变送器和转换器讲稿.ppt

关于变送器和转换器第一页，讲稿共六十页哦2.12.1变送器的构成变送器的构成一、构成原理变送器是基于负反馈原理工作的，其构成如图。包括测量部分、放大器和反馈部分。测量部分C放大器K反馈部分F调零、零点迁移xziz0zfye+-yyminymaxxminxmaxx0 原理图输入输出特性图第二页，讲稿共六十页哦测量部分：检测被测信号x，并将其转换成能被放大器接受的输入信号zi。反馈部分：把变送器的输出信号y转换成反馈信号zf，再回送至输入端。输入与输出之间的关系：01zCxKFKyK放大器的放大系数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，即 01zCxFy上式表明，在1KF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，则变送器的输出与输入将保持良好的线性关系。时，上式变为 1KF第三页，讲稿共六十页哦第四页，讲稿共六十页哦yminymax0(xmin)xmaxyxminmaxminminmaxmin()xxyyyyxx第五页，讲稿共六十页哦 x检测元件A/D转换CPU通信电路数字信号存储器一般形式一般形式x检测元件A/D转换CPU通信电路存储器D/A转换采用采用HART协议通信方式协议通信方式第六页，讲稿共六十页哦数字式数字式变送器软件部分变送器软件部分包括包括:A/D采样程序采样程序 量程转换程序量程转换程序 工程量变换程序工程量变换程序 滤波程序滤波程序 误差校正程序误差校正程序 D/A输出程序输出程序 通讯程序通讯程序 辅助功能程序辅助功能程序第七页，讲稿共六十页哦二、变送器的一些共性问题1、量程调整 量程调整（即满度调整）的目的是使变送器的输出信号的上限值ymax（即统一标准信号的上限值）与测量范围的上限值xmax相对应。量程调整相当于改变输入输出特性的斜率，也就是改变变送器的输入信号y与被测变量x之间的比例系数。量程调整通常是通过改变反馈系数F的大小来实现的。F大，量程就大；F小，量程就小。有些变送器还可以通过改变转换系数C来调整量程。xyxminxmaxyminymax第八页，讲稿共六十页哦 改变反馈部分的反馈系数改变反馈部分的反馈系数K Kf f 改变测量部分转换系数改变测量部分转换系数K Ki i 软件实现软件实现 模拟式变送器模拟式变送器数字式变送器数字式变送器 K Kf f K Ki 量程量程 量程量程 ffiKzxKKy0第九页，讲稿共六十页哦2、零点调整和零点迁移 零点调整和零点迁移的目的，都是使变送器输出信号的下限值ymin（即统一标准信号的下限值）与测量范围的下限值xmin相对应。在xmin=0时，为零点调整；在xmin0时为零点迁移。也就是说，零点调整使变送器的测量起始点为零，而零点迁移则是把测量起始点迁移到某一数值（正值或负值）。当测量起始点由零变为某一正值，称为正迁移；反之，当测量起始点由零变为某一负值，称为负迁移。yx0ymaxyminxmaxyx0ymaxyminxmaxyx0ymaxyminxmaxxminxmin未迁移正迁移负迁移第十页，讲稿共六十页哦零点调整的方法零点调整的方法模拟变送器：调模拟变送器：调Z0数字变送器：软件数字变送器：软件y0 xmaxyminymaxffiKzxKKy0第十一页，讲稿共六十页哦 零点迁移后，变送器的输入输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量灵敏度。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，称为负迁移当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移 零点调整使变送器的测量起始点为零零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零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值:xyxmaxyminymax0零点迁移的方法零点迁移的方法模拟变送器：调模拟变送器：调Z0数字变送器：软件数字变送器：软件xminxmaxxminxmax第十二页，讲稿共六十页哦原因原因：传传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系非线性补偿方法非线性补偿方法:1.1.使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性 非线性补偿方法非线性补偿方法:软件实现软件实现 2.使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性第十三页，讲稿共六十页哦 第十四页，讲稿共六十页哦二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号信号 二线制二线制 四线制四线制供电电源和输出信号分别用二根导线传输供电电源和输出信号分别用二根导线传输 RL四线制四线制变送器变送器Io电源二线制二线制变送器变送器RLErrIo第十五页，讲稿共六十页哦节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰 二线制变送器的条件：二线制变送器的条件：工作电流：工作电流：minII0工作电压：工作电压：min0maxmax(2)TLVEIR二线制优点：二线制优点：二线制二线制变送器变送器RLErrIo+V VT T第十六页，讲稿共六十页哦 变送器的正常工作电流变送器的正常工作电流 必须得等于或小于变送器输出电流的最小值必须得等于或小于变送器输出电流的最小值 。