11,第二章 變送器和轉(zhuǎn)換器,變送器和轉(zhuǎn)換器的作用是分別將各種工藝變量(如溫度、壓力、流量、液位)和電信號（如電壓、電流、頻率、氣壓信號等）轉(zhuǎn)換成相應的統(tǒng)一標準信號。,第一節(jié) 變送器的構(gòu)成 第二節(jié) 差壓變送器 第三節(jié) 溫度變送器 第四節(jié) 電氣轉(zhuǎn)換器,上一頁,目錄,下一頁2,第一節(jié) 變送器的構(gòu)成,一、構(gòu)成原理 二、量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移,一、構(gòu)成原理 變送器是基于負反饋原理工作的，其構(gòu)成原理如圖所示，它包括測量部分（既輸入轉(zhuǎn)換部分）、放大器和反饋部分。,上一頁,目錄,下一頁3,一、構(gòu)成原理,上一頁,目錄,

2、下一頁4,二、量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移,變送器涉及的另一個問題是量程、零點調(diào)整和零點漂移。,1、量程調(diào)整 其目的是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。相當于改變輸入輸出特性的斜率，也就是改變y與x的比例系數(shù)。,量程調(diào)整通常是通過改變反饋系數(shù)F的大小來實現(xiàn)的。F大，量程就大。F小，量程就小。 也有些變送器還可以通過改變轉(zhuǎn)換系數(shù)c來調(diào)整量程。,上一頁,目錄,下一頁5,2、零點調(diào)整和零點遷移,使變送器的輸出信號下限值ymiin與測量范圍的下限值xmin相對應。,在xmin=0時，稱為零點調(diào)整；在xmin0時

3、，稱為零點遷移。,由上圖可知，零點遷移后變送器的輸出特性沿x坐標向右或左平移，其斜率沒有變，即變送器量程不變。進行零點遷移，在輔以量程調(diào)整，可提高儀表的測量靈敏度。,上一頁,目錄,下一頁6,第二節(jié) 差壓變送器,一、力平衡式差壓變送器 二、電容式差壓變送器 三、擴散硅式差壓變送器,差壓變送器是將液體、氣體或蒸汽的壓力、流量、液位等工藝量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號，作為只是記錄儀、調(diào)節(jié)器或計算機裝置的輸入信號，以實現(xiàn)對上述變量的顯示、記錄或自動控制。 本節(jié)著重討論普遍使用的力平衡式差壓變送器和電容式差壓變送器。,上一頁,目錄,下一頁7,一、力平

4、衡式差壓變送器,（一）、概述 （二）、工作原理和結(jié)構(gòu) （三）、低頻位移檢測放大器,（一）、概述 力平衡式差壓變送器包括測量部分、杠桿部分、位移檢測放大器及電磁反饋機構(gòu)。其構(gòu)成方框圖如下：,上一頁,目錄,下一頁8,工作原理：是按力矩平衡原理工作的。,測量部分是將被測差壓Pi轉(zhuǎn)換成相應的輸入力Fi，該力與電磁反饋機構(gòu)輸出的作用力Ff一起作用于杠桿系統(tǒng)，使杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生微小的偏移，在經(jīng)位移檢測放大器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流電流輸出信號。,由于采用了深度負反饋，因而測量精度較高，而且保證了被測差壓Pi和輸出電流Io之間的線性關系。,上一頁,目錄,下一頁

5、9,（二）工作原理和結(jié)構(gòu),1、工作原理：,根據(jù)圖敘述其工作原理：,被測差壓信號P1、P2分別引入元件3的兩側(cè)，則Pi轉(zhuǎn)換為Fi，該力作用于主杠桿的下端，使主杠桿以軸封膜片4為支點偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)1沿水平推動8。F1分解F2和F3，F(xiàn)2帶動14以M為支點逆時針偏轉(zhuǎn)，此時12靠近差動變壓器，使兩者間氣隙減小。,檢測片的位移變化量通過15轉(zhuǎn)換為420mA的Io，作為輸出。,Io又流過16，產(chǎn)生Ff使副杠桿順時針偏轉(zhuǎn)，當Ff和Fi力矩平衡時，變送器狀態(tài)穩(wěn)定。,上一頁,目錄,下一頁10,由上述工作原理可畫出其傳輸方框圖：,A-膜片有效面積 L1、L2Fi、F1到主杠桿支點H的力臂

