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1、第六節(jié)第六節(jié) 電容式差壓變送器電容式差壓變送器一、有關(guān)變送器的常識一、有關(guān)變送器的常識變送器是現(xiàn)場儀表,其輸變送器是現(xiàn)場儀表,其輸出信號送至控制室中,而出信號送至控制室中,而它的供電又來自控制室。它的供電又來自控制室。變送器的信號傳送和供電變送器的信號傳送和供電方式通常有如下兩種方式通常有如下兩種: 1 1 四線制傳輸四線制傳輸 供電電源和輸出信號分別供電電源和輸出信號分別用兩根導(dǎo)線傳輸,如右圖用兩根導(dǎo)線傳輸,如右圖所示。圖中的變送器稱為所示。圖中的變送器稱為四線制變送器。四線制變送器。 由于電源與信號分別傳送,由于電源與信號分別傳送,因此對電流信號的零點及因此對電流信號的零點及元器件的功耗無
2、嚴格要求。元器件的功耗無嚴格要求。在該傳輸方式中,若變送在該傳輸方式中,若變送器的一個輸出端與電源裝器的一個輸出端與電源裝置的負端相連,也就成了置的負端相連,也就成了三線制傳三線制傳輸。輸。2 2 兩線制傳輸兩線制傳輸 變送器與控制室之間僅用兩變送器與控制室之間僅用兩根導(dǎo)線傳輸。這兩根導(dǎo)線根導(dǎo)線傳輸。這兩根導(dǎo)線既是電源線,又是信號線,既是電源線,又是信號線,如右圖所示。圖中的變送如右圖所示。圖中的變送器稱為兩線制變送器。器稱為兩線制變送器。 采用兩線制變送器不僅可節(jié)省大量電纜線和安裝費采用兩線制變送器不僅可節(jié)省大量電纜線和安裝費用,而且有利于安全防爆。因此這種變送器得到了用,而且有利于安全防爆
3、。因此這種變送器得到了較快的發(fā)展。較快的發(fā)展。 要實現(xiàn)兩線制變送器,必須采用活零點的電流信號。要實現(xiàn)兩線制變送器,必須采用活零點的電流信號。由于電源線和信號線公用,電源供給變送器的功率由于電源線和信號線公用,電源供給變送器的功率是通過信號電流提供的。在變送器輸出電流為下限是通過信號電流提供的。在變送器輸出電流為下限值時,應(yīng)保證它內(nèi)部的半導(dǎo)體器件仍能正常工作。值時,應(yīng)保證它內(nèi)部的半導(dǎo)體器件仍能正常工作。因此,信號電流的下限值不能過低。國際統(tǒng)一電流因此,信號電流的下限值不能過低。國際統(tǒng)一電流信號采用信號采用4 42OmA(DC)2OmA(DC),為制作兩線制變送器創(chuàng)造了,為制作兩線制變送器創(chuàng)造了條
4、件。條件。 許多模擬變送器的構(gòu)成方框許多模擬變送器的構(gòu)成方框圖見右圖,它包括圖見右圖,它包括測量部分測量部分(即輸入轉(zhuǎn)換部分)、放大(即輸入轉(zhuǎn)換部分)、放大器和反饋部分。測量部分用器和反饋部分。測量部分用以檢測被測參數(shù)以檢測被測參數(shù)x,x,并將其轉(zhuǎn)并將其轉(zhuǎn)換成能被放大器接受的輸入換成能被放大器接受的輸入信號信號z zi i( (電壓、電流、位移、電壓、電流、位移、作用力或力矩等信號作用力或力矩等信號) )。反饋。反饋部分則把變送器的輸出信號部分則把變送器的輸出信號y y轉(zhuǎn)換成反饋信號轉(zhuǎn)換成反饋信號z zf f,再回送至,再回送至輸入端。輸入端。z zi i與調(diào)零信號與調(diào)零信號z z0 0的代的
5、代數(shù)和同反饋信號數(shù)和同反饋信號z zf f進行比較,進行比較,其差值其差值 送入放大器進放大,送入放大器進放大,并轉(zhuǎn)換成標準輸出信號并轉(zhuǎn)換成標準輸出信號y y。3 許多模擬變送器的構(gòu)成原理許多模擬變送器的構(gòu)成原理 由下圖可以求得變送器輸出與輸入之間的關(guān)系為由下圖可以求得變送器輸出與輸入之間的關(guān)系為: : 式中,式中,K K放大器的放大系數(shù);放大器的放大系數(shù); F F反饋部分的反饋系數(shù);反饋部分的反饋系數(shù); C C測量部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)。測量部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 當滿足深度負反饋的條件,即當滿足深度負反饋的條件,即KFlKFl時,上式變?yōu)闀r,上式變?yōu)? : 上式表明,在上式表明,在KFlKFl的條件下,
6、變送器輸出與輸入之間的的條件下,變送器輸出與輸入之間的關(guān)系取決于測量部分和反饋部分的特性,而與放大器的關(guān)系取決于測量部分和反饋部分的特性,而與放大器的特性幾乎無關(guān)。如果轉(zhuǎn)換系數(shù)特性幾乎無關(guān)。如果轉(zhuǎn)換系數(shù)C C和反饋系數(shù)和反饋系數(shù)F F是常數(shù),則是常數(shù),則變送器的輸出與輸入將保持良好的線性關(guān)系。變送器的輸出與輸入將保持良好的線性關(guān)系。FZCXY0KFZCXKY1)(0 變送器的輸入輸出特性示于變送器的輸入輸出特性示于右圖,右圖,x xmaxmax和和x xminmin分別為被測分別為被測參數(shù)的上限值和下限值,也參數(shù)的上限值和下限值,也即變送器測量范圍的上、下即變送器測量范圍的上、下限值限值 (
