1、第三章 變送器和轉換器,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 變送器的一般構成原則 第三節(jié) 差壓變送器 第四節(jié) 差壓變送器的應用實例 第五節(jié) 溫度變送器 第六節(jié) 電氣轉換器,第一節(jié) 概述,變送器的功能：,變送器的主要功能是將變送器的輸入信號(即傳感器的輸出信號）轉換成符合相應的統(tǒng)一標準信號制的信號輸出，以便于控制器進行偏差運算，進而進行控制。,根據(jù)輸入信號的類型，可將變送器分為兩種基本類型：,1、信號拾取部分和信號轉換部分組合成一體。 信號拾取部分即為傳感器或敏感元件，其功能是拾取被控變量的信息（信號）；而轉換部分則是將傳感器拾取的被控變量的信息（信號）轉換成符合統(tǒng)一標準信號制的輸出信號。,傳感器,信號調理電

2、路,被控變量,標準信號制輸出,一、變換原理,另外：在實際控制應用中，由于控制任務的多樣性和復雜性，以及一些特殊的控制要求，變送器的形式可能是多種多樣的。甚至還有一些特種變送器。,返回P8,返回P9,返回P10,從圖3-1可以看出：變送器一般由傳感器、放大器、反饋部分和零點遷移部分組成。,（注意：這里例舉的是前面提到的第一種變送器類型。如果是第二種，則將傳感器部分去掉就可以形成第二種類型變送器）,各部分功能：,測量部分（傳感器）：對被測變量（或被控變量）進行測量，然后將獲取的被測變量的信息轉換成能被放大器接受的輸入信號Z i（一般是電壓、電流或者位移、力矩信號）。,反饋部分：將變送器的輸出信號y

3、轉換成反饋信號z f，再饋送到放大器輸入端。其作用是起平衡作用。,放大器：在放大器的輸入端將輸入信號z i和調零信號zo的代數(shù)和與反饋信號z f進行比較后，將差值進行放大，并將其轉換成符合標準信號制的輸出信號y。,調零、零點遷移部分：根據(jù)調零要求輸出調零信號，對變送器的零點、量程進行校正。,P5,P5,P5,-,2、零點調整和零點遷移,力平衡式差壓變送器的結構如圖3-5所示。結構方框圖如圖3-4所示。,變送器的信號傳輸方框圖如圖3-6所示。,A- 膜盒有效面積； l1、l2 - 以H為支點，F(xiàn)i、F2在主杠桿上的力臂； l3、l0、lf - F3、F0、Ff 到副杠桿支點M的力臂； l4 -

4、銜鐵到支點M的力臂； tan- 矢量機構的力傳系數(shù)，為矢量角； K1- 副杠桿力矩-位移轉換系數(shù)； K2- 低頻位移檢測放大器位移-電流轉換系數(shù)； Kf - 電磁反饋機構的電磁結構常數(shù)。,2、工作原理,從圖3-5中可知：,A、圖中1，2，3，4，5構成測量部分，完成前述（1）、（2）功能；,C、圖中12，13，15構成輸出信號生成和轉換部分，完成（5）的功能；,D、圖中6，7，9，11構成量程調整、零點調整和遷移的附加部分，完成（6）的功能；,E、圖中10起到平衡穩(wěn)定杠桿系統(tǒng)的作用。,B、圖中5，8，12，13，14，15，16，17，18，19構成產生平衡力矩和提供平衡機構的部分，完成（3）

5、、（4）的功能；,由以上方程組可推到出變送器得輸出電流和輸入壓差之間得特性關系：,（3-5）,令：,KP-比例系數(shù),上式表明：,（1）、在滿足深度負反饋條件下，變送器的輸出與輸入之間的關系取決于測量部分和反饋部分的特性。當儀表結構尺寸確定后，輸出電流 I0與輸入差壓pi成比例關系；,（2）、式中 一項用以確定變送器輸出電流的起始值（零點）。對型變送器而言，該項使輸出電流為4mA。改變調零彈簧作用力F0可調整變送器的零點；,（3）、比例系數(shù)KP中的tan和Kf兩項可變，故調整變送器的量程可通過改變矢量角度和電磁結構常數(shù)來實現(xiàn)；,（4）、由式（3-5）可知，改變量程會影響變送器的零點，而調整零點又

