控制仪表及装置 第二章 变送器和转换器

变送器 和 转换器 第二章 变送器和转换器 第一节 变送器的构成 第二节 差压变送器 第三节 温度变送器 第四节 电/气转换器

变送器的构成 构成原理 变送器的构成原理和输入输出特性 测量部分 C 放大器 K 反馈部分 F 调零、零点迁移 ymax xmax xmin Zi Zf Z0 y x y x ymax xmax xmin ymin 变送器的构成原理和输入输出特性

量程调整、零点调整和零点迁移 量程调整（即满度调整）的目的是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。 量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数。 方法：改变反馈部分反馈系数 改变测量部分转换系数

零点调整和零点迁移都是使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin= 0时，称为零点调整，在xmin≠ 0时，称为零点迁移。 零点调整使变送器测量起始点为零；零点迁移是把测量起始点由零迁移到某一数值。当测量起始点由零变为某一正值，称正迁移；而由零变为某一负值，称为负迁移。 实现方法：改变调零信号Z0

差压变送器 一、力平衡式差压变送器 （一）概述 用来将差压、流量、液位等被测参数转换为统一标准的信号，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。 一、力平衡式差压变送器 （一）概述 Fi pi 测量部分 杠杠系统 位移检测 放大器 I0 Ff 电磁反馈 机构系统 变送器构成方框图

（二）工作原理和结构 1. 工作原理 A l1/l2 tan l3 lf K2 K1 lo Kf Mi + Mo Fi F1 - Mf △Pi Fi F1 - Mf Ff Io S Fo

几点结论 (1)在满足深度负反馈的条件下,输出电流Io与输入 差压△Pi成正比。 (2)改变调零弹簧作用力Fo可调整变送器的零点。 (3)调整变送器的量程可通过改变tan和Kf来实现。 (4)零点和满度应反复调整。

2. 结构 测量部分 作用：把被测差压ΔP转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi Fi= A1P1 -A2P2 因: A1= A2= A 故: Fi= A (P1 -P2) = AΔPi

杠杆系统 作用：进行力的传递和力矩比较。 组成： 主杠杆1、矢量机构2和副杠杠4，以及调零机构、零点迁移机构、静压调整和过载保护、平衡锤。

——将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1 ： ① 主杠杆 ——将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1 ：

——将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2 ： ② 矢量机构 ——将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2 ： 改变tan，可改变差压变送器的量程 ：4－15，量程比为tan15/tan4=3.83

③ 副杠杆 ——进行力矩的比较

④ 调零和零点迁移机构

⑤ 静压调整和过载保护装置、平衡锤

平衡带拉条

电磁反馈装置 Ff =πBDcWI0 设 Kf =πBDcW 则 Ff = KfI0 改变反馈动圈的匝数，可以改变 Kf 的大小 作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff Ff =πBDcWI0 设 Kf =πBDcW 则 Ff = KfI0 改变反馈动圈的匝数，可以改变 Kf 的大小

可实现3:1的量程调整 W1=725匝，W2=1450匝 1-3短接、2-4短接： W = W1=725匝 1-2短接：

（三）低频位移检测放大器 作用：把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S转换成4~20mA的直流输出电流。 由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率放大器组成。 构成方框图

1.差动变压器 D 上罐形磁芯 下罐形磁芯 A C 检测片 差动变压器的结构 S  差动变压器原理图 B

2.低频振荡器 D1、D2 可以提供偏置电压，使三极管BG1正常工作。 两个二极管D1、D2就相当于一个稳压管。 R2起负反馈作用, 从而稳定了BG1的工作点。 振荡器电路

低频振荡器的起振条件 相位条件 － s < /2 时， uCD 与 uAB 相位相同，则电路就形成正反馈。 振幅条件－ K F = 1, 选择合适的电路参数，可满足这一条件。 振荡频率： 1 f0 = 2  LABC4

振荡器的放大特性和反馈特性 工作中，F随S的变化而变化。 S较大时，F较小；（磁阻较大） S较小时，F较大。（磁阻较小） 幅值可控 工作点 工作中，F随S的变化而变化。 S较大时，F较小；（磁阻较大） S较小时，F较大。（磁阻较小） 即： S  F  P点上移  uAB 