7、(圖中圖中x xminmin=0),y=0),ymaxmax和和y yminmin分別為輸出信號的上限值和分別為輸出信號的上限值和下限值。它們與統(tǒng)一標準信下限值。它們與統(tǒng)一標準信號的上、下限值相對應(yīng)。號的上、下限值相對應(yīng)。4 4 量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移遷移變送器涉及的另一個共性問變送器涉及的另一個共性問題是量程、零點調(diào)整和零點題是量程、零點調(diào)整和零點遷移。遷移。(1) (1) 量程調(diào)整量程調(diào)整 量程調(diào)整量程調(diào)整 ( (即滿度調(diào)整即滿度調(diào)整) )的的目的是使變送器輸出信號的目的是使變送器輸出信號的上限值上限值y ymaxmax與測量范圍的上限與測量范圍的上限值值x
8、xmaxmax相對應(yīng)。即當相對應(yīng)。即當x=xx=xmaxmax時,時,使使y=yy=ymaxmax。量程調(diào)整通常是通。量程調(diào)整通常是通過改變反饋系數(shù)過改變反饋系數(shù)F F的大小來實的大小來實現(xiàn)的?,F(xiàn)的。F F大,量程就大;大,量程就大;F F小,小,量程就小。有些變送器還可量程就小。有些變送器還可以通過改變轉(zhuǎn)換系數(shù)以通過改變轉(zhuǎn)換系數(shù)C C來調(diào)整來調(diào)整量程。量程。(2) 零點調(diào)整和零點遷移零點調(diào)整和零點遷移零點調(diào)整和零點遷移的目的,都是使變送器輸出信號零點調(diào)整和零點遷移的目的,都是使變送器輸出信號的下限值的下限值ymin與測量范圍的下限值與測量范圍的下限值xmin相對應(yīng)。即當相對應(yīng)。即當x=xmi
9、n時,使時,使y=ymin。在。在xmin=0時,為零點調(diào)整時,為零點調(diào)整,在在xmin不等于時,為零點遷移。也就是說,零點調(diào)整使變送不等于時,為零點遷移。也就是說,零點調(diào)整使變送器的測量起始點為零,而零點遷移則是把測量起始點器的測量起始點為零,而零點遷移則是把測量起始點由零遷移到某一數(shù)值由零遷移到某一數(shù)值 (正值或負值正值或負值)。 當測量起始點由零變?yōu)槟骋徽?,稱為正遷移;反之,當測量起始點由零變?yōu)槟骋徽担Q為正遷移;反之,當測量起始點由零變?yōu)槟骋回撝?,稱為負遷移。當測量起始點由零變?yōu)槟骋回撝?,稱為負遷移。 變送器零點調(diào)整和零點遷移可通過改變調(diào)零信號變送器零點調(diào)整和零點遷移可通過改變調(diào)零
10、信號z z0 0的的大小來實現(xiàn)。當大小來實現(xiàn)。當z z0 0為負時可實現(xiàn)正遷移;而當為負時可實現(xiàn)正遷移;而當z z0 0為正時為正時則可實現(xiàn)負遷移。則可實現(xiàn)負遷移。 二、電容式差壓變送器二、電容式差壓變送器 ( (見教材見教材P142P142P146)P146)電容式差壓變送器是沒有杠桿機構(gòu)的變送器,它采用電容式差壓變送器是沒有杠桿機構(gòu)的變送器,它采用差動電容作為檢測元件,整個變送器無機械傳動、調(diào)差動電容作為檢測元件,整個變送器無機械傳動、調(diào)整裝置,并且測量部分采用全封閉焊接的固體化結(jié)構(gòu),整裝置,并且測量部分采用全封閉焊接的固體化結(jié)構(gòu),因此儀表結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定、可靠,且具有較高的因此儀表結(jié)構(gòu)
11、簡單,性能穩(wěn)定、可靠,且具有較高的精度。精度。一個典型的變送器的主要性能指標如下:一個典型的變送器的主要性能指標如下:(1)基本誤差)基本誤差 有有 0.25%, 0.35%, 0.5%三三 種;種;(2)輸出信號)輸出信號 420mA(DC)(兩線制兩線制)(3)負載電阻)負載電阻 0600 (在(在24V(DC)供電時),供電時), 01650 (在(在45V(DC)供電時)。供電時)。(4)電源電壓)電源電壓 1245V(DC),一般為一般為24V(DC)。高壓側(cè)高壓側(cè)進氣口進氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進氣口進氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置各種電容式壓力變送器
