测控仪表（张继光）课件

第四章：测控仪表,在材料工程领域内各种研究与生产过程中,对相关过程参数进行测量、控制所用到的仪器、仪表和系统的总称（简称仪表） 测控仪表大多是具有通用规格的系列化产品，使用时仅需合理选用和整定即可。这些仪表按其功能可分成： 检测仪表: 在传感器（敏感元件）基础上，配以适当的测量电路，使变换出的信号直接作测量、显示或供控制使用的装置(可以理解为传感器+测量电路) 显示与记录仪表: 将经过检测仪表(或仅传感器)变换的被测参数以可视的方式表现出来(或记录)的装置. 它同样可以用于表示控制和操作的结果 控制仪表: 把来自检测仪表的信号量值与设定值作比较或综合，再按预定的规律处理后，向执行器发出调控信号，对相关设备进行控制 执行器: 执行机构:将来自控制仪表的调控信号转变为位移或推力 调节机构:受执行机构操纵去改变物理量(开关、阀位、转速、电压),测试系统的一般构成：,传感器,测量电路,显示记录,A/D转换,计算机,物理量,可视 信息,4.1 测控仪表的分类,为了便于对五花八门林林总总的测控仪表进行了解,常采用分门别类的方法: 按照其所用能源形式分类:气动; 液动; 电动 按仪表的结构形式分类: 基地式: 测量、记录和简单的调节功能组合在一起，孤立应用于现场 单元组合式: 构造若干种功能单元（变送单元、调节单元、显示单元等），遵循统一的信号制式，可方便地按需联接成仪表，构成系统 电动单元组合仪表: DDZ-I(电子管),II(晶体管),III(集成电路),S(微机) 组件组装式: 采用模拟和数字技术,将单元集成为插板，插装在组件箱内 计算机测控系统: 直接数字控制（DDC）:单机测控系统 监督控制（SCC） 分布式控制（DCS）: 上位机-信息总线-下位机,分散测控、集中管理 现场总线控制（FCS）: 开放总线,组件共同遵守统一的通信协议标准，不同厂家的设备亦可互连 按仪表的信号类型分类: 模拟式仪表:动圈式指针仪表、平衡式仪表 数字式仪表:数显式仪表与微机化仪表 智能仪表: 有在线辨别、动态建模等功能，能自动适应对象，形成最佳测控,4.2 变送器,变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用,按照被测参数分类,差压变送器,压力变送器,温度变送器,液位变送器,流量变送器等,变送器的理想输入输出特性,x,y,xmin,xmax,ymin,ymax,xmin 可能0，也可能0,4.2.1 变送器的分类,热电偶温度变送器构成框图,一、热电偶温度变送器,4.2.4 温度变送器,（一）热电偶温度变送器的作用及特点,作用：与热电偶测温元件配套使用，将温度信号Ti线性地转换成标准信号（I0、V0）输出。 ti 测温元件温度变送器标准（I0、V0）输出 输入-输出特性: V0=5Et+()VZ=KWEt+V01 I0=5Et+ ()VZ=KW Et+ I01 特点: 采用化负反馈回路来实现tV0线性化 具有冷端温度自动补偿功能,（二）热电偶温度变送器的结构组成,量程单元,放大单元,冷端温度 补偿部分,直流交流直流 变换器,整流滤波,集成运算 放大器,隔离输出,功率 放大器,非线性 反馈部分,Et,24v DC,V0,-,15 V,I0,420 mA,+,mV,I0,+,-,+,-,+,-,i0,V02,Vz,Vf,V,隔离反馈,If,热电偶,t,二 电容式差压变送器,电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件,一、结构组成： 由测量部件、转换电路、放大电路三部分组成,二、工作原理： 当pi感压膜片SCiIi与Iz、If综合比较II0,框图,感压 膜片,电容-电流 转换器,Pi,Ci2-Ci1,c,Ii,放大和输出 限制电路,反馈电路,-,If,调零、迁移 电路,I,I0,(I2-I1),0100 kPa,420 mA,差动 电容,S,测量部件,转换电路,放大电路,4.3 显示、记录仪表,显示、记录仪表是将被测参数的量值，或控制、操作的结果以可视信息方式表现出来的装置 4.3.1 显示、记录仪表的分类: 1. 按显示信息类型分类: 模拟显示表： 以指针偏转或移动等模拟方式连续显示被测量的变化. 