第二章变送器与转换器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,控制仪表及装置,第二章 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,和,转换器,变送器是单元组合仪表中不可缺少的单元，其作用是将检测元件的输出信号转换成统一标准信号，送到显示仪表或控制装置进行显示、记录或控制,由于变量种类多，因此，变送器的类型也较多,温度变送器,压力变送器,液位变送器,流量变送器,按工作能源可分为：,电动变送器,气动变送器,生产过程最常用的变送器是,温度变送器,差压变送器,有些变送器测量与变送单元做在一起，如差压变送器，有些变送器则只有变送功能，如温度变送器,变送器,(,TRANSMITTER,),的构成,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。,测量部分,C,放大器,K,反馈部分,F,调零、零点迁移,Z,i,Z,f,Z,0,y,x,y,x,y,max,x,max,x,min,y,min,0,变送器的构成原理和输入输出特性,差压（压力）变送器,量程调整、零点调整和零点迁移,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。,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,y,max,与测量范围的上限值,x,max,相对应。,方法,：,改变反馈部分反馈系数,改变测量部分转换系数,应用分析,正迁移情况,负迁移情况,正迁移量：,负迁移量：,差压变送器,(,Differential pressure transmitter),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,测量部分,杠杠系统,位移检测,放大器,电磁反馈,机构系统,p,i,F,i,F,f,I,0,变送器构成方框图,（二）工作原理和结构,被测差压信号,P1、P2,分别引入元件3的两侧，则,P,i,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,F,f,使副杠杆顺时针偏转，当,F,f,和,Fi,力矩平衡时，变送器状态稳定。,1,、,工作原理,：,A,l,1/,l,2,tan,l,3,M,i,l,f,K,2,K,1,l,o,K,f,+,M,o,P,i,F,i,F,1,-,M,f,F,f,I,o,S,F,o,A,-,膜片有效面积,L1、L2Fi、F1,到主杠杆支点,H,的力臂,L3、Lo、LfF2、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,tg,矢量机构的力传递系数，,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,由上述工作原理可画出其传输方框图：,测量部分将被测差压转换成相应的作用力，该力与反馈机构输出的作用力一起作用于杠杠，引起杠杠发生微小偏移，再经过位移检测放大器转换成统一的电流（或气压）输出。,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,。,几点结论,(,1,),在满足深度负反馈的条件下,输出电流,I,o,与,输入 差压,P,i,成正比。,(,2,),改变调零弹簧作用力,F,o,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,K,f,来实现。,(,4,),零点和满度应反复调整。,作用：把被测差压,P,转换成作用于主杠杆下端的输入力,F,i,A,1,=A,2,=A,F,i,=A,(P,1,-P,2,)=AP,i,F,i,=A,1,P,1,-A,2,P,2,因,:,故,:,2.,结构,测量部分,测量部分,分析,(,一）,检测,部分:,P,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,。,（,为一种无色透明液体。它具有优异的电绝缘性和耐高低温性。闪点高、凝固点低，可在,50+200,下长期使用，粘温系数小、压缩率大，表面张力低，憎水防潮性好，比热和导热系数小，生理惰性好。）,测量部分,分析（二）,工作过程,：,P,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,F,i,当,P,i,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。,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。,主杠杆,将输入力,F,i,转换为作用于矢量机构上的力,F,1,：,矢量机构,将输入力,F,1,转换为作用于副杠杆上的力,F,2,：,改变,tan,，可改变差压变送器的量程,：,4,15,，量程比为,tan15/tan4=3.83,副杠杆,进行力矩的比较,调零和零点迁移机构,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,作用：,把变送器的输出电流,I,0,转换成作用于副杠杆的电磁反馈力,F,f,（,B,气隙磁感应强度、,D,动圈平均直径、,W,动圈匝数）,F,f,=BD,c,WI,0,设,K,f,=BD,c,W,改变反馈动圈的匝数，可以改变,K,f,的大小,则,F,f,=K,f,I,0,1-3短接、2-4短接,：,W=W,1,=725,匝,1-2短接：,W,=,W,1,+W,2,=2175,匝,可实现,3:,1的量程调整,W,1,=725,匝，,W,2,=1450,匝,（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420,mA,的直流输出电流。