12、外形圖各種電容式壓力變送器外形圖各種電容式壓力變送器外形圖各種電容式壓力變送器外形圖法蘭法蘭各種電容式壓力變送器外形圖各種電容式壓力變送器外形圖 變送器包括測量部分和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分,其構(gòu)成方變送器包括測量部分和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分,其構(gòu)成方框如圖所示。輸入差壓框如圖所示。輸入差壓 p pi i作用于測量部分的感壓膜片,作用于測量部分的感壓膜片,使其產(chǎn)生位移,從而使感壓膜片(即可動電極)與兩固定使其產(chǎn)生位移,從而使感壓膜片(即可動電極)與兩固定電極所組成的差動電容器之電容量發(fā)生變化。此電容變化電極所組成的差動電容器之電容量發(fā)生變化。此電容變化量由電容量由電容電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號,電流信號
13、與調(diào)電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號,電流信號與調(diào)零信號的代數(shù)和同反饋信號進行比較,其差值送入放大電零信號的代數(shù)和同反饋信號進行比較,其差值送入放大電路,經(jīng)放大得到整機的輸出電流路,經(jīng)放大得到整機的輸出電流I I0 0。 (一)測量部分(部件)(一)測量部分(部件) 測量部分的作用是把被測差壓測量部分的作用是把被測差壓 p pi i轉(zhuǎn)換成電容量的變轉(zhuǎn)換成電容量的變化?;K烧⒇搲簻y量室和差動電容檢測元件(膜它由正、負壓測量室和差動電容檢測元件(膜盒)等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖所示。盒)等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖所示。 差動電容檢測元件包括中心感壓膜片差動電容檢測元件包括中心感壓膜片1111,( (即可動
14、電即可動電極極) ),正、負壓側(cè)弧形電極,正、負壓側(cè)弧形電極1212、1010(即固動電極(即固動電極) ),電極引線電極引線1 1、2 2、3 3,正、負壓側(cè)隔離膜片,正、負壓側(cè)隔離膜片1414、8 8和基和基座座1313、9 9等。在檢測元件的空腔內(nèi)充有硅油,用以等。在檢測元件的空腔內(nèi)充有硅油,用以傳遞壓力。感壓膜片和其兩邊的正傳遞壓力。感壓膜片和其兩邊的正負壓側(cè)弧形電極負壓側(cè)弧形電極形成電容形成電容C Ci1i1和和C Ci2i2。無差壓輸入時,。無差壓輸入時,C Ci1i1=C=Ci2i2,其電容,其電容量約為量約為15015017OpF17OpF。電容式差壓變送器測量部件電容式差壓變
15、送器測量部件1-1-隔離膜片;隔離膜片;2 2,7-7-固定弧形電極;固定弧形電極;3-3-硅油;硅油;4-4-測量測量膜片;膜片;5-5-玻璃層;玻璃層;6-6-底座底座 當被測差壓當被測差壓 p pi i通過正、負通過正、負壓側(cè)導(dǎo)壓口引入正、負壓室,壓側(cè)導(dǎo)壓口引入正、負壓室,作用于正、負壓側(cè)隔離膜片作用于正、負壓側(cè)隔離膜片上時,迫使硅油向右移動,上時,迫使硅油向右移動,將壓力傳遞到中心感壓膜片將壓力傳遞到中心感壓膜片的兩側(cè),使膜片向右產(chǎn)生微的兩側(cè),使膜片向右產(chǎn)生微小位移小位移 S S,如圖所示。輸入,如圖所示。輸入差壓差壓 p pi i與中心感壓與中心感壓膜片位膜片位移移 S S的關(guān)系可表
16、示為:的關(guān)系可表示為: S S =K=K1 1 p pi i 式中式中K Kl l為由膜片材料特性和為由膜片材料特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)所確定的系數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)所確定的系數(shù)。 設(shè)中心感壓膜片與兩邊固定電極之間的距離分別為設(shè)中心感壓膜片與兩邊固定電極之間的距離分別為S S1 1和和S S2 2 。當被測差壓。當被測差壓 p pi i=0=0時,時,中心感壓膜片與兩邊固中心感壓膜片與兩邊固定電極之間的距離相等。設(shè)其間距為定電極之間的距離相等。設(shè)其間距為S SO O,則,則S S1 1=S=S2 2=S=S0 0。當被測差壓當被測差壓 p pi i不等于不等于0 0時,中心感壓時,中心感壓膜片產(chǎn)生位移膜片產(chǎn)生位
