第三编 仪表系统分析

1. 第11章　变送单元 第三编　 仪表系统分析

2. 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：

3. §11-1、常用变送器工作原理： 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。 一、常用结构分析： 　　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。

4. §11-1、常用变送器工作原理： 1、结构图： ②.闭环模式： 　　具有深度负反馈环节。 一、常用结构分析： 说明

5. §11-1、常用变送器工作原理： 2、闭环模式分析： 一、常用结构分析：

6. §11-1、常用变送器工作原理： 2、闭环模式分析： 一、常用结构分析：

7. §11-1、常用变送器工作原理： 2、闭环模式分析： 一、常用结构分析： 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。

8. §11-1、常用变送器工作原理： 2、闭环模式分析： 一、常用结构分析： 讨论： 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。

9. §11-1、常用变送器工作原理： 　　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。 二、力矩平衡式原理： 1、杠杆系统工作原理图： 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

10. §11-1、常用变送器工作原理： 　　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。 二、力矩平衡式原理： 2、工作原理： 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：

11. §11-1、常用变送器工作原理： 　　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。 二、力矩平衡式原理： 2、工作原理： 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。

12. §11-1、常用变送器工作原理： 　　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。 二、力矩平衡式原理： 2、工作原理： 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。

13. §11-1、常用变送器工作原理： 1、电桥原理： 三、电平衡式　　桥式电路原理： 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。

14. §11-1、常用变送器工作原理： 2、平衡式电桥原理： 三、电平衡式　　桥式电路原理： 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。

15. §11-1、常用变送器工作原理： 2、平衡式电桥原理： 三、电平衡式　　桥式电路原理： ①.原理图：

16. §11-1、常用变送器工作原理： 2、平衡式电桥原理： 三、电平衡式　　桥式电路原理： ②.原理： 通过平衡式电桥的作用，保证变送器电平衡原理的实现

17. §11-1、常用变送器工作原理： 3、非平衡式电桥原理： 三、电平衡式　　桥式电路原理： 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； 　　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 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。

18. §11-1、常用变送器工作原理： 3、非平衡式电桥原理： 三、电平衡式　　桥式电路原理： ②.原理： 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。

19. §11-1、常用变送器工作原理： 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。 四、差动式原理：　　主要应用于开环模式的变送器

20. §11-1、常用变送器工作原理： 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。 四、差动式原理：　　主要应用于开环模式的变送器

21. §11-1、常用变送器工作原理： 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。 四、差动式原理：　　主要应用于开环模式的变送器 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。

22. §11-2、DDZ-Ⅲ型差压变送器： 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。 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：　　 工作过程

23. §11-2、DDZ-Ⅲ型差压变送器： 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。 三、基本关系：

24. §11-2、DDZ-Ⅲ型差压变送器： 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。 三、基本关系： 　　根据杠杆及矢量机构的 受力分析，有：

25. §11-2、DDZ-Ⅲ型差压变送器： 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。 三、基本关系：

26. §11-2、DDZ-Ⅲ型差压变送器： 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。 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。

27. §11-2、DDZ-Ⅲ型差压变送器： 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。 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 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 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。

28. §11-2、DDZ-Ⅲ型差压变送器： 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： 五、DDZ-Ⅲ型仪表的联接结构：

29. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 　　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； 一、概述：

30. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 　　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。 二、总体结构：

31. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 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。 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）： 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。

32. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 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。 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：

33. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 2、组成： 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； 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）： 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；

34. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 2、组成： 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。 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：

35. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 3、分析： ①.运放同相端电压： 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）： 推导

36. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： Vz 单独作用 Vf不作用 3、分析： 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）： 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

37. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 3、分析： 3、分析： ①.运放同相端电压： 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）： ②.运放反相端电压：　　 设计中保证：

38. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 3、分析： 3、分析： ①.运放同相端电压： 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）： ②.运放反相端电压：　　

39. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 3、分析： 3、分析： 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：

40. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 3、分析： 3、分析： 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：

41. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 3、分析： 3、分析： 三、直流毫伏表变送器量程单元（输入电路）：

42. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 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。 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）： 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

43. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 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：　　 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：

44. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 2、线性化电路结构：　 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：

45. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 2、线性化电路结构：　 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：

46. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 2、线性化电路结构：　 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：

47. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 3、定性分析：　 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：

48. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 3、定性分析：　 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：

49. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 4、定量分析： ①.若VC＜VD1+VS1、VC＜VD2+VS2、VC＜VD3+VS3： 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：

50. §11-3、DDZ-Ⅲ型温度变送器： 4、定量分析： ①.若VC＜VD1+VS1、VC＜VD2+VS2、VC＜VD3+VS3： 四、热电偶温度变送器量程单元（输入电路）：