第三编　仪表系统分析

第三编　仪表系统分析

第 11章　变送单元

概况：变送器是自动控制系统中的首要环节和重要组成部分，其：

、闭环　　按工作方式：开环；　　　　　

　　　　　　按被测参数分类：

。　　　　　　　　　　液

温度、主要功能：

器和湿度变和湿度流量变量变送器、液位器、温度变、温度压力变送器、差压变送

的调调整控制所系统统显示或进行下一标准信号，以供位等转等转换成相应的压力、流量、将各种各种过程参数如

§11-1、常用变送器工作原理：一、常用结构分析：

1 、结构图：①. 开环模式：　　　其放大环节一般集成了调整环节，实现调零。　　这种变送器的工作原理简单，没有反馈机构及传递装置，将传感器测量出的参数变化直接引入放大电路，然后再转换成所需的标准电流输出。　　它适用于小型化的新型变送器，可以克服力平衡式变送器的固有缺点，其精度、稳定性、可靠性等都有所提高。典型的应用如微小位移型压力变送器、微电子型变送器等。


1 、结构图：②. 闭环模式：　　具有深度负反馈环节。

说明


2 、闭环模式分析：

yKu

Ky

uuuK

yu ff

fm

　　

输出输入

变送器

0)( 0



1fKK深度负反馈：

yKuuK

uuu

fm

fm

)( 0

0

　

fm uuu 00



fm uuu 00

变送器达到平衡状态。如保持此平衡的是力矩，则是力矩平衡式；如保持此平衡的是电量，则是电平衡式。



①. 由　　　　　　　可知，在放大环节的静态放大倍数 K 足够大时，变送输出 y 与输入 x 间的关系主要取决于测量环节和反馈环节的特性，而与放大环节的特性无关。②. 若测量环节的静态放大倍数、反馈环节的静态放大倍数都是常数，则变送器的输入输出特性可保持线性关系。③. 如果测量环节的静态放大倍数不是常数，且具有非线性特性，则可通过选择合适的非线性特性的反馈环节，使其非线性特性能够补偿因测量环节所带来的非线性因素，从而使变送器的整体特性线性化。

讨论：

§11-1、常用变送器工作原理：二、力矩平衡式原理：

1 、杠杆系统工作原理图：　　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　　　　　　式所述的平衡的。

Fi 表示变送器输入 ui 经转换环节变换后的等效力；F0 表示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。杠杆的微小位移 ε 则由位移测量环节采用一定的方式进行测量，并将测量结果放大后形成输出信号 y 和反馈信号 uf


2 、工作原理：　　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　　　　　　式所述的平衡的。

各作用力 Fi 、 F0 、 Ff 作用在杠杆系统上，若杠杆系统静态放大倍数 K 足够大，达到相对平衡状态，于是将平衡信号等效成作用在杠杆上的力矩，则有：


2 、工作原理：　　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　　　　　　式所述的平衡的。

基于力矩平衡式变送器工作原理的核心：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。这种测量原理主要应用于差压变送器中。

§11-1、常用变送器工作原理：三、电平衡式　　桥式电路原理：

1 、电桥原理：当电桥达到平衡时，其输出为零即：

由于桥式电路自身带有电源 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忽略不计，因而此时可认为提供的是纯电动势　　。　这是桥式电路能够应用到多数仪器仪表中的主要原因。


2 、平衡式电桥原理：①. 原理图：　将输入电动势信号与桥式电路的输出电动势进行叠加，得到如图所示的基于桥式电路的变送器工作原理图。属于反馈模式，主要应用在以热电偶为测温元件的温度变送器中。