17、移 S S。此時有:。此時有: S S1 1=S=S0 0+ + S S,S S2 2=S=S0 0- - S S若不考慮邊緣電場的影響,若不考慮邊緣電場的影響,感壓膜片與兩邊固定電感壓膜片與兩邊固定電極構(gòu)成的電容極構(gòu)成的電容C Ci1i1和和C Ci2i2,可近似地看成是平板電容器。,可近似地看成是平板電容器。其電容量分別為:其電容量分別為: C Ci1i1= = A/(A/(S S0 0+ + S)S) C Ci2 i2 = = A/(A/(S S0 0- - S) S) 式中式中 為極板間介質(zhì)的介電常數(shù);為極板間介質(zhì)的介電常數(shù);A A為固定極板的面積。為固定極板的面積。 經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出
18、:經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出: (C(Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1) ) = = S/S/S S0 0=K=K2 2 S S K K2 2=1/S=1/S0 0上式表明:上式表明:(a)(a)差動電容的相對變化量差動電容的相對變化量(C(Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1) )與與 S S 成線性關(guān)系,因此轉(zhuǎn)換放大部分應(yīng)將這一相對變化值成線性關(guān)系,因此轉(zhuǎn)換放大部分應(yīng)將這一相對變化值變換為直流電流信號。變換為直流電流信號。(b) (C(b) (Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1)
19、)與與介電常數(shù)介電常數(shù) 無關(guān)。這一點非無關(guān)。這一點非常重要,因為常重要,因為 是隨溫度變化的,現(xiàn)是隨溫度變化的,現(xiàn) 不出現(xiàn)在式中,不出現(xiàn)在式中,無疑可大大減小溫度對變送器的影響。無疑可大大減小溫度對變送器的影響。(c) (c) (C(Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1) )與與S S0 0有關(guān)。有關(guān)。S S0 0愈小,愈小,差動電差動電容的相對變化量愈大,即靈敏度愈高。容的相對變化量愈大,即靈敏度愈高。 (C(Ci2i2- C- Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+ C+ Ci1i1)= K)= K1 1K K2 2 p pi i 應(yīng)當指出,在上述的討論
20、中,并沒有考慮到分布電應(yīng)當指出,在上述的討論中,并沒有考慮到分布電容的影響。事實上,由于分布的電容容的影響。事實上,由于分布的電容C C0 0的存在,的存在,差動差動電容的相對變化量變?yōu)椋弘娙莸南鄬ψ兓孔優(yōu)椋?分布電容的存在將會給變送器帶來非線性誤差,為分布電容的存在將會給變送器帶來非線性誤差,為了保證儀表的精度,應(yīng)在轉(zhuǎn)換電路中加以克服。了保證儀表的精度,應(yīng)在轉(zhuǎn)換電路中加以克服。2010212010210() ()() ()2iiiiiiiiCCCCCCCCCCCCC(二)轉(zhuǎn)換和放大電路(二)轉(zhuǎn)換和放大電路轉(zhuǎn)換和放大電路的作用是將上述差動電容的相對變化轉(zhuǎn)換和放大電路的作用是將上述差動電容的相
21、對變化轉(zhuǎn)換成標準的電流輸出信號。此外,還要實現(xiàn)零點調(diào)轉(zhuǎn)換成標準的電流輸出信號。此外,還要實現(xiàn)零點調(diào)整、正負遷移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。其原理整、正負遷移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。其原理框圖如下頁圖所示??驁D如下頁圖所示。轉(zhuǎn)換放大電路原理框圖轉(zhuǎn)換放大電路原理框圖 該電路包括電容該電路包括電容- -電流轉(zhuǎn)換電路及放大電路兩部分。它電流轉(zhuǎn)換電路及放大電路兩部分。它們分別由振蕩器、解調(diào)器、振蕩控制放大器以及前置放們分別由振蕩器、解調(diào)器、振蕩控制放大器以及前置放大器、調(diào)零與零點遷移電路、量程調(diào)整電路大器、調(diào)零與零點遷移電路、量程調(diào)整電路 ( (負反饋電負反饋電路路) )、功放與輸出限制電路等組成。
