讲得最透彻的电容式差压变送器原理(带图)

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1、电容—电流转换电路
电容-电流转换电路的功能 是将差动电容的相对变化 值成比例地转换为差动电 流信号 (即电流变化值)。
(1)振荡器 振荡器用来向 差动电容Ci1、Ci2提供高频 电流,它由晶体管BG1、变 压 器 T1 及 一 些 电 阻 、 电 容 组成。振荡器电路如右图 所示。在电路设计时,只 要适当选择电路元件的参 数,便可满足振荡条件。
当振荡器输出为负半周时,即同名端为负时,D1、D5和D4 、D8导通而D2、D6和D3、D7截止,线圈L1-12产生的电压经 如下路径形成电流i2 :
L1-12 R7 R9 C17 Ci2 D1、D5L1-12
同时线圈L2-11产生的电压经如下路径形成电流i1 : L2-11 RiC11 C17 Ci1 D4、D8 L2-11
(Ci2- Ci1)/(Ci2+ Ci1)= K1K2pi
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应当指出,在上述的讨论中,并没有考虑到分布电 容的影响。事实上,由于分布的电容C0的存在,差动 电容的相对变化量变为:
(C i2C 0)(C i1C 0) C i2C i1 (C i2C 0)(C i1C 0) C i2C i12C 0
分布电容的存在将会给变送器带来非线性误差,为 了保证仪表的精度,应在转换电路中加以克服。
(二)转换和放大电路
转换和放大电路的作用是将上述差动电容的相对变化 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。其原理 框图如下页图所示。
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Ci1 Ci2
振荡器
容量约为150~17OpF。
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1-隔离膜片;2,7-固定弧形电极;3-硅油;4-测量 膜片;5-玻璃层;6-底座
电容式差压变送器测量部件 精品课件
当被测差压pi通过正、负 压侧导压口引入正、负压室 ,作用于正、负压侧隔离膜 片上时,迫使硅油向右移动 ,将压力传递到中心感压膜
片的两侧,使膜片向右产生 微小位移S,如图所示。输 入差压pi与中心感压膜片 位移S的关系可表示为: S =K1pi
第六节 电容式差压变送器
一、有关变送器的常识
变送器是现场仪表,其输
出信号送至控制室中,而
它的供电又来自控制室。
变送器的信号传送和供电 变送器
方式通常有如下两种:
1 四线制传输
现场 四线传输
供电电源和输出信号分别
用两根导线传输,如右图
所示。图中的变送器称为
四线制变送器。
电源 装置
接收 仪表 控制室
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(i)解调器
它用于对差动电容Ci1和Ci2的高频电流进行半波整流。
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当振荡器输出为正半周时,即同名端为正时,D2、D6和D3、 D7导通而D1、D5和D4、D8截止,线圈L2-11产生的电压经如 下路径形成电流i2:
L2-11D2、D6Ci2C17RiC11L2-11
同时线圈L3-10产生的电压经如下路径形成电流i1 : L3-10D3、D7Ci1C17R6 R8L3-10
一个典型的变送器的主要性能指标如下: (1)基本误差 有0.25%,0.35%,0.5%三 种; (2)输出信号 4~20mA(DC)(两线制) (3)负载电阻 0~600(在24V(DC)供电时),
0~1650(在45V(DC)供电时)。 (4)电源电压 12~45V(DC),一般为24V(DC)。
T
1
R29
5
7
Vo1
BG1
C19
6
C20
9
R30 振荡器原理图
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振荡器由放大器IC1的输出电压Vo1供电,从而使IC1能 控制振荡器的输出幅度。
(2)解调和振荡控制电路
这部分电路包括解调器和振荡控制放大器。前者主要 由二极管D1~D8构成,后者即为集成运算放大器IC1。 电路原理见下页图。
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各种电容式压力变送器外形图
电子线 路位置
低压侧 进气口
高压侧 进气口
内部不锈钢膜片的位置
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各种电容式压力变送器外形图
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各种电容式压力变送器外形图
