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，它由測量部分、杠桿系統(tǒng)、位 移檢測放大器和電磁反饋機構(gòu)組成，其原理框圖如圖2-8所示，其檢測元件采用膜盒或 膜片。被測差壓信號△Pii經(jīng)測量部分轉(zhuǎn)換成相應的輸入力Fi，F(xiàn)i與反饋機構(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)位移檢測放大器轉(zhuǎn)換成標準統(tǒng)一信號輸出。當輸入力與反饋力對杠桿系統(tǒng)所產(chǎn)生的力矩達到平衡時，杠桿系統(tǒng)便達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時變送器的輸出信號Io(或P)反映了被測差壓△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的矢量機構(gòu)，并用平 衡錘使副杠桿的重心與其支點相蓽合，從而提高了儀表的可靠性和穩(wěn)定性。

2.結(jié)構(gòu)

(1)測量部分

測量部分的作用是將被測差壓信號△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，同時又起到密封作用。

(2)杠桿系統(tǒng)

杠桿系統(tǒng)是差壓變送器中的機械傳動力和力矩平衡部分，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)生的力矩進行比較，然后轉(zhuǎn)換成檢測片的外移。該系統(tǒng)包括主、 副杠桿，調(diào)零和零點遷移機構(gòu)，靜壓調(diào)整和過載保護裝置，平衡錘以及矢量機構(gòu)，如圖2-9 所示。 

①調(diào)零和零點遷移機構(gòu)。變送器的零點由調(diào)零彈簧來調(diào)整。零點遷移則通過調(diào)節(jié)遷移彈簧實現(xiàn)的，遷移彈簧對主杠桿施加一遷移力F0'，此時變送器輸入與輸出間的關(guān)系仍可用前述的推導方法算得。設F0'到主杠桿支點的距離為L0'，則有

式中，A為膜片有效面積；L1、L2為Fi、Fi到主杠桿支點H的力臂；L3、L0、Lf為F2、F0、Ff 到副杠桿支點M的力臂；L4為檢測12到副杠桿支點M的距離；tanθ為矢量機構(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為低頻位移檢測放大器位移電流轉(zhuǎn)換系數(shù)；Kf為電磁反饋機構(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，使其值為負或為正，故式中遷移項之前有正負號。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)實現(xiàn)正向或負向遷移。

在對變送器進行零點遷移時應注意，遷移后被測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，因為遷移和調(diào)零都是變送器輸出的起始值與測量起始點相對應。只不過零點調(diào)零量通常較小，而零點遷移量比較大。

②靜壓調(diào)整和過載保護裝置。這兩個裝置可用圖2-10來說明。

靜差調(diào)整裝置用以克服變送器的靜差誤差，靜差誤差是指被測介質(zhì)靜壓力的作用而產(chǎn)生的一項附加誤差。它具體表現(xiàn)在：當測量部分膜盒兩側(cè)同時受到靜壓力的作用而無差壓時， 變送器的輸出并非為與零點相對應的起始值。由于此項附加誤差的存在，變送器在現(xiàn)場運行時，即使出入差壓沒有變化，但靜壓的波動也會是儀表的輸出發(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，這會使靜壓力產(chǎn)生一個附加力矩（見圖2-10 (b)),從面使伩表的零點發(fā)生變化，造成附加誤差，為了消除這一誤差，在主杠桿上方設置一靜壓調(diào)整裝置，轉(zhuǎn)動靜壓調(diào)整螺釘8可改變拉條和主杠桿的相對位置。因拉條和主杠桿的支點D和H分別在不同的高度，故當靜壓力P向上作用時，P分解為兩個分力p1和p2，Pi被拉條所平衡，P2則對杠桿產(chǎn)生一轉(zhuǎn)動力矩P向上作用時，因此順時針（零點增加）或逆時針（零點減?。┺D(zhuǎn)動靜壓調(diào)整螺釘8可克服靜壓誤差。

過載保護裝置參照圖2-10 (c.)，當測量力F過大時，反向力F也相應加大，兩力大到一定程度時，過載保護簧片5將彎曲變形而脫離主杠桿4，F(xiàn)再增大時，只加大彈簧片的變形， 而矢量頂桿9承受的力不會增加，只是起到了過載保護的作用。

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M重合，從而提高了了儀表的耐戶擊、耐振動性能，而且在儀表不垂直安裝時，也不影響精度。

④失量機構(gòu)。矢量機構(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被分解為兩個分力F2和F3，F(xiàn)3順著矢量板方向，被矢量板固定支點的反作用力所平衡， 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的大小來實現(xiàn)。由于矢量角在4°?15°范圍內(nèi)變化，故僅用矢量機構(gòu)調(diào)整量程時的量程比為

(3)電磁反饋機構(gòu)

電磁反饋機構(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，以便和測量部分產(chǎn)生的輸入力矩mi相平衡。該機構(gòu)由反饋動圈1、導磁體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為氣隙磁感應強度；D為動圈平均直徑；W為動圈匝數(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圈的匝數(shù)W來實現(xiàn)。

反饋動圈有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，將W1和R11相串接，1、3短接，2、4短接；在高量程擋時，將W1和W2串聯(lián)使用，即1、2短接。

因為,故改變反饋動圈匝數(shù)可以實現(xiàn)3：1的量程調(diào)整，將調(diào)整矢量角和改變反饋動圈匝數(shù)結(jié)合起來，zui大和zui小兩車比可達3.83X1=11.4:1