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1、控制仪表及装置第2章变送器和转换器,变送器的构成差压变送器 温度变送器电气转换器,第2章 变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,一、构成原理,变送器是基于负反馈原理工作的，其构成如图。包括测量部分、放大器和反馈部分。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,测量部分：检测被测信号x，并将其转换成能被放大器接受的输入信号zi。反馈部分：把变送器的输出信号y转换成反馈信号zf，再回送至输入端。,输入与输出之间的关系：,K放大器的放大系数F反馈部分的反馈系数C测量部分的转换系数当满足深度负反馈的条件，即,上式表明，在,的条件下，变送器输出与输入之间的关系取决于测量部分和反馈部分的特性，而与
2、放大器的特性几乎无关。如果转换系数C和反馈系数F是常数，则变送器的输出与输入将保持良好的线性关系。,时，上式变为,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,变送器的基本特性和构成原理,传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。但由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往十分微弱并伴有非线性，因此，除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外，多数情况下都要利用变送器来把传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号，送到显示装置以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到控制器对其实
3、现控制。,变送器基本的输入输出特性,对于一个检测系统来说，传感器和变送器可以是两个独立的环节，也可以是一个有机的整体。但是，变送器的输入输出特性通常是指包括敏感元件和变送环节的整体特性，原因： 一是人们往往更关心检测系统的输出与被测物理量之间的对应关系， 二是敏感元件的某些特性往往需要通过变送环节进行处理和补偿以提高测量精度，例如：线性化处理、环境温度的补偿等等。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,变送器基本的输入输出特性,变送器的理想输入输出特性,xmax和xmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值 ymax和ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值对于模拟式变送器： ymax和ym
4、in即为统一标准信号的上限值和下限值对于智能式变送器： ymax和ymin即为输出数字信号范围的上限值和下限值,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,数字式变送器的构成原理,x,检测元件,A/D转换,CPU,通信电路,数字信号,存储器,一般形式,x,检测元件,A/D转换,CPU,通信电路,存储器,D/A转换,采用HART协议通信方式,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,数字式变送器软件部分包括: A/D采样程序 量程转换程序 工程量变换程序 滤波程序 误差校正程序 D/A输出程序 通讯程序 辅助功能程序,数字变送器的软件组成,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,二、变送器的一些共性问题,1、量程
5、调整 量程调整（即满度调整）的目的是使变送器的输出信号的上限值ymax（即统一标准信号的上限值）与测量范围的上限值xmax相对应。 量程调整相当于改变输入输出特性的斜率，也就是改变变送器的输入信号y与被测变量x之间的比例系数。 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。有些变送器还可以通过改变转换系数C来调整量程。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,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,软件实现,模拟式变送器,数字式变送器,Kf ,Ki,量程,量程,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,2、零点调整和零点迁移 零点调整和零点
6、迁移的目的，都是使变送器输出信号的下限值ymin（即统一标准信号的下限值）与测量范围的下限值xmin相对应。在xmin=0时，为零点调整；在xmin0时为零点迁移。 也就是说，零点调整使变送器的测量起始点为零，而零点迁移则是把测量起始点迁移到某一数值（正值或负值）。当测量起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量起始点由零变为某一负值，称为负迁移。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,零点调整的方法模拟变送器：调Z0数字变送器：软件,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,零点迁移后，变送器的输入输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。进行零点迁移，再
7、辅以量程调整，可以提高仪表的测量灵敏度。,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:,零点迁移的方法模拟变送器：调Z0数字变送器：软件,xmin,xmax,xmin,xmax,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,3、线性化,原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系,模拟式变送器非线性补偿方法:,1.使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性,数字式变送器非线性补偿方法: 软件实现,2.使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性,控制仪表及装置第2章变送
8、器和转换器,4、变送器信号传输,气动变送器：,电动模拟式变送器：,HART通讯协议方式,数字式变送器：,两根气动管线（气源和信号）,二线制四线制,双向全数字量传输信号(现场总线通信方式 ),控制仪表及装置第2章变送器和转换器,二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号,二线制,四线制,供电电源和输出信号分别用二根导线传输,电动模拟式变送器信号传输方式,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰,二线制变送器的条件：,工作电流：,工作电压：,二线制,二线制优点：,目前大多数变送器均为二线制变送器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,变送器的正常工作电流 必须得等
