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1.1.2 仪表性能,1,1、准确性（精确度）（用最大引用误差来表示） 用精确度表示，即“相当于被测变量真实值的正确量度”。 例：量程为100，精确度等级为0.5 ，则测量值与真实值的最大绝对误差为： 100 0.5 0.5之内。,1,2、可靠性指标 可靠性：指在规定工作条件下（环境条件和维护条件），在规定的时间内具有正常工作性能的能力，如机器，零件及系统的使用寿命。 狭义的可靠性：机器、零件或系统一次使用的使用寿命。 广义的可靠性：可修复的机器、零件或系统在使用中不发生故障，一旦发生故障又易修复，使之具有经常使用的性能。 因此，广义的可靠性含有可维修性。 系统的可靠性指标常用概率来定义，包括： 可靠度； 平均故障间隔时间(mtbf)； 平均故障修复时间(mttr)； 有效率。,控制仪表,根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要求划分成单元组合仪表，仪表间采用统一标准信号进行联系，有助于了解过程控制仪表必备功能，学习过程控制仪表的基本概念，掌握仪表系统构成所需的测量系统或控制系统。,2,控制仪表的组成,自动控制系统中广泛应用的控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。,控制仪表组成单回路控制系统方框图,单元组合仪表可分为八类： 变送单元； 转换单元； 控制单元； 运算单元； 显示单元； 给定单元； 执行单元； 辅助单元。,2,3,3,3、灵敏度：仪表达到稳态后，输出信号的变化值与对应的输入信号变化值的比值，反映仪表对被测参数的灵敏程度； 灵敏度越大，仪表越灵敏； 若仪表灵敏度输入输出是线性特性，仪表灵敏度是常数； 如果是非线性特性，灵敏度在整个量程范围内是变数。 若仪表的输入输出具有相同单位，则灵敏度是放大倍数； 若是不同单位，则灵敏度是转换系数。 仪表灵敏度数值越高，则仪表越灵敏。,1.1.2 仪表性能,4,4,4、线性度：仪表的输入输出特性曲线与选用的对比直线之间的偏离程度，用非线性误差表示，指检验曲线与相应直线间的最大误差，按量程的百分比表示，可分为端基线性度误差和独立性线性度误差； 5、回差：输入量上升和下降时，仪表指示同一示值的两个输出量之差的最大值，包括滞环与死区； 6、死区（灵敏限、分辨力）：仪表示值产生可观察变化对应输入量的最小变化值，即引起输出变化的最小输入增量，实际上是死区，不大于仪表允许误差绝对值的一半。 灵敏限越大则仪表越不灵敏。,1.1.2 仪表性能,5,5,7、 动态误差：当用仪表对被测参数进行测量时，仪表指示值总要经过一段时间才能显示出来，这段时间称为仪表的反应时间。如果仪表不能及时反映被测参数，便要造成误差，这种误差称为动态误差。动态误差常用时间常数、全行程时间和滞后时间表示。 时间常数：当输入阶跃变化时，仪表的输出到达其稳定值的63.2%所需的时间。 全行程时间：当输入满量程变化时，输出由下限移至上限，或反行程所需的时间，通常以全量程的5%作为输出下限值，全量程的95%作为输出上限值。（与稳定时间概念不同) 滞后时间（时滞）：从输入产生变化的瞬间起，到它所引起的输出量开始变化的瞬间止。,1.1.2 仪表性能,1.2 过程控制仪表与装置的分类及特点,6,1、气动控制仪表 气动控制仪表已有几十年的历史。在60年代以前它是工业自动化的重要工具，目前其发展速度和生产应用方面仅次于电动控制仪表。 特点：结构简单、直观，易于掌握，性能稳定，可靠性高，具有安全防爆性能，不受电磁场干扰，维护方便 适用场所：石油、化工、轻工等有爆炸危险的场合，电力部门虽然很少采用成套的气动控制仪表，但在由电动控制仪表组成的系统中，有时采动气动执行器。 现状：所占领地现已十分狭小，主要在一些大型装置的主体设备周围，对单一的工艺参数进行单回路调节。 气动控制仪表中的气动执行器，由于其安全、可靠，工作平稳等优点而受到欢迎。,6,一、过程控制仪表的分类,（一）、按能源形式分类 按所用能源形式的不同，可分为电动、气动、液动和混合四大类。,1.2 过程控制仪表与装置的分类及特点,7,2液动控制仪表 液动控制仪表发展较早。 特点：结构简单，工作可靠，但动作速度较低、设备笨重。 应用范围：功率较大的场合，如大型火电厂的汽轮机调速和水电站中的水轮机调速大都采用液动调节。,7,3电动控制仪表 电动控制仪表50年代发展起来，目前应用最为广泛。 特点： (1) 电信号可以无滞后地远距离传输，能实现快速和远距离控制； (2) 易于实现复杂的控制规律，易于集中显示和操作，易于与其它现代化技术工具(如巡回检测装置、数据处理装置、电子计算机等)联用，能方便地组成各种复杂的综合控制系统； (3) 能源供给方便，不需要庞大的压缩空气等附属设备。 应用： 工业自动化的主要技术工具，广泛地应用于电力、化工、石油，冶金，轻工等部门。,1.2 过程控制仪表与装置的分类及特点,8,（1）单元组合式控制仪表： 含义： 根据自动检测与控制系统中各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元。各单元之间的联系采用统一标准信号。 分类： 电动组合单元仪表（ddz）和气动组合单元（qdz）仪表两大类，单元划分见前述。 