6、L3、Lo、LfF2、Fo、Ff到副杠桿支點M的力臂 L4檢測片12到副杠桿支點M的距離 tg矢量機構(gòu)的力傳遞系數(shù)， 為矢量角 K1副杠桿力矩-位移轉(zhuǎn)換系數(shù) Kf電磁反饋機構(gòu)的電磁結(jié)構(gòu)常數(shù) K2低頻位移檢測放大器位移-電流轉(zhuǎn)換系數(shù),上一頁,目錄,下一頁11,在差壓變送器的放大系數(shù)（K1K2）和反饋系數(shù)（LfKf）的乘積足夠大時，當變送器處于穩(wěn)定時，將滿足力矩平衡關系：,Mi+Mo=Mf Io=KpPi+LoFo/LfKf,上一頁,目錄,下一頁12,2.結(jié)構(gòu)：（具體各部結(jié)構(gòu)及作用）,檢測部分: P 輸入力Fi ，組成：由高低壓式膜盒、軸

7、封膜片 雙膜片結(jié)構(gòu)可減小溫度的影響（雙膜片受溫度變化抵消）。 膜盒內(nèi)有充有硅油。,工作過程： P作用膜盒上時，膜片2和硬心同時向右移動，迫使盒內(nèi)硅油通過孔向右流動，并在連接片6上產(chǎn)生集中力Fi 當Pi逐漸加大，超過額定差壓時，膜片與機座接觸，起到單向過載保護作用。,杠桿系統(tǒng)：是變送器中機械傳動和力矩平衡部分 作用：使F1產(chǎn)生力矩與電磁反饋力Ff產(chǎn)生的力矩進行比較，再轉(zhuǎn)化為檢測片的位移?，F(xiàn)分析其主要機構(gòu)：,上一頁,目錄,下一頁13,、 調(diào)零和零點遷移機構(gòu)：,零點遷移：調(diào)節(jié)遷移彈簧來實現(xiàn)。 調(diào)零：由調(diào)零彈簧來調(diào)整。遷移彈簧對杠桿施加一個遷移力Fo 設Fo到主杠桿支點的

8、距離為Lo,則有：,上一頁,目錄,下一頁14,、靜壓調(diào)整和過載保護裝置：,產(chǎn)生原因：膜盒兩側(cè)的膜片有效面積不等。 主杠桿、拉條等裝配不正，會使主杠桿產(chǎn)生一個附加力矩。 消除方法：在主杠桿上安裝一個靜壓調(diào)整裝置。,、平衡錘： 在副杠桿重心與支點M重合，從而提高了儀表的耐沖擊，耐振動性能，而且儀表不垂直安裝時也不影響精度。,、矢量機構(gòu)：組成：由矢量板、推板組成。 改變可改變差壓變送器的量程。 當僅用矢量機構(gòu)調(diào)整量程時的量程比為：,上一頁,目錄,下一頁15,3.電磁反饋機構(gòu),作用是將輸出電流Io轉(zhuǎn)換成電磁反饋力Ff，此力作用于副杠桿，產(chǎn)生反

9、饋力矩Mf，以便和測量部分產(chǎn)生的輸入力矩Mi相平衡。,反饋力Ff的大小為： Ff=Kf Io Kf是電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)，其值為：,上一頁,目錄,下一頁16,（三）、低頻位移檢測放大器,作用：是將副杠桿上檢測片的微小位移s轉(zhuǎn)換成直流輸出電流Io 其原理線路圖2-12如下頁： 其組成有：差動變壓器、低頻振蕩器、整流濾波及功率放大器。,1、差動變壓器 2、低頻振蕩器 3、安全火花防爆,上一頁,目錄,下一頁17,上一頁,目錄,下一頁18,1、差動變壓器,差動變壓器是由檢測片（銜鐵）、上、下罐形磁芯和四組線圈構(gòu)成。如圖2

