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第八章 模拟变送器 第一节 1151模拟变送器 1151模拟变送器是美国罗斯蒙特(Rosemount)公司研 制的产品，外形如图8-1所示 • 目前，在火电厂应用的变送器主要有电容 式变送器（如1151，1151 smar，3051， LD301和FCX）、电感式变送器（ PTSD,T2600,）、压阻式变送器（PTSP ,ST3000）、硅谐振式变送器(EJA)和 TT302现场总线温度变送器 • 1151模拟变送器主要由测量部分和转换电 路两大部分组成，其组成原理如图8-2所示 图中：△P,P为差压、压力；△C为差动 电容；E为电源；I0为电流；RL为负载电阻 • 一、测量部分 • 测量部分的作用是将被测参数(如差压、压力、 液位、流量等)转换成相应的差动电容值的变化 图8-3所示为测量部分的结构示意图图中： 1、2为隔离膜片；3为测量膜片；4、5为电容 固定极板；6为刚性绝缘体；7为引出电极；8为 灌充液隔离膜片与被测介质接触，膜片l与3 之间为一室，膜片2与3之间为另一室，两室各 自封闭，内充硅油(或氟油)，组成两室结构的单 元测量膜片是一片弹性系数温度稳定性好的 平板金属膜片，作为差动可变电容的活动极板 。

在测量膜片两侧，有两个在玻璃凹形球面（ 球缺面）上用真空蒸发有金属层的固定极板 • 被测压力PH和PL分别作用于高、低压侧的 隔离膜片l、2上，灌充液将压力传送到测量 膜片3上当两侧压力不相等时，测量膜片 向一侧位移，如图8-3(b)中的虚线所示此 时，测量膜片3与两侧固定极板间的距离一 侧增大，另一侧减小，因此两个固定极板 与活动极板之间的电容量一个增大，另一 个减小引出电极7将这两个电容的变化信 号输至转换电路这样，测量部分就把被 测参数(压力、差压、液位等)的变化转换成 差动电容量的变化 • 这种结构对测量膜片具有较好的过载保护 能力当被测差压过大时，测量膜片贴紧 一侧的凹形球面上，不会因产生过大位移 而损坏膜片过载消除后，测量膜片恢复 到正常位置灌充液(硅油或氟油)除用作传 递压力外，它的粘度特性对冲击力具有一 定缓冲作用(阻尼作用)，可消除被测介质的 高频脉动压差对变送器输出准确度的影响 • 二、位移-电容转换特性 • 为分析简便，利用等效原理，将图8-3所示差 动球面-平面型(固定极板为球面，活动极板为 平面)电容简化成图8-4所示平板型差动电容 活动极板移动的方向和距离受被测差压的方向 和大小控制。

当被测差压变化使活动极板产生 位移时，活动极板与两固定极板之间的电容量 即发生变化若活动极板移动距离，则它与固 定极板之间的距离，一侧变为，而另一侧变为 ，如图8-4中所示 • 由图示可得差动平行板电容器的电容量计算公 式为 • 式中：为活动极板与上固定极板间的电容量； 为活动极板与下固定极板间的电容量；K为量 纲系数；A为电容极板的有效面积；ε为极板间 介质的介电常数；为被测差压为零时，活动极 板(测量膜片)与两固定极板之间的初始距离；为 活动极板在被测压差作用下所产生的位移，如 果采用差动平行板电容器的差动电容值作为输 出量，则 • 由式(8-3)可以看出，差动电容与活动极板 的位移之间呈非线性关系为得到线性转 换关系，可取两电容之差与两电容之和的 比值作为输出量，即 • 式中 k2为系数， k2=1/d0,位移△d0与差压△P之间的 关系为d0=k1 △P,则 • 式(8-5)即为电容式变送器测量部分的输入量与 输出量之间的线性特性表达式由此式可得出 如下结论： • ①当为常数时，（C1-C2）/（C1+C2）之比值 与被测压差成线性关系； • ②（C1-C2）/（C1+C2）之比值与介电常数ε 无关，即从设计原理上消除了介电常数随温度 变化给测量带来的误差； • ③若设计一种转换电路，使其输出电流I0=K3 （C1-C2）/（C1+C2），I0就与被测差压成正 比关系； • ④如果电容极板的结构完全对称，则可以得到 良好的稳定性； • ⑤在上述分析中，没有考虑分布电容的影响。