3.整流滤波电路 震荡器的输出电压uAB经二极管D4整流，通过电阻R8-9和电容C5滤波，得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。

4.功率放大器 稳定工作点 提高输入阻抗 采用复合管，目的一是提高电流放大倍数；二是电平配置 穿透电流旁路，改善温度特性

其他元件作用 位移检测放大器总图及本安防爆措施见下： R1、C1：相位校正作用，对高次谐波造成相移，破坏其振荡条件，防止高次谐波产生寄生振荡。 R10：改变放大器灵敏度。高量程时，通过端子7、8将其接入，以降低灵敏度。 R7：稳定振荡管输入电压。 C3、C6：高频旁路电容，可减小交流分量。 D9：防止电源反接。 位移检测放大器总图及本安防爆措施见下：

限能 限流 负载 两线制

二、电容式差压变送器 （一）概述 感压膜片 差动电容 电容-电流转换电路 放大和输出限制电路 反馈电路 调零、迁移信号 变送器构成方框图 ＋ － 反馈 信号 变送器构成方框图 检测元件－差动电容 构成原理－位移平衡式

（二）测量部件 作用： 测量部件结构

结论： (1) 相对变化值 与被测差压 成线性关系。 (2) 与介电常数 无关 ,可大大减小温度对变送器的影响。 (3) 与 有关。 愈小，灵敏度越高。

电路包括电容－电流转换电路及放大电路两部分 （三）转换放大电路 作用： 将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输出信号。 此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。 电路包括电容－电流转换电路及放大电路两部分

转换放大部分电路原理方框图 振荡器 解调器 稳压源 调零及 零点迁移 功放和 输出限制 量程调整（负反馈） 基准 电压 IC1 IC3 功放和 输出限制 量程调整（负反馈） 基准 电压 IC1 IC3 ＋ － E 12～45V Ci1 Ci2 RL I 0 4～20mA 共模信号 差动信号 振荡控制放大器 前置放大器

振荡器 包括VT1、T1等，向Ci1和Ci2提供高频电源 1.电容－电流转换电路 将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号 (电流变化值)。 振荡器 包括VT1、T1等，向Ci1和Ci2提供高频电源 是一种变压器反馈型振荡电路，其振荡频率由检测电容和变压器次级绕组的电感决定。 振荡器的输出幅值由控制放大器 IC1 的输出电压决定。

解调和振荡控制电路 (包括解调器和振荡控制电路) 解调(即相敏整流)后输出两组电流信号 ：差动信号和共模信号，使后者保持不变，可得 Ci2-Ci1 Ci2-Ci1 Ii = I2 - I1 = ( I2+ I1) = K3 Ci2+Ci1 Ci2+Ci1

线性调整电路(包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等) 检测元件中分布电容的存在，使差动电容的相对变化值减小，造成非线性误差，故设计了线形调整电路。 电路通过提高振荡器输出电压幅度以增大解调器输出电流的方法，来补偿分布电容所产生的非线性误差。 补偿电压大小取决于RP1的阻值。

2.放大及输出限制电路 将电流信号 Ii 放大，并输出4 ~ 20mA的直流电流。

放大电路(包括IC3、VT3、 VT4等) IC3起前置放大作用， VT3、 VT4组成复合管，将IC3的输出电压变换为变送器的输出电流。 电阻R31、 R33、 R34和电位器Rp3组成反馈网络，输出电流Io经这一网络分流，得到反馈电流If，送至放大器的输入端，这深度负反馈保证了Ii 和 Io的线性关系。 电位器Rp2用以调整输出零位。S为正负迁移调整开关，可实现变送器的正向或负向迁移。电位器Rp3用以调整变送器的量程。 对电路的分析，可推得如下的输入、输出关系式：

Ci2-Ci1 Io = K3K4 + K4K5 ( UA- aUVZ1) Ci2+Ci1 Ri 1 式中： K4 = ，K5 = Rf Ri 调零和调量程电路

输出限制电路(包括VT2、 R18等) 其它元件的作用 当输出电流超过允许值时，R18上压降变大，使VT2的集电极电位降低，从而使该管处于饱和状态，流过VT2(也即VT4)的电流受到限制(Io不超过30mA)。 其它元件的作用 R38、R39、C22和RP4构成阻尼电路，抑制变送器的输出波动，RP4用来调整阻尼时间。 VD12在指示仪表未接同时，为输出电流提供通路, 同时起反向保护作用。 VZ2起稳压作用，还可防止电源反接时损坏器件。

