讲得最透彻的电容式差压变送器原理带图PPT课件

1、 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。输。2 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。第1页/共57页 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

2、下限值不能过低。国际统一电流信号采用4 42OmA(DC)2OmA(DC)，为制作两线制变送器创造了条件。第2页/共57页 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,x,并将其转换成能被放大器接受的输入信号z zi i( (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 y转换成反馈信号z zf f，再回送至输入端。z zi i与调零信号z z0 0的代数和同反馈信号z zf f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 y。3 许多模拟变送器的构成原理许多模拟变送器的构成原理第

3、3页/共57页 由下图可以求得变送器输出与输入之间的关系为: : 式中，K K放大器的放大系数； F F反馈部分的反馈系数； C C测量部分的转换系数。 当满足深度负反馈的条件，即KFlKFl时，上式变为: : 上式表明，在KFlKFl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 C和反馈系数F F是常数，则变送器的输出与输入将保持良好的线性关系。FZCXY0KFZCXKY1)(0第4页/共57页 变送器的输入输出特性示于右图，x xmaxmax和x xminmin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 (

4、 (图中x xminmin=0),y=0),ymaxmax和y yminmin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 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。第5页/共57页(1) (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y ymaxmax与测量范围的上限值x xmaxmax相对应。即当x=xx=xmaxmax时，使y=yy=ymaxmax。量程调整通常是通过改变反馈系数F F的大小来实现的。F F大，量程就大；F F小，量程就小。有些变送器还可以通过改变转换系数C C来调

5、整量程。第6页/共57页(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)。第7页/共57页 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z z0 0的大小来实现。当z z0 0为负时可实现正迁移；而当z z0 0为正时则可实现负迁移。

6、第8页/共57页 二、电容式差压变送器 ( (见教材P142P142P146)P146)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)。第9页/共57页高压侧

7、高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置各种电容式压力变送器外形图第10页/共57页各种电容式压力变送器外形图第11页/共57页法兰法兰各种电容式压力变送器外形图第12页/共57页 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 p pi i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I I0 0。 第

8、13页/共57页（一）测量部分（部件） 测量部分的作用是把被测差压 p pi i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1111，( (即可动电极) )，正、负压侧弧形电极1212、1010（即固动电极) )，电极引线1 1、2 2、3 3，正、负压侧隔离膜片1414、8 8和基座1313、9 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C Ci1i1和C Ci2i2。无差压输入时，C Ci1i1=C=Ci2i2，其电容量约为15015017OpF17OpF。第1

9、4页/共57页第15页/共57页电容式差压变送器测量部件电容式差压变送器测量部件1-1-隔离膜片；隔离膜片；2 2，7-7-固定弧形电极；固定弧形电极；3-3-硅油；硅油；4-4-测量测量膜片；膜片；5-5-玻璃层；玻璃层；6-6-底座底座第16页/共57页 当被测差压 p pi i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 S，如图所示。输入差压 p pi i与中心感压膜片位移 S S的关系可表示为： S S =K =K1 1 p pi i 式中K Kl l为由膜片材料特性和结构参数所确定的系

10、数。第17页/共57页 设中心感压膜片与两边固定电极之间的距离分别为S S1 1和S S2 2 。当被测差压 p pi i=0=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S SO O，则S S1 1=S=S2 2=S=S0 0。当被测差压 p pi i不等于0 0时，中心感压膜片产生位移 S S。此时有： S S1 1=S=S0 0+ + S S，S S2 2=S=S0 0- - S 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C Ci1i1和C Ci2i2，可近似地看成是平板电容器。其电容量分别为： C Ci1i1= = A/(A/(S S0 0+ + S)S)

11、 C Ci2 i2 = = A/(A/(S S0 0- - S) S) 式中 为极板间介质的介电常数；A A为固定极板的面积。第18页/共57页 经过数学推导得出： (C(Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1) ) = = S/S/S S0 0=K=K2 2 S S K K2 2=1/S=1/S0 0上式表明：(a)(a)差动电容的相对变化量(C(Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1) )与 S 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) (C(b) (Ci2i2- C- Ci1i1)

12、/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1) )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) (c) (C(Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1) )与S S0 0有关。S S0 0愈小，差动电容的相对变化量愈大，即灵敏度愈高。 (C(Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1)= K)= K1 1K K2 2 p pi i第19页/共57页 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C C0 0的存在，差动电容的相对变化

