过程控制及仪表

辽宁科技大学电信学院过程控制及仪表第三章变送器和转换器例子：温度变送器变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位)和电信号（如电压、电流、频率、气压信号等）转换成相应的统一标准信号，以供显示、记录和控制之用。变送器在控制回路中的位置？温度变送器热电偶第三章变送器和转换器一、变送器的构成构成原理：变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图所示，它包括测量部分（既输入转换部分）、放大器和反馈部分。x测量部分Czi放大器Ky反馈部分Fzf+－零点调整零点迁移+z0第三章变送器和转换器()1oKCxzKFy由图知输出输入关系为：上式中：K-放大器系数；F-反馈部分的反馈系数；C-测量部分的转换系数；当满足深度负反馈的条件时，即KF1,则上式变为：1()1CxZoFKFy当满足深度负反馈条件时，即时，上式变为：根据上图可得变送器的输入输出关系为：因此在深度负反馈的条件下，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，则变送器的输出和输入将保持良好的线性关系。变送器的量程调整、零点调整和零点迁移1、量程调整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xyxminxmaxyminymax第三章变送器和转换器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。量程调整的方法：1()1CxZoFKFy当满足深度负反馈条件时，即时，上式变为：改变反馈部分的反馈系数F:改变测量部分转换系数C:F↑C↑量程量程↑↓2、零点调整和零点迁移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。第三章变送器和转换器·零点调整使变送器的测量起始点为零·零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移;1()1CxZoFKFy当满足深度负反馈条件时，即时，上式变为：由可知：零点迁移的方法调Z0第三章变送器和转换器第三章变送器和转换器二、差压变送器差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、等工艺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。本节着重讨论普遍使用的力平衡式差压变送器。（一）、概述力平衡式差压变送器包括测量部分、杠杆部分、位移检测放大器及电磁反馈机构。其构成方框图如下：第三章变送器和转换器测量部分是将被测差压⊿P转换成相应的输入力Fi，该力与电磁反馈机构输出的作用力Ff一起作用于杠杆系统，使杠杆系统产生微小的偏移，再经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。由于采用了深度负反馈，因而测量精度较高，而且保证了被测差压⊿Pi和输出电流Io之间的线性关系。第三章变送器（二）、工作原理和结构1、工作原理：被测差压信号P1、P2分别引入元件3的两侧，则ΔPi转换为Fi，该力作用于主杠杆的下端，使主杠杆以轴封膜片4为支点偏转，F1沿水平推动8。F1分解F2和F3，F2带动14以M为支点逆时针偏转，此时12靠近差动变压器，使两者间气隙减小。检测片的位移变化量通过15转换为4-20mA的Io，作为输出。Io又流过16，产生Ff使副杠杆顺时针偏转，当Ff和Fi力矩平衡时，变送器状态稳定。P2P1FiFfF1F2F3测量部分转换部分2019181716151413121110123456789MH1—低压室；2—高压室；3—测量元件（膜盒、膜片）；4—轴封膜片；5—主杠杆；6过载保护簧片；7—静压调整螺钉；8—矢量机构；9—零点迁移弹簧；10—平衡锤；11—量程调整螺钉；12—检测片（衔铁）13—差动变压器；14—副杠杆；15—放大器；16—永久磁钢；17—反馈动圈；18—电源；19—负载；20—调零弹簧θ图3-5力平衡式差压变送器结构示意图第三章变送器和转换器作用：是将副杠杆上检测片的微小位移s转换成直流输出电流Io。组成：差动变压器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器。（三）低频位移检测放大器第三章变送器和转换器1、差动变压器差动变压器是由检测片（衔铁）、上、下罐形磁芯和四组线圈构成。如图2-13所示，其作用是将检测片的位移s转换成相应的电压信号uCD。第三章变送器和转换器2、低频振荡器低频放大器由振荡器、整流滤波、及功率放大器三部分组成。①、振荡器线路图如右图：由LAB、C4构成的并联振荡回路的固有频率也就是低频振荡器的振荡频率。412oABLCf第三章变送器和转换器振荡的振幅条件：即KF=1检测片位移S与振荡器输出电压UAB之间的关系：如下图，说明振荡器的放大特性是非线形的，而反馈特性在铁芯未饱和的情况下是线形的。两条线的交点p即为稳定后的工作点，p点对应的u’AB就是振荡器的输出电压。第三章变送器和转换器②、整流滤波振荡器的输出电压UAB经二极管VD4整流以及通过电阻R8、R9和电容C5滤波得到平滑的直流电压信号，再送至功放级。第三章变送器和转换器③、功率放大器功率放大器由晶体管VT2、VT3和电阻R3、R4、R5组成，如2-18所示。放大器采用PNP-NPN互补型复合管，其目的一是提高电流大系数；二是电平配置，使VT2的基级电平与前级输出信号的电平相匹配。R3为稳定工作的反馈电阻，同时提高功放级的输入阻抗，有利于滤波器输出电压的稳定。R5为VT2、VT3集电极与发射级之间的穿透电流提供旁路，用以改善放大器的温度性能，提高了电路的稳定性。第三章变送器和转换器电磁反馈机构作用是将输出电流Io转换成电磁反馈力Ff，此力作用于副杠杆，产生反馈力矩Mf，以便和测量部分产生的输入力矩Mi相平衡。