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第2章  变送器
思考与练习题
（1）变送器主要包括哪些仪表？各有何用途？
答：变送器主要包括压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器、温度变送器等；各自将被测工艺参数，如压力、差压、流量、液位、温度等物理量转换成相应的统一标准信号，并传送到指示记录仪、运算器和控制器，供显示、记录、运算、控制、报警等。
（2）变送器是基于什么原理构成的？如何使输入信号与输出信号之间呈线性关系？
答：变送器都是基于负反馈的原理来工作的；保证放大器的放大系数和反馈系数为常数可使输入信号与输出信号之间呈线性关系。
（3）何谓零点迁移？为什么要进行零点迁移？零点迁移有几种？
答：使变送器输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应,即在xmin≠0时，使Y=ymin的调整，为零点迁移；零点迁移是为了保证变送器的在不同的输入范围时其输出仍是标准信号；零点迁移有正迁移和负迁移。
（4）何谓量程调整和零点调整？
答：量程调整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。零点调整是使变送器输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应,即在xmin=0时，使Y=ymin。
（5）电容式、扩散硅式、电感式、振弦式差压变送器与矢量机构式差压变送器相比有什么优点？
答：与矢量机构式差压变送器相比，电容式差压变送器是微位移式变送器，无杠杆系统，体积小，它以差动电容膜盒作为检测元件，并且采用全密封熔焊技术，因此整机的精度高、稳定性好、可靠性高、抗振性强，其基本误差一般为±0.2％或土0.25％。
扩散硅式差压变送器也是微位移式两线制差压变送器。它的检测元件采用硅杯压阻传感器，由于单晶硅材质纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好、体积小、重量轻、结构简单和精度高。
采用微位移式电平衡工作原理，没有机械传动、转换部分；外形美观、结构小巧，重量轻；调整方便，零点、满量程、阻尼均在仪表外部调整，且零点和满量程调整时互不影响；具有独特的电感检测元件，敏感检测元件所在的测量头部分采用全焊接密封结构；计算机进行温度、压力补偿，不需要调整静压误差
振弦式差压变送器通过振弦去改变谐振电路的谐振频率，将差压的变化转换成振弦张力的变化，输出可以是频率或电流。
（6）电容式差压变送器如何实现差压-位移转换？差压-位移转换如何满足高精度的要求？
答：在电容式变送器中，电容膜盒中的测量膜片是平膜片，平膜片形状筒单，加工方便，但压力和位移是非线性的，只有在膜片的位移小于膜片的厚度的情况下是线性的，膜片在制作时，无论测量高差压、低差压或微差压都采用周围夹紧并固定在环形基体中的金属平膜片做感压膜片，以得到相应的差压-位移转换。
由于膜片的工作位移小于0.1mm，当测量较低差压时，则采用具有初始预紧应力的平膜片；在自由状态下被绷紧的平膜片；具有初始张力。这不仅提高线性，还减少了滞后。对厚度很薄，初始张力很大的膜片，其中心位移与差压之间也有良好的线性关系，满足高精度的要求。
(7)电容式差压变送器如何保证位移-电容转换关系是线性的？
答：中心感压膜片位移△S与差动电容的电容量变化示意图如图2.1所示。设中心感压膜片与两边弧形电极之间的距离分别为S1、S2。

图2.1  差动电容变化示意图
当被测差压△Pi＝0时，中心感压膜片与两边弧形电极之间的距离相等，设其间距为S0，则Sl＝S2=S0；在有差压输入，即被测差压ΔPi≠0时，中心感压膜片在△Pi作用下将产生位移ΔS， 则有Sl＝S0+△S和S2＝S0－△S。
若不考虑边缘电场影响，中心感压膜片与两边弧形电极构成的电容Ci1和Ci2，可近似地看成是平行板电容器，其电容量可分别表示为

