S第十一章變送單元0802

1、11變送單元v 變送單元在控制系統(tǒng)中起著重要的作用，它將各種過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以供系統(tǒng)顯示或進(jìn)行下一步的調(diào)整控制所用。在任何系統(tǒng)的自動(dòng)控制中變送器都是首要環(huán)節(jié)和重要組成部分，因?yàn)橹挥蝎@得了精確和可靠的過程參數(shù)，才能進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而才能實(shí)現(xiàn)滿意的控制效果。v 按被測(cè)量參數(shù)劃分，變送器可分為壓力變送器、差壓變送器、溫度變送器、流量變送器、液位變送器和濕度變送器等。本章首先討論變迭器的構(gòu)成和工作原理，然后結(jié)合典型的差壓變送器和溫度變送器實(shí)例，從變送器發(fā)展過程的角度進(jìn)行功能分析。微電子技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，使得變送器從原理和實(shí)現(xiàn)上都有

2、了新的發(fā)展，本章在分析常規(guī)變送器的基礎(chǔ)上，還將結(jié)合幾種新型變送器簡(jiǎn)要分析變送器的發(fā)展趨勢(shì)。111常用變送器工作原理v 1111常用變送器結(jié)構(gòu)分析 縱觀各種常用變送器，其工作可分為基于閉環(huán)和開環(huán)兩種模式，因而其結(jié)構(gòu)亦按這兩種方式劃分。1112力矩平衡式原理 基于力矩平衡式的變送器，其工作原理的核心就在于如何將各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成等效的力矩，井測(cè)量出這些力矩達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)所產(chǎn)生的微小位移，以備變送器進(jìn)行放大和后處理。1113橋式電路原理v根據(jù)橋式電路的特性可知1114差動(dòng)方式原理差動(dòng)式原理主要用于開環(huán)模式的變送器112典型差壓變迭器v11.2.1. 它主要由機(jī)械傳遞部分的雙杠釬平衡機(jī)構(gòu)和電路部分的位移檢

3、測(cè)放大線路兩部分組成 由力矩平衡原理可知，以o n為支點(diǎn)的主杠桿有力矩平衡關(guān)系：以02為支點(diǎn)的副杠釬有力矩平衡關(guān)系vDDZ-型差壓計(jì)11.2.2.DDZ-型差壓變送器式中式中 輸入力；輸入力； 膜盒正、負(fù)壓室膜片的有效面積。膜盒正、負(fù)壓室膜片的有效面積。 （1 1）測(cè)量部分）測(cè)量部分 測(cè)量測(cè)量部分的作用，是把測(cè)量差壓部分的作用，是把測(cè)量差壓p p轉(zhuǎn)換成作用于主杠桿下端的輸入力。轉(zhuǎn)換成作用于主杠桿下端的輸入力。測(cè)量部分如圖測(cè)量部分如圖3 31515所示。所示。 之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：2211ApApFiiF21,AA使使 ，故，故dAAA21pAppAFddi)(21圖圖3 31515測(cè)量

4、部分的結(jié)構(gòu)原理圖測(cè)量部分的結(jié)構(gòu)原理圖返回目錄返回目錄（2 2）電磁反饋裝置）電磁反饋裝置 電磁反饋裝置的作用是把變送器的輸出電流電磁反饋裝置的作用是把變送器的輸出電流 轉(zhuǎn)換成作用于副杠轉(zhuǎn)換成作用于副杠桿的電磁反饋力桿的電磁反饋力 它由反饋動(dòng)圈和永久磁鋼組成，如圖它由反饋動(dòng)圈和永久磁鋼組成，如圖316所示。所示。 之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為： IfFWIBDFcf設(shè)設(shè) WBDKcf則則 IKFff式中式中 電磁反饋裝置的轉(zhuǎn)換系數(shù)；電磁反饋裝置的轉(zhuǎn)換系數(shù)； 永久磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度；永久磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度； 反饋動(dòng)圈的平均直徑；反饋動(dòng)圈的平均直徑； 反饋動(dòng)圈的匝數(shù)。反饋動(dòng)圈的匝數(shù)。 fKBcDW圖圖3

