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

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
第二章变送器和转换器变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位)和电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号。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\气转换器上一页目录下一页

第一节变送器的构成一、构成原理二、量程调整、零点调整和零点迁移一、构成原理
第一节变送器的构成一、构成原理二、量程调整、零点调整和零点迁移一、构成原理变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图所示，它包括测量部分（既输入转换部分）、放大器和反馈部分。上一页目录下一页

二、量程调整、零点调整和零点迁移变送器涉及的另一个问题是量程、零点调整和零点漂移。 1、量程调整
其目的是使变送器输出信号的上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。相当于改变输入输出特性的斜率，也就是改变y与x的比例系数。量程调整通常是通过改变反馈系数F的大小来实现的。F大，量程就大。F小，量程就小。也有些变送器还可以通过改变转换系数c来调整量程。上一页目录下一页

2、零点调整和零点迁移使变送器的输出信号下限值ymiin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。由上图可知，零点迁移后变送器的输出特性沿x坐标向右或左平移，其斜率没有变，即变送器量程不变。进行零点迁移，在辅以量程调整，可提高仪表的测量灵敏度。上一页目录下一页

第二节差压变送器一、力平衡式差压变送器二、电容式差压变送器三、扩散硅式差压变送器
第二节差压变送器差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺量转换成统一的标准信号，作为只是记录仪、调节器或计算机装置的输入信号，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。本节着重讨论普遍使用的力平衡式差压变送器和电容式差压变送器。一、力平衡式差压变送器二、电容式差压变送器三、扩散硅式差压变送器上一页目录下一页

一、力平衡式差压变送器（一）、概述（二）、工作原理和结构（三）、低频位移检测放大器
力平衡式差压变送器包括测量部分、杠杆部分、位移检测放大器及电磁反馈机构。其构成方框图如下：上一页目录下一页

工作原理：是按力矩平衡原理工作的。测量部分是将被测差压⊿Pi转换成相应的输入力Fi，该力与电磁反馈机构输出的作用力Ff一起作用于杠杆系统，使杠杆系统产生微小的偏移，在经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。由于采用了深度负反馈，因而测量精度较高，而且保证了被测差压⊿Pi和输出电流Io之间的线性关系。上一页目录下一页

（二）工作原理和结构 1、工作原理：根据图叙述其工作原理：上一页目录下一页
被测差压信号P1、P2分别引入元件3的两侧，则ΔPi转换为Fi，该力作用于主杠杆的下端，使主杠杆以轴封膜片4为支点偏转，F1沿水平推动8。F1分解F2和F3，F2带动14以M为支点逆时针偏转，此时12靠近差动变压器，使两者间气隙减小。检测片的位移变化量通过15转换为4~20mA的Io，作为输出。 Io又流过16，产生Ff使副杠杆顺时针偏转，当Ff和Fi力矩平衡时，变送器状态稳定。上一页目录下一页

由上述工作原理可画出其传输方框图：上一页目录下一页 A--膜片有效面积 L1、L2—Fi、F1到主杠杆支点H的力臂
L3、Lo、Lf—F2、Fo、Ff到副杠杆支点M的力臂 L4—检测片12到副杠杆支点M的距离 tgθ—矢量机构的力传递系数， θ为矢量角 K1—副杠杆力矩-位移转换系数 Kf—电磁反馈机构的电磁结构常数 K2—低频位移检测放大器位移-电流转换系数上一页目录下一页

在差压变送器的放大系数（K1K2）和反馈系数（LfKf）的乘积足够大时，当变送器处于稳定时，将满足力矩平衡关系：
∵Mi+Mo=Mf ∴Io=Kp⊿Pi+LoFo/LfKf 上一页目录下一页

2.结构：（具体各部结构及作用） ①检测部分: ΔP →输入力Fi ，组成：由高低压式膜盒、轴封膜片
双膜片结构可减小温度的影响（双膜片受温度变化抵消）。膜盒内有充有硅油。工作过程： ΔP作用膜盒上时，膜片2和硬心同时向右移动，迫使盒内硅油通过孔向右流动，并在连接片6上产生集中力Fi 当ΔPi逐渐加大，超过额定差压时，膜片与机座接触，起到单向过载保护作用。 ②杠杆系统：是变送器中机械传动和力矩平衡部分作用：使F1产生力矩与电磁反馈力Ff产生的力矩进行比较，再转化为检测片的位移。现分析其主要机构：上一页目录下一页

