4第二章變送器和轉換器

1、第二章變送器和轉換器l 課內講授的主要單元：差壓變送器、溫度變送器、電/氣轉換器等。l 第一節(jié)變送器的l 作用：將各種工藝變量，如溫度、（差壓）、流量、液位、成份等，轉換為相應的統(tǒng)一標準信號。l 一、原理l 變送器通常由三部分組成：測量部分（輸入轉換部分）、放大器部分和反饋部分。l 此外，還設有調零及零點遷移機構。1.框圖：z0 eyzixl C 轉換系數(shù)l K 放大系數(shù)l F 反饋系數(shù)反饋部分F放大器K測量部分C調零、零點遷移2.輸入/輸出關系：K1y =(Cx + z)01+ KF當 KF >> 1時:y = 1 (Cx + z)0Fl 即在滿足深度負反饋( KF >&g

2、t; 1 )的條件下,變送器的特性只與測量部分和反饋部分的特性有關， 而與放大器的特性無關。二、量程調整、零點調整和零點遷移1. 量程調整目的：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。方法：通常通過改變反饋系數(shù)F的大小來實現(xiàn)。有時也可通過改變轉換系數(shù)C來調整。2. 零點調整和零點遷移目的：使變送器輸出信號的下限值ymin與測量范圍的下限值xmin相對應。方法：通過改變調零信號z0的大小來實現(xiàn)。零點遷移與量程調整同時進行，可提高儀表的測量精度。第二節(jié)差壓變送器l 作用：將液體、氣體或蒸汽的、流量、液位等l工藝參數(shù)轉換成統(tǒng)一標準信號。l 種類：力（力矩）平衡式電容式電感式

3、電阻式llll一、電容式差壓變送器（一）l 1.概述及工作原理電容Dpi位移變化測量部分調零、零點遷移信號電流信號Io+ -反饋信號轉換放大部分反饋電路放大和輸出限制電路電容-電流轉換電路差動電容感壓膜片工作原理簡述：差壓作用在感壓膜片上使其產(chǎn)生微小位移，ll從而使感壓膜片與固定電極的兩個電容發(fā)生變化，其差動電容的相對變化量與被測差壓成正比。此差動電容再由電容-電流轉換器轉換為差l動電流，在振蕩放大器的下，可使差動電流正比于差動電容（即與被測差壓成正比）。由放大電路將該差動電流放大并轉換為統(tǒng)一標準信號,其輸出也與被測差壓成正比。ll 2.主要性能指標l 基本誤差：±0.25%，

4、77;0.35%，±0.5%三種。l 負載電阻：0600W（24VDC供電時）01650W（45VDC供電時）。l 電源電壓：1245VDC（一般為24VDC）l 確定具體型號時，還有測量范圍，靜壓，溫度及材質等指標。（二）l 1.作用測量部件l 將被測差壓Dpi轉換成電容的變化量。l 2.由正、負壓測量室和差動電容檢測元件等組成。l13電極引線；4膜盒座；5差動電容膜盒；6副壓測導壓口；7硅油；8負壓側膜片；9負壓室基座；10負壓側弧形電極；11中心感壓膜片；12正壓側弧形電極；13正壓室基座；14正壓側膜片；15正壓側導壓口；16放氣排液螺釘；17O型密封環(huán)；18插頭l 3.輸入

5、/輸出關系S0DSS0DS = K1 Dpi= eA =eA= eA =eACCi 2i1S - DSS + DSS1S20101DC = C- C= eA(-)i 2i1S - DSS + DS00S2S11S0 - DS1S0 + DSeA (-)- Ci1= DS = K DS = K K DpCi 2=221i+ Ci11S0 - DS1S0 + DSCi 2S0eA (+)即：差動電容的相對變化量與輸入差壓成正比。（三）轉換放大電路l 作用：將差動電容的相對變化量轉換為標準的電流輸出信號。：由電容-電流轉換電路及放大電路組成。ll 轉換放大電路原理框圖量程調整（負反饋）Ci2 Ci1