6、對變送器的滿度值有影響，故在力平衡式差壓變送器調校時，零點和滿度值應反復觀察調整。,（3）低頻位移檢測放大器,返回P35,由圖3-10可知，差動變壓器的原邊線圈作為振蕩管 T 的集電極負載，跨接在電容C1兩邊，與C1形成LC并聯(lián)諧振電路，而兩副邊線圈接成差動后跨接在振蕩管的基極和發(fā)射極上。 顯然原邊線圈的勵磁電壓是由振蕩管的集電極輸出的振蕩電壓提供，而副邊線圈的差動輸出電壓作為振蕩管 T 反饋電壓。,原邊線圈的勵磁電壓是否能保證提供，就要看振蕩管是否能正常起振，并建立起穩(wěn)定振蕩。 而振蕩管 T 的振蕩條件則由差動變壓器的副邊輸出電壓與原邊勵磁電壓的相位決定（決定兩者時同相還是反相）。同時由前面

7、差壓變壓器的分析可知，副邊線圈輸出電壓與原邊線圈的勵磁電壓相位關系，取決于銜鐵的位移情況。 因此該振蕩器是一個可控振蕩器，控制變量是d。,下面來分析銜鐵位移與原副邊電壓相位以及振蕩管的起振條件之間的關系。,圖3-9,由此可知，振蕩管起振的相位條件是：當d ，VCD O， VCD 和 VAB 同相，形成正反饋（開始起振）。,進一步可知； 差壓變送器的位移工作范圍為： 0 d /3,第三節(jié) 溫度變送器,功能：渝與各種熱電偶和熱電阻配合使用，將溫度信號測量并轉換成統(tǒng)一標準信號輸出。,種類：,一、四線制溫度變送器,（一）、概述,四線制溫度變送器有如下特點： （1）、采用了線性化電路，從而使變送器的輸出

8、信號和被測信號（溫度）成線性關系； （2）、為了達到防爆的目的，輸入和輸出之間采用了隔離變壓器，采取了安全火花型防爆措施。,量程單元,放大單元,變送器總體機構如圖3-31。,四線制的三種變送器都分為量程單元和放大單元兩個部分。放大單元是通用的，量程單元則隨品種和測量范圍不同而不同。,在方框圖中，空心箭頭表示供電回路實心箭頭表示信號通道。,Ui（毫伏級的電壓信號）或Ei測溫元件的輸出信號（也是毫伏級）與橋路輸出信號 及反饋信號 相疊加，送入電壓放大器放大。放大了的電壓信號再由功率放大器和隔離輸出電路轉換成統(tǒng)一的4-20mA直流電流Io和1-5V直流電壓Uo輸出。,主要指標：基本誤差0.5%； 環(huán)

9、境溫度每變化25附加誤差不超過 0.5%； 負載電阻在0-100范圍內變化時，附加誤差不超過 0.5%；,（二）、熱電偶溫度變送器,熱電偶溫度變送器是采用熱電偶作為溫度傳感器進行溫度測量并對測量信號進行變送，輸出標準信號制信號的裝置。,由于熱電偶溫度變送器的放大電路和直流毫伏計、熱電阻溫度變送器是通用的，它們之間的區(qū)別在于輸入量程單元不同。所以在這里重點介紹熱電偶溫度變送器的電路設計，對于直流毫伏計以及熱電阻溫度變送器將只介紹其輸入量程單元電路設計。,1、輸入電路,熱電偶溫度變送器的輸入電路原理圖如下圖：,輸入電路主要起以下兩種功能： （1）、熱電偶冷端溫度補償； （2）、零點調整和遷移。,輸

10、入電路形式上時一個橋路，所以常稱為輸入電橋。,橋路的左半邊是產生冷端溫度補償電勢的，由銅絲繞制的電阻Rcu感受冷端溫度，因此Rcu安裝在熱電偶冷端接點處。Rcu上的電壓即為冷端補償電壓URcu。 橋路的右半邊是產生零點調整和遷移修正電壓UR4的， UR4可調。 輸出電勢Ei為： Ei = E1 + Uab ， Uab = URcu + UR4 ， 則： Ei = E1 + URcu + UR4 （3-6）,2、放大單元工作原理 由電壓放大器、功率放大器、直流-交流-直流變換器、隔離輸出電路等部分組成。 功能：將毫伏級的輸入電壓進行電壓放大和功率放大，輸出統(tǒng)一的標準直流電流信號Io和直流電壓信號

