控制仪表及装置-第二章-变送器和转换器课件

控制仪表及装置第二章变送器和转换器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第二章变送器和转换器第一节变送器的构成变送器变送器的构成构成原理测量部分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变送器的构成构成原理测量部分放大器反馈部分调零、零点迁移Zi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：改变调零信号Z0

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piFiFfI0变送器构成方框图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压力是工业生产中的重要工艺参数之一。如在化工、炼油等生产工艺中，经常会遇到压力，包括高压、超高压和真空度（负压）的测量。压力检测的方法工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为“压力”。即

P=F/SSF压力检测的方法SF压力的单位是“帕斯卡”——1Pa

=1N/m21MPa=106Pa1工程大气压=1kg/cm2=9.80665×104Pa≈0.1MPa工程中压力的表示方式有：表压、负压（真空度）、差压、绝对压力。工业中所用仪表的压力指示值，大多数为表压和差压。压力的单位是“帕斯卡”——1Pa=1N/m2工程中压力的表p差压=p被测压力1-p被测压力2表压、绝对压力、负压（真空度）、差压之间的关系：

p被测压力p被测压力p表压=p绝对压力-p大气压力

p真空镀=p大气压力-p绝对压力p差压=p被测压力1-p被测压力2表压、绝对压力、膜片用金属或非金属材料做成的具有弹性的圆片（有平膜片和波纹膜片）。在压力作用下，其中心产生变形位移。可测低压。膜盒将两张金属膜片沿周口对焊，内充硅油。使膜片增加强度。膜片膜盒（二）工作原理和结构1.工作原理Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+Mo△PiFiF1-MfFfIoSFo（二）工作原理和结构1.工作原理Al1/l2tanl3M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。几点结论(1)在满足深度负反馈的条件下,输出电流Io与输入作用：把被测差压ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi

A1=A2=AFi=A

(P1-P2)=AΔPi

Fi=A1P1-A2P2因:

故:2.结构测量部分作用：把被测差压ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力FiA1①

主杠杆——将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1：①主杠杆——将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1②

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：4－15，量程比为tan15/tan4=3.83②矢量机构——将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2③

副杠杆——进行力矩的比较

③副杠杆——进行力矩的比较④调零和零点迁移机构④调零和零点迁移机构⑤静压调整和过载保护装置、平衡锤⑤静压调整和过载保护装置、平衡锤平衡带拉条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=πBDcWI0

设

Kf

=πBDcW

改变反馈动圈的匝数，可以改变

Kf

的大小

则

Ff=KfI0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1-3短接、2-4短接：W=W1=725匝1-2短接：（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4~20mA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（三）低频位移检测放大器作用：把副杠杆上位移检测片1.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S1.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。

振荡器电路2.低频振荡器D1、D2可以提供偏置电压，使三极管BG1正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－K

F

=1,选择合适的电路参数，可满足这一条件。1f0=LABC42低频振荡器的起振条件振荡频率：相位条件－s</2振荡器的放大特性和反馈特性幅值可控工作点即：

S

FP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）振荡器的放大特性和反馈特性幅值可控工作点即：SF3.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。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.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：其他元件作用R1、C1：相位校正作用，对高次谐波造成相移，破限能限流负载两线制限能限流负载两线制电容式差压（压力）变送器当电容式差压变送器的一个被测压力是大气压时，就成为压力变送器。电容式压力变送器是20世纪70年代初由美国公司研发。结构简单、过载能力强、可靠性好、精度高、体积小。电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。

电容式差压（压力）变送器特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精度高，可达0.2级。电容差压变送器

法兰式电容差压变送器

特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结C1C2d0d0P1=P2时：

C1=C2=K2/d0K2=εS/4π差压传感部件P1＞P2时：测量膜片中心位移：

Δd=K

1ΔP

K1—弹力系数

P1-P2=ΔP

中心膜片变形位移电容量变化当P2是大气压时，为压力传感部件。C1C2d0d0P1=P2时：K2=εS/4π差压传感部件有：K3=K1/d0∆PdKddCCCC30101212==D=+-∆PKC1C2d0+∆dd0-∆d两个电容的电容量变为：由转换电路将电容变化量转换为电压。有：K3=K1/d0∆PdKddCCCC30101212

如图是一种测电容充放电电流的原理电路。正弦波电压E加于差动电容C1、C2上，R1～R4的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，则流过C1、C2的半周期电流近似为：V1V2V4如图是一种测电容充放电电流的原理电路。V1V2取R1=R2=R4，得：因为：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4，则：∆PKVVVCCCC34122112=-=+-4214)(RCCC1R1VV2+-=-C2R2V1V1V2V4令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的压降取R1=R2=R4，得：因为：V1=I1R1、V2=I2R2在实际电路中，当差动电容Cl、C2变化时，用负反馈自动调节供电电压E的幅度，使流过它们的电流之和Io保持恒定。由上式可知，当V4=IoR4不变时，测出V2－V1，则可知∆PV1V2V4∆PKVVVCCCC34122112=-=+-在实际电路中，当差动电容Cl、C2变化时，用负反馈自动调节供如图为电容式压力变送器的原理线路

