变送单元课稿ppt课件

检测单元,变送单元,显示单元,执行单元,调节单元,简单仪表控制系统的组成：,1,11 变送单元 Transmitting unit,按被测参数划分为压力变送器、差压变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器和湿度变送器等。,主要内容,常用变送器工作原理 常用变送器结构分析 力矩平衡式原理、桥式电路原理、差动方式原理 典型差压变送器DDZ-型 典型温度变送器DDZ-型,2,一、常用变送器结构分析,11.1 常用变送器工作原理,测量环节：检测被测量，并转换成放大环节所能接受的输入信号um电压、电流、位移、作用力等。其静态放大倍数为Km。,调整环节：进行零点调整和零点迁移。目的是使变送器输出的标准信号的下限ymin与测量范围的下限umin的下限值相对应。在umin =0时进行的是零点调整，在umin 0时是零点迁移。（正负迁移）,1.闭环模式：具有深度负反馈效应，其结构如图：,反馈环节：把变送器的输出信号y转换成相应的反馈信号uf，再送回输入端， um与调整环节的输出信号uo的代数和与反馈信号uf进行比较，其偏差送入放大环节进行放大，并转换成标准输出信号y ，其静态放大倍数为Kf。,*闭环模式仪表系统线性化处理,当K足够大时有：,可见，此时输出输入关系主要取决于测量环节和反馈环节的特性。显然，当测量环节的静态放大倍数不是常数，且具有非线性特性，则可选择同样具有非线性特性的反馈环节，从而使变送环节的整体特性线性化。,变送器平衡状态：,包括力矩平衡和电平衡,3,2.开环模式,采用力矩平衡方式工作的变送器，通常是借助矢量机构或复合杠杆来完成平衡关系的。如图11-3所示。 其平衡关系应满足:,调整环节集成在放大环节中，适用于小型化的新型变送器。如微小位移型压力变送器和微电子型变送器等。,二、力矩平衡式原理(moment balance),4,Fi表示变送器的输入ui经转换环节变换后的等效力，F0表示起调零和零点迁移作用的等效力，Ff表示深度负反馈所形成的作用力。为杠杆的微小位移。（0）,根据力矩平衡有：,Fidi+F0d0Ffdf,基于力矩平衡式的变送器，其工作原理的核心就在于如何将各种信号转换成等效的力矩，并测量出这些力矩达到相对平衡时所产生的微小位移，以备变送器进行放大和后处理。,5,1.典型的桥式应用电路：如图，其中E表示电源，V表示输出。,三、桥式电路原理(bridge circuit),当电桥达到平衡时，其输出为零即V=0，此时：,由于电桥自带电源E ，当其工作在平衡状态附近，且外部负载电阻相对较大时，电桥对外部的输出电流很小可以忽略不计，因此此时可认为提供的是纯电动势V。这是其能够应用到多数仪器仪表中的主要原因。,6,2.平衡式电桥,将变送器的调整环节和反馈环节和电桥有机结合，可形成电平衡式变送器。如图，将输入电动势信号与电桥的输出电动势进行叠加的方式。,i-输入电动势； f-总的反馈电动势，经滑动电位器Wf调整变化为f，因反馈电动势是通过放大器的负相端引入电桥的，构成了负反馈模式；滑动电位器W0是起调零作用； 0是调整环节引入的电动势,这种原理主要应用在以热电偶为测温元件的温度变送器中。,平衡时：,7,主要应用在以热电阻为测温元件的温度变送器中。,3.非平衡式电桥,将被测电动势信号直接引入桥臂。,平衡时：,8,四、差动方式原理,应用范围：开环模式变送器：电容式或电感式差压变送器。,特点：可以补偿电感、电容、互感等测量时的固有非线性；为了保证差动方式的正常工作，使得作为测量环节的敏感元件由于其固有的特性要求而只能提供微小的变化范围。,工作前提：由两个完全对称且性能相同的敏感元件组成。当被测参数引起位移变化时，一个敏感元件的特性增加，而另一个敏感元件的特性则减少，且增加和减少量相同，方向相反。