温度变送器 将来自热电偶或热电阻的温度信号转换为统一标准的信号(420mA直流电流或15V直流电压)，以实现对温度的显示、记录或自动控制。 变送器有两线制和四线制之分，主要讨论四线制变送器。有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热电阻温度变送器。 四线制温度变送器的特点： 在热电偶和热电阻温度变送器中，采用了线性化电路，实现了变送器输出信号与温度的线性关系。 变送器输入、输出之间具有隔离变压器，并且采取了本安防爆措施。

（一）概述 在线路结构上分为量程单元和放大单元，放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。 Io Ui、Et Uo 直流-交流 变换器 输入回路 整流滤波 Io + U’Z  电压放大 功率放大 隔离输出 Ui、Et - U’f Uo 反馈回路 量程单元 放大单元 温度变送器结构方框图

（二）放大单元工作原理 1. 电压放大电路 其作用是将量程单元输出的毫伏信号放大，输出直流电流Io 和直流电压Uo信号。 由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的运算放大器。 当温度变送器的最小量程Ui 为3mV，温升t为30oC，要求附加误差小于等于0.3%时，通过计算可得失调电压的温漂系数：

2. 功率放大电路 由VT1、VT2、T0等组成。其作用是把 IC1 输出的电压信号转换成电流信号，再通过隔离变压器实现隔离输出。 在方波的前后半周期，二极管轮流导通，电流通过T0的两个绕组而产生交变磁通，在T0副边产生交变电流iL 。

3. 隔离输出电路 由整流二极管VD13~16、保护二极管VD17~18等组成。其作用是将功放输出的交流信号转换成直流信号, 并实现隔离输出。 7、8端接输出负载，为电流输出（4-20mA） 5、6端为电压输出（1-5v）

4. 直流-交流-直流(DC/AC/DC)变换器 由整流二极管VD3~8、变压器T 1等组成。其作用是对仪表进行隔离式供电。 先把24V直流电压转换成一定频率的的交流方波电压，再经过整流、滤波和稳压，提供直流电压。 电路核心是直流-交流(DC/AC)变换器，一个磁耦合多谐振荡器。 振荡频率 4WcBmS 可求得感应电势： ES = (T为周期, S为磁 芯截面积，Bm为磁感应强度) T T 因此振荡频率为： f = 4WcBmS

（三）直流毫伏变送器量程单元 量程单元由输入回路(左半部分)和反馈回路(右半部分)组成，将其与IC1 联系起来画成下图。 R109 R110 上 K 下

输入回路: R101、R102及VZ101、VZ102分别起限流和限压作用，将其与IC1 联系起来画成下图。 R103、R104 、R105及RP1组成零点调整和零点迁移电路，桥路基准电压UZ由集成稳压器提供。 图中红笔部分为输入信号断路报警电路。 按叠加原理，IC1同相输入端的电压UT为(见教材) Rcd + R103 UT = Ui + Uz’ = Ui + Uz R103 + RP1//R104 + R105 Rcd + R103  Ui + Uz = Ui +  Uz R105 RP11 R104 ( 式中 Rcd = ) RP1+ R104

(1)改变值, 即更换R103和调整RP1,可实现零迁和调零。 从反馈回路可得IC1反相输入端的电压UF为 R106 + R111 + RP21 R115 U0 R106 UF = + Uz R111 + R114 R115 + R116 5 R107 1 = U0 +  Uz  因 UT  UF 故 U0 =  [Ui + ( - ) Uz ] 结论： (1)改变值, 即更换R103和调整RP1,可实现零迁和调零。 (2)改变值, 即更换R114和调整RP2, 可实现量程调整。 (3)零位和满度必须反复调整。