9、于或小于变送器输出电流的最小值 。 通常，二线制变送器的输出电流下限值为4mADC，在此条件下，变送器须能够正常工作。但对于输出电流为0-10mADC的变送器，若也采用二线制，则在输出电流为零时，变送器的工作电流也为零。显然，凡输出电流采用0-10mADC的仪表是不能采用二线制的。在下列电压条件下，变送器能保持正常工作。 式中 变送器输出端电压； 电源电压的最小值； 输出电流的上限值， ； 变送器的最大负载电阻值； 连接导线的电阻值。 由图3-7（a）可以看出，变送器的输出端电压值 等于电源电压值和输出电流在负载电阻 及传输导线电阻 上的压降之差，为保证变送器的正常工作，输出端电压值只允许在限
10、定范围之内变化。如果负载电阻要增加，电源电压就需增大。 变送器的最小有效功率P为,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺变量转换成统一的标准信号，作为指示记录仪、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。,2、2、1力平衡式差压变送器（一）概述 力平衡式差压变送器的构成如下图所示。它包括测量部分、杠杆系统、位移检测放大器及电磁反馈机构。,这类差压变送器是基于力矩平衡原理工作的，它是以电磁反馈力生产的力矩去平衡输入力生产矩。 但这类变送器目前主要用于气动产品，电动杠杆式的变送器目前已经被淘汰。,控制仪表及装置第2章变
11、送器和转换器,DDZ-III型差压变送器,检测部分: P 输入力Fi,杠杆系统: 力的传递和力矩比较，生成位移信号,位移检测放大器: 位移 输出Io,电磁反馈装置: 输出反馈力Ff,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,(1) 测量部分,作用：把被测差压P转换成 作用于主杠杆下端的输入力Fi,A1= A2= Ad,Fi= Ad(P1 -P2) = AdP,Fi= A1P1 -A2P2,因:,故:,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,(2) 杠杆系统,进行力的传递和力矩比较, 主杠杆,将Fi转换为F1, 矢量机构,将F1转换为F2, 副杠杆,将F2产生的力矩与Ff产生的力矩进行比较，生成位移变化,
12、控制仪表及装置第2章变送器和转换器, 主杠杆,将Fi转换为F1F1作用于矢量机构上,控制仪表及装置第2章变送器和转换器, 矢量机构,将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2,控制仪表及装置第2章变送器和转换器, 副杠杆,进行力矩的比较,F2产生的力矩,Ff产生的力矩,合力矩,调零力Fz产生的力矩,最终的合力矩,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,(3) 电磁反馈装置,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 =BDcWI0,设 Kf =BDcW,改变反馈动圈的匝数W，可以改变 Kf的大小,反馈动圈1固定在副杠杆上，且处于永久磁钢2的磁场中，可在其中左右移动。软铁芯3
13、和永久磁钢2组成磁路。软铁芯使环形气隙中形成均匀的辐射磁场，从而使流过反馈动圈的电流方向总是与磁场方向垂直。当变送器的输出电流过反馈动圈时，就会产生电磁反馈力Ff。Ff与变送器输出电流I0之间的关系为：,则 Ff = KfI0,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,1-3短接、2-4短接,W = W1=725匝,1-2短接,W = W1+W2=2175匝,可实现3：1的量程调整,W1=725匝，W2=1450匝,R11与W1的直流电阻相同,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,(4) 整机特性,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,1.变送器的输出电流I0和输入信
14、号P之间呈线性关系,2.调整调零弹簧可以使变送器输出电流I0在输入信号范围下限时为4mA 。,3.改变tg或Kf可以调整变送器的量程,4.零点和量程要反复调整,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,2、2、2电容式差压变送器（一）概述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。仪表结构简单、性能稳定、可靠，具有较高的精度。,变送器包括测量部件和转换放大电路两部分。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,P=0 Ci1=Ci2=15pF,P0 Ci1的电容量减小 Ci2的电容量增大,差动电容测量原理,电容式差压变送器测量原理,控制仪表及装置第2章
15、变送器和转换器,P=0,S1=S2=S0,P0,S1=S0+ S2=S0-,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,框图,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准4 20mADC电流信号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。,电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允
16、许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,2、2、3扩散硅式差压变送器是一种无杠杆式的。采用硅杯压阻传感器为敏感元件。具有体积小、重量轻、结构简单和稳定性好的优点，精度也较高。,变送器包括测量部件和放大线路两部分。敏感元件由硅片组成，即硅杯。它既是弹性元件，又是检测元件。当硅杯受压时，压阻效应使其上的扩散电阻（应变电阻）阻值发生变化，从而使由这些电阻组成的电桥产生不平衡电压。,因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于
17、单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,构成框图：,扩散硅压阻传感器,前置放大器,调零电路,VI转换,P,US,U01,UZ,IO,检测部分,电磁放大部分,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,整机电路图,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,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,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,测量部分惠斯顿电桥,不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R,控制仪表及装置第2章变送器和转换器
18、,测量部分电压转换,受压时：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2,受压时，流经2桥臂的电流始终相等,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,结论：压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构简单，其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。 这种传感器的缺点则是扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响，有些厂家在传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成
