楼宇自控系统培训

1,楼宇自控系统,2,CityPalaceBuilding1984,ConnecticutState,Hartford,USA联合技术建筑系统公司UnitedTechnologyBuildingSystemCorp楼内新增计算机、程控交换机、高速通信线路等基础设施暖通、给排水、消防、保安、供配电、照明、交通等系统均由计算机控制设备管理自动化，使用户感到更加舒适、方便、安全和高效,世界上第一幢智能建筑,3,建筑智能化系统,建筑智能化系统的核心3A+SCS+BMSBA大楼自动化系统BuildingAutomationSystemOA办公自动化系统OfficeAutomationSystemCA通信自动化系统CommunicationAutomationSystemSCS综合布线系统StructureCablingSystemBMS建筑物管理系统BuildingManagementSystem,5,智能建筑定义,GB50314-2006智能建筑设计标准以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。,6,设计标准要求,建筑设备管理系统BMSbuildingmanagementsystem对建筑设备监控系统和公共安全系统等实施综合管理的系统3.5条款建筑设备管理系统一般规定不同建筑类型特殊要求,7,验收标准要求,GB50339智能建筑工程质量验收规范建筑设备自动化系统BASbuildingautomationsystem将建筑物或建筑群内的空调与通风、变配电、照明、给排水、热源与热交换、冷冻和冷却及电梯和自动扶梯等系统，以集中监视、控制和管理为目的构成的综合系统。要求：标准第六章,8,其他相关规范要求,上海市工程建设规范智能建筑施工及验收规范（DG/TJ08-601-2009）涉及BA系统施工及验收上海市工程建设规范智能建筑工程应用技术规程（DG/TJ08-2050-2008）涉及深化设计、调试、检测试、运行,9,绿色建筑定义,绿色建筑评价标准GB/T50378-2006在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人员提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。节地、节水、节材、室内环境、运营管理建筑智能化系统定位合理，信息网络功能完善。（5.6.8办公建筑，一般项）建筑通风、空调、照明等设备自动化监控系统技术合理，系统运行高效。（5.6.9办公建筑，一般项）,10,楼宇自动化系统BAS,BAS通常包括设备控制与管理自动化（BA）、安全自动化（SA）、消防自动化（FA）。但也有时把安全自动化（SA）和消防自动化（FA）和设备控制与管理自动化（BA）并列，形成所谓的“5A”系统。,11,供配电,温控器,空调/冷冻机,EBIServer,通信接口,楼宇自控系统BA,12,课程主要内容,楼宇自控系统概述集散控制系统简介楼宇自控中的集散控制系统传感器与执行器基础主要监控对象及监控原理工程设计与案例分析,13,1.楼宇自控系统概述,楼宇自控系统（BuildingAutomationSystem，BAS）又称为建筑设备自动化系统，它是在综合运用自动控制、计算机、通信、传感器等技术的基础上，实现建筑物设备的有效控制与管理，保证建筑设施的节能、高效、可靠、安全运行，满足广大使用者的需求。,14,楼宇设备的计算机自动控制是必然趋势,建筑物体量大增，功能的多样性和集成化趋势使得建筑物内部建筑设备的建设和管理日趋复杂。设备数量庞大，分布区域广，控制工艺不一，联动关系复杂，这为建筑设备的运行操作与管理维护带来了极大的困难。节能控制的复杂计算、精密空调系统的准确控制以及供配电系统的高实时性控制也都超出人工操作的能力范围。因此，楼宇设备的计算机自动控制是现代建筑物设备控制的必然趋势。,15,BA系统发展历史,自动控制技术应用的一个分支，随着自动控制技术的不断进步与完善而日趋成熟。20世纪80年代，美国Honeywell公司首次将其DELTA-1000型集散控制系统应用于建筑物设备的控制与管理，建筑物设备开始从单机独立控制走向多组设备联动群控，同时控制功能向现场分散，管理功能由计算机工作站集中实现。目前，BA系统集综合优化控制、在线故障诊断、全局信息管理和总体运行协调等高层次应用为一体的集散控制方式，已将信息、控制、管理、决策有机地融合在一起。,16,广义BA系统与狭义BA系统,广义BA系统智能建筑“3A”中的BA系统，涵盖了建筑物中所有机电设备和设施的监控内容。