1、關于變送器和轉換器第一張，PPT共六十頁，創作于2022年6月2.1變送器的構成一、構成原理變送器是基于負反饋原理工作的，其構成如圖。包括測量部分、放大器和反饋部分。第二張，PPT共六十頁，創作于2022年6月測量部分：檢測被測信號x，并將其轉換成能被放大器接受的輸入信號zi。反饋部分：把變送器的輸出信號y轉換成反饋信號zf，再回送至輸入端。輸入與輸出之間的關系： K放大器的放大系數F反饋部分的反饋系數C測量部分的轉換系數當滿足深度負反饋的條件，即 上式表明，在的條件下，變送器輸出與輸入之間的關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。如果轉換系數C和反饋系數F是常數，則變送

2、器的輸出與輸入將保持良好的線性關系。 時，上式變為 第三張，PPT共六十頁，創作于2022年6月變送器的基本特性和構成原理傳感器的作用是基于各種自然規律和基礎效應的前提下，把被測變量轉化為一個與之成對應關系的便于傳送的輸出信號，如電壓、電流、電阻、頻率、位移、力等等。但由于傳感器的輸出信號種類很多，而且信號往往十分微弱并伴有非線性，因此，除了部分單純以顯示為目的的檢測系統之外，多數情況下都要利用變送器來把傳感器的輸出轉換成遵循統一標準的模擬量或者數字量輸出信號，送到顯示裝置以指針、數字、曲線等形式把被測量顯示出來，或者同時送到控制器對其實現控制。 變送器基本的輸入輸出特性對于一個檢測系統來說，

3、傳感器和變送器可以是兩個獨立的環節，也可以是一個有機的整體。但是，變送器的輸入輸出特性通常是指包括敏感元件和變送環節的整體特性，原因： 一是人們往往更關心檢測系統的輸出與被測物理量之間的對應關系， 二是敏感元件的某些特性往往需要通過變送環節進行處理和補償以提高測量精度，例如：線性化處理、環境溫度的補償等等。 第四張，PPT共六十頁，創作于2022年6月變送器基本的輸入輸出特性變送器的理想輸入輸出特性 yminymax0(xmin)xmaxyxxmax和xmin分別為變送器測量范圍的上限值和下限值 ymax和ymin分別為變送器輸出信號的上限值和下限值對于模擬式變送器： ymax和ymin即為統

4、一標準信號的上限值和下限值對于智能式變送器： ymax和ymin即為輸出數字信號范圍的上限值和下限值第五張，PPT共六十頁，創作于2022年6月數字式變送器的構成原理 x檢測元件A/D轉換CPU通信電路數字信號存儲器一般形式x檢測元件A/D轉換CPU通信電路存儲器D/A轉換采用HART協議通信方式第六張，PPT共六十頁，創作于2022年6月數字式變送器軟件部分包括: A/D采樣程序 量程轉換程序 工程量變換程序 濾波程序 誤差校正程序 D/A輸出程序 通訊程序 輔助功能程序數字變送器的軟件組成第七張，PPT共六十頁，創作于2022年6月二、變送器的一些共性問題1、量程調整 量程調整（即滿度調整

5、）的目的是使變送器的輸出信號的上限值ymax（即統一標準信號的上限值）與測量范圍的上限值xmax相對應。 量程調整相當于改變輸入輸出特性的斜率，也就是改變變送器的輸入信號y與被測變量x之間的比例系數。 量程調整通常是通過改變反饋系數F的大小來實現的。F大，量程就大；F小，量程就小。有些變送器還可以通過改變轉換系數C來調整量程。xyxminxmaxyminymax第八張，PPT共六十頁，創作于2022年6月量程調整的方法 改變反饋部分的反饋系數Kf 改變測量部分轉換系數Ki 軟件實現 模擬式變送器數字式變送器 Kf Ki 量程 量程 第九張，PPT共六十頁，創作于2022年6月2、零點調整和零點