显示直观，易见其变化趋向. 但精确度低、机械惯性大、抗震差 数字显示表： 以离散变化的数字来显示被测量值的连续变化。读出方便、准确度高、无机械惯性、抗震动 ，但在获知被测量值的变化趋向方面逊色. 微机化图形式仪表： 其显示部分完全依靠计算机的屏显，因此显示方式可在屏上以图形方式任意给出模拟或数字形式的数字、图形甚至动态曲线和图象 2.按记录方式分类: 有纸式记录仪表: 长图、圆图 无纸式记录仪表: 磁介质及各种形式的半导体存储器等,4.3.2 数字显示仪表,数字显示仪表以数字形式直接显示模拟（或数字）输入量, 若在其内部加装控制电路, 就构成了数字显示/控制仪表. 数字显示仪表已经基本替代传统的动圈指针式模拟显示仪表而被广泛应用. 目前国内外对数字显示仪表已逐步形成了标准化系列产品, 在输入信号类型、面板结构尺寸等各方面都有相应的规范与标准 例如应用非常广泛的国产XMZ、XMT系列仪表: 输入信号: 提供了配接各种标准热电偶、热电阻等传感器与压力变送器等标准信号的专用仪表. 面板尺寸: 80160mm(国内通用) 、9696mm(DIN制标准) 、4896mm、4848mm,1. XMZ、XMT系列仪表的分类与命名:,标准信号输出 Z: 显示仪表 输入信号类别: T: 调节仪表 1:热电偶 D:多点巡回 2:热电阻 35:其他信号 80160mm A: 9696mm 功能代码: E: 4896mm 0:单显示(Z)/二位调节(T) . 29: T表的调节模式 输入信号路数 例: XMZ -101, XMZA -102, XMT-101,X,M,B,2. XMZ、XMT系列仪表的内部组成,热电势 A/D转换与显示 热电阻 标准电压信号 信号变换 信号放大 非线性校正 U/I转换(标准信号) 标准电流信号 . 调节信号生成 还有: 超限报警电路 零点与满量程调整电路 冷端温度补偿电路(配接热电偶) 。 辅助功能电路,3. XMZ、XMT系列仪表的主要技术指标:,1) 显示方式: 三位半: -1999+1999 (大多数) 四位半: -19999+19999 2)准确度等级: 0.5, 0.2 数显表的误差: 增加了量化误差与舍入误差等环节 3)采样速度: 3次/s (典型) 4) 输入信号: 热电偶种类: 针对E,K,S,B等常用热电偶均有对应产品 热电阻种类: 针对Pt10、 Pt100、 Cu50等常用热电阻均有对应产品 霍尔变送器: 020mV 标准电压信号: 05V (DC) 标准电流信号: 010mA, 420mA 5) 输入特性: 输入阻抗: 10(电流输入型), 100K(电压输入型) 热电偶: 导线电阻100 热电阻: 导线电阻5 , 三线制,4.3.3 平衡式模拟显示仪表,平衡式模拟显示仪表采用补偿法(又称”零值法”) 原理工作,由于其特有的”输入阻抗无限大”等特点,目前仍然广泛应用. 常用的平衡式模拟显示仪表有两大类: 手动电位差计 电位差计 自动电位差计 自动平衡电桥 1.手动电位差计工作原理: 采用直流电压平衡原理,将被测(待显示)电势与手动可调的已知电势比较,当二者差值为零时,显示该已知数值即可.(类似于天平称重) 如图,当电流I恒定时,电位器RH的动触头从左向右移动, U0线性增加. 设触头移动至P点时，电流I在RH上产生的电压恰好等于被测量Es，检流计G中将无电流流过。此时可直接通过触头的位移刻度(或转角刻度)精确显示Es. 显然,上述过程的前提是保证I与RH参数和刻度划分三者之间的精确匹配. 关键是工作电流I的校准.,2.手动电位差计应用特性:,准确度非常高: 0.0050.1级, 常作为标准器与标准电势发生器 结构简单,制造精度容易满足 输入阻抗理论上无穷大,因此抗干扰能力强 但: 无法进行连续动态测量 3. 分类与型号: 国内手动电位差计的通用标识为“UJ“，分为高阻、低阻两类 由其原理可知, 检流计的灵敏度直接影响手动电位差计的准确度与分辨率. 对于高内阻的被测对象(如标准电池等): 由于在测量过程中手动电位差计测量回路中流过的电流很小,因此必须使用高灵敏度检流计 有:高阻电位差计(测量回路电阻1K/V),如UJ 9、 UJ 308等 对于低内阻的被测对象: 可以使用低灵敏度检流计, 但必须提高电源回路的输出能力. 