10、-13所示，其作用是將檢測片的位移s轉(zhuǎn)換成相應的電壓信號uCD,上一頁,目錄,下一頁19,討論：,當s=/2 時 e2=e2 UCD=e2- e2=0 差動變壓器變壓器輸出,當se2 UCD=e2- e20 此時UCD與UAB同相,當s/2 時，因差動變壓器，上半部磁路磁阻增大互感減小 e2e2 UCD=e2- e20 此時UCD與UAB反相。,上一頁,目錄,下一頁20,2、低頻振蕩器,低頻放大器由振蕩器、整流濾波、及功率放大器三部分組成。,、振蕩器 線路圖如右圖：由LAB、C4構(gòu)成的并聯(lián)振蕩回路的固有頻率也就是低頻振蕩器的振蕩頻率。

11、,上一頁,目錄,下一頁21,振蕩的振幅條件：即KF=1,檢測片位移S與振蕩器輸出電壓UAB之間的關系： 如下圖，說明振蕩器的放大特性是非線形的，而反饋特性在鐵芯未飽和的情況下是線形的。兩條線的交點p即為穩(wěn)定后的工作點，p點對應的uAB就是振蕩器的輸出電壓。,上一頁,目錄,下一頁22,、整流濾波,振蕩器的輸出電壓UAB經(jīng)二極管VD4整流以及通過電阻R8、R9和電容C5濾波得到平滑的直流電壓信號，再送至功放級。,整流濾波電路并聯(lián)在LAB、C4回路的兩端，因此它的總阻抗不能太小，否則將要影響振蕩器的工作。,上一頁,目錄,下一頁,0755-8

12、3376489,23,、功率放大器,功率放大器由晶體管VT2、VT3和電阻R3、R4、R5組成，如2-18所示。放大器采用PNP-NPN互補型復合管，其目的一是提高電流大系數(shù)；二是電平配置，使VT2的基級電平與前級輸出信號的電平相匹配。,R3為穩(wěn)定工作的反饋電阻，同時提高功放級的輸入阻抗，有利于濾波器輸出電壓的穩(wěn)定。R5為VT2、VT3集電極與發(fā)射級之間的穿透電流提供旁路，用以改善放大器的溫度性能，提高了電路的穩(wěn)定性。,上一頁,目錄,下一頁24,3、安全火花防爆,安全火花防爆原則： 、電子線路設計上。 、安裝使用上（不讓火花竄入現(xiàn)場）隔離。,盡可能減小貯能元件（L

13、、C）并使現(xiàn)有貯能元件在故障情況下釋放的能量（電流、電壓）限制在安全額定以下。,上一頁,目錄,下一頁25,二、電容式差壓變送器,（一）、概述 （二）、測量部件 （三）、轉(zhuǎn)換放大器,電容式差壓變送器是沒有杠桿機構(gòu)的變送器。它采用差動電容作為檢測元件，整個變送器無機械傳動、調(diào)整裝置，并且測量部分采用全封閉焊接的固體化結(jié)構(gòu)。,上一頁,目錄,下一頁26,（一）、概述變送器包括測量部分和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分。其結(jié)構(gòu)圖如下。,此電容變化量由電容-電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成直流信號，電流信號與調(diào)零信號的代數(shù)和同反饋信號進行比較，其差值送入放大電路，經(jīng)放大得到