6、-差動信號功放及輸出限制IC3+振蕩器解調器E共+前置放大器-1245V模信號Io420mAIC1振蕩放大器穩(wěn)壓源RL電容電流轉換器放大及輸出限制電路基準電壓調零及零點遷移l 1.電容-電流轉換電路l 作用：將差動電容的相對變化值轉換為差動電流的變化值。：由振蕩器、解調和振蕩性調整電路等組成。放大器、線ll 1）振蕩器l 作用：用于向差動電容提供高頻電流。：變壓器反饋型振蕩器。lCR29C19Uo1VC20=12p LCl 振蕩頻率：fLT1l 2）解調和振蕩電路l 作用：實現(xiàn)電容變化到電流變化的轉換。：由解調器和振蕩放大器組成。lT1C17I2112R9R7Ui1I2IC + CRi112-

7、+1-8CIVD4 VD8URR8i1U1i2R6C11I1103I1VD3 VD7VD1 VD5I2VD2 VD6Ci2振蕩器l 解調器工作原理：l 繞組2-11輸出的交流電流經(jīng)VD4、VD8和VD2、VD6整流后得到直流分量I1和I2。I1流經(jīng)路線：T1(11)RiC17Ci1VD8、VD4T1(2)I2流經(jīng)路線：T1(2)VD2、VD6Ci2 C17 RiT1(11)lllll I1和I2均流經(jīng)Ri，但方向相反，即Ri上的直流分量Ii=I2-I1 ,即解調器輸出的差動電流信號。該信號即為后續(xù)放大電路的輸入信號。l 又因Ci1和Ci2的容量非常小，所以電流的大小主 要由Ci1和Ci2決定。

8、l 繞組3-10輸出的交流電流經(jīng)VD3、VD7整流后可得到直流分量I1（電路設計時，使流過VD3、VD7和流過VD4、VD8的電流相等） 。此I1流經(jīng)路線：T1(3) VD3、VD7 Ci1C17 R6R8T1(10)ll 繞組1-12輸出的交流電流經(jīng)VD5、VD1整流后可得到直流分量I2（電路設計時，使流過VD5、VD1和流過VD2、VD6的電流相等） 。此I2流經(jīng)路線：l T1(12) R7R9 C17 Ci2 VD5、VD1 T1(1)l 這里的I1和I2分別流經(jīng)R6R8 和R7R9,且方向相同,從而形成解調器輸出的共模電流信號。l I1與I2的值：1UPUPUPPp2pò0U

9、 =UP sinwt dwt = 2p´ 2 = p =2p( UP為峰值電壓， UPP為峰-峰電壓）U= wCU = 2pf CU = 2pf C UPPI = UCf1PP2pwCI1 = U PPCi1 f即：= U PPCi 2I2fI2 - I1 = U PP (Ci 2 - Ci1 ) fI2 + I1 = U PP (Ci 2 + Ci1 ) f- Ci1) Ci 2I = I- I= U(C- C) f = (I+ Ii21PPi 2i112C+ Ci 2i1l 由此可見，只要保證I2+I1恒定，即可實現(xiàn)差動電容的相對變化值與差動電流Ii的線性轉換關系。l 為此，電路

10、中設置了振蕩I2+I1恒定。放大器，以保證l 振蕩放大器工作原理：URURU=R -Ri189R + RR + R6879= I1 (R6 R8 ) + I2 (R7 R9 )Ui 2R + RR + R6879l 由于R6 = R9， R7 = R8 ，由此可得= R8 - R9UUi1RR + R68R6 R8U=(I + I)i 212R + R68l 因 Ui1 = Ui2 ，所以= R8 - R9I + IU12RR R68l 式中的R6、R8、R9和UR均恒定不變，所以I1+I2為常數(shù)。令I1+I2=K3，則：- Ci1- Ci1) Ci 2Ci 2I = I- I= (I+ I=

11、 Ki21123C+ CC+ Ci 2i1i 2i1= K3 K2 K1DPil 即Ii與輸入差壓信號Pi成線性轉換關系。2.放大及輸出限制電路lR31VD12R33d RP3RP31IocRIiIf182445VVD11RR1020RCR11 UFC113416A-S UICVZVTURP21 R36UTBf313i+RR17LU RR0 P4P22R13CRR39R383722RR2114VT2C12VT4R16R19l 放大電路包括前置放大器IC3和VT3、VT4組成的功放。l IC3的反相端輸入信號為UA，為恒定值。l IC3的同相端輸入信號包括調零信號U 、差動0電流Ii在B點產(chǎn)生的

