变送器

Transmitter

将被测参数转换为统一的标准信号。（要求输出信号和输入信号呈线性关系。）

将各种工艺参数转换为相应的统一标准信号.
QDZ : 20-100 kPa 气压信号
DDZ II : 0-10 mA
DDZ III：1-5V 4-20mA

一、变送器基础知识

1.1 变送器的构成

模拟变送器

完全由模拟元器件构成，输出信号 $y$ 和输入信号 $x$ 呈线性关系

\begin{array}{r} y = \frac{K}{1 + K F} (C x + z_{0}) y \approx \frac{1}{F} (C x + z_{0}) (K F ≫ 1) \end{array}

测量部分 $C$ ：将被测参数转换为能被放大器接受的输入信号
放大部分 $K$ ：将两个输入信号的差值放大，转换为标准的输出信号
反馈部分 $F$ ：将输出信号反馈（深度负反馈时，与放大部分无关）
调零、零点迁移 $z_{0}$
对于模拟变送器而言，由于参数之间相互影响，调整零点和调整量程相互影响，要多次调节才能达到预期的效果。

智能变送器

以微控制器为核心的硬件和系统程序、功能模块构成的软件两大部分组成。

1.2 差压变送器共性问题

1. 量程调整（上限调整）

变送器输出信号上限值 $y_{m a x}$ 和测量范围上限值 $x_{m a x}$ 相对应。

量程越大，斜率越小，灵敏度（放大系数）越差
一般改变反馈系数来实现 $y \approx \frac{1}{F} (C x + z_{0})$ ，反馈系数越大，量程越大

2. 零点调整、零点迁移（下限调整）

变送器输出信号下限值 $y_{m i n}$ 和测量范围下限值 $x_{m i n}$ 相对应

零点调整：使得变送器的测量起始点为零。下限值 $x_{m i n}$ 为零，仅需要小范围来进行调零校正
零点迁移：将测量的起始点由零迁移到某一数值。起始点由零到某一正值时，为正迁移，向右平移曲线；起始点由零到某一负值时，为负迁移，向左平移曲线。（需要较大范围内来改变信号的下限值。量程范围的大小不变，只是起始点改变）物位检测#差压式液位计

二、差压变送器

1. 力平衡式差压变送器（过去使用）

力矩平衡原理
单杠杆

\begin{array}{r} Δ P A_{1} l_{1} = P_{0} A_{2} l_{2} P_{0} = \frac{A_{1} l_{1}}{A_{2} l_{2}} Δ P = K Δ P \end{array}

支点调整力臂长度，来调整量程
迁移弹簧调整零点，施加微小力矩，小范围调整

双杠杆，采用固定支点的矢量机构
零点迁移滞后的上限不能超过仪表规定的上限，量程范围不得小于最小量程。

2. 压阻式差压变送器

测量部分：扩散硅压阻传感器和传感器供电电路。将被测差压 $Δ p$ 成比例转换为不平衡电压 $U_{s}$
放大转换部分：前置放大器、电压电流转换电路、零点调整电路。

3. 电容式差压变送器（电路分析）

采用差动电容作为检测元件，性能稳定，精度较高。
压力检测#常见压力表

测量部分（差压-电容转换）

将被测差压 $Δ p_{i}$ 转换为感压膜片的位移 $Δ s$ ，从而使得差动电容量发生变化。
$Δ s$ 感压膜片产生位移， $s_{0}$ 膜片初始间距：

\begin{array}{r} \frac{C_{i 2} - C_{i 1}}{C_{i 2} + C_{i 1}} = \frac{Δ s}{s_{0}} = K_{2} Δ s = K_{1} K_{2} Δ p_{i} \end{array}

差动电容相对变化值和 $Δ s$ 成线性关系；初始距离 $s_{0}$ 小，差动电容相对变化量越大，则测量部分的灵敏度大
（分布电容存在会带来非线性误差）

转换放大部分（电容-电流转换）

电容-电流转换电路：将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号**。
- 解调-振荡控制电路：解调器+振荡控制放大器，得到差动信号和共模信号。
- 线性调整电路：补偿分布电容所产生的非线性误差。
放大及输出限制电路：将电流信号 $I_{i}$ 放大，并输出 $4 \sim 20 m A$ 的直流电流
- 放大电路：将电流信号 $I_{i}$ 放大
- 输出限制电路：防止输出电流过大，损坏器件

橙色箭头为 $I_{1}$ ，绿色箭头为 $I_{2}$

电流流向判定

电流流向相反，产生差动信号
绕组 2-11：
$I_{1}$ ： $T_{11} \to R_{i} \to C_{17} \to C_{i 1} \to D_{8} D_{4} \to T_{2}$
$I_{2}$ ： $T_{2} \to D_{2} D_{6} \to C_{i 2} \to C_{17} \to R_{i} \to T_{11}$