中国生产的电动单元组合仪表(ddz)和气动单元组合仪表(qdz)经历了i型、ii型、iii型三个发展阶段，后推出了较为先进的数字化的ddz-s系列仪表。 特点： 应用灵活、通用性强，便于控制仪表的生产、维护及备品库存等。 应用范围： 适用于中、小型企业的自动化系统。,8,1.4 信号制及供电方式,9,一、信号类型 1、气动仪表的信号标准 中国国家标准gb777化工自动化仪表用模拟气动信号规定了气动仪表信号的下限值和上限值（过去统一使用0.21kgf/cm2，当前国标改为20100kpa的模拟气压信号），该标准与国际标准iec382是一致的。,1.4.1 信号标准,9,信号制：即信号标准，是指仪表之间采用传输信号的类型和数值。 用途：设计控制仪表与装置时，应力求做到通用性和相互兼容性，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中。要做到通用性和相互兼容性，首先必须统一仪表的信号制式。 fcs中现场仪表与控制室仪表或装置之间采用双向数字通信方式，其标准将在后面介绍，下面介绍模拟信号标准。,2、电动仪表信号的标准 电信号种类较多，主要有模拟信号、数字信号、频率信号和脉宽信号等四大类。 模拟信号和数字信号是自动化仪表及装置所采用的主要联络信号。,三、电模拟信号标准的使用,10,（二）直流电流信号传输 （1）连接方式 现场与控制室仪表之间采用电流信号传输。应用电流作为统一信号时，所有这些仪表必须串联连接，如图所示。,10,图 电流信号传输时仪表之间的连接,图中r0为发送仪表的输出电阻，rcm和ri分别为连接导线仪表之间的连接电阻和接收仪表的输入电阻，由它们组成为变送器的负载电阻。 在实际使用中，导线长度和接收仪表的个数是可以在一定范围内变化的，因此负载电阻也不是定值。 由于发送仪表的输出阻抗r0不可能无限大，负载电阻在一定范围内变化时，输出电流的变化应小于允许值，这就是所谓的“恒流性能“。,三、电模拟信号标准的使用,11,电流信号的传输误差可用公式表示为 式中n为接收仪表个数。由上式可见，为保证传输误差在允许范围内，要求r0rcm+nri，此时有 可根据允许误差和技术经济指标确定r0及ri。 一般为保证信号在35km内传输不受影响，同时考虑到一个发送仪表的输出电流能同时送给几个接收仪表，要求它的输出电阻r0足够大，而接收仪表如控制器等的输入电阻ri应很小。 因此，当以电流信号传输时，发送仪表的输出阻抗很高，相当于一个恒流源，当接收仪表输入电阻足够小时，传输导线长度在一定范围内变化仍能保证精度，而小输入电阻的接收仪表具有较高的抗干扰能力。因此直流电流信号适于远距离传输。,11,三、电模拟信号标准的使用,12,12,在并联连接时，由于并联仪表的输入阻抗ri不是无限大，信号电压u0将在发送仪表内阻r0及导线电阻rcm上降掉一部分u，造成信号传输误差,图 电压信号传输时仪表之间的连接,为减少此误差，一般要满足条件 ，此时上式变为,(a)为减小传输误差，要求发送仪表内阻r0及导线电阻rcm足够小。若远距离传输电压信号，则增大了的rcm势必对接收仪表电阻ri提出过高的要求，而输入阻抗高将容易引入干扰，因此电压信号不适于作远距离传输的信号。 (b)接收仪表输入阻抗越高，误差越小。当并接的仪表较多时，相当于总的输入阻抗减小，误差增大，因此并接的仪表越多，要求每个仪表的输入阻抗就越大。,三、电模拟信号标准的使用,13,13,（2）直流电压连接的优点 用电压作为联络信号时，由于仪表是并联连接，它的主要优点是： (a) 在设计安装上比较简单； (b) 增加或取消某个仪表不会影响其它仪表工作； (c) 对仪表输出级的耐压要求可以降低，提高仪表的可靠性。,在实际应用中进出控制室的传输信号采用电流信号，控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号，连线特点为：电流传输、电压接收的方式。 图中i0，r0分别为发送仪表的输出电流和输出电阻；ri为接收仪表的输入电阻；r为电流/电压转换电阻，通常i0=420ma时r取250。,图 控制系统仪表之间典型连接方式,(四) 控制系统仪表之间典型连接方式 电流信号传输与电压信号传输各有特点，电流适合于远距离对单个仪表传送信息，电压适合于把同一信息传送到并联多个仪表，两者结合，取长补短。,1.5.1 防爆安全的基本概念,14,隔爆型号仪表 特点：仪表的电路和接线端子全部置于隔爆壳中，表壳强度足够大，表壳结合面间隙足够深，最大的间隙宽度又足够窄。即便仪表因事故产生火花，也不会引起仪表外部的可燃性物质爆炸。 设计措施：采用耐压(810)102kpa以上的表壳，表壳外部的温升不得超过由气体或蒸汽的自燃温度所规定的数值，表壳结合面的缝隙宽度和深度应根据它的容积和气体的级别采取规定的数值等。 使用：安装及维护正常时安全，但揭开仪表表壳时，会失去防爆性能，不能在通电运行的情况下打开外壳进行检修或调整。对于组别、级别高的易爆性气体如氢、乙快、二硫化碳等，不宜采用隔爆型防爆仪表： 隔爆表壳在加工上有困难， 长期使用后因磨损，很难长期保持要求的间隙，逐渐失去防爆性能。,14,自动化仪表防爆结构主要有三种类型： 隔爆型标志“d“； 本质安全型标志“i“； 增安型标志”e”,1.5.1 防爆安全的基本概念,15,早期本质安全型防爆概念：指孤立的安装在危险场所的电气设备具有的防爆性能符合本质安全防爆要求。 