流量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　第一章 流量測(cè)量裝置單元</p><p><b>　　1.1節(jié)流裝置 </b></p><p>　　節(jié)流變壓降流量計(jì)的工作原理是，在管道內(nèi)裝入節(jié)流件，流體流過節(jié)流件的時(shí)候流束收縮，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓，對(duì)于一定的形狀和尺寸的節(jié)流件，一定的測(cè)壓位置和前后直管段情況，一定參數(shù)的流體，節(jié)流見前后的差壓隨流量的改變而改變倆者之間有確定的關(guān)系，因此可

2、一通過差壓來測(cè)量流量。</p><p>　　節(jié)流件常用的有孔板和噴嘴，本實(shí)驗(yàn)中采用孔板。節(jié)流式流量計(jì)通常由能將流體流量轉(zhuǎn)換成差壓信號(hào)的節(jié)流裝置及測(cè)量差壓并顯示流量的差壓計(jì)組成．</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置包括節(jié)流件及其取壓裝置、節(jié)流件上游側(cè)第一個(gè)阻力件、第二個(gè)阻力件、下游側(cè)第一個(gè)阻力件以及在它們之間的直管短段，節(jié)流裝置如圖1-1所示。</p><p>　　圖1

3、-1整套節(jié)流裝置示意</p><p><b>　　1.2 節(jié)流件安裝</b></p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)孔板的開口直徑d是一個(gè)重要的尺寸，應(yīng)實(shí)際測(cè)量，孔板的安裝要求如下：</p><p>　　節(jié)流件前后的直管段必須是直的，不得有肉眼可見的彎曲。 （2）安裝節(jié)流件用得直管段應(yīng)該是光滑的，如不光滑，流量系數(shù)應(yīng)乘以粗糙度修正稀疏。 

4、;（3）為保證流體的流動(dòng)在節(jié)流件前1D出形成充分發(fā)展的紊流速度分布，而且使這種分布成均勻的軸對(duì)稱形，所以 1）直管段必須是圓的，而且對(duì)節(jié)流件前2D范圍，其圓度要求其甚為嚴(yán)格，并且有一定的圓度指標(biāo)。具體衡量方法： （A）節(jié)流件前OD，D/2，D，2D4個(gè)垂直管截面上，以大至相等的角距離至少分別測(cè)量4個(gè)管道內(nèi)徑單測(cè)值，取平均值D。任意內(nèi)徑單測(cè)量值與平均值之差不得超過±0。3% （B）在節(jié)流件后

5、，在OD和2D位置用上述方法測(cè)得8個(gè)內(nèi)徑單測(cè)值，任意單測(cè)值與D比較，其最大偏差不得超過±2% 2）節(jié)流件前后要求一段足夠長(zhǎng)的直管段，這段足夠長(zhǎng)的直管段和節(jié)流件前的局部阻力件形式有關(guān)和直徑比β有關(guān)，見表1（β=d/D, d為孔板開孔直徑，D為管道內(nèi)徑）。 （4）節(jié)流件上游側(cè)第一阻力件和第二阻力件之間的直管段長(zhǎng)度可按第二阻力件的形式和β=0。7（不論實(shí)際β值是多少）取表一所列數(shù)值的1/2 （5）

6、節(jié)流件上游側(cè)為敞開空間或直徑≥2D大容器時(shí)，則敞開空間或大容器與</p><p><b>　　1.3 取壓方式</b></p><p>　　取壓方式采用法蘭取壓裝置，法蘭取壓裝置如圖1-2所示，孔板夾在倆個(gè)特質(zhì)的法蘭之間，其間加倆片墊片，厚度不超過1mm，上游取壓中心線與節(jié)流裝置的距離l=25.4mm下游取壓中心線與節(jié)流裝置的距離l=25.4mm，取壓孔必須符合單獨(dú)鉆

7、孔取壓的全部要求，取壓孔中心線必須與管道中心線垂直。</p><p><b>　　圖1-2 法蘭取壓</b></p><p>　　第二章 流量到差壓的變換</p><p>　　流量q通過節(jié)流裝置如孔板、噴嘴得到與差壓的關(guān)系，差壓與流量成平方關(guān)系:△ｐ＝Kq2。</p><p>　　節(jié)流變壓降流量計(jì)的顯示儀表就是測(cè)量差壓的

8、儀表—差壓計(jì)。目前使用最多的是雙波紋管式差壓計(jì)電動(dòng)力平衡式與電容式差壓變送器。雙波紋管式差壓計(jì)如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1雙波紋管式差壓計(jì)</p><p>　　工業(yè)上流量測(cè)量用差壓計(jì)的標(biāo)尺一般都以流量值分度，并刻出最大流量處的差壓值。改變節(jié)流件的類型和尺寸，或者改變被測(cè)介質(zhì)的種類和參數(shù)都必須重新分度標(biāo)尺。這是由于分度關(guān)系去Qm=K中的常數(shù)K在上述情況下發(fā)生了變化。<

9、/p><p>　　由于流量與差壓之間為平方關(guān)系，因此差壓計(jì)的標(biāo)尺上的流量刻度是不均勻的，在流量相對(duì)較小時(shí)相對(duì)誤差會(huì)迅速增大。因此，流量測(cè)量范圍常限于1/3（或1/4） 標(biāo)尺上限流量至標(biāo)尺上限流量之間。 </p><p><b>　　第三章 差壓變送器</b></p><p>　　2.1力平衡式差壓變送

