差压变送器的使用

课前准备：多媒体课件制作、演示实验设备调试、以4人/小组进行分组。

一、作业点评（15分钟）

1、展示作业成果

上次课我们曾布置了作业——根据生活中的实际控制问题，构建一个合理的自动控制系统。哪个小组愿意向大家展示一下你们的学习成果？

2、教师点评

教师根据学生的作业完成情况，作恰当地点评，以引导学生的学习兴趣，逐渐培养学生分析问题、解决问题的能力。

二、控制系统集成（30分钟）

通过以上分析，我们已经知道了单回路控制原理及系统组成的四大部分——被控对象、测量与变送、调节器和执行器。自然很想组成一个真实的控制系统、并通过实际运行以验证结果。但要组成一个真实的控制系统、并正常运行，得解决好：1）仪表之间的信号联络；2）仪表的合理参数设置；3）系统调试等问题。下面逐一介绍，并通过实践掌握基本的操作技能。

1、建立信号制的原因

这是因为实际控制系统中所使用的仪表安装在不同场所，各仪表之间用统一的联络信号，才能方便地把各个仪表组合起来，而且，还可以通过各种转换器，将不同系列的仪表连接起来，混合使用。这就是仪表的信号制概念。

2、电模拟信号制标准

信号制有多种，有模拟信号、数字信号和频率信号。由于本书只讨论模拟量控制，因此就模拟信号制作介绍。目前国际电工委员会将电流信号4～20mA，DC和电压信号1～5V，DC，确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。（注：我国旧标准为0～10mA（DC）和电压信号0～1V，DC，工业上二种形式都存在）。信号下限从某一确定值开始，即有一个活零点，电气零点与机械零点分开，便于检验信号传输线有否断线及仪表是否断电，并为现场变送器实现两线制提供了可能性。

由于有电流信号和电压信号两种联络方式，因此，其联接方法和适用场合各不相同。

电流信号传输—— 一台发送仪表的输出电流同时传输给几台接收仪表，所有这些仪表应当串联。其联接方式见图1所示。

其优点是在远距离传输时仍能保证信号的传输精度，此外，对于要求电压输入的仪表，可在电流回路中串入一个电阻，从电阻两端引出电压，供给接收仪表，所以电流信号应用较灵活。

电压信号传输—— 一台发送仪表的输出电压要同时传输给几台接收仪表时，这些接收仪表应当并接，如图2所示。接收仪表并联联接的优点是取消或增加某个仪表不会影响其它仪表的工作，安装较简单，但不适于作远距离传输。

3、知识巩固——实例分析

掌握了信号制知识后，就可以正确分析锅炉液位控制系统的接线图，并可将仪表联接起来，组成控制系统。图3是锅炉液位控制系统的实际接线图，分析其信号传输方式可以得知：

（1）变送器将测得的液位信号转换成电流信号后，通过信号线传输到控制柜，因此是典型的电流传输方式。也称二线制传输方式，是变送器最常用的信号传输方式。

（2）调节器的测量信号则是通过250Ω的电阻转换后输入的，因此是电压传输方式。 （3）调节器的输出控制值直接与调节阀的4～20mA 电流输入端相连，因此是电流传输方式。

事实上，只要遵守信号传输标准，就可以灵活组成各类控制系统。 4、动手实践

（1）请同学们在实验装置上进行接线；

（2）试着在系统上增加一些辅助功能，如加上显示仪表、流量积算仪表等，这将如何联接？

图 1 电流信号传输时仪表之间的连接

R o

图 2 电压信号传输时仪表之间的连接

L 1L 2L 3N

图3 锅炉液位控制系统图

三、差压变送器的使用（85分钟）

液位的测量方法有多种，但在过程控制系统中广泛采用了差压变送器或压力变送器。它们的测量原理是一样的——测量某处的液体压力（液体的压力正比于液位的高度），经内部信号转换电路的转换，以标准的4～20mA 电流输出。各类差压变送器都有自己的测量范围（包括所有的变送器），也称量程，当输出电流为0mA 时，一般表示量程的最小值，而当输出电流为20mA 时指量程的最大值。下面结合实验装置所用测量仪表，就1151电容式差压变压器（压力变送器）的结构与工作原理进行分析。

（一）产品知识——1151电容式变送器的工作原理和结构认识（30分钟）

1151系列电容式变送器有一个可变电容的传感组件，称为“δ”室（见图4）。传感器是一个完全密封的组件，过程压力通过隔离膜片和灌充液硅油传到传感膜片引起位移。传感膜片和两电容极板之间的电容差由电子部件转换成4～20mADC 的二线制输出的电信号。

图4 电容差压变送器的“δ”室

变送器的基本组成可用方框图5表示，它分成测量部件和转换放大电路两部分。输入差压△p i作用于测量部件的感压膜片，使其产生位移，从而使感压膜片（即可动电极）与两固定电极所组成的差动电容器之电容量发生变化。此电容变化量由电容-电流转换电路转换成直流电流信号，电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较，其差值送入放大电路，