19、在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成统一标准信号。温度变送器可以作为直流毫伏转换器来使用，以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺变量也变成相应的统一标准信号。温度变送器有两线制和四线制之分，各类变送器又有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。前一种是将输入的直流毫伏信号转换成4-20MA直流电流和1-5V直流电压的统一输出信号。后两种则分别与热电偶和热电阻相配合，将温度信号转换成统一输出信号。,分为热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两种,热电偶温度变送器：把m
20、V信号转换为标准电流输出,热电阻温度变送器：把信号转换为标准电流输出,最终要求：变送器输出电流Io应与被测温度t成线性对应关系,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,热电偶温度变送器应主要要解决：冷端温度补偿和线性化处理两个内容,热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号，输入回路即是冷端温度自动补偿桥路，其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势，因此补偿电桥上的参数与热电偶分度号有关，热电偶温度变送器使用时要注意分度号的匹配。线性化处理电路（略）,热电阻温度变送器应主要要解决：克服引线电阻的影响和线性化处理两个内容,采用三线制输入方式。线性化处理电路（略）,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,一体化
21、温度变送器,分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种,热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出,热电阻温度变送器：把信号转换为标准电流输出,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,变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号420mA。这种变送器具有体积小、重量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。,由于一体化温度变送器直接安装在现场，但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作温度在20+80范围内，超过这一范围，电子器件的性能会发生变化，变送器将不能正常工作，因此在使用中应特别注意变送器模
22、块所处的环境温度。,一体化温度变送器品种较多，其变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成，常用的变送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。下面以AD693构成的一体化温度变送器为例进行介绍。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,一体化热电偶温度变送器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,一体化热电偶温度变送器简图,AD693的输入信号Ui为热电偶所产生的热电势Et与电桥的输出信号UBD之代数和,如果设AD693的转换系数为K，可得变送器输出与输入之间的关系为,结论：变送器的输出电流I0与热电偶的热电势Et成正比关系。RCu阻值随温度而变，合理选择R
23、Cu的数值可使RCu随温度变化而引起的I1RCu变化量近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势Et的变化值，两者互相抵消。W1的作用是调零，W2的作用是调满（量程）,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,一体化热电阻温度变送器,AD693构成的热电阻温度变送器采用三线制接法，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。AD693的输入信号Ui为电桥的输出信号UBD，即,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,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,智能式温度变送器,智能式温度变送器有采用HART协议通信方式，也有采用现场总线通信方式。下面以
24、SMART公司的TT302温度变送器为例进行介绍。TT302温度变送器是一种符合FF通信协议的现场总线智能仪表，它可以与各种热电阻或热电偶配合使用测量温度，具有量程范围宽、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等优点。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,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。,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
25、本元件组成。（一）气阻气阻与电路中的电阻相似，它可以改变气路中的气体流量。在流体呈层流状态时，气阻的大小与两端的压降成正比，与流过的流量成反比。,气阻有恒气阻（如毛细管、小孔等）与可调气阻（变气阻）以及线性气阻与非线性气阻之分。流过气阻的流体为层流状态时，气阻呈现为线性；而紊流状态时呈现为非线性。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,（二）气容与电路中的电容相似。它是一个具有一定容积的气室，是储能元件，共两端的气压不能突变。所容分固定气容和弹性（可变）气容。,由于固定气室的容积恒定，在温度不变时，固定气室的气容量不变。弹性气室在工作过程中容积V发生变化，则气
26、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、把某些物理量（力、差压、温度）转换为位移。 质量指标： 弹性特性弹性元件的变形与作用力或其他变量之间的关系。 刚度与灵敏度通常把使弹性元件产生单位形变（位移）所需的作用力或力矩称为弹性元件的刚度。刚度的倒数称为灵敏度。 弹性滞后与迟滞量在弹性元件的弹性范围内，逐渐加载和卸载的过程中，弹性特性不重合的现象叫作弹性元件的弹性滞后现象。迟滞量表征滞后最大值。用相对量表示，即弹性元件的正、反行程的位移最大变差max与最大位移量Smax的百分比。 弹性后效现象弹性元件在弹性变形范围内，其位移（形变）不能立即和所施载荷相对应，需经一段时间后，才能达到相应的载荷的形变。弹性元件的弹性后效有时达2%3%。 弹性元件的滞后现象和后效现象是弹性元件的缺点。为减小其影响，常用特种合金钢来制作弹性元件。,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,控制仪表及装置第2章变送器和转换器,