13、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。2010212010210() ()() ()2iiiiiiiiCCCCCCCCCCCCC（二）转换和放大电路（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。框图如下页图所示。第20页/共57页转换放大电路原理框图第21页/共57页 该电

14、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Ci1Ci1、Ci2Ci2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 pipi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,IC3,再经功放和限流得到4 42OmA2OmA的输出电流。共模信号与基准电压进行比较，其差值经IC1IC1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

15、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。第22页/共57页1 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)(1)振荡器 振荡器用来向差动电容C Ci 1i 1、C Ci 2i 2提供高 频 电 流 ， 它 由 晶 体 管BGBG1 1、变压器T T1 1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。振荡器原理图振荡器原理图第23页/共57页(2)(2)解调和振

16、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ICIC1 1。电路原理见下页图。 振荡器由放大器ICIC1 1的输出电压V Vo1o1供电，从而使ICIC1 1能控制振荡器的输出幅度。第24页/共57页 解调和振荡控制电路图i2i1第25页/共57页 图中R Ri i为并在电容C C1111两端的等效电阻。V VR R是运算放大器ICIC2 2的输出电压。由电路总图可知，此电压是稳定不变的，它作为ICIC1 1输入端的基准电压源。 ICIC1 1的输出电压V Vo1o1作为振荡器的电源电压。变压器T T1 1的三个绕组 (L(L1-121-

17、12、L L2-112-11、L L3-103-10) )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C C1111和C C1717, , 因此在振荡器输出幅度恒定的情况下，通过C Ci1i1和C Ci2i2的电流的大小，主要取决于这两个电容的容量。（i i）解调器 它用于对差动电容C Ci1i1和C Ci2i2的高频电流进行半波整流。第26页/共57页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i 2 :L2-11D2、D6Ci2C17Ri C11L2-11当振荡器

18、输出为正半周时，即同名端为正时，当振荡器输出为正半周时，即同名端为正时，D2、D6和和D3、D7导通而导通而D1、D5和和D4、D8截止，线圈截止，线圈L2-11产生的电产生的电压经如下路径压经如下路径形成电流形成电流i2：L3-10D3、D7Ci1C17R6 R8L3-10同时线圈L3-10产生的电压经如下路径形成电流i1 :L L1 1- -12 12 R R7 7 R R9 9 C C17 17 C Ci2 i2 D D1 1、D D5 5L L1-121-12L L2 2- -11 11 R Ri i C C1111 C C17 17 C Ci1 i1 D D4 4、D D8 8 L

19、L2-112-11同时线圈同时线圈L2-11产生的电压经如下路径形成电流产生的电压经如下路径形成电流i 1 :第27页/共57页第28页/共57页 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L L2 2- -1111、L L3 3- -1010、L L1-121-12电压的峰值为U Um m，通过C Ci1i1和C Ci2i2的电流的峰值分别为I ICi2Ci2、I ICi1Ci1：半波整流的平均电流公式为半波整流的平均电流公式为I I整整=KI=KIm m=I=Im m/ / I ICi2Ci2= = C Ci2i2U Um m I

20、ICi1Ci1= = C Ci1i1U Um m 为振荡角频率。为振荡角频率。第29页/共57页 这样半波整流电流分别为 I I2 2= = C Ci2i2U Um m/ / I I1 1= = C Ci1i1U Um m/ / I I 2 2= = C Ci2i2U Um m/ / I I 1 1= = C Ci1i1U Um m/ / （波形对称的情况下） I I2 2=I=I 2 2 I I1 1=I=I 1 1 (I(I2 2-I-I1 1)/(I)/(I2 2+I+I1 1)= )= (C(Ci2i2-C-Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+C+Ci1i1) ) 流过R Ri iC

21、C1111的电流为 I Ii i=I=I2 2-I-I1 1=(I=(I2 2+I+I1 1) )(C(Ci2i2-C-Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+C+Ci1i1) )只要保持I I2 2+I+I1 1为定值，差动电容的相对变化量就正比于I Ii i。如何保持I I2 2+I+I1 1为定值呢？这就是振荡控制放大器的作用。 第30页/共57页（iiii）振荡控制放大器ICIC1 1的作用就是使流过D D3 3、D D7 7和D D1 1、D D5 5的电流之和I I1 1+I+I2 2等于常数。由前图可知，ICIC1 1的输入端接受两个电压信号：一个是基准电压V VR R在R R9 9

