过程控制仪表与装置-5第二章变送器

通过调整 F0′的大小，使 ∆Pi ≠ 0时，变送器输出 I 0 = 4mA. 的大小， 的方向可以改变， 因F0′的方向可以改变，所以 可实现正向或负向迁移 。
(1)改变矢量角 θ，可调节变送器量程
的范围变化， 量机构调整量程时， 矢量角θ可在4。~ 15。 的范围变化，故仅用矢 量机构调整量程时， tan 15。 量程比为 ≈ 3.83 。 tan 4 θ ↑→ tan θ ↑→ K P ↑→ 量程变小
变送器信号传输方框图如下: 变送器信号传输方框图如下
F0 L0 ∆Pi
A
Fi
L1 L2
F1
tan θ
L3
Mi
M0
S
K1
K2
I0
Mf Lf
Ff
Kf
A − − 膜片有效作用面积； 膜片有效作用面积； 的力臂； L1 , L2 − − Fi , F1到主杠杆支点 H的力臂； 的力臂； L3 , L0 , L f − − F2 , F0， F f 到副杠杆支点 M的力臂； 矢量角； θ − − 矢量角； 位移转换系数； K 1 − − 副杠杆力矩 − 位移转换系数； K 2 − − 低频位移检测放大器位 移 − 电流转换系数； 电流转换系数； K f − −电磁反馈机构的电磁结 构常数； 构常数；
电磁反 馈机构 力平衡式差压变送器构成方框图
8周
调量程 矢量机构
• ( 二) 工作原理和结构
主杠杆
F2 F1 F3
副杠杆
θ
O1 P2 P1 I0
>
调零
1.工作原理 工作原理
输入差压： 输入差压： ∆ Pi = P1 − P2 → 主杠杆产生向左推力 Fi = Ad ⋅ ∆ Pi → 主杠杆产生顺时针力矩 M i → 给矢量机构一水平力 F1 → F1分解 为 F2 和 F3 → F2带动副杠杆逆时针转动 → 检测片靠近差动变压器 → 经放大器使输出电流 I 0 增加 → 反馈力矩 M f ↑ 平衡， 的大小。 → 最后反馈力矩 M f 与测量力矩 M i 平衡， I 0反应了 ∆ P 的大小。
反馈部分则把变送器的输出信号Y转换成反馈信号 反馈部分则把变送器的输出信号 转换成反馈信号Zf，再回送至输 转换成反馈信号 入端。 与调零信号Z 的代数和同反馈信号Z 进行比较，其差值ε送 入端。Zi与调零信号 0的代数和同反馈信号 f进行比较，其差值 送 入放大器进行放大，并转换成标准输出信号Y. 入放大器进行放大，并转换成标准输出信号
型温度变送器， 例：有一台DDZ-III型温度变送器，精度 级，出厂时量程调为：0~1300℃ 有一台 型温度变送器 精度1级 出厂时量程调为： ℃ ①用这台变送器测量一加热炉的温度（温度范围800~900℃），问：产生的最 用这台变送器测量一加热炉的温度（温度范围 ℃），问 大绝对误差是多少？变送器的灵敏度为多少？ 大绝对误差是多少？变送器的灵敏度为多少？ ②将变送器的零点迁至700℃，量程调为 将变送器的零点迁至 ℃ 量程调为700~1000℃，问：这时变送器的最大 ℃ 绝对误差是多少？灵敏度为多少？ 绝对误差是多少？灵敏度为多少？ 最大绝对误差 解：（1）定义：仪表精度 = × 100% 仪表量程 我国过程检测仪表的精 度等级有：.005、.02、.05、.1、.2、.35、.4、.5、.0、.5、.5、等 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 4
∵ W1 + W2 1的量程调整。 的量程调整。 = 3, 故改变线圈匝数可实现 3： W1
将调整矢量角和改变反 3 .8 × 3 : 1 = 11 .4 : 1
馈动圈匝数结合起来， 馈动圈匝数结合起来，
最大与最小量程比可达
：
• （三）低频位移检测放大器 作用：将副杠杆上检测片的微小位移 转换成直流输出电流 转换成直流输出电流I 作用：将副杠杆上检测片的微小位移S转换成直流输出电流 0.