2 、平衡式电桥原理：①. 原理图：

vbaW

vWv

v

ff

f

i

节引入调零电动势　　　　即为调整速环间的电势差，、系统调零作用，保证

运放总反馈电势

：输入电动势

0


2 、平衡式电桥原理：②. 原理：

fiabi vvvvv 0

通过平衡式电桥的作用，保证变送器电平衡原理的实现


3 、非平衡式电桥原理：①. 原理图：　　将输入传感器作为电桥的一个桥臂，即将输入电动势 vi 的变化直接引入电桥桥臂；　　

属于反馈模式，主要应用在以热电阻为测温元件的温度变送器中。

　　调零电位器 W0 从电桥 a 点移到 b 点。 ab 间电势差不只是调整环节引入的电动势 v0 ，而是调整环节电动势 v0 和输入环节电动势 vi之和


3 、非平衡式电桥原理：②. 原理：　　

运放

总反馈电势

输入电动势信号

ff

f

cai

vWv

vv

通过非平衡式电桥的作用，保证了变送器电平衡原理的实现。

§11-1、常用变送器工作原理：四、差动式原理：　　主要应用于开环模式的变送器

1 、概述：　　在采用某些物理特性如电容、电感、互感等进行测量时，其固有的非线性特点，使得常规方法效果不好，而采用差动方式，则可以自动补偿，使其线性化。　　采用差动方式的前提是：　　必须有两个完全对称且性能相同的敏感元件，当被测参数对象变化时，一个敏感元件的特性增加，另一个敏感元件的特性则减少，且特性增加和减少的量相同，而方向相反。


2 、举例：　以差动式电容变送器为例。①. 原理图：　　极板 1、 3固定；　　极板 2：根据被测量（如压力）　　　　　大小产生位移。②. 分析：　　假设极板右移。　　

)()(

)(

02

01

0

ddfeddfe

ddfee

d 设初始状态敏感元件输出设位移量


2 、举例：　以差动式电容变送器为例。①. 原理图：②. 分析：　　假设极板右移。　　

)()(21

)()(

00

02

01

ddfddfeee

ddfeddfe

　　　　　　＝总输出

由于两个敏感元件完全对称，则其初始状态特性得到抵消，有：　　　　呈现线性关系。

§11-2、 DDZ-Ⅲ型差压变送器：一、结构：　　压力传感器：　　矢量机构：　　差动变压器：　　调零弹簧：二、工作分析：　　

基于力矩平衡原理工作，主要有：机械部件和振荡放大电路组成。

工作过程

§11-2、 DDZ-Ⅲ型差压变送器：三、基本关系：

　　


§11-2、 DDZ-Ⅲ型差压变送器：三、基本关系：　　根据杠杆及矢量机构的受力分析，有：　　


反馈线圈特性：

根据力的合成关系：

支点的副杠杆：

支点的杠杆：

2

1

O

O

§11-2、 DDZ-Ⅲ型差压变送器：三、基本关系：　　　　


§11-2、 DDZ-Ⅲ型差压变送器：三、基本关系：　　讨论：　　① . 输出电流 I0与被测压差Δp成正比，具有线性关系。 ②.

③. 通过调零弹簧：实现调零。　


4.1138.334tan

15tan

315~4

：最大量程和最小量程比

量程改变

倍）围改变反馈线圈匝数（范）（范围角通过调节螺钉，调整倾

§11-2、 DDZ-Ⅲ型差压变送器：四、位移信号的变换与放大：　　


被测压差经力矩平衡系统转换成差动变压器上检测片的微小位移

标准电流经由串接在输出回路上的电阻分取反馈电压，供给反馈线圈，形成反馈力矩使变送器达到平衡工作状态。

将位移转变为电压输出

使振荡频率与变压器输出电压保持相应的对应关系

检波电路从低频振荡器中获取交变信号

§11-2、 DDZ-Ⅲ型差压变送器：五、 DDZ-Ⅲ型仪表的联接结构：　　　　Ⅲ型仪表采用直流集中供电方式，使得此类变送器可以将

直流 +24V 电源、差压变送器、 250欧电阻三者串联起来，从而可以根据压差的大小决定所通过的电流大小，并将 250欧电阻两端的电压传递给下一级仪表，作为下一级仪表的输入。　　其两线制结构如图：

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：一、概述：　　　　温度变送器与热电偶、热电阻配合使用，将温度信号转换