通常，二线制变送器的输出通常，二线制变送器的输出电流下限值为电流下限值为4mADC4mADC，在此条件下，变送器须能够正常工作。但对，在此条件下，变送器须能够正常工作。但对于输出电流为于输出电流为0-10mADC0-10mADC的变送器，若也采用二线制，则在输出电流为零时，变送器的工作电流的变送器，若也采用二线制，则在输出电流为零时，变送器的工作电流也为零。显然，凡输出电流采用也为零。显然，凡输出电流采用0-10mADC0-10mADC的仪表是不能采用二线制的。的仪表是不能采用二线制的。在下列电压条件下，变送器能保持正常工作。在下列电压条件下，变送器能保持正常工作。式中式中 变送器输出端电压；变送器输出端电压；电源电压的最小值；电源电压的最小值；输出电流的上限值，输出电流的上限值，；变送器的最大负载电阻值；变送器的最大负载电阻值；连接导线的电阻值。连接导线的电阻值。由图由图3-73-7（a a）可以看出，变送器的输出端电压值可以看出，变送器的输出端电压值 等于电源电压值和输出电流在负载电阻等于电源电压值和输出电流在负载电阻 及传输导线电阻及传输导线电阻 上的压降之差，为保证变送器的正常工作，输出端电压值只允许在限定范围上的压降之差，为保证变送器的正常工作，输出端电压值只允许在限定范围之内变化。如果负载电阻要增加，电源电压就需增大。之内变化。如果负载电阻要增加，电源电压就需增大。变送器的最小有效功率变送器的最小有效功率P P为为IminoIminoII)(maxmaxminrRIEULoTTUminEmaxoImaxLRmARL20maxrTULRr)(maxminminminLooRIEIP第十七页，讲稿共六十页哦2.22.2差压变送器差压变送器差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺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，以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。2、2、1力平衡式差压变送器（一）概述 力平衡式差压变送器的构成如下图所示。它包括测量部分、杠杆系统、位移检测放大器及电磁反馈机构。测量部分杠杆系统位移检测放大器电磁反馈机构差压FiFfI0 这类差压变送器是基于力矩平衡原理工作的，它是以电磁反馈力生产的力矩去平衡输入力生产矩。但这类变送器目前主要用于气动产品，电动杠杆式的变送器目前已经被淘汰。第十八页，讲稿共六十页哦 检测部分检测部分:P 输入力输入力Fi 杠杆系统杠杆系统:力的传递和力矩比较，生成位移信号力的传递和力矩比较，生成位移信号 位移检测放大器位移检测放大器:位移位移 输出输出Io电磁反馈装置电磁反馈装置:输出输出反馈力反馈力Ff第十九页，讲稿共六十页哦 作用：作用：把被测差压把被测差压P转换成转换成 作用于主杠杆下端的输入力作用于主杠杆下端的输入力Fi A1=A2=Ad Fi=Ad(P1-P2)=AdP Fi=A1P1-A2P2因因:故故:第二十页，讲稿共六十页哦 进行力的传递和力矩比较进行力的传递和力矩比较 主杠杆主杠杆将将Fi转换为转换为F1 矢量机构矢量机构将将F1转换为转换为F2 副杠杆副杠杆将将F2产生的力矩与产生的力矩与Ff产生的力矩进行比较，产生的力矩进行比较，生成位移变化生成位移变化 第二十一页，讲稿共六十页哦将将Fi转换为转换为F1F1作用于矢量机构上作用于矢量机构上 iFllF211HF1Fil2l1第二十二页，讲稿共六十页哦将输入力将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力转换为作用于副杠杆上的力F2 tgFF121F3F2F1F2F3F(a)(b)第二十三页，讲稿共六十页哦进行力矩的比较进行力矩的比较 23FlMifffFlMzzzMl FfiMMMF2产生的力矩产生的力矩Ff产生的力矩产生的力矩合力矩合力矩调零力调零力Fz产生的力矩产生的力矩ifzMMMM第二十四页，讲稿共六十页哦 作用：作用：把变送器的输出电流把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆转换成作用于副杠杆的电磁反馈力的电磁反馈力Ff Ff =BDcWI0设设 Kf=BDcW改变反馈动圈的匝数改变反馈动圈的匝数W，可可以改变以改变 Kf的大小的大小 反馈动圈反馈动圈1固定在副杠杆上，且处于永久磁钢固定在副杠杆上，且处于永久磁钢2的磁场中，可在其中左右移动。软铁芯的磁场中，可在其中左右移动。软铁芯3和永久和永久磁钢磁钢2组成磁路。软铁芯使环形气隙中形成均匀组成磁路。软铁芯使环形气隙中形成均匀的辐射磁场，从而使流过反馈动圈的电流方向总的辐射磁场，从而使流过反馈动圈的电流方向总是与磁场方向垂直。