过程控制及仪表课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,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 变送器和转换器例子：温度变送器 变送,1,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,C,z,i,放大器,K,y,反馈部分,F,z,f,+,零点调整,零点迁移,+,z,0,第三章 变送器和转换器一、变送器的构成 构成原理：,2,第三章 变送器和转换器,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：,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,。,第三章 变送器和转换器上式中：K-放大器系数；F-反馈部分的,3,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,y,max,与测量范围的上限值,x,max,相对应,x,y,x,min,x,max,y,min,y,max,第三章 变送器和转换器,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,4,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,：,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,y,min,与测量范围的下限值,x,min,相对应，,在,x,min,=0,时，称为零点调整，在,x,min,0,时，称为零点迁移。,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,5,零点调整,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,;,由 可知：,零点迁移的方法调,Z,0,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,6,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 变送器和转换器二、差压变送器 差压变送器是将液,7,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,F,i,，该力与电磁反馈机构输出的作用力,F,f,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 变送器和转换器 测量部分是将被测差压P转换,8,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,Pi,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。,第三章 变送器（二）、工作原理和结构1、工作原理： 被测,9,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 变送器和转换器作用：是将副杠杆上检测片的微小位移s转,10,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,u,CD,。,第三章 变送器和转换器1、差动变压器 差动变压器是,11,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。,、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,。,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,12,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 变送器和转换器振荡的振幅条件：即KF=1检测片位移S,13,第三章 变送器和转换器,、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、整流滤波振荡器的输出电压UAB经二,14,第三章 变送器和转换器,、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、功率放大器功率放大器由晶体管VT2,15,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 *Io,Kf,是电磁结构常数，其值为,：,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,16,第三章 变送器和转换器,四、差压变送器应用,敞口容器,P,+,-,I,0,H,PB,P,气,P,2,=P,气,P,1,420 mA,第三章 变送器和转换器 四、差压变送器应用敞口容器P+-I0,17,第三章 变送器和转换器,密闭带压容器,P,B,P,A,I,0,H,P,1,P,2,P,420 mA,第三章 变送器和转换器密闭带压容器I0HP1P2P420,18,第三章 变送器和转换器,正迁移,20,P,B,P,+,-,P,A,h,h,0,P,上,2,I,0,mA,0,4,P,上,2,kPa,I,0,P,1,P,2,P,420 mA,第三章 变送器和转换器正迁移,19,第三章 变送器和转换器,测量部分,P,B,P,+,-,P,A,h,h,0,0,0,h,1,调,节,器,负迁移,I,0,P1,P2,P,420 mA,1 m,4m,0,2m,I,0,第三章 变送器和转换器测量部分 P+-PAhh00,20,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 变送器和转换器三、温度变送器 温度变送器,21,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,Et,24v DC,V,0,-,15 V,I,0,420 mA,+,mV,I,0,+,-,+,-,+,-,i,0,V,02,V,z,V,f,V,I,f,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,22,第三章 变送器和转换器,第三章 变送器和转换器,23,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,I,0,和直流电压信号,U,0,。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。,、电压放大电路,采用低温漂的高增益运算放大器。,、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,U,f,第三章 变送器和转换器2、放大单元工作原理 放大,24,第三章 变送器和转换器,、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,。,250,电流输出回路,电压输出回路,第三章 变送器和转换器、隔离输出 为了避免输出、输入之,25,第三章 变送器和转换器,、直流,-,交流,-,直流转换器,用来对仪表进行隔离式供电。是,DDZ-,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、直流-交流-直流转换器 用来,26,第三章 变送器和转换器,3.,直流毫伏变送器量程单元,U,Z,U,f,U0=Ui+,（,-,）,Uz,U0,第三章 变送器和转换器3.直流毫伏变送器量程单元UZUfU0,27,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4.热电偶温度变送器量程单元输入信号断,28,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5.热电阻温度变送器量程单元,29,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 变送器和转换器三、电气转换 电/气转换器是,30,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:,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（二）、气动仪表的基本元件 气,31,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 变送器和转换器弹性气容可表示为：3.弹性元件,32,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4、喷嘴挡板机构 作用：将微小的位,33,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,A1,A2,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,34,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。,（）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。,（）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：,第三章 变送器和转换器 （1）输入电流与输出压力p0,35,