结果也相等分的感应电势也相等故上下两部原副边绕组之间互感下两部分磁路的磁阻相时因差动变压器上当检测片位移而增大此时的减小随着结果感增加故感应电势部分磁路的磁阻减小时因差动变压器上半当检测片位移abcdcdcd而增大此时的增大随着结果感下降故感应电势部分磁路的磁阻增大时因差动变压器上半当检测片位移abcdcdcd由振荡器整流滤波及功率放大器三部分组成
第二章 变送器和转换器
第一节 变送器的构成
变送器是基于负反馈原理工作的。构成原理如下： 变送器是基于负反馈原理工作的。构成原理如下：
调零、 调零、零 点迁移
X
C
测量部分
Zi
Z0 Zf
K
放大器 F
Y
变送器的构成原理图 测量部分用以检测被测量X,并将其转换成能被放大器接受的输入信号 测量部分用以检测被测量 并将其转换成能被放大器接受的输入信号Zi( 电 并将其转换成能被放大器接受的输入信号 电流、位移、作用力或力矩等信号） 压、电流、位移、作用力或力矩等信号）
L1 L3 A tan θ L2 L f K f
可调整变送器零点。 出为4mA ，改变调零弹簧作用力 F0 , 可调整变送器零点。 两项可变， （3）比例系数 K P中的 tan θ和 K f 两项可变，故调整变送 器的量程可通过改变矢 量角 θ和电磁结 构常数来实现。 构常数来实现。 器的零点， 影响， （4）改变量程会影响变送 器的零点，而调整零点 又对变送器的满度值有 影响，故零点和满度 应反复调整。 应反复调整。
一般工业用表为 0.5 ~ 4级精度 ∴ ∆ max = (1300 − 0 )× 1% = 13 ℃ 仪表输出的变化量 ∆α ∆I = = 被测参数的变化量 ∆x ∆x 20 − 4 16 ∴S = = = 0.0123mA / ℃ 1300 − 0 1300 （2）∆ max = (1000 − 700 )× 1% = 300 × 1% = 3 ℃ 灵敏度定义： S = S= 20 − 4 16 = = 0.053mA / ℃ 1000 − 700 300
为原边绕组的电压； 图中U AB为原边绕组的电压； U CD为副边绕组的感应电压 ； U CD 值为e′ 和e′′之差，当 U AB一定 2 2 之差， 时，e′′是固定值，而 e′随S大小而 2是固定值， 2 变化。 变化。
和反馈系数（ 在差压变送器的放大系 数（K 1 K 2 )和反馈系数（ L f K f )的乘积足够大的情况下 ， 当变送器处于稳定状态 时，有： Mi + M0 = M f F2
θ
由杠杆系统受力图可知 ，各项力矩为： 各项力矩为： M i = F2 L3 = L3 F 1 tan θ = L3 L1 Fi LL tan θ = 1 3 A∆Pi tan θ L2 L2 M 0 = F0 L0 M f = Lf Ff = Lf K f I0
F0′
F2
θ
L2
H
′ L0
L3
M
′ L ( L A∆Pi ± L0 F0′ ) tan θ L0 F0 + ∴ I0 = 3 1 L2 L f K f Lf K f L′ L0 ∆Pi ± 0 F0′ + F0 = KP L1 A L f K f
L1
Fi
Lf Ff
L0
F0
输入输出关系： 输入输出关系： y KC = 1 + KF x 若 KF >> 1 , 则： y C ≈ x F
讨论： 讨论：
1、量程调整 、
C X F 变送器输出范围： 变送器输出范围： y= 是固定的， ymin ~ ymax 是固定的， 量程调节的目的： 量程调节的目的： 使变送器输出信号的上 限 ymax 相对应。 与测量范围上限 x max 相对应。
F1 L3 F3
Lf
L2
H
M
L1
Fi
代入上式得： 代入上式得： L L A tan θ L0 I0 = 1 3 F0 ∆Pi + L2 L f K f Lf K f = K P ∆Pi + L0 F0 Lf K f
Ff
L0
F0
杠杆系统受力图
式中： 比例系数。 式中： K P − −比例系数。 KP =
6
W1
W2
1
2
R11
5
4
24V
已知： 已知：W1 = 725匝，W2 = 1450匝, R11 = RW 2
低量程时， 短接， 2 量程小； 低量程时， − 4短接， W = W1 = 725匝， K f 小 → K P 大 → 量程小； 高量程时， 短接， 2 量程大； 高量程时， − 1短接， W = W1 + W2 = 2175匝，K f 大 → K P小 → 量程大；
4、线性化 、
Zi x C Zi Zf Zf y
