仪表专业基础知识3.docx

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仪表专业基础知识3

第四节差压变送器

一、电动差压变送器

（一）概述

差压变送器在自动调节系统中作为测量部分，将液体、气体或蒸汽的差压、流量、液位等工艺参数，转换成0～10mA．的直流电流，作为指示记录仪、运算器和调节器的输入信号，以实现生产过程的连续检侧和自动调节。

差压变送器的结构如图1－20所示。

它由测量部分、杠杆系统、位移检测放大器及电磁反馈装置四部分组成。

图1－21为其构成方框图。

测量部分将被测差压△Pi转换成相应的输入力Fi,该力与电磁反馈力Ff一起作用于杠杆系统,使杠杆产生微小的偏移，最后经位移检放大器转换成0～10rnA直流电流输出。

差压变送器是基于力矩平衡原理工作的，其实质是以电磁反馈力产生的力矩去平衡输入力产生的力矩。

由于采用深度负反馈，因而测量精度较高，反应速度也较快，而且保证了被测差压△Pi和输出电流I0之间线性关系。

主要性能指标如下：

（1）测量范围有0～6、60mmH2O；0～100、1000mmH20；0～600、6000mmH20；0～2500、25000mmH20等品种。

（2）输出电流0～10mADC

（3）基本误差一般为士0.5％,

（4）灵敏度士0.1％,

（5）变差不大于基本误差。

（6）反应时间小于1秒。

（7）负载电阻0～1.5KΩ

（二）差压变送器工作原理

差压变送器的工作原理可用图1－22来说明。

被测差压△Pi（△Pi=P1-P2）由敏感测量元件转换成作用于主杠杆2下端的输入力Fi,以O1为支点产生力矩Mi=FiI1。

在Mi作用下，主杠杆按顺时针方向偏转，并通过连接弹簧片16带动副杠杆18一起偏转，这就使固定在副杠杆上的铝检测片8和平面检测线圈12之间的距离发生变化。

其变化量再通过位移检测放大器14转换并放大为0～lOmA的直流电流Io，作为变送器的输出信号。

同时，该电流又流过反馈动圈5，产生一个电磁反馈力Ff，作用于副杠杆。

当输入力与反馈力对杠杆系统所产生的力矩达到平衡时，主、副杠杆停止偏转。

此时，位移检测放大器的输出电流即反映了所测压差的大小。

杠杆系统的受力情况（不考虑调零弹和零点迁移装置等的影响）如图1－23所示。

图中Fi和Ff如前所述分别为输入力和电磁反馈力，Fx为主、副杠杆通过连接簧片的相互作用力，I1、I2、I3和IX为各作用力的臂长。

由图可知，以O1为支点的主杠杆力矩平衡关系为

（1-13）

以O2为支点的副杠杆力矩平衡关系为

（1-14）

又知，输入力Fi和所测差压△Pi之间的关系为

　　（1-15）

式中A----敏感测量元件的有效面积。

电磁反馈力Ft和变送器输出电流I0之间的关系为

（1-16）

式中Kf----电磁反馈装置的结构系数

由式（1-13）、（1-14）、（1-15）、（1-16）可求得变压变送器输入与输出之间的关系为

（1-17）

设

，则式（1-17）可写为

由上式可以看出：

（1）在量程一定的情况下，Kp为常数，故变送器的输出电流I0与被测差压△Pi成正比。

（2）改变IX或Kf值，即改变比例系数Kp就可以在相同的△Pi作用下得到不同的输出电流I0，这就是该变送器能方便地改变量程的依据。

图1-23杠杆系统受力分析图

由图1－20可知，IX的改变是通过调节量程调整螺钉15来实现的，例如调节螺钉使连接簧片向下移动，IX增大，则I0增大，也就是量程变小。

相反，使连接簧片向上移动，IX减小，则I0减小，也就是量程增大。

由于IX的改变范围较大，对I0的影响较显著，故起着量程粗调作用。

Kf的改变是通过调节磁分路螺钉4，以改变磁钢气隙中的磁感应强度来实现的。

因调节范围很小，故起量程细调作用。

该变送器最大和最小量程之比为10:

