讲得最透彻的电容式差压变送器原理(带图)

.,第六节电容式差压变送器,一、有关变送器的常识变送器是现场仪表，其输出信号送至控制室中，而它的供电又来自控制室。变送器的信号传送和供电方式通常有如下两种：1四线制传输供电电源和输出信号分别用两根导线传输，如右图所示。图中的变送器称为四线制变送器。,.,由于电源与信号分别传送，因此对电流信号的零点及元器件的功耗无严格要求。在该传输方式中，若变送器的一个输出端与电源装置的负端相连，也就成了三线制传输。2两线制传输变送器与控制室之间仅用两根导线传输。这两根导线既是电源线，又是信号线，如右图所示。图中的变送器称为两线制变送器。,.,采用两线制变送器不仅可节省大量电缆线和安装费用，而且有利于安全防爆。因此这种变送器得到了较快的发展。要实现两线制变送器，必须采用活零点的电流信号。由于电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。因此，信号电流的下限值不能过低。国际统一电流信号采用42OmA(DC)，为制作两线制变送器创造了条件。,.,许多模拟变送器的构成方框图见右图，它包括测量部分（即输入转换部分）、放大器和反馈部分。测量部分用以检测被测参数x,并将其转换成能被放大器接受的输入信号zi(电压、电流、位移、作用力或力矩等信号)。反馈部分则把变送器的输出信号y转换成反馈信号zf，再回送至输入端。zi与调零信号z0的代数和同反馈信号zf进行比较，其差值送入放大器进放大，并转换成标准输出信号y。,3许多模拟变送器的构成原理,.,由下图可以求得变送器输出与输入之间的关系为:式中，K放大器的放大系数；F反馈部分的反馈系数；C测量部分的转换系数。当满足深度负反馈的条件，即KFl时，上式变为:上式表明，在KFl的条件下，变送器输出与输入之间的关系取决于测量部分和反馈部分的特性，而与放大器的特性几乎无关。如果转换系数C和反馈系数F是常数，则变送器的输出与输入将保持良好的线性关系。,.,变送器的输入输出特性示于右图，xmax和xmin分别为被测参数的上限值和下限值，也即变送器测量范围的上、下限值(图中xmin=0),ymax和ymin分别为输出信号的上限值和下限值。它们与统一标准信号的上、下限值相对应。4量程调整、零点调整和零点迁移变送器涉及的另一个共性问题是量程、零点调整和零点迁移。,.,(1)量程调整量程调整(即满度调整)的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。即当x=xmax时，使y=ymax。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。有些变送器还可以通过改变转换系数C来调整量程。,.,(2)零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移的目的，都是使变送器输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。即当x=xmin时，使y=ymin。在xmin=0时，为零点调整,在xmin不等于时，为零点迁移。也就是说，零点调整使变送器的测量起始点为零，而零点迁移则是把测量起始点由零迁移到某一数值(正值或负值)。,.,当测量起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量起始点由零变为某一负值，称为负迁移。变送器零点调整和零点迁移可通过改变调零信号z0的大小来实现。当z0为负时可实现正迁移；而当z0为正时则可实现负迁移。,.,二、电容式差压变送器(见教材P142P146)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，因此仪表结构简单，性能稳定、可靠，且具有较高的精度。,一个典型的变送器的主要性能指标如下：（1）基本误差有0.25%，0.35%，0.5%三种；（2）输出信号420mA(DC)(两线制)（3）负载电阻0600（在24V(DC)供电时），01650（在45V(DC)供电时）。（4）电源电压1245V(DC),一般为24V(DC)。,.,内部不锈钢膜片的位置,各种电容式压力变送器外形图,.,各种电容式压力变送器外形图,.,法兰,各种电容式压力变送器外形图,.,变送器包括测量部分和转换放大电路两部分，其构成方框如图所示。