,9,以f表示位移量d与敏感元件输出e之间的函数关系，即,考虑两个敏感元件特性的对称性，以d0表示敏感元件的初始状态，则有：,测量环节的总输出为：,由于这两个敏感元件是完全对称的，则其初始状态特性在上式中将得到抵消，从而简化为：,-,可见，无论敏感元件的特性是线性还是非线性的，均可在采用差动方式时得到自动抵消，从而提供线性特性的输入输出关系。,10,差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等变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，以实现对变量的显示、记录或自动控制。(变送器功能),11.2 DDZ-型差压变送器,组成：机械部件（完成力矩平衡并给出位移的变化）和振荡放大电路（将检测片微小的位移转换成电压信号并转换为420mA电流信号）两部分构成。,工作原理：,基于力矩平衡原理实现变送功能。,11,图11-8 DDZ-型差压变送器的工作原理示意图,1-高压室 2-低压室 3-膜片或膜盒 4-密封膜片 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 13-差动变压器 14-副杠杆 15-放大器 16-反馈线圈 17-永久磁钢 18-调零弹簧,当力矩平衡时，系统平衡：,系统平衡时放大器输出电流I0与被测压差信号成一定函数关系。,9,12,以O1为支点的杠杆存在力矩关系：,再考虑反馈线圈的输出电流与反馈力之间的关系为：,根据矢量机构力的合成原理，有：,以O2为支点的力矩平衡关系为：,D为线圈平均直径；W为线圈匝数；B为磁场磁感应强度；,F0为调零元件产生的零点调整作用力,A为敏感元件的有效面积,10,9,13,可见变送器的输出电流Io与被测压差P成正比。当调整矢量机构的和反馈线圈系数中的线圈匝数W时，可使变送器的量程改变。一般倾斜角在415间调整，反馈线圈匝数最大可变换3倍,因此变送器的最大量程与最小量程的比值可达到：,综合以上4个关系式得：,其中：Ki为输入系数、K0为输出系数、Kf为反馈线圈系数。,14,振荡放大电路组成(monofier),被测压差P经力矩平衡系统转换成差动变压器上检测片的位移S后，差动变压器将该位移转变为变压器的输出电压，同时借变压器输出端的电感与配接电容形成低频振荡电路，从而使振荡器输出电压与变压器的输出电压保持相对应的关系。检波电路对振荡器的输出电压进行整流平滑再送至功率放大器形成标准的输出电流，由串接在输出回路上的电阻分取反馈电压，以形成反馈力矩使变送器达到平衡工作状态。,振荡放大电路可将差动变压器上检测片的微小位移转换为电压信号，并放大转换为420mA的电流信号。相当于位移检测和功率放大电路。构成如图所示：,15,DDZ-仪表的性能特点：,组成：线性集成电路 供电电源：直流24V 信号制：直流420mA或15V 负载：250750欧姆 安全火花防爆,16,采用直流24V低压集中供电，设置了安全栅； 设计过程中采用相应措施，如：减少储能元件、限制储能元件的能量在安全额以内、储能元件应具有放电回路等，以免产生非安全火花。,安全火花防爆措施*：,由DDZ的特性可知：以矢量机构工作原理实现的变送器具有安全火花防爆特性，具体原因如下：,具体措施：如采用差动变压器的线圈作振荡器的谐振电感；振荡器和功放直接耦合，最大限度地减少感性和容性储能元件；采用二极管以限制电容两端的电压，防止储能过多等。,17,接线方式：两线制,与型相比，型变送器另一重要特点是两线制。,如图：由固有特性决定的。因为采用直流集中供电方式，故可将差压变送器、24V直流电源、250电阻串联起来，根据压差的大小决定所通过的电流大小，并将电阻两端形成的电压，传给下一级仪表，作为下一级仪表的输入。