1,可根据实际需要进行调整，以实现一台变送器具有多种量程的要求。

由于采用了力矩平衡原理，而且放大器具有足够大的放大倍数，所以杠杆的偏转位移很小，这就在很大程度上避免了机械传动结构固有的摩擦阻力所引起的误差。

二、气动差压变送器

（一）概述

气动变送器在自动调节系统中的作用，是将被测参数（如温度、压力、液面、流量等）变换成标准的气压信号，根据需要，送入有关单元，以组成自动检测、自动调节或信号连锁保护系统等。

因为各种变送器首先接触被测参数，所以又把变送器称为“一次仪表”。

各种显示仪表和调节单元、计算单元等称为“二次仪表”。

根据被测参数的不同，常见．的变送器有差压变送器，压力变送器，绝对压力变送器和温度变送器等。

随着生产和科学技术水平的不断发展，近几年来，各种特殊用途的变送器也已相继生产，如测量高粘度、带悬浮物及液化气体等特殊流体流量的靶式流量计；测量高压小流量的浮子式流量计以及专门用于测量纸浆浓度的浓度计等。

对各种变送器，要求能达到下述几个共同的技术指标：

1.基本误差不大于全量程的1％，灵敏度不超过全量程的0.1%

2．反应滞后小；

3．抗干扰的能力强；

4．输出功率较大，以便远距离传送。

虽然气动变送器的类型、品种较多，但在结构上不管哪种变送器都由测量和气动转换设部分组成。

大多数不同测量参数的变送器，都有着共同的气动转换部分，不同的只是测量部分。

考虑到差压变送器在各种气动变送器中具有典型性，所以我们首先较全面地分析差压变送器，为进一步掌握其它气动变送器的一般规律打下基础。

差压变送器是测量差压的仪表。

具体应用时，除了可以直接测量差压外，还可以间接测

量液位、分界面、密度及流量等参数。

下面我们从动作原理、结构、特性分析、装配调校以及应用等方面加以分析讨论。

（二）差压变送器的动作原理

以双杠杆式差压变送器为例，其结构原理如图1－24所示。

代表差压信号的P1、P2分别送到膜盒两侧的正、负压室。

由于P1>P2，所以正压室膜片受力F1；比负压室膜片受力F2大。

F1与F2为测量力。

膜盒1内充满硅油，通过硅油的传递，测量力经“C”型簧片17于主杠杆16的下端。

主杠杆的中部有出轴密封膜片15作为支点，于是测量力使主杠杆产生顺时针方向偏转的测量力矩。

通过塔架12带动副杠杆3也作顺时针偏转，使顶丝9离开挡板10,挡板借自身弹力靠近喷嘴11，使喷嘴背压增加。

此压力经功率放大器13的放大即为输出。

与此同时，输出压力通过反馈波纹管产生一个反馈力，并形成一个以量程螺钉6为支点的逆时针的反馈力矩。

此力矩通过塔架．12的传递又作用到主杠杆16上。

这样，主杠杆上作用着两个力矩：

由测量力产生的顺时针力矩和由反馈波纹管产生的逆时针的反馈力矩。

当这两个力矩互相平衡时，主杠杆就处于平衡，喷嘴挡板间的距离也就一定。

这时，就有一个与差压相应的气压信号输出。

当差压变化时，主杠杆的平衡就要破坏，通过反馈作用，又建立新的平衡状态，这时差压变送器就有新的输出。

于是，输出压力与差压信号便成一一对应的比例关系。

（三）差压变送器的基本结构及其分析

如上述，气动差压变送器由测量部分和气动转换部分所组成。

