过程控制及仪表(3)_dlh.ppt

1、1,辽宁科技大学电信学院,过程控制及仪表,2,第三章 变送器和转换器,例子：温度变送器,变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位)和电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号，以供显示、记录和控制之用。,变送器在控制回路中的位置？,温度变送器,热电偶,3,第三章 变送器和转换器,第一节 变送器的构成,构成原理：变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图所示，它包括测量部分（既输入转换部分）、放大器和反馈部分。,4,第三章 变送器和转换器,上式中：K-放大器系数；,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时，即K

2、F1,则上式变为：,根据上图可得变送器的输入输出关系为：,因此在深度负反馈的条件下，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，则变送器的输出和输入将保持良好的线性关系。,5,变送器的量程调整、零点调整和零点迁移,一、量程调整,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,第三章 变送器和转换器,6,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,量程调整的方法 ：,改变反馈部分的反馈系数F :,改变测量部分转换系数C :,F ,C,量程,量程,二、

3、零点调整和零点迁移,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,第三章 变送器和转换器,7,零点调整使变送器的测量起始点为零,零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值,当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移； 当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移;,由 可知：零点迁移的方法调Z0,第三章 变送器和转换器,调零和调量程互相影响，不是一次能调好的，要多次调节。,8,第三章 变送器和转换器,第二节 差压变送器,差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺变量转换成统一的标准信号，作为指示记录仪、

4、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。 本节着重讨论普遍使用的力平衡式差压变送器。,一、概述 力平衡式差压变送器包括测量部分、杠杆部分、位移检测放大器及电磁反馈机构。其构成方框图如下：,9,第三章 变送器和转换器,测量部分是将被测差压P转换成相应的输入力Fi，该力与电磁反馈机构输出的作用力Ff一起作用于杠杆系统，使杠杆系统产生微小的偏移，再经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。,由于采用了深度负反馈，因而测量精度较高，而且保证了被测差压Pi和输出电流Io之间的线性关系。,10,第三章 变送器,二 工作原理和结构,被测差压信号P1、P2分别引入元件3的两侧

5、，则Pi转换为Fi，该力作用于主杠杆的下端，使主杠杆以轴封膜片4为支点偏转，F1沿水平推动8。F1分解F2和F3，F2带动14以M为支点逆时针偏转，此时12靠近差动变压器，使两者间气隙减小。检测片的位移变化量通过15转换为4-20mA的Io，作为输出。Io又流过16，产生Ff使副杠杆顺时针偏转，当Ff和Fi力矩平衡时，变送器状态稳定。,11,第三章 变送器和转换器,作用：是将副杠杆上检测片的微小位移s转换成直流输出电流Io 其组成有：差动变压器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器。,三 低频位移检测放大器,12,第三章 变送器和转换器,1、差动变压器,差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯

6、和四组线圈构成。 如图2-13所示，其作用是将检测片的位移s转换成相应的电压信号uCD。,S=/2 uCD=0； s/2 uCD与uAB反相。,13,第三章 变送器和转换器,2、低频振荡器,低频放大器由振荡器、整流滤波、及功率放大器三部分组成。,、振荡器 线路图如右图：由LAB、C4构成的并联振荡回路的固有频率也就是低频振荡器的振荡频率。,振荡的振幅条件：即KF=1。选择合适的电路参数，就可满足条件。,振荡的相位条件：s/2,uCD与uAB同相，电路形成正反馈。,14,第三章 变送器和转换器,检测片位移S与振荡器输出电压UAB之间的关系： 如下图，说明振荡器的放大特性是非线性的，而反馈特性在铁