A1供给振荡器电源通过负反馈保证R4两端的电压恒定A2将Rl，R2两端的电压相减RP1调整电流负反馈，实现量程迁移V2V1V2－V1I如图为电容式压力变送器的原理线路A1供给振荡器电源通过负反（一）概述检测元件－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＋－反馈信号构成原理－位移平衡式变送器构成方框图（一）概述检测元件－差动电容感压膜片差动电容电容-电流转换电（二）测量部件

作用：测量部件结构（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。结论：(1)相对变化值与被测差压（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（三）转换放大电路作用：电路包括电容－电流转换电路及放大电路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IC1IC3＋－E12～45VCi1Ci2RLI04～20mA共模信号－－＋差动信号振荡控制放大器前置放大器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。1.电容－电流转换电路振荡器包括VT1、T1等，向Ci1和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-Ci1Ci2+Ci1=K3Ci2-Ci1Ci2+Ci1解调和振荡控制电路(包括解调器和振荡控制电路)Ii=I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。线性调整电路(包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等2.放大及输出限制电路将电流信号Ii

放大，并输出4~20mA的直流电流。2.放大及输出限制电路将电流信号Ii放大，并输出4~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：放大电路(包括IC3、VT3、VT4等)IC3起前置放大作调零和调量程电路Io

=K3K4Ci2-Ci1Ci2+Ci1+K4K5(

UA-

aUVZ1)

式中：K4

=RiRf，K5

=1Ri，、a为分压系数。调零和调量程电路Io=K3K4Ci2-Ci1Ci2+Ci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。输出限制电路(包括VT2、R18等)当输出电流超过允许值时扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。压阻效应——受压时电阻率发生变化。如图是一种半导体测压传感部件。在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的晶轴方向和位置扩散着四个长条形电阻。利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值发生变化。半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶格之间的距离发生变化，使禁带宽度以及载流子浓度和迁移率改变，导致半导体材料电阻率ρ发生强烈的变化，其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻实验表明，圆形硅膜片在受压力变形时，其圆心区域和边缘区域受力性质不一样。以半径63.2%为界，圆心区域受拉应力，边缘区域受压应力。受拉时，扩散电阻阻值增大；受压时，扩散电阻阻值减小。四个电阻可以构成全桥电路。实验表明，圆形硅膜片在受压力变形时，其圆心区在硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全桥式输出电路，不但可以提高电桥灵敏度，还可以获得温度补偿，抵消半导体电阻随温度变化引起的误差。在硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全桥式输出电路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。温度变送器四线制温度变送器的特点：将来自热电偶或热电阻的温度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U’ZU’fUi、Et-+UoIo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。输入回路电压放大反馈回路直流-交流功率放大整流滤波隔离输出U（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：

（二）放大单元工作原理由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的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。2.功率放大电路由VT1、VT2、T0等组成。其作用是把3.隔离输出电路由整流二极管VD13~16、保护二极管VD17~18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）3.隔离输出电路由整流二极管VD13~16、保护二极管VD4.直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器由整流二极管VD3~8、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

=4WcBmST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)4.直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器由整流二极管（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(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。（三）直流毫伏变送器量程单元R109R110R140上K下量输入回路:

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+R103R103+RP1//R104+R105Uz(式中Rcd=RP11R104RP1+R104

Ui+R105Rcd+R103Uz=Ui+

Uz)输入回路:R101、R102及VZ101、VZ102分别从反馈回路可得IC1反相输入端的电压UF为UF=R106+R111+RP21R111+R114UzR115R115+R116U05+R106R107=1U0+Uz因UT

UF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。

从反馈回路可得IC1反相输入端的电压UF为UF=R106（四）热电偶温度变送器量程单元EtVs4Vs2Vs3Vs1（四）热电偶温度变送器量程单元EtVs4Vs2Vs3Vs11.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+RCu1

RCu2R103+RCu1+RCu2)Uz1R105(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。1.冷端温度补偿采用两个铜电阻，固定为50。当热电偶型号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)tVf’Vf’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。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EtVz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。Va4Vf5Vf4Vf3Vf2Vf1Va3Va2Va10Va5VfVa1432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非线性电路的实现Vs4Vs3Vs2Vs1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。非线性电路的实现Vs4Vs3Vs2Vs1在IC2的反馈回路中Ir（五）热电偶温度变送器量程单元Ir（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。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Ir2.引线电阻补偿Ir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。Ir2.引线电阻补偿Ir为消除引线电阻的影响，热电阻采用电/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)。电/气转换器一、概述将电动仪表输出的420mA直流电流转换（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。（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（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，

