控制仪表及装置第二章

控制仪表及装置,第二章变送器和转换器,第二章变送器和转换器,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,变送器的构成,构成原理,变送器的构成原理和输入输出特性,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,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xmin0时，称为零点迁移。,实现方法：改变调零信号Z0,差压变送器,用来将差压、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。,一、力平衡式差压变送器（一）概述,测量部分,杠杠系统,位移检测放大器,电磁反馈机构系统,Fi,Ff,I0,变送器构成方框图,（二）工作原理和结构,1.工作原理,几点结论,(1)在满足深度负反馈的条件下,输出电流Io与输入差压Pi成正比。(2)改变调零弹簧作用力Fo可调整变送器的零点。(3)调整变送器的量程可通过改变tan和Kf来实现。(4)零点和满度应反复调整。,作用：把被测差压P转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi,A1=A2=A,Fi=A(P1-P2)=APi,Fi=A1P1-A2P2,因:,故:,2.结构测量部分,杠杆系统,作用：进行力的传递和力矩比较。,组成：主杠杆1、矢量机构2和副杠杠4，以及调零机构、零点迁移机构、静压调整和过载保护、平衡锤。,主杠杆,将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1：,矢量机构,将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2：,改变tan，可改变差压变送器的量程：415，量程比为tan15/tan4=3.83,副杠杆,进行力矩的比较,调零和零点迁移机构,静压调整和过载保护装置、平衡锤,平衡带拉条,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,Ff=BDcWI0,设Kf=BDcW,改变反馈动圈的匝数，可以改变Kf的大小,则Ff=KfI0,1-3短接、2-4短接：,W=W1=725匝,1-2短接：,W=W1+W2=2175匝,可实现3:1的量程调整,W1=725匝，W2=1450匝,（三）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420mA的直流输出电流。由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率放大器组成。,构成方框图,1.差动变压器,B,差动变压器原理图,2.低频振荡器,D1、D2可以提供偏置电压，使三极管BG1正常工作。两个二极管D1、D2就相当于一个稳压管。R2起负反馈作用,从而稳定了BG1的工作点。,振荡器电路,低频振荡器的起振条件,振荡频率：,相位条件s/2时，uCD与uAB相位相同，则电路就形成正反馈。,振幅条件KF=1,选择合适的电路参数，可满足这一条件。,1,f0=,LABC4,2,振荡器的放大特性和反馈特性,即：SFP点上移uAB,工作中，F随S的变化而变化。S较大时，F较小；（磁阻较大）S较小时，F较大。（磁阻较小）,3.整流滤波电路,整流滤波电路,震荡器的输出电压uAB经二极管D4整流，通过电阻R8-9和电容C5滤波，得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。,4.功率放大器,稳定工作点提高输入阻抗,穿透电流旁路，改善温度特性,采用复合管，目的一是提高电流放大倍数；二是电平配置,其他元件作用,R1、C1：相位校正作用，对高次谐波造成相移，破坏其振荡条件，防止高次谐波产生寄生振荡。,R10：改变放大器灵敏度。高量程时，通过端子7、8将其接入，以降低灵敏度。,R7：稳定振荡管输入电压。,C3、C6：高频旁路电容，可减小交流分量。,D9：防止电源反接。,位移检测放大器总图及本安防爆措施见下：,（一）概述,检测元件差动电容,构成原理位移平衡式,二、电容式差压变送器,变送器构成方框图,（二）测量部件,作用：,测量部件结构,结论：,(1)相对变化值与被测差压成线性关系。,(2)与介电常数无关,可大大减小温度对变送器的影响。,(3)与有关。愈小，灵敏度越高。,（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,转换放大部分电路原理方框图,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,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)。,是一种变压器反馈型振荡电路，其振荡频率由检测电容和变压器次级绕组的电感决定。,振荡器的输出幅值由控制放大器IC1的输出电压决定。,解调和振荡控制电路(包括解调器和振荡控制电路),Ii=I2-I1=(I2+I1),解调(即相敏整流)后输出两组电流信号：差动信号和共模信号，使后者保持不变，可得,Ci2-Ci1,Ci2+Ci1,=K3,Ci2-Ci1,Ci2+Ci1,线性调整电路(包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等),检测元件中分布电容的存在，使差动电容的相对变化值减小，造成非线性误差，故设计了线形调整电路。,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误差。补偿电压大小取决于RP1的阻值。,2.放大及输出限制电路,将电流信号Ii放大，并输出420mA的直流电流。,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。,电阻R31、R33、R34和电位器Rp3组成反馈网络，输出电流Io经这一网络分流，得到反馈电流If，送至放大器的输入端，这深度负反馈保证了Ii和Io的线性关系。,电位器Rp2用以调整输出零位。