成统一信号（电压或电流），作为指示记录仪或调节器的输入信号，实现对温度变量的标记、记录或控制。　　温度变送器也可做直流毫伏表来使用，将其它能够转换成直流毫伏信号的工艺变量变成统一的标准信号（电压： 1~5V ；电流： 4~20mA）　　分类：直流毫伏表；　　　　　热电偶温度变送器；　　　　　热电阻温度变送器；

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：二、总体结构：　　　　三种变送器在线路结构上都分为是量程单元和放大单元两

大部分，分别设置在两个印制电路板上，用接插件互连，其中放大单元是通用的，而量程单元随品种、测量范围的不同而不同。

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：　　1 、电路图：

　　由输入、调零和反馈三部分环节组成，如图。　　完成输入信号的接收、变送器零点的调整和反馈信号与输入信号的合成。　　为便于说明工作原理，将放大电路中的运算放大器包含在了图中。

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：　　2 、组成：

①. 输入环节：完成输入信号的接收，并通过电阻 Ri1 和 Ri2, 及稳压管 VD1 、 VD2起到限流限压作用，使进入变送器的信号能量限制在安全定额以下。


②. 调零环节：电阻 Ri3 、 Ri4 和 Ri5 及 Wi ( 零点调整电位器 ) 组成的电桥实现零点调整与零点迁移；Vc 、 Tz 、 Rz组成恒流源，对桥路进行供电，在稳压管 VD3 、上产生稳定电压 VZ 、，保证电桥工作的稳定性；


③. 反馈环节：　　依托放大电路的运算放大器，通过电阻 Rf1 、 Rf2 和 Rf3 及Wf 组成。将反馈信号的一部分引入到运放的反相输入端，达到负反馈作用。

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：　　3 、分析：

①.运放同相端电压：

推导


②.运放反相端电压：　　通过叠加定理计算

Vf 单独作用Vz 不作用

Vz 单独作用 Vf 不作用


②.运放反相端电压：　　

设计中保证：

3 、分析：①.运放同相端电压：


②.运放反相端电压：　　3 、分析：①.运放同相端电压：

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：　　3 、分析：3 、分析：

设

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：　　3 、分析：3 、分析：

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：　　1 、电路图：类似直流毫伏表变送器。

　　包括输入、调零和反馈三个环节组成，如图。　　

①. 为适应热电偶进行冷端温度补偿的需要，在桥臂电阻 Ri3支路上增加铜电阻 Rcu 。而将调零环节移到了桥路的另一侧。 ② . 在反馈回路中设计了线性化负反馈通道，以补偿热电偶特性的非线性，实现线性化的

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：　　2 、线性化电路结构：

　　作用是使热电偶温度变送器的输出信号与被测温度信号 t之间成线性关系。　　线性化电路结构：　　

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：　　

组成运算基本电路　　　、、、、运放、信号非线性运算电路的输出

反馈回路输入信号

affff

a

f

RRRRRV

V

871817

:

:

2 、线性化电路结构：　


　　　　大小不等负值，　　　　对公共点均为定），　　　　基准电压（恒

由基准回路提供的　　　

，相当于短路；　　　击穿后电阻极小，相当于开路；　　　击穿前电阻极大

；稳压管，稳压值为

:~

:~

31

41

SS

D

VV

VVDVD



电路参数有关折线数目及斜率大小和　　：各段折线的斜率

4321


　　　

　　