22、、功放與輸出限制電路等組成。 差動電容器差動電容器Ci1Ci1、Ci2Ci2由振蕩器供電,經(jīng)解調(diào)由振蕩器供電,經(jīng)解調(diào) ( (即相敏整即相敏整流流) )后,輸出兩組電流信號:一組為差動信號;另一組后,輸出兩組電流信號:一組為差動信號;另一組為共模信號。差動信號隨輸入差壓為共模信號。差動信號隨輸入差壓 pipi而變化,此信號而變化,此信號與調(diào)零及調(diào)量程信號與調(diào)零及調(diào)量程信號( (即反饋信號即反饋信號) )迭加后送入運算放大迭加后送入運算放大器器IC3,IC3,再經(jīng)功放和限流得到再經(jīng)功放和限流得到4 42OmA2OmA的輸出電流。共模信的輸出電流。共模信號與基準電壓進行比較,其差值經(jīng)號與基準電壓進行
23、比較,其差值經(jīng)IC1IC1放大后,去作為放大后,去作為振蕩器的供電,從而使共模信號保持不變。下面的分析振蕩器的供電,從而使共模信號保持不變。下面的分析將證實,當共模信號為常數(shù)時,能保證差動信號與輸入將證實,當共模信號為常數(shù)時,能保證差動信號與輸入差壓之間成單一的比例關(guān)系。轉(zhuǎn)換放大部分的完整電路差壓之間成單一的比例關(guān)系。轉(zhuǎn)換放大部分的完整電路圖最后給出。圖最后給出。1 1、電容、電容電流轉(zhuǎn)換電路電流轉(zhuǎn)換電路 電容電容- -電流轉(zhuǎn)換電路的功能電流轉(zhuǎn)換電路的功能是將差動電容的相對變化是將差動電容的相對變化值成比例地轉(zhuǎn)換為差動電值成比例地轉(zhuǎn)換為差動電流信號流信號 ( (即電流變化值即電流變化值) )。
24、 (1)(1)振蕩器振蕩器 振蕩器用來向振蕩器用來向差動電容差動電容C Ci1i1、C Ci2i2提供高頻提供高頻電流,它由晶體管電流,它由晶體管BGBG1 1、變、變壓器壓器T T1 1及一些電阻、電容及一些電阻、電容組成。振蕩器電路如右圖組成。振蕩器電路如右圖所示。在電路設(shè)計時,只所示。在電路設(shè)計時,只要適當選擇電路元件的參要適當選擇電路元件的參數(shù),便可滿足振蕩條件。數(shù),便可滿足振蕩條件。振蕩器原理圖振蕩器原理圖(2)解調(diào)和振蕩控制電路解調(diào)和振蕩控制電路這部分電路包括解調(diào)器和振蕩控制放大器。前者主要這部分電路包括解調(diào)器和振蕩控制放大器。前者主要由二極管由二極管D1D8構(gòu)成,后者即為集成運算
25、放大器構(gòu)成,后者即為集成運算放大器ICIC1 1。電路原理見下頁圖。電路原理見下頁圖。 振蕩器由放大器振蕩器由放大器ICIC1 1的輸出電壓的輸出電壓V Vo1o1供電,從而使供電,從而使ICIC1 1能能控制振蕩器的輸出幅度??刂普袷幤鞯妮敵龇?。 解調(diào)和振蕩控制電路圖解調(diào)和振蕩控制電路圖i2i1 圖中圖中R Ri i為并在電容為并在電容C C1111兩端的等效電阻。兩端的等效電阻。V VR R是運算放大是運算放大器器ICIC2 2的輸出電壓。由電路總圖可知,此電壓是穩(wěn)定不的輸出電壓。由電路總圖可知,此電壓是穩(wěn)定不變的,它作為變的,它作為ICIC1 1輸入端的基準電壓源。輸入端的基準電壓源。
26、 ICIC1 1的輸出電的輸出電壓壓V Vo1o1作為振蕩器的電源電壓。變壓器作為振蕩器的電源電壓。變壓器T T1 1的三個繞組的三個繞組 (L(L1-121-12、L L2-112-11、L L3-103-10) )分別與一些二極管和差動電容串接分別與一些二極管和差動電容串接在電路中。由于差動電容器的容量很小,其值遠遠小在電路中。由于差動電容器的容量很小,其值遠遠小于于C C1111和和C C1717, , 因此在振蕩器輸出幅度恒定的情況下,通因此在振蕩器輸出幅度恒定的情況下,通過過C Ci1i1和和C Ci2i2的電流的大小,主要取決于這兩個電容的容的電流的大小,主要取決于這兩個電容的容量
27、。量。(i i)解調(diào)器)解調(diào)器 它用于對差動電容它用于對差動電容C Ci1i1和和C Ci2i2的高頻電流進行半波整流。的高頻電流進行半波整流。當振蕩器輸出為負半周時,即同名端為負時,當振蕩器輸出為負半周時,即同名端為負時,D1、D5和和D4、D8導(dǎo)通而導(dǎo)通而D2、D6和和D3、D7截止,線圈截止,線圈L1-12產(chǎn)生的電產(chǎn)生的電壓經(jīng)如下路徑形成電流壓經(jīng)如下路徑形成電流i 2 :L2-11D2、D6Ci2C17Ri C11L2-11當振蕩器輸出為正半周時,即同名端為正時,當振蕩器輸出為正半周時,即同名端為正時,D2、D6和和D3、D7導(dǎo)通而導(dǎo)通而D1、D5和和D4、D8截止,線圈截止,線圈L2-