现代的本质安全防爆概念：指整个自动化系统的防爆性能符合本质安全防爆要求。 具有本质安全防爆的系统包括两种电路： 危险场所（在现场)的本质安全电路； 非危险场所(在控制室)中的非本质安全电路。 为了防止非本质安全电路中过大的能量传入危险场所中的本质安全电路，在两者之间采用了防爆安全栅，因而整套仪表系统具有本质安全防爆性能。,15,本质安全防爆仪表 指在正常状态下和故障状态下，电路、设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起易爆性气体或蒸汽爆炸的防爆类型。 正常状态指在设计规定条件下的工作状态，如设计规定的断开和闭合电路动作所产生的火花。 故障状态指因事故而发生短路、断路等情况。,1.5.1 防爆安全的基本概念,16,16,本质安全防爆系统的性能保证措施： （1）采用低的工作电压和小的工作电流。如正常工作时电压不大于24vdc，电流不大于20ma dc；故障时电压不大于35v dc，电流不大于35ma dc。限制仪表所用电阻、电容和电感参数大小，以保证在正常及故障时所产生的火花能量不足以点燃爆炸性混合物。 （2）用防爆安全栅将危险场所和非危险场所的电路隔开。 （3）现场仪表到控制室仪表连接导线不得形成过大分布电感和电容。 特点： 防爆性能最好，原理上适用于一切危险场所，一切易爆气体； 安全性能不随时间而变化； 维修方便，可在运行状态下进行维修和调整。,图 本质安全防爆系统构成图,1.5.1 防爆安全的基本概念,17,解：安全栅和变送器连接时，变送器和连接导线都是安全栅的负载。连接导线的最大允许电容cc和电感lc应等于或小于安全栅的最大允许负载电感la和电容ca减去仪表输入端未经保护的电容ci和电感li，即应满足下列条件：,17,有一本安变送器和安全栅组成的本安防爆系统。已知安全栅的最大允许电容ca为0.13uf，最大允许电感la为4.2mh，变送器电路板上的电容和电感已经过保护，求该变送器的最大传输距离。设变送器信号电缆的截面积为1.5mm2,分布电容cc为200pf/m，电感l和电阻r之比l/r=250uh/(设铜导线电阻率为0.0175 mm2/m)。,上述两式即为求变送器最大距离的计算公式。 （1）先按式（1）求变送器信号线长度 已知：ca=0.13uf，cc/d=200pf/m，ci=0(因变送器的电容电感已保护过） 于是 200pf/md0.13uf-0 得信号电缆的长度d为 d0.13106/200=650m (2) 按（2）式求变送器信号线长度 已知：la=4.2mh，lc/r=250uh/ , li=0 于是 250uh/ r4.2 mh-0， 得信号电缆的电阻r为 r 4.2 103/250=16.8 导线的电阻公式为r=2d/s 于是 16.8 =0.0175 2d/1.5 得 d=720m 根据上式计算结果可知，据（1）与（2）计算的导线长度相差不多，为保险起见，取d=650m，即变送器的最大传输距离不应大于650m。,1.5.2 安全栅,18,18,安全栅是构成本质安全系统的关键仪表，安装在控制室内，是控制室仪表和现场仪表的关联设备，保证系统的本安防爆性能： 系统正常时：传输信号； 故障时：控制流入危险场所的能量在爆炸气体或混合物的点火能量以下。 安全栅的构成形式主要有以下五种： 电阻式安全栅 齐纳式安全栅 中断放大式安全栅 光电隔离式安全栅 变压器隔离式安全栅,什么是干扰 干扰是一种无所不在、随时可能产生的客观的物理现象，是妨碍某一事件(事物)正常运行(发展)的各种因素的总称。 仪表中的干扰信号 在仪表中，除了有用信号外，其他信号均可认为是干扰信号。 干扰信号是影响仪表平稳运行的破坏因素，它包括： 分布电容电流，影响有用信号； 受磁力线感应产生的感应电流，耦合在有效信号中； 强电器件之间的放电电流，损坏仪表器件等； 绝缘泄漏电流，导致绝缘性能下降。,19,19,1.6 仪表的抗干扰技术,仪表干扰信号的主要来源（在某些场合也将干扰称为“噪声”）： 空间(如电磁辐射) 其他信号的耦合(如静电耦合、电磁耦合、公共阻抗耦合等) 设备之间产生“互感”：对于有用信号，也存在着彼此干扰的现象，特别是”强电”信号对”弱电”信号的影响。强电设备对弱电仪表干扰，会使仪表无法稳定工作，甚至损坏。,21,1.6.1 干扰产生的原因,干扰的分类,1.6.1 干扰产生的原因,22,干扰形成的三个充要条件： 干扰源：干扰源是综合体，是任何影响仪表平稳运行的破坏因素，如变压器、继电器、微波设备、电机和高压电线等可以产生空中电磁信号的设备。 受干扰体：接受影响的系统的某个环节，吸收干扰信号，并转换成对系统造成影响的仪表参数。 干扰传播的途径，包括导线和空间的辐射等 图 干扰形成示意图,22,第二章 控制器,ti 与td的参数改变对控制品质的影响 分析电路输出关系,24,六、pid控制规律,前面介绍了理想和实际pid控制器的传递函数。 在实际控制器中，由于相互干扰系数f的存在，且其值与 有关，故p、i、d变量的实际值(kpf、tif、 )与刻度值(kp、ti、td)有差异； 在整定某个变量时，相互干扰系数f还将影响其他变量，故在实际使用时应注意整定变量间的相互影响。 控制器整定变量间的相互干扰情况与pid运算电路的构成方式有关。,24,当偏差为阶跃信号时，利用拉氏反变换，由前面实际pid传递函数可求得实际pid控制器的输出为,当t=0时，y(0)=kpkd 当t时， y()=kpki,图 pid运算电路,25,25,六、pid控制规律,pi、pd、pid调节特性也可用幅频和相频特性来表示和分析。