（四）热电偶温度变送器量程单元 Et Vs4 Vs2 Vs3 Vs1

(R100 + )Uz 1. 冷端温度补偿 按叠加原理，可求得IC1同相端的电压UT为(见教材) 1 RCu1 RCu2 UT = Ei + 采用两个铜电阻，固定为50。当热电偶型号不同时，只需调整几个锰铜电阻或金属膜电阻。 按叠加原理，可求得IC1同相端的电压UT为(见教材) 1 RCu1 RCu2 (R100 + )Uz UT = Ei + R105 R103 + RCu1+ RCu2 从上式可知，冷端环境温度变化时，RCu1、RCu2的阻值也随之变化，从而补偿了由于环境温度升降引起的热电偶电势的变化。而且，补偿特性与热电偶的特性相似，故补偿精度高。

2. 线性化 采取在反馈回路中置入与热电偶特性相一致的非线性电路的方法，如下图所示。 热电偶 放大部分 非线性 反馈回路 Et Vz’ + - t Vo  (Vo) Vf’ 热电偶温度变送器线性化原理方框图

用四段折线来模拟非线性运算电路，如下图。折线的段数及斜率大小由热电偶的特性来确定。  表示直线的斜率。 Va4 Vf5 Vf4 Vf3 Vf2 Vf1 Va3 Va2 Va1 Va5 Vf Va 1 4 3 2

非线性电路的实现 在IC2的反馈回路中加入一些稳压管和基准电压，利用稳压管的击穿特性实现折线电路。 Vs4 Vs3 Vs2 Vs1

（五）热电偶温度变送器量程单元 Ir

1. 线性化 线行化电路置于输入回路，采用正反馈的方法来达到线性化的目的，如下图所示。 当Rt随温度而增加时， It将增大。而从上式可知，Rt的增加导致It的进一步加大，从而实现线性化。

2. 引线电阻补偿 为消除引线电阻的影响， 热电阻采用三导线接法，要求r1 = r2 = r3 = r 。由R23、R24、r2构成的支路为引线电阻补偿电路。 Ir 调整R24,使Ir =It,流过r3的两电流大小相等, 方向相反，故r3上不产生压降。另电阻 r1 、r2 上的压降Itr和Irr亦极性相反，从而消除了引线电阻影响。 Ir

电/气转换器 一、概述 二、气动仪表的基本元件 （一）气阻 将电动仪表输出的420mA直流电流转换成可被气动仪表接受的 20100kPa 标准气压信号，以实现电动、气动仪表的联用。 二、气动仪表的基本元件 （一）气阻 气阻与电阻相似，它可以改变气路中的气体流量。流过气阻的流体为层流状态时，气阻呈现为线性；而流体为紊流状态时，气阻呈现非线性。 有恒气阻(毛细管、小孔等)与可调气阻(变气阻)。

（二）气容 （三）弹性元件 气容与电容相似，它是具有一定容积的气室，是储能元件；有固定气容与弹性气容两种。 固定气室的气容量为恒值。 弹性气容在工作过程中容积发生变化，气容量也随之改变。 （三）弹性元件 用来产生力、储存机械能、缓冲振动，把力、差压等物理量转换为位移。 弹性元件有不同形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片等。

（四）喷嘴挡板机构 把微小的位移转换成相应的压力信号，由恒节流孔与喷嘴挡板(变节流孔)组成。 喷嘴挡板构成一个变气阻，气阻值决定于喷嘴挡板间的间隙，气源压力pS经恒节流孔进入节流气室，由喷嘴挡板的间隙排出， 改变时，喷嘴背压 pB 也改变。见下图。

（五）功率放大器 将喷嘴挡板的输出压力和流量放大，由壳体、膜片、锥阀、球阀、簧片、恒气阻等组成。 当输入信号 (喷嘴背压) pB增大时，金属膜片受力而产生向下的推力，使球阀开大，锥阀关小，输出压力随之增加。

三、电/气转换器 由电流-位移转换部分(动圈、磁钢、杠杆等)，位移-气压转换部分(喷嘴挡板、杠杆系统等)，气动功率放大器和反馈部件(正、负反馈波纹管)组成。 输入电流进入动圈产生电磁力，带动杠杆转动，使挡板靠近喷嘴，背压升高，经功放后输出压力，再通过波纹管产生负反馈力，达到平衡。