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1、第2章 变送器,变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用,掌握变送器的作用、种类、构成原理掌握变送器量程调整、零点调整及零点迁移的目的理解电容式差压变送器测量、转换和放大部分的工作原理了解其它差压变送器的构成、特点掌握架装式温度变送器量程单元和放大单元的作用，调零、调量程的方法 掌握一体化温度变送器的功能、构成和特点,能进行差压变送器的选用、安装、调校和维护能完成电容式差压变送器、架装式温度变送器的实训项目能处理常见故障,知识目标,技能目标,第2章 变送器,第2章 变送器,2.1 概述,2.2电容
2、式差压变送器,2.3其他差压变送器,2.4 温度变送器,按照被测参数分类,差压变送器,压力变送器,温度变送器,液位变送器,流量变送器等,变送器的理想输入输出特性,x,y,xmin,xmax,ymin,ymax,xmin 可能0，也可能0,2.1 概述,一、变送器的构成原理,二、变送器的一些共性问题,一、变送器的构成原理,测量部分,放大器,反馈部分,x,测量部分Ki,变送器的组成：,zi,放大器Ko,y,反馈部分Kf,zf,+,零点调整零点迁移,+,z0,关键环节：,当满足KoKf1的条件时,输入输出关系,x,Ki,zi,Ko,y,Kf,zf,+,+,z0,如果，ymin，ymax 与xmin，
3、xmax，如何调整？,1.调整Ki、Kf可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点,2.调整z0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移,1.量程调整,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,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,二、变送器的一些共性问题,量程调整的方法,改变反馈部分的反馈系数Kf,改变测量部分转换系数Ki,Kf,Ki,量程,量程,2.零点调整,零点调整的方法 调Z0,使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin=0相对应,x,3.零点迁移,使变送器的输出信号下限值ymia与测量范
4、围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin0时，称为零点迁移,当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移,零点调整使变送器的测量起始点为零,零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值:,xmin,xmax,xmin,xmax,零点迁移的方法调Z0,2.2 电容式差压变送器,一、结构组成,二、整机特性,三、差压变送器选 用、安装和维护,2.2 电容式差压变送器,电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件,一、结构组成：由测量部件、转换电路、放大电路三部分组成,二、工作原理：当pi感压膜片SCiIi与Iz、If综合比较II0,框图
5、,感压膜片,电容-电流转换器,Pi,Ci2-Ci1,c,Ii,放大和输出限制电路,反馈电路,-,If,调零、迁移电路,I,I0,(I2-I1),0100 kPa,420 mA,差动电容,S,测量部件,转换电路,放大电路,（一）测量部件 Pici c=k2k1Pi 1作用 Pi电容的变化量Ci 2结构（画出测量部件示意图）3工作原理：当PiSCi2-Ci1c,（1）差压-位移转换：PiS,（2）位移-电容转换：S c,一、结构组成,返回,作用：电容的相对变化量c差动电流Ii，并实 现非线性补偿。,各组成部分的作用及原理（画出简化线路）,结构组成:振荡器、解调器、振荡控制放大器及线性调整电路。,（
6、二）转换电路,框图,1.振荡器 如何振荡？,U01为运算放大器Ai 的输出电压，作为振荡器的供电电压，因此U01的大小可控制振荡器的输出幅度。,振荡器为变压器反馈振荡器 LC串联谐振,振荡器的等效电路(仅包括3组中的1组),向电容式压力传感器的Ci1和Ci2提供高频电源,电容一电流转换电路,将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动信号 Id，非线性补偿功能,差动信号 Id=（i2i1）,共模信号 Ic=（i2+i1）,当共模信号Ic保持不变时，Id 与输入差压P之间成比例关系然后，把差动信号Id经电流放大电路放大成420mA的输出电流I0,2.解调器,1.振荡器输出为正半周时（同名端为正）,T