环节特性相同， 器为线性。 使反馈环节特性与输入 环节特性相同，则变送 器为线性。 C ∵y= x = Kx F C 大 → F 大， C 小 → F 小 ∴K = C 不变。 不变。 F
x
K F
y
第二节 差压变送器
作用：差压变送器是将液体、 压力、流量、 作用：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、 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。 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。 一、力平衡式差压变送器 (一) 概述 一
∆pi
Fi
测量部分
Ff
杠杆系统
位移检测 放大器
I0
基于力矩平衡原理工作: 基于力矩平衡原理工作 以电 磁反馈力产生的力矩,去平衡 磁反馈力产生的力矩 去平衡 输入力产生的力矩.由于采用 输入力产生的力矩 由于采用 了深度负反馈,因而测量精度 了深度负反馈 因而测量精度 较高,且保证了被测差压与输 较高 且保证了被测差压与输 出电流之间的线性关系. 出电流之间的线性关系
S↓
差动 变压器
F↑
低频 振荡器
U AB ↑
整流 滤波
功率 放大器
I0
1、差动变压器 、 由检测片（衔铁）、上 下罐型磁芯和四组线圈构成。 由检测片（衔铁）、上、下罐型磁芯和四组线圈构成。匝数相同 ）、 的原边两组线圈和副边两组线圈分别绕在上、 的原边两组线圈和副边两组线圈分别绕在上、下罐型磁芯的芯柱 且原边线圈是同相连接的，副边线圈是反相连接的。 上，且原边线圈是同相连接的，副边线圈是反相连接的。
•
2、零点及量程调整 、
F0′
（1）调零及零点迁移 ）
调零： 调零：通过调整调零弹 簧改变 F0的 大小，来达到调零的目 的。 大小，
L2
因：I 0 = K P ∆Pi + ˆ = K P ∆Pi + I 0 的大小， ˆ 通过调整 F0的大小，使 I 0 = 4mA 即当∆Pi = 0时，变送器输出 I 0 = 4mA. L0 F0 Lf K f
正迁移
未迁移
y
y 负迁移 x xmin xmax
xmin
xmax
x
xmin
xmax
x
零点迁移的方法： 零点迁移的方法：
调零、 调零、零 点迁移
X
C
输入转换
Zi
Z0 Zf
K
放大器
Y
∵ Z Z Z
i f
i
+ Z
0= ZFFra bibliotekf= C ⋅ x = F ⋅ y Z 0 x + F
C ∴ y = F
注意：零点迁移（ ，量程不变； 注意：零点迁移（Z0)，量程不变； 量程调节（ ），则零点变； ），则零点变 量程调节（F），则零点变； 量程调节（ ），则零点不变。 ），则零点不变 量程调节（C），则零点不变。
• （2）量程调整 ）
(2)调K f 来调整量程
反馈力F f 的大小为：F f = K f I 0 的大小为： 式中： 式中：电磁结构常数 K f = πB0 DW B0 − − 气隙磁感应强度 D − −动圈平均直径 W − −动圈匝数
通过调整动圈匝数 W ，来改变电磁结构常数 K f ,同样 可调整变送器量程。 可调整变送器量程。
讨论： 讨论： 条件下， （1）在满足深度负反馈的 条件下，变送器输出与 输入间的关系取决于测 量部分和反馈部分 的特性， 寸确定后， 成比例关系。 的特性，当仪表结构尺 寸确定后，输出电流 I 0与输入差压 ∆ Pi 成比例关系。 ( 2)式中 L0 F0一项用以确定变送器输 出电流的起始值。对于 III 型变送器而言，该项使 输 出电流的起始值。 型变送器而言， Lf K f
y ymax
F小 F大
ymin xmin x1max x 2max
x
2、零点调整和零点迁移 、 目的：使变送器输出信号的下限 与测量范围的下限x 相对应。 目的：使变送器输出信号的下限ymin与测量范围的下限 min相对应。 零点调整： 对应y 零点调整：xmin=0对应 min; 对应
y
零点迁移: 对应y 零点迁移 xmin=0对应 min 对应
H
F2
θ
′ L0
L3
M
L1
Fi
Lf Ff
L0
F0
零点迁移：通过调节迁移弹簧来实现。 零点迁移：通过调节迁移弹簧来实现。
设：迁移弹簧对主杠杆 施加的迁移力为 F0′, ′ 则有： F0′到主杠杆支点 H 的距离为 L0 , 则有： ′ L1 Fi ± L0 F0′ tan θ L2 ′ L A ∆ Pi ± L0 F0′ tan θ = L3 1 L2 M i = L3