,图 实际pid控制器的阶跃响应特性,图中，特性曲线是由pi阶跃响应特性0cde和pd阶跃响应特性0adf两曲线叠加而成。 由图可知，控制器的比例增益、积分时间和微分时间等变量也可由图解法求得。,26,三、基型控制器电路分析,输入电路是由运算放大器a1等组成的偏差差动电平移动电路， 作用 测量信号ui和给定信号us相减，得到偏差信号，再将偏差放大两倍后输出； 电平移动，将以0v为基准的ui转换成以电平ub(10v)为基准的输出信号u01。,26,采用这种电路形式有如下两个目的： （1）消除集中供电引入的误差 （2）为了保证运算放大器的正常工作 。,图 输入电路原理,1、 输入电路,27,作业,请分析如下电路，请问 （1）该电路能够实现什么功能； （2）改变w1电位器滑动位置，可改变什么; （3）将电阻r2开路，可使什么增大; （4）当ui为阶跃输入时，uo随时间如何变化。,28,输出电路如左图所示。 加接晶体管vt1和vt2是为了增大运算放大器a4的输出电流，使整机输出电流io达到420madc。vt1和vt2组成复合管的目的是为了提高放大倍数，降低vt1的基极电流，使得,5、输出电路,输出电路的作用是将比例积分电路输出的以ub为基准的15vdc电压信号uo3转换为流过负载rl(一端接地)的420madc输出电流io。实际上它是个电压/电流转换电路。,28,图 输入电路原理,29,图 输出电路等效原理图,为了便于分析输出电路的工作原理，将电阻r20，晶体管vt1，vt2以及负载电阻rl等和运算放大器a4等效成一个运算放大器，并画成下图的形式。 由图可见，它是一个差动输入运算放大电路，其输出与输入关系为,5、输出电路,29,由图可知 根据前面各式，则 式中，r23=10k，r24=40k，rh=62.5 取 ，则有 相应的输出电流io=420ma dc。 基准电压ub和电源电压ue是送去输入运算电路的共模输入信号，对电路的运算关系没有影响。但是对上述电路参数，在ub=10v，ue=24v时，可求得的a4的最大输出电压接近电源电压，因此a4的选择应同时满足共模输入电压范围和最大输出电压范围的要求。,30,3.1.2 变送器的共性问题,变送器在使用之前，须进行量程调整和零点调整。 1、测量范围与上限调整 测量范围：仪表按规定的精度进行测量的被测量的范围；或者说：在允许误差范围内，仪表能给出的被测量的集合。 上限与下限：测量范围的最高值与最低值分别称为仪表的测量上限与下限。 量程：上限与下限代数差的绝对值为仪表量程。 例：某温度变送器的测量范围是200800，试求上下限及量程。 解：下限200，上限800 量程上限下限 |800-(-200)|1000,1、量程调整与上限调整,因此，根据仪表的测量范围可知其上下限及量程。但是，反过来，若给出仪表的量程，则不能确定其上下限及测量范围。 仪表测量范围的另一种表示方法是给出仪表的零点，即测量下限及仪表的量程。只要仪表的零点和量程确定了，其测量范围也就确定了，因而用仪表的一个零点和量程表示仪表的测量范围是一种更为常用的表示方式。,3.1.2 变送器的共性问题,3、零点调整和零点迁移（下限调整）,图 变送器迁移前后的输入输出特性,零点调整和零点迁移：使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin0时，称为零点迁移。 零点调整使变送器的测量起始点为零； 零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值(正值或负值)。 正迁移：当测量的起始点由零变为某一正值； 负迁移：当测量的起始点由零变为某一负值。,零点迁移特点： 零点迁移使变送器的输入输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率不改变，即变送器的量程不变。 进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度。 零点调整的调整量通常比较小； 零点迁移的调整量比较大，可达量程的一倍或数倍。 各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。 零点调整和零点迁移的方法 模拟式变送器通过改变放大器输入端上的调零信号z0的大小实现； 智能式变送器通过组态来完成的 。,3.1.2 变送器的共性问题,4、线性化,图 非线性补偿原理,非线性补偿：变送器在使用时，希望其输出信号与被测参数之间成线性关系，但传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系，为使变送器的输出信号y与被测参数x之间呈线性关系，必须进行非线性补偿。 非线性补偿的方法： 对于模拟式变送器，非线性补偿方法通常有两种 反馈非线性补偿； 测量非线性补偿。 对于智能式变送器，预先将传感器的特性储存在变送器的eprom中，通过软件实现非线性补偿。,测量非线性补偿原理如图 (b)所示。 测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性，刚好补偿了传感器组件的非线性， 因此输入放大器的信号特性是线性的，只要负反馈放大器的特性是线性的，则变送器输出信号y与输入信号x之间呈线性关系。