有:低阻电位差计(测量回路电阻 1K/V),如UJ 31、 UJ 36等,手动电位差计工作电流校准,如图, 在电源回路与测量回路的基础上添加由精密电阻RN与标准电池(如甘汞电池)EN构成的电流标准化回路. 在测量之前,将单刀双掷开关K掷向”1”位置,接通电流标准化回路中的标准电池, 用已知电势与工作电流I在精密电阻RN上的压降比对,调整电源回路中的可变电阻R使得检流计G指零,即可完成工作电流的校准. 将K掷向”2”位置,接通测量回路开始检测. 需要注意: 由于电阻温度系数影响,手 动电位差计在使用前必须进行 15分钟以上时间的预热,以使 其接近热平衡. 同时,当环境温度发生变化 时,应及时重新校准工作电流 一般地，为了最大程度提高 其准确度，多使用精密电阻箱 来充当图中的R与RH,E,RH,R,I,RN,G,K,EN,1,2,3. 自动电位差计介绍:,自动电位差计的工作原理如图所示，它用放大器替代手动电位差计的检流计G，将Upo和Es的差别送入放大器，经放大后驱动可逆电机M，推动动触头P移动，当移至Upo = Es时，电机停转。与动触头联动的是显示仪表的指针，直接显示出Es大小。若指针加装了记录笔与一套走纸机构，就能在定速移动的记录纸上画出Es的变化曲线。 自动电位差计克服了手动电位差计无法连续动态检测的缺陷。 但： 自动电位差计与自动平衡电桥都是 模入-模出的模拟式仪表，结构复杂制 造成本较高。同时，为了保证准确度 与提高抗干扰能力使用了大量附加电 路与补偿手段，无疑将降低其可靠性 指标，目前已经逐步被微机化图象式 仪表与智能仪表替代,4.4 控制仪表,控制仪表的原理和作用,是把来自检测仪表的信号与设定值（或称给定值）作比较或综合，再按预定的规律处理此结果，得出调控信号（是一个标准信号如15V或420mA），由此去操纵执行器而实现调控。,控制仪表的分类,1）依据所应用的控制理论分： 应用经典控制理论的PID调节器使用十分广泛，它对偏差信号的处理办法是：比例P（比例放大）、微分I（求取偏差的变化速率）和积分D（对偏差在一定时间内累积），及其P、I、D的各种组合。 应用现代控制理论设计的各种控制器适用于不同控制对象、控制环境和控制参数，有很多种如：自应控制器、自校正控制器、自学习控制器等等。 2） 依据处理数据的方式分： 模拟式控制仪表所处理的数据是连续变化的模拟量，实现手段是依靠晶体管、集成运算放大器等电子元件构成的电子电路。 数字式控制仪表所处理的数据是断续变化的数字量，它是以微机为核心，功能强大且灵活，性能优越、操作直观方便，容易得到较高的控制质量。,数字式控制仪表,可编程调节器 可编程控制器（PLC）,可编程调节器,通常是以专用单片机为核心的设备，配合相应的传感器使用可用于温度、压力、流量等的测控。 输入部分：键盘、接线柱。用于参数调整、输入用户程序、输入用户命令，输入信号（模拟量、开关量） 输出部分：LED、LCD显示，接线柱。用于显示数据参数、仪表状态、输出信号（模拟量、开关量）,可编程控制器PLC,可编程序控制器简称PLC，是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早期的可编程序控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此简称为可编程序逻辑控制器(ProgrammabLe logic Controller)，简称PLC。随着技术的进步，微处理器(Microprocesser Unit即MPU)获得广泛应用，一些PLC生产厂家开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元，大大加强了PLC的功能，它不仅只有逻辑控制功能，而且具有算术运算功能和对模拟量的控制功能。,PLC的基本特点,灵活通用 安全可靠 ， 环境适应性好 使用方便、维护简单 速度较慢、价格较高,可编程控制器的应用,开关量的逻辑控制 模拟量控制 运动控制 过程控制 数据处理 通信及联网,4.5智能仪表,目前带有微机的仪表（或测试装置）不仅能测量，且能存储和处理数据，又可接受内部和外部指令，因此其特性可以具有上述智能的特征，故通常称此类仪表为智能仪表。,4.5智能仪表,测量 数