一、力矩平衡式差壓變送器

1.概述

力矩平衡式差壓變送器是基于力矩平衡原理工作的，它由測(cè)量部分、杠桿系統(tǒng)、位 移檢測(cè)放大器和電磁反饋機(jī)構(gòu)組成，其原理框圖如圖2-8所示，其檢測(cè)元件采用膜盒或 膜片。被測(cè)差壓信號(hào)△Pii經(jīng)測(cè)量部分轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸入力Fi，F(xiàn)i與反饋機(jī)構(gòu)輸出的反饋 力Ff—起作用于杠桿系統(tǒng)，使杠桿產(chǎn)生微小的位移，再經(jīng)位移檢測(cè)放大器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)輸出。當(dāng)輸入力與反饋力對(duì)杠桿系統(tǒng)所產(chǎn)生的力矩達(dá)到平衡時(shí)，杠桿系統(tǒng)便達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)變送器的輸出信號(hào)Io(或P)反映了被測(cè)差壓△Pi的大小。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-9所示。

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)相蓽合，從而提高了儀表的可靠性和穩(wěn)定性。

2.結(jié)構(gòu)

(1)測(cè)量部分

測(cè)量部分的作用是將被測(cè)差壓信號(hào)△Pi轉(zhuǎn)換成輸入力Fi，它由高、低壓室、膜盒、軸封  膜片等部分組成。輸入力Fi與差壓△Pi的關(guān)系為

式中，A為測(cè)量膜片的有效面積，近似為常量。圖中的軸封膜片為主杠桿的彈性支點(diǎn)，同時(shí)又起到密封作用。

(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)力和力矩平衡部分，它的作用是把輸入力Fi所產(chǎn)生的力矩與電磁反饋力Ff所產(chǎn)生的力矩進(jìn)行比較，然后轉(zhuǎn)換成檢測(cè)片的外移。該系統(tǒng)包括主、 副杠桿，調(diào)零和零點(diǎn)遷移機(jī)構(gòu)，靜壓調(diào)整和過載保護(hù)裝置，平衡錘以及矢量機(jī)構(gòu)，如圖2-9 所示。 

①調(diào)零和零點(diǎn)遷移機(jī)構(gòu)。變送器的零點(diǎn)由調(diào)零彈簧來調(diào)整。零點(diǎn)遷移則通過調(diào)節(jié)遷移彈簧實(shí)現(xiàn)的，遷移彈簧對(duì)主杠桿施加一遷移力F0'，此時(shí)變送器輸入與輸出間的關(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L(zhǎng)0'，則有

式中，A為膜片有效面積；L1、L2為Fi、Fi到主杠桿支點(diǎn)H的力臂；L3、L0、Lf為F2、F0、Ff 到副杠桿支點(diǎn)M的力臂；L4為檢測(cè)12到副杠桿支點(diǎn)M的距離；tanθ為矢量機(jī)構(gòu)的力傳遞系數(shù)，θ為矢量角；K1為副杠桿力矩-位移轉(zhuǎn)換系數(shù)；K2為低頻位移檢測(cè)放大器位移電流轉(zhuǎn)換系數(shù)；Kf為電磁反饋機(jī)構(gòu)的電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)。

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，使其值為負(fù)或?yàn)檎适街羞w移項(xiàng)之前有正負(fù)號(hào)。由式（2-4)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。

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zui小量程。

順便指出，在有些變送器中，遷移后彈簧和調(diào)零彈簧是同一根，因?yàn)檫w移和調(diào)零都是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)零量通常較小，而零點(diǎn)遷移量比較大。

②靜壓調(diào)整和過載保護(hù)裝置。這兩個(gè)裝置可用圖2-10來說明。

靜差調(diào)整裝置用以克服變送器的靜差誤差，靜差誤差是指被測(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)，即使出入差壓沒有變化，但靜壓的波動(dòng)也會(huì)是儀表的輸出發(fā)生變化，這就增大了酒量誤差，因此靜壓誤差必須在一定范圍之內(nèi)。

產(chǎn)生靜壓誤差的主要原因是，膜盒兩側(cè)的膜片有效面積不等以及主杠桿、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2-10 (b)),從面使伩表的零點(diǎn)發(fā)生變化，造成附加誤差，為了消除這一誤差，在主杠桿上方設(shè)置一靜壓調(diào)整裝置，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。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，Pi被拉條所平衡，P2則對(duì)杠桿產(chǎn)生一轉(zhuǎn)動(dòng)力矩P向上作用時(shí)，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。

過載保護(hù)裝置參照?qǐng)D2-10 (c.)，當(dāng)測(cè)量力F過大時(shí)，反向力F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，F(xiàn)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)增加，只是起到了過載保護(hù)的作用。

③平衡錘。由圖2-9可見，在副杠桿上方裝有平衡錘10，使副杠桿的重心和其支點(diǎn)M重合，從而提高了了儀表的耐戶擊、耐振動(dòng)性能，而且在儀表不垂直安裝時(shí)，也不影響精度。

④失量機(jī)構(gòu)。矢量機(jī)構(gòu)如圖2-11（a）所示，它由矢量板和推板組成。由主杠桿傳推力F1被分解為兩個(gè)分力F2和F3，F(xiàn)3順著矢量板方向，被矢量板固定支點(diǎn)的反作用力所平衡， 它不起作用，巧垂直向上，它作用于副杠桿，使其做逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)。

由圖2-11 (b)的力分析矢量圖可知，F(xiàn)2=F1tanθ，如前所述，改變tanθ可改變差壓變送器的量程，這可通過調(diào)節(jié)螺釘（見圖2-9)改變矢量角θ的大小來實(shí)現(xiàn)。由于矢量角在4°?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

(3)電磁反饋機(jī)構(gòu)

電磁反饋機(jī)構(gòu)的作用是將輸出電流Io轉(zhuǎn)換成電磁反饋力Ff，此力作用于副杠桿上，產(chǎn)生反饋力矩Mf，以便和測(cè)量部分產(chǎn)生的輸入力矩mi相平衡。該機(jī)構(gòu)由反饋動(dòng)圈1、導(dǎo)磁體2、 *磁鋼3組成，如圖2-12 (a)所示。

反饋力Ff的大小為

Kf是電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)，其值為

式中，B0為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為動(dòng)圈平均直徑；W為動(dòng)圈匝數(shù)。

由前面的分析可知，改變Kf同枰可以調(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)。

反饋動(dòng)圈有W1和W2兩部分組成，連接線路如圖2-12 (b)所示。W1為725匝，用于低量程擋；W2為1450匝，W1+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，1、3短接，2、4短接；在高量程擋時(shí)，將W1和W2串聯(lián)使用，即1、2短接。

因?yàn)?img alt="" src="http://cms6.40017.net/Attached/image/20141203/20141203091858_9926.jpg" />,故改變反饋動(dòng)圈匝數(shù)可以實(shí)現(xiàn)3：1的量程調(diào)整，將調(diào)整矢量角和改變反饋動(dòng)圈匝數(shù)結(jié)合起來，zui大和zui小兩車比可達(dá)3.83X1=11.4:1