调零：由调零弹簧来调整。迁移弹簧对杠杆施加一个迁移力F’o 设F’o到主杠杆支点的距离为L’o,则有：
ⅰ、调零和零点迁移机构：零点迁移：调节迁移弹簧来实现。调零：由调零弹簧来调整。迁移弹簧对杠杆施加一个迁移力F’o 设F’o到主杠杆支点的距离为L’o,则有：上一页目录下一页

产生原因：①膜盒两侧的膜片有效面积不等。 ②主杠杆、拉条等装配不正，会使主杠杆产生一个附加力矩。消除方法：在主杠杆上安装一个静压调整装置。
ⅱ、静压调整和过载保护装置：产生原因：①膜盒两侧的膜片有效面积不等。 ②主杠杆、拉条等装配不正，会使主杠杆产生一个附加力矩。消除方法：在主杠杆上安装一个静压调整装置。 ⅲ、平衡锤：在副杠杆重心与支点M重合，从而提高了仪表的耐冲击，耐振动性能，而且仪表不垂直安装时也不影响精度。 ⅳ、矢量机构：组成：由矢量板、推板组成。改变θ可改变差压变送器的量程。当仅用矢量机构调整量程时的量程比为：上一页目录下一页

3.电磁反馈机构作用是将输出电流Io转换成电磁反馈力Ff，此力作用于副杠杆，产生反馈力矩Mf，以便和测量部分产生的输入力矩Mi相平衡。
Ff=Kf Io Kf是电磁结构常数，其值为：上一页目录下一页

1、差动变压器 2、低频振荡器 3、安全火花防爆（三）、低频位移检测放大器作用：是将副杠杆上检测片的微小位移s转换成直流输出电流Io
其原理线路图2-12如下页：其组成有：差动变压器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器。 1、差动变压器 2、低频振荡器 3、安全火花防爆上一页目录下一页

1、差动变压器差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯和四组线圈构成。如图2-13所示，其作用是将检测片的位移s转换成相应的电压信号uCD 上一页目录下一页

讨论： ①当s=δ/2 时 ∴ e’2=e’’2 ∴UCD=ⅼe’2ⅼ- ⅼe’’2ⅼ=0 差动变压器变压器输出
此时UCD与UAB同相 ③当s>δ/2 时，因差动变压器，上半部磁路磁阻增大互感减小 ∴ ⅼe’2ⅼ<ⅼe’’2ⅼ ∴ UCD=ⅼe’2ⅼ- ⅼe’’2ⅼ<0 此时UCD与UAB反相。上一页目录下一页

2、低频振荡器低频放大器由振荡器、整流滤波、及功率放大器三部分组成。 ①、振荡器
线路图如右图：由LAB、C4构成的并联振荡回路的固有频率也就是低频振荡器的振荡频率。上一页目录下一页

检测片位移S与振荡器输出电压UAB之间的关系：
振荡的振幅条件：即KF=1 检测片位移S与振荡器输出电压UAB之间的关系：如下图，说明振荡器的放大特性是非线形的，而反馈特性在铁芯未饱和的情况下是线形的。两条线的交点p即为稳定后的工作点，p点对应的u’AB就是振荡器的输出电压。上一页目录下一页

振荡器的输出电压UAB经二极管VD4整流以及通过电阻R8、R9和电容C5滤波得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。
②、整流滤波振荡器的输出电压UAB经二极管VD4整流以及通过电阻R8、R9和电容C5滤波得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。整流滤波电路并联在LAB、C4回路的两端，因此它的总阻抗不能太小，否则将要影响振荡器的工作。上一页目录下一页

③、功率放大器功率放大器由晶体管VT2、VT3和电阻R3、R4、R5组成，如2-18所示。放大器采用PNP-NPN互补型复合管，其目的一是提高电流大系数；二是电平配置，使VT2的基级电平与前级输出信号的电平相匹配。 R3为稳定工作的反馈电阻，同时提高功放级的输入阻抗，有利于滤波器输出电压的稳定。R5为VT2、VT3集电极与发射级之间的穿透电流提供旁路，用以改善放大器的温度性能，提高了电路的稳定性。上一页目录下一页

3、安全火花防爆安全火花防爆原则： ①、电子线路设计上。 ②、安装使用上（不让火花窜入现场）隔离。
尽可能减小贮能元件（L、C）并使现有贮能元件在故障情况下释放的能量（电流、电压）限制在安全额定以下。上一页目录下一页