法兰
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变送器包括测量部分和转换放大电路两部分,其构成方 框如图所示。输入差压pi作用于测量部分的感压膜片, 使其产生位移,从而使感压膜片(即可动电极)与两固定 电极所组成的差动电容器之电容量发生变化。此电容变化 量由电容—电流转换电路转换成电流信号,电流信号与调 零信号的代数和同反馈信号进行比较,其差值送入放大电
由于电源与信号分别传送, 因此对电流信号的零点及 元器件的功耗无严格要求 。在该传输方式中,若变 送器的一个输出端与电源 装置的负端相连,也就成 了三线制传输。
2 两线制传输
变送器与控制室之间仅用两 根导线传输。这两根导线 既是电源线,又是信号线 ,如右图所示。图中的变 送器称为两线制变送器。
电源 装置
S1=S0+S,S2=S0-S 若不考虑边缘电场的影响,感压膜片与两边固定电 极构成的电容Ci1和Ci2,可近似地看成是平板电容器 。其电容量分别为:
Ci1=A/(S0+S) Ci2 =A/(S0-S) 式中为极板间介质的介电常数; A为固定极板的面积。
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经过数学推导得出: (Ci2- Ci1)/(Ci2+ Ci1) = S/S0=K2S
当满足深度负反馈的条件,即KF>>l时,上式变为:
Y CXZ0 F
上式表明,在KF>>l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精持品课良件 好的线性关系。
变送器的输入输出特性示于 右图,xmax和xmin分别为被测 参数的上限值和下限值,也 即变送器测量范围的上、下 限值 (图中xmin=0),ymax和ymin 分别为输出信号的上限值和 下限值。它们与统一标准信 号的上、下限值相对应。
振荡器 T1
C17
I2
12 1
D1 D5
Vo1
IC1+- C8
Vi1 Vi2
R9 R7 RV8R R6
I2 Ri 11
2
I1
C11
10
3
I2 D2D4 D6D8
I1
I1
D3
D7
解调和振荡控制电路图
i2
Ci2 Ci1
i1
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图中Ri为并在电容C11两端的等效电阻。VR是运算放大 器IC2的输出电压。由电路总图可知,此电压是稳定不 变的,它作为IC1输入端的基准电压源。 IC1的输出电 压Vo1作为振荡器的电源电压。变压器T1的三个绕组 (L1-12、L2-11、L3-10)分别与一些二极管和差动电容串接 在电路中。由于差动电容器的容量很小,其值远远小 于C11和C17, 因此在振荡器输出幅度恒定的情况下,通 过Ci1和Ci2的电流的大小,主要取决于这两个电容的容 量。
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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。 变送器零点调整和零点迁移可通过改变调零信号z0的 大小来实现。当z0为负时可实现正迁移;而当z0为正 时则可实现负迁移。
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二、电容式差压变送器
(见教材P142~P146) 电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器,它采用 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 ,因此仪表结构简单,性能稳定、可靠,且具有较高 的精度。
K2=1/S0 上式表明: (a)差动电容的相对变化量(Ci2- Ci1)/(Ci2+ Ci1)与S 成线性关系,因此转换放大部分应将这一相对变化值 变换为直流电流信号。 (b) (Ci2- Ci1)/(Ci2+ Ci1)与介电常数无关。这一点 非常重要,因为是随温度变化的,现不出现在式中 ,无疑可大大减小温度对变送器的影响。 (c) (Ci2- Ci1)/(Ci2+ Ci1)与S0有关。S0愈小,差动电 容的相对变化量愈大,即灵敏度愈高。
式中Kl为由膜片材料特性和 结构参数所确定的系数。
S0
S0
S
Ci1
Ci2
S1
S2
差动电容变化示意图
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设中心感压膜片与两边固定电极之间的距离分别为 S1和S2 。当被测差压pi=0时,中心感压膜片与两边 固定电极之间的距离相等。设其间距为SO,则 S1=S2=S0。当被测差压pi不等于0时,中心感压膜片 产生位移S。此时有:
通过改变反馈系数F的大小来 ymin
实现的。F大,量程就大;F
0
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。