,反馈非线性补偿原理如图 (a)所示。 反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性； 负反馈放大器的特性是反馈部分特性的倒特性； 因此负反馈放大器的特性刚好与传感器组件的非线性关系相反，使得变送器输出信号y与输入信号x呈线性关系。,一、hart协议的技术要点,1、hart通信采用基于bell 202通信标准的fsk(频移键控)技术，在420ma的模拟信号上叠加了一个频率信号(1200hz代表逻辑“1”，2200hz代表逻辑“0”)。由于正弦信号的平均值为0，hart通信信号不会影响420ma信号的平均值，这就使hart通信可以与420ma信号并存而不相互干扰。 2、hart总线能同时进行模拟信号传输和数字信号的双向通信，因而在与现场智能仪表通信时，还可使用模拟显示、记录仪及控制器。这对传统的控制系统进行改造，并逐步实现数字化较为有利。 3、支持多主站数字通信，在一根双绞线上可同时连接几个智能仪表。另外，还可通过租用电话线连接仪表，这样使用较便宜的接口设备，便可实现远距离通信。 4、允许“应答“和成组通信方式，大多数应用都使用“应答“通信方式，要求有较快过程数据刷新速率的应用可使用成组通信方式。 5、所有的hart仪表都使用一个公用报文结构，允许通信主机与所有与hart兼容的现场仪表以相同的方式通信。一个报文能处理4个过程变量，多变量测量仪表可在一个报文中进行多个过程变量的通信。在任一现场仪表中，hart协议支持256个过程变量。,练 习,一个10m高的装水罐（密度为1000kg/m3），变送器安装在罐下0.5m处，试以kpa（n/m2）为单位，确定变送器的上下限、量程和测量范围。,ddziii温度变送器两线制和四线制之分 四线制温度变送器具有如下特点：本质安全 (1) 在热电偶和热电阻温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系，便于指示和记录。 (2) 变送器的输入、输出之间具有隔离变压器，并采取了安全火花防爆措施，故具有良好的抗干扰性能，且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号。 两线制温度变送器特点： 结构简单，安装使用方便，可用于对防爆要求不高的场合。,ddziii 温度变送器的分类,各类变送器又有三种品种： 直流毫伏变送器：输入信号是直流毫伏信号。 凡是能将工艺参数变换成直流毫伏信号的传感器或检测元件均可与该种变送器配合使用，将被测工艺参数转换成dc420ma统一标准信号，扩大了变送器的应用范围。 热电偶温度变送器。 热电阻温度变送器。,变送器结构：三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分，它们分别设置在两块印制电路板上，用接插件互相连接。 放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。,变送器的主要性能指标： 基本误差为0.5%； 环境温度每增加25附加误差不超过0.5%； 负载电阻在0100范围内变化时，附加误差不超过0.5%。,2、线性化原理及电路分析,线性化电路的作用是使热电偶温度变送器的输出信号(uo、io)与被测温度信号t之间成线性关系。 热电偶输出的热电势et与所对应的温度t之间是非线性的,而且不同型号的热电偶或同型号热电偶在测温范围不同时，其特性曲线形状也不一样。 铂铑-铂热电偶，et-t特性是下凹形的； 镍铬-镍铝热电偶的特性曲线，开始时呈下凹形，温度升高后又变成上凸形的。 在测量范围为01000时的最大非线性误差，前者约为6%，后者约为1%。 为保证变送器输出信号与被测温度之间呈线性关系，必须采取线性化措施。,图 热电偶温度变送器线性化原理方框图,由图可知输入放大器的信号=et +uz-uf。 uz在热电偶冷端温度不变时为常数，而et和t的关系是非线性的。 如果uf与t的关系也是非线性的，并且同热电偶et-t的非线性关系相对应，那么，et和uf的差值与t的关系也就呈线性关系了，经线性放大器放大后的输出信号uo也就与t呈线性关系。 要实现线性化，反馈回路的特性(uf-uo的特性亦即uf-t特性)须与热电偶的特性相一致。,一、线性化原理,2、线性化原理及电路分析,线性化电路，即非线性运算电路实际上是一个折线电路，它是用折线法来近似表示热电偶的特性曲线的，例如用右图所示为由五段折线来近似表示某非线性特性的曲线。 图中uf为反馈回路的输入信号，ua为非线性运算电路的输出信号，1、2、3、4 、 5分别代表五段直线的斜率。 折线的段数及斜率的大小是由热电偶的特性来确定，一般情况下，用46段折线近似表示热电偶的某段特性曲线时，所产生的误差小于0.2%。,图 非线性运算电路特性曲线,要实现如图所示的特性曲线，可采用如图所示的典型的运算电路结构。 图中vz103、vz104、vz105、vz106为稳压管，它们的稳压值为ud。 其特性是 在击穿前，电阻极大，相当于开路； 当击穿后，动态电阻极小，相当于短路。 us1、us2、us3、us4为由基准电压回路提供的基准电压，对公共点而言，它们均为负值。 基准电压回路图由恒压电路和电阻分压器组成。 ra为非线性运算电路的等效负载电阻。