控制仪表及装置第二章

振荡频率：
1
f0 = 2 LABC4
振荡器的放大特性和反馈特性
幅值可控 工作点
工作中，F随S的变化而变化。 S较大时，F较小；（磁阻较大） S较小时，F较大。（磁阻较小） 即： S F P点上移 uAB
3.整流滤波电路 震荡器的输出电压uAB经二极管D4整流，通过电阻R8-9
和电容C5滤波，得到平滑的直流电压信号，再送至功 放级。
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
变送器的构成
➢ 构成原理
调零、零点迁移
x
测量部分 Zi Z0
C
Zf
放大器 K
反馈部分 F
y
ymax
y
ymin
0
xmin
变送器的构成原理和输入输出特性
xmax x
平衡带 拉条
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 =πBDcWI0 设 Kf =πBDcW 则 Ff = KfI0 改变反馈动圈的匝数， 可以改变 Kf 的大小
W1=725 匝 ， W2=1450匝
1-3短接、2-4短接： W = W1=725匝
1-2短接： W = W1+W2=2175匝
Fi= A1P1 -A2P2
因: A1= A2= A
故: Fi= A (P1 -P2) = AΔPi
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。
① 主杠杆
——将输入力Fi转换为
作用于矢量机构上的力
Ui、Et
+ U’Z -
U’f
反馈回路
量程单元
整流滤波 电压放大
直流-交流 变换器
功率放大
Io
隔离输出
Uo
放大单元
温度变送器结构方框图
（二）放大单元工作原理
其作用是将量程单元输出的毫伏信号放大，输出直流 电流Io 和直流电压Uo信号。
1. 电压放大电路 由IC1构成，要求采用低漂移、高增益的运算放大器。 当温度变送器的最小量程Ui 为3mV，温升t为30oC， 要求附加误差小于等于0.3%时，通过计算可得失调 电压的温漂系数：
反馈
信号
反馈
电路
变送器构成方框图
检测元件－差动电容
构成原理－位移平衡式
（二）测量部件
作用： Pi
Ci2 Ci1 Ci2 Ci1
Pi 0时，Ci1 Ci2
Pi 0时，Ci1电容量减小， Ci1电容量增大
测量部件结构
Ci1
1 A1
S1
A
S0 S
Ci 2
2 A2
S2
A
S0 S
Ci 2 Ci 2
F1 ：
F1
l1 l2
Fi
② 矢量机构
—— 将 输 入 力 F1
转换为作用于副杠 杆上的力F2 ：
改变tan，可改变差 压变送器的量程 ：4－15，量程比为 tan15/tan4=3.83
③ 副杠杆
——进行力矩的比较
M i l3F2
M f l f Ff
M M i M f
M
C
S lS
l3
Mi
+
lo
Mo -
Mf
K1 S
K2
Io
lf Ff Kf
几点结论
(1)在满足深度负反馈的条件下,输出电流Io与输入 差压△Pi成正比。 (2)改变调零弹簧作用力Fo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Kf来实现。 (4)零点和满度应反复调整。
2. 结构
测量部分
作 用 ： 把 被 测 差 压 ΔP 转 换 成 作用于主杠杆下端的输入力Fi
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。 R2起负反馈作用, 从而稳 定了BG1的工作点。
低频振荡器的起振条件
相位条件 － s < /2 时， uCD与 uAB相位相同，则 电路就形成正反馈。
振幅条件－ K F = 1, 选 择合适的电路参数，可 满足这一条件。
Ci1 Ci1
A[1/(S0 A[1/(S0
S) 1/(S0 S) 1/(S0
S)] S)]
Байду номын сангаас
S S0
K2S
S K1Pi
Ci 2 Ci 2
Ci1 Ci1
K
2 S
K1K2Pi
结论：
(1)
相对变化值
Ci2 Ci2
Ci1 Ci1
与被测差压 Pi
成线性关系。
(2) 与介电常数 无关 ,可大大减小温度对变送器的影响。
四线制温度变送器的特点：
1. 在热电偶和热电阻温度变送器中，采用了线性化电 路，实现了变送器输出信号与温度的线性关系。
