1、1.第6節(jié)電容式壓差變送器。1.與變送器相關(guān)的常識變送器是現(xiàn)場儀表。它們的輸出信號被送到控制室，它們的電源來自控制室。發(fā)射機的信號傳輸和供電方式通常如下：1四線制傳輸電源和輸出信號分別由兩條線傳輸，如右圖所示。圖中的發(fā)射器稱為四線發(fā)射器。由于電源和信號是分開傳輸?shù)?，所以對電流信號的零點和元件的功耗沒有嚴格的要求。在這種傳輸模式下，如果發(fā)射機的一個輸出端連接到電源設(shè)備的負端，它就變成三線傳輸。2雙線傳輸變送器和控制室之間僅使用兩條線進行傳輸。如圖所示，這兩條線既是電源線又是信號線。圖中的變送器稱為雙線變送器。3。使用二線制變送器不僅可以節(jié)省大量電纜和安裝費用，而且有利于安全和防爆。因此，這種發(fā)射

2、機得到了迅速發(fā)展。為了實現(xiàn)雙線變送器，必須采用有源零點電流信號。因為電源線和信號線是公共的，所以從電源供應(yīng)到發(fā)射器的電力通過信號電流供應(yīng)。當(dāng)變送器的輸出電流為下限值時，變送器內(nèi)部的半導(dǎo)體器件仍應(yīng)正常工作。因此，信號電流的下限值不能太低。國際統(tǒng)一的電流信號采用4 20mA(DC)，為制作二線制變送器創(chuàng)造了條件。右圖所示為多個模擬變送器的框圖，包括測量部分(即輸入轉(zhuǎn)換部分)、放大器和反饋部分。測量部分用于檢測被測參數(shù)X并將其轉(zhuǎn)換成放大器可接受的輸入信號zi(如電壓、電流、位移、作用力或力矩等信號)。反饋部分將發(fā)射機的輸出信號Y轉(zhuǎn)換成反饋信號zf，并將其發(fā)送回輸入端。將Z1與調(diào)零信號z0和反饋信號z

3、f的代數(shù)和進行比較，并將差值送至放大器放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號Y.3許多模擬發(fā)射機的組成原理，5。從下圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)發(fā)射機的輸出和輸入之間的關(guān)系是公式：中K放大器的放大系數(shù)。f-反饋部分的反饋系數(shù)；c-測量部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)。當(dāng)滿足深度負反饋的條件，即KFl時，上述表達式變?yōu)樯鲜霰磉_式：這表明在KFl的條件下，發(fā)射器輸出和輸入之間的關(guān)系取決于測量部分和反饋部分的特性，并且?guī)缀跖c放大器的特性無關(guān)。如果轉(zhuǎn)換系數(shù)C和反饋系數(shù)F是常數(shù)，發(fā)射機的輸出和輸入將保持良好的線性關(guān)系。6。變送器的輸入和輸出特性如右圖所示。xmax和xmin分別是測量參數(shù)的上限和下限，即變送器測量范圍的上限和下限(圖中XMIN=

4、0)。YMAX和ymin分別是輸出信號的上限和下限。它們對應(yīng)于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號的上限和下限。4量程調(diào)節(jié)、零點調(diào)節(jié)和零點偏移變送器涉及的另一個常見問題是量程、零點調(diào)節(jié)和零點偏移。范圍調(diào)整范圍調(diào)整(即滿量程調(diào)整)旨在使變送器輸出信號的上限值ymax與測量范圍的上限值xmax相對應(yīng)。也就是說，當(dāng)x=xmax時，使y=ymax。范圍調(diào)整通常通過改變反饋系數(shù)f的大小來實現(xiàn)。如果f大，測量范圍就大；如果f小，則測量范圍小。一些變送器也可以通過改變轉(zhuǎn)換系數(shù)c，8，(2)零點調(diào)整和零點偏移來調(diào)整測量范圍。零點調(diào)整和零點偏移的目的是使變送器輸出信號的下限值ymin對應(yīng)于測量范圍的下限值xmin。也就是說，當(dāng)x=xm