,二、线性化电路,图 非线性运算电路原理图,一、直流毫伏变送器的量程单元,为便于分析其工作原理，将量程单元和放大单元的运算放大器联系起来画于右图中。,图 直流毫伏变送器,图 直流毫伏变送器 量程单元,直流毫伏变送器的量程单元由信号输入电路，零点调整桥路和反馈电路等部分组成。 输入回路中r101、r102和vz101、vz102起限流和限幅作用，限制打火能量在安全火花范围内。 r101与c101还组成低通滤波器，以滤去输入信号ui中的交流分量。 零点调整电路由r103、r104、r105、和rp1电位器等组成，其中r105远远大于其他电阻的阻值。 桥路基准电压uz由集成稳压器提供,其输出电压为5v。,r109、r110、r140及开关s组成输入信号断路报警电路，如果输入信号开路，当开关置于“上“位置时，r110上的压降(0.3v)通过电阻r140加到运算放大器ic1的同相端，这个输入电压足以使变送器输出超过20ma；而当开关s置于“下“的位置时，ic1同相端接地，相当于输入回路输出信号ui=0，变送器输出为4ma。在变送器正常工作时，因r140的阻值很大(7.5 m)，而输入信号内阻很小，故报警电路的影响可忽略。 反馈回路由r106、r107、r111、r114r116和量程调整电位器rp2等组成。其中r116为反馈电压源的内阻，其阻值远小于r114。反馈电压uf来自放大单元的隔离反馈部分。,一、直流毫伏变送器的量程单元,由图可知，ic1同相输入端的电压ut是变送器输入信号ui和基准电压uz共同作用的结果；而它的反相输入端的电压uf(即uf)则分别由基准电压和反馈电压uf共同作用的结果。此时，可求得放大器正向端的电压ut为,式中，rcd 表示rp1滑动触点上部分的等效电阻值，即 放大器负端的电压uf可用叠加原理求得 式中，rp21表示rp2滑动触点左边部分的电阻；rp22表示rp2滑动触点右边部分的电阻。uf为rp2动触点对电压参考点的电压。,一、直流毫伏变送器的量程单元,在电路设计中取 则得到,如果考虑放大器为理想放大器，则ut=uf ， 联立求解得 由于变送器的输出电压v0与反馈电压的关系为u0=5uf，将uf代入得,式中 此式即直流毫伏变送器的输入与输出间的关系式 。,该式说明： (1) (-r)uz项为变送器的调零信号。 当r时，即(rcd+r103)r106 时，得到正向调零信号，可实现负向迁移； 当r，即(rcd+r103)r106时，得到负向调零电压，可实现正向零点迁移。 更换r103可大幅度改变零点迁移量。调整rp1可小范围调零,获得满量程的5%的零点调整范围。 (2) 5为输入与输出的比例系数，调整rp2可微调量程，改变r114可大范围调整量程。 由于输出电压uo=15v(输出电流io=420ma在250负载电阻的压降)，愈大，ui愈小，即量程范围愈小。 (3 )调整rp2，改变比例系数，调整了量程，但也影响了零点；同样，调整了零点，也影响了量程。另一方面，rp1也同样。说明调零点和调量程是相互影响的。 仪表调校时，必须反复调整才能满足精度要求。,二、热电偶温度变送器的量程单元,该变送器的量程单元与直流毫伏变送器的量程单元基本相同，零点调整、迁移电路以及量程调整电路的工作原理也与直流毫伏变送器大致相仿。所不同的是： (1) 在热电偶温度变送器的回路中增加了由铜电阻rcu1、rcu2等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路； (2) 同时把调零电位器rp1移到了反馈回路的支路上； (3) 在反馈回路中增加了由运算放大器ic2等构成的线性化电路。 在两线制温度变送器中，冷端温度补偿只用了一个铜电阻；而在四线制温度变送器中则用了两个铜电阻，并且这两个电阻的阻值在0时都固定为50。当选用的热电偶型号不同时，需要调整阻值的是几个锰铜电阻或精密金属膜电阻。,图 热电偶温度变送器结构框图,除此以外，其余各元件的作用与直流毫伏变送单元的完全相同。 其零点调整和量程调整方法与直流毫伏变送器的基本相同。,图 二线制热电偶温度变送器量程单元原理图,热电偶冷端温度补偿和线性化原理,前图中vi为热电偶产生的热电动势。当热电偶的被测温度一定而冷端温度升高时，热电动势vi将减小。 为了补偿vi的减小，若桥路输出电压vz增加一个适当的值，便能补偿由于热电偶冷端温度变化引起的误差。 为此，在桥路的ri3桥臂串接一只铜电阻rcu，rcu放于热电偶的冷端附近，感受与热电偶冷端相同的温度。rcu具有正的电阻温度系数，其阻值随温度的增加而增加，若以20为标准，自动补偿的条件为 式中rcu为铜电阻在20时阻值；20为20附近电阻温度系数，203.9610-3 /；t为热电偶冷端温度，即环境温度；i1为rcu桥臂的电流，i1为常数。,热电偶热电动势的变化值vi可表示为 式中，为热电偶在20附近时的灵敏度，单位为mv/，不同材料的热电偶， 值不同。,则可求得20时铜电阻的阻值计算式为,因此，根据i1、和20计算rcu之值，接于ri3桥臂便可达到热电偶冷端温度自动补偿的目的。,1、热电偶冷端温度自动补偿,一、二线制热电偶冷端温度自动补偿,热电偶冷端温度补偿和线性化原理,输入信号et为热电偶所产生的热电势。输入回路中阻容元件r101、r102、c101,稳压管vz101、vz102以及断路报警(即输入信号断路报警)电路的作用与直流毫伏变送器相同。 