7、1(2)VD6、VD6C2Ci2C17C11T1(11),(2)电流i1的路线为:,T1(3)R4VD7、VD3C1Ci1C17R6R8T1(10),对通过差动电容Ci1、Ci2 的高频电流进行半波整流,(1)电流i2的路线为:,i1不流经C11，但会引起Ci1上的电压变化,2.解调器,2.振荡器输出为负半周时（同名端为负）,(2)电流i1的路线为:,(1)电流i2的路线为:,i1不流经C11，但会引起Ci2上的电压变化,T1（11）C11 C17Ci1C1VD4、VD8T1（2）,T1（12）R7R9C17Ci2C2VD1VD5R3T1（1）,2.解调器,如果电路时间常数比振荡周期小得多，可
8、以认为Ci1、Ci2两端电压的变化等于振荡器输出高频电压的峰一峰值UPP i1和i2 的平均值I1、I2如下：,(1)i2、i1以相反的方向流过C11，(2)正半周，i2经C11向Ci2充电，电容上的电压变化为UPP(3)负半周，i1经C11向Ci1充电，电容上的电压变化为UPP,两者平均值之差I2-I1即为解调器输出的差动信号Id i1、i2流过R6R8和R9R7产生的电压两者平均值之和I2I1即为解调器输出的共模信号Ic。,2.解调器,i1、i2的平均值之差Id及两者之和Ic分别为:,上式成立的前提：Ic为常数。,3.振荡控制放大器,保证I2+I1即IC等于常数。,A1的输入端接受两个电压
9、信号：一个是基准U02在R9和R8上的压降另一个是i2、i1分流后在R9和R8上产生的压降,正常工作时运放输入端的电压：,只要满足U02恒定，Ic即恒定,3.振荡控制放大器,I2+I1,Ud,振荡器振荡幅度,使I2+I1 恢复到原来的数值 I2+I1,变压器T1输出电压减小,U01,定性分析如下：,（三）放大电路 1.作用 IiI02.分析工作原理,测量部件,电容-电流转换器,Pi,Ci2-Ci1,c,负反馈放大器：IiI0,Ii,放大和输出限制电路,反馈电路,-,If,调零、迁移电路,I,I0,(I2-I1),0100 kPa,420 mA,分析：I0PiRw2I01调零R20、R21零迁。
10、w3K4Kp量程调整(反复调),二、整机特性,感压膜片,电容-电流转换器,Pi,Ci2-Ci1,c,Ii,放大和输出限制电路,反馈电路,-,If,调零、迁移电路,I01,I0,(I2-I1),0100 kPa,420 mA,差动电容,S,整机特性,小结：,I0,H,PB,P气,敞口容器,P2=P气,P1,420 mA,三、差压变送器选 用、安装和维护,密闭带压容器,PB,PA,I0,H,P1,P2,P,420 mA,正迁移,20,PB,P,+,-,PA,h,h0,P上2,I0 mA,0,4,P上2,kPa,I0,P1,P2,P,420 mA,测量部分,PB,P,+,-,PA,h,h0,0,0,
11、h1,调节器,负迁移,I0,P1,P2,P,420 mA,1 m,4m,02m,I0,法兰与容器直接连接，插入筒深入容器,PA,PB,P,-,+,法兰测量头,插入筒,毛细管,变送器,只有:负迁移情况,H,HA,HB,0,0,P1,P2,P,I0,420 mA,法兰与容器直接连接，插入筒深入容器,PA,PB,P,+,-,法兰测量头,插入筒,毛细管,变送器,只有：负迁移情况,H,HA,HB,0,0,I0,P1,P2,P,420 mA,差变器使用时应注意问题：开启表时：应打开平衡阀2,再开高低截止阀1、3，当阀1、3全开后，再关阀2。停表时：应先打开平衡阀2，再关闭阀1、3。,1,3,2,P1,P2
12、,Pi,P1,P2,平衡阀,截止阀,截止阀,I0,Q,一、扩散硅式差压变送器,2.3其他差压变送器,二、振弦式差压变送器,三、DELTAPI K系列电感式变送器,测量部分扩散硅压阻传感器,把被测差压P成比例地转换为不平衡电压US,1-负压导压口2-正压导压口3-硅油4-隔离膜片5-硅杯6-支座7-玻璃密封8-引线,电路部分 扩散硅式差压变送器放大电路,分析,该信号经运算放大器A和晶体管进行电压和功率放大后使输出电流Io增加。在差压变化的量程范围内，晶体管BG的发射极电流Ie为319mA，所以整机输出电流Io为420mA。,当变送器输入差压信号pi时，使硅杯受压，RA、RD的阻值增加R，而RB、