,18,11.3 DDZ-型温度变送器,与热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成统一标准信号 作为直流毫伏转换器使用，将其它能够转换成直流毫伏信号的参数也变成相应的统一标准信号 分为三类： 直流毫伏变送器（将输入的直流毫伏信号转换成420mA直流电流或15V直流电压的统一输出信号） 热电偶温度变送器 热电阻温度变送器（与热电阻或热电偶配合，将温度信号转换成统一输出信号）。,19,特点：是在热电阻和热电偶温度变送器中采用了线性化处理电路，使输出信号和被测温度呈线性关系，在输入和输出之间具有隔离变压器，并采取了安全火花防爆措施，具有良好的抗干扰性能，能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。,*三种变送器的异同: (结构和功能) 型温度变送器主要由输入电路和放大电路两部分组成。放大电路对三类变送器时相同的，但输入电路则因其测温元件或输入信号的不同有所差异。差异体现在桥式电路、反馈通道和线性化处理上。,20,输入环节：完成对输入信号的接收。由电阻Ri1和Ri2及稳压管VD1和VD2组成，分别其限流和限压作用，使进入变送器的能量控制在安全额以下。,调零环节：完成对变送器零点的调整。 ci用以滤除输出信号中的交流成分，电阻Ri3、Ri4、Ri5、Ri6、Ri7及零点调整电位器Wi等组成零点调整和零点迁移电路。桥路由恒流电源供电，在稳压管上产生稳定电压VZ，保证电桥稳定工作。,反馈环节：完成反馈信号和输入信号的合成。 由Rf1、Rf2、Rf3和Wf将反馈信号中的一部分引入放大器的负相输入端以达到负反馈的作用。,1.直流毫伏输入电路,输入电路由输入、调零和反馈三部分环节组成。,放大器在设计时保证：Vo=5Vf,21,(-)VZ是起调零作用的，改变值可实现正向或负向迁移。更换电阻Ri3可大幅度改变零点迁移量，而改变Ri4和Wi可在小范围内改变调零信号，只能获得满量程5%的零点调整范围。,5为输入输出之间的比例关系，由于输出信号15V固定， 越大，则输入信号范围即量程越小。改变Rf2可大幅度改变量程范围，而改变Wf可以小范围改变，只能获得满量程5%的量程调整范围。,调整Wf改变量程，亦对零点有影响，同样调整Wi对量程也有影响，故在仪表调校时，必须反复调整零点和满度，才能满足精度要求。,结论：,22,2.热电偶输入电路,与毫伏信号输入电路基本相同，增加了热电偶冷端温度补偿电阻，并将调零环节移到了电桥的另一侧。在反馈回路中设计补偿的非线性环节，以提供线性化的输入输出特性。,当环境温度变化时，RCu的阻值变化，使式中的第二项发生变化，从而补偿了由于环境温度变化而引起的热电偶的热电势变化。,冷端温度补偿电阻,线性化环节,调零环节改变,23,线性化原理及电路分析 原理：如图为热电偶温度变送器的方框图,24,线性化电路：实际是一个折线电路，用折线法近似表示热电偶的特性曲线，如图所示：,46段折线近似表示热电偶某段特性曲线时，所产生的误差小于0.2%，斜率大小由热电偶的特性来决定,VD稳压管，击穿前电阻极大，相当于开路，击穿后电阻极小 ，相当于短路,Vs基准电压,主要由并联电阻来改变曲线各段的斜率，而各段间的拐点则靠基准电压和稳压管的击穿电压的数值来决定。,25,3.热电阻输入电路,仍由三部分组成，零点调整、迁移及量程调整与前同。 与热电偶输入电路的不同：采用三线制将热电阻接入电桥；用电流正反馈方法取代多段折线方法进行线性化处理。,r1,r2,r3为热电阻的引线电阻，将其值补偿到1以减小引线对测量的误差,VD1VD4 限压元件,电流正反馈方法进行线性化处理,26,线性化原理：在反馈回路中引入适当的补偿方法，借助于正反馈实现线性化的。正反馈使变送器的输出与热电阻的阻值的函数关系如图11-26（b)，而阻值与温度的关系如图11-26（a），故输出Vo与温度t成线性关系,27,4.DDZ-型温度变送器功能模块结构图,来自测温元件反映温度大小,桥路环节的输出信号,功率放大和隔离输出电路,420mA,15VDC,28,作业：P161： 11-2、11-3、11-4 11-5、11-6,29,