测量部分的作用是感受差压的变化，并将此差压转换成相应的测量力，这个力作为气动转换部分的输入。

根据有关资

料及实践经验得知，此力的范围最好选在50～100牛顿之间，最高不超过150牛顿。

力取得太小时，会影响变送器的工作稳定性及其它特性。

反之，如取得太大，由于构件的变形,变送器精度反而降低。

一气动转换部分接受测量部分产生的力，并把它转换成相应的标准气压信号，作为变送器的输出。

下面，我们将分别进行较全面的分析，．以便从中找出它的规律性。

1、测量部分

侧量部分在整个变送器结构中是个重要的一组成部分，因为它首先接触被测参数，并将其转换成力。

所以，它的性能好坏，将直接影响整个变送器的质量。

侧量部分结构原理如图1－25所示。

它主要由出轴密封装置、检测元件（膜盒）、基体等组成。

膜盒与基体分别组成正、负测量室。

下面介绍它们的结构及作用原理。

（1）出轴密封装置

变送器中常用的出轴密封装置形式有三种：

金属膜片式、波纹管式及扭力管等形式。

差压变送器多采用金属膜片式，如图1－25所示。

它由金属膜片6及橡胶密封圈5组成。

出轴密封装置的作用是把检测元件所感受的测量力从测量部分传递到气动转换部分，同时又把被测量介质和大气隔开，不让工艺介质外漏。

所以，要求它有良好的密封性能；密封膜片又是主杠杆的转动支点，故要求它具有良好的弹性；此外，密封膜片也直接与工艺介质相接触，所以又必须要求它具有良好的耐腐蚀性。

对于耐高静压的变送器，还要求密封膜片具有高的机械强度。

因此，目前密封膜片材料多采用能满足上述要求的镍铬钛合金制成。

（2）检测元件（膜盒）

除了微差压因测量力较小而采用金属或橡胶膜片外，低、中、高差压变送器均广泛采用膜盒：

膜盒在测量部分中是关键性元件，它的性能好坏，直接影响着差压变送器的，技术性能。

从图1－25中可知，膜盒是由左、右两块金属膜片3用滚焊分别焊接在硬芯4以及基座2上而组成。

膜盒先经过严密的抽真空处理（10-3mmHg），然后充满硅油。

硅油是一种低凝固点（-40℃）和体膨胀系数较小的有机硅化合物。

它在膜盒内作为传递压力的介质，并使膜片的运动受到阻尼的作用，防止变送器输出产生振荡。

如前所述，膜盒的作用是将感受的差压值按一定的比例转换成相应的测量力，即实现下列关系式：

F测=P1A1—P2A2

式中F测——测量力；

A1、A2——膜盒正、负压室膜片的有效面积。

对金属波纹膜片，可用下面公式近似计算：

式中D——-膜片外直径；

d——-金属硬芯直径。

制造时，经过严格选配使A1=A2=A膜，故

F测=A膜（P1-P2）=A膜△P

下面将了解，差压变送器是采用力矩平衡原理工作的，仪器在工作中各运动部件几乎没有位移。

因此，可以认为膜片在的有效面积在测量范围内保持不变。

这就保证了F测与差压△P之间的固定比例关系。

根据差压变送器的工作特点和技术性能，对膜盒的要求有：

（1）具有单向过载保护能力差压变送器在正常情况下，正、负测量室同时与工艺管道相连通，膜盒仅受差压的作用，但在使用中用可能由于错误操作或其它莫种原因，仅使正压室于工艺管道相连通，而负压室与工艺管道断开，或者产生相反的情况，使膜盒受“单向静压”作用而过载。