狭义BA系统仅包括由各设备厂商或系统承包商利用DDC控制器或PLC控制器对其进行监控和管理的电力供应与管理、照明控制管理和环境控制与管理以及电梯运行监控等系统。若无特别注明，BA系统通常表示为狭义BA系统，也称楼宇自控系统，建筑设备管理系统，设备监控系统等。,17,BA系统控制对象与系统功能（广义）,18,BA系统（狭义）,通信接口,19,BA系统的功能,设备运行监控：是楼宇自控系统的首要和基本功能。节能控制与管理：节能降耗是全球环境保护和可持续发展的首要手段。BA系统通过冷热源群控、最优起停、焓值控制、变频控制等手段可以有效节约建筑设备运行能耗。设备信息管理：随着数据分析等信息技术的发展，BA系统开始由单纯的自动控制功能，向自动控制、信息管理一体化发展。数据有效存储、分析，为今后建筑设备改造及在线故障诊断提供依据。,20,2.集散控制系统,DCSDistributedControlSystem是以多台微处理器为基础的集中分散型控制系统。集散系统在传统的过程控制系统中引入计算机技术，利用软件组成各种功能模块，代替过去常规仪表功能，实现生产过程参数的控制，并用屏幕显示，应用通信联网技术组成系统。DCS特点是现场由控制站进行分散控制，实时数据通过电缆传输送达控制室的操作站，实现集中监控管理，分散控制，将控制功能、负荷和危险分散化。,21,集中控制系统的不足,可靠性：整个系统的控制、管理依赖于中央控制站，一旦中央控制站崩溃，整个系统将陷入瘫痪。运算负荷：全部控制运算功能由中央站控制主机完成，对控制主机中断优先级、分时多任务操作等控制都提出了极高的要求，同时控制主机的运算处理能力限制了整个控制系统的规模和实时响应能力。网络负荷：所有现场采集的数据都要通过网络系统传送给控制主机进行处理，然后由控制主机发出命令指挥现场执行机构的动作，信息传输线路长、网络传输数据量大，当系统监控点数较多时实时响应能力差。,22,集散控制系统的优点,通过分散控制功能，使得整个系统运算负荷、网络数据通信和故障影响范围均得到分散，同时控制功能直接在现场得以实现，也增强了系统的实时响应性。集散控制系统的主要特性是集中管理和分散控制，它是利用计算机、网络技术对整个系统进行集中监视、操作、管理和分散控制的技术。,23,DCS逻辑结构图,分支型结构，垂直分成3层，每层横向分成若干子集。从功能分散上看，纵向分散意味着不同层次的设备具有不同的功能，如实时监视、实时控制、过程管理等；横向分散意味着同级设备之间具有类似的功能。,24,集散控制系统的发展,第一代DCS，从1975年到80年代初为DCS的发展期。实现DCS信息集中、控制分散。硬件大多采用16位微处理器，主从通信。第二代DCS80年代至90年代初为第二代DCS时期。硬件采用32位微处理器，普遍应用局部网络技术，软件进步。第三代DCS开始采用现场总线技术，它是一种开放式实时网络系统，是控制界的热点，也是自动化领域的一项新技术。,第三代集散控制系统的主要改变是在网络方面，向上能与以太网连接（或者通过网关与其他网络联系），构成综合管理系统；向下支持现场总线，使得过程控制或现场的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信，实现分布式控制。,25,楼宇集散控制系统图,现场总线A,控制总线,可编程接口模块,室内温度传感器,室内温度传感器,室内温度传感器,吊顶空调控制器,LonMark,区域控制器A,区域控制器B,现场总线B,LonTalk,标准通讯系统接口,非标准通讯系统接口,VAV控制器,FCU控制器,现场控制器,现场控制器,现场控制器,带触摸屏控制器,NT工作站A,NT工作站B,ETHERNET,100Mbps,78.8Kbps,78.8Kbps,LL网桥,LL网桥,LonTalk,78.8Kbps,数据服务器A,数据服务器B,吊顶空调控制器,就地控制,中央管理,26,3.楼宇自控中的集散控制系统,集散控制系统是工业生产过程控制需求的产物，首先在工控领域得到成功应用，然后逐渐应用于楼宇控制。为适应楼宇控制的特点，集散控制系统的许多备份、冗余措施在楼宇控制中都取消了，系统结构及控制器、工作站的功能也有不同程度的简化和削弱，但整体系统的组成和构架相同的。因此有人称楼宇控制系统为“一种低成本的集散控制系统”。,27,楼宇自控系统的典型网络结构,楼宇自控系统采用集散控制系统的网络结构，工程建设中具体采用哪种网络结构应视系统规模的大小以及所采用的产品而定。楼宇自控系统的网络结构通常采用总线方式，系统结构可以通过总线层次加以区别。,28,工作站通过相应接口直接与现场控制设备相连,实际上是一种单层网络结构，现场设备通过现场控制网络相互连接，工作站通过通信适配器直接接入现场控制网络。