电流流向相同，产生共模电流信号
绕组 1-12
$I_{2}$ ： $T_{12} \to R_{7} ∥ R_{9} \to C_{17} \to C_{i 2} \to D_{5} D_{1} \to T_{1}$
绕组 3-10
$I_{1}$ ： $T_{3} \to D_{3} D_{7} \to C_{i_{1}} \to C_{17} \to R_{6} ∥ R_{8} \to T_{10}$

输出差动信号与共模信号以及电容相对变化量的关系

电流平均值 $I_{1} = U_{p p} C_{i 1} f I_{2} = U_{p p} C_{i 2} f$

\begin{matrix} I_{2} - I_{1} = U_{p p} (C_{i 2} - C_{i 1}) f \\ I_{2} + I_{1} = U_{p p} (C_{i 2} + C_{i 1}) f \\ I_{i} = I_{2} - I_{1} = (I_{2} + I_{1}) \frac{C_{i 2} - C_{i 1}}{C_{i 2} + C_{i 1}} \end{matrix}

共模电流信号为定值

$R_{6} = R_{9}, R_{7} = R_{8}$ ，理想运算放大器两个输入端电压 $U_{i 1}, U_{i 2}$ 相等
$U_{i 1}$ 为基准电压 $U_{R}$ 在 $R_{8}, R_{9}$ 上的压降
$U_{i 2}$ 为 $I_{1} + I_{2}$ 在 $R_{6} ∥ R_{8}, R_{7} ∥ R_{9}$ 上的压降

\begin{matrix} U_{i 1} = \frac{R_{8}}{R_{6} + R_{8}} U_{R} - \frac{R_{9}}{R_{7} + R_{9}} U_{R} = \frac{R_{8} - R_{6}}{R_{6} + R_{8}} U_{R} \\ U_{i 2} = I_{1} (R_{6} ∥ R_{8}) + I_{2} (R_{7} ∥ R_{9}) = \frac{R_{6} R_{8}}{R_{6} + R_{8}} (I_{1} + I_{2}) \end{matrix}

\begin{array}{r} U_{i 1} = U_{i 2} I_{2} + I_{1} = \frac{R_{8} - R_{6}}{R_{6} R_{8}} U_{R} = K_{3} \end{array}

最终关系式

\begin{array}{r} I_{i} = I_{2} - I_{1} = (I_{2} + I_{1}) \frac{C_{i 2} - C_{i 1}}{C_{i 2} + C_{i 1}} = K_{3} \frac{C_{i 2} - C_{i 1}}{C_{i 2} + C_{i 1}} = K_{3} \frac{Δ s}{s_{0}} \end{array}

三、温度变送器

与热电偶或热电阻配套使用，将温度信号转换为统一标准信号。
主要构成：量程单元（输入回路+反馈回路）、放大单元。

1. 直流毫伏变送器量程单元

由输入回路和反馈回路组成。

\begin{array}{r} U_{o} = β [U_{i} + (α - γ) \cdot U_{Z}] \end{array}

$β$ 输出和输入信号之间的比例系数，用于调整量程。输出信号范围不变，比例系数越大，输入信号的量程范围越小。
$(α - γ) \cdot U_{Z}$ 表示变送器调零信号，用于改变零点，改变 $α$ 可以实现正负向迁移。

$W_{1}, R_{104}$ 小范围调零， $R_{103}$ 大范围零点迁移
$W_{2}$ 改变比例系数 $β$ ，调整量程范围和零点（需要反复调整才能满足需求）

2. 热电偶温度变送器量程单元

输入回路增加了铜电阻构成的热电偶冷端温度补偿电路
两线制：一个铜电阻；四线制：两个铜电阻， $0^{\circ}$ 固定为 50 $Ω$
将调零电位器移到反馈回路的支路上
在反馈回路中增加了由运算放大器构成的线性化电路
线性化电路实际上是一个折线电路，使用折线法近似热电偶的特性曲线。

3. 热电阻温度变送器量程单元

输入回路中有线性化电路
热电阻阻值的增加量随温度升高而逐渐减小。（ $R_{t} - t$ 曲线上凸）
使用正反馈方法，将热电阻两段电压信号引到运算放大器同相端，补偿热电阻随温度升高变化量逐渐减小的趋势。（ $U_{t} - R_{t}$ 曲线下凹）最终使得 $U_{t} - t$ 为直线关系
设置热电阻的引线补偿电路
使用三导线接法，来消除引线电阻压降对测量的影响。
只能在某一点上进行全补偿，一般取变送器量程上限某一点进行全补偿。