5、316 16 電磁反饋裝置的結(jié)構(gòu)原理圖電磁反饋裝置的結(jié)構(gòu)原理圖返回目錄返回目錄（3 3）放大器）放大器 放大器采用低頻位移檢測(cè)放大器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)位移放大器采用低頻位移檢測(cè)放大器，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)位移/ /電流轉(zhuǎn)換電流轉(zhuǎn)換器，把副杠桿上位移檢測(cè)片（銜鐵）的微小位移器，把副杠桿上位移檢測(cè)片（銜鐵）的微小位移S S轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成4 420mA20mA的直的直流輸出電流。流輸出電流。 低頻位移檢測(cè)放大器由差動(dòng)變壓器、低頻振蕩器、整流濾波電路低頻位移檢測(cè)放大器由差動(dòng)變壓器、低頻振蕩器、整流濾波電路及功率放大器組成，其原理線路圖如圖及功率放大器組成，其原理線路圖如圖3 31717所示，圖所示，圖3 318

6、18為其構(gòu)成為其構(gòu)成方框圖。方框圖。圖圖3 317 17 低頻位移檢測(cè)放大器原理線路圖低頻位移檢測(cè)放大器原理線路圖圖圖3 318 18 低頻位移檢測(cè)放大器構(gòu)成方框圖低頻位移檢測(cè)放大器構(gòu)成方框圖返回目錄返回目錄低頻振蕩器低頻振蕩器 差動(dòng)變壓器的作用是將位移檢測(cè)片（銜鐵）的位移差動(dòng)變壓器的作用是將位移檢測(cè)片（銜鐵）的位移S S轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào) ，參見圖，參見圖3 31717。ABu 下面先分析差動(dòng)變壓器。下面先分析差動(dòng)變壓器。 差動(dòng)變壓器由位移檢測(cè)片（銜鐵），上、下罐形磁心和四組線圈差動(dòng)變壓器由位移檢測(cè)片（銜鐵），上、下罐形磁心和四組線圈組成，如圖組成，如圖3 31919所

7、示，圖所示，圖3 32020為位為位差動(dòng)變壓器的原理圖。差動(dòng)變壓器的原理圖。圖圖3 319 19 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖圖圖3 320 20 差動(dòng)變壓器的原理圖差動(dòng)變壓器的原理圖返回目錄返回目錄整流濾波電路整流濾波電路 整流濾波電路電路如圖整流濾波電路電路如圖3 32222所示。所示。 功率放大器功率放大器 功率放大器采用了如圖功率放大器采用了如圖3 32323所示的互補(bǔ)型復(fù)合管放大所示的互補(bǔ)型復(fù)合管放大電路，它將輸入的電壓信號(hào)電路，它將輸入的電壓信號(hào) 轉(zhuǎn)換為變送器的輸出電流轉(zhuǎn)換為變送器的輸出電流 。 4RUI98RAB4CABU5C4R4RU圖圖3 322 22 整流整

8、流濾波電路濾波電路4RU4R3RLR5R+24V-I9VT10VT圖圖3 32323 功率放大器功率放大器返回目錄返回目錄（4 4）杠桿系統(tǒng)）杠桿系統(tǒng) 杠桿系統(tǒng)的作用是進(jìn)行力的傳遞杠桿系統(tǒng)的作用是進(jìn)行力的傳遞和力矩比較，它由主杠桿和力矩比較，它由主杠桿1 1、矢量機(jī)構(gòu)、矢量機(jī)構(gòu)2 2和副杠桿和副杠桿4 4三部分組成，如圖三部分組成，如圖3 32424所示所示。（5 5）整機(jī)特性）整機(jī)特性 綜合以上分析，可得出綜合以上分析，可得出DDZDDZ型型差壓變送器的整機(jī)方塊圖，如圖差壓變送器的整機(jī)方塊圖，如圖3 32525所示。所示。 iFipdA21ll1Ftan2F3liMMC1slSkIfKflf

9、M_圖圖3 325 DDZ 25 DDZ 型差壓變送器的整機(jī)方塊圖型差壓變送器的整機(jī)方塊圖圖圖3 324 24 杠桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力圖杠桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力圖返回目錄返回目錄 由圖由圖3 32424可以求得在滿足條件時(shí)可以求得在滿足條件時(shí) ，矢量機(jī)構(gòu)，矢量機(jī)構(gòu)DDZDDZ型差壓型差壓變送器的輸出輸入變送器的輸出輸入關(guān)系如下關(guān)系如下1ffsKklclzffzpzffzffdFKllpKFKllpKllllAI231tan式中式中 變送器的比例系數(shù)，變送器的比例系數(shù)， 。 pKffdpKllllAK231tan（3 34 4） 由式由式（3 34 4）可以）可以看出以下幾點(diǎn)看出以下幾點(diǎn) 在滿足深度負(fù)反饋條件