5、in時，使y=ymin。當(dāng)xmin=0時，調(diào)整為零；當(dāng)xmin不等于時，它是零遷移電容式差壓變送器(見教材P142P146)電容式差壓變送器是一種無杠桿機構(gòu)的變送器。它采用差動電容作為檢測元件，整個變送器沒有機械傳動和調(diào)節(jié)裝置，測量部分采用全封閉焊接的固體結(jié)構(gòu)。因此，該儀器結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，精度高。典型發(fā)射機的主要性能指標(biāo)如下：(1)基本誤差分別為0.25%、0.35%和0.5%；(2)輸出信號420mA(DC)(雙線)(3)負載電阻0 600(當(dāng)24V(DC)供電)和0 1650(當(dāng)45V(DC)供電)。(4)電源電壓為1245V(DC)，一般為24V(DC)。11，內(nèi)部不銹鋼隔膜的位

6、置，各種電容式壓力變送器的外形圖，12，各種電容式壓力變送器的外形圖，13，法蘭，各種電容式壓力變送器的外形圖，14。變送器包括兩部分：測量部分和轉(zhuǎn)換放大電路，其組成框圖如圖所示。輸入壓差Pi作用在測量部分的壓力傳感膜片上，使其產(chǎn)生位移，從而改變由壓力傳感膜片(可移動電極)和兩個固定電極形成的差動電容器的電容。電容-電流轉(zhuǎn)換電路將電容變化轉(zhuǎn)換成電流信號，并將電流信號和調(diào)零信號的代數(shù)和與反饋信號進行比較，將差值送至放大電路，放大得到整機的輸出電流I0。測量部分的功能是將測得的壓差pi轉(zhuǎn)換成電容的變化。它由正負壓力測量室和差動電容檢測元件(波紋管)等組成。其結(jié)構(gòu)如圖所示。差動電容檢測元件包括中央壓

7、力感測隔膜11(可移動電極)、正和負壓力側(cè)電弧電極12、10(即，固定電極)、電極引線1、2、3、正和負壓力側(cè)隔離隔膜14、8、基座13、9等。檢測元件的空腔充滿硅油以傳遞壓力。壓力感測隔膜及其兩側(cè)的正和負壓力側(cè)電弧電極形成電容器Ci1和Ci2。當(dāng)沒有壓差輸入時，Ci1=Ci2，其電容約為15017OpF。16，17，電容式差壓變送器的測量元件，1-隔離膜片；2，7-固定電弧電極；3-硅油；4-測量隔膜；5-玻璃層；6壘，18。如圖所示，當(dāng)測得的壓差pi通過正壓側(cè)和負壓側(cè)壓力引導(dǎo)口引入正壓室和負壓室并作用于正壓側(cè)和負壓側(cè)隔離膜片時，硅油被迫向右移動，壓力被傳遞到中央壓力傳感膜片的兩側(cè)，導(dǎo)致膜片

8、向右產(chǎn)生輕微位移s。輸入壓差pi和中心壓力傳感隔膜的位移s之間的關(guān)系可以表示為：S=K1pi，其中K1是由隔膜的材料特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的系數(shù)。19、將中央壓力傳感膜片與兩側(cè)固定電極之間的距離分別設(shè)為S1和S2。當(dāng)測得的壓差Pi=0時，中央壓力傳感膜片和兩側(cè)固定電極之間的距離相等。如果間距為0，S1=S2=S0。當(dāng)測得的壓差pi不等于0時，中心壓力感測隔膜產(chǎn)生位移s。此時，S1=S0S，S2=S0-S。如果不考慮邊緣電場的影響，由壓力感測隔膜和兩側(cè)的固定電極形成的電容器Ci1和Ci2可以近似視為扁平電容器。其電容分別為：Ci1=A/(S0s) Ci2=A/(S0-s)，即板間介質(zhì)的介電常數(shù)；a是