决定新的折线斜率　　　两端并联电阻的大小

直线　　　直线过渡到另一段　　　即什么时候由一

决定折线拐点，　　　的击穿电压大小、

Ra

VDVS

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：　　3 、定性分析：　

电阻决定。　　　由支路的反馈斜率导通，折线　　　支路

处于稳态，只有、、　　　较小时：假设反馈信号

111

321 DDD

f

VVV

V

　　　　电阻并联决定、支路　　其斜率由支路

，对应折线　　穿导通击，使得当

212

1

DCf VVV

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：　　3 、定性分析：　

　　　　电阻并联决定、支路、支路　　其斜率由支路

，对应折线击导通当

321

33 Df VV

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：　　4 、定量分析：

①. 若 VC＜ VD1+VS1 、 VC＜ VD2+VS2 、 VC＜ VD3+VS3 ：均截止，电路简化为：、、此时 321 DDD VVV

bV


①. 若 VC＜ VD1+VS1 、 VC＜ VD2+VS2 、 VC＜ VD3+VS3 ：

bfa

aa

bfff

ffc

cff

ff

VRR

RV

VRRR

RRV

VRR

RVV

18

1787

87

87

8

bV


①. 若 VC＜ VD1+VS1 、 VC＜ VD2+VS2 、 VC＜ VD3+VS3 ：

ff

fff

fa

aa

ff

fff

fa

aa

VR

RRRRR

RV

VR

RRRRR

RV

8

1787

18

8

1787

18

bV8

1787

18

11

f

fff

fa

a

f

a

RRRR

RRR

VV

＝斜率区域

bV


②. 若 Vf增大，使 VD1+VS1＜ VC＜ VD2+VS2 、 VC＜ VD3+VS3 ：均截止，电路简化为：、导通，此时 321 DDD VVV

bfa

aa

bffff

fffc

cff

ff

VRR

RV

VRRRR

RRRV

VRR

RVV

18

17987

987

87

8

////

）（）（



bV

ff

ff

fff

ffff

fa

aa V

RRR

RRRRRRR

RRRV

8

78

987

17987

18 ////

）（）（



9878

8717

8

87

18

78987

17987

8182

8

78

987

17987

18

//

)(//

//1

////

ffff

fff

f

ff

fa

a

fffff

ffff

ffa

a

f

a

ff

ff

fff

ffff

fa

aa

RRRRRRR

RRR

RRR

RRRRR

RRRRRRR

RVV

VR

RRRRR

RRRRRR

RV

）（）（　　

）（）（

）（）（



9878

8717

8

87

182 // ffff

fff

f

ff

fa

a

RRRRRRR

RRR

RRR

）（）（　

12

987

87 1//

＞

＞）（）（　　

fff

ff

RRRRR


③. 若 Vf增大，使 VD1+VS1＜ VC＜ VD2+VS2 、 VC>VD3+VS3 ：截止，电路简化为：导通，、此时 231 DDD VVV

bfaf

afa

bffff

fffc

cff

ff

VRRR

RRV

VRRRR

RRRV

VRR

RVV

1819

19

17987

987

87

8

////

////

）（）（


③. 若 Vf增大，使 VD1+VS1＜ VC＜ VD2+VS2 、 VC>VD3+VS3 ：截止，电路简化为：导通，、此时 231 DDD VVV

32

78987

17987

1819

193

8

78

987

17987

1819

19

)(//

////

//

////

////

　　）（

）（

）（）（

fffff

ffff

ffa

fa

f

a

ff

ff

fff

ffff

ffa

faa

RRRRR

RRRRRRR

RRVV

VR

RRRRR

RRRRRRR

RRV

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：五、热电阻温度变送器量程单元：　　1 、电路图：　　

2 、组成：由输入、调零和反馈三部分环节组成，在热电偶温度变送器输入电路的基础上进行了一些调整。采用三线制将热电阻连接到电桥；用电流正反馈方法取代多段折线方法进行特性的线性化处理。　　

变送器外部

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：五、热电阻温度变送器量程单元：　　1 、电路图：　　

2 、组成：　三个引线电阻，规定每根导线需进行阻抗补偿，均补偿到 1欧，以减少引线对测量的误差

二极管限压电路

由于热电阻的温度特性曲线：　　呈现上凸形函数关系，即阻值的增加量随温度的升高而逐渐减小，呈现出非线性，如图。

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：五、热电阻温度变送器量程单元：　　3 、线性化原理：　　

)(tfR

为保持整机特性的线性关系，在反馈回路中采用了正反馈，直接将反馈电压　　转换成电流　，并通过热电阻　　，使其端电压上升，关引至运放的同相端，直接注入输入环节，以提供正反馈效应，实现下凸形函数关系如图。只要参数选择得适当，可使　　和温度　呈现线性关系。