,它实质上就是一个位移,-,电流转换器。,由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率放大器组成。,1.,差动变压器,：,将检测片的位移,s,转换成相应的电压,U,CD,。,B,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,当,s=,/2,时,e,2,=e,2,U,CD,=,e,2,-,e,2,=0,差动变压器无输出,当,s,e,2,U,CD,=,e,2,-,e,2,0,此时,U,CD,与,U,AB,同相,当,s,/2,时，因差动变压器，上半部磁路磁阻增大互感减小,e,2,e,2,U,CD,=,e,2,-,e,2,0,此时,U,CD,与,U,AB,反相。,2.,低频振荡器,L,AB,和,C,4,构成并联谐振回路，,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，和,R,6,构成分压偏置电路，且具有温度补偿作用。,R2,电流负反馈电阻，,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,振荡频率,：,相位条件,：,s 输入回路,电阻,R,101,、,R,102,及稳压管,VZ,101,、VZ,102,分别起限流和限压作用,C,101,用以滤除输入信号,U,i,中的交流分量,电阻,R,103,、,R,104,、,R,105,及零点调整电位器,R,P1,组成零点调整和零点迁移电路，基准电压,U,z,由集成稳压器提供，为+5,v,I,1,R,P11,R,103,R,105,R,P1,d,c,R,P12,I,1,U,Z,U,Z,反馈回路,由电阻,R,106,、,R,107,、,R,111,、,R,114,R,116,及量程电位器,R,P2,等组成,反馈电压,U,f,引自放大单元功率放大电路射极电阻,R,4,的两端,U,z,U,f,R,107,R,106,R,111,R,P21,R,P22,R,114,R,116,R,115,U,f,(,=U,F,),输入输出关系,结论,变送器的输出,电压,U,o,和输入信号,U,i,之间呈线性关系,零点调整和零点迁移：,改变,R,104,和调整电位器,R,P,1,，,可在小范围内改变调零信号；更换电阻,R,103,可以大幅度地改变零点迁移量。,与,决定零点迁移的方向和大小,量程调整：,调整电位器,R,P2,，,可以在小范围调量程；改变,R,114,可以大幅度地改变送器的量程,调整比例系数,，,不仅调整了变送器的量程范围，而且使变送器的零位也受到影响；另一方面调整,的大小时，变送器的满度输出也会相应发生变化。在仪表调校时，,要对仪表的零点和满度反复加以调整。,四、热电偶温度变送器,(,Thermocouple temperature transmitter,),量程单元,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,线性化,电路。,热电偶温度变送器量程单元,热电偶温度变送器量程单元电路原理图,IC,1,U,F,U,T,U,z,U,f,E,t,U,z,R,102,R,101,C,101,R,106,VZ,101,VZ,102,IC,2,R,100,R,103,R,116,R,Cu1,R,Cu2,R,104,R,105,R,107,R,108,R,124,R,P2,R,P1,R,111,R,112,R,113,R,114,R,o,U,S4,VZ,103,R,115,R,120,R,121,R,122,R,119,VZ,106,U,S1,B,2,B,1,B,3,热电偶冷端温度补偿,电路分析：,补偿原因：,热电偶产生的热电势,E,t,与热电偶的冷端温度有关,R,Cu1,R,100,R,105,R,Cu2,R,103,I,1,U,Z,U,Z,热电偶冷端温度补偿(2),R,Cu1,、,R,Cu2,为铜电阻；,R,105,、R,103,和,R,100,为锰铜电阻或精密金属膜电阻，阻值与热电偶型号有关。,R,105,=7.5k,R,103,和,R,100,的阻值根据以下两个条件进行计算：,线性化原理,热电偶温度变送器线性化原理方框图,热电偶,放大部分,非线性,反馈回路,E,t,U,z,+,-,U,o,t,U,f,t,E,t,0,t,0,t,U,o,0,t,(,U,o,),U,f,0,线性化电路处于反馈回路中，因而它的特性应与所采用的热电偶的特性相同。,线性化电路是一个折线电路，它是用折线来近似热电偶的特性曲线。