输入差压pi作用于测量部分的感压膜片，使其产生位移，从而使感压膜片（即可动电极）与两固定电极所组成的差动电容器之电容量发生变化。此电容变化量由电容电流转换电路转换成电流信号，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I0。,.,（一）测量部分（部件）测量部分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，其结构如图所示。差动电容检测元件包括中心感压膜片11，(即可动电极)，正、负压侧弧形电极12、10（即固动电极)，电极引线1、2、3，正、负压侧隔离膜片14、8和基座13、9等。在检测元件的空腔内充有硅油，用以传递压力。感压膜片和其两边的正负压侧弧形电极形成电容Ci1和Ci2。无差压输入时，Ci1=Ci2，其电容量约为15017OpF。,.,.,电容式差压变送器测量部件,1-隔离膜片；2，7-固定弧形电极；3-硅油；4-测量膜片；5-玻璃层；6-底座,.,当被测差压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，迫使硅油向右移动，将压力传递到中心感压膜片的两侧，使膜片向右产生微小位移S，如图所示。输入差压pi与中心感压膜片位移S的关系可表示为：S=K1pi式中Kl为由膜片材料特性和结构参数所确定的系数。,.,设中心感压膜片与两边固定电极之间的距离分别为S1和S2。当被测差压pi=0时，中心感压膜片与两边固定电极之间的距离相等。设其间距为SO，则S1=S2=S0。当被测差压pi不等于0时，中心感压膜片产生位移S。此时有：S1=S0+S，S2=S0-S若不考虑边缘电场的影响，感压膜片与两边固定电极构成的电容Ci1和Ci2，可近似地看成是平板电容器。其电容量分别为：Ci1=A/(S0+S)Ci2=A/(S0-S)式中为极板间介质的介电常数；A为固定极板的面积。,.,经过数学推导得出：(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)=S/S0=K2SK2=1/S0上式表明：(a)差动电容的相对变化量(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)与S成线性关系，因此转换放大部分应将这一相对变化值变换为直流电流信号。(b)(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)与介电常数无关。这一点非常重要，因为是随温度变化的，现不出现在式中，无疑可大大减小温度对变送器的影响。(c)(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)与S0有关。S0愈小，差动电容的相对变化量愈大，即灵敏度愈高。(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)=K1K2pi,.,应当指出，在上述的讨论中，并没有考虑到分布电容的影响。事实上，由于分布的电容C0的存在，差动电容的相对变化量变为：分布电容的存在将会给变送器带来非线性误差，为了保证仪表的精度，应在转换电路中加以克服。,（二）转换和放大电路转换和放大电路的作用是将上述差动电容的相对变化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。其原理框图如下页图所示。,.,转换放大电路原理框图,.,该电路包括电容-电流转换电路及放大电路两部分。它们分别由振荡器、解调器、振荡控制放大器以及前置放大器、调零与零点迁移电路、量程调整电路(负反馈电路)、功放与输出限制电路等组成。差动电容器Ci1、Ci2由振荡器供电，经解调(即相敏整流)后，输出两组电流信号：一组为差动信号；另一组为共模信号。差动信号随输入差压pi而变化，此信号与调零及调量程信号(即反馈信号)迭加后送入运算放大器IC3,再经功放和限流得到42OmA的输出电流。共模信号与基准电压进行比较，其差值经IC1放大后，去作为振荡器的供电，从而使共模信号保持不变。下面的分析将证实，当共模信号为常数时，能保证差动信号与输入差压之间成单一的比例关系。