若考虑分布电容的存在，则测量部分的电容比 值为(8-6) • 比较式(8-6)和式(8-5)后可知，分布电容的 影响将造成非线性误差为了使变送器最 终获得高于0.25级的准确度级，需在转换电 路中设置线性调整环节 • 实测和计算均表明球面-平面型电容器有类 似或接近平行板电容器的特性测量部分 大约有150pF的电容量输出 • 转换电路 • 转换电路的作用是将测量部分的线性化输出信 号转换成4～20mA，DC统一信号，并送至负 载此外，它还实现整机的零点调整、量程调 整、正负迁移、线性调整及阻尼调整等功能 • 1151系列电容式变送器的输出类型： • S型:4-20mA/数字，智能/阻尼可调； • E型: 4-20mA，线性，模拟/阻尼可调； • G型: 10-50mA，线性，模拟/阻尼可调； • J型: 4-20mA，平方根，模拟/阻尼可调； • L型: 0.8-3.2V，线性，低功耗/固定阻尼； • M型: 1-5V，线性，低功耗/固定阻尼 • 转换电路共有三种类型，即E型(普通型)、J 型(用于流量测量)、F型(用于微压差测量) • 四、校验调整 • ㈠主要性能 • 1151系列共有各种测量范围的差压、压 力、绝压、流量、远传差压、远传压力等 10个品种的仪表。

变送器的基本精度为 ±0.25～±0.35％；测量范围：最小差压0～ 1.3kPa，最大差压0～6.89MPa；最小压力 0～1.3kPa，最大压力0～41.37MPa；量程 比：6 • ㈡接线 • 1151变送器为二线制仪表，电源、信号合 用两根导线，电源、信号端子位于电气壳 体内的接线侧接线时，将标有“接线侧” 那边的盖子拧开，上部标有SIGNAL(信号) 的两个端子接电源，下部标有TEST(测试) 的两个端子接内阻小于10Ω的电流表，也可 不接不要将电源接到测试端子，否则会 烧坏二极管，为防止二极管烧坏，使变送 器继续工作，可以将两个测试端子短接． 但电源极性不能再接反 • 图8-5为仪表校验时的接线图 • 电源一般为24V DC，但可以在12～45V DC范围内改变如果是12V供电，则不 能带负载，否则便不能正常工作；如果是 45V供电，则可以带1650Ω的负载电源 电压不能超过45V，超过了会损坏电路 当供 电24V，负载为500Ω时，此时读数灵敏度最高 • 输出信号的测量可以用电流表，也可以用数字 电压表，一般用电压表，因为如果用电流表， 万一接线错误容易把电流表烧坏用电压表时 ，则要在回路内串接一个250Ω的标准电阻R， 然后再把电压表接在电阻两端，测出电压后再 算出电流值。

• 电源电压不能超过45V DC，超 过了会损坏电路 • 当供电24V DC，负载为500Ω时， 此时读数灵敏度最高 (1-7) • 输出信号的测量可以用电流表，也 可以用数字电压表，一般用电压表 ，因为如果用电流表，万一接线错 误容易把电流表烧坏用电压表时 ，则要在回路内串一个250Ω的标 准电阻R，然后再把电压表接在电 阻两端，测出电压后再算出电流值 若电压为3V,电流是多少mA？ ） • ㈢校验调整 • 按图8-5所示的校验线路图接好线，经检查 变送器的校验方法和一般仪表的校验方法一样 ，从引压口通入信号压力．读出仪表示值，然 后算出仪表的误差与回差，并确定合格与否 • 当信号压力为测量范围下限时，输出为 4mA，不对时，调零点螺钉；当信号压力 为测量范围上限时，输出为20mA，否则调 量程螺钉 • 零点和量程要反复调，直到合格为止 量程、零点调好以后，再将量程压力分为4 档或5档，读出相应的仪表示值由于1151 变送器是位移平衡仪表，所以不能只校正O ％、50％、100％三点如线性不合格，则 还要调线性调整器 1 零点和量程调整 • 仪表的零点和量程调整螺钉位于电 气壳体的铭牌后面。

