控制仪表及装置第02章

1、第二章第二章 变送器和转换器变送器和转换器第二章第二章 变送器和转换器变送器和转换器第一节第一节 变送器的构成变送器的构成第二节第二节 差压变送器差压变送器第三节第三节 温度变送器温度变送器第四节第四节 电电/ /气转换器气转换器变送器的构成变送器的构成构成原理构成原理测量部分C放大器K反馈部分F调零、零点迁移Zi Zf Z0 yxyxymaxxmaxxminymin0变送器的构成原理和输入输出特性0()1KyCxzKF01()yCxzF1K F 量程调整、零点调整和零点迁移量程调整、零点调整和零点迁移量程调整量程调整相当于改变变相当于改变变送器的输入输出特性的送器的输入输出特性的斜率，也就是

2、改变变送斜率，也就是改变变送器输出信号器输出信号y与输入信号与输入信号x之间的比例系数。之间的比例系数。 量程调整量程调整（即满度调整）的目的是（即满度调整）的目的是使变送器的输出信使变送器的输出信号上限值号上限值ymax与测量范围的上限值与测量范围的上限值xmax相对应。相对应。方法方法：改变反馈部分反馈系数改变反馈部分反馈系数 改变测量部分转换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始点由零迁移到某一数值。当测量起始点由零变为某一正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

3、负值，称为负迁移。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零点调整和零点迁移都是都是使变送器的输出信号下限值使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值与测量范围的下限值xmin相对应，在相对应，在xmin= 0时，称时，称为零点调整，在为零点调整，在xmin 0时，称为零点迁移时，称为零点迁移。 实现方法实现方法：改变调零信号改变调零信号Z0 0 差压变送器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、记录或自动控制信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。一、力平衡

4、式差压变送器一、力平衡式差压变送器（一）概述（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piFiFfI0变送器构成方框图（二）工作原理和结构（二）工作原理和结构1.1. 工作原理工作原理Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+MoPiFiF1-MfFfIoSFo1 3000200taniffffpiffl l AlIpFl l Kl KlKpFl K几点结论几点结论( (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

5、满度应反复调整。作用：把被测差压作用：把被测差压P转换成转换成作用于主杠杆下端的输入力作用于主杠杆下端的输入力Fi A1= A2= AFi= A (P1 -P2) = APi Fi= A1P1 -A2P2因因: : 故故:2. 结构结构测量部分测量部分杠杆系统杠杆系统 作用：作用：进行力的传递和进行力的传递和力矩比较力矩比较。 组成：组成： 主杠杆主杠杆1、矢量机、矢量机构构2和副杠杠和副杠杠4，以及调零以及调零机构、零点迁移机构、静机构、零点迁移机构、静压调整和过载保护、平衡压调整和过载保护、平衡锤。锤。 主杠杆主杠杆将输入力将输入力Fi转换为转换为作用于矢量机构上的力作用于矢量机构上的力F

6、1 ：iFllF211 矢量机构矢量机构将输入力将输入力F1转换为作用于副转换为作用于副杠杆上的力杠杆上的力F2 ：21tanFF改变改变tan ，可改变差，可改变差压变送器的量程压变送器的量程 ：415，量程比为，量程比为tan15/tan4=3.83 副杠杆副杠杆进行力矩的比较进行力矩的比较 fffFlMCMSlS 000Ml FifMMM32iMl F000if31i0002ffffPi(2 )FF25. ,(APF )tgIFKKKPooaFlllllllll杠 杆 系 统 ：作 用 ： 把 输 入 力与 电 磁 反 馈 力比 较 ， 然 后 转 换 成 检 测 片 的 位 移 。组