在单向静压力的作用下,检测元件行程很大，因而可能明显地影响变送器工作的稳定性，甚至破坏。

可见，防止检测元件在单向静压作用下损坏，是选择检测元件及整个测量部分时首先应注意的。

一般来讲，检测元件应能承受一定的超负荷，在单向过载压力作用下，不应破坏。

图2-2所示结构，是利用硅油9和单向保护密封圈12来起单向过载保护作用的。

例如，现场使用时，由于错误操作，只把正压引到了正压室，工艺介质的静压（一般远远大于变送器的额定差压一范围）就作用到膜片上了。

刚开始时，膜片3向左边移动，硅油挤向膜盒左腔，直至硬芯4与单向保护密封圈12相接触。

此后，由于液体是不可压缩的，虽然只有正压作用，但由于被封闭在膜盒右腔的硅油的保护使膜片不能继续再向左移动，这样，膜片就不会受过大的变形而破坏。

（2）耐腐蚀能力膜盒是直接与工艺介质相接触的元件，在化工生产中，带有腐蚀性介质的测量是经常遇到的。

由于介质对测量元件的腐蚀，将会严重影响到仪表的使用和寿命，所以，应该根据使用要求选用耐腐蚀的材料来制造。

常用膜片材料为耐酸钢Cr18Ni12Mo2Ti或弹性合金Ni36CrTiA1等。

对于某些强腐蚀介质，可以在膜盒两侧贴上F40隔离膜片进行隔离，防止膜片很快被腐蚀，影响测量精度。

根据生产上的需要，目前差压变送器制成有微差压，低差压，小差压，中差压，高差压，大差压等多种。

这几种变送器的主要差别就是膜盒（或膜片）的尺寸不同。

因为如果采用相同的膜盒尺寸，则高差压时，产生的测量力大，低差压时侧量力小，这就无法采用统一的气动转换部分了。

为此，使膜盒尺寸不同，来获得相同标准范围的测量力，以便采用基本上统一的气动转换部分。

这样做，在制造上可以降低成本，在使用和维护上带来方便。

按上面分析，显然高差压变送器的膜盒必然要比低差压的膜盒小。

（二）气动转换部分

气动转换部分是将测量力转换成标准气压信号的机构。

这个机构主要由下面儿部分所组成（参看图1－24）：

1．放大环节

包括喷嘴挡板机构及泄气型功率放大器。

气动转换部分中的喷嘴挡板机构将测量力的变化（经杠杆系统变成位移）转换为压力变化；功率放大器则将与差压成比例的喷嘴背压进行压力和流量的放大。

放大后的压力信号即为差压变送器的输出压力信号。

2.杠杆机构

杠杆机构主要是起力矩传递和比较的作用。

差压变送器常采用的杠杆机构有以下三种形式：

（1）双杠杆机构如图1－24所示的差压变送器称为双杠杆式差压变送器。

其杠杆部分结构简化成图1－26所示。

它由主杠杆1和副杠杆2所组成。

选择杠杆机构尺寸和结构的原则是保证变送器的转换性能（精度），并能够在同一台变送器上实现多种量程，即实现“一表多用”，以适应工艺变化的需要。

双杠杆机构是符合这个原则的，只要改变量程支点的位置，即可改变仪表的量程，并获得较宽的量程比。

为了说明双杠杆机构能够实现较宽的量程比，下面我们用最简单的力矩平衡原理找出这种变送器输出与输入之间的关系式。

图1－26中，F′是主杠杆对副杠杆的作用，F是副杠杆对主杠杆的反作用，它们的大小相等，方向相反。

主杠杆上作用着两个力：

F测及Fo

F测＝A膜.△P

F测所产生的测量力矩为：

M测＝F测.l1=A膜.△P.l1

它使主杠杆绕支点O顺时针转动。

而F产生的力矩为：

M反＝F.l2

它使主杠杆绕支点O逆时针转动。

根据主杠杆力矩平衡条件，有

A膜.△P.l1=F.l2

（1-18）

同理，根据副杠杆力矩平衡条件，有

F′.l3=F反.l4

F反＝A膜.P出

式中：

A膜------------反馈波纹管的有效面积。

F′.l3＝A膜.P出.l4

F＝F′

＝

P出＝

（1-19）

式中K双＝

------------称双杠杆式差压变送器的放大系数。

（1-20）

以上结果是双杠杆式差压变送器偷出与榆入之间的关系。

下面讨论几点

1）由式（2－2）知，差压变送器的输出P出与输入△P成比例关系。

在直角坐标中可用一条直线来描述它，如图1－27所示的直线1。

显然，当输入△P=0时，P出≠0.2X102kPa。

原因是推导式（2－2）过程中忽略了调零弹簧4（见图1－24）的作用力之故。