经放大得到整机的输出电流I0。

图5 电容变送器的组成方框图

在实验装置的三个水槽旁有相应的液位测量变送器。整个仪表可分为二大部分（见图6

所示）：下部是传感器组件，过程压力通过导压管引入本体内的测压室；上部是电路板组件，

设有电流输出端子、量程和零位校验按键等。图7给出1151变送器的装配分解图。

（1）同学们可以打开端盖认识一下基本结构。

（2）识读铭牌，并回答问题：a）是差压式变送器还是压力变送器？b）变送器的量程

范围多少？c)工作电压是多少？

图7 1151变送器装配分解图

（二）动手实践——液位测量（35分钟）

接下来我们进行液位测量训练。 1、准备工作

1）首先按照图3联接好控制线路和水泵控制电路； 2）检查线路无误后，启动水泵将水槽的水灌满。 2、仪表校验

图6 1151变送器外形结构

1）用万用表测量负载电阻两端的电压，同时记下此时的水位值。 2）放空水槽，测量负载电阻两端此时的电压，是否为1V ？

3）对测量数据分析后发现，各组的数据可能都不相同——无水时理应测得的电压为1V ，但实际各有偏差；同时，对满水位的测量数据作一简单的计算：（电压值－1V ）×量程，其结果可能与实际水位有较大差别。怎么办？

4）打开变送器的铭牌端盖，用小起子调节标有“Z ”字母的旋钮（要小心，用力不要过猛，以免损坏仪表），直至测量电压为1V ；将水灌满，调节标有“R ”字母的旋钮，直至（测量电压值－1V ）×量程＝实际值。反复三次即可。

（三）理论提高（20分钟）

刚才大家通过液位测量训练，掌握了通过调节“Z ”、 “R ”字母的旋钮后，可以使仪表的输出值等于实际值的操作方法，其理论依据是什么？这要分析变送器的测量原理。

1、变送器的构成原理

变送器的构成原理如图8所示。主要由测量部分（即输入转换部分）、放大器和反馈部分组成。测量部分的作用是检测工艺变量x ，并把变量x 转换成电压、电流、位移、作用力或力矩等物理量，作为放大器的输入信号z i 。反馈部分则把变送器的输出信号y 转换成反馈信号z f ，输入信号zi 与调零信号z 0的代数和同反馈信号进行比较，其差值ε送给放大器进

行放大，并转换成标准的气压或直流电流输出信号y 。

根据负反馈放大器原理，由图7可以求得整个变送器输出与输入关系为

)

(10z Dx KF

K Y ++=

（1）

式中 D ——测量部分的转换系数； K ——放大器放大系数；

F ——反馈部分的反馈系数。

当放大器的放大系数足够大，且满足KF ＞＞ 1时，上式变为

)

(10z Dx F

Y +=

（2）

由式（2）可知，在满足KF ＞＞ 1的条件下，变送器的输出与输入之间的关系仅取

图8 变送器的构成原理

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。

变送器的量程确定后，其测量部分转换系数D 和反馈系数F 都是常数，因此变送器的输出与输入关系为线性关系，可用图9表示。图中X max 、X min 分别为变送器测量范围的上限值和下限值（图中X min =0）；y max 、y min 分别为输出信号上限值和下限值。

为了将信号变换成统一的标准信号，在使用前必须对变送器进行调校，其主要内容有变送器的量程调整、零点调整和零点迁移。

2、量程调整

量程调整的目的是使变送器的输出信号的上限值y max 与测量范围的上限值x max 相对应。

图10为变送器量程调整前后的的输入输出特性。由图9可见，量程调整相当于改变输入输出特性曲线的斜率，也就是改变变送器输出信号y 与输入信号x 之间的比例系数。

量程调整的方法，通常是改变反馈部分的反馈系数F 。F 愈大，量程就愈大；F 愈小，量程就愈小。有些变送器还可以用改变测量转换部分的转换系数D 来调整量程。

3、零点调整和零点迁移

零点调整和零点迁移的目的，是使变送器输出信号的下限值y min 与测量信号的下限值x min 相对应。在实际工程测量中，常常需要将测量的起始点迁移到某一数值（正值或负值），即所谓的零点迁移。在未加迁移时，测量起始点为零；当测量的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。

图11为变送器零点迁移前后的输入输出特性。由图11可见，零点迁移后，变送器的输入输出特性曲线沿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。若采用零点迁移后，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度和灵敏度。通常，经过调整后使x min =0为零点调整；而x min ≠0时，为零点迁移调整。

m ax

m ax

图10 变送器量程调整前后的输入输出特性图

y y

min y y min

图11 变送器零点迁移前后的输入输出特性图

实现零点调整和零点迁移的方法，是在负反馈放大器的输入端加上一个零点调整信号z 0，如图8所示。当z 0为负值时可实现正迁移；而当z 0为正值时则可实现负迁移。

四、小结，学生课后自学布置（5分钟）

1、小结

通过本次课学习，明确了变送器结构功能与测量原理，并通过实训掌握了变送器测量回路的联接方法、用万用表测量变送器输出值的方法，更为重要的是掌握了变送器的零点调整和量程调整方法，这些技能在每个项目实施时都要用到，很重要。同学们是否还有问题，可当场提问。

2、作业布置

1）复习上课内容；2）上网查寻差压（压力）变送器的二个主要生产厂家及相关产品的技术指标；3）液位测量还有其它方法吗？具体采用什么仪表？