适用于监控点数较少、且分布比较集中的小型楼宇自控系统。,29,典型的两层网络构架的楼宇自控系统,采用典型的集散控制系统两层网络构架，适用于绝大多数楼宇控制系统。上层网络与现场控制总线两层网络满足不同的设备通信需求，两层网络之间通过通信控制器连接。这种网络结构是许多现场总线产品厂商主推的网络构架。,30,通信控制器作用,功能简单的只是起到协议转换的作用，在采用这种产品的网络中不同现场控制总线之间设备的通信仍要通过工作站进行中转；功能复杂的可以实现路由选择、数据存储、程序处理等功能，甚至可以直接控制输入输出模块起到DDC的作用，而成为一个区域控制器，如美国JohnsonControls的网络控制单元（NCU）。有些公司（如TAC）甚至将Web服务器功能集成到区域控制器，这样用户甚至不用选配工作站，通过任意一台安装有标准网络浏览器（如IE）的PC即可实现所有监控任务。,31,三层网络结构的楼宇自控系统,网络结构在以太网等上层网路与现场控制总线之间又增加了一层中间层控制网络，这层网络在通信速率、抗干扰能力等方面的性能都介于以太网等上层网路与底层现场控制总线之间。通过这层网络实现大型通用功能现场控制设备之间的互连。监控点分散，联动功能复杂场合。,32,现场控制器（DDC）输入输出点数,产品设计及工程选型时考虑的主要问题。目前市场上流行的DDC点数从十几点到几百点不同。在工程中，有些场合监控点比较集中，如冷冻机房的监控，适合采用一些大点数的DDC；有些场合监控点相对分散，如VAV末端的监控，适合采用一些小点数的DDC。厂商在设计DDC时，从经济性的角度考虑，所选用的处理器、存储器也会根据此DDC点数的多少有所不同，一般点数较少的DDC功能也相对较弱，点数较多的DDC功能和处理能力也较强。,监控点相对分散、联动功能复杂系统解决方案,在一些诸如VAV末端的控制中，虽然末端设备的基本控制要求较低，但作为整个系统的联动控制，如风管静压控制，单个末端状态的变化都会引起其他各监控状态的变化，这些联动控制相当复杂。在这类末端分布范围较广，而联动控制复杂的系统监控中，无论单独采用小点数DDC还是大点数DDC都存在许多问题，三层网络结构的楼宇自控系统就可以体现出其优势。,34,以太网为基础的两层网络构架,以太网在BA系统开始应用于现场控制领域。各大厂商先后推出以太网控制器，这种网络结构利用高速以太网分流现场控制总线的数据通信量，具有结构简单、通信速率快、布线工作量小（上层可直接利用综合布线系统）等特点，是目前楼宇自控系统网络结构的主流发展方向。,35,楼宇自控系统的现场控制站,名称：ProcessInterfaceUnit（过程接口单元）、基本控制器（BasicController）、多功能控制器（MultifunctionController）、DDC功能：现场控制站作为系统的控制级，主要完成各种现场楼宇机电设备运行过程信号的采集、处理及控制，作为控制和操作同时进行。统称：现场控制节点,36,现场控制器组成,智能传感器（控制器）,37,现场控制器结构,中央处理单元输入输出通道AI、AO、DI、DO安装时还要考虑：机柜、电源、安装导轨、线槽、导线、连接器、辅助继电设备等。,38,现场控制器安装,机柜：防尘、防电磁干扰、安装电源及辅助输入输出设备，现场控制器和电源等设备要安装在相应的机柜内。楼宇自控系统对电源的要求不如工业控制环境那么严格，一般要求现场控制站的电源由中央控制室或操作员站单独拉出，这样现场控制站的电源质量基本与中控站或操作员站设备的电源质量相同，且具有UPS保护。现场控制器主要是DDC和PLC等设备，集成了CPU模块、I/O处理模块、存储模块、通信模块等功能模块。不同现场控制器的CPU处理能力、I/O点数及存储器大小各不相同，按实际控制要求选择。,39,模拟量输入通道AI,输入控制过程中各种连续物理量如温度、压力、应力、流量以及电流、电压等毫伏级电压信号如热电偶、热电阻及应变式传感器的输出各种温度、压力、位移或各种电量变送器的输出一般采用420mA标准，信号传送距离短、损耗小的场合也有采用05V或010V电压信号传输。许多厂商提供的现场控制设备支持将模拟量输入接口与数字量接口通用称为通用输入接口（UI）。,40,DDZ-型变送器两线制结构示意图,如图：符合组合电动仪表固有特性，采用直流集中供电方式，可将差压变送器、24V直流电源、250电阻串联起来，压差的大小确定所通过的电流大小，并将电阻两端形成的电压，传给下一级仪表，作为下一级仪表的输入。,变送器工作电流4mA,41,模拟量输出通道AO,输出420mA电流信号，010mA与15V电压电动执行机构的行程，调速装置（变频调速器）、阀门的开度等模拟量。