12、電壓Ui和反饋電流在B點產(chǎn)生的反饋電壓信號Uf 。U0 = UVZ1Ui = -RiIi（C11上正、下負）Uf = Rf IO / l 這里：lll 由UB = Ui+U0+Uf = UA可得：l IO = (Ri / Rf) Ii + (/Rf)(UA-UVZ1)l 設:K4=Ri / Rf，K5 =1/Ril 則： IO = ( Ri / Rf) Ii + ( /Rf)(UA-UVZ1)=K4Ii + K4K5 (UA-UVZ1)=K4K3K2K1Pi + K4K5 (UA-UVZ1)lll 可見：l (1) 變送器輸出信號IO與輸入差壓信號成正比;l (2)式中第2項為調零信號。改變R

13、P2及R20、R21接法， 可調整零點。 R20接通，U0增加，實現(xiàn)零點正遷移； R21接通，U0減小，實現(xiàn)零點負遷移；l (3) K4為電路放大倍數(shù),與值有關,改變RP3大小,可改變值,即改變量程；l (4) 兩項中均含有K4,所以調零與調量程相互影響。二、擴散硅式差壓變送器l 由測量和放大轉換電路兩部分組成擴散硅式差壓變送器框圖pUs測量部分UzUo1Io放大轉換部分前置放大器擴散硅壓阻傳感器電壓-電流轉換器傳感器供電電路零點調整電路l 工作原理簡述：l 輸入差壓變化時，由擴散硅壓阻傳感器組成的不平衡電橋的輸出電壓Us發(fā)生變化，且Us與輸入差壓信號Pi成正比。該電壓信號置放大器放大后，再由

14、電壓-電流轉換器將其轉換為420mADC的輸出電流信號。因采用線性放大及轉換電路，所以輸出電流信號IO與輸入差壓信號Pi也呈線性關系。(一)測量部件l 1.過載保護裝置l 2.金屬l 3.硅油l 4.硅杯l 5.膜片密封l 6.引出線l 測量部件簡化原理圖傳感器未受壓時：lISR= R= R=R=RS1S2S3S40傳感器受壓時：R=K1 PiRS1= RS3=R0 + R RS2= RS4=R0 - RUS= RS3IS / 2 RS4IS / 2= (R0 + R) IS /2 - (R0 -R) IS /2=IS R= IS K1 Pi即: US與Pi成線性關系。lRS1RS2傳感器RS

15、4RS3USIS(二)電路原理I1VD1VT3R15R14C3CI1OR1IOVZ2UT2RUVZ1VZ1LUT1IC2R7R10UF2-24V RIC21IS-RUF116R5RS1R4R12UT4RS2傳感器IC4UO1VT2UF4W1-W2UZUVT1ORS4RRS36UR13SUR3R8C2F3 ICIS3+R11UT2R9R5= R6 ， R7= R8= R10= R11 ， R9= R16l 1、傳感器供電電路由運放IC1、穩(wěn)壓管VZ1及R1、R2、R3等組成,其作用是為檢測橋路提供恒定工作電流（IS）。lUF1 = UT1 = UVZ1IS =UT1/R3 =UVZ1/R3UVZ

16、1為VZ1穩(wěn)壓值，所以橋路工作電流（IS）恒定不變，約為1mA。橋路的輸出信號US與被測差壓成正比。l 對于IC1 ：ll 2、前置放大器l 由運放IC2、IC3、等組成的高輸入阻抗放大器，用于電壓放大。其輸出為兩個運放輸出端之間的電壓UO1。US=(R + R+ R'+ R )UO154W 16R + R'4W 1R5 + R6= (1+)USR + R'4R6，故W 1因 R5 =2R5= (1+= K UU)UO1S2SR + R'4W 1K2為前置放大器的放大倍數(shù)，其大小可通過電位器W1調整。l 3.電壓/電流轉換電路由運放IC4、晶體管VT1、VT2等