10、器的構(gòu)成</p><p>　　力平衡式差壓變送器的構(gòu)成方框如圖2-1所示，它主要包括測(cè)量部分、杠桿系統(tǒng)、位移檢測(cè)放大器及電磁反饋機(jī)構(gòu)。測(cè)量部分將被測(cè)差壓△Pi轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸人力p，</p><p>　　圖2-1 力平衡式差壓變送器構(gòu)成方框圖</p><p>　　該力與電磁反饋機(jī)構(gòu)輸出的作用力F。一起作用于杠桿系統(tǒng)，使杠桿產(chǎn)生微小的偏移，冉經(jīng)位移檢測(cè)放大器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的

11、直流電流輸出信號(hào)。</p><p>　　這類差壓變送器是基于力矩平衡原理工作的，它是以電磁反饋力產(chǎn)生的力矩去平衡輸入力產(chǎn)生的力矩。由于采用了深度負(fù)反饋，因而測(cè)量精度較高，而且保證了被測(cè)差壓△Pi和輸出電流I。之間的線性關(guān)系。在力平衡式差壓變送器的杠桿系統(tǒng)中，目前已廣泛采用了固定支點(diǎn)的矢量機(jī)構(gòu)，并用平衡錘使副杠桿的重心與其支點(diǎn)相重合，從而提高了儀表的可靠性和穩(wěn)定性。下面就以這種變送器為例進(jìn)行討論。變送器的主要性能指

12、標(biāo)基本誤差一般為士0.25%，低差壓為士1%，微差壓為士1.5% 、土2.5%。變差為士2.5%，靈敏度為土0.05%，負(fù)載電阻為250-350Ω。</p><p>　　2.2力平衡式差壓變送器的原理</p><p>　　差壓變送器的工作原理可以用結(jié)構(gòu)示意圖2-7來說明。被測(cè)差壓信號(hào)P1 、P2分別引人測(cè)量元件3的兩側(cè)時(shí)，膜盒就將兩者之差(△Pi)轉(zhuǎn)換輸人力Fi。此力作用于主杠桿的下端，

13、使主杠桿以軸封膜片4為支點(diǎn)而偏轉(zhuǎn)，并以力F1沿水平方向推動(dòng)矢量機(jī)構(gòu)8。矢量機(jī)構(gòu)8將推力F1，分解成F2和F3，F(xiàn)2使矢量機(jī)構(gòu)的推板向上移動(dòng)，并通過連接簧片帶動(dòng)副杠桿14，以M為支點(diǎn)逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。這使固定在副杠桿上的差動(dòng)變壓器13的檢測(cè)片(銜鐵)找靠近差動(dòng)變壓器，使兩者間的氣隙減小。檢測(cè)片的位移變化量通過低頻位移檢測(cè)放大器15轉(zhuǎn)換并放大為4-20mA的直流電流I。，作為變送器的輸出信號(hào)。同時(shí)，該電流又流過電磁反饋機(jī)構(gòu)的反饋動(dòng)圈16，產(chǎn)生電磁

14、反饋力Ff，使副杠桿順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。當(dāng)反饋力Ff，所產(chǎn)生的力矩和輸入力Fi所產(chǎn)生的力矩平衡時(shí)，</p><p>　　變送器便達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)，放大器的輸出電流I。反映了被測(cè)差壓△Pi</p><p><b>　　的大小。</b></p><p>　　圖2-7 力平衡式差壓變送器結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖2-

15、8 變送器信號(hào)傳輸方框圖</p><p>　　根據(jù)上述工作原理可以畫出如圖2-8所示的變送器信號(hào)傳輸方框圖（設(shè)遷移彈簧未起作用）。圖中各符號(hào)代表意義如參照?qǐng)D2-7和杠桿系統(tǒng)受力圖(圖2-9)。它分別表示如下:</p><p>　　A—膜片有效面積; </p><p>　　l1,l2—F1F2到主杠桿支點(diǎn)H的力臂;</p><p>　　l3,l

16、0,lf—F2,F0,Ff到副杠桿支點(diǎn)M的力臂; </p><p>　　l4—檢測(cè)片12到副杠桿支點(diǎn)M的距離;</p><p>　　tan—矢量機(jī)構(gòu)的力傳遞系數(shù)，為矢量角;</p><p>　　K1—副杠桿力矩一位移轉(zhuǎn)換系數(shù);</p><p>　　K2—低頻位移檢測(cè)放大器位移一電流轉(zhuǎn)換系數(shù);</p><p>　　Kf—

17、電磁反饋機(jī)構(gòu)的電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)</p><p>　　圖2-9 杠桿系統(tǒng)受力圖</p><p>　　在差壓變送器的放大系數(shù)(k1k2)和反饋系數(shù)和(lfKf)的乘積足夠大的情況下，當(dāng)變送器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將滿足力矩平衡關(guān)系，即：</p><p>　　Mi+M0≈Mf </p><p>　　Ml—被測(cè)差壓信號(hào)△Pl產(chǎn)生的輸入力矩;</p

18、><p>　　M。—調(diào)零彈簧產(chǎn)生的力矩;</p><p>　　Mf—輸出電流I。產(chǎn)生的反饋力矩。</p><p>　　由圖2-9可知，各項(xiàng)力矩為</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　將式(2-3)代人式(2-4)，可求得變送器輸出與輸人之間的關(guān)系為</p>

19、<p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中Kp—比例系數(shù)。</p><p>　　式(2-4)表明以下幾點(diǎn): </p><p>　　(l)在滿足深度負(fù)反饋的條件下，變送器輸出與輸人間的關(guān)系取決于測(cè)量部分和反饋部分的特性，當(dāng)儀表結(jié)構(gòu)尺寸確定后，輸出電流I。與輸入差壓△Pi成比例關(guān)系。</p>&