当变送器的输出电流过反馈是与磁场方向垂直。当变送器的输出电流过反馈动圈时，就会产生电磁反馈力动圈时，就会产生电磁反馈力Ff。Ff与变送器输与变送器输出电流出电流I0之间的关系为：之间的关系为：则则 Ff =KfI0 第二十五页，讲稿共六十页哦1-3短接、短接、2-4短接短接 W=W1=725匝 1-2短接短接 W=W1+W2=2175匝 可实现可实现3：1的量程调整的量程调整 W1=725匝，匝，W2=1450匝匝R11与与W1的直流电阻相同的直流电阻相同第二十六页，讲稿共六十页哦 dA1F2FzFfFiMfMzM12l ltan3lKflzlfKpiFM0I第二十七页，讲稿共六十页哦zffzPFKllPKdApiF1F2FzFfF0IiMfMzMM12l ltan3lKflzlfKzffzffdFKllPKlllltgAI23101ffl K K 若：Io mAPminPmax420P1 30211dzzffffl lKKIA tgPlFll K Kl K K 第二十八页，讲稿共六十页哦1.变送器的输出电流变送器的输出电流I0和输入信号和输入信号P之间呈线性关系之间呈线性关系 2.调整调零弹簧可以使变送器输出电流调整调零弹簧可以使变送器输出电流I0在输入信号范围下限时为在输入信号范围下限时为4mA。3.改变改变tg或或Kf可以调整变送器的量程可以调整变送器的量程 4.零点和量程要反复调整零点和量程要反复调整 zffzffdFKllPKlllltgAI2310Io mAPminPmax420P第二十九页，讲稿共六十页哦2、2、2电容式差压变送器（一）概述采用差动电容作为检测元件，整个变送器无机械传动、调整装置，并且测量部分采用全封闭焊接的固体化结构。仪表结构简单、性能稳定、可靠，具有较高的精度。感压膜片差动电容电容-电流转换电路 放大和输出限制电路反馈电路差压位移电容变化电流信号+调零、迁移信号-反馈信号I0测量部分转换放大部分 变送器包括测量部件和转换放大电路两部分。第三十页，讲稿共六十页哦P=0 Ci1=Ci2=15pF P0 Ci1的电容量减小的电容量减小 Ci2的电容量增大的电容量增大 差动差动电容测量原理电容测量原理第三十一页，讲稿共六十页哦P=0 S1=S2=S0 P0 S1=S0+S2=S0-01111SASACi02222SASACi21)11(0012SSACCCii第三十二页，讲稿共六十页哦21210iiiiCCCCS1KP由于：211210iiiiCCKPK PCCS01111SASACi02222SASACi210011()iiCCASS2202AS210011()iiCCASS02202SAS相对变化值 与被测差压P成线性关系，1212iiiiCCCC且与灌充液的介电常数无关 第三十三页，讲稿共六十页哦第三十四页，讲稿共六十页哦第三十五页，讲稿共六十页哦电容式压力变送器，目前电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常在工业生产中应用非常广泛广泛，其输出信号也是标准，其输出信号也是标准4 20mADC电流信电流信号。号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。变化，然后进行测量的。电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔测量膜片两侧的空腔中充满硅油中充满硅油。电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达提高，可达0.2级级。第三十六页，讲稿共六十页哦2、2、3扩散硅式差压变送器是一种无杠杆式的。采用硅杯压阻传感器为敏感元件。具有体积小、重量轻、结构简单和稳定性好的优点，精度也较高。变送器包括测量部件和放大线路两部分。敏感元件由硅片组成，即硅杯。它既是弹性元件，又是检测元件。当硅杯受压时，压阻效应使其上的扩散电阻（应变电阻）阻值发生变化，从而使由这些电阻组成的电桥产生不平衡电压。因因电阻率变化引起阻值变化电阻率变化引起阻值变化称为称为压阻效应压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。半导体材料的压阻效应比较明显。用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。泛的使用。p2p1硅杯图3-30 压阻式传感器示意图正压侧隔离膜片引出线负压侧隔离膜片硅油第三十七页，讲稿共六十页哦构成框图：构成框图：扩散硅压阻传扩散硅压阻传感器感器前置前置放大器放大器调零电路调零电路VI转换转换PUSU01UZIO第三十八页，讲稿共六十页哦 第三十九页，讲稿共六十页哦把被测差压把被测差压P成比例地转换为不平衡电压成比例地转换为不平衡电压US 1.负压室负压室 2.正压室正压室 3.硅杯硅杯4.引线引线 5.