10、下，變送器的輸出與輸入關(guān)系取決于測(cè)量在滿足深度負(fù)反饋條件下，變送器的輸出與輸入關(guān)系取決于測(cè)量部分和反饋部分的特性。部分和反饋部分的特性。FKllffz 式中式中 為調(diào)零項(xiàng)。為調(diào)零項(xiàng)。 改變改變 和和 可以改變變送器的比例系數(shù)可以改變變送器的比例系數(shù) 的大小，因此的大小，因此改變改變 或或 可以調(diào)整變送器的量程?？梢哉{(diào)整變送器的量程。tanfKpKtanfK 調(diào)整量程會(huì)影響變送器的零點(diǎn)，因此膜盒式差壓變送器在調(diào)較時(shí)，調(diào)整量程會(huì)影響變送器的零點(diǎn)，因此膜盒式差壓變送器在調(diào)較時(shí)，零點(diǎn)和量程要反復(fù)調(diào)整。零點(diǎn)和量程要反復(fù)調(diào)整。返回目錄返回目錄 1123差動(dòng)電容式差壓變送器v 差動(dòng)電容式變送器是一種沒有傳動(dòng)

11、杠桿的兩線制差壓變送器，主要由測(cè)量元件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分組成。 根據(jù)彈性的基本原理可知，2RI量元件兩例的壓差與可移動(dòng)極板的位移呈線性關(guān)系，即 v根據(jù)平板電容原理可有：113典型溫度交迭器v11.3.1.v11.3.1.1熱電偶輸入電路11312直流毫伏輸入電路v溫度變送器亦可作為直流毫 伏變送器使用，以便將其他 相當(dāng)于熱電勢(shì)的直流毫伏信 號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一標(biāo)難的010mA 電流輸出。 11313熱電阻輸入電路11.3.2.DDZ-型溫度變送器v 11321直流毫伏輸入電路 直流毫伏變送器的輸人電路由輸人、調(diào)零和反饋三部分環(huán)節(jié)組成，如圖1122所示，分別完成輸入情號(hào)的接收、變送器零點(diǎn)的調(diào)整和反饋信

12、號(hào)與輸人情號(hào)的合成。11322熱電偶輸入電路v熱電偶輸入電路只是為適應(yīng)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償?shù)男枰陔娮柚籊的橋臀上增加了銅電阻Rcu，因而將調(diào)零環(huán)節(jié)移到了橋路的另一例。由于熱電偶的特性是非線性的，需要在反饋回路中設(shè)計(jì)用于補(bǔ)償?shù)姆蔷€性環(huán)節(jié)，以提供線性化的獨(dú)入輸出特性。11323熱電阻榆入電路v 熱電阻溫度變送器仍 由輸入、調(diào)零和反饋 三部分環(huán)節(jié)組成 114新型變送器淺析v 1141新型變送器發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代變送器的首要特征就是小型化，包括測(cè)量元件的小型化，傳遞機(jī)構(gòu)的小型化，調(diào)制及功率放大的小型化等。 微電子技術(shù)的出現(xiàn)，給變送器的發(fā)展提出了新的課題。它可以取代傳統(tǒng)的力矩杠桿系統(tǒng)，同時(shí)在測(cè)量元件的

13、制作上也有了全新的突破。 變送器儀表的集成化是另一重要發(fā)展趨勢(shì)。集成化的前提是電子化，它不僅包括將多個(gè)單元集成于體，如將輸入電路、信號(hào)調(diào)制、功率放大、線性化處理、通訊功率等模塊均集成在一片芯片上，從而極大地縮小變送器電子電路的體積，更好地保證其性能的穩(wěn)定；同時(shí)也應(yīng)包括測(cè)量元件自身和與外界連接的集成。 總之，小型化、電子化、結(jié)果可提供更為可靠的性能、網(wǎng)絡(luò)化和集成化是變送器的必然發(fā)展趨勢(shì)。其更為緊湊的結(jié)構(gòu)、更為靈活的連接和更為方便的維護(hù)。v11.4.2. 微電子式變送器 11422硅諧振差壓變送器v硅諧很差壓變送器 硅諧振差壓變送器的基本工作原理如圖1131中的(a)所示。1143數(shù)字式變送器v隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種智能型的差壓和溫度變送器。 數(shù)字式交送器的核心是微處理器，因而要求各種信號(hào)在變送器內(nèi)部進(jìn)行交換和處理時(shí)均采用數(shù)字信號(hào)方式。微處理器的處理功能般包括檢測(cè)信號(hào)的線性化處邵、量程調(diào)整、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)白檢以及