20、lt;p>　　(2)式（2-4）中，(l0/lfKf)F0一項(xiàng)用以確定變送器輸出電流的起始值。對(duì)Ⅲ型變送器而言，該項(xiàng)使輸出為4mA。改變調(diào)零彈簧作用力F?？烧{(diào)整變送器的零點(diǎn)。</p><p>　　(3)比例系數(shù)Kp中的tan和Kf兩項(xiàng)可變，故調(diào)整變送器的量程可通過改變矢量角和電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(4)由式(2-4)可知，改變量程會(huì)影響變送器的零點(diǎn)，而調(diào)整零點(diǎn)又對(duì)

21、變送器的滿度值有影響，故在力平衡差壓變送器調(diào)校時(shí)，零點(diǎn)和滿度值應(yīng)反復(fù)調(diào)整。</p><p><b>　　(1)測(cè)量部分 </b></p><p>　　測(cè)量部分的作用是將被測(cè)差壓信號(hào)△Pi轉(zhuǎn)換成輸人力Fi，它由高、低壓室及膜盒、軸封膜片等部分組成。膜盒是完成轉(zhuǎn)換功能的主要部件，它的結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。</p><p>　　當(dāng)被測(cè)差壓作用于膜盒兩

22、側(cè)時(shí)，膜片2和硬芯3同時(shí)向右移動(dòng)，迫使膜盒內(nèi)充灌</p><p>　　的硅油沿孔向右移動(dòng)，并在連接片6上產(chǎn)生集中力(輸人力)Fi。當(dāng)△Pi逐漸加大，超過額定差壓時(shí)，膜片與機(jī)座接觸，兩者波紋完全吻合，起到單向過載保護(hù)作用。</p><p>　　膜盒采用雙膜片結(jié)構(gòu)，可減小溫度的影響。由于環(huán)境溫度變化時(shí)，每個(gè)膜片的有效面積和剛度都在變化，使用匹配成對(duì)的膜片，其變化大小相同、方向相反，故可相互補(bǔ)償

23、。膜盒內(nèi)的硅油熱膨脹系數(shù)較小、凝固點(diǎn)低以及不可壓縮的特性，使膜盒具有良好的溫度性能和耐壓性能。此外，硅油還起阻尼作用，可提高整機(jī)的穩(wěn)定性。</p><p>　　(2)杠桿系統(tǒng) 杠桿系統(tǒng)是差壓變送器中的機(jī)械傳動(dòng)和力矩平衡部分，它的作用是把輸人力Fi所產(chǎn)生的力矩與電磁反饋力Ff所產(chǎn)生的勺矩進(jìn)行比較，然后轉(zhuǎn)換成檢測(cè)片的位移。該系統(tǒng)包括主、副杠桿及調(diào)零和零點(diǎn)遷移機(jī)構(gòu)、撲壓調(diào)整和過載保護(hù)裝置、平衡錘以及矢量機(jī)構(gòu)，參見圖

24、2-2。</p><p><b>　　圖2-2 膜盒結(jié)構(gòu)</b></p><p>　?、僬{(diào)零和零點(diǎn)遷移機(jī)構(gòu)如前所述，變送器的零點(diǎn)由調(diào)零彈簧來訓(xùn)整。零點(diǎn)遷移則通過調(diào)節(jié)遷移彈簧來實(shí)現(xiàn)的，遷移彈簧對(duì)主杠桿施加一遷移力F0，此時(shí)變送器輸人與輸出間的關(guān)系仍可用前述的推導(dǎo)方法算得。設(shè)F0到主杠桿支點(diǎn)的距離為l0則有</p><p>　　=

25、 （2-1）</p><p>　　式（2-1）中各符號(hào)意義已在工作原理部分說明。因遷移力F0的作用方向可變， 即可通過壓縮或拉伸遷移彈簧，使其值為正或?yàn)樨?fù)，故式中遷移項(xiàng)之前有正負(fù)號(hào)。由式(2-1)可知，只要改變遷移力的大小和方向，變送器便可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)正向或負(fù)向遷移。</p><p>　　在對(duì)變送器進(jìn)行零點(diǎn)遷移時(shí)應(yīng)注意，遷移后被測(cè)差壓的

26、上限不能超過該表所規(guī)定的上限值，遷移后的量程范圍也不得小于該表的最小量程。</p><p>　　順便指出，在有些變送器中，遷移彈簧和調(diào)零彈簧是同一根，因?yàn)檫w移和調(diào)零都是使變送器輸出的起始值與測(cè)量起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小。而零點(diǎn)遷移量則比較大。</p><p>　?、陟o壓調(diào)整和過載保護(hù)裝置 這兩個(gè)裝置可用圖2-3來說明。</p><p>　　靜壓調(diào)整裝

27、置[見圖2-3(a)]用以克服變送器的靜壓誤差。靜壓誤差是指被測(cè)介質(zhì)靜壓力的作用而產(chǎn)生的一項(xiàng)附加誤差。它具體表現(xiàn)在:當(dāng)測(cè)量部分膜盒兩側(cè)同時(shí)受到靜壓力的作用而無差壓時(shí)，變送器的輸出并非為與零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的起始值。由于此項(xiàng)附加誤差的存在，變送器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，即使輸人差壓沒有變化，但靜壓的波動(dòng)也會(huì)使儀表的輸出發(fā)生變化，這就增大了測(cè)量誤差。因此靜壓誤差必須調(diào)整在一定范圍之內(nèi)。</p><p>　　產(chǎn)生靜壓誤差的主要原因是，膜