9、固定極板的面積。20，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出如下結(jié)論：(Ci2-Ci1)/(Ci2 Ci1)=S/S0=K2K 2=1/S0。上述公式表明：(a)差分電容(Ci2- Ci1)/(Ci2 Ci1)的相對變化與S成線性關(guān)系，因此轉(zhuǎn)換和放大部分應(yīng)將該相對變化值轉(zhuǎn)換成DC電流信號。(b) (Ci2- Ci1)/(Ci2 Ci1)是(2)轉(zhuǎn)換和放大電路轉(zhuǎn)換和放大電路的功能是將差分電容的相對變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。此外，還應(yīng)實現(xiàn)調(diào)零、正負偏移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。原理框圖如下圖所示。22，轉(zhuǎn)換和放大電路原理框圖，23。該電路包括兩部分：電容電流轉(zhuǎn)換電路和放大電路。它們分別由振蕩器、解調(diào)器、振蕩控制放

10、大器、前置放大器、調(diào)零和零移位電路、范圍調(diào)整電路(負反饋電路)、功率放大器和輸出限制電路等組成。差分電容Ci1和Ci2由振蕩器供電，經(jīng)過解調(diào)(即相敏整流)后，輸出兩組電流信號：一組為差分信號；另一組是共模信號。差動信號隨輸入壓差Pi而變化。該信號與零調(diào)節(jié)和范圍調(diào)節(jié)信號(即反饋信號)疊加，然后發(fā)送到運算放大器IC3。通過功率放大器和限流獲得4 2OmA的輸出電流。共模信號與參考電壓進行比較，差值由IC1放大，用作振蕩器的電源，因此共模信號保持不變。以下分析將確認，當(dāng)共模信號恒定時，可以確保差分信號和輸入壓差之間的單一比例關(guān)系。最后給出了轉(zhuǎn)換放大部分的完整電路圖。電容-電流轉(zhuǎn)換電路的功能是按比例將

11、差分電容的相對變化值轉(zhuǎn)換成差分電流信號(即電流變化值)。(1)振蕩器振蕩器用于向差分電容器Ci1和Ci2提供高頻電流。它由晶體管BG1、變壓器T1和一些電阻和電容組成。振蕩器電路顯示在右側(cè)。在電路設(shè)計中，只要電路元件的參數(shù)選擇得當(dāng)，振蕩條件是可以滿足的。(2)解調(diào)和振蕩控制電路這部分電路包括解調(diào)器和振蕩控制放大器。前者主要由二極管D1到D8組成，后者是集成運算放大器IC1。電路原理如下圖所示。振蕩器由放大器IC1的輸出電壓Vo1供電，從而使IC1能夠控制振蕩器的輸出幅度。解調(diào)和振蕩控制電路圖，i2，i1，27，其中Ri為電容C11兩端的等效電阻。VR是運算放大器IC2的輸出電壓。從整體電路圖可

12、以看出，該電壓是穩(wěn)定的，用作IC1輸入端的參考電壓源。IC1的輸出電壓Vo1用作振蕩器的電源電壓。變壓器T1的三個繞組(L1-12、L2-11、L3-10)分別與電路中的一些二極管和差分電容串聯(lián)。由于差分電容的電容非常小，其值比C11和C17小得多，所以在振蕩器輸出幅度恒定的情況下，通過Ci1和Ci2的電流主要取決于這兩個電容的電容。(I)解調(diào)器，用于差分電容器Ci1和Ci2的高頻電流的半波整流。28，當(dāng)振蕩器輸出在半個周期內(nèi)為負時，即相同名稱端為負時，D1、D5和D4、D8導(dǎo)通，而D2、D6和D3、D7截止，線圈L1-12產(chǎn)生的電壓通過以下路徑形成電流I2:L2-11D2、D6 CI 2C1