转换放大部分的完整电路图最后给出。,.,1、电容电流转换电路电容-电流转换电路的功能是将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号(即电流变化值)。(1)振荡器振荡器用来向差动电容Ci1、Ci2提供高频电流，它由晶体管BG1、变压器T1及一些电阻、电容组成。振荡器电路如右图所示。在电路设计时，只要适当选择电路元件的参数，便可满足振荡条件。,振荡器原理图,.,(2)解调和振荡控制电路这部分电路包括解调器和振荡控制放大器。前者主要由二极管D1D8构成，后者即为集成运算放大器IC1。电路原理见下页图。,振荡器由放大器IC1的输出电压Vo1供电，从而使IC1能控制振荡器的输出幅度。,.,解调和振荡控制电路图,i2,i1,.,图中Ri为并在电容C11两端的等效电阻。VR是运算放大器IC2的输出电压。由电路总图可知，此电压是稳定不变的，它作为IC1输入端的基准电压源。IC1的输出电压Vo1作为振荡器的电源电压。变压器T1的三个绕组(L1-12、L2-11、L3-10)分别与一些二极管和差动电容串接在电路中。由于差动电容器的容量很小，其值远远小于C11和C17,因此在振荡器输出幅度恒定的情况下，通过Ci1和Ci2的电流的大小，主要取决于这两个电容的容量。（i）解调器它用于对差动电容Ci1和Ci2的高频电流进行半波整流。,.,当振荡器输出为负半周时，即同名端为负时，D1、D5和D4、D8导通而D2、D6和D3、D7截止，线圈L1-12产生的电压经如下路径形成电流i2:,L2-11D2、D6Ci2C17RiC11L2-11,当振荡器输出为正半周时，即同名端为正时，D2、D6和D3、D7导通而D1、D5和D4、D8截止，线圈L2-11产生的电压经如下路径形成电流i2：,L3-10D3、D7Ci1C17R6R8L3-10,同时线圈L3-10产生的电压经如下路径形成电流i1:,L1-12R7R9C17Ci2D1、D5L1-12,L2-11RiC11C17Ci1D4、D8L2-11,同时线圈L2-11产生的电压经如下路径形成电流i1:,.,.,根据电路条件，差动电容的电容量很小，即它们的阻抗较大，其它电阻和电容的阻抗相对来说可忽略不计。设线圈L2-11、L3-10、L1-12电压的峰值为Um，通过Ci1和Ci2的电流的峰值分别为ICi2、ICi1：,半波整流的平均电流公式为I整=KIm=Im/,ICi2=Ci2UmICi1=Ci1Um为振荡角频率。,.,这样半波整流电流分别为I2=Ci2Um/I1=Ci1Um/I2=Ci2Um/I1=Ci1Um/（波形对称的情况下）I2=I2I1=I1(I2-I1)/(I2+I1)=(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)流过RiC11的电流为Ii=I2-I1=(I2+I1)(Ci2-Ci1)/(Ci2+Ci1)只要保持I2+I1为定值，差动电容的相对变化量就正比于Ii。如何保持I2+I1为定值呢？这就是振荡控制放大器的作用。,.,（ii）振荡控制放大器IC1的作用就是使流过D3、D7和D1、D5的电流之和I1+I2等于常数。由前图可知，IC1的输入端接受两个电压信号：一个是基准电压VR在R9和R8上的压降；另一个是I1+I2在R6/R8和R7/R9上的压降。这两个电压信号之差送入IC1，经放大得到Vo1，去控制振荡器。当IC1为理想运算放大器时，由IC1、振荡器、及解调器一部分电路所构成的深度负反馈电路，使放大器输入端的两个电压信号近似相等，即,.,据此可求得I1+I2的数值。从电路分析可知，这两个电压信号的关系式分为：因R6=R9，R7=R8，故上两式可分别简化为,.,由于可求得上式中的R6、RR、R9和VR均恒定不变，故I1+I2为一常数。令故,.,（iii)线性调整电路由于差动电容检测元件中分布电容的存在，将造成非线性误差。由前可知，分布电容将使差动电容的相对变化值减小，从而使Ii偏小。为克服这一误差，在电路中设计了线性调整电路。该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。调整电路由D9、D10、C3、R22、R23、W1等元件组成。现将这一电路画成如下图所示的原理简图，进行分析。