由图可知，运算放大器ic1同相输入端的电压ut，由输入信号et和冷端温度补偿电势uz两部分组成 电路设计时使 ，则可改写为,此式表明，当冷端环境温度变化时，rcu1、rcu2的阻值也随之变化，使式中第二项发生变化，从而补偿了由于环境温度升降引起的热电偶热电势变化。 当铜电阻的阻值增加时，补偿电势uz将增加得愈来愈快，即uz随温度而变的特性曲线是呈下凹形的(二阶导数为正)，而热电偶et-t特性曲线的起始段一般也呈下凹形，两者相吻合。因此，这种电路的冷端补偿特性要优于两线制温度变送器补偿电路。,一、四线制热电偶冷端温度自动补偿,补偿电路中，r105、r103和r100为锰铜电阻或精密金属膜电阻，它们的阻值决定于选用哪一类变送器和何种型号的热电偶。 对热电偶温度变送器而言，r105已确定为7.5k。r100和r103的阻值可按0时冷端补偿电路uz为25mv和当温度变化t =50时et= uz两个条件进行计算。 先确定r100的阻值，再按上述条件求取r103和r105的阻值。 当图中b端子板上的b2与b3端子相连接时，uz等于r104两端的电压，固定为25 mv，故可以0为基准点，用毫伏信号来检查变送器的零点。 当b端子板上的b1与b2端子相连接时，即将冷端温度补偿电路接入。,4.1.4 执行器的作用方式,执行器有正、反作用两种方式， 当输入信号增大时，执行器的流通截面积增大，即流过执行器的流量增大，称为正作用； 当输入信号增大时，流过执行器的流量减小，称为反作用。,电动调节阀 由于改变执行机构的控制器(伺服放大器)的作用方式非常方便，因此一般通过改变执行机构的作用方式实现调节阀的正、反作用。,气动调节阀 正、反作用可通过执行机构和调节机构的正、反作用的组合实现 配用具有正、反作用的调节机构：采用正作用的执行机构，通过改变调节机构的作用方式来实现调节阀的气关或气开； 配用只具有正作用的调节机构：通过改变执行机构的作用方式来实现调节阀的气关或气开。,4.2、执行机构,执行机构的作用：根据输入控制信号的大小，产生相应的输出力f或输出力矩m和位移(直线位移l或角位移) 输出力f或输出力矩m：用于克服调节机构中流动流体对阀芯产生的作用力或作用力矩，以及阀杆的摩擦力、阀杆阀芯重量以及压缩弹簧的预紧力等其他各种阻力； 输出位移(l或)：用于带动调节机构阀芯动作。 执行机构有正作用和反作用两种作用方式: 输入信号增加，执行机构推杆向下运动，称为正作用； 输入信号增加，执行机构推杆向上运动，称为反作用。,气动执行机构接受气动控制器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力f和直线位移l，以推动调节机构动作。,4.2.1 气动执行机构,气动执行机构有薄膜式、活塞式和长行程式三种类型。 薄膜式：执行机构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉，是最常用的一种执行机构，在工程上气动薄膜式应用最广泛。 活塞式：执行机构允许操作压力可达500kpa，因此输出推力大，但价格较高； 长行程式：执行机构结构原理与活塞式执行机构基本相同，具有行程长、输出力矩大的特点，直线位移为40200mm，适用于输出角位移和力矩的场合。,气动执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种: 有弹簧式气动执行机构：输出推力小、价格低。有弹簧式薄膜执行机构又分为单弹簧和多弹簧两种， 无弹簧式气动执行机构：重量轻、高度小、结构紧凑、装校简便、输出力大，被称为轻型或精小型气动执行机构。,2、阀门定位器应用场合,(1)、阀门定位器能够增加执行机构的推力，用于高压差、大口径、高压、高温、低温及介质中含有固体悬浮物或粘性流体的场合。 通过提高定位器的气源压力来增大执行机构的输出力，可克服介质对阀芯的不平衡力，也可克服阀杆与填料间较大的摩擦力或介质对阀杆移动产生的较大阻力。 (2)、加快执行机构的动作速度，用于执行机构与调节器相距60m以上场合。 调节器与执行机构距离较远时，为了克服信号的传递滞后，加快执行机构的动作速度，必须使用定位器。 (3)、实现分程控制 分程控制两台定位器由一个调节器来操纵，每台定位器的工作区间由分程点决定，假定分程点为50%，则调节器050%输出时，第一台定位器输出0100%，第二台定位器输出为0；调节器输出50%100%时，第二台定位器输出0100%，第一台定位器输出一直保持在100%。 (4)、改善调节阀的流量特性 如果改变反馈凸轮的形状，就改变了执行机构对定位器的反馈量变化规律。因此，通过改变反馈凸轮的几何形状改变调节阀的流量特性，使定位器的输出特性发生变化，从而改变了定位器输入信号与执行机构输出位移间的关系，即修正了流量特性。,定位器还能使执行机构由两位动作变成比例动作，能改变调节阀的作用形式，或用于需要电/气转换的复合调节中。,常用调节机构结构简介,图 (g)为蝶阀，通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。 特点：结构紧凑、体积小、成本低，阻力损失小，流通能力强。 适用范围：适用于低压差、大口径、大流量的气体或带有悬浮物流体的场合， 注意：蝶阀通常工作转角应小于70 ，此时流量特性与等百分比特性相似。,(h)为套筒阀，结构比较特殊，它的阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。