零点螺钉在上面 标有字母Z；量程螺钉在下方，标有字 母R，移开铭牌即可进行调校(见后图) 调零点时，量程不受影响，但量程 调整会影响零点，影响零点的量为量 程调整量的1／5为了补偿这个影响 ，最简单的方法是超调25％ • 例如要求某变送器的使用范围为0～15 ．2kPa，现在的情况是： • 0输入时，输出4mA； • 15.2kPa输入时，输出1 9.8mA • 这时可以调量程，使输出为 • 19.8+(20.0-19.8)×1.25=20.05(mA) 即比实际量程多调了0.05mA，它正好 为量程增加量(20.05-1 9.8) =0.25(mA) 的1／5，这样再把零点调至4mA，量 程也就正确了 • 零点和量程调整中，有机械间隙， 改变调整方向时会出现死区对于 机械间隙，最简的办法是反向调整 之前要有意超调 • 2 正、负零点迁移 • 变送器的正、负零点迁移，实际上 也是调零点，只是调整的范围很宽 • 零点正、负迁移的调整方法是改变 接插件位置，它在放大板元件一面 迁移时先把仪表的电源停掉，把 板拔下来，然后再改变接插件位置 变送器迁移插座共有三个位置， 中间位置为无迁移，插在字母“E” 处为负迁移，插在字母“S”处为正 迁移。

• 线性、阻尼调整 • 仪表出厂以前，制造厂已把线性调整在最佳 位置，所以用户不要轻易去调它 调整零点和进行零点迁移对量程没 有影响，但调整量程则会影响零点 ，无零点迁移时影响较小 现用1151变送器测量汽包的液位，如图所示已知 d=2m; h=0.25m; l=1.5m; ρ=900kg/m3; ρ0=1000kg/m3.试求：（１）液位分别为０％和１０ ０％时的差压值？（２）若h升高，△P增大，且 1151的正压侧接汽包，负压侧接平衡容器，应采用 何种迁移？零点迁移量为多少？ （3）变送器的量程 是多少？ HL 100% 0% l ρ ρ0 h d 解： （1）0%水位的差压值ΔP0 = PH – PL =ρ0gd- ρ0gh = 17395 Pa 100%水位的差压值ΔP100 = PH – PL =ρ0gd- ρg(h+l) = 4165 Pa （2） 零点迁移量为17395 Pa，负迁 （3）量程为： ΔP=∣ΔP100 – ΔP0∣=13230 Pa • 练习及思考题 (1)1151系列电容式变送器的测量部分 在整机中起什么作用? • (2)1151系列电容式变送器的测量部分 的输出为什么要采用(C1-C2)/ (C1+C2) 信号? • (3)1151系列电容式变送器的E型转换电 路由哪几部分组成?各部分的作用是什 么? • (4) 1151系列电容式变送器中设置了哪 些调整环节?它们各调整变送器的什么 特性? • (5)115l系列电容式变送器的电源电压 为什么要根据外接负载电阻的大小来 选取? • (6)1151系列电容式变送器在调量 程时会影响零位吗?而调零位时对 量程有影响吗? 有一储油罐如图所示，现采用1151系列差 压变送器测量罐内的液位。

罐内液体介质 的密度ρ1=1200kg／m3，变送器的负压室 充水，水的密度ρ2=1000kg／m3图中： a=2m，b=2.5m，C=5 m • 试求：①变送器的零点迁移量为多少?应 采用何种迁移(正向或负向)? ②变送器 的测量范围是多少?③若按上述迁移量和 测量范围调校好仪表后，假定在初步试运 行时，罐内液体介质为水，变送器负压室 仍充水，这时变送器输出指示值L1=50％ ，其罐内实际水位L2=?(%) • 选择 • 不同测量范围的1151差压变送器是 由于其测量膜片的 • ①厚度不同； • ②材料不同； • ③直径不同 • 答案① • 填空 • ①1151差压变送器采用可变电容作为敏感元 件，当差压增加时，测量膜片发生位移，于 是低压侧的电容量（增加），高压侧的电容 量（减少） • ② 1151。