2. 变送器输入、输出之间具有隔离变压器，并且采取 了本安防爆措施。
（一）概述
在线路结构上分为量程单元和放大单元，放大单元是通 用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。
输入回路
Ii = I2- I1 = ( I2+ I1)CCii22-+CCii11
= K3
Ci2-Ci1 Ci2+Ci1
振荡器
T1
C17
I2
12
1
VD1 VD5
R9 R7
I2
I2
Ui1 IC1 C8
VD2 VD6
Ri 11
2
Ci2
U01
UR
Ui2
C11
R8 R6
VD4 VD8 Ci1
I1
10
3
VD3 VD7
VZ2起稳压作用，还可防止电源反接时损坏器件。
温度变送器
将来自热电偶或热电阻的温度信号转换为统一标准的信 号(420mA直流电流或15V直流电压)，以实现对温度的 显示、记录或自动控制。 变送器有两线制和四线制之分，主要讨论四线制变送器。 有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热 电阻温度变送器。
M0 l0F0
组成：主、副杠杆，调零机构，零点迁移机构，静压调整和过载
④ 调护装零置和，零平衡 点锤迁，移矢机量机构构。见图2 5。
a.调零和零点迁移机构：
零点由调零弹簧调整；
零点迁移由迁移弹簧调整。
设迁移力Fo'到主杠杆支点的距离为lo' ,则有
I0
l3 (l1APi
l' 0
F' 0
)tg
l2Kf lf
静压调整和过载保护装置： 作用：克服变送器的静压误差和过载时起保护作用。 静压误差：属系统误差。 静压误差产生的原因： 1.测量膜片有效面积不等； 2.拉条装配不正 解决办法：调静压调整螺钉。
平衡锤： 作用：使负杠杆的重心和支点M 重合，提高仪表的耐冲 击、耐振动性能，而且在仪表不垂直安装时也不影响精度。
R34 A
R11 UF
B
IC3 UT
RP4
C16 R17
+ -
VT3
RL
R13
C22
R39
R38
R37
R21 R14
R16
VT2
C12
VT4 R19
放大电路(包括IC3、VT3、 VT4等)
IC3起前置放大作用， VT3、 VT4组成复合管，将 IC3的输出电压变换为变送器的输出电流。 电阻R31、 R33、 R34和电位器Rp3组成反馈网络，输出电 流Io经这一网络分流，得到反馈电流If，送至放大器 的输入端，这深度负反馈保证了Ii 和 Io的线性关系。 电位器Rp2用以调整输出零位。S为正负迁移调整开关， 可实现变送器的正向或负向迁移。电位器Rp3用以调 整变送器的量程。 对电路的分析，可推得如下的输入、输出关系式：
整流滤波电路
4.功率放大器
稳定工作点
提高输入阻抗
R4
R3
IC2
VT2 IC3
R5
VT3
穿透电流旁路， 改善温度特性
采用复合管，目的一 是提高电流放大倍数； 二是电平配置
其他元件作用
R1、C1：相位校正作用，对高次谐波造成相移，破 坏其振荡条件，防止高次谐波产生寄生振荡。
R10：改变放大器灵敏度。高量程时，通过端子7、8 将其接入，以降低灵敏度。
(3) 与 S0 有关。S0 愈小，灵敏度越高。
（三）转换放大电路
作用： ➢ 将差动电容的相对变化值，转换成标准的电流输
出信号。 ➢ 此外，还要实现零点调整、正负迁移、量程调整、
阻尼调整等功能。
电路包括电容－电流转换电路及放大电路两部分
转换放大部分电路原理方框图
Ci1 Ci2
量程调整 （负反馈）
是一种变压器反馈型
振荡电路，其振荡频
率由检测电容和变压
器次级绕组的电感决
定。
U01
L
C
R29
VT1
C19
振荡器的输出幅值由
控制放大器 IC1 的输 出电压决定。
C20 R30
解调和振荡控制电路 (包括解调器和振荡控制电路)
解调(即相敏整流)后输出两组电流信号 ：差动信号 和共模信号，使后者保持不变，可得
l0 Kf lf
F0
KP Pi
l'
F 0
'
l1A 0
l0 Kf lf
F0
(2-6)
零点迁移原则：零点迁移后被测差压的上限不能超过该表所规定 的上限值，迁移后的最小量程不得小于该表的最小量程。 b.静压调整和过载保护装置： 作用：克服变送器的静压误差和过载时起保护作用。
⑤ 静压调整和过载保护装置、平衡锤