6、遷移 零點調整和零點遷移的目的，都是使變送器輸出信號的下限值ymin（即統一標準信號的下限值）與測量范圍的下限值xmin相對應。在xmin=0時，為零點調整；在xmin0時為零點遷移。 也就是說，零點調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遷移到某一數值（正值或負值）。當測量起始點由零變為某一正值，稱為正遷移；反之，當測量起始點由零變為某一負值，稱為負遷移。 第十張，PPT共六十頁，創作于2022年6月零點調整的方法模擬變送器：調Z0數字變送器：軟件y0 xmaxyminymax第十一張，PPT共六十頁，創作于2022年6月 零點遷移后，變送器的輸入輸出特性沿x坐標向右或向左平

7、移了一段距離，其斜率并沒有改變，即變送器的量程不變。進行零點遷移，再輔以量程調整，可以提高儀表的測量靈敏度。當測量的起始點由零變為某一正值，稱為正遷移；當測量的起始點由零變為某一負值，稱為負遷移 零點調整使變送器的測量起始點為零零點遷移是把測量的起始點由零遷移到某一數值:xyxmaxyminymax0零點遷移的方法模擬變送器：調Z0數字變送器：軟件xminxmaxxminxmax第十二張，PPT共六十頁，創作于2022年6月3、線性化原因：傳感器組件的輸出信號與被測參數之間往往存在著非線性關系模擬式變送器非線性補償方法: 1.使反饋部分與傳感器組件具有相同的非線性特性 數字式變送器非線性補償方

8、法: 軟件實現 2.使測量部分與傳感器組件具有相反的非線性特性第十三張，PPT共六十頁，創作于2022年6月4、變送器信號傳輸 氣動變送器：電動模擬式變送器：HART通訊協議方式 數字式變送器：兩根氣動管線（氣源和信號） 二線制四線制 雙向全數字量傳輸信號(現場總線通信方式 )第十四張，PPT共六十頁，創作于2022年6月二根導線同時傳送變送器所需的電源和輸出電流信號 二線制 四線制供電電源和輸出信號分別用二根導線傳輸 RL四線制變送器Io電源二線制變送器RLErrIo電動模擬式變送器信號傳輸方式 第十五張，PPT共六十頁，創作于2022年6月節省連接電纜、有利于安全防爆和抗干擾 二線制變送器

9、的條件： 工作電流： 工作電壓：二線制二線制優點： 目前大多數變送器均為二線制變送器 二線制變送器RLErrIo+VT第十六張，PPT共六十頁，創作于2022年6月 變送器的正常工作電流 必須得等于或小于變送器輸出電流的最小值 。 通常，二線制變送器的輸出電流下限值為4mADC，在此條件下，變送器須能夠正常工作。但對于輸出電流為0-10mADC的變送器，若也采用二線制，則在輸出電流為零時，變送器的工作電流也為零。顯然，凡輸出電流采用0-10mADC的儀表是不能采用二線制的。在下列電壓條件下，變送器能保持正常工作。 式中 變送器輸出端電壓； 電源電壓的最小值； 輸出電流的上限值， ； 變送器的最

10、大負載電阻值； 連接導線的電阻值。 由圖3-7（a）可以看出，變送器的輸出端電壓值 等于電源電壓值和輸出電流在負載電阻 及傳輸導線電阻 上的壓降之差，為保證變送器的正常工作，輸出端電壓值只允許在限定范圍之內變化。如果負載電阻要增加，電源電壓就需增大。 變送器的最小有效功率P為第十七張，PPT共六十頁，創作于2022年6月2.2差壓變送器差壓變送器是將液體、氣體或蒸汽的壓力、流量、液位等工藝變量轉換成統一的標準信號，作為指示記錄儀、調節器或計算機裝置的輸入信號，以實現對上述變量的顯示、記錄或自動控制。2、2、1力平衡式差壓變送器（一）概述 力平衡式差壓變送器的構成如下圖所示。它包括測量部分、杠桿

11、系統、位移檢測放大器及電磁反饋機構。 這類差壓變送器是基于力矩平衡原理工作的，它是以電磁反饋力生產的力矩去平衡輸入力生產矩。 但這類變送器目前主要用于氣動產品，電動杠桿式的變送器目前已經被淘汰。 第十八張，PPT共六十頁，創作于2022年6月DDZ-III型差壓變送器 檢測部分: P 輸入力Fi 杠桿系統: 力的傳遞和力矩比較，生成位移信號 位移檢測放大器: 位移 輸出Io電磁反饋裝置: 輸出反饋力FfP膜盒Fi杠桿系統M位移檢測放大器電磁反饋機構FfIo第十九張，PPT共六十頁，創作于2022年6月(1) 測量部分 作用：把被測差壓P轉換成 作用于主杠桿下端的輸入力Fi A1= A2= Ad