7、成 ： 主 、 副 杠 杆 ， 调 零 机 构 ， 零 点 迁 移 机 构 ， 静 压 调 整 和 过 载 保护 装 置 ， 平 衡 锤 ， 矢 量 机 构 。 见 图。调 零 和 零 点 迁 移 机 构 ：零 点 由 调 零 弹 簧 调 整 ；零 点 迁 移 由 迁 移 弹 簧 调 整 。设 迁 移 力到 主 杠 杆 支 点 的 距 离 为则 有0001ffFF (2 -6 )AKlll 调零和零点迁移机构调零和零点迁移机构.1.2.2-929.25bcM零点迁移原则：零点迁移后被测差压的上限不能超过该表所规定的上限值，迁移后的最小量程不得小于该表的最小量程。静压调整和过载保护装置：作用：克

8、服变送器的静压误差和过载时起保护作用。静压误差：属系统误差。静压误差产生的原因：测量膜片有效面积不等；拉条装配不正。见图。解决办法：调静压调整螺钉。过载保护装置：见图。平衡锤：作用：见图，使负杠杆的重心和支点重合，提高仪表的耐冲击、耐振动性能，而且在仪表不垂直安装时也不影响精度。 静压调整和过载保护装置、平衡锤静压调整和过载保护装置、平衡锤1.2.M静压调整和过载保护装置：作用：克服变送器的静压误差和过载时起保护作用。静压误差：属系统误差。静压误差产生的原因：测量膜片有效面积不等；拉条装配不正调静压调整螺钉。平衡锤：作用：使负杠杆的重心和支点重合，提高仪表的耐冲击、耐振动性能，而且在仪表不垂直

9、安装时也不影解决办法：响精度。平衡带拉条电磁反馈装置电磁反馈装置 作用：作用：把变送器的输出电流把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的转换成作用于副杠杆的电磁反馈力电磁反馈力Ff Ff =BDcWI0 设设 Kf =BDcW 改变反馈动圈的匝数，改变反馈动圈的匝数，可以改变可以改变 Kf 的大小的大小 则则 Ff = KfI01-3短接、短接、2-4短接短接：W = W1=725匝 1-2短接：短接： W = W1+W2=2175匝 可实现可实现3:1的量程调整的量程调整 W1=725匝，匝，W2=1450匝匝（三）低频位移检测（三）低频位移检测放大器放大器 作用：作用：把副杠杆上位移检测

10、片（衔铁）的微小位移把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S转换成转换成420mA的直流输出电流。的直流输出电流。 由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率放大器组成。放大器组成。 构成方框图1.1.差动变压器差动变压器B差动变压器原理图D上罐形磁芯下罐形磁芯AC检测片差动变压器的结构S2.2.低频振荡器低频振荡器D1、D2 可以提供偏置可以提供偏置电电压压，使三，使三极极管管BG1正常工正常工作。作。两个两个二极管二极管D1、D2就相就相当当于一于一个稳压个稳压管。管。R2起起负负反反馈馈作用作用, 从从而而稳稳定了定了BG1的工作点。的工作点

11、。振荡器电路低频振荡器的起振条件低频振荡器的起振条件振荡频率振荡频率：相位条件相位条件 s /2 时时， uCD 与与 uAB 相位相同，则相位相同，则电路就形成正反馈。电路就形成正反馈。振幅条件振幅条件 K F = 1, 选选择合适的电路参数，可择合适的电路参数，可满足这一条件。满足这一条件。1f0 = LABC42振荡器的放大特性和反馈特性振荡器的放大特性和反馈特性幅值可控幅值可控工作点工作点即：即： S F P点上移点上移 uAB 工作中，工作中，F随随S的变化而变化。的变化而变化。 S较大时，较大时，F较小；（磁阻较大）较小；（磁阻较大） S较小时，较小时，F较大。（磁阻较小）较大。（

12、磁阻较小）3.3.整流滤波电路整流滤波电路整流滤波电路震荡器的输出震荡器的输出电压电压uAB经二经二极极管管D4整流，通过电阻整流，通过电阻R8-9和电容和电容C5滤波，得到平滑的直流电压信号，再送至功滤波，得到平滑的直流电压信号，再送至功放级放级。4.4.功率放大器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其他元件作用R1、C1：相位校正作用，对高次谐波造成相移，破：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。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