28、盒兩側(cè)的膜片有效面積不等以及主扛桿、拉條等裝配不正，這會(huì)使靜壓力產(chǎn)生一個(gè)附加力矩見圖2-3(b)，從而使儀表的零點(diǎn)發(fā)生變化，造成附加誤差。為了消除這一誤差，在主杠桿上方轉(zhuǎn)動(dòng)靜壓調(diào)整螺釘8可改變拉條和主杠桿的相對(duì)位置見圖2-3(b)。因拉條和主杠桿的支點(diǎn)D和H分別在不同的高度，故當(dāng)靜壓力P向上作用時(shí)，p分解為兩個(gè)分力P1和P2。</p><p>　　圖2-3 靜壓調(diào)整、過載保護(hù)裝置</p><p

29、>　　P2被拉條所平衡，P1則對(duì)杠桿產(chǎn)生一轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而造成零點(diǎn)變化。因此順時(shí)針(零點(diǎn)增加)或逆時(shí)針(零點(diǎn)減小)轉(zhuǎn)動(dòng)靜壓調(diào)整螺釘8可克服靜壓誤差。</p><p>　　過載保護(hù)裝置參照?qǐng)D2-3（c)。當(dāng)測(cè)量力F1過大時(shí)，反向力F反也相應(yīng)加大，兩力大到一定程度時(shí)，過載保護(hù)簧片5將彎曲變形而脫離主杠桿4。F1再增大時(shí)，只加大彈簧片的變形，而矢量頂桿9承受的力不會(huì)再增加，從而起到了過載保護(hù)的作用。</p>

30、<p>　?、燮胶忮N，在副杠桿上方裝有平衡錘10，使副杠汗的質(zhì)心和其支點(diǎn)材重合，從而提高了儀表的耐沖擊、耐振動(dòng)性能，而且在儀表不垂直安裝時(shí)，也不影響精度。</p><p><b>　　圖2-4矢量機(jī)構(gòu)</b></p><p>　?、苁噶繖C(jī)構(gòu) 矢量機(jī)構(gòu)如圖2-4(a)所示，它由矢量板和推板組成一由主杠桿傳來的推力F1被分解為兩個(gè)分力F2和F3，F(xiàn)3順著矢

31、量板方向，被矢量板固定芝點(diǎn)的反作用力所平衡，它不起作用。F2垂直向上，它作用于副杠桿，使其做逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)。 </p><p>　　由圖2-4(b)的力分析矢量圖可知，F(xiàn)2 = F1tan，如前所述，改變tan，可改變差壓變送器的量程，這可通過調(diào)節(jié)量程調(diào)整螺釘改變矢量角口的大小來實(shí)現(xiàn)。由于矢量角在4。一15。范圍內(nèi)變化，故僅用矢量機(jī)構(gòu)調(diào)整量程時(shí)的量程比為</p><p>　　(3)電磁

32、反饋機(jī)構(gòu) 電磁反饋機(jī)構(gòu)的作用是將輸出電流I。轉(zhuǎn)換成電磁反饋力Ff，此力作用于副杠桿上，產(chǎn)生反饋一力矩Mf，以便和測(cè)量部分產(chǎn)生的輸人力知Mi相平衡。該機(jī)構(gòu)由反饋動(dòng)圈1、導(dǎo)磁體2、永久磁鋼3組成，如圖2-5(a)所示。</p><p><b>　　反饋力Ff的大小為</b></p><p>　　Ff=Kfl。 (2-2)&

33、lt;/p><p>　　Kf是電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)，其值為</p><p><b>　　Kf=Bo DW</b></p><p>　　式中 B?！?dú)庀洞鸥袘?yīng)強(qiáng)度; </p><p><b>　　D—?jiǎng)尤ζ骄睆?</b></p><p><b>　　W—?jiǎng)尤υ褦?shù)。</

34、b></p><p>　　由前面的分析可知，改變Kf同樣可調(diào)整變送器的量程，這可通過改變反饋動(dòng)圈的匝數(shù)W來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　反饋動(dòng)圈由W1和W2兩部分組成，連接線路如圖2-5(b)所示。W1為725匝，用于低量程擋;W2為1450匝，W1十W2=2175匝，用于高量程擋。圖中R11和W2的直流電阻相等。在低量程擋時(shí)，將W1和R11相串接，即1-3短接，2-4短接;在高量程檔

35、時(shí)，將W1和W2串聯(lián)使用，即l-2短接。</p><p>　　圖1-8（a） 結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖2-5（a）電磁反饋機(jī)構(gòu)</p><p>　　因?yàn)?，故改變反饋?dòng)圈匝數(shù)可實(shí)現(xiàn)3:l的量程調(diào)整。將凋整矢量角和改變反饋動(dòng)圈匝數(shù)結(jié)合起來，最大和最小量程比可達(dá)3.8*3/1=11.4/1。</p><p>　　圖2-5（b） 改量程接線

36、圖</p><p>　　2.3低頻位移檢測(cè)放大器</p><p>　　低頻放大器由振蕩器、整流濾波及功率放大器三部分組成。</p><p>　　低頻位移檢測(cè)放大器的作用是將副杠桿上檢測(cè)片的微小位移S轉(zhuǎn)換成直流輸出電流I。所以它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)位移-電流轉(zhuǎn)換器。位移檢測(cè)放大器包括差動(dòng)變壓器、低頻振蕩器、整流濾波及功率枚大器等部分。圖2-14是其原理線路圖。</p&g