28、11產(chǎn)生的電產(chǎn)生的電壓經(jīng)如下路徑形成電流壓經(jīng)如下路徑形成電流i2:L3-10D3、D7Ci1C17R6 R8L3-10同時線圈同時線圈L3-10產(chǎn)生的電壓經(jīng)如下路徑形成電流產(chǎn)生的電壓經(jīng)如下路徑形成電流i1 :L L1 1- -12 12 R R7 7 R R9 9 C C17 17 C Ci2 i2 D D1 1、D D5 5L L1-121-12L L2 2- -11 11 R Ri i C C1111 C C17 17 C Ci1 i1 D D4 4、D D8 8 L L2-112-11同時線圈同時線圈L2-11產(chǎn)生的電壓經(jīng)如下路徑形成電流產(chǎn)生的電壓經(jīng)如下路徑形成電流i 1 : 根據(jù)電路條
29、件,差動電容的電容量很小,即它們的阻根據(jù)電路條件,差動電容的電容量很小,即它們的阻抗較大,其它電阻和電容的阻抗相對來說可忽略不計??馆^大,其它電阻和電容的阻抗相對來說可忽略不計。設(shè)線圈設(shè)線圈L L2 2- -1111、L L3 3- -1010、L L1-121-12電壓的峰值為電壓的峰值為U Um m,通過,通過C Ci1i1和和C Ci2i2的電流的峰值分別為的電流的峰值分別為I ICi2Ci2、I ICi1Ci1:半波整流的平均電流公式為半波整流的平均電流公式為I I整整=KI=KIm m=I=Im m/ / I ICi2Ci2= = C Ci2i2U Um m I ICi1Ci1= =
30、 C Ci1i1U Um m 為振蕩角頻率。為振蕩角頻率。 這樣半波整流電流分別為這樣半波整流電流分別為 I I2 2= = C Ci2i2U Um m/ / I I1 1= = C Ci1i1U Um m/ / I I 2 2= = C Ci2i2U Um m/ / I I 1 1= = C Ci1i1U Um m/ / (波形對稱的情況下)(波形對稱的情況下) I I2 2=I=I 2 2 I I1 1=I=I 1 1 (I(I2 2-I-I1 1)/(I)/(I2 2+I+I1 1)= )= (C(Ci2i2-C-Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+C+Ci1i1) ) 流過流過R Ri
31、 i C C1111的電流為的電流為 I Ii i=I=I2 2-I-I1 1=(I=(I2 2+I+I1 1) )(C(Ci2i2-C-Ci1i1)/(C)/(Ci2i2+C+Ci1i1) )只要保持只要保持I I2 2+I+I1 1為定值,差動電容的相對變化量就正比于為定值,差動電容的相對變化量就正比于I Ii i。如何保持。如何保持I I2 2+I+I1 1為定值呢?這就是振蕩控制放大器的為定值呢?這就是振蕩控制放大器的作用。作用。 (iiii)振蕩控制放大器)振蕩控制放大器ICIC1 1的作用就是使流過的作用就是使流過D D3 3、D D7 7和和D D1 1、D D5 5的電流之和的
32、電流之和I I1 1+I+I2 2等于常數(shù)。由前圖可知,等于常數(shù)。由前圖可知,ICIC1 1的輸入端接受兩個電壓信的輸入端接受兩個電壓信號:一個是基準電壓號:一個是基準電壓V VR R在在R R9 9和和R R8 8上的壓降;另一個是上的壓降;另一個是I I1 1+I+I2 2在在R R6 6/R/R8 8和和R R7 7/R/R9 9上的壓降。這兩個電壓信號之差上的壓降。這兩個電壓信號之差送入送入ICIC1 1,經(jīng)放大得到,經(jīng)放大得到V Vo1o1,去控制振蕩器。當,去控制振蕩器。當ICIC1 1為理為理想運算放大器時,由想運算放大器時,由ICIC1 1、振蕩器、及解調(diào)器一部分電、振蕩器、及
33、解調(diào)器一部分電路所構(gòu)成的深度負反饋電路,使放大器輸入端的兩個路所構(gòu)成的深度負反饋電路,使放大器輸入端的兩個電壓信號近似相等,即電壓信號近似相等,即 12iiVV據(jù)此可求得據(jù)此可求得I1+I2的數(shù)值。的數(shù)值。從電路分析可知,這兩個電壓信號的關(guān)系式分為:從電路分析可知,這兩個電壓信號的關(guān)系式分為: 因因R6=R9,R7=R8,故上兩式可分別簡化為,故上兩式可分別簡化為 1896879RRiVVVRRRRRR16827926879()()iIRRIRRVRRRR89168iRRRVVRR6821268()iR RVIIRR 由于 可求得 上式中的R6、RR、R9和VR均恒定不變,故I1+I2為一常數(shù)
34、。 令 故12iiVV891268RRRIIVRR2121321iiiiiCCIIIKCC89368RRRKVR R(iii)iii)線性調(diào)整電路線性調(diào)整電路 由于差動電容檢測元件中分布電容的存在,將造成非由于差動電容檢測元件中分布電容的存在,將造成非線性誤差。線性誤差。 由由前前可知,分布電容將使差動電容的相對變化值減小,可知,分布電容將使差動電容的相對變化值減小,從而使從而使I Ii i偏小。為克服這一誤差,在電路中設(shè)計了線偏小。為克服這一誤差,在電路中設(shè)計了線性調(diào)整電路。該電路通過提高振蕩器輸出電壓幅度以性調(diào)整電路。該電路通過提高振蕩器輸出電壓幅度以增大解調(diào)器輸出電流的方法,來補償分布電