改变时，喷嘴背压

pB

也改变。见下图。（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（五）功率放大器将喷嘴挡板的输出压力和流量放大，由壳体、膜片、锥阀、球阀、簧片、恒气阻等组成。当输入信号(喷嘴背压)pB增大时，金属膜片受力而产生向下的推力，使球阀开大，锥阀关小，输出压力随之增加。（五）功率放大器将喷嘴挡板的输出压力和流量放大，由壳体、膜片三、电/气转换器由电流-位移转换部分(动圈、磁钢、杠杆等)，位移-气压转换部分(喷嘴挡板、杠杆系统等)，气动功率放大器和反馈部件(正、负反馈波纹管)组成。输入电流进入动圈产生电磁力，带动杠杆转动，使挡板靠近喷嘴，背压升高，经功放后输出压力，再通过波纹管产生负反馈力，达到平衡。三、电/气转换器由电流-位移转换部分(动圈、磁钢、杠杆等)，控制仪表及装置第二章变送器和转换器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第二章变送器和转换器第一节变送器的构成变送器变送器的构成构成原理测量部分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变送器的构成构成原理测量部分放大器反馈部分调零、零点迁移Zi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：改变调零信号Z0

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piFiFfI0变送器构成方框图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压力是工业生产中的重要工艺参数之一。如在化工、炼油等生产工艺中，经常会遇到压力，包括高压、超高压和真空度（负压）的测量。压力检测的方法工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为“压力”。即

P=F/SSF压力检测的方法SF压力的单位是“帕斯卡”——1Pa

=1N/m21MPa=106Pa1工程大气压=1kg/cm2=9.80665×104Pa≈0.1MPa工程中压力的表示方式有：表压、负压（真空度）、差压、绝对压力。工业中所用仪表的压力指示值，大多数为表压和差压。压力的单位是“帕斯卡”——1Pa=1N/m2工程中压力的表p差压=p被测压力1-p被测压力2表压、绝对压力、负压（真空度）、差压之间的关系：

p被测压力p被测压力p表压=p绝对压力-p大气压力

p真空镀=p大气压力-p绝对压力p差压=p被测压力1-p被测压力2表压、绝对压力、膜片用金属或非金属材料做成的具有弹性的圆片（有平膜片和波纹膜片）。在压力作用下，其中心产生变形位移。可测低压。膜盒将两张金属膜片沿周口对焊，内充硅油。使膜片增加强度。膜片膜盒（二）工作原理和结构1.工作原理Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+Mo△PiFiF1-MfFfIoSFo（二）工作原理和结构1.工作原理Al1/l2tanl3M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。几点结论(1)在满足深度负反馈的条件下,输出电流Io与输入作用：把被测差压ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi

A1=A2=AFi=A

(P1-P2)=AΔPi

Fi=A1P1-A2P2因:

故:2.结构测量部分作用：把被测差压ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力FiA1①

主杠杆——将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1：①主杠杆——将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1②

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：4－15，量程比为tan15/tan4=3.83②矢量机构——将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2③

副杠杆——进行力矩的比较

③副杠杆——进行力矩的比较④调零和零点迁移机构④调零和零点迁移机构⑤静压调整和过载保护装置、平衡锤⑤静压调整和过载保护装置、平衡锤平衡带拉条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=πBDcWI0

设

Kf

=πBDcW

改变反馈动圈的匝数，可以改变

Kf

的大小

则

Ff=KfI0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1-3短接、2-4短接：W=W1=725匝1-2短接：（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4~20mA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（三）低频位移检测放大器作用：把副杠杆上位移检测片1.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S1.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。

振荡器电路2.低频振荡器D1、D2可以提供偏置电压，使三极管BG1正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－K

F

=1,选择合适的电路参数，可满足这一条件。1f0=LABC42低频振荡器的起振条件振荡频率：相位条件－s</2振荡器的放大特性和反馈特性幅值可控工作点即：

S

FP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）振荡器的放大特性和反馈特性幅值可控工作点即：SF3.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。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.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：其他元件作用R1、C1：相位校正作用，对高次谐波造成相移，破限能限流负载两线制限能限流负载两线制电容式差压（压力）变送器当电容式差压变送器的一个被测压力是大气压时，就成为压力变送器。电容式压力变送器是20世纪70年代初由美国公司研发。结构简单、过载能力强、可靠性好、精度高、体积小。电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。

电容式差压（压力）变送器特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精度高，可达0.2级。电容差压变送器