37、t;<p>　　U0=K+1 （2-5）</p><p><b>　　2.3.1振蕩器 </b></p><p>　　振蕩器線路如圖2-10所示。由圖可見，它是一個(gè)采用變壓器耦合的LC振蕩電路。由差動(dòng)變壓器原邊繞組的電感LAB和電容C4構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路，作為晶體管VT1的集電極負(fù)載。副邊繞組C

38、D接在VT1的基極和發(fā)射極之間，用以耦合反饋信號(hào)。電阻R6和二極管VT1構(gòu)成分壓式偏置電路，VD1，VD2還具有溫度補(bǔ)償作用。R2是電流負(fù)反饋電阻，用來穩(wěn)定VT1的直流工作點(diǎn)。</p><p>　　由LAB、C4構(gòu)成的并聯(lián)振蕩回路的固有頻率也就是低頻振蕩器的振蕩頻率:</p><p>　　將有關(guān)元件數(shù)值LAB=39mH、C4=0.047uF代人，則可算得f04kHz。</p>

39、<p>　　振蕩器的輸出電壓經(jīng)差動(dòng)變壓器藕合得到的uCD，反饋至放大器的輸人端。如果反饋信號(hào)能滿足振蕩的相位條件和振幅條件，則放大器能形成自激振蕩。</p><p>　　現(xiàn)先分析振蕩的相位條件。由電路圖可知，只要uCD與uAB的相位相同，則反饋信號(hào)與放大器的輸入信號(hào)同相，電路就形成正反饋。在檢測(cè)片的位移S=/2時(shí)，uCD=0，故不可能振蕩；在s>/2時(shí)，因uCD與uAB反相，也不可能振蕩；只有在

40、s</2時(shí)，因uCD與uAB同相，才能形成正反饋，滿足振蕩的相位條件，電路才可能振蕩</p><p>　　圖2-10 振蕩器電路</p><p>　　至于振蕩的振幅條件，即Kf=1(K為放大器電壓放大系數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù))，只要選擇合適的電路變量，是容易滿足的。</p><p>　　下面再討論檢測(cè)片位稱S與振蕩器輸出電壓uAB之間的關(guān)系。圖2-11(a)所示為振

41、蕩器的放大特性和反饋特性，此圖表明，振蕩器的放大特性是非線性的，而反饋特性在鐵芯未飽和的情況下是線性的。兩條線的交點(diǎn)P即為穩(wěn)定后的工作點(diǎn)，P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的uAB就是振蕩器的輸出電壓。</p><p>　　(a)振蕩器的放大特性和反饋特性 (b)不同F(xiàn)下的輸入輸出關(guān)系</p><p>　　圖2-11振蕩器特性</p><p>　　振蕩器的反饋系數(shù)是隨檢測(cè)片位

42、移s的改變而變化的，在S較大時(shí)(</2范圍內(nèi))，因磁阻較大，F(xiàn)就比較小;反之，S較小時(shí)，磁阻較小，F(xiàn)就比較大。檢測(cè)片在不同位置S1，S2，S3時(shí)，其相應(yīng)的反饋系數(shù)為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3。若S3< S2< S1,則F3> F2> F1。由圖2-11（b）可見不同F(xiàn)時(shí)的反饋特性與放大特性相交于P1，P2，P3，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓分別uAB1，uAB2，uAB3。</p><p>　　綜上所述

43、，當(dāng)檢測(cè)片位移S改變時(shí)，反饋系數(shù)F隨之改變，使特性曲線上的交點(diǎn)P上下移動(dòng)，所以輸出電壓uAB二也隨之改變。其變化趨勢(shì)為:sFP點(diǎn)上移uAB</p><p>　　2.3.2整流濾波 </p><p>　　整流濾波電路如圖2-12所示。振蕩器的輸出電壓uAB經(jīng)二極管VD4整流以及通過電阻R8、R9和電容C5濾波得到平滑的直流電壓信號(hào)，再送至功放級(jí)。整流濾波電路并聯(lián)在LAB、C4回路的兩端，因

44、此它的總阻抗不能太小，否則將要影響振蕩器的工作</p><p>　　2.3.3功率放大器 </p><p>　　功率放大器由晶體管VT2 VT3和電阻R3，R4 R5組成，如圖2-13所示，放大器采用PNP-NPN互補(bǔ)型復(fù)合管，其目的一是提高電流放大系數(shù);二是電平配置，使VT2的基極電平與前級(jí)輸出信號(hào)的電平相匹配。</p><p>　　圖2-12 整流濾波電路

45、 圖2-13功放級(jí)電路</p><p>　　圖中R3為穩(wěn)定工作點(diǎn)的反饋電阻，同時(shí)提高功放級(jí)的輸入阻抗，有利于濾波器輸出電壓的穩(wěn)定。R5為VT2、VT3集電極與發(fā)射極之間的穿透電流提供旁路，用以改善放大器的溫度性能。R5的接人同時(shí)也降低了功放級(jí)的增益，但提高了電路的穩(wěn)定性。</p><p>　　低頻放大器線路中其他元件的作用如下。</p&g

46、t;<p>　　R1 、C1起相位校正作用，它對(duì)高次諧波造成一相移，破壞其振蕩的相位條件，即防止高次諧波產(chǎn)生寄生振蕩。</p><p>　　R 7起穩(wěn)定振蕩管輸人電壓的作用。由于VT1的工作點(diǎn)比乙類稍高，在uCD的正負(fù)半周，輸人阻抗變化較大，接入R7可使差動(dòng)變壓器的副邊負(fù)載比較均勻。</p><p>　　R10用來改變放大器的靈敏度。當(dāng)變送器用在高量程時(shí)，通過端子7、8將R1