12、 Fi= Ad(P1 -P2) = AdP Fi= A1P1 -A2P2因: 故:第二十張，PPT共六十頁，創作于2022年6月(2) 杠桿系統 進行力的傳遞和力矩比較 主杠桿將Fi轉換為F1 矢量機構將F1轉換為F2 副杠桿將F2產生的力矩與Ff產生的力矩進行比較，生成位移變化 第二十一張，PPT共六十頁，創作于2022年6月 主杠桿將Fi轉換為F1F1作用于矢量機構上 HF1Fil2l1第二十二張，PPT共六十頁，創作于2022年6月 矢量機構將輸入力F1轉換為作用于副杠桿上的力F2 (a)(b)第二十三張，PPT共六十頁，創作于2022年6月 副杠桿進行力矩的比較 F2產生的力矩Ff產生

13、的力矩合力矩調零力Fz產生的力矩最終的合力矩第二十四張，PPT共六十頁，創作于2022年6月(3) 電磁反饋裝置 作用：把變送器的輸出電流I0轉換成作用于副杠桿的電磁反饋力Ff Ff =BDcWI0設 Kf =BDcW改變反饋動圈的匝數W，可以改變 Kf的大小 反饋動圈1固定在副杠桿上，且處于永久磁鋼2的磁場中，可在其中左右移動。軟鐵芯3和永久磁鋼2組成磁路。軟鐵芯使環形氣隙中形成均勻的輻射磁場，從而使流過反饋動圈的電流方向總是與磁場方向垂直。當變送器的輸出電流過反饋動圈時，就會產生電磁反饋力Ff。Ff與變送器輸出電流I0之間的關系為： 則 Ff = KfI0 第二十五張，PPT共六十頁，創作

14、于2022年6月1-3短接、2-4短接 W = W1=725匝 1-2短接 W = W1+W2=2175匝 可實現3：1的量程調整 W1=725匝，W2=1450匝R11與W1的直流電阻相同第二十六張，PPT共六十頁，創作于2022年6月(4) 整機特性 第二十七張，PPT共六十頁，創作于2022年6月Io mAPminPmax420P第二十八張，PPT共六十頁，創作于2022年6月1.變送器的輸出電流I0和輸入信號P之間呈線性關系 2.調整調零彈簧可以使變送器輸出電流I0在輸入信號范圍下限時為4mA 。 3.改變tg或Kf可以調整變送器的量程 4.零點和量程要反復調整 Io mAPminPm

15、ax420P第二十九張，PPT共六十頁，創作于2022年6月2、2、2電容式差壓變送器（一）概述采用差動電容作為檢測元件，整個變送器無機械傳動、調整裝置，并且測量部分采用全封閉焊接的固體化結構。儀表結構簡單、性能穩定、可靠，具有較高的精度。 變送器包括測量部件和轉換放大電路兩部分。第三十張，PPT共六十頁，創作于2022年6月P=0 Ci1=Ci2=15pF P0 Ci1的電容量減小 Ci2的電容量增大 差動電容測量原理電容式差壓變送器測量原理 第三十一張，PPT共六十頁，創作于2022年6月P=0 S1=S2=S0 P0 S1=S0+ S2=S0- 第三十二張，PPT共六十頁，創作于2022

16、年6月相對變化值 與被測差壓P成線性關系， 且與灌充液的介電常數無關 第三十三張，PPT共六十頁，創作于2022年6月第三十四張，PPT共六十頁，創作于2022年6月振蕩器解調器線性調整IC1基準電壓穩壓源IC3功放限流負反饋調零零遷RLIoEIfIdIz（ ）VcVr差動電容框圖第三十五張，PPT共六十頁，創作于2022年6月電容式壓力變送器，目前在工業生產中應用非常廣泛，其輸出信號也是標準4 20mADC電流信號。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉換為電容量的變化，然后進行測量的。電容式差壓變送器的原理圖可見傳感器有左右固定極板，在兩個固定極板之間是彈性材料制成的測量膜片，作為電容的中央動