13、RC的阻值减小R，此时T点电位降低，而F点电位升高，于是电桥有电压输出。,通过振弦去改变谐振电路的谐振频率,二、振弦式差压变送器,基本原理：,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,检测出这个电信号的频率就检测到了差压的大小,1、检测器的结构,2、信号变换过程压力或差压变换成电振荡频率，再变成电流的过程。,3.频率电流变换,三、DELTAPI K系列电感式变送器,DELTAPI K系列电感式变送器是由英国肯特公司使用先进的测量技术设计而成的，它以单元组合方式，用于过程控制系统中。能在各种危险或恶劣的工业环境中，为差压、压力、流量、液位和料位提供精确可靠的测量。该变
14、送器已由天津自动化仪表厂引进生产。,1.工作原理,（1）测量部分：膜盒、敏感膜片、固定电磁电路、隔离膜片、灌充液、过程接口等,整机是由敏感元件-膜盒、放大器、显示表头、外壳和测量室等几大部分组成。,1-盖；2-放大器盒盖；3-敏感元件输出电缆及插头；4-零点、阻尼、量程调节螺钉；5-放大器；6-定位螺钉；7-外壳锁紧螺母；8-容室紧固螺栓；9-外壳,2.仪表组成部件图,一、热电偶温度变送器,2.4 温度变送器,二、一体化热电偶温度变送器,三、热电阻温度变送器,四、一体化热电偶温度变送器,热电偶温度变送器构成框图,一、热电偶温度变送器,（一）热电偶温度变送器的作用及特点,一、热电偶温度变送器,作
15、用：与热电偶测温元件配套使用，将温度信号Ti线性地转换成标准信号（I0、V0）输出。ti 测温元件温度变送器标准（I0、V0）输出输入-输出特性:V0=5Et+()VZ=KWEt+V01 I0=5Et+()VZ=KW Et+I01特点:采用化负反馈回路来实现tV0线性化 具有冷端温度自动补偿功能,（二）热电偶温度变送器的结构组成,量程单元,放大单元,冷端温度补偿部分,直流交流直流变换器,整流滤波,集成运算放大器,隔离输出,功率放大器,非线性反馈部分,Et,24v DC,V0,-,15 V,I0,420 mA,+,mV,I0,+,-,+,-,+,-,i0,V02,Vz,Vf,V,隔离反馈,If,
16、热电偶,t,放大单元:,(1)结构组成 集成运放器、功率放大器、隔离输出电路、隔离反馈电路、交/直/流变换器（2）作用 将V进行放大，并转换成I0、V0 将输出信号I0、V0经隔离反馈回路转换成反馈电压Vf送至量程单元 实现输入、输出、电源回路相互隔离。避免输出与 输入端之间有直接的联系，以实现隔离传输、供电,（三）热电偶温度变送器的工作原理,集成运算放大电路：VT=Vi+VZ，VF=1/Vf+VZ V01=K1V功率放大器电压/电流转换器。作用：V02（直流）调制成交流iL，且隔离输出。工作原理：V02ic1、ic1iL隔离输出回路及隔离反馈电路作用：为了避免输出V0与输入Vi之间有直接电的
17、联系。隔离输出：T0；隔离反馈Tf。且V0=5VfDC/AC/DC变换器*作用：产生9V方波、15V、9V直流电源实现隔离供（电磁偶合对称推挽式多谐振荡器）,（3）各组成部分的作用及工作原理,1、作用：（1）零点、零迁、量程调整（2）VZ、Et、Vf比较（3）热电偶冷端温度自动补偿（4）热电偶特性线性化 2、量程单元线路原理(1)电路组成：输入回路、零点调整及加补偿回路、非线性反馈回路。(2)线性化原理及电路分析 线性化电路的作用：使V0与t为线性关系 为什么要增设线性化电路 线性化原理,量程单元,量程单元原理线路,+,-,IC2,V02,功率放大器隔离输出,V0,I0,-,+,+,-,Et,
18、VZ,Rcu,Ri4,Ri3,Ri7,Ri6,+,-,1/5,Rf3,Rf2,Wf,输入回路,零点调整回路,反馈回路,量程单元,放大单元,隔离反馈回路,集成运算放大器,VT,VF,Vf,非线性补偿电路,Wi,t0,1/,3、热电偶冷端温度自动补偿 方法：在桥路中接入Rw,并感受t0的变化，t0变化Et（Et）t0RcuVZ 当VZ=Et时VZ不变，I0不变.即实现了:热电偶冷端温度自动补偿 选择合适的Rcu即可实现冷端温度自动补偿。,(四)热电偶温度变送器整机特性,V0=5Et+()VZ=KWEt+V01I0=5Et+()VZ=KW Et+I01,一体化温度变送器，由测温元件和变送器模块两部分
19、构成。变送器模块把测温元件的输出信号Et，或Rt转换成为统一标准信号，主要是420mA的直流电流信号。,所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。其变送器模块和测温元件形成一个整体，可以直接安装在被测温度的工艺设备上。,二、一体化热电偶温度变送器,1-变送器模块；2-穿线孔；3-接线盒；4-进线孔；5-固定装置；6-保护套管；7-热电极,一体化热电偶温度变送器,接线端子,它由热电偶、输入电路和AD693组成,AD693构成的热电偶温度变送器,（1）输入电路 输入电路是一直流不平衡电桥，其四个桥臂分别是R1，R2，Rcu以及电位器W1。B，D是电桥