输出通道一般由D/A模板、输出端子板与柜内电缆等构成。输出接口的输出信号一般都可以在电流型和电压型之间转换。可以直接通过软件设置实现，或通过外电路实现，如在420mA标准直流电流信号输出端接入一个500电阻，电阻的两端就是DC210V电压信号。,42,开关量输入通道DI,用来输入各种限位（限值）开关、继电器或阀门连动触点的开、关状态，输入信号可以是交流电压信号、直流电压信号或干接点。由于干接点信号性能稳定，不易受干扰，输入输出方便，目前应用最广。数字量输入接口接收现场各种状态信号，经电平转换、光电转换及去噪等处理后转换为相应的0或1输入存储单元。数字量输入接口也可以输入脉冲信号，并利用内部计数器进行计数。,43,开关量输出通道DO,用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。数字量输出接口一般以干接点形式进行输出，要求输出的0或1对应于干接点的通或断。,右图为利用数字量输出接口控制一盏24V直流指示灯的电气原理图。特别注明：在工程中当控制对象所需要的电源为220V以上或需要通过较大电流时，现场控制器的数字量输出接口一般不能直接接入相应回路，需要借助中间继电器、接触器等设备进行控制。,44,辅助输入输出设备,现场控制设备的模拟量/数字量输入、输出接口一般都可以直接输入或输出信号与现场传感器、变送器、执行机构进行通信，输入各种现场状态、参数，输出控制现场设备。当使用数字量输出端口控制现场36V以上电压或大电流回路时，需要借助各种继电器、接触器等辅助设备，以保证现场控制设备的端子不窜入高电压或通过大电流。,通过中间继电器实现数字量输出接口,45,楼宇自控系统管理与控制站,包括一台中央监控站管理服务器和若干个操作员站（分管不同设备子系统的，分散在各监控机房的），工程师站为节约成本一般不单独固定设置。,46,中央监控站功能,中央监控站提供集中监视、远程操作、系统生成、报表处理及诊断等功能。它集中了中央管理服务器、操作员站和工程师站的全部功能。,楼宇自控系统的中央监控站一般包括一台中央管理服务器和若干个操作员站（这些操作员站从功能上可以是分管不同设备子系统的，也可以是相互冗余的；从地域上，可以是集中设置的，也可以是分散在各监控机房的），工程师站为节约成本一般不单独固定设置，而由操作员站实现其功能或利用工程师的计算机临时接入楼宇自控网络进行系统组建和维护。,47,操作员站,作为“人机”接口的操作站可以设置在总控制仪表室（设备机房）。典型的操作员站包括大屏幕监视器、监控计算机以及各种输入输出设备等。它作为操作人员与楼宇自控系统之间的接口，提供了集中显示、打印保存及系统维护、组态等功能。,48,工程师站,工程师站地位功能类似于操作员站，但具有更多编程、调试功能，通常以笔记本电脑、手抄机形式出现。一般不单独配置,49,典型楼宇自控系统举例,霍尼韦尔（Honeywell）公司西门子（SIEMENS）楼宇科技公司江森自控（JohnsonControls）公司施耐德（Schneiderelectrictac）电气TAC公司,50,霍尼韦尔（Honeywell）公司,建筑智能系统部产品包括楼宇自控（BA）系统、火灾报警消防控制（FA）系统和安保（SA）系统。EBI系统是一套基于客户机/服务器结构的控制网络软件，用于完成网络组建、网络数据传送、网络管理和系统集成。EBI平台除了服务器软件、客户机软件、开放系统接口软件以外，还有6个并列的应用软件系统，涉及建筑设备监控、火灾报警、安全防范、视频监控、能源管理等方方面面的系统监控管理，这些系统能够通过以太网实现数据交换、联动控制和信息集成。楼宇自控产品主要有XL8000系列BACnet控制器，XL5000系列控制器及各类末端设备，包括风阀执行器、电动阀门、电动阀门执行器、电动蝶阀、各类传感器等。,51,Honeywell的ComfortPoint系统,100M,10100M,9.678.6K,52,西门子（SIEMENS）楼宇科技公司,Apogee控制管理系统是用于楼宇设备的集散控制系统，每个DDC控制器均有CPU处理器进行数据处理，独立工作，不受中央或其他控制器故障的影响，从而提高了整个集控管理系统的可靠性。安装Windows2000/XP计算机工作站为监控平台，可连接楼宇级网络（BLN），每条楼宇级网络可连接DDC控制器，而每个DDC又可通过楼层级网络（FLN）连接扩展点模块或终端设备控制器。实现建筑物内的暖通空调、变配电、给排水、冷暖源、照明、电梯扶梯及其他各类系统机电设备管理自动化、智能化、安全化、节能化，同时为大楼内的工作人员和其他租户提供最为舒适、便利和高效率的环境。