17、組成，其作用是將前置放大器輸出的電壓信號轉換為4 20mADC的電流信號。其中，VT2用于電流放大，VT1用于輸出限幅。lIO =IO+I1lllllIO = IO = UO /R13 UO1 / R13即：IO K2 US / R13=K1K2IS Pi / R13IO與被測差壓信號成正比。l 調整W1可改變轉換部分的轉換系數(shù)K2，所以W1為量程調整電位器。l W2為調零電位器，調零電壓加在IC4反向端。l 當IO過大時，R13上的壓降使VT1飽和導通， 使VT2基極電位保持恒定，從而使輸出電流保持恒定，起到限幅作用。簡化型擴散硅差壓變送器原理線路圖RcRS1319mAI2AI1BRS3RS

18、4-+RLICVT420mAIo1mAI1= I2=Ib=0.5mARfRS2Ie24V第三節(jié)溫度變送器一、四線制溫度變送器（一）概述框圖lIoUoUiU zeEtUf量程單元放大單元反饋回路輸出功率放大電壓放大直流-交流變換器整流濾波輸入回路（二）放大單元工作原理l 1.電壓放大電路采用低漂移集成運算放大器ll 2.功率放大電路T0 1R14VT12作用：將集成運VT52算放大器輸出的電壓信號轉換為具有一定帶載能力的電流信號。同時，通過3R2R3UfC2R4VDVD12變壓器實現(xiàn)輸出。l 3.l 采用輸出式輸出的目的是避免輸入與輸出之間存在直接電能力。，以便提高能力及防爆1 T04RFU14

19、7IoVZ035C6VD17VD1885R15VD13 VD1662l 4.直流-交流-直流（DC/AC/DC）變換器部件DC-AC部分為磁耦合式對稱推挽式多諧振蕩器。l（三）直流毫伏變送器量程單元由輸入電路和反饋電路組成。UF-IC1R101+UR104TC101UiR下上102-UzVZ101VZ102RRUR103106RP21f115dRP11P1RP22R116cRURR111I2RP2fR114107R105I1R109UZR104R110l 輸入電路：(1)限流(R101、R102)、限壓（VZ101、VZ102）(2)濾波（C101）(3)調零和零點遷移（R103R105、RP

20、1）llll(4)斷線（R109、R110、R140）l 反饋電路：由R106、R107、R111、R114R116和RP2組成，為負反饋支路，實現(xiàn)線性轉換及量程調整。ll 輸入/輸出之間關系：Rcd + R103U= U+ U= U+UTiZiZ+ R/ R+ RR103P1104105+ R111 + RP 21R106/ R107R115U= U=´'UFff+ RRR115116+ R114 + R115RP 22/ R116R106+´UZ+ RRR106107RP11R104R=其中：cdR+ RP1104l 線路設計時，使R105 »R104

21、/（RP1+R103）， R107 »R106R114 » RP2+R106/R107+R115/R116則有：+ Rcd + R103 UU= U+ U» UTiZiZR105» R106 + R111 + RP 21R115+ R106U= U´'UUFffZ+ R+ RRRR111114115116107= UO= UO´ 50 = UO而 U= IRRfO44R250515» R106 + R111 + RP 21R115´ UO+ R106即U= U'´UFfZ+ R+ RRR5

22、R111114115116107l 視IC1為理想運算放大器，則有UF = UT，即：R106 + R111 + RP 21R115´ UO+ R106´UZ+ R+ RRR5R111114115116107+ Rcd + R103 U= UiZR105設：+ R114 )(R115+ R116 )a= Rcd + R103b= 5(R111g= R106,+ R111 + RP 21 )R115(R106R105R107UO = bUi + (a-g)U Z 則：可見，UO與Ui呈線性關系。(1) 前式中（-）UZ為調零信號，改變值可實現(xiàn)正向或負向遷移。更換R103可大幅