14、整機的輸出電流Io。,上一頁,目錄,下一頁27,（二）、測量部件,測量部件的作用是把被測差壓P i轉(zhuǎn)換成電容量的變化。它由正、負壓測量室和差動電容檢測元件（膜盒）等部分組成。 其結(jié)構(gòu)圖如下：,若不考慮邊緣電場的影響，感壓膜片和兩邊固定電極構(gòu)成的電容Ci1、Ci2為：,上一頁,目錄,下一頁28,上一頁,目錄,下一頁29,（三）、轉(zhuǎn)換放大器,作用：是將上述差動電容的相對變化值轉(zhuǎn)換成標準的電流輸出信號。此外還要完成零點調(diào)整、正負遷移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。其結(jié)構(gòu)原理圖如下：,它是由電容-電流轉(zhuǎn)換電路和放大電

15、路組成。,上一頁,目錄,下一頁30,圖2-28 電容式差壓變送器電路圖,上一頁,目錄,下一頁31,1.電容-電流轉(zhuǎn)換電路,作用：將差動電容的相對變化值成比例的轉(zhuǎn)化成差動電流信號。 、振蕩器 作用是用來向差動電容Ci1、Ci2提供高頻電流。 其線路圖如2-23,由圖知這是一種變壓器反饋型振蕩電路，只要適當?shù)倪x擇電路元件的變量，便可滿足振蕩條件。 供電：由IC1輸出電壓Uo1供電， IC1可控制振蕩器輸出幅度。 頻率：即為L、C構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路。,上一頁,目錄,下一頁32,、解調(diào)和振蕩控制電路,上一頁,目錄

16、,下一頁33,、線性調(diào)整電路,由于差動電容檢測元件中分布電容的存在，將造成非線形誤差。 分布電容使差動電容變化量減小而使Ii減小，為使Ii增大而設計了此電路。,上一頁,目錄,下一頁34,2.放大及輸出限制電路,作用：是將電流信號Ii放大，并輸出420mA的直流電流。,、放大電路,、輸出限制電路,由VT2、R18組成 作用：防止輸出電流過大，損壞器件。Io30mA,上一頁,目錄,下一頁35,三、擴散硅式差壓變送器,是一種無杠桿的變送器，采用硅杯壓阻傳感器作為敏感元件。 特點：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性

17、好、精度也高。變送器包括測量元件和放大線路兩部分。 硅杯（敏感元件、彈性元件、檢測元件）由兩片研磨后膠合成杯狀的硅片組成。,測量原理：當硅杯受壓時，壓阻效應使其上的擴散電阻發(fā)生變化。從而使由這些電阻組成的電橋產(chǎn)生不平衡電壓。,變送器原理圖如2-30 1、硅杯不受壓時， (Pi =0) Rs1=Rs2=Rs3=Rs4,上一頁,目錄,下一頁36,2.硅杯受壓時， (Pi 0) Rs1、Rs3 Rs2、Rs4 ,3.負反饋 由圖知：VT的發(fā)射極電流來自電橋的一個臂，當Pi IoRf上的壓降使B點電位降低，所以對IC的輸入端而言，是負反饋作用。 這樣就保證了變送器電路具有

18、比例變換關系。,上一頁,目錄,下一頁37,圖1這種壓力變送器主要利用液體或氣體在檢測器件上形成的壓力來檢測液體或者氣體的流量或壓強。把這種壓力信號轉(zhuǎn)變成標準的0-10V或者4-20mA電信號。以便控制使用。圖2中所示的元件就是各種壓力傳感器的核心部件，壓力和電信號的轉(zhuǎn)化主要由它們完成。這種元件主要由壓力檢測體和放大電路組成。,圖1 壓力變送器,圖2 壓力變送器部件,壓力變送器實例介紹,上一頁,目錄,下一頁38,第三節(jié)溫度變送器,一、四線制溫度變送器 二、兩線制溫度變送器,溫度變送器與測溫元件配合使用，將溫度或溫差信號轉(zhuǎn)換成為標準的統(tǒng)一