17、極板，在測量膜片兩側的空腔中充滿硅油。電容式差壓變送器的結構可以有效地保護測量膜片，當差壓過大并超過允許測量范圍時，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式沒有杠桿傳動機構，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應提高，可達0.2級。 第三十六張，PPT共六十頁，創作于2022年6月2、2、3擴散硅式差壓變送器是一種無杠桿式的。采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件。具有體積小、重量輕、結構簡單和穩定性好的優點，精度也較高。 變送器包括測量部件和放大線路兩部分。敏感元件由硅片組成，即硅杯。它既是彈性元件，又是檢測元件。當硅杯受壓時，壓阻效應使其上的擴散電阻（應變電阻

18、）阻值發生變化，從而使由這些電阻組成的電橋產生不平衡電壓。因電阻率變化引起阻值變化稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應比較明顯。用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機械穩定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，以擴散硅壓阻傳感器作為檢測元件的壓力檢測儀表得到了廣泛的使用。 p2p1硅杯圖3-30 壓阻式傳感器示意圖正壓側隔離膜片引出線負壓側隔離膜片硅油第三十七張，PPT共六十頁，創作于2022年6月構成框圖：擴散硅壓阻傳感器前置放大器調零電路VI轉換PUSU01UZIO檢測部分電磁放大部分第三十八張，PPT共六十頁，創作于20

19、22年6月整機電路圖 第三十九張，PPT共六十頁，創作于2022年6月測量部分擴散硅壓阻傳感器把被測差壓P成比例地轉換為不平衡電壓US 1.負壓室 2.正壓室 3.硅杯4.引線 5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4第四十張，PPT共六十頁，創作于2022年6月測量部分惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時：Ri1Ri2Ri3Ri4R第四十一張，PPT共六十頁，創作于2022年6月測量部分電壓轉換Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2受壓時，流經2橋臂的電流始終相等第四十二張，PPT共六十頁，創作于2022年6月結論：壓阻式壓力傳感器的主

20、要優點是體積小，結構簡單，其核心部分就是一個既是彈性元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴散電阻的靈敏系數是金屬應變片的幾十倍，能直接測量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動態響應，遲滯小，可用來測量幾千赫茲乃至更高的脈動壓力。因此，這是一種發展比較迅速，應用十分廣泛的一類壓力傳感器。 這種傳感器的缺點則是擴散電阻存在溫度效應，容易受環境溫度的影響，有些廠家在傳感器組件中提供了若干校正用的溫度補償電路，甚至把放大轉換等電路集成在同一塊單晶硅膜片上，從而可以大大提高傳感器的基本性能。第四十三張，PPT共六十頁，創作于2022年6月2.3溫度變送器溫度變送器與各種熱電偶或熱電阻配合使用

21、，將溫度信號轉換成統一標準信號。溫度變送器可以作為直流毫伏轉換器來使用，以將其他能夠轉換成直流毫伏信號的工藝變量也變成相應的統一標準信號。溫度變送器有兩線制和四線制之分，各類變送器又有三個品種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。前一種是將輸入的直流毫伏信號轉換成4-20MA直流電流和1-5V直流電壓的統一輸出信號。后兩種則分別與熱電偶和熱電阻相配合，將溫度信號轉換成統一輸出信號。分為熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器兩種熱電偶溫度變送器：把mV信號轉換為標準電流輸出熱電阻溫度變送器：把信號轉換為標準電流輸出最終要求：變送器輸出電流Io應與被測溫度t成線性對應關系第四十四張，P

22、PT共六十頁，創作于2022年6月熱電偶溫度變送器應主要要解決：冷端溫度補償和線性化處理兩個內容熱電偶溫度變送器輸入熱電勢毫伏信號，輸入回路即是冷端溫度自動補償橋路，其產生的補償電勢與熱電勢相加后作為測量電勢，因此補償電橋上的參數與熱電偶分度號有關，熱電偶溫度變送器使用時要注意分度號的匹配。線性化處理電路（略） 熱電阻溫度變送器應主要要解決：克服引線電阻的影響和線性化處理兩個內容采用三線制輸入方式。線性化處理電路（略） 第四十五張，PPT共六十頁，創作于2022年6月一體化溫度變送器 分為一體化熱電偶溫度變送器和一體化熱電阻溫度變送器兩種熱電偶溫度變送器：把mV信號轉換為標準電流輸出熱電阻溫度