23、度改變遷移量； 改變R104和RP1，可小范圍改變調零信號。(2) 為輸出與輸入之間的比例系數(shù)，由于UO的范圍為15VDC固定不變，所以比例系數(shù)越大，則輸入信號范圍即量程越小。改變R114可大范圍改變量程，而調整RP2，可小范圍改變量程。(3) 改變量程影響零點，調整零點同樣影響測量范圍。即調零和調量程相互有影響。llll（四）熱電偶溫度變送器量程單元l 與直流毫伏變送器的區(qū)別l 1）輸入回路中增加了冷端溫度補償電路，以便補償熱電偶冷端溫度變化對輸出熱電勢的影響。l 2）反饋回路中增加了線性化電路，以便實現(xiàn)變送器輸出信號與被測溫度成線性關系。電路原理圖lUF-R106IC1R101+Et-UT

24、C101RB1022BUz1BVZVZ1011023R104R106UfR100RP2R124R103R111RR105107UZRCu1RCu2R108RP1Uf線性化電路l 1、熱電偶冷端溫度補償電路原理l 通常使用銅電阻或PN結進行補償。本例中是采用銅電阻進行補償?shù)?。RR+ Cu1Cu 2R100R103 + RCu1 + RCu 2U= E + U ' = E +UTtZtZ+ (R+ R+ RR) / R100103Cu1Cu 2105設計時，使R105 »R100+（R103+RCu1）/RCu2，則：1RCu1RCu 2U= E + U ' = E +(

25、R)UTtZt100Z+ R+ RRR105103Cu1Cu 2冷端溫度變化時，銅電阻阻值發(fā)生變化 ，UZ將發(fā)生變化，以此來實現(xiàn)補償。熱電偶在低溫段的特性為下凹形，而后一項也呈下凹形,所以具有較好的補償效果。2、線性化原理及線性化電路熱電偶溫度變送器線性化原理lleUOEtUzeUfUfttttEtUO兩者特性相同t(UO)非線性反饋回路放大器熱電偶線性化電路lR123UfUb+UIC2aR-0UcR115RaR117R118VZ105R119VZ106R116VZ103R121VZ104Us3R120Us4Us2Us1R122UaUa5UaU4a3UaU21a0Uf1Uf2Uf3Uf4Uf4

26、Ufl 第一段,即UfUf2 ,斜率為1 ，此段要求：l UC UD+US1 ，UC < UD+US2 ，l Ua < UD+US4 。l 此時VZ103VZ106均未導通。UC < UD+US3UfUb+UIC2a-R0R115UcRaR1211 =Ua / UfR120R122Uc與Uf 關系：R122由于：DU=DUfCR+ R121122= R121 + R122即：DUDUCfR122Ub與Uf 關系：+ R122 ) / R120(R121由于：DU=DUCb+ R+ R(R) / R121122120115R115所以： DU= (1+)DUbC(R+ R) /

27、 R121= R121 + R122122120R115(1+)DUf(R+ RR) / R122121122120Ua與Uf 關系：RaDU=DUabR + R0a= R121 + R122R115(R121 + R122 )R120Ra1+DUfR + RR1220aR121 + R122 + R120( R121 + R122 + R120 )= 1+ R121+ R115RaDUfR + RRRR1221221200Raa(1+ R121 + R122 )= 1+ R121+ R115DUfR + RRRR1221221200a斜率1 ：D+ R115 (1+ R121 + R122

28、)U= 1+ R121Rag =a1DUR + RRRRf1221221200al 第二段,即Uf2 UfUf3 ,斜率為2 ，此段要求：l UD+US1 < UC UD+US2 ，UC < UD+US3l Ua < UD+US4 。此時VZ103VZ105未導通，VZ106導通。UfUb+UIC2aR-0R115UcRaR121R119R120R122D(1+ R121 + R122 )U= 1+ R121+ R115Rag =a2DUR + RRRR/ Rf1221221201190ag2> g1l 第三段,即Uf3 UfUf4 ,斜率為3 ，此段要求：l UD+U