二、电容式差压变送器电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器。它采用差动电容作为检测元件，整个变送器无机械传动、调整装置，并且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构。（一）、概述（二）、测量部件（三）、转换放大器上一页目录下一页

（一）、概述变送器包括测量部分和转换放大电路两部分。其结构图如下。
此电容变化量由电容-电流转换电路转换成直流信号，电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较，其差值送入放大电路，经放大得到整机的输出电流Io。上一页目录下一页

（二）、测量部件测量部件的作用是把被测差压ΔP i转换成电容量的变化。它由正、负压测量室和差动电容检测元件（膜盒）等部分组成。
其结构图如下：若不考虑边缘电场的影响，感压膜片和两边固定电极构成的电容Ci1、Ci2为：上一页目录下一页

作用：是将上述差动电容的相对变化值转换成标准的电流输出信号。此外还要完成零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。其结构原理图如下：
（三）、转换放大器作用：是将上述差动电容的相对变化值转换成标准的电流输出信号。此外还要完成零点调整、正负迁移、量程调整、阻尼调整等功能。其结构原理图如下：它是由电容-电流转换电路和放大电路组成。上一页目录下一页

作用：将差动电容的相对变化值成比例的转化成差动电流信号。 ①、振荡器作用是用来向差动电容Ci1、Ci2提供高频电流。其线路图如2-23
1.电容-电流转换电路作用：将差动电容的相对变化值成比例的转化成差动电流信号。 ①、振荡器作用是用来向差动电容Ci1、Ci2提供高频电流。其线路图如2-23 由图知这是一种变压器反馈型振荡电路，只要适当的选择电路元件的变量，便可满足振荡条件。供电：由IC1输出电压Uo1供电， IC1可控制振荡器输出幅度。频率：即为L、C构成的并联谐振电路。上一页目录下一页

由于差动电容检测元件中分布电容的存在，将造成非线形误差。
③、线性调整电路由于差动电容检测元件中分布电容的存在，将造成非线形误差。分布电容使差动电容变化量减小而使Ii减小，为使Ii增大而设计了此电路。上一页目录下一页

2.放大及输出限制电路作用：是将电流信号Ii放大，并输出4~20mA的直流电流。 ①、放大电路 ②、输出限制电路由VT2、R18组成
作用：防止输出电流过大，损坏器件。Io<30mA 上一页目录下一页

三、扩散硅式差压变送器是一种无杠杆的变送器，采用硅杯压阻传感器作为敏感元件。
特点：体积小、重量轻、结构简单、稳定性好、精度也高。变送器包括测量元件和放大线路两部分。硅杯（敏感元件、弹性元件、检测元件）由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成。测量原理：当硅杯受压时，压阻效应使其上的扩散电阻发生变化。从而使由这些电阻组成的电桥产生不平衡电压。变送器原理图如2-30 1、硅杯不受压时， (ΔPi =0) Rs1=Rs2=Rs3=Rs4 上一页目录下一页

2.硅杯受压时， (ΔPi ≠0) Rs1、Rs3 ↑ Rs2、Rs4 ↓
3.负反馈由图知：VT的发射极电流来自电桥的一个臂，当ΔPi ↑ Io↑Rf上的压降使B点电位降低，所以对IC的输入端而言，是负反馈作用。这样就保证了变送器电路具有比例变换关系。上一页目录下一页

压力变送器实例介绍图1这种压力变送器主要利用液体或气体在检测器件上形成的压力来检测液体或者气体的流量或压强。把这种压力信号转变成标准的0-10V或者4-20mA电信号。以便控制使用。图2中所示的元件就是各种压力传感器的核心部件，压力和电信号的转化主要由它们完成。这种元件主要由压力检测体和放大电路组成。图2 压力变送器部件图1 压力变送器上一页目录下一页

第三节温度变送器一、四线制温度变送器二、两线制温度变送器
第三节　温度变送器温度变送器与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统一信号；还可以作为直流毫伏变送器使用，用以将其它能够转换成直流毫伏信号的工艺变量转换成为标准的统一信号。其可分为：一、四线制温度变送器二、两线制温度变送器上一页目录下一页