47、0接入，與差動(dòng)變壓器副邊并聯(lián)，使靈敏度降低。</p><p>　　C3、C6為高頻旁路電容，可減小交流分量。</p><p>　　VD9為防止電源反接的保護(hù)二極管。</p><p>　　圖2-14 位移檢測(cè)放大器原理線路圖</p><p>　　第三章 開方器及其顯示</p><p><b>　　3.1開方器&

48、lt;/b></p><p>　　開方器對(duì)1-5V的直流電壓信號(hào)進(jìn)行開方運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果以l-5V的直流電壓或4-20mA的直流電流輸出。其運(yùn)算關(guān)系為</p><p>　　上式中，Ui、U0分別為開方器的輸人、輸出信號(hào);K為開方系數(shù)。</p><p>　　儀表的基本誤差：輸人電壓大于或等于1.09V時(shí)，±0.5%；輸人電壓小于1.09V，且大于或等于1

49、.04V時(shí)，土1%；輸人電壓小于1.04V時(shí)，輸出信號(hào)被切除。</p><p>　　開方器的作用是實(shí)現(xiàn)開方運(yùn)算，它是控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種運(yùn)算器。例如在圖1-10所示的流量測(cè)量和控制系統(tǒng)中，開方器對(duì)差壓變送器的輸出信號(hào)進(jìn),行開方運(yùn)算，從而得到與被測(cè)流量成比例關(guān)系的電壓或電流信號(hào)。</p><p>　　圖3-1 與節(jié)流裝置配套的流量測(cè)量控制系統(tǒng)</p><p>　　

50、圖3-1與節(jié)流裝置配套的流量測(cè)量系統(tǒng)圖中，節(jié)流裝置將被測(cè)流量q轉(zhuǎn)換成差壓信號(hào)△P(轉(zhuǎn)換系數(shù)為K1)，差壓與流量成平方關(guān)系:△ｐ＝K1q2。差壓變送器將△P成比例地轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)x(轉(zhuǎn)換系數(shù)為K2):x=K2△P。故差壓變送器的輸出x也與被測(cè)流量成平方關(guān)系：x= K1K2q2</p><p>　　開方器對(duì)信號(hào)x按下式進(jìn)行開方運(yùn)算(開方系數(shù)為K)</p><p>　　y=K

51、 (3-1)</p><p>　　則可得 y=Kq </p><p>　　這樣，開方器的輸出y就與被測(cè)流量q成比例關(guān)系了。因此將開方器的輸出信號(hào)送至均勻刻度的指示、記錄儀表，可直接讀出流量值；若再配用比例積算器，可對(duì)被測(cè)流量進(jìn)行累積計(jì)算；同時(shí)，加接調(diào)節(jié)器還可實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)控制。</p><

52、p>　　實(shí)現(xiàn)開方運(yùn)算有許多方法，例如對(duì)乘除器線路作適當(dāng)改動(dòng)，或者直接使用乘除器，通過改變信號(hào)線的連接方式來實(shí)現(xiàn)開方運(yùn)算；利用二極管開關(guān)電路得到一組折線，調(diào)整電路變量，使該組折線以一定精度逼近開方特性曲線。此外，應(yīng)用霍爾元件也可組成開方運(yùn)算電路。</p><p>　　在開方器中還設(shè)置有小信號(hào)切除電路，這是因?yàn)殚_方器對(duì)小信號(hào)的運(yùn)算精度很低。小信號(hào)的運(yùn)算精度可從開方器的放大系數(shù)來說明。</p>&l

53、t;p>　　對(duì)運(yùn)算關(guān)系式(3-1)求導(dǎo)得到 dy/dx=K/2</p><p>　　此式表明開方器的放大系數(shù)dy/dx與輸人信號(hào)x二有關(guān)。當(dāng)x很小時(shí)，放大系數(shù)很大。也就是說，在輸人信號(hào)x很小時(shí)，x稍有波動(dòng)，就會(huì)引起開方器輸出y的很大變化,這將會(huì)使開方器在小信號(hào)輸入時(shí)產(chǎn)生較大的運(yùn)算誤差。為了避免這一運(yùn)算誤差對(duì)測(cè)量和控制帶來的不利影響，通常在輸人信號(hào)很小時(shí)(小于輸人滿量程的1%)將輸出信號(hào)切除，即使開方器的輸

54、出為零。而在輸人信號(hào)較大時(shí)，仍然滿足開方器的運(yùn)算關(guān)系式。</p><p>　　由于乘除器中沒有小信號(hào)切除電路，故一般不使用乘除器來實(shí)現(xiàn)開方運(yùn)算。</p><p>　　3.2開方器的工作原理</p><p>　　開方器保留了乘除器的基本運(yùn)算電路——自激振蕩時(shí)間分割器以及輸人電路l和輸出電路，去除了不必要的輸人電路2、3及兩套附加偏置電路，將比例放大器的輸出U23連接至

55、乘法電路2的輸人端，增設(shè)了小信號(hào)切除電路。開方器的方框圖如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2的虛線框內(nèi)為開方運(yùn)算部分，它由比較器、乘法電路1、2(K2和K3分別為這兩個(gè)乘法電路的乘法系數(shù))和比例放大器(比例系數(shù)為N2)所組成。U11和U21分別為開方運(yùn)算部分的輸人信號(hào)和輸出信號(hào)，其中U21為一恒定電壓。S為比較器輸出的脈沖信號(hào)。</p><p>　　圖3-2 開方器方框圖<

56、/p><p>　　從圖3-2可列出以下關(guān)系式:</p><p><b>　　U11-Uf=</b></p><p>　　U22= K2SU21</p><p>　　U23= N2U22</p><p><b>　　Uf=K3SU23</b></p><p>