为了符合统一信号，在实际结构中，可以通过调零弹簧的作用加以调整。

设弹簧4的作用力为F0如图2－5，则副杠杆在平衡时有：

F反.l4-F0（l4+l5）=F‘.l3（1-21）

根据式（1-19）

F′=F=

以及F反=P出·A波代入式（1-21）

则P出.A波.l4–F0（l4+l5）=

P出＝

（1-22）

式中N=Fo

------------调零弹簧在副杠杆上的初始作用力的当量压力。

可通过调整F。

使输出为0.2xlO2kPa。

这时，P出与输入△p之间的关系如图1-27中的直线2所示。

当△P为零时，p出应为0.2X102kPa，如达不到要求，可调整调零弹簧4。

直到符合要求为止。

这就是差压变送器调零的原理。

2）从公式（2-5）可以看出，调整量程时，因为l4发生变化，故必然要影响到零位N。

故

在实际调校中，调量程与零位时必须反复进行，直至符合两者要求为止。

3）从式（2-2）的推导过程中知，差压变送器是根据力矩平衡原理工作的。

所谓力矩平衡，就是输入信号与反馈信号都以力矩的形式在比较机构一上进行比较。

基于这种原理工作的仪表称为力矩平衡仪表。

平衡时，比较机构几乎没有位移，摩擦小，因此这种仪表性能比较稳定，精度高，从而得到广泛的应用。

（2）单杠杆机构目前国产差压变送器中，还广泛采用单杠杆式机构，它只有主杠杆而没有副杠杆，如图1－29所示。

当分析过双杠杆式机构输出与输入之间的关系后，单杠杆式差压变送器的杠杆机构就容易了。

主杠杆上作用着两个力：

F测＝A膜（P1-P2）=A膜.△P

F反＝A波.P出

F测所产生的力矩为：

M测＝F测.l1=A膜.△P.l1

它使主杠杆绕支点O产生顺时针的测量力矩；F反所产生

的反力矩为：

M反＝F反.l2=A波.P出.l2

它使主杠杆绕支点O产生逆时针的反馈力矩。

杠杆平衡

时：

M测=M反

A膜.△P.l1=A波.P出.l2

故P出=

（1-23）

式中K单=

------------称单杠杆式差压变送器的放大系数。

（1-24）

式（2-6）中，A膜、A波、l1等都是固定的，唯一可变的是l2..如果改变量程，则只能改变l2.,l2.增大时（负反馈力矩变大），由式（2-7）知，K单变小，要使P出符合标准范围，量程就可以变大；反之l2.减小，K单增大，量程就可变小。

当量程支点移到主杠杆的最上端时，l2.最大，K单最小，变送器达到它最大量程。

显然，欲使这种变送器的最大和最小量程之比愈大，则主杠杆长度l2.也就愈长。

然而，主杠杆太长，一方面影响变送器的精度；另一方面使得变送器的结构变得庞大。

所以单杠杆式差压变送器的量程比不能太大，这是它不足之处，但它的突出优点是结构简单。

而不足之处，可通过改变反馈波纹管及测量膜盒的有效面积来弥补。

因此，目前仍得到广泛的应用。

下面对单、双杠杆机构作一比较。

如果单、双杠杆式差压变送器的主杠杆、反馈波纹管及测量部分都做得一致，那么，在双杠杆式机构中：

1）若调整l3=l4，则K单=K双。

双杠杆式差压变送器在此点的量程恰好是单杠杆式差压变送器的最大量程。

2当量程支点在副杠杆的中点以下（即l4l3）时，它的量程大于单杠杆式的最大量程。

综合上述，双杠杆式差压变送器的优点是能实现较宽的量程比。

但结构比较复杂，使用的合金材料也较多；而单杠杆式的优缺点正与此相反。

故目前两种结构形式都得到广泛应用。

（3）矢量机构随着生产及科学技术的发展，微差压的测量已迫切地提出来了，若仍采用上述的单、双杠杆机构是比较困难的。

因为当差压很微量时，从式（2-2）,（2-6）可知，必然要求A膜很大。

这不但在结构上不允许，而且在量程调整上也很难实现。

为此,目前国内已开始使用矢量机构的装置。

这种机构，由于使用材质的改善，力矩又变小。

与单、双杠杆机构相比,使体积和量程都得到进一步的降低，而且性能稳定、耐震。

其原理如图1－30所示。

矢量机构主要由矢量板组成。

主杠杆上的力F2作用在矢量板上，经矢量板分解，分力F3作用在副杠杆上，其大小与矢量板的方向，即θ角有关。

利用调节螺钉调整矢量板的方向，可以很方便地实现量程的调整。

其原理如下：

主杠杆上作用有两个力，其平衡条件是：