,.,绕组3-10和绕组1-12输出的高频电压经D9、D10整流，在R22、W1、R23上形成直流压降(即调整电压)。因R22=R23，故当Rw1=0时，绕组3-10和绕组1-12回路在振荡器正、负半周内所呈现的电阻相等，所以Vi3=0，无补偿作用。当Rw10时，两绕组回路在振荡器正、负半周内所呈现的电阻不相等，所以Vi30，Vi3的方向如图中所示。,.,该调整电压作用于IC1，使IC1的输出电位降低，振荡器的供电电压增加，从而使振荡器的振荡幅度增大，提高了Ii，这样就补偿了分布电容所造成的误差。补偿电压大小取决于W1的阻值，Rw1大，则补偿作用强。,.,2、放大及输出限制电路这部分电路的功能是将电流信号Ii放大，并输出420mA的直流电流。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。其电路原理如下图所示。放大电路放大电路主要由集成运算放大器IC3和晶体管BG3、BG4等组成。IC3起前置放大作用，BG3和BG4组成复合管，将IC3的输出电压转换为变送器的输出电流。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，它送至放大器的输入端，构成深度负反馈，从而保证了I0与Ii之间的线性关系。,.,.,电路中W2为调零电位器，用以调整输出零位。K为正、负迁移调整开关，开关拨至相应位置，可实现变送器的正向或负向迁移。W3为调量程电位器，用以调整变送器的量程。现对放大器的输入输出关系作进一步的分析。由图可知，IC3反相输入端的电压(即A点的电压),是由DW1的稳定电压通过R10和R13、R14分压所得。该电压使IC3输入端的电位在共模输入电压范围内，以保证运算放大器能正常工作。IC3同相输入端的电压VT(即B点的电压VB)是由三个电压信号叠加而成的：,.,一个是解调器的输出电流Ii在B点产生的电压Vi；第二个是调零电路在B点产生的调零电压V0；第三个是调量程电路(即负反馈电路)的反馈电流If在B点产生的电压Vf。设Ri为并在电容C11两端的等效电阻(参见下图)，则Vi=-RiIi。Vi为负值，是由于C11上的压降为上正下负(参见上图)，即B点的电位随Ii的增加而降低。,.,.,调零电路如右图所示。设R0为计算V0时在B点处的等效电阻。可由图求得调零电压V0为：,.,.,调量程电路如右图所示。设Rf为计算Vf时If流经B点处的等效负载电阻，Rcd为电位器滑触点c和d之间的等效电阻，按-Y变换方法可得：,.,.,由于故可近似地求得反馈电流If为：所以式中,.,当IC3为理想运算放大器时，VT=VF(即VA=VB)，则有：将Vi、V0和Vf的关系式代入上式得：设得：,.,上面公式表明了变送器输入差压Pi与输出电流I0之间成线性关系。此式还说明:(a)等式右边第二项为调零信号。在测量下限时，应调整该项使变送器的输出电流为4mA。可通过调节电位器W2，或由开关K接通R20或R21来改变。当R20接通时，V0增加，变送器输出电流减小，从而可实现正向迁移；当R21接通时，V0减小，可实现负向迁移。,.,(b)K4为电路放大倍数，此值与有关。调节电位器W3可改变值，可实现变送器的量程调整。(c)改变值，不仅调整了变送器的量程，而且也影响了变送器的调零信号。同样，改变V0值，不仅改变了变送器零位，对满度输出也会有影响。因此，在仪表调校时，应反复调整零点和满度。,.,该电路由晶体管BG2、电阻R18等组成，见图。其作用是防止输出电流过大，损坏器件。当输出电流超过允许值时，R18上压降变大，使BG2的集极电位降低，从而使该管处于饱和状态，因此流过BG2，也即流过BG4的电流受到限制。输出限制电路可保证在变送器过载时，输出电流I0不大于3OmA,放大电路中其它元件的作用如下：R38、R39、C22和W4等构成阻尼电路，用于抑制送器的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，也即调整了变送器的阻尼程度。,(2)输出限制电路,.,R1、R4、R5和热敏电阻R2用于量程温度补偿；R27、R28和热敏电阻R26用于零点温度补偿。DW2(见后总图)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用于在指示仪表末接通时，为输出