 副杠杆 21 Ff BDWI0设Kf BDW则Ff Kf I0改变反馈动圈的匝数 可以改变Kf的大小B 气隙感应强度D 动圈平均直径W 动圈匝数 22 4 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 组成 由差动变压器 低频振荡器 整流滤波电路 功率放大器组成 23 差动变压器 B 24 1 当S 上下磁阻相等Ucd 0 2 当S 上半部磁阻减小Ucd与Uab同相 3 当S 上半部磁阻增大 Ucd与Uab反相 25 低频放大器 由振荡器 整流滤波及功率放大器 VD1 VD2 R6 构成分压式偏置电路 R2 电流负反馈电阻 稳定VT1的直流工作点 26 低频放大器 由振荡器 整流滤波及功率放大器 振荡条件分析 相位条件 只要UCD与UAB的相位相同 则反馈信号与放大器的输入信号同相 电路就形成正反馈 振幅条件 KF 1只要选择合适的电路参数 容易满足 27 整流滤波 功率放大器 28 一 概述 二 电容式差压变送器 29 二 测量部件 测量部件结构 30 结论 31 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 电路包括电容 电流转换电路及放大电路两部分 32 转换放大部分电路原理方框图 33 1 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 作用 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 34 解调和振荡控制电路 35 电流i1的路线 T1 11 C11 C17 Ci1 C1 VD4 VD8 T1 2 振荡器输出为正半周时 电流i2的路线为 T1 2 VD6 VD6 C2 Ci2 C17 C11 T1 11 电流i1的路线为 T1 3 R4 VD7 VD3 C1 Ci1 C17 R6 R8 T1 10 振荡器输出为负半周时 电流i2的路线为 T1 12 R7 R9 C17 Ci2 C2 VD1VD5 R3 T1 1 i2 i1以相反的方向流过C11 两者平均值之差I2 I1即为解调器输出的差动信号Id i1 i2流过R6 R8和R9 R7产生的电压两者平均值之和I2 I1即为解调器输出的共模信号Ic 36 37 38 解调和振荡控制电路 振荡控制放大器主要包括放大器IC1 其作用是保持I1 I2不变 39 IC1的作用 就是使流过VD3 VD7和VD1 VD5的电流之和I1 I2等于常数 40 41 2 放大及输出限制电路 作用 将电流信号Ii放大 并输出4 20mA的直流电流 42 43 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 44 45 46 47 48 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 49 三 扩散硅电子式差压 压力 变送器 扩散硅电子式差压 压力 变送器采用硅杯压阻传感器作为感压元件 它具有体积小 重量轻 结构简单 稳定性好和测量精度比较高等特点 这种变送器的感压元件由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成 如图所示的硅杯 当p1 p2时 硅杯杯底受侧向压力差作用而向一侧弯曲 这就使在杯底表面扩散的电阻阻值发生变化 这些电阻阻值变化再通过电桥等电路的进一步处理 最终将待测压力或差压转换为标准信号 4 20mADC 输出 1 外壳 2 低压腔 3 电阻 扩散硅 4 高压腔 5 硅杯 6 引线 50 51 52 53 第三节温度变送器 作用 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 4 20mADC或1 5VDC 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 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 54 四线制温度变送器的特点 1 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 2 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 四线制温度变送器 一 概述 电动温度变送器 55 温度变送器结构方框图 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 56 二 放大单元 由IC1构成 要求采用低漂移 高增益的运算放大器 参见P73 75图 1 电压放大电路 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 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 57 2 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 58 3 隔离输出电路 由整流二极管VD13 VD16 保护二极管VD17 VD18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 7 59 4 直流 交流 直流 DC AC DC 变换器 组成 由整流二极管VD3 8 变压器T1等组成 P73 75 方法 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 直流 交流 DC AC 变换器 实质上是一个磁耦合多谐振荡器 作用 是对仪表进行隔离式供电 60 三 直流毫伏变送器量程单元 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 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 基基准电压UZ准电压UZ 断线报警电路 61 输入回路 62 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 63 四 热电偶温度变送器量程单元 R105 R103及R100为锰铜电阻或者精密金属膜电阻 RCu1 RCu2为铜线绕电阻 其阻值在0 时为50 B1接B3时 B1接B2时 线性化调整电路 64 1 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 65 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 66 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 67 非线性电路的实现 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 68 第一段 Uf Uf2 斜率r1 要求 Uc Ud Us1 Uc Ud Us2 Uc Ud Us3 Ua Ud Us4 69 第2段 Uf2 Uf Uf3 斜率r2 要求 Ud Us1 Uc Ud Us2 Uc Ud Us3 Ua Ud Us4 70 五 热电阻温度变送器量程单元 71 1 线性化 线行化电路置于输入回路 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 It将增大 而从上式可知 Rt的增加导致It的进一步加大 从而实现线性化 72 2 引线电阻补偿 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 二 两线制温度变送器 P77图 73 第四节电 气转换器 一 概述 将电动仪表输出的4 20mA直流电流转换成可被气动仪表接受的20 100kPa标准气压信号 以实现电动 气动仪表的联用 电 气转换器 74 二 气动仪表的基本元件 一 气阻 气阻与电阻相似 它可以改变气路中的气体流量 流过气阻的流体为层流状态时 气阻呈现为线性 而流体为紊流状态时 气阻呈现非线性 有恒气阻 毛细管 小孔等 与可调气阻 变气阻 二 气容 气容与电容相似 它是具有一定容积的气室 是储能元件 有固定气容与弹性气容两种 75 固定气室的气容量为恒值 弹性气容在工作过程中容积发生变化 气容量也随之改变 三 弹性元件 用来产生力 储存机械能 缓冲振动 把力 差压等物理量转换为位移 弹性元件有弹簧 波纹管 金属膜片和非金属膜片等 76 四 喷嘴挡板机构 把微小的位移转换成相应的压力信号 由恒节流孔与喷嘴挡板 变节流孔 组成 喷嘴挡板构成一个变气阻 气阻值决定于喷嘴挡板间的间隙 气源压力pS经恒节流孔进入节流气室 由喷嘴挡板的间隙排出