,非线性运算电路,非线性运算电路原理图,U,b,IC,2,R,116,R,a,R,o,U,S4,VZ,103,R,115,R,120,R,121,R,122,R,119,VZ,106,U,S1,R,123,U,a,U,c,U,f,U,a4,U,f5,U,f4,U,f3,U,f2,U,f1,U,a3,U,a2,U,a1,0,U,a5,U,f,U,a,1,4,3,2,非线性运算电路特性曲线示例,+,IC,2,-,R,a,U,f,U,a,U,b,R,115,R,120,R,121,R,122,R,o,U,c,非线性运算电路（2）,R,a,减小，,减小,R,120,减小，,增大,U,b,IC,2,R,116,R,a,R,o,U,S4,VZ,103,R,115,R,120,R,121,R,122,R,119,VZ,106,U,S1,R,123,U,a,U,c,U,f,稳压管均未导通,U,c,U,D,+,U,S1,稳压管,VZ,106,导通,+,IC,2,-,R,a,U,f,U,a,U,b,R,115,R,120,R,o,U,c,R,121,R,122,R,119,非线性运算电路（3）,U,b,IC,2,R,116,R,a,R,o,U,S4,VZ,103,R,115,R,120,R,121,R,122,R,119,VZ,106,U,S1,R,123,U,a,U,c,U,f,U,a4,U,f5,U,f4,U,f3,U,f2,U,f1,U,a3,U,a2,U,a1,0,U,a5,U,f,U,a,1,4,3,2,基准电压的数值和稳压管的击穿电压取决于折线的拐点。,如果能根据所要求的斜率去选配相应的并联电阻的阻值，就能使非线性运算电路的输出特性与热电偶的特性相一致，达到非线性补偿的目的。,由于不同测温范围时的热电偶特性不一样，因此在调整仪表的零点或量程时，必须同时改变非线性运算电路的结构和电路中有关元件的参数。,应注意的是：,五、热电阻温度变送器,(,Thermal resistance temperature transmitter),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。,I,t,IC,2,R,t,U,t,U,f,R,16,R,17,R,19,R,18,IC,1,VZ,101,VZ,104,r,1,r,2,r,3,R,37,R,36,R,35,R,P2,R,34,C,101,R,30,R,31,R,29,R,28,R,27,R,23,R,25,R,24,R,26,R,P1,I,r,热电阻温度变送器量程单元电路原理图,U,z,热电阻温度变送器量程单元电路原理图,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。（,P72),当,R,t,随温度而增加时，,I,t,将增大。而从上式可知，,R,t,的增加导致,I,t,的进一步加大，从而补偿了热电阻随被测温度的升高其变化量逐渐减小的趋势，实现线性化。,I,r,2.,引线电阻补偿,I,r,为消除引线电阻的影响,，热电阻采用三导线接法，要求,r,1,=,r,2,=,r,3,=,r=1,。,由,R,23,、,R,24,、,r,2,构成的支路为引线电阻补偿电路。,调整,R,24,使,I,r,=I,t,流过,r,3,的两电流大小相等,方向相反，故,r,3,上不产生压降,。,另电阻,r,1、,r,2,上的压降,I,t,r,和,I,r,r,亦,极性相反，从而消除了引线电阻影响。,六、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。,电/气转换器,(,Electrical pneumatic signal converter),一、概述,电/气转换器是将电动仪表输出的420,mA,直流电流信号转换成可被气动仪表接受的20100,KPa,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：420,mA(DC),（2）,输出信号：,20100KPa （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,电气转换器,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、气动仪表的基本元件,（一）气阻,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。,（二）气容,（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,。,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。,图,2-2,弹性元件示意图,（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,p,S,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,p,B,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,),p,B,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。,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。,图,2-53,为杠杆的受力图,(p80),（1）、输入电流与输出压力,P。,成比例关系，改变,L,f1,L,f2,可调节转换器量程，改变,Fo,的零点。,（）、当（,A,1,L,f1,-A,2,L,f2,),取较小时，便能减小,K,i,L,i,，,从而可缩小转换器的体积。,（）、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。,