11、Uo，同時輸出電流又經反饋部分轉換成反饋電壓信號Uf，送至量程單元。,（1）、電壓放大電路,變送器的電壓放大和功率放大電路如圖3-32。電壓放大器由IC1構成差動放大。將毫伏級的輸入電壓進行放大。,變送器在放大毫伏級的微弱信號時應注意共模干擾和抗干擾問題：,共模干擾和抗干擾問題是在變送器使用時，普遍存在的問題。,如上圖中示例，一般熱電偶靠近被測量對象電熱絲。當溫度在800以上時，耐火磚和熱電偶的瓷套管的絕緣電阻下降的很低，電熱絲上的工頻交流電便會向熱電偶泄漏，使熱電偶上出現(xiàn)幾伏或幾十伏的對地干擾電壓，這種在兩根信號線上共同存在的的對地干擾電壓稱為共模干擾或縱向干擾。,對于控制儀表來說，這種共模

12、干擾是具有共性的問題。 這種共模干擾很容易轉化為差模干擾。如圖中所示，當產生的共模ecm干擾經線路阻抗Z1和Z2與變送器的輸入阻抗Z3和Z4進行分壓，將在A、B兩點形成差模干擾電壓。,抑制共模干擾的有效辦法是把變送器對地懸空，也就是把儀表對大地絕緣，如圖3-32-1（b）所示。圖中Z5表示變送器與大地之間的絕緣阻抗。當Z5 ，那么共模干擾ecm在阻抗Z3、Z4上的分壓都趨進于零。兩者之間的壓差也必定為零，這樣就可有效地抑制共模干擾向差模干擾轉化。,圖3-32-2的方框圖就是按上述思路設計的一種變送器設計方案。這也是本節(jié)介紹的變送器的設計方案。,方案用隔離變壓器將變送器分為兩部分： 輸入及放大電

13、路部分，與檢測元件連接，對地懸空； 檢波及輸出電路部分，與后接儀表（如調節(jié)器、指示儀表、記錄儀表等）連接，可根據(jù)需要對地懸空或不懸空。,經輸出變壓器、反饋變壓器和電源變壓器隔離后，只要這些變壓器的絕緣電阻足夠大，同時使通過變壓器的信號調制頻率足夠高，那么變壓器繞組之間以及繞組對地的分布電容就可以做得比較?。―DZ-型溫度變送器中電源和信號調制頻率都在10-20KHZ左右），因此對于50HZ的工頻干擾來說，可以認為懸空做得是相當徹底的，必能有效地抑制這一頻段的共模干擾向差模干擾轉化。,注：通過變壓器對地懸空，有兩個問題要注意： 1，變壓器本身的絕緣電阻； 2，變壓器繞組分布電容的容抗。（采用高頻

14、載波加以解決，頻率越高，電容越小，容抗越大）。,（2）、功率放大及隔離輸出,功率放大器、隔離電路及反饋電路結構如圖3-32。,（a）當熱電勢Ei增大時，IC1輸出正電壓，經復合管VT1、VT2構成的電壓-電流轉換器，轉化為恒流輸出I1。該電流在方波電源的作用下，交替地流過輸出隔離變壓器 Bo （電流互感器，其電流比為1:1，則輸出電流就是復合管的集電極電流Ic）的兩個原邊繞組，在副邊繞組上感應產生出與Ic成正比的交變電流。此電流經過整流濾波后輸出，即為輸出直流電流Io（4-20mA），該電流流經250電阻即可得1-5V的直流輸出電壓。,（b）復合管VT1和VT2的作用是提高功率放大級的輸入阻抗

15、，減少運算放大器的功耗，從而降低運算放大器的溫度漂移。輸出端接的穩(wěn)壓管的作用是當電流輸出回路斷開，輸出電流可以通過穩(wěn)壓管流向電阻 R ，在R上產生1-5V的輸出電壓。保證電壓輸出信號不受影響。二極管VD3和VD4得作用是當A點電位出現(xiàn)異常正電位時，導通形成短路，迅速將熔斷絲熔斷，從而對電路起保護作用。,（c）變送器的反饋回路是由反饋隔離變壓器 Bf （電流互感器）、整流濾波電路以及運算放大器IC2構成。由于輸出隔離變壓器得副邊流過的是交變的電流，所以在副邊串接一隔離變壓器就可以實現(xiàn)隔離反饋的目的。 Bf 的副邊電流經整流濾波，在Rf和Cf上可得與輸出電流Io成正比得反饋電壓 ，該電壓經IC2和

16、非線性運算電路反饋構成得反饋放大器后可得反饋電壓Vf。,（3）、熱電偶的線性化問題及處理方法和電路,e端基線性度（將起點和端點連接為一條直線形成得線 性化誤差；,e1折線線性化處理后形成得最大線性化誤差。,顯然： e1 e ，如果折線段數(shù)越多，e1就越小。,熱電偶的非線性關系得線性化可通過折線近似法來實現(xiàn)。,在圖3-33中： e端基線性度（將起點和端點連接為一條直線形成得線 性化誤差；,e1折線線性化處理后形成得最大線性化誤差。,顯然： e1 e ，如果折線段數(shù)越多，e1就越小。,熱電偶得非線性關系得線性化可通過折線近似法來實現(xiàn)。理論上折線段數(shù)越多。擬合程度就越好，近似程度就越高，線性化誤差就