57、;　　在比較器的放大倍數(shù)足夠大的條件下， 0,即U11Uf，，故可推得：</p><p>　　U11=K3U232/K2N2U21</p><p>　　在本開方器中，K2=K3=1，所以 U11= U232/N2U21</p><p>　　即 U23= (3-2)</p>

58、<p>　　當(dāng)U21和N2為常數(shù)時(shí)，開方部分的輸出信號(hào)U23與這部分的輸人信號(hào)U11的開平方成正比。圖3-2中，輸人電路的運(yùn)算關(guān)系式為U11=N1 (Ui-1) 輸出電路的輸出信號(hào)，即整機(jī)輸出信號(hào)U0為</p><p>　　U0=N0U23+1</p><p>　　將U11，、U0的關(guān)系式與式(3-2)聯(lián)立求解可得</p><p><b>　

59、　U0=N0+1</b></p><p><b>　　設(shè)K=N0</b></p><p>　　則 U0=K+1</p><p>　　在本開方器中，N1=1，N2=2,N0=2/3,U21=4.5V,故開方系數(shù)K=2。</p><p>　　將K值代人上式后得到開方器的運(yùn)算關(guān)

60、系式為</p><p>　　U0=2+1 (3-3) </p><p><b>　　3.2.1輸入電路</b></p><p>　　輸人電路的作用是從輸人信號(hào)中減去與運(yùn)算無關(guān)的1V電壓，并將以0V為基準(zhǔn)的信號(hào)移至以電平UB為基準(zhǔn)。輸人電路的運(yùn)算關(guān)系式為</p><p>

61、　　U11=N1（Ui1-1）</p><p>　　式中N1為輸人電路的比例系數(shù)。</p><p>　　開方器的輸人電路都是差動(dòng)電平移動(dòng)兼減1V電路。輸入電路如圖3-2所示。</p><p>　　在圖3-2輸人電路中，當(dāng)IC1為理想運(yùn)算放大器時(shí)，則有</p><p><b>　　UF＝，</b></p>&

62、lt;p>　　因 UF＝UT</p><p>　　且 R1＝R2＝2500 k；R3＝R4＝500k</p><p>　　則 U11=0.5（Ui-1） (3-4)</p><p>　　即

63、 N1＝0.5 </p><p><b>　　圖3-3 輸入電路</b></p><p>　　3.2.2自激振蕩時(shí)間分割器</p><p>　　自激振蕩時(shí)間分割器的作用是實(shí)現(xiàn)式（3-5）的關(guān)系式。它包括比較器、乘法電路1（乘法系數(shù)為）、乘法電路2（乘法系數(shù)為）和比例放大電路（

64、比例系數(shù)為）。原理電路示于圖3-4。比較器由IC2、R5和C2、C3等組成。兩套乘法電路的結(jié)構(gòu)和變量完全相同，分別由VT1、VT2、VD1、R8和C8以及VT3、VT4、VD2、R9和C9組成。U21以及放大器IC3的輸出U23作為乘法電路的輸入電壓；由輸入電路1來的信號(hào)U11，加在比較器的同相輸人端，反相輸人端所加的信號(hào)是乘法電路2的輸出電壓Uf，它與U11相比較，其差值為。乘法電路l的輸出信號(hào)為U22，它送至比例放大電路。既U11、

65、 U21和U23電路分別為開方運(yùn)算部分的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，其中U21 為一恒定值（4.5V）。S為比較器輸出的脈沖信號(hào)。</p><p>　　從圖3-4可列出以下關(guān)系式:</p><p><b>　　U11-Uf=</b></p><p>　　U22= K2SU21</p><p>　　U23= N2U22</p

66、><p><b>　　Uf=K3SU23</b></p><p>　　在比較器的放大倍數(shù)足夠大的條件下， 0,即U11Uf，，故可推得</p><p>　　U11=K3U232/K2N2U21</p><p>　　在本開方器中，K2=K3=1，所以 U11= U232/N2U21</p><p>　　

67、即 U23= (3-5)</p><p>　　當(dāng)U21和N2為常數(shù)時(shí)，開方部分的輸出信號(hào)U23與這部分的輸人信號(hào)U11的開平方成正比。圖3-3中，輸人電路的運(yùn)算關(guān)系式為U11=N1 (Ui-1) 輸出電路的輸出信號(hào)，即整機(jī)輸出信號(hào)U0為</p><p>　　U0=N0U23+1</p>&l

68、t;p>　　將U11，、U0的關(guān)系式與式(3-3)聯(lián)立求解可得</p><p><b>　　U0=N0+1</b></p><p><b>　　設(shè)K=N0</b></p><p>　　則 U0=K+1</p><p>　　在本開方器中，N1=1，N2=2,N0=2/3,U21=4.5V,

69、故開方系數(shù)K=2。</p><p>　　將K值代人上式后得到開方器的運(yùn)算關(guān)系式為</p><p>　　U0=2+1 </p><p>　　圖3-4 自激振蕩時(shí)間分割器</p><p>　　由運(yùn)算電路的工作原理可知，自激振蕩時(shí)間分割器的起振條件應(yīng)為</p><p><b>

70、;　　U23>U11</b></p><p>　　U11是以UB為基準(zhǔn)的0-4V直流電壓，取U11的上限值4V，即要求</p><p><b>　　U23>4V</b></p><p>　　由于 U23=N2U22=2U22</p><p>　　故