一、四线制温度变送器 1. 四线制温度变送器有如下特点：（1）、主放大器为低漂移、高增益的运算放大器，使仪表具有良好的可靠性和稳定性。
1. 四线制温度变送器有如下特点：（1）、主放大器为低漂移、高增益的运算放大器，使仪表具有良好的可靠性和稳定性。（2）、在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线形关系，便于指示和记录。（3）、变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，采用了安全隔离变压器，并采用了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。上一页目录下一页

其结构图如2-31，整机线路图如下页图2-44 两部分分别设置在两块印刷线路板上，用插接件相互连接，其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。上一页目录下一页

图2-44 直流毫伏变送器电路图上一页目录下一页

2.放大单元工作原理由集成运算放大器、功率放大器、直流-交流-直流转换器、隔离部分组成。 ①、电压放大电路由集成运算放大器IC1组成。
设变送器的环境温度为Δt ，失调电压温漂系数上一页目录下一页

作用：将运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号，同时，通过隔离变压器实现隔离输出。
②、功率放大电路作用：将运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号，同时，通过隔离变压器实现隔离输出。采用了复合管是为了提高输入阻抗，减小线形集成电路功耗。引入射极电阻一方面为了稳定功率放大器的工作状态另一方面为了从R4两端取出反馈电压Vf 上一页目录下一页

为了避免输出、输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间采用隔离变压器To来传递信号。 To-实为电流互感器，交流比为1：1
③、隔离输出为了避免输出、输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间采用隔离变压器To来传递信号。 To-实为电流互感器，交流比为1：1 所以输出电流iL等于功放电路复合管集电极电流。上一页目录下一页

④、直流-交流-直流转换器用来对仪表进行隔离式供电。是DDZ-Ⅲ 仪表的通用部分。
其工作过程为：先把电源供给的24V直流电压转换成一定频率的交流方波电压，再经过整流、滤波、稳压提供给直流电压。上一页目录下一页

3.支流毫伏变送器量程单元上一页目录下一页

4.热电偶温度变送器量程单元上一页目录下一页输入信号断路报警电路的作用与直流毫伏变送器的作用相同。区别在于：
I、在热电偶温度变送器的输入回路中增加了热电偶冷端温度补偿电路。 II、在反馈回路中增加了线形化电路。上一页目录下一页

表明：I、冷端温度变化时，引起热电偶热电势的变化。
①、热电偶冷端温度补偿电路表明：I、冷端温度变化时，引起热电偶热电势的变化。 II、当 ↑时，补偿电势V’z↑↑，即V’z-t是上凹形曲线，而Et-t也为下凹形曲线。二者综合即为线性特性。上一页目录下一页

线性化电路可使热电偶温度变送器的输出信号与被测信号成线性关系。 I、线性化原理
②线性化原理及电路分析线性化电路可使热电偶温度变送器的输出信号与被测信号成线性关系。 I、线性化原理由图可知： ε=Et+U’z-U’f 如果U’f –t为非线性，并于Et –t非线性相对应，则ε-t为线性。上一页目录下一页

II、线性化电路即非线性运算电路实为一个折线电路，是用折线来近似表示的。折线的段数及斜率大小由热电偶的特性来确定。一般用4-6段表
示时，误差小于0.2%。要采用图2-38的特性曲线，可采用2-39的电路结构。 VZ103-Vd106稳压管稳压值为VD,其特性在击穿之前电阻极大，相当于开路，而当击穿后，动态电阻极小，相当于短路。上一页目录下一页

如要求后一段直线斜率小于前一段则可在Ra上并联一电阻。此时输出Ua减小。
该线路决定了第一段直线的斜率γ1，当要求后一段的直线斜率大于前一段时，如图2-38 γ2>γ1可在R120上并联一个电阻，如R119此时负反馈减小，输出Ua增加。如要求后一段直线斜率小于前一段则可在Ra上并联一电阻。此时输出Ua减小。上一页目录下一页

5.热电阻温度变送器量程单元与上述两种变送器的区别：线性化电路，置于输入回路中；热电阻引线补偿电路。上一页目录下一页

热电阻线性化电路原理如图：现把IC2看成是理想运算放大器， UT=UF可得：

II、引线电阻补偿电路为消除引线电路的影响，热电阻采用三线接法。由R23、R24、γ2构成的支路为引线电阻补偿电路。
若不考虑此电路,则：U’t=Ut+2Itγ 若存在引线补偿电路，有电流Iγ流过γ2、γ3，调整R24使Iγ= It 则流过γ3的电流大小相等，方向相反。所以γ3上不产生压降。因为设计时， R29= R30+R31，所以由γ1、γ2产生的压降引到反相端时，互相抵消。故三线制接法可消除引线电阻对测量的影响。上一页目录下一页