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xmax
xmax x
(2) 零点调整和零点迁移
零点调整和零点迁移的目的,都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。即当 x=xmin时,使y=ymin。在xmin=0时,为零点调整,在xmin不 等于时,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由 零迁移到某一数值 (正值或负值)。
反馈部分
馈部分则把变送器的输出信
F
号y转换成反馈信号zf,再回 送至输入端。zi与调零信号z0 的代数和同反馈信号zf进行比 较,其差值送入放大器进放
大,并转换成标准输出信号y

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由下图可以求得变送器输出与输入之间的关系为:
Y K(CXZ0) 1KF
式中,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。
4 量程调整、零点调整和零点 迁移 变送器涉及的另一个共性问 题是量程、零点调整和零点 迁移。
y ymax
ymin 0xmin
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Xmax x
(1) 量程调整
量程调整 (即满度调整)的
y
目的是使变送器输出信号的
ymax
上限值ymax与测量范围的上限
值xmax相对应。即当x=xmax时
,使y=ymax。量程调整通常是
路,经放大得到整机的输出电流I0。
调零 零点迁移
电容
电源
ΔPi
感压膜片
位移
差动电容
变化
电容-电流 信号+ 转换电路
_
放大和输出 限制电路
Io
反馈
信号
测量部分
转换放大部分
反馈电路
电容式差压变送器构成方框图
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(一)测量部分(部件)
测量部分的作用是把被测差压pi转换成电容量的变 化。它由正、负压测量室和差动电容检测元件(膜 盒)等部分组成,其结构如图所示。 差动电容检测元件包括中心感压膜片11,(即可动电 极),正、负压侧弧形电极12、10(即固动电极), 电极引线1、2、3,正、负压侧隔离膜片14、8和基 座13、9等。在检测元件的空腔内充有硅油,用以 传递压力。感压膜片和其两边的正·负压侧弧形电 极形成电容Ci1和Ci2。无差压输入时,Ci1=Ci2,其电
变送器
接收 R仪表
现场
控制室
两线传输
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采用两线制变送器不仅可节省大量电缆线和安装费 用,而且有利于安全防爆。因此这种变送器得到了 较快的发展。 要实现两线制变送器,必须采用活零点的电流信号 。由于电源线和信号线公用,电源供给变送器的功 率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流为下 限值时,应保证它内部的半导体器件仍能正常工作 。因此,信号电流的下限值不能过低。国际统一电 流信号采用4~2OmA(DC),为制作两线制变送器创造 了条件。
差动电容器Ci1、Ci2由振荡器供电,经解调 (即相敏整 流)后,输出两组电流信号:一组为差动信号;另一组 为共模信号。差动信号随输入差压pi而变化,此信号 与调零及调量程信号(即反馈信号)迭加后送入运算放大 器IC3,再经功放和限流得到4~2OmA的输出电流。共模信 号与基准电压进行比较,其差值经IC1放大后,去作为 振荡器的供电,从而使共模信号保持不变。下面的分析 将证实,当共模信号为常数时,能保证差动信号与输入 差压之间成单一的比例关系。转换放大部分的完整电路 图最后给出。
解调器 差动信号 共模信号
IC1
-
稳压源
量程调整 (负反馈)
+
IC3
+ 功放和 输出限制
前置放大器
调零及 零点迁移
RL
E
12-45V
Io 4-20mA
基准电压
转换放大电路原理框图
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该电路包括电容-电流转换电路及放大电路两部分。它 们分别由振荡器、解调器、振荡控制放大器以及前置放 大器、调零与零点迁移电路、量程调整电路 (负反馈电 路)、功放与输出限的构成原理
许多模拟变送器的构成方
框图见右图,它包括测量部
分(即输入转换部分)、放
大器和反馈部分。测量部分
调零 零点迁移
用以检测被测参数x,并将其 转换成能被放大器接受的输
X 测量部分 zi+ z0 放大器
y
C
_
K
入信号zi(电压、电流、位移
zf
、作用力或力矩等信号)。反
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