13、时，通过端子改变放大器灵敏度。高量程时，通过端子7、8将其接入，以降低灵敏度。将其接入，以降低灵敏度。R7：稳定振荡管输入电压。稳定振荡管输入电压。C3、C6：高频旁路电容，可减小交流分量。：高频旁路电容，可减小交流分量。D9：防止电源反接。防止电源反接。位移检测位移检测放大器总图放大器总图及本安防爆措施见下：及本安防爆措施见下：限能限流负载两线制（一）（一）概述概述检测元件检测元件差动电容差动电容感压膜片差动电容电容-电流转换电路 放大和输出限制电路反馈电路调零、迁移信号反馈信号iPS2121iiiiCCCC21II0I构成原理位移平衡式构成原理位移平衡式二、二、电容式差压变送器电容式差压变

14、送器变送器构成方框图（二）测量部件（二）测量部件 作用：作用：iP2121iiiiCCCCi1i20CCiP时，i1i10CCiP 时，电容量减小，电容量增大测量部件结构21002210001/() 1/()1/() 1/()iiiiCCASSSSSKSCCASSSSS1iSKP2121221iiiiiCCKSK KPCC11110iAACSSS 22220iAACSSS 结论结论：1212iiiiCCCC(1) 相对变化值 与被测差压 成线性关系。 iP(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。0S0S（三）转换放大电路（三）转换放大电

15、路作用：作用： 将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输出信号。出信号。 此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、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。阻尼调整等功能。电路包括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转换放大部分电路原理方框图振荡器解调器稳压源调零及 零点迁移功放和 输出限制量程调整（负反馈）基准 电压IC1IC3E1245VCi1Ci2RLI 0420mA共模信号差动信号振荡控制放大器前置放大器1.1.电容电流转换电路电容电流转换电路振荡器振荡器 包括包括VT1、T1等，向等，向C

16、i1和和Ci2提供高频电源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将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号信号 (电流变化值电流变化值)。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。解调解调和振荡控制电路和振荡控制电路 (包括解调器和振荡控制电路包括解调器和振荡控制电路)Ii = I2 - I1 = ( I2+ + I1) 解调解调(即相敏整流即相敏整流)后输出两组电流信号后输出两组电流信号 ：差动信号：差动信号和共模信号，使后者保持不变，可得和共模信号，使后者保持不变，可得Ci2-

17、-Ci1Ci2+ +Ci1= K3Ci2- -Ci1Ci2+ +Ci1线性调整电路线性调整电路( (包括包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等等)检测元件中分布电容的存在，使差动电容的相对变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化值减小，造成非线性误差，故设计了线形调整电路。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放大及输出限制电路将电流信号将电流信号 Ii 放大，并输出放大，并输出4 20mA的直流电流。的直流电流。放大放大电

18、路电路( (包括包括IC3、VT3、 VT4等等)IC3起前置放大作用，起前置放大作用， VT3、 VT4组成复合管，将组成复合管，将IC3的输出电压变换为变送器的输出电流。的输出电压变换为变送器的输出电流。电阻电阻R31、 R33、 R34和电位器和电位器Rp3组成反馈网络，输出电组成反馈网络，输出电流流Io经这一网络分流，得到反馈电流经这一网络分流，得到反馈电流If，送至放大器送至放大器的输入端，这深度负反馈的输入端，这深度负反馈保证了保证了Ii 和和 Io的线性关系。的线性关系。电位器电位器Rp2用以调整输出零位。用以调整输出零位。S为正负迁移调整开关，为正负迁移调整开关，可实现变送器的

19、正向或负向迁移。电位器可实现变送器的正向或负向迁移。电位器Rp3用以调用以调整变送器的量程。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：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 = K3K4Ci2- -Ci1Ci2+ +Ci1+ K4K5 ( UA- - a aUVZ1) 式中：式中：K4 =RiRf，K5 =1Ri，、a a为分压系数。输出限制输出限制电路电路( (包括包括VT2、 R18等等)当输出电流超过允许值时，当输出电流超过允许值时，R18上压降变大，使上压降变大，使VT2的集电极电位降低，从而使该管处于饱和状态，流的集电极电位降低，从而使该管