方法：改变反馈部分反馈系数
改变测量部分转换系数
零点调整和零点迁移都是使变送器的输出信号下限值 ymin与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin= 0时，称 为零点调整，在xmin≠ 0时，称为零点迁移。
零点调整使变送器测量起始点为零；零点迁移是把测量起 始点由零迁移到某一数值。当测量起始点由零变为某一正 值，称正迁移；而由零变为某一负值，称为负迁移。 实现方法：改变调零信号Z0
差动信号
振荡器
解调器
IC1 振荡控制
放大器
－
基准
共 模 信 号
稳压 源
电压
－
＋
IC3
功放和 输出限制 E ＋
前置放大器
12～45V －
调零及 零点迁移
I0
4～20mA
RL
1.电容－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电流 信号 (电流变化值)。
振荡器 包括VT1、T1等，向Ci1和Ci2提供高频电源
Io = K3K4
Ci2-Ci1 Ci2+Ci1
+ K4K5 ( UA- aUVZ1)
式中： K4 =
Ri
Rf
，K5 =
1 Ri
，、a为分压系数。
R31 R33
d RP3
I0
RP31 c
VZ1
RP21
B
RP2
RP22 R36
U0’
R0’
VZ1
R34 If
B
Uf Rf
调零和调量程电路
输出限制电路(包括VT2、 R18等)
I1
线性调整电路(包括VD9、VD10、R22、R23、RP1等)
检测元件中分布电容的存在，使差动电容的相对变 化值减小，造成非线性误差，故设计了线形调整电 路。
电路通过提高振荡 器输出电压幅度以 增大解调器输出电 流的方法，来补偿 分布电容所产生的 非线性误差。
补偿电压大小取决 于RP1的阻值。
Vos 0.3V / c
R7：稳定振荡管输入电压。 C3、C6：高频旁路电容，可减小交流分量。 D9：防止电源反接。
位移检测放大器总图及本安防爆措施见下：
限流
两线制
限能
负载
二、电容式差压变送器 （一）概述
调零、迁移信号
Ci2 Ci1
Pi
S
感压
差动
Ci 2
Ci1
电容-电流
I 2＋
I1
放大和输
I0
膜片
电容
转换电路
－ 出限制电路
可实现3:1的量程调整
（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4~20mA的直流输出电流。
由差动变压器、低频振荡器、整流滤波电路、功率 放大器组成。
构成方框图
1.差动变压器
检测片
S
C
A
上罐形磁芯
D
B
下罐形磁芯
差动变压器的结构
差动变压器原理图
2.低频振荡器
振荡器电路
当输出电流超过允许值时，R18上压降变大，使VT2 的集电极电位降低，从而使该管处于饱和状态，流 过VT2(也即VT4)的电流受到限制(Io不超过30mA)。
其它元件的作用
R38、R39、C22和RP4构成阻尼电路，抑制变送器的输 出波动，RP4用来调整阻尼时间。 VD12在指示仪表未接同时，为输出电流提供通路, 同 时起反向保护作用。
10
3 C5
C4
1 C3
12
R22
VD9
RP1 VD10
C8 IC1 Ui3
R23
2.放大及输出限制电路
将电流信号 Ii 放大，并输出4 ~ 20mA的直流电流。
R31
R33
VD12
d RP3
Ii
If
I0
RP31 c
R18
24~45V
VZ1 RP21
RP2 RP22 R36
VD11
R20
R10
C11 S
y
K 1 KF
(Cx
z0
)
KF 1
1 y F (Cx z0 )
➢ 量程调整、零点调整和零点迁移
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ymax与测量范围的上限值xmax相对应。
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。
差压变送器
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
pi
测量部分
Fi
杠杠系统
Ff
位移检测
I0
放大器
电磁反馈 机构系统
变送器构成方框图
（二）工作原理和结构
1. 工作原理
Fo
△Pi A Fi l1/l2 F1 tan