35、容所產(chǎn)生增大解調(diào)器輸出電流的方法,來補償分布電容所產(chǎn)生的非線性。調(diào)整電路由的非線性。調(diào)整電路由D D9 9、D D1010、C C3 3、R R2222、R R2323、W W1 1等元等元件組成?,F(xiàn)將這一電路畫成如下圖所示的原理簡圖,件組成?,F(xiàn)將這一電路畫成如下圖所示的原理簡圖,進行分析。進行分析。 繞組繞組3-103-10和繞組和繞組1-121-12輸出的輸出的高頻電壓經(jīng)高頻電壓經(jīng)D9、D10整流,整流,在在R22、W1、R23上形成直上形成直流壓降流壓降( (即調(diào)整電壓即調(diào)整電壓) )。因。因R22=R23,故當,故當Rw1=0時,時,繞組繞組3-103-10和繞組和繞組1-121-12
36、回路回路在振蕩器正、負半周內(nèi)所在振蕩器正、負半周內(nèi)所呈現(xiàn)的電阻相等,所以呈現(xiàn)的電阻相等,所以V Vi3i3 =0=0,無補償作用。當,無補償作用。當Rw100時,兩繞組回路在時,兩繞組回路在振蕩器正、負半周內(nèi)所呈振蕩器正、負半周內(nèi)所呈現(xiàn)的電阻不相等,所以現(xiàn)的電阻不相等,所以V Vi3i300,V Vi3i3的方向如圖中所的方向如圖中所示。示。 該調(diào)整電壓作用于該調(diào)整電壓作用于IC1,使使IC1的輸出電位降低,的輸出電位降低,振蕩器的供電電壓增加,振蕩器的供電電壓增加,從而使振蕩器的振蕩幅從而使振蕩器的振蕩幅度增大,提高了度增大,提高了Ii,這樣,這樣就補償了分布電容所造就補償了分布電容所造成的
37、誤差。補償電壓大成的誤差。補償電壓大小取決于小取決于W1的阻值,的阻值,Rw1大,則補償作用強。大,則補償作用強。 2、放大及輸出限制電路放大及輸出限制電路 這部分電路的功能是將電流信號這部分電路的功能是將電流信號Ii放大,并輸出放大,并輸出4 420mA20mA的直流電流。此外,還要實現(xiàn)零點調(diào)整、正負遷的直流電流。此外,還要實現(xiàn)零點調(diào)整、正負遷移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。其電路原理如下圖移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。其電路原理如下圖所示。所示。(1)(1)放大電路放大電路 放大電路主要由集成運算放大器放大電路主要由集成運算放大器IC3和晶體管和晶體管BG3、BG4等組成。等組成。IC3起前
38、置放大作用,起前置放大作用,BG3和和BG4組成復(fù)組成復(fù)合管,將合管,將IC3的輸出電壓轉(zhuǎn)換為變送器的輸出電流。的輸出電壓轉(zhuǎn)換為變送器的輸出電流。電阻電阻R31、R33、R34和電位器和電位器W3組成反饋電阻網(wǎng)絡(luò),組成反饋電阻網(wǎng)絡(luò),輸出電流輸出電流I0經(jīng)這一網(wǎng)絡(luò)分流,得到反饋電流經(jīng)這一網(wǎng)絡(luò)分流,得到反饋電流If,它送,它送至放大器的輸入端,構(gòu)成深度負反饋,從而保證了至放大器的輸入端,構(gòu)成深度負反饋,從而保證了I0與與Ii之間的線性關(guān)系。之間的線性關(guān)系。 電路中電路中W2為調(diào)零電位器,用以調(diào)整輸出零位。為調(diào)零電位器,用以調(diào)整輸出零位。K K為正、為正、負遷移調(diào)整開關(guān),開關(guān)撥至相應(yīng)位置,可實現(xiàn)變送
39、器負遷移調(diào)整開關(guān),開關(guān)撥至相應(yīng)位置,可實現(xiàn)變送器的正向或負向遷移。的正向或負向遷移。W3為調(diào)量程電位器,用以調(diào)整變?yōu)檎{(diào)量程電位器,用以調(diào)整變送器的量程。送器的量程。 現(xiàn)對放大器的輸入輸出關(guān)系作進一步的分析。由圖可現(xiàn)對放大器的輸入輸出關(guān)系作進一步的分析。由圖可知,知,IC3反相輸入端的電壓反相輸入端的電壓( (即即A A點的電壓點的電壓),),是由是由DW1的的穩(wěn)定電壓通過穩(wěn)定電壓通過R10和和R13、R14分壓所得。該電壓使分壓所得。該電壓使IC3輸輸入端的電位在共模輸入電壓范圍內(nèi),以保證運算放大入端的電位在共模輸入電壓范圍內(nèi),以保證運算放大器能正常工作。器能正常工作。IC3同相輸入端的電壓同