22、和R R8 8上的压降；另一个是I I1 1+I+I2 2在R R6 6/R/R8 8和R R7 7/R/R9 9上的压降。这两个电压信号之差送入ICIC1 1，经放大得到V Vo1o1，去控制振荡器。当ICIC1 1为理想运算放大器时，由ICIC1 1、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 12iiVV第31页/共57页据此可求得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 1896879RRiVVVRRRRRR16827926879()()iIRRIRRVRRRR8916

23、8iRRRVVRR6821268()iR RVIIRR第32页/共57页 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12iiVV891268RRRIIVRR2121321iiiiiCCIIIKCC89368RRRKVR R第33页/共57页（iii)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I Ii i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D D9

24、9、D D1010、C C3 3、R R2222、R R2323、W W1 1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。 第34页/共57页 绕组3-103-10和绕组1-121-12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3-103-10和绕组1-121-12回路在振荡器正、负半周内所呈现的电阻相等，所以V Vi3i3 =0 =0，无补偿作用。当Rw100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V Vi3i300，V Vi3i3的方向如图中所示。 第35页/共57

25、页 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。 第36页/共57页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4 420mA20mA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。(1)(1)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

26、、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。第37页/共57页第38页/共57页 电路中W2为调零电位器，用以调整输出零位。K 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 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

27、相输入端的电压VT(即B B点的电压VB) )是由三个电压信号叠加而成的： 第39页/共57页 一个是解调器的输出电流Ii在B B点产生的电压Vi；第二个是调零电路在B 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 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 B点的电位随Ii的增加而降低。第40页/共57页第41页/共57页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 ：1220012122

28、36022360/()DWWDWWWWVRRVVRRRRRRR220212236022360/()()WWWWRRRRRRRRR第42页/共57页第43页/共57页调量程电路如右图所示。调量程电路如右图所示。设设Rf为计算为计算Vf时时If流经流经B B点处的等效负载电阻，点处的等效负载电阻，Rcd为电位器滑触点为电位器滑触点c c和和d d之间的等效电阻，按之间的等效电阻，按-Y变换方法可得变换方法可得：3 13 133 1WcdWRRRRR第44页/共57页3131313WWRRRR左31313131313313131313313131313WWWWWcdWWWWWRRRRRRRRRRRR

29、RRRRR左左3131313WWRRRR左第45页/共57页由于故可近似地求得反馈电流I If f为：所以 式中3433fcdRRRR330034cdffRRIIIRR0ffR IV3433fcdRRRR第46页/共57页当ICIC3 3为理想运算放大器时，V VT T=V=VF F( (即V VA A=V=VB B) )，则有：将V Vi i、V V0 0和V Vf f的关系式代入上式得： 设得：0AifVVVV01iiADWffRIIVVRR451,ifiRKKRR2103445121()iiADWiiCCIK KK K VVCC第47页/共57页上面公式表明了变送器输入差压上面公式表明了

30、变送器输入差压 P Pi i与输出电流与输出电流I I0 0之之间成线性关系。此式还说明间成线性关系。此式还说明: :(a)(a)等式右边第二项为调零信号。在测量下限时，应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调整该项使变送器的输出电流为4mA4mA。可通过调节电。可通过调节电位器位器W W2 2，或由开关，或由开关K K接通接通R R2020或或R R2121来改变。来改变。当当R R2020接通时，接通时， V V 0 0增加，变送器输出电流减小，从而增加，变送器输出电流减小，从而可实现正向迁移；当可实现正向迁移；当R R2121接通时，接通时，V V 0

31、0减小，可实现负减小，可实现负向迁移。向迁移。01234451()iADWIK K K KPK K VV第48页/共57页 (b) K(b) K4 4为电路放大倍数，此值与 有关。调节电位器W W3 3可改变 值，可实现变送器的量程调整。(c) (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V V 0 0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。第49页/共57页 该电路由晶体管BGBG2 2、电阻R R1818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，R R1818上压降变大，使BGBG2 2的集极电位降低，从而使该管处于饱和状态，因此流过BGBG2 2，也即流过BGBG4 4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I I0 0不大于3OmA3OmA放大电路中其它元件的作用如下：放大电路中其它元件的作用如下：R R3838、R R3939、C C2222和和W W4 4等构成阻尼电路，用于抑制送器的等构成阻尼电路，用于抑制送器的输出因被测差压变化所引起的波动。输出因被测差压变化所引起的波动。W W4 4为阻尼时间常为阻尼时间常数调整电位器，调节数调整电位器，调节W W4 4可改变动态