20、处于饱和状态，流过过VT2(也即也即VT4)的电流受到限制的电流受到限制(Io不超过不超过30mA)。其它元件的作用其它元件的作用R38、R39、C22和和RP4构成阻尼电路构成阻尼电路，抑制变送器的输抑制变送器的输出波动，出波动，RP4用来调整阻尼时间。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在指示仪表未接同时，为输出电流提供通路为输出电流提供通路, 同同时起反向保护作用时起反向保护作用。温度变送器温度变送器四线制温度变送器的特点：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，采用了线性化电在热电

21、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。路，实现了变送器输出信号与温度的线性关系。1. 变送器输入、输出之间具有隔离变压器，并且采取变送器输入、输出之间具有隔离变压器，并且采取了本安防爆措施。了本安防爆措施。将来自热电将来自热电偶偶或热电阻的温度信号转换为统一标准的信或热电阻的温度信号转换为统一标准的信号号(4(4 2020mAmA直流电流或直流电流或1 1 5 5V V直流电压直流电压) )，以实现对温度的以实现对温度的显示、记录或自动控制显示、记录或自动控制。变送器变送器有有两线制两线制和和四线制四线制之分之分，主要讨论主要讨论四线制变送器四线制变送

22、器。有有三个品种：三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热电阻温度变送器电阻温度变送器。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UZUfUi、Et-+UoIo量程单元放大单元温度变送器结构方框图（一）概述（一）概述在线路结构上分为量程单元和放大单元在线路结构上分为量程单元和放大单元，放大单元是通放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。（二）（二）放大单元放大单元工作原理工作原理由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的运算放大器。1. 电压放大电路电压放大电路0.3/os

23、VVct其作用是将量程单元输出的毫伏信号放大，输出直流其作用是将量程单元输出的毫伏信号放大，输出直流电流电流Io 和直流电压和直流电压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. 功率放大电路功率放大电路由由VT1、VT2、T0等组成。等组成。其作用是把其作用是把 IC1 输出的电输出的电压信号转换成电流压信号转换成电流信号信号，再通过隔离变压器实现隔再通过隔离变压器实现隔离输出离输出。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

24、，在T0副边产生交变电流iL 。3. 隔离输出电路隔离输出电路由整流二极管由整流二极管VD1316、保护二极管保护二极管VD1718等组成。等组成。其作用是将其作用是将功放功放输出的交流信号转换成直流输出的交流信号转换成直流信号信号, 并并实现隔离输出实现隔离输出。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. 直流直流-交流交流-直流直流(DC/AC/DC)变换器变换器由整流二极管由整流二极管VD38、变压器变压器T 1等组成。等组成。其作用是对其作用是对仪表进行隔离式供电仪表进行隔离式供电。先把先把24V直流电压转换成一定频率的的交流方波电压，直流电压转换

25、成一定频率的的交流方波电压，再经过整流、滤波和稳压，再经过整流、滤波和稳压，提供直流电压提供直流电压。电路核心是直流电路核心是直流-交流交流(DC/AC)变换器变换器，一个磁耦合，一个磁耦合多谐振荡器多谐振荡器。振荡频率振荡频率可求得感应电势：可求得感应电势： ES =4WcBmST因此振荡频率为：因此振荡频率为： f =4WcBmST(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（三）直流毫伏变送器量程单元R109R110R140上K下量程单元由输入回路量程单元由输入回路( (左半部分左半部分) )和反馈回路和反馈回路( (右半部右半部分分) )组成，组成，将