套筒上开有一定形状的窗口(节流孔)，阀芯移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量控制。根据流通能力大小的要求，套筒的窗口可分为四个、两个或一个。 特点：具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。 适用范围：适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。 套筒阀分为单密封和双密封两种结构 单密封：类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合； 双密封：类似于直通双座阀，适用于双座阀的场合。,图(i)为偏心旋转阀，其球面阀芯的中心线与转轴中心偏离，转轴带动阀芯偏心旋转，使阀芯向前下方进入阀座。 特点：具有体积小、重量轻、使用可靠、维修方便、流通能力强、可调比（100：1）、密封可靠等优点， 适用范围：适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。,1一阀杆；2一阀芯；4一下阀盖；5一阀体；6一上阀盖；7一阀轴；8一阀板；9一柔臂；10一转轴；,4.3.2 调节机构的工作原理,流体从左侧进入调节阀，从右侧流出。阀杆的上端通过螺母与执行机构的阀杆连接，带动阀杆及其下端的阀芯上下移动，使阀芯与阀座间流通面积产生变化，从而使被控介质产生变化。,图 直通单座调节阀结构图 1阀杆 2上阀盖 3填料 4阀芯 5阀座 6阀体,当不可压缩流体流经调节阀时，由于流通面积的缩小，会产生局部阻力，并形成压力降。设p1和p2分别是流体在调节阀前后的压力，为流体的密度，v为接管处的流体平均流速，为阻力系数，在高雷诺数re条件下，根据伯努利方程可得 即 设调节阀接管的面积为a，则液体渡过 调节阀的何种流量q为 通常各参数采用下列单位 acm2 g/cm3（即10-5ns2/cm4） p100kpa（即10n/cm2） cm/s 。,因此，由于阻力系数与阀门的结构形式和开度有关，在调节阀截面积a一定时，改变调节阀的开度即可改变阻力系数，从而达到调节被控介质流量的目的。,例二,流过某一油管的最大体积流量为40m3/h，流体密度为0.05g/cm3，阀前后压差p=0.02mpa，试选择调节阀的尺寸。,调节阀的流量系数kv为 从表可查得，kv=20m3/h，dn =40mm，dn =40mm。 若对泄漏量有严格要求，可选直通单座阀； 若对泄漏量无要求，可选直流双座阀，此时kv =25 m3/h，留有一定余地。,二、气开式、气关式调节阀的选择,气开阀是指输入气压信号p0.02mpa时，调节阀开始打开，也就是说“有气“时阀打开。 气关阀是指输入气压信号p0.02mpa时，调节阀开始关闭，当p=0.1mpa时，调节阀全关闭；相反，当p0.02mpa时，调节阀全打开。,由于执行机构有正，反两种作用形式，调节阀也有正装和反装两种形式。因此，实现调节阀的气开、气关有四种组合,图 气开、气关阀示意图,表4.3 执行器组合方式,表 执行器组合方式,组合的规律与正负数乘法运算相似，正正得正，正反得反，反反得正。 在生产过程中，调节阀的气开、气关形式的选择，主要从生产工艺的安全来考虑。当气源一旦中断时，阀门处于全开或全关状态，应能保证生产过程的设备和人身安全。 一般蒸汽加热器选择气开调节阀，一旦气源中断，阀门处于全关位置，停止加热，保证设备不致因温度过高而发生故障或危险。 锅炉进水调节阀应选择气关式，当气源中断时仍有水进入锅炉，不致产生烧干或爆炸事故。,对于小口径(dn25mm)调节阀，通常采用改变阀体的正、反装实现调节阀的气开、气关形式(见图a、b)。 实际上图d形式是很少用的。,三、单座阀和双座阀的选择,单座阀和双座阀各具有不同的特点和适用场合 单座阀：低静压、低压差和小口径的场合； 双座阀：产生的不平衡力较大，适用于高静压、高压差和大口径(dn25mm)的场合。,四、调节阀流量特性的选择,调节阀的流量特性：被控介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系，即 式中，q/qmax为相对流量，即某一开度的流量q与阀全开流量qmax之比；l/l为相对开度，即某一开度的行程l与阀全开的行程l之比。,显然，调节阀的流量特性会直接影响到自动控制系统的控制质量和系统的稳定性，必须合理选择。 一般地说，改变调节阀的流通面积(阻力系数)，便可调节被控介质的流量。但是，当调节阀接入管道后，其实际流量特性会受到多种因素的影响。,四、调节阀流量特性的选择,为便于分析，首先假定阀前后压差不变，然后再考虑到实际使用情况，于是调节阀的流量特性分为理想流量特性和工作流量特性。,1、理想流量特性,理想流量特性：调节阀前后压差不变条件下得到的流量特性。 理想流量特性仅取决于阀芯的形状，不同阀芯曲面可得到不同的流量特性，左图为常用阀芯形状。阀芯形状一旦固定，该阀便具有固定的理想流量特性。 目前，常用调节阀中有四种典型的理想流量特性：直线流量特性，对数流量特性，快开流量特性和抛物线流量特性,图 常用阀芯形状 (a)快开 (b)直线 (c)抛物 (d)等百分比,图 典型调节器理想流量特性曲线 (a)快开 (b)直线 (c)抛物 (d)等百分比,(1)、直线流量特性,直线流量特性是指调节阀的相对流量与相