19、信號；還可以作為直流毫伏變送器使用，用以將其它能夠轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號的工藝變量轉(zhuǎn)換成為標準的統(tǒng)一信號。 其可分為：,上一頁,目錄,下一頁39,一、四線制溫度變送器,1. 四線制溫度變送器有如下特點： （1）、主放大器為低漂移、高增益的運算放大器，使儀表具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。 （2）、在熱電偶和熱電阻溫度變送器中采用了線性化電路，從而使變送器的輸出信號和被測溫度呈線形關系，便于指示和記錄。 （3）、變送器的輸入、輸出之間具有隔離變壓器，采用了安全隔離變壓器，并采用了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干擾性能，且能測量來自危險場所的直流毫伏或溫度信號。,上一頁,目錄

20、,下一頁40,其結(jié)構(gòu)圖如2-31，整機線路圖如下頁圖2-44,兩部分分別設置在兩塊印刷線路板上，用插接件相互連接，其中放大單元是通用的，而量程單元則隨品種、測量范圍的不同而異。,上一頁,目錄,下一頁41,圖2-44 直流毫伏變送器電路圖,上一頁,目錄,下一頁42,2.放大單元工作原理,由集成運算放大器、功率放大器、直流-交流-直流轉(zhuǎn)換器、隔離部分組成。,、電壓放大電路 由集成運算放大器IC1組成。 設變送器的環(huán)境溫度為t ，失調(diào)電壓溫漂系數(shù),上一頁,目錄,下一頁43,、功率放

21、大電路,作用：將運算放大器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成具有一定負載能力的電流信號，同時，通過隔離變壓器實現(xiàn)隔離輸出。,采用了復合管是為了提高輸入阻抗，減小線形集成電路功耗。 引入射極電阻一方面為了穩(wěn)定功率放大器的工作狀態(tài)另一方面為了從R4兩端取出反饋電壓Vf,上一頁,目錄,下一頁44,、隔離輸出,為了避免輸出、輸入之間有直接電的聯(lián)系，在功率放大器與輸出回路之間采用隔離變壓器To來傳遞信號。 To-實為電流互感器，交流比為1：1 所以輸出電流iL等于功放電路復合管集電極電流。,上一頁,目錄,下一頁45,、直流-交流-直流轉(zhuǎn)換器,用來對儀表進行隔

22、離式供電。是DDZ- 儀表的通用部分。 其工作過程為：先把電源供給的24V直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的交流方波電壓，再經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓提供給直流電壓。,上一頁,目錄,下一頁46,、 振蕩頻率,上一頁,目錄,下一頁47,3.支流毫伏變送器量程單元,上一頁,目錄,下一頁48,上一頁,目錄,下一頁49,4.熱電偶溫度變送器量程單元,輸入信號斷路報警電路的作用與直流毫伏變送器的作用相同。 區(qū)別在于： I、在熱電偶溫度變送器的輸入回路中增加了熱電偶冷端溫度補償電路。 II、在反饋回路中

23、增加了線形化電路。,上一頁,目錄,下一頁50,、熱電偶冷端溫度補償電路,表明：I、冷端溫度變化時，引起熱電偶熱電勢的變化。 II、當 時，補償電勢Vz，即Vz-t是上凹形曲線，而Et-t也為下凹形曲線。二者綜合即為線性特性。,上一頁,目錄,下一頁51,線性化原理及電路分析,線性化電路可使熱電偶溫度變送器的輸出信號與被測信號成線性關系。 I、線性化原理,由圖可知： =Et+Uz-Uf 如果Uf t為非 線性，并于Et t非線性相對應，則-t為線性。,上一頁,目錄,下一頁52,II、線性化電路,即非線性運算電