13、7 RIC 11L2-11，當(dāng)振蕩器輸出在半個周期內(nèi)為正時，即相同名稱端為正時，D2、D6和D3、D7導(dǎo)通，同時線圈L2-11產(chǎn)生的電壓通過以下路徑形成電流I2:L3-10D 3、D7 C1 17R 6 R8L 3-10，而線圈L3-10產(chǎn)生的電壓通過以下路徑形成電流i1 :L1-12r7r9c17ci2d1、d5l1-12、l2-11rc 11 c17 ci 1d 4、d8l2-11和線圈L2-11產(chǎn)生的電壓通過以下路徑形成電流i1:29、30。根據(jù)電路條件，差分電容的電容非常小，即它們的阻抗很大，而其他電阻和電容的阻抗相對可以忽略不計。讓線圈L2-11、L3-10和L1-12的電壓峰值為U

14、m，電流峰值通過Ci1和Ci2，31，這樣的半波整流電流是I2=ci2um/i1=ci1um/I2=ci2um/i1=ci1um/(在對稱波形的情況下)I2=i2i1=i1(I2-i1)/(i2i 1)=(ci2-ci1)/(ci2ci 1)，分別地，流過RiC11的電流是Ii=I2-i1=(I2 i1)(ci2-ci1)/(ci2ci 1)只要i2i 1保持恒定，差分電容的相對變化與ii成比例。如何保持I2 I1常數(shù)？這是振蕩控制放大器的功能。振蕩控制放大器IC1的功能是使流經(jīng)D3、D7和D1、D5的電流之和I1 I2等于一個常數(shù)。從上圖可以看出，IC1的輸入接收兩個電壓信號：一個是R9和R

15、8上的參考電壓VR的電壓降；另一個是I1 I2穿過R6/R8和R7/R9的壓降。兩個電壓信號之間的差被發(fā)送到IC1，IC1被放大以獲得Vo1來控制振蕩器。當(dāng)IC1是理想的運算放大器時，由IC1、振蕩器和解調(diào)器的一部分組成的深度負反饋電路使放大器輸入端的兩個電壓信號近似相等，即33，從中可以獲得I1 I2的值。從電路分析可以看出，兩個電壓信號之間的關(guān)系分為：因為R6=R9和R7=R8，上述兩個方程可以分別簡化為，34，I1 I2是一個常數(shù)，因為上述方程中的R6、RR、R9和VR都是常數(shù)。因此，35，(iii)由于差分電容檢測元件中分布電容的存在，線性調(diào)整電路將導(dǎo)致非線性誤差。從以上可以看出，分布

16、電容會降低差分電容的相對變化值，從而使Ii變小。為了克服這一誤差，電路中設(shè)計了一個線性調(diào)節(jié)電路。該電路通過增加振蕩器輸出電壓的幅度來增加解調(diào)器輸出電流，從而補償分布電容引起的非線性。調(diào)節(jié)電路由D9、D10、C3、R22、R23、W1等元件組成。該電路現(xiàn)在繪制為示意圖，如下圖所示，以供分析。36，由繞組3-10和1-12輸出的高頻電壓被D9和D10整流，以在R22、W1和R23上形成DC電壓降(即，調(diào)節(jié)電壓)。因為R22=R23，當(dāng)Rw1=0時，在振蕩器的正負半周期中，繞組3-10和繞組1-12的電阻相等，所以Vi3=0，沒有補償效應(yīng)。當(dāng)Rw10時，振蕩器正負半周期中兩個繞組回路的電阻不相等，因此Vi30，Vi3的方向如圖所示。37，調(diào)整電壓作用在IC1上，降低IC1的輸出電位，增加振蕩器的電源電壓，從而增加振蕩器的振蕩幅度，增加Ii，從而補償分布電容引起的誤差。補償電壓取決于W1的電阻值。如果Rw1很大，補償效果很強。這部分電路的功能是放大電流信號Ii并輸出4 20mA的直流電流。此外，還應(yīng)實現(xiàn)調(diào)零、正負偏移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。電路原理如下圖