法兰式电容差压变送器

特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结C1C2d0d0P1=P2时：

C1=C2=K2/d0K2=εS/4π差压传感部件P1＞P2时：测量膜片中心位移：

Δd=K

1ΔP

K1—弹力系数

P1-P2=ΔP

中心膜片变形位移电容量变化当P2是大气压时，为压力传感部件。C1C2d0d0P1=P2时：K2=εS/4π差压传感部件有：K3=K1/d0∆PdKddCCCC30101212==D=+-∆PKC1C2d0+∆dd0-∆d两个电容的电容量变为：由转换电路将电容变化量转换为电压。有：K3=K1/d0∆PdKddCCCC30101212

如图是一种测电容充放电电流的原理电路。正弦波电压E加于差动电容C1、C2上，R1～R4的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，则流过C1、C2的半周期电流近似为：V1V2V4如图是一种测电容充放电电流的原理电路。V1V2取R1=R2=R4，得：因为：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4，则：∆PKVVVCCCC34122112=-=+-4214)(RCCC1R1VV2+-=-C2R2V1V1V2V4令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的压降取R1=R2=R4，得：因为：V1=I1R1、V2=I2R2在实际电路中，当差动电容Cl、C2变化时，用负反馈自动调节供电电压E的幅度，使流过它们的电流之和Io保持恒定。由上式可知，当V4=IoR4不变时，测出V2－V1，则可知∆PV1V2V4∆PKVVVCCCC34122112=-=+-在实际电路中，当差动电容Cl、C2变化时，用负反馈自动调节供如图为电容式压力变送器的原理线路

A1供给振荡器电源通过负反馈保证R4两端的电压恒定A2将Rl，R2两端的电压相减RP1调整电流负反馈，实现量程迁移V2V1V2－V1I如图为电容式压力变送器的原理线路A1供给振荡器电源通过负反（一）概述检测元件－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＋－反馈信号构成原理－位移平衡式变送器构成方框图（一）概述检测元件－差动电容感压膜片差动电容电容-电流转换电（二）测量部件

作用：测量部件结构（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。结论：(1)相对变化值与被测差压（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（三）转换放大电路作用：电路包括电容－电流转换电路及放大电路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IC1IC3＋－E12～45VCi1Ci2RLI04～20mA共模信号－－＋差动信号振荡控制放大器前置放大器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。1.电容－电流转换电路振荡器包括VT1、T1等，向Ci1和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-Ci1Ci2+Ci1=K3Ci2-Ci1Ci2+Ci1解调和振荡控制电路(包括解调器和振荡控制电路)Ii=I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。线性调整电路(包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等2.放大及输出限制电路将电流信号Ii

放大，并输出4~20mA的直流电流。2.放大及输出限制电路将电流信号Ii放大，并输出4~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：放大电路(包括IC3、VT3、VT4等)IC3起前置放大作调零和调量程电路Io

=K3K4Ci2-Ci1Ci2+Ci1+K4K5(

UA-

aUVZ1)

式中：K4

=RiRf，K5

=1Ri，、a为分压系数。调零和调量程电路Io=K3K4Ci2-Ci1Ci2+Ci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。输出限制电路(包括VT2、R18等)当输出电流超过允许值时扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。压阻效应——受压时电阻率发生变化。如图是一种半导体测压传感部件。在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的晶轴方向和位置扩散着四个长条形电阻。利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值发生变化。半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶格之间的距离发生变化，使禁带宽度以及载流子浓度和迁移率改变，导致半导体材料电阻率ρ发生强烈的变化，其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻实验表明，圆形硅膜片在受压力变形时，其圆心区域和边缘区域受力性质不一样。以半径63.2%为界，圆心区域受拉应力，边缘区域受压应力。受拉时，扩散电阻阻值增大；受压时，扩散电阻阻值减小。四个电阻可以构成全桥电路。实验表明，圆形硅膜片在受压力变形时，其圆心区在硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全桥式输出电路，不但可以提高电桥灵敏度，还可以获得温度补偿，抵消半导体电阻随温度变化引起的误差。在硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全桥式输出电路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。温度变送器四线制温度变送器的特点：将来自热电偶或热电阻的温度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U’ZU’fUi、Et-+UoIo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。输入回路电压放大反馈回路直流-交流功率放大整流滤波隔离输出U（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：

（二）放大单元工作原理由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的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。2.功率放大电路由VT1、VT2、T0等组成。其作用是把3.隔离输出电路由整流二极管VD13~16、保护二极管VD17~18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）3.隔离输出电路由整流二极管VD13~16、保护二极管VD4.直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器由整流二极管VD3~8、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

=4WcBmST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)4.直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器由整流二极管（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(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。（三）直流毫伏变送器量程单元R109R110R140上K下量输入回路:

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+R103R103+RP1//R104+R105Uz(式中Rcd=RP11R104RP1+R104

Ui+R105Rcd+R103Uz=Ui+

Uz)输入回路:R101、R102及VZ101、VZ102分别从反馈回路可得IC1反相输入端的电压UF为UF=R106+R111+R