40、相輸入端的電壓VT(即即B B點的電壓點的電壓VB) )是由三個電壓信號疊加而成的:是由三個電壓信號疊加而成的: 一個是解調(diào)器的輸出電流一個是解調(diào)器的輸出電流Ii在在B B點產(chǎn)生的電壓點產(chǎn)生的電壓Vi;第二;第二個是調(diào)零電路在個是調(diào)零電路在B B點產(chǎn)生的調(diào)零電壓點產(chǎn)生的調(diào)零電壓V0;第三個是調(diào);第三個是調(diào)量程電路量程電路( (即負反饋電路即負反饋電路) )的反饋電流的反饋電流If 在在B B點產(chǎn)生的電點產(chǎn)生的電壓壓Vf。 設(shè)設(shè)Ri為并在電容為并在電容C11兩端的等效電阻兩端的等效電阻( (參見下圖參見下圖) ),則,則Vi=-RiIi。Vi為負值,是由于為負值,是由于C11上的壓降為上正下負上
41、的壓降為上正下負( (參見上圖參見上圖) ),即,即B B點的電位隨點的電位隨Ii的增加而降低。的增加而降低。調(diào)零電路如右圖所示。設(shè)R0為計算V0時在B點處的等效電阻??捎蓤D求得調(diào)零電壓V0為 :122001212236022360/()DWWDWWWWVRRVVRRRRRRR220212236022360/()()WWWWRRRRRRRRR調(diào)量程電路如右圖所示。調(diào)量程電路如右圖所示。設(shè)設(shè)Rf為計算為計算Vf時時If流經(jīng)流經(jīng)B B點處的等效負載電阻,點處的等效負載電阻,Rcd為電位器滑觸點為電位器滑觸點c c和和d d之間的等效電阻,按之間的等效電阻,按-Y變換方法可得變換方法可得:3 13
42、133 1WcdWRRRRR3131313WWRRRR左31313131313313131313313131313WWWWWcdWWWWWRRRRRRRRRRRRRRRRR左左3131313WWRRRR左由于由于故可近似地求得反饋故可近似地求得反饋電流電流I If f為:為:所以所以 式中式中3433fcdRRRR330034cdffRRIIIRR0ffR IV3433fcdRRRR當當ICIC3 3為理想運算放大器時,為理想運算放大器時,V VT T=V=VF F( (即即V VA A=V=VB B) ),則有:,則有:將將V Vi i、V V0 0和和V Vf f的關(guān)系式代入上式得:的關(guān)系
43、式代入上式得: 設(shè)設(shè)得:得:0AifVVVV01iiADWffRIIVVRR451,ifiRKKRR2103445121()iiADWiiCCIK KK K VVCC上面公式表明了變送器輸入差壓上面公式表明了變送器輸入差壓 P Pi i與輸出電流與輸出電流I I0 0之之間成線性關(guān)系。此式還說明間成線性關(guān)系。此式還說明: :(a)(a)等式右邊第二項為調(diào)零信號。在測量下限時,應(yīng)等式右邊第二項為調(diào)零信號。在測量下限時,應(yīng)調(diào)整該項使變送器的輸出電流為調(diào)整該項使變送器的輸出電流為4mA4mA??赏ㄟ^調(diào)節(jié)電??赏ㄟ^調(diào)節(jié)電位器位器W W2 2,或由開關(guān),或由開關(guān)K K接通接通R R2020或或R R21
44、21來改變。來改變。當當R R2020接通時,接通時, V V 0 0增加,變送器輸出電流減小,從而增加,變送器輸出電流減小,從而可實現(xiàn)正向遷移;當可實現(xiàn)正向遷移;當R R2121接通時,接通時,V V 0 0減小,可實現(xiàn)負減小,可實現(xiàn)負向遷移。向遷移。01234451()iADWIK K K KPK K VV (b) K(b) K4 4為電路放大倍數(shù),此值與為電路放大倍數(shù),此值與 有關(guān)。調(diào)節(jié)電位有關(guān)。調(diào)節(jié)電位器器W W3 3可改變可改變 值,可實現(xiàn)變送器的量程調(diào)整。值,可實現(xiàn)變送器的量程調(diào)整。(c) (c) 改變改變 值,不僅調(diào)整了變送器的量程,而且也值,不僅調(diào)整了變送器的量程,而且也影響了
45、變送器的調(diào)零信號。同樣,改變影響了變送器的調(diào)零信號。同樣,改變V V 0 0值值 ,不,不僅改變了變送器零位,對滿度輸出也會有影響。僅改變了變送器零位,對滿度輸出也會有影響。因此,在儀表調(diào)校時,應(yīng)反復(fù)調(diào)整零點和滿度。因此,在儀表調(diào)校時,應(yīng)反復(fù)調(diào)整零點和滿度。 該電路由晶體管該電路由晶體管BGBG2 2、電阻、電阻R R1818等組成,見圖。其作用等組成,見圖。其作用是防止輸出電流過大,損壞器件。當輸出電流超過是防止輸出電流過大,損壞器件。當輸出電流超過允許值時,允許值時,R R1818上壓降變大,使上壓降變大,使BGBG2 2的集極電位降低,的集極電位降低,從而使該管處于飽和狀態(tài),因此流過從而使該管處于飽和狀態(tài),因此流過BGBG2 2,也
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