20、的输出端，与AD693的输入端子17，18相连。电桥由AD693的基准电压源和辅助放大器供电，辅助放大器端子20与1相连，构成电压跟随器，其输入由6.2V基准电压经R4，R5分压提供，若取R4R52k，则桥路供电电压为3.1V。电位器W3用来调节电桥的总电流，设计时确定电桥总电流为1mA。由于电桥上、下两个支路的固定电阻R1R25k，且比Rcu、电位器W1的电阻值大得多，因此可以认为上、下两个支路的电流相等，即I1I2I/20.5mA。,AD693构成的热电偶温度变送器,输入信号Ui为热电势Et与电桥的输出信号UBD之代数和,要求在端子14，15外接一个电阻R14-15，其计算公式,要求在端子
21、15，16外接一个电阻R15-16，其计算公式,变送器输出与输入之间的关系,小结：一、热电偶温度变送器（一）热电偶温度变送器的作用及特点 tEtV0(I0)（二）热电偶温度变送器的结构组成方框图（三）热电偶温度变送器的工作原理 1、线性化原理 2、热电偶冷端温度补偿原理(四)热电偶温度变送器整机特性二、一体化热电偶温度变送器,三、热电阻温度变送器（一）热电阻温度变送器的作用及特点作用：与热电阻测温元件配套使用，将温度信号Ti线性地转换成标准信号（I0、V0）输出。ti 测温元件温度变送器标准（I0、V0）输出 输入-输出特性:V0=KW Rt+V01 I0=KW Rt+I01特点:实现tV0线
22、性化 对引线电阻补偿措施:三线制,（二）热电阻温度变送器的结构组成方框图,量程单元,放大单元,热电阻,t,直流交流直流变换器,整流滤波,集成运算放大器,隔离输出,功率放大器,Rt,24v DC,V0,I0,+,-,+,-,+,-,i0,V02,Vf,V,隔离反馈,Vf,线性反馈部分,测量桥路零点调整桥路,Vi,-,-,-,正反馈部分,+,Vf,420 mA,15 V,量程单元的组成及作用 1、作用：RtVi=VT 零点、零迁、量程调整对Rt进行非线性补偿 对引线电阻补偿2、原理：温度测量的线性化原理：Rf4不接:V0=Kw Rt 线性，Rt=Kz t 非线性 V0=Kz Kw t=K t 非线
23、性 Rf4接入:V0=Kw Rt 非线性 Rt=Kz t 非线性V0=KzKw t=K t 线性对引线电阻补偿措施:三线制放大单元单元的组成及作用,（三）热电阻温度变送器原理线路,-,+,(四)整机特性,V0=KWRt+V01,I0=KW Rt+I01,（五）安全火花防爆措施,四、一体化热电热阻温度变送器,AD693构成的热电阻温度变送器它与热电偶温度变送器的电路大致相仿，只是原来热电偶冷端温度补偿电阻Rcu现用热电阻Rt代替。这时，AD693的输入信号Ui为电桥的输出信号UBD，即,I1，I2-桥臂电流，I1I2；Rt-热电阻随温度的变化量（从被测温度范围的下限值t0开始）；Rt0-温度t0
24、时热电阻的电阻值；Rw1-调零电位器W1的电阻值。,同样可求得热电阻温度变送器的输出与输入之间的关系为,一体化热电阻温度变送器,热电阻应采用三线制接法，克服连接导线电阻的影响。由于在W2桥臂中串入一根与Rt桥臂中完全相同的连接导线，并且两桥臂的电流几乎是相等的，因此当环境温度变化时，两根导线电阻变化所引起的电压降变化，彼此相互抵消，不会影响桥路的输出电压。,1.变送器主要包括哪些仪表？各有何用途？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？3.何谓零点迁移？为什么要进行零点迁移？零点迁移有几种？4.何谓量程调整和零点调整？5.电容式、扩散硅式、电感式、振弦式差压变送
25、器与矢量机构式差压变送器相比有什么优点？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？,思考与练习题,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？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？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。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？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？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？,思考与练习题,谢谢大家！,再见！,