29、S1 < UC UD+US2 ，UC < UD+US3l Ua UD+US4 。l 此時VZ104VZ105未導通，VZ103、VZ106導通。UfUb+UIC2aR-0R115UcRaR121R116R119R120g < g32R122D+ R115 (1+ R121 + R122 )U= 1+ R121Ra / R116g =a3DUR + R / RRRR/ Rf1221221201190a116l 拐點位置取決于UD和US ;l 要增加斜率時應在R120旁并入電阻支路;l 要要減小斜率時應在Ra旁并入電阻支路;l 斜率的具體值由對應并入支路的電阻值確定。（五）熱電阻

30、溫度變送器量程單元與豪伏變送器相比，增加了線性化電路和導線電阻補償電路。lUZR17R25R23R16R28-IC-ICR24Ur21R29+R19R31R18R3032r1UtR33R27CRt101ItR35R37rVZ1011042Rp2UfR34IrR36r3R26RP1Rl 1、線性化原理和線性化電路l 線性化原理：以鉑電阻為例，其特性呈上凸形（Rt t），即放大倍數(shù)逐漸減小。線性化采用在前向輸入通道中引入正反饋的方法，使其工作電流It逐漸增大， 以便使Ut與Rt呈下凹形，即放大倍數(shù)逐漸增大， 并通過參數(shù)設計，使整個輸入通道的特性為一直線特性（Ut t），即放大倍數(shù)為常數(shù)，從而實現(xiàn)線

31、性化。UtRtUtRtttRtUt線性化電路熱電阻R17R16l 線性化電路U=U+UFZO 2R+ RR+ R16171617R17= -I (R+ RU)將代入后，R16O 2tR17t19U- R16 (Rt + R19 ) IZ-U=UIC2Uo2FZtR+ RR+ R16171617+R而 UT= Ut = -It Rt19，由UT = UF得：R18R17U tIt= R16 R19 - R17 RtU ZRtItgUR 17R16 R19則：I =Z令：g =tgRt UZ1 - gRtU = -I R = -ttt1 - gRt若使gRt < 1，即R17Rt <

32、R16R19，則當Rt增大時， It也增大。Ut 的增量也隨被測溫度的升高而增大，即Ut與Rt間呈下凹函數(shù)關系。 只要選擇恰當?shù)脑?，則可使Ut與t之間呈近似線性關系。l 2、導線電阻補償電路UZR17R25R23R16R28-R24UrICIC21R29+R19R31R30R1832r1UtR33R27CRt101R35ItR37rVZ1011042Rp2UfR34IrR36r3Ut = Ut + 2 It r，使Ir = It，則Ur = 2Itr，以此抵消Ut 中的2 It r項影響。R26RP1R二、兩線制溫度變送器l 1、組成l 1）輸入回路R6R11、RCu和RP1組成的橋路C2

33、C5、R17R20組成的濾波電路VD1VD10組成的限幅電路llll 2）反饋回路R13、R14、RP2等組成l 3）放大器IC電壓放大和VT4、VT5組成的功放。l 4）穩(wěn)壓源VZ1、VT1VT3、VT6、VT7等組成。恒流源電壓調整濾波和限幅電路dI3放大器IfIoI5反饋部分度補cI4輸入橋路(R6=R7=10k)償bI1I2溫al 2、輸入/輸出關系( 1-2端接Et，3-4端短接)橋臂電流:I1 = I2 = Ib = 0.5(mA)llllllllllVZ1工作電流: I3 = 0.5(mA)IC工作電流:I4 = 0.2(mA)反饋支路電流:If = I5*R14/(R10+RP

34、2+R13+R14) = I5UT = Ib ( RCu + R11 + R9 )UF = Ib ( Rb + R12 + R10 ) + IfR10 Et= Ib ( Rb + R12 + R10 ) + I5 R10 Et其中: Rb = R8RP12/(R8+RP1)視IC為理想IC，所以 UT = UF ，則:I5 = Et /(R10) +Ib（RCu+R11+ R9 Rb - R12 - R10）/(R10) IO = I5+I1+I2+I3+I4= Et /(R10) + Ib（RCu+R11+R9 -Rb -R12 - R10)/(R10) + 1.7ll R6=R7=10k，遠大于其它電阻，為橋路平衡電阻。l R11、R12為零點遷移電阻，R11用于負遷移調整， R12 用于正遷移