反馈力Ff的大小为：Ff=Kf*IoKf是电磁结构常数，其值为：foKBDW第三章变送器和转换器四、差压变送器应用敞口容器+-I0HρPBP气P2=P气P14~20mA第三章变送器和转换器密闭带压容器ρPBPAI0HP1P2△P4~20mA第三章变送器和转换器正迁移20ρPB+-PAhh004△P上2kPaI0P1P2△P4~20mA第三章变送器和转换器测量部分ρPB+-PAhh0ρ0ρ0h1调节器负迁移I0P1P2△P4~20mA1m4m0～2mI0第三章变送器和转换器三、温度变送器温度变送器与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统一信号；可分为：四线制温度变送器和两线制温度变送器，各类变送器又分为三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。这里我们主要讲解四线制温度变送器。四线制温度变送器有如下特点：（1）主放大器为低漂移、高增益的运算放大器，使仪表具有良好的可靠性和稳定性。（2）在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线形关系，便于指示和记录。（3）变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，采用了安全隔离变压器，并采用了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。第三章变送器和转换器1、三种温度变送器的基本结构框图量程单元放大单元（三种通用）输入回路直流→交流→直流变换器整流滤波电压放大隔离输出功率放大反馈回路Et24vDCV0-1~5VI04~20mA+mVI0+-+-+-i0V02VzVf△VIf第三章变送器和转换器第三章变送器和转换器2、放大单元工作原理放大单元的作用是将量程单元的输出毫伏信号进行电压和功率放大，输出统一的直流电流信号I0和直流电压信号U0。同时，输出的电流又经反馈部分转换成反馈电压信号Uf，送至量程单元。①、电压放大电路采用低温漂的高增益运算放大器。②、功率放大电路作用：将运算放大器输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号，同时，通过隔离变压器实现隔离输出。采用了复合管是为了提高输入阻抗，减小线性集成电路功耗。引入射极电阻一方面为了稳定功率放大器的工作状态另一方面为了从R4两端取出反馈电压Uf第三章变送器和转换器③、隔离输出为了避免输出、输入之间有直接电的联系，在功率放大器与输出回路之间采用隔离变压器To来传递信号。To为电流互感器，交流比为1：1。所以输出电流iL等于功放电路复合管集电极电流。250Ω电流输出回路电压输出回路第三章变送器和转换器④、直流-交流-直流转换器用来对仪表进行隔离式供电。是DDZ-Ⅲ仪表的通用部分。其工作过程为：先把电源供给的24V直流电压转换成一定频率的交流方波电压，再经过整流、滤波、稳压提供给直流电压。第三章变送器和转换器3.直流毫伏变送器量程单元UZUfU0=β[Ui+（α-γ）Uz]U0第三章变送器和转换器4.热电偶温度变送器量程单元输入信号断路报警电路的作用与直流毫伏变送器的作用相同。区别在于：I、在热电偶温度变送器的输入回路中增加了热电偶冷端温度补偿电路。II、在反馈回路中增加了线性化电路。第三章变送器和转换器5.热电阻温度变送器量程单元与上述两种变送器的区别：线性化电路，置于输入回路中；热电阻引线补偿电路。第三章变送器和转换器三、电气转换电/气转换器是将电动仪表输出的4-20mA直流电流信号转换成可被气动仪表接受的20-100KPa标准气压信号，以实现电动仪表和气动仪表的联用，构成混合控制系统，发挥电、气仪表各自的优点。主要性能指标：（1）输入信号：4-20mA(DC)（2）输出信号：0.02-0.1MPa（3）变差：±0.5%（4）基本误差：±0.5%（5）灵敏度：0.05%（6）防爆等级：安全隔爆复合型、安全火花型（一）、概述第三章变送器和转换器（二）、气动仪表的基本元件气动仪表由气阻、气容、弹性元件、喷嘴-挡板机构和功率放大器等基本元件。1、气阻：在流体呈层流状态时，可表示为：2、气容包括固体气容和弹性气容v（1）、固定气容可表示为：c=当T不变时，C与V成正比。固定气容恒定固定气容的容量恒定VRTV:气室体积R：气体常数T：气体绝对温度第三章变送器和转换器弹性气容可表示为：3.弹性元件为适应不同的工作目的，可作成各种不同结构和形状。他包括各种不同形状的弹簧、波纹管、金属膜片和非金属膜片。弹性元件指标：I、弹性特性；II、刚度与灵敏度；III、滞后与滞后量。弹性元件在气动仪表中的作用：将压差转换成位移，在仪器的连接处产生一定的操作力。第三章变送器和转换器4、喷嘴挡板机构作用：将微小的位移转换成相应的压力信号。5、功率放大器它是将喷嘴挡板的输出压力和流量都放大。目前采用耗气式放大器，它由壳体6、膜片1、锥阀2、球阀4、簧片5、恒气阻7等组成。第三章变送器和转换器此转换器是基于力矩平衡原理工作的。其结构是多样的，现以具有正负两个反馈波纹管的电/气转换器为例讨论其工作原理。转换器是由电流-位移转换部分，位移-气压转换部分、气动功率放大部分和反馈部分组成。工作原理：当电流Ii进入动圈后，产生的磁通与永久磁钢相互作用，产生的磁力带动3饶5转动，挡板8靠近喷嘴9，使其背压升高，功率放大后输出Po，Po送至6所产生向上的负反馈力，Po同时送至正反馈波纹管产生向上的正反馈力，以抵消一部分负反馈的影响。因而不需要太大的力就可以达到平衡。（三）电/气转换器工作原理A1A2第三章变送器和转换器（1）输入电流与输出压力p0成比例关系，改变Lf1，Lf2可调节转换器量程，改变零点。（２）当（A1*Lf1-A2*Lf2)取较小时，便能减小Ki*Li，从而可缩小转换器的体积。（３）波纹管面积随温度变化对输出的影响可以相互抵消，即起到温度补偿作用。右图为杠杆的受力图，可得：