,53,SIEMENSApogee系统结构,管理级网络100M,楼宇级网络115kbit/s,楼层级网络38.4kbit/s,54,SIEMENSApogee（2层网络）,55,江森自控（JohnsonControls）公司,1985年在美国成立，其楼宇自控系统Metasys采用开放式结构，可以根据用户需求集成不同厂商的软、硬件产品，满足整个楼宇自控系统的优化需求。Metasys系统采用分布式结构、模块化设计，具有高效、可靠、运行稳定等特点。Metasys集成支持目前楼宇自动化及信息产业中绝大多数的标准，因此其在系统集成、数据交换、数据库整合等方面也具备了相当的灵活性与互操作性。Metasys系统的模块化结构由一个或多个现场控制器、网络控制器和操作站组成，系统可以不断满足受控设备扩展的需要，无论是现场控制器或是网络控制器都可以根据项目的需求不断扩展。,56,JohnsonControlsMetasysADS系统结构图,网络控制引擎,现场总线,57,Metasys系统组成,操作员站：主要由带鼠标及彩色显示器的计算机和打印机组成，运行图形ADS系统软件和实时监控操作软件，是管理整个系统及实施操作的主要人机界面。网络控制引擎NAE：和操作站共同构成系统的管理层，其功能主要是实现网络匹配和信息传递，具有总线控制，I/O控制功能，操作站以高速通信方式与下一级智能网络控制单元进行信息交换。现场控制器（DDC）：主要功能是接收安装于各种机电设备内的传感器、检测器的信息，按DDC内部预先设置的参数和执行程序自动实施对相应机电设备的监控。智能网络控制单元与DDC之间可以通过N2总线RS-485方式或LON方式通信。,58,施耐德电气TAC公司,TAC（Schneiderelectrictac）是一家专注于楼宇自控、安全防范产品以及能源解决方案的瑞典公司，具有超过80年行业历史。2003年，TAC加入法国施耐德电气集团，并先后收购了安德沃自控（AndoverControl）、英维思楼宇系统（InvensysBuildingSystem）、派尔高（Pelco）等多家楼宇自控及安全防范产品公司。目前业务已涵盖了完整的楼宇自控、门禁控制、视频监控、入侵防范及末端产品线。TACVista是施耐德电气TAC旗下的LonWorks楼宇自控解决方案。此系统最大的特点在于其BuildingIT设计理念。所谓BuildingIT就是将IT的技术、理念充分应用于楼宇自控，从而实现开放、友好、集成与安全。,59,施耐德电气TACVista系统结构,60,4.传感器与执行器基础,检测仪表控制系统温度检测压力检测流量监测物位检测执行器,61,检测仪表控制系统组成,检测单元直接测量：温度、压力、流量、液位、成份；间接测量变送单元测量信号转换与传输15VDC、420mADC模拟信号和数字信号显示单元数字、曲线、图像调节单元实现PID（比例、积分、微分）调节执行单元气动、液动、电动,62,温度测量,温度：国际单位制（SI）7个基本物理量之一，重要参数。mKgsAmolcd测温原理通过温度敏感元件与被测对象热交换，测量相关物理量，确定被测对象的温度。测温方式接触式：传热和对流，有热接触，精度高，破坏被测对象热平衡，存在置入误差，对测温元件要求高。非接触式：接受热辐射，响应快，对被测对象干扰小，可测高温、运动对象，适应强电磁干扰、强腐蚀。,63,热电阻式传感器,金属热电阻半导体热敏电阻热电阻式传感器的应用,基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。优点：信号可以远传、灵敏度高、无参比温度。金属热电阻稳定性好、准确度高，可作为基准仪表。缺点：电源激励、自热现象，影响精度。,64,金属热电阻,作为热电阻的材料要求：电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒,使用最广泛的热电阻材料是铂和铜,65,常用热电阻,铂热电阻主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。铜热电阻测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。,66,铂热电阻目前最好材料,长时间稳定的复现性可达10-4K，是目前测温复现性最好的一种温度计。