自动化仪表第二章.ppt

自动化仪表自动化仪表第二章 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/气转换器第一节 变送器的构成 Ø构成原理变送器的构成原理和输入输出特性yxymaxxmaxxminymin0测量部分 C放大器 K反馈部分 F调零、零点迁移Zi Zf Z0 yxKF》1Ø量程调整、零点调整和零点迁移量程调调整相当于改变变变变 送 器的输输入输输出特性的斜率 ，也就是改变变变变 送器输输出 信号y与输输入信号x之间间的 比例系数（C/F） 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：改变变反馈馈部分反馈馈系数； 改变测变测 量部分转换转换 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xmin≠ 0时，称为零点迁移 实现方法：改变调零信号Z0 第二节 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piFiFfI0力平衡式差压变送器构成方框图（二）工作原理和结构 1. 工作原理Al1/l2tanl3MilfK2K1loKf+Mo△PiFiF1 -Mf FfIoSFo1-低压室；2-高压室；3-测量元件（膜盒、膜片）；4-轴封膜片；5-主 杠杆；6-过载保护簧片；7-静压调整螺钉；8-矢量机构；9-零点迁移 弹簧；10-平衡锤；11-量程调整螺钉；12-检测片（衔铁）；13-差动 变压器；14-副杠杆；15-放大器；16-反馈动圈；17-永久磁钢；18-电 源；19-负载；20-调零弹簧杠杆矢量机构F2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（矢量角）和Kf（电磁结构常数）来实现4)零点和满度应反复调整作用：把被测差压ΔPi转换成 作用于主杠杆下端的输入力Fi A1= A2= AFi= A (P1 -P2) = A·ΔPi Fi= A1P1 -A2P2因: 故:2. 结构测量部分1-高压侧；2-膜盒；3-低压侧；5-主杠杆；6 -连接片；7-膜片；8-硅油；10-轴封膜片杠杆系统 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 锤构成图① 主杠杆——将输入力Fi转换为 作用于矢量机构上的力 F1 ：② 矢量机构——将输入力F1转换为作用于 副杠杆上的力F2：改变tanθ,可改变差压变送 器的量程：矢量角θ在4变化，故量程比为（只采用矢量机构）：结构图③副杠杆 ——进行力矩的比较Ff—电磁反馈力； F0—调零弹簧产生的力④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 F0’到主杠杆支点的距离为l0’，则有零点迁移原则 ：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⑤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 静压误差产生原因： ⅰ.两测量膜片有效面积不等；ⅱ.主杠杆、拉条装配不正解决办法解决办法：调静压调整螺钉 平衡锤作用：使副杠杆的重心和支点M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 改变反馈动圈的匝数， 可以改变 Kf 的大小(改 变量程大小) 。

Ff =πBDcWI0 设 Kf =πBDcW 则 Ff = KfI01-反馈动圈；2-导磁体；3-永久磁铁；4-副杠杆W = W1+W2=2175匝 1-3短接、2-4短接：低量程档W = W1=725匝 1-2短接：高量程档 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4~20mA的直流输出电流由差动变压器、低频放大器（由低频振荡器、整流 滤波电路、功率放大器等）等组成 构成方框图UCDS差动变压器低频振荡器整流滤 波电路功率放大 器UR4I0UAB1.差动变压器下罐形磁 芯ABδ检测片s上罐形磁 芯差动变压器的结构DC差动变压器原理图-+BC2、低频振荡器D1、D2可以提供偏置电压，使三 级管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： K F = 1, 选 择合适的电路参数，可 满足这一条件。

1f0 =  LABC42振荡器的放大特性和反馈特性工作中，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） 即：S↓→F↑→P点上移→uAB↑（a）振荡器的放大特性和反馈特性 （b）不同F下的输入输出特性0PKF工作点u’ABuABu’CDuCDP3KF3uAB3uABuCDF1F2P2P1uAB1uAB2F3＞F2＞F103.整流滤波电路振荡器的输出电压uAB经二极管D4整流，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ABR8,R9R4C4D4C5整流滤波电路4.功率放大器VT2IC2R4R3R5IC3VT3稳定工作点， 提高输入阻抗采用复合管，目的一 是提高电流放大倍数 ；二是电平配置 穿透电流旁路， 以改善温度特性其它元件作用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：限能限流负载两线制（一）概述二、电容式差压变送器检测元件－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（二）测量部件 作用：测量部件结构5-差动电容膜盒，17-O形密封环，18-插头结论：(1) 相对变化值 与被测差压△Pi成线性关系。

(2) 与介电常数 ε无关 ,可大大减小温度对变送器的影响3) 与So有关So愈小，灵敏度越高三）转换放大电路作用：Ø将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输出信号Ø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的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＋－E12～45VCi1Ci2RLI 04～20mA共模信号－－＋差动信号振荡控制 放大器前置放大器1.电容－电流转换电路振荡器 包括VT1、变压器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)包括：振荡器、解调和振荡控制电路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Uo1决定L-变压器一个输出绕组的 等效电感C-其大小取决于变送器的 差动电容值C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= K3Ci2-Ci1 Ci2+Ci1振荡器T1IC1C8R9R7R8R6C11RiURC17VD1VD5VD2VD6VD4VD8VD3VD7Ci2Ci1112112310U01Ui1Ui2I2I1I1I2I1I2I1I2UR-基准电压源。

C11、C17的值远远大 于差动电容Ci1、Ci2 的大小，故Ci1、C17 串联后等效电容近似 等于Ci1，同样Ci2、 C17串联后等效电容 近似等于Ci2振荡控制放大器：使 I1+I2等于常数，即 IC1的输入端电压信 号近似相等：Ui1=Ui2线线性调调整电电路(包括VD9、VD10、C3、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分布电容存在，则Ci1变 为Ci1+C0，Ci2同样故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Ii Ci2+Ci1+2C0= K3Ci2-Ci12.放大及输出限制电路将电流信号 Ii 放大，并输出4 ~ 20mA的直流电流输出限制电路放大电电路(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：式中： ， ，β、a为分压系数对于理想运放IC3：UT=UF，即UA=UB由电路中的UA、 UB可以推导出下式输出限制电电路(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)放大电路中其它元件的作用R38、R39、C22和RP4构成阻尼电路，抑制变送器的输出波动，RP4用来 调整阻尼时间图2-28中，VD12在指示仪表未接通时，为输出电流提供通路, 同时起 反向保护作用而VZ2起稳压作用，还可防止电源反接时损坏器件第三节 温度变送器四线制温度变送器的特点：1. 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2. 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(420mA直流电流或15V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结构方框图（一）概述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 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（二）放大单元工作原理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 1、电压放大电路由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的运算放大器 当温度变送器的最小量程 为3mV，温升△t为 30℃，要求附加误差小于等于0.3%时，通过计算可得 失。