71、要求 U22>2V</p><p>　　當(dāng)VT1飽和導(dǎo)通、VT2截止時(shí)，U22即為U21對(duì)電容C8的充電電壓(見圖3-4)，若忽略VT1的飽和壓降，則起振條件就是</p><p>　　本開方器U21選定為4.5V，因此滿足振蕩器的起振條件：</p><p><b>　　U22>2V<

72、/b></p><p>　　3.2.3小信號(hào)切除電路</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)小于滿量程的0.5%（即Ui<1.09V）時(shí)，要求將開方器的輸出切除；當(dāng)輸入信號(hào)等于或大于滿量程的1% （即Ui1.04）時(shí)，輸出按輸入信號(hào)的開方關(guān)系變化。</p><p>　　小信號(hào)切除電路如圖3-5所示。它由IC4等組成的比較器和作為電子開關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)管。VT6、晶體管

73、VT5等構(gòu)成。比例運(yùn)算電路的輸出信號(hào)U23經(jīng)電阻R13加至IC4的同相輸入端，電壓經(jīng)電阻加至的反相輸入端</p><p>　　圖3-5小信號(hào)切除電路 </p><p>　　當(dāng)U23 >UL時(shí)，比較器輸出高電位，這時(shí)VT6飽和導(dǎo)通，VT5截止。若忽略VT6的飽和壓降，本級(jí)的輸出信號(hào)U4=U23;當(dāng)U23<UL時(shí)，比較器輸出低電位，這時(shí)VT6夾斷，V

74、T5飽和導(dǎo)通，若忽略VT5的飽和壓降，則U4=0 (對(duì)UB而言)。</p><p>　　切除點(diǎn)電壓UL的具體數(shù)值推導(dǎo)如下:</p><p>　　當(dāng)輸人電壓Ui<1.O4V時(shí)，輸出被切除，這時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓UL確定:</p><p>　　=3 （3-6）</p><p>　

75、　當(dāng)Ui=1.O9V時(shí)，由上式可得到</p><p><b>　　V</b></p><p>　　由于比較器是一正反饋放大器，它具有很高的放大倍數(shù)，所以當(dāng)Ui=1.09V時(shí)，UL與U23幾乎相等，即</p><p>　　UL由穩(wěn)壓電源提供(見圖2-18)位器RP5可改變UL的大小，即改變切除點(diǎn)的電壓。</p><p>　

76、　由式(2-7)可知，當(dāng)Ui=1-5V時(shí)，相應(yīng)的U23=0-6V，則 </p><p>　　所以Ui的1%相應(yīng)于U23的15%。</p><p>　　3.2.4比例放大電路 </p><p>　　比例放大電路將自激振蕩時(shí)間分割器的輸出信號(hào)U22放大，其輸出U23，送至輸出電路。由于該電路采用同相輸入方式，具有很高的輸人阻抗，故不影響前一級(jí)電路的工作。比例

77、放大電路示于圖2-14。</p><p>　　若IC3為理想運(yùn)算放大器，可得電路的運(yùn)算關(guān)系式為：</p><p>　　U23=N0U22 （2-8）</p><p>　　式（2-8）中，比例系數(shù)N0為：</p><p>　　圖2-14 比例放大電路</p><p&g

78、t;　　3.2.5 輸出電路</p><p>　　輸出電路將電壓信號(hào)U23轉(zhuǎn)換成整機(jī)的輸出信號(hào)和。其電路原理如圖2-15所示。</p><p><b>　　電路的輸出電壓為：</b></p><p>　　U。=U23+UB-9=U23+1 (2-9)</p><p>

79、　　圖2-17中，R22=250歐，所以電路的輸出電流為</p><p>　　考慮到IC5輸出的下限電壓高于輸出電壓U0的起始值，因此電路中增加了二極管VD4。</p><p>　　開方器輸出電路的關(guān)系式為：</p><p>　　圖2-15 輸出電路</p><p>　　當(dāng)U23<UL(相應(yīng)的Ui<1.09V)時(shí)</p>

80、;<p>　　當(dāng)U23=UL(相應(yīng)的Ui=1.09V)時(shí)，可得到切除點(diǎn)的輸出電壓為</p><p>　　因此，當(dāng)Ui在1.09-5V范圍內(nèi)改變時(shí)，U23 在0-6V范圍內(nèi)變化，相應(yīng)的開方器輸出電壓U。在1.6-5V范圍內(nèi)變化。開方器的輸人輸出關(guān)系示于圖2-16。</p><p>　　圖2-16開方器輸入輸出關(guān)系曲線</p><p><b>　

81、　開方器電路圖</b></p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　在該設(shè)計(jì)中，流量通過節(jié)流元件孔板測(cè)得倆側(cè)的差壓，差壓和流量成一定的關(guān)系，通過，力平衡差壓變送器和開方器將流量和電壓信號(hào)成一定的比例進(jìn)而得到流量檢測(cè)裝置，在本次課設(shè)中遇到了許多的問題，主要有理論知識(shí)沒有網(wǎng)絡(luò)，不能相互聯(lián)系，其次自己的動(dòng)手能力有待進(jìn)一步提高，還有對(duì)計(jì)算機(jī)等現(xiàn)

82、代工具運(yùn)用不太熟練。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 吳永生，方可人.熱工測(cè)量及儀表.北京.中國電力出版社.1995:235-240</p><p>　　[2] 孫傳

83、友，翁惠輝.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)及儀表.北京.高等教育出版社.2006:47-59</p><p>　　[3] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).第四版.北京.高等教育出版社.2000:138-165</p><p>　　[4] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).第二版.北京.高等教育出版社.1999:56-67</p><p>　　[5] 吳勤勤.控制儀表及裝置.第三版.北京.化學(xué)工業(yè)出版