S为正负迁移调整开关，可实现变送器的正向或负向迁移。电位器Rp3用以调整变送器的量程。,对电路的分析，可推得如下的输入、输出关系式：,调零和调量程电路,Io=K3K4,Ci2-Ci1,Ci2+Ci1,+K4K5(UA-aUVZ1),式中：,K4=,Ri,Rf,，K5=,1,Ri,，、a为分压系数。,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)。,其它元件的作用,R38、R39、C22和RP4构成阻尼电路，抑制变送器的输出波动，RP4用来调整阻尼时间。,VZ2起稳压作用，还可防止电源反接时损坏器件。,VD12在指示仪表未接同时，为输出电流提供通路,同时起反向保护作用。,温度变送器,四线制温度变送器的特点：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。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。,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(420mA直流电流或15V直流电压)，以实现对温度的显示、记录或自动控制。,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。,输入回路,电压放大,反馈回路,直流-交流变换器,功率放大,整流滤波,隔离输出,UZ,Uf,Ui、Et,-,+,Uo,Io,量程单元,放大单元,温度变送器结构方框图,（一）概述,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。,（二）放大单元工作原理,由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的运算放大器。,1.电压放大电路,其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：,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。,3.隔离输出电路,由整流二极管VD1316、保护二极管VD1718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）,4.直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器,由整流二极管VD38、变压器T1等组成。其作用是对仪表进行隔离式供电。,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。,电路核心是直流-交流(DC/AC)变换器，一个磁耦合多谐振荡器。,振荡频率,可求得感应电势：,ES=,4WcBmS,T,因此振荡频率为：,f=,4WcBmS,T,(T为周期,S为磁芯截面积，Bm为磁感应强度),（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。,输入回路:,R101、R102及VZ101、VZ102分别起限流和限压作用，将其与IC1联系起来画成下图。,R103、R104、R105及RP1组成零点调整和零点迁移电路，桥路基准电压UZ由集成稳压器提供。,图中红笔部分为输入信号断路报警电路。,按叠加原理，IC1同相输入端的电压UT为(见教材),UT=Ui+Uz=Ui+,Rcd+R103,R103+RP1/R104+R105,Uz,(式中,Rcd=,RP11R104,RP1+R104,Ui+,R105,Rcd+R103,Uz,=Ui+Uz,),从反馈回路可得IC1反相输入端的电压UF为,UF=,R106+R111+RP21,R111+R114,Uz,R115,R115+R116,U0,5,+,R106,R107,=,1,U0+Uz,因UTUF,故U0=Ui+(-)Uz,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。,（四）热电偶温度变送器量程单元,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。,按叠加原理，可求得IC1同相端的电压UT为(见教材),UT=Ei+,RCu1RCu2,R103+RCu1+RCu2,)Uz,1,R105,(R100+,从上式可知，冷端环境温度变化时，RCu1、RCu2的阻值也随之变化，从而补偿了由于环境温度升降引起的热电偶电势的变化。而且，补偿特性与热电偶的特性相似，故补偿精度高。,热电偶温度变送器线性化原理方框图,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。,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。,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。,（五）热电偶温度变送器量程单元,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。,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。,调整R24,使Ir=It,流过r3的两电流大小相等,方向相反，故r3上不产生压降。另电阻r1、r2上的压降Itr和Irr亦极性相反，从而消除了引线电阻影响。,电/气转换器,一、概述,将电动仪表输出的420mA直流电流转换成可被气动仪表接受的20100kPa标准气压信号，以实现电动、气动仪表的联用。,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。,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。弹性元件有不同形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片等。,（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