可见，两电容量的差值与中心感压膜片的位移△S成非线性关系。显然不能满足高精度的要求。但若取两电容量之差与两电容量和的比值，则有

差动电容的相对变化值与△S成线性关系，要使输出与被测差压成线性关系，就需要对该值进行处理。
（8）对于不同测量范围的1151电容式差压变送器，为什么整机尺寸无太大差别？
答：由于膜片的工作位移小于0.1mm，当测量较低差压时，则采用具有初始预紧应力的平膜片；在自由状态下被绷紧的平膜片；具有初始张力。这不仅提高线性，还减少了滞后。对厚度很薄，初始张力很大的膜片，其中心位移与差压之间也有良好的线性关系。
当测量较高差压时，膜片较厚，很容易满足膜片的位移小于膜片的厚度的条件，所以这时位移与差压成线性关系。
可见，在1151变送器中，通过改变膜片厚度可得到变送器不同的测量范围，即测量较高差压时，用厚膜片；而测量较低差压时，用张紧的薄膜片；两种情况均有良好的线性，且测量范围改变后，其整机尺寸无多大变化。
（9）简述扩散硅式、电感式、振弦式差压变送器力-电转换的基本原理。
答 对于扩散硅式，当被测差压ΔP 作用于测量室内隔离膜片时，膜片通过硅油将压力传递给硅杯压阻传感器，于是电桥就有电压信号输出到放大器。当硅杯受压时，压阻效应作用使其扩散电阻（即应变电阻）阻值发生变化，使检测桥路失去平衡，产生不平衡电压输出。
对于电感式，被检测的工业过程流体（液体、气体或蒸汽）的压力或差压通过膜盒的隔离膜片和灌充液体（硅油）传递到中心敏感膜片上，从而使中心敏感膜片变形，即产生位移，其位移的大小与过程压力（或差压）成正比，中心敏感膜片的中央部位装有铁淦氧磁片，它与两侧固定的电磁回路组成一差动变压器。差动变压器电感量的变化与中心敏感膜片的位移量成正比。从而实现了将压力（或差压）变化转换成电参数（电感量）变化的目的。
对于振弦式，振弦式差压变送器的基本原理，就是将压力或差压的变化转换成振弦张力的变化，从而使振弦的固有谐振频率变化，并通过振弦去改变谐振电路的谐振频率。检测出这个电信号的频率就检测到了差压的大小。实际使用中可以将这个频率直接输出，也可以变换成电流输出。
（10）温度变送器接受直流毫伏信号、热电偶信号和热电阻信号时应该有哪些不同？
答：直流毫伏温度变送器用于把直流毫伏信号转换为4～20mA直流电流信号，由检测元件送来的直流毫伏信号和调零与零点迁移电路产生的调零信号的代数和同由反馈电路产生的反馈信号进行比较，其差值送入电压放大器进行放大，再经功率放大器各隔离输出电路转换得到整机的4～20mA直流电流输出信号。
热电偶温度变送器与各种热电偶配合使用，可以把温度信号转换为4～20mA、1～5V的标准信号。它在直流毫伏温度变送器的电路基础上做了如下改动：在输入回路增加了由Rcu电阻组成的热电偶冷端补偿电路；同时在电路安排上把调零电位器Wi移到了反馈回路的支路上；在反馈回路中增加了运算放大器构成的线性化电路。
热电阻温度变送器与各种热电阻配合使用，可以把温度信号转换为4～20mA、1～5V的标准信号。它在直流毫伏温度变送器的电路基础上做了如下改动，输入回路增加了线性化电路，热电阻导线电阻补偿电路，同时零点调整电路有所改变。
（11）采用热电偶测量温度时，为什么要进行冷端温度补偿？一般有哪些冷端温度补偿方法？
答:热电偶产生的热电势Et，与热电偶的冷端温度有关。当冷端温度不固定时，Et也随之变化，从而带来测量误差。因此，需对热电偶的冷端温度进行补偿，以减小热电偶冷端温度变化所引起的测量误差。
冷端温度补偿方法，在输入回路增加了由Rcu电阻组成的热电偶冷端补偿电路
(12)采用热电阻测量温度时，为什么要进行引线电阻补偿？一般有哪些引线电阻补偿方法？
答:采用热电阻测量温度时，若不考虑引线电阻补偿，引线电阻的压降会带来测量误差，
考虑引线电阻补偿，热电阻与桥路之间采用三线制的连接方式。