26、其与将其与IC1 联系起来画成下图联系起来画成下图。输入回路输入回路: R101、R102及及VZ101、VZ102分别起限流和限压作用，分别起限流和限压作用，将其与将其与IC1 联系起来画成下图联系起来画成下图。R103、R104 、R105及及RP1组成零点调整和零点迁移电组成零点调整和零点迁移电路，桥路基准电压路，桥路基准电压UZ由集成稳压器提供由集成稳压器提供。图中图中红笔红笔部分为输入信号部分为输入信号断路报警电路断路报警电路。按叠加原理，按叠加原理，IC1同相输入端的电压同相输入端的电压UT为为(见教材见教材)UT = Ui + Uz = Ui +Rcd + R103R103 +

27、RP1/R104 + R105Uz( 式中式中 Rcd =RP11 R104RP1+ R104 Ui +R105Rcd + R103Uz= Ui + Uz)从从反馈回路反馈回路可得可得IC1反相输入端的电压反相输入端的电压UF为为UF =R106 + R111 + RP21R111 + R114UzR115R115 + R116U05+R106R107=1U0 + Uz因 UT UF故 U0 = Ui + ( - ) Uz 结论结论：(1)改变改变 值值, 即更换即更换R103和调整和调整RP1,可实现零迁和调零。可实现零迁和调零。 (2)改变改变 值值, 即更换即更换R114和调整和调整RP

28、2, 可实现量程调整可实现量程调整。 (3)零位和满度必须反复零位和满度必须反复调整调整。 EtVs4Vs2Vs3Vs1（四）热电偶温度变送器量程单元（四）热电偶温度变送器量程单元1. 冷端温度补偿冷端温度补偿采用采用两个铜电阻两个铜电阻，固定为固定为50 。当热电偶型号不同时，。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。只需调整几个锰铜电阻或金属膜电阻。按叠加原理，可求得按叠加原理，可求得IC1同相端的电压同相端的电压UT为为(见教材见教材)UT = Ei +RCu1 RCu2R103 + RCu1+ RCu2)Uz1R105(R100 + 从上式可知，冷端环境温度变化时，从上式

29、可知，冷端环境温度变化时，RCu1、RCu2的阻的阻值也随之变化，从而补偿了由于环境温度升降引起值也随之变化，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。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热电偶放大部分非线性反馈回路EtVz+-ttttEtVoVo(Vo)tVfVf2. 线性化线性化采取在反馈回路中置入与采取在反馈回路中置入与热电偶特性相一致的非线热电偶特性相一致的非线性电路的方法，如下图所示。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，用四段折线来模拟非线性运

30、算电路，如下图。如下图。折线的段数及斜率大小由热电偶的特性来确折线的段数及斜率大小由热电偶的特性来确定。定。 表示直线的斜率。表示直线的斜率。Va4Vf5Vf4Vf3Vf2Vf1Va3Va2Va10Va5VfVa1432非线性电路的实现非线性电路的实现Vs4Vs3Vs2Vs1在在IC2的反馈回路中加入一些的反馈回路中加入一些稳压管和基准电压，稳压管和基准电压，利用稳压管的击穿特性实现折线电路。利用稳压管的击穿特性实现折线电路。Ir（五）热电偶温度变送器量程单元（五）热电偶温度变送器量程单元tttVI R 17161716191617FzttRVVRRRRRIRR1zttgVIgR1. 线性化线

31、性化线行化电路置于输入回路线行化电路置于输入回路，采用正反馈的方法来达，采用正反馈的方法来达到线性化的目的，如下图所示。到线性化的目的，如下图所示。当当Rt随温度而增加时，随温度而增加时， It将增大。而从上式可知，将增大。而从上式可知，Rt的增加导致的增加导致It的进一步加大，从而实现线性化。的进一步加大，从而实现线性化。Ir2. 引线电阻补偿引线电阻补偿Ir为消除引线电阻的影响为消除引线电阻的影响， 热电阻采用三导线接法，热电阻采用三导线接法，要求要求r1 = r2 = r3 = r 。由由R23、R24、r2构成的支路为引构成的支路为引线电阻补偿电路。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。电电/气转换器气转换器一、概述一、概述将电动仪表输出的将电动仪表输出的4 4 2020mAmA直流电流转换成可被气动仪直流电流转换成可被气动仪表接受的表接受的 2020 100100