17、越小。但折線段數(shù)越多，硬件電路就越復雜，不確定因數(shù)增加，引起誤差得因數(shù)增加，且硬件調試難度加大，所以不能盲目增加折線段數(shù)。熱電偶得非線性并不是很大，一般采用四到六段折線，線性化誤差可以做到0.2%以下。,返回P55,返回P56,返回P57,圖3-35中采用了四段折線近似。,電路說明：電路由基準電壓回路和運算電路兩部分組成。由穩(wěn)壓管DZf1（通過一保護電阻跨接在0和-9V之間）建立起穩(wěn)定電壓Es，經分壓電阻產生三個基準電壓Es1、Es2和Es3。DZf2、DZf3和DZf4均為穩(wěn)壓管，在電壓擊穿前相當于開路，漏電流可忽略不計；而當擊穿后相當于短路，動態(tài)電阻很小，可忽略不計。,見圖3-35,工作過

18、程：,當IC3受到正的輸入電壓 作用時，其輸出產生正的輸出電壓U1。,設：在電路調試時，確定Es1Es2Es3， Es1、Es2、Es3均為負電壓。VZf2、VZf3和VZf4均為同型號穩(wěn)壓管。,見圖3-35,注（1）對于不同的熱電偶，可改變基準電壓Es1、Es2和Es3的數(shù)值以移動各段折線的起點位置，改變電阻 Rf1、 Rf2、Rf3、Rf4和Rf5的阻值來調整各段折線的斜率。,（2）為達到防爆，變送器供電需隔離，由直流-交流-直流轉換器供電。,見圖3-35,（4）、直流-交流-直流變換,直流-交流-直流轉換器電路結構如圖3-36。,（二）、直流毫伏變送器的量程單元,1、電路說明：,a，VZ

19、101、VZ102及R101、R102起到限流作用； 目的：使進入生產現(xiàn)場的能量初值在安全限額以下。 另： R101、R102和 C 共同起到濾波作用以減小交流干擾。,b， R103、R105 和RP1實現(xiàn)零點調整或遷移；,c， R106、R107 和R111、RP2 R114、R115以及R116實現(xiàn)電壓反饋作用，反饋電壓 是由UZ和Uf共同作用產生；,d， Uf 取自放大單元反饋電阻R4；,e， UZ由穩(wěn)壓電源提供的穩(wěn)定直流電壓，作為電橋的供橋電壓；,2、理論計算：,（4）、考慮如下設計因素：,且：在放大電路設計中以保證輸出電壓U0于反饋電壓Uf之間的關系為：,則式（3-9）和（3-10）

20、可簡化為：,（3-11）,（3-12）,（5）、輸入、輸出特性關系計算：,（6）、結論：,a、 表示了輸出和輸入之間的比例關系，即輸出U0比例于輸入信號Ui；,b、（- ）UZ表示了調零信號，改變值可實現(xiàn)零點的正向或負向遷移；,（三）、熱電阻溫度變送器的輸入量程單元,第四節(jié) 電/氣轉換器,一、概述,電/氣轉換器將電動儀表輸出的4-20mA電流轉換成可被氣動儀表接受的20-100kPa標準氣壓信號輸出，以達到電動儀表和氣動儀表聯(lián)動的目的。,二、氣動儀表基本元件,1、氣阻,氣阻類似電阻，可改變閉合氣路中氣流的大小。 在氣流呈層流狀態(tài)流動時，有如下關系（對偶電路的歐姆定律）：,（3-16）,式中：R -氣阻； p-氣阻兩端的氣壓差（類似電路中的電壓降）； M -氣體的質量流量（類似電路中的電流）。,氣阻分為：,恒氣阻-毛細管、小孔等； 變氣阻-擋板等； 線性氣阻-當流體呈層流狀態(tài)時，氣阻將是線性的； 非線性氣阻-當流經氣阻的流體呈紊流狀態(tài)時，氣阻呈現(xiàn)非線性特征。,2、氣容,氣容 電容,具有一定容積空間的氣室即為氣容。,特點：為儲能元件，其氣壓不能突變。,種類：固定氣容和彈性氣容。,a、固定氣容,b、彈性氣容,V-氣室體積；R-氣體常數(shù)； T-氣體絕對溫度；Ae-波