24、路實為一個折線電路，是用折線來近似表示的。 折線的段數(shù)及斜率大小由熱電偶 的特性來確定。一般用4-6段表 示時，誤差小于0.2%。,要采用圖2-38的特性曲線， 可采用2-39的電路結(jié)構(gòu)。 VZ103-Vd106穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值為VD,其特性在擊穿之前電阻極大，相當于開路，而當擊穿后，動態(tài)電阻極小，相當于短路。,上一頁,目錄,下一頁53,該線路決定了第一段直線的斜率1，當要求后一段的直線斜率大于前一段時，如圖2-38 21可在R120上并聯(lián)一個電阻，如R119此時負反饋減小，輸出Ua增加。 如要求后一段直線斜率小于前一段則可在Ra上并聯(lián)一電阻。此時輸出Ua減小。,上一

25、頁,目錄,下一頁54,5.熱電阻溫度變送器量程單元,與上述兩種變送器的區(qū)別：線性化電路，置于輸入回路中；熱電阻引線補償電路。,上一頁,目錄,下一頁55,I、線性化原理及分析,熱電阻線性化電路原理如圖：現(xiàn)把IC2看成是理想運算放大器， UT=UF可得：,上一頁,目錄,下一頁56,II、引線電阻補償電路,為消除引線電路的影響，熱電阻采用三線接法。 由R23、R24、2構(gòu)成的支路為引線電阻補償電路。,若不考慮此電路,則：Ut=Ut+2It,若存在引線補償電路，有電流I流過2、3，調(diào)整R24使I= It 則流過3

26、的電流大小相等，方向相反。所以3上不產(chǎn)生壓降。 因為設計時， R29= R30+R31，所以由1、2產(chǎn)生的壓降引到反相端時，互相抵消。故三線制接法可消除引線電阻對測量的影響。,上一頁,目錄,下一頁57,6.安全火花型防爆措施,（1）、輸入、輸出及電源回路之間通過變壓器To和T1而相互隔離，在變壓器中設有“防止短接板”。 （2）、在輸入端設有限壓元件、限流元件，以防高電能傳遞到現(xiàn)場。 （3）、在輸入端及電源端裝有大功率二極管及熔斷絲。,上一頁,目錄,下一頁58,二、兩線制溫度變送器,1.輸入回路 包括電阻R6-R11、Rcu、電位器Rp

27、1等組成的橋路、電容C2-C5電阻R17-R20等組成的濾波電路及由二極管組成的限幅電路。1、2端連接測溫元件熱電偶，3、4短接，橋路輸出不平衡電壓與熱電偶的熱電勢相疊加，送至放大器的輸入端。銅電阻Rcu起冷端溫度補償作用，Rp1用來調(diào)節(jié)零點。,上一頁,目錄,下一頁59,2.反饋回路,反饋回路由電阻R13、R14電位器Rp2等組成。反饋電流If由晶體管VT5輸出，通過R13 Rp2在R10上的壓降即為反饋電壓，調(diào)節(jié)Rp2改變反饋量，即可調(diào)節(jié)量程。,3.放大器 電壓放大器采用低漂移、高增益、高輸入阻抗、低噪聲的集成運算放大器。,4.穩(wěn)壓源 由于采用兩線制方式，當輸出

28、電流及負載阻值變化時，儀表工作電壓也隨之變化，因此在線路中附加穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。,上一頁,目錄,下一頁60,第四節(jié)、電/氣轉(zhuǎn)換器,一、概述 二、氣動儀表的基本元件 三、電/氣轉(zhuǎn)換器工作原理,上一頁,目錄,下一頁61,一、概述,電/氣轉(zhuǎn)換器是將電動儀表輸出的420mA直流電流信號轉(zhuǎn)換成可被氣動儀表接受的20100KPa標準氣壓信號，以實現(xiàn)電動儀表和氣動儀表的聯(lián)用，構(gòu)成混合控制系統(tǒng)，發(fā)揮電、氣儀表各自的優(yōu)點。 主要性能指標： （1）輸入信號：420mA(DC) （2）輸出信號：0.020.1MPa （3）變差： 0.5% （4）基本誤差：0.5% （5）靈敏度：0.05% （6）防爆等級：安全隔爆復合型、