23、變送器：把信號轉換為標準電流輸出所謂一體化溫度變送器，是指將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或專用接線盒內,變送器模塊和測溫元件形成一個整體，可直接安裝在被測設備上，輸出為統一標準信號420mA。這種變送器具有體積小、重量輕、現場安裝方便等優點，因而在工業生產中得到廣泛應用。 由于一體化溫度變送器直接安裝在現場，但由于變送器模塊內部的集成電路一般情況下工作溫度在20+80范圍內，超過這一范圍，電子器件的性能會發生變化，變送器將不能正常工作，因此在使用中應特別注意變送器模塊所處的環境溫度。 一體化溫度變送器品種較多，其變送器模塊大多數以一片專用變送器芯片為主，外接少量元器件構成，常用的變送器芯片有

24、AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。下面以AD693構成的一體化溫度變送器為例進行介紹。 第四十六張，PPT共六十頁，創作于2022年6月一體化熱電偶溫度變送器I1I2VT1第四十七張，PPT共六十頁，創作于2022年6月一體化熱電偶溫度變送器簡圖AD693的輸入信號Ui為熱電偶所產生的熱電勢Et與電橋的輸出信號UBD之代數和 如果設AD693的轉換系數為K，可得變送器輸出與輸入之間的關系為 結論：變送器的輸出電流I0與熱電偶的熱電勢Et成正比關系。RCu阻值隨溫度而變，合理選擇RCu的數值可使RCu隨溫度變化而引起的I1RCu變化量近似等于熱電偶因冷端溫度變化所引起的熱電

25、勢Et的變化值，兩者互相抵消。W1的作用是調零，W2的作用是調滿（量程）第四十八張，PPT共六十頁，創作于2022年6月一體化熱電阻溫度變送器I2I1VT1AD693構成的熱電阻溫度變送器采用三線制接法，與熱電偶溫度變送器的電路大致相仿，只是原來熱電偶冷端溫度補償電阻RCu現用熱電阻Rt代替。AD693的輸入信號Ui為電橋的輸出信號UBD，即 同樣可求得熱電阻溫度變送器的輸出與輸入之間的關系為 第四十九張，PPT共六十頁，創作于2022年6月智能式溫度變送器 智能式溫度變送器有采用HART協議通信方式，也有采用現場總線通信方式。下面以SMART公司的TT302溫度變送器為例進行介紹。TT302

26、溫度變送器是一種符合FF通信協議的現場總線智能儀表，它可以與各種熱電阻或熱電偶配合使用測量溫度，具有量程范圍寬、精度高、環境溫度和振動影響小、抗干擾能力強、重量輕以及安裝維護方便等優點。 第五十張，PPT共六十頁，創作于2022年6月輸入板包括多路轉換器、信號調理電路、AD轉換器和隔離部分，其作用是將輸入信號轉換為二進制的數字信號，傳送給CPU，并實現輸入板與主電路板的隔離。 用于熱電偶的冷端溫度補償 核心采樣、計算(控制)、輸出 產生并輸出滿足FF標準的數字信號 第五十一張，PPT共六十頁，創作于2022年6月2.4電/氣轉換器一、概述電/氣轉換器是將電動儀表輸出的4-20MA直流電流信號轉換成可被氣動儀表接受的20-100KPA標準氣壓信號，以實現電動儀表和氣動儀表的聯用，構成混合控制系統，發揮電、氣儀表各自的優點。二、氣動儀表的基本元件氣動儀表由氣阻、氣容、彈性元件、噴嘴-擋板機構和功率放大器等基本元件組成。（一）氣阻氣阻與電路中的電阻相似，它可以改變氣路中的氣體流量。在流體呈層流狀態時，氣阻的大小與兩端的壓降成正比，與流過的流量成反比。氣阻有恒氣阻（如毛細管、小孔等）與可調氣阻（變氣阻）以及線性氣阻與非線性氣阻