7、芯未饱和的情况下是线性的。两条线的交点p即为稳定后的工作点，p点对应的UAB就是振荡器的输出电压。,气隙s磁阻反馈系数FuCD对于uAB的斜率uAB对于uCD的斜率工作点P点上移输出uAB,15,第三章 变送器和转换器,、整流滤波,振荡器的输出电压UAB 经二极管VD4整流， 以及通过电阻R8、R9和电容C5滤波， 得到平滑的直流电压信号， 再送至功放级。,16,第三章 变送器和转换器,、功率放大器,功率放大器由晶体管VT2、VT3和电阻R3、R4、R5组成，如图所示。放大器采用PNP-NPN互补型复合管，其目的一是提高电流放大系数；二是电平配置，使VT2的基级电平与前级输出信号的电平相匹配。

8、,R3为稳定工作的反馈电阻，同时提高功放级的输入阻抗，有利于滤波器输出电压的稳定。R5为VT2、VT3集电极与发射级之间的穿透电流提供旁路，用以改善放大器的温度性能，提高了电路的稳定性。,17,第三章 变送器和转换器,四 电磁反馈机构,作用是将输出电流Io转换成电磁反馈力Ff，此力作用于副杠杆，产生反馈力矩Mf，以便和测量部分产生的输入力矩Mi相平衡。,反馈力Ff的大小为： Ff=Kf *Io Kf是电磁结构常数，其值为：,匝数W1=725匝， W2=1450匝 低量程：接入W1、R1（ R1 和W2直流电阻相同）；2和4短接。 高量程：接入W1、W2；1和2短接。,18,1、调整电磁反馈机构

9、接入匝数，改变了反馈力，可以调整量程。 匝数大，反馈力大，量程大。 2、调整矢量机构中夹角来调整量程。,第三章 变送器和转换器,F2=F1tg,F1分解为F2和F3，调整可改变测量力，进而改变输出电流Io，因此可以改变量程。 增大，测量力增大，量程减小。,五 差压变送器量程调整,19,第三章 变送器和转换器,六 差压变送器选用、安装和维护,1、敞口容器,P1=P气+PB=P气+gH P2=P气 P=P1-P2= gH,20,第三章 变送器和转换器,2、密闭带压容器,P1=PA+PB=PA+gH P2=PA P=P1-P2= gH,21,第三章 变送器和转换器,22,第三章 变送器和转换器,P1

10、,P2,P1=PA+gh+0gh0 P2=PA+0gh1 P=P1-P2= gh-0g(h1 h0),23,第三章 变送器和转换器,第三节 温度变送器,温度变送器与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统一信号；其可分为：四线制温度变送器和两线制温度变送器，各类变送器又分为三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。这里我们主要讲解四线制温度变送器。,四线制温度变送器有如下特点： （1）主放大器为低漂移、高增益的运算放大器，使仪表具有良好的可靠性和稳定性。 （2）在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系，便于指示和记录

11、。 （3）变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，采用了安全隔离变压器，并采用了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。,24,第三章 变送器和转换器,一、三种温度变送器的基本结构框图,i0,量程单元,放大单元（三种通用）,输入回路,直流交流直流 变换器,整流滤波,电压放大,隔离输出,功率放大,反馈回路,Et,24v DC,V0,-,15 V,I0,420 mA,+,mV,I0,V02,Vz,Vf,V,If,25,第三章 变送器和转换器,26,第三章 变送器和转换器,二、放大单元工作原理,放大单元的作用是将量程单元输出的毫伏信号进行电压和功率放大，输出

12、统一的直流电流信号I0和直流电压信号U0。同时，输出的电流又经反馈部分转换成反馈电压信号Uf，送至量程单元。, 电压放大电路,采用低温漂的高增益集成运算放大器。, 功率放大电路,作用：将运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号，同时，通过隔离变压器实现隔离输出。,采用了复合管是为了提高输入阻抗，减小线性集成电路功耗。引入射极电阻，一方面为了稳定功率放大器的工作状态，另一方面为了从R4两端取出反馈电压Uf。,27,第三章 变送器和转换器, 隔离输出,为了避免输出、输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间采用隔离变压器To来传递信号。 To-实为电流互感器，交流比为1：1