硅片硅片Ri1Ri2Ri3Ri4第四十页，讲稿共六十页哦Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4IS不受压时：不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R第四十一页，讲稿共六十页哦Ri1Ri2Ri3Ri4IS受压时：受压时：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r224()2iiSSRRIU21()2Srr I受压时，流经受压时，流经2桥臂的电流始终相等桥臂的电流始终相等P1K P第四十二页，讲稿共六十页哦结论：结论：压阻式压力传感器的主要压阻式压力传感器的主要优点优点是体积小，结构简单，是体积小，结构简单，其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。这种传感器的缺点则是这种传感器的缺点则是扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响，有些厂家在传感器组件扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响，有些厂家在传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。以大大提高传感器的基本性能。第四十三页，讲稿共六十页哦2.32.3温度变送器温度变送器温度变送器与各种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。温度变送器可以作为直流毫伏转换器来使用，以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺变量也变成相应的统一标准信号。温度变送器有两线制和四线制之分，各类变送器又有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。前一种是将输入的直流毫伏信号转换成4-20MA直流电流和1-5V直流电压的统一输出信号。后两种则分别与热电偶和热电阻相配合，将温度信号转换成统一输出信号。第四十四页，讲稿共六十页哦第四十五页，讲稿共六十页哦 第四十六页，讲稿共六十页哦I1I2VT1第四十七页，讲稿共六十页哦11()itCuwUEI RRoiIKU11()tCuwK EI RR第四十八页，讲稿共六十页哦I2I1VT11211101()iBDtWttwUUI RI RIRI RR01101()ttWIKIRKI RR第四十九页，讲稿共六十页哦 第五十页，讲稿共六十页哦输入板包括多路转换器、信号调理电路、AD转换器和隔离部分，其作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，传送给CPU，并实现输入板与主电路板的隔离。用于热电偶的冷端温度补偿 核心核心采样、计算(控制)、输出 产生并输出满足FF标准的数字信号 第五十一页，讲稿共六十页哦2.42.4电电/气转换器气转换器一、概述一、概述电/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。二、气动仪表的基本元件二、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组成。（一）气阻气阻与电路中的电阻相似，它可以改变气路中的气体流量。在流体呈层流状态时，气阻的大小与两端的压降成正比，与流过的流量成反比。MPR气阻有恒气阻（如毛细管、小孔等）与可调气阻（变气阻）以及线性气阻与非线性气阻之分。流过气阻的流体为层流状态时，气阻呈现为线性；而紊流状态时呈现为非线性。第五十二页，讲稿共六十页哦第五十三页，讲稿共六十页哦（二）气容与电路中的电容相似。它是一个具有一定容积的气室，是储能元件，共两端的气压不能突变。所容分固定气容和弹性（可变）气容。气体绝对温度气体常数气室体积RTVC由于固定气室的容积恒定，在温度不变时，固定气室的气容量不变。弹性气室在工作过程中容积V发生变化，则气容量也随之改变。（三）弹性元件 用来产生力、储存机械能、缓冲振动、把某些物理量（力、差压、温度）转换为位移。质量指标：弹性特性弹性元件的变形与作用力或其他变量之间的关系。刚度与灵敏度通常把使弹性元件产生单位形变（位移）所需的作用力或力矩称为弹性元件的刚度。刚度的倒数称为灵敏度。弹性滞后与迟滞量在弹性元件的弹性范围内，逐渐加载和卸载的过程中，弹性特性不重合的现象叫作弹性元件的弹性滞后现象。迟滞量表征滞后最大值。用相对量表示，即弹性元件的正、反行程的位移最大变差max与最大位移量Smax的百分比。弹性后效现象弹性元件在弹性变形范围内，其位移（形变）不能立即和所施载荷相对应，需经一段时间后，才能达到相应的载荷的形变。弹性元件的弹性后效有时达2%3%。弹性元件的滞后现象和后效现象是弹性元件的缺点。为减小其影响，常用特种合金钢来制作弹性元件。第五十四页，讲稿共六十页哦第五十五页，讲稿共六十页哦第五十六页，讲稿共六十页哦第五十七页，讲稿共六十页哦续续 上上 表表微微 分分 环环 节节第五十八页，讲稿共六十页哦（四）喷嘴-挡板机构喷嘴-挡板机构的作用是把微小的位移转换成相应的压力信号。它由恒节流孔（恒气阻）、节流气室和喷嘴-挡板所形成的变节流孔（变气阻）组成。（五）功率放大器功率放大器将喷嘴-挡板的输出压力和流量都放大。所以称为耗气型放大器。第五十九页，讲稿共六十页哦9/6/2022感谢大家观看感谢大家观看第六十页，讲稿共六十页哦