6.安全火花型防爆措施（1）、输入、输出及电源回路之间通过变压器To和T1而相互隔离，在变压器中设有“防止短接板”。
（2）、在输入端设有限压元件、限流元件，以防高电能传递到现场。（3）、在输入端及电源端装有大功率二极管及熔断丝。上一页目录下一页

二、两线制温度变送器 1.输入回路上一页目录下一页
包括电阻R6-R11、Rcu、电位器Rp1等组成的桥路、电容C2-C5电阻R17-R20等组成的滤波电路及由二极管组成的限幅电路。1、2端连接测温元件热电偶，3、4短接，桥路输出不平衡电压与热电偶的热电势相叠加，送至放大器的输入端。铜电阻Rcu起冷端温度补偿作用，Rp1用来调节零点。上一页目录下一页

2.反馈回路反馈回路由电阻R13、R14电位器Rp2等组成。反馈电流If由晶体管VT5输出，通过R13 Rp2在R10上的压降即为反馈电压，调节Rp2改变反馈量，即可调节量程。 3.放大器电压放大器采用低漂移、高增益、高输入阻抗、低噪声的集成运算放大器。 4.稳压源由于采用两线制方式，当输出电流及负载阻值变化时，仪表工作电压也随之变化，因此在线路中附加稳压环节。上一页目录下一页

第四节、电/气转换器一、概述二、气动仪表的基本元件三、电/气转换器工作原理上一页目录下一页

一、概述电/气转换器是将电动仪表输出的4~20mA直流电流信号转换成可被气动仪表接受的20~100KPa标准气压信号，以实现电动仪表和气动仪表的联用，构成混合控制系统，发挥电、气仪表各自的优点。主要性能指标：（1）输入信号：4~20mA(DC) （2）输出信号：0.02~0.1MPa （3）变差： ±0.5% （4）基本误差：±0.5% （5）灵敏度：0.05% （6）防爆等级：安全隔爆复合型、安全火花型上一页目录下一页

二、气动仪表的基本元件气动仪表由气阻、气容、弹性元件、喷嘴-挡板机构和功率放大器等基本元件。 1、气阻在流体呈层流状态时，可表示为：
2、气容包括固体气容和弹性气容 V:气室体积 R：气体常数 T：气体绝对温度上一页目录下一页

为适应不同的工作目的，可作成各种不同结构和形状。他包括各种不同形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片。
3.弹性元件为适应不同的工作目的，可作成各种不同结构和形状。他包括各种不同形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片。弹性元件的指标：I、弹性特性。II、刚度与灵敏度。III、滞后与滞后量。上一页目录下一页

作用：将微小的位移转换成相应的压力信号。
4、喷嘴挡板机构作用：将微小的位移转换成相应的压力信号。 5、功率放大器它是将喷嘴挡板的输出压力和流量都放大。目前采用耗气式放大器，它由壳体、膜片、锥阀、球阀、簧片、恒气阻等组成。上一页目录下一页

三、电/气转换器工作原理是基于力矩平衡原理工作的。其结构是多样的，现以具有正负两个反馈波纹管的电/气转换器为例讨论其工作原理。转换器是由电流-位移转换部分，位移-气压转换部分、气动功率放大部分和反馈部分组成。工作原理：当电流Ii进入动圈后，产生的磁通与永久磁钢相互作用，产生的磁力带动3饶5转动，挡板8靠近喷嘴9，使其背压升高，功率放大后输出Po，Po送至6所产生向上的负反馈力，Po同时送至正反馈波纹管产生向上的正反馈力，以抵消一部分负反馈的影响。因而不需要太大的力就可以达到平衡。上一页目录下一页

图2-53为杠杆的受力图得（1）、输入电流与输出压力p。成比例关系，改变Lf1Lf2可调节转换器量程，改变Fo 的零点。（２）、当（A1Lf1-A2Lf2)取较小时，便能减小KiLi，从而可缩小转换器的体积。（３）、波纹管面积随温度变化对输出的影响可以相互抵消，即起到温度补偿作用。上一页目录下一页

智能式温度变送器实例 ——TT302温度变送器特点：量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、重量轻以及安装维护方便上一页
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