13、 所以输出电流iL等于功放电路复合管集电极电流。,250,电流输出回路,电压输出回路,28,第三章 变送器和转换器, 直流-交流-直流转换器,用来对仪表进行隔离式供电。是DDZ-型仪表的通用部分。 其工作过程为：先把电源供给的24V直流电压转换成一定频率的交流方波电压，先由变压器隔离输出，再经过整流、滤波、稳压提供直流电压。,24V,29,第三章 变送器和转换器,三、直流毫伏变送器量程单元,U0=Ui+（-）Uz,调零,调量程,30,第三章 变送器和转换器,四、热电偶温度变送器量程单元,输入信号断路报警电路的作用与直流毫伏变送器的作用相同。 区别在于： I、在热电偶温度变送器的输入回路中增加了

14、热电偶冷端温度补偿电路。 II、在反馈回路中增加了线性化电路。,E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0),显示值,热电势,冷补电势,31,第三章 变送器和转换器,四.热电偶温度变送器量程单元,线性化原理,期望uo和温度t成线性，则只需F(uo)与E(t)函数规律一致。 非线性电路实际上是一个折线电路。,Et,Uf,32,第三章 变送器和转换器,五、热电阻温度变送器量程单元,与上述两种变送器的区别：线性化电路，置于输入回路中，使用正反馈方法实现线性化；加入了引线电阻补偿电路，消除引线电阻的影响。,33,第三章 变送器和转换器,第四节 电气转换,电/气转换器是将电动仪表输出的4-20mA直流电

15、流信号转换成可被气动仪表接受的20KPa-100KPa标准气压信号，以实现电动仪表和气动仪表的联用，构成混合控制系统，发挥电、气仪表各自的优点。 主要性能指标： （1）输入信号：4-20mA(DC) （2）输出信号：0.02-0.1MPa （3）变差： 0.5% （4）基本误差：0.5% （5）灵敏度：0.05% （6）防爆等级：安全隔爆复合型、安全火花型,一 概述,34,第三章 变送器和转换器,二、气动仪表的基本元件,气动仪表由气阻、气容、弹性元件、喷嘴-挡板机构和功率放大器等基本元件组成。 1、气阻：在流体呈层流状态时，可表示为：,2、气容 包括固定气容和弹性气容,V:气室体积 R：气体常

16、数 T：气体绝对温度,（1） 固定气容可表示为：C=,当T不变时，C与V成正比。,因为固定气容V恒定, 所以固定气容的容量恒定。,V,RT,35,第三章 变送器和转换器,（2）弹性气容可表示为：,3、弹性元件 为适应不同的工作目的，可做成各种不同结构和形状。它包括各种不同形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片。 弹性元件的指标：I 弹性特性。II 刚度与灵敏度。III 滞后与滞后量。,弹性元件在气动仪表中的作用：将压差转换成位移，在仪器的连接处产生一定的操作力。,Ae、Cb分别为波纹管的有效面积和刚度系数。弹性气容与内外压力变化量的比值dpo/dp有关。,36,第三章 变送器和转换器,4、喷嘴挡板机构,作用：将微小的位移转换成相应的压力信号。,5、功率放大器 它是将喷嘴挡板的输出压力和流量都放大。目前采用耗气式放大器，它由壳体6、膜片1、锥阀2、球阀4、簧片5、恒气阻7等组成。,37,第三章 变送器和转换器,是基于力矩平衡原理工作的。其结构是多样的，现以具有正负两个反馈波纹管的电/气转换器为例讨论其工作原理。转换器是由电流-位移转换部分，位移-气压转换部分、气动功率放大部分和反馈部分组成。,工作原理：当电流Ii进入动圈后，产生的磁通与永久磁钢相互作用，产生的向上的电磁力带动3绕5转动，挡板8靠近喷嘴9，使其背压升高，功率放大后输出Po，Po送