§11-3、 DDZ-Ⅲ型温度变送器：五、热电阻温度变送器量程单元：　　3 、线性化原理：　　

fV tR1I

tU t

tftt UUUUURt O)(温度

正反馈工作过程如下：

　　作为电动单元组合仪表的组成部分，变送器也经历了从Ⅰ 型到Ⅱ型，然后再发展到 Ⅲ型仪表的过程。随着电子技术、微计算机技术以及网络技术的迅猛发展，使变送器步入了进一步小型化、电子化、网络化和集成化的时代。　　现代变送器的首要特征就是小型化，包括测量元件的小型化，传递机构的小型化，调制及功率放大的小型化等。围绕印刷电路板的出现而采用的一些新工艺、新技术，使得常用电气元件的功耗大大降低，也使元件体积大大缩小，从而最终使得变送器的整机也得到了小型化。

§11-4、新型变送器：一、新型变送器发展趋势：　　

　　微电子技术的出现，给变送器的发展提出了新的课题。它可以取代传统的力矩杠杆系统，同时在测量元件的制作上也有了全新的突破。目前已得到良好应用的有采用扩散硅或蚀刻技术制作的测量敏感元件，这些测量元件可直接将压力信号转换成电信号，不再使用任何力矩杠杆系统。微计算机在变送器中的应用，也是其电子化的重要环节，它是整个控制系统数字化的基础。目前已在多种变送器中得到了应用，而这些微计算机的进一步小型化、集成化，将使未来的变送器更为小巧，功能更为强大。


　　在传统的控制系统中，大多采用标准制式的电流方式进行信号的远传，以构成各种控制系统。随着网络技术的发展，尤其是现场总线进入到现场控制单元后，在现场级改变了常规的连接模式。各种仪表均可挂在一条网络线路上，以数字信号取代模拟电流信号进行传递，这样既大大节省了线路的连接，同时也使得现场控制单元实现了网络化过程。


　　变送器仪表的集成化是另一重要发展趋势。集成化的前提是电子化，它不仅包括将多个单元集成于一体，如将输入电路、信号调制、功率放大、线性化处理、通讯功率等模块均集成在一片芯片上，从而极大地缩小变送器电子电路的体积，更好地保证其性能的稳定；同时也应包括测量元件自身和与外界连接的集成。　　总之，小型化、电子化、网络化和集成化是变送器的必然发展趋势。其结果可提供更为可靠的性能、更为紧凑的结构、更为灵活的连接和更为方便的维护。


　　属于无杠杆的变送器，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、稳定性好的优点，精度高。1 、结构：　测量部件：硅杯，由两片研磨后胶合　　　　　　成杯状的硅片组成。

§11-4、新型变送器：二、扩散硅差压变送器：　　

其上各电阻元件的引线由金属丝引到印刷电路板上，再穿过玻璃密封引出。硅杯两面浸在硅油中，硅油与被测介质间有金属隔离膜分开。被测压力引入测量元件，通过作用在金属隔离膜传递到附着在硅杯上的电阻元件。

2 、原理：　当硅杯受压时，压阻效应使其上的扩散电阻值变化，再由不平衡电桥产生电压，经转换成标准输出的 4~20mA 直流电流。


eI

OI

2 、原理：①.恒流源电流为 1mA ，各支路　电流 0.5mA ；②.RA~RD ：为应变电阻，末　　受压时，各电阻大小相等，　　设计时保证 Ie=3mA ，输出时 IO＝ 4mA

③. 当变送器输入差压信号时，硅杯受压，设


mAIIIV

E

E

RR

RR

eT

CB

DA

20~40

0

1

2

范围为流在量程范围内，输出电使输出控制运放输入电压

电压，

，电桥失去平衡

eI

OI

2 、原理：③. 对于 A点，由 KCL可知流　　过电阻 RF 的电流范围为：　　 3.5mA~19.5mA


系送器具有比例变换的关形成负反馈，保证了变

运放输出

当输入差压加到反相输入端

e

RFe

I

EVI 1

A

eI

OI

反相端

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