擴(kuò)散硅式差壓變送器和溫度傳感器

擴(kuò)散硅式差壓變送器也是無杠桿的變送器。它采用硅杯壓阻傳感器為敏感元件，同樣具 有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，精度也較高。

變送器包括測量部件和放大轉(zhuǎn)換電路兩部分。

(一）測量部件

測量部件如圖2-29所示。

敏感元件是由兩片研磨后膠合成 杯狀的硅片組成，即圖中的硅杯。它既是彈性元件，又是檢測 元件。當(dāng)硅杯受壓時，壓阻效應(yīng)使其上的擴(kuò)散電阻（應(yīng)變電 阻）阻值發(fā)生變化。從而使由這些電阻組成的電橋產(chǎn)生不平衡 電壓。

硅杯兩面浸在硅油中，硅油和被測介質(zhì)之間用金屬隔離膜 片分開。硅杯上各應(yīng)變電阻通過金屬絲連到印刷電路板上，再 穿過玻璃密封部分引出。當(dāng)被測差壓輸入到測量室內(nèi)作用于隔 離膜片上時’，膜片將驅(qū)使硅油移動，并把壓力傳遞給硅杯壓阻 傳感器，于是傳感器上的不平衡電橋就有電壓信號輸出至 放大器。

值得注意的是，上述應(yīng)變電阻并不是用應(yīng)變電阻絲或元件粘貼在彈性膜片上構(gòu)成的，而 是采用集成電路技術(shù)，直接在單晶硅片上用擴(kuò)散、摻雜、掩膜等工藝制成。采用這種工藝有 如下優(yōu)點。

①單晶硅片既是制作應(yīng)變電阻的基片，又是承受差壓的彈性元件。兩者結(jié)合，省去粘 貼工藝，不但便于生產(chǎn)，而且特性比較一致。

②只要沿硅片晶軸不同方向上布置電阻，在差壓作用下，便可得到電阻增大、減小或 者不變的效果，前兩類用在橋臂中，后一類用在溫度補(bǔ)償電路中。

③同一硅片上的各個電阻，以及同一批產(chǎn)品之間，阻值和溫度系數(shù)比較接近，便于大 量生產(chǎn)。

④這種工藝便于制造尺寸小的敏感元件。而且控制摻雜的濃度，易于改變敏感元件的 靈敏度、線性、溫度系數(shù)等特性。

(二）放大轉(zhuǎn)換電路

放大轉(zhuǎn)換電路由傳感器供電電路、前置放大器和電壓/電流轉(zhuǎn)換電路組成，其電路原理 如圖2-30所示。

1. 傳感器供電電路

該電路為傳感器（圖2-30虛線框內(nèi)的橋路）提供恒定的橋路工作電流，它由運算放大 器IQ、穩(wěn)壓管VZ,及一些電阻構(gòu)成。傳感器置于IQ的反饋回路之中，其工作電流的大小 取決于VZi的穩(wěn)壓值和恥的阻值。

2. 前置放大器

該放大器起電壓放大作用，它是一個由運算放大器IC2、IC3組成的高輸人阻抗差動放 大電路，傳感器的輸出電壓加在IC2、IC3的同相輸入端，IC2、IC3的兩個輸出端之間的電 壓送至下一級。前置放大器的電壓放大倍數(shù)可通過電位器W】調(diào)整。

3. 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

該電路的作用是把前置放大器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成4?20mA的直流輸出電流。它由運算 放大器IQ和晶體管VT!、VT2組成。VT2起電流放大作用，則有輸出限幅的功能。 當(dāng)輸出電流在拓3上所產(chǎn)生的壓降使VT!飽和導(dǎo)通時，輸出電壓不再增加而保持恒定。

圖2-30中，晶體管VT3、穩(wěn)壓管VZ2和電阻兄4、尺15組成穩(wěn)壓電路，用以對運算放大 器和VZi供電。VD,為防止電源反接的保護(hù)二極管。

溫度變送器與各種熱電偶或熱電阻配合使用，將溫度信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，作為指 示、記錄儀和控制器等的輸入信號，以實現(xiàn)對溫度參數(shù)的顯示、記錄或自動控制。

溫度變送器還可以作為直流毫伏轉(zhuǎn)換器來使用，以將其他能夠轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號的工 藝參數(shù)也變成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。

溫度變送器有兩線制和四線制之分，各類變送器又有三個品種，即直流毫伏變送器、熱 電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。前一種是將輸入的直流毫伏信號轉(zhuǎn)換成4?20mA直 流電流和1?5V直流電壓的統(tǒng)一輸出信號。后兩種則分別與熱電偶和熱電阻相配合，將溫 度信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一輸出信號。

本節(jié)著重討論四線制溫度變送器，對兩線制溫度變送器作一般介紹。

_、四線制溫度變送器 (一）概述

四線制溫度變送器具有如下特點。

①在熱電偶和熱電阻溫度變送器中采用了線性化電路，從而使變送器的輸出信號和被測溫度呈線性關(guān)系，便于指示和記錄。

②變送器的輸人、輸出之間具有隔離變壓器，并采取了安全火花防爆措施，故具有良 好的抗干擾性能，且能測量來自危險場所的直流毫伏或溫度信號。

變送器總體結(jié)構(gòu)如圖2-31所示。三種變送器在線路結(jié)構(gòu)上都分為量程單元和放大單元 兩個部分，它們分別設(shè)置在兩塊印制電路板上，用接插件互相連接。其中放大單元是通用 的，而量程單元則隨品種、測量范圍的不同而異。

方框圖中，空心箭頭表示供電回路，實線箭頭表示信號回路。毫伏輸入信號G或由測 溫元件送來的反映溫度大小的輸人信號&與橋路部分的輸出信號及反饋信號⑶相疊 力口，送入集成運算放大器。放大了的電壓信號再由功率放大器和隔離輸出電路轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的 4?20tnA直流電流I。和1?5V直流電壓U。輸出。

變送器的主要性能指標(biāo)：基本誤差為±0.5%;環(huán)境溫度每變化25°C附加誤差不超過 ±0.5%;負(fù)載電阻在0?loon范圍內(nèi)變化時’附加誤差不超過±0. 5%。