,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W（100）越高，表示铂丝纯度越高，国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925目前技术水平已达到W（100）1.3930，相当于99.9995%工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,67,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下:,当温度t在0t650时：,国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391，R0分为10、100、1000，分度号分别为Pt10、Pt100，Pt1000并给出其分度表（给出阻值和温度的关系）,当温度t在200t0时：,68,铜热电阻,应用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：50150优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺点：易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。,69,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50和100两种，分度号分别为Cu50和Cu100，相应的分度表可查阅相关资料。,A、B、C为常数，常取A(4.254.28)10-3/.,铜热电阻,70,热电阻的结构,普通工业用热电阻式温度传感器,71,热电阻的结构,电阻丝采用无感绕法（两线圈电流流向相反，电感互相抵消）绕在绝缘支架上，图b所示。,1电阻体；2瓷绝缘套管；3不锈钢套管；4安装固定件；5引线口；6接线盒；7芯柱；8电阻丝；9保护膜；10引线端,72,小型铂热电阻,73,半导体热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结优点：热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。,74,热敏电阻特点与类型,正温度系数(PTC)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR),热敏电阻典型特性,只有NTC用于测温,75,PTC热敏电阻正温度系数用途：各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻临界温度系数在某个温度上电阻值急剧变化,具有开关特性。用途：温度开关NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路,热敏电阻分类,76,热敏电阻的结构,构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式体积达到小型化与超小型化。,77,B和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的电阻温度系数高很多，所以它的灵敏度很高。,热敏电阻的电阻温度系数,热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量,78,热敏电阻的线性化,NTC的几种组合电路及其热电特性,热敏电阻的电阻-温度特性呈指数关系，有较大非线性，一般处理方法是与温度系数小的电阻进行串并联，使其等效电阻在一定温度范围内是线性的。,79,金属热电阻传感器,工业广泛使用，200+500范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000。温度测量的特点：精度高、适于测低温。传感器的测量电路：经常使用电桥，精度较高的是自动电桥。为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。,80,两线制,这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。,2r/R10-3时，误差才可忽略,不平衡电桥，输出电压正比于Rt（温度）,81,三线制,热电阻测温电桥的三线制接法,工业用热电阻一般采用三线制，消除引线电阻影响，提高测量精度,G检流计，R1，R2，R3固定电阻，Ra零位调节电阻，Rt热电阻,82,四线制接法,热电阻测温电桥的四线制接法,精密测量中，采用四线制接法，有效消除线路寄生电势。,调零电位器,83,测温实例,管道内流体温度的测量接触式测温测点位置：代表性地点，避免温度死角，避免电磁干扰插入深度：保证一定插入深度，流速足够大避免高温管道测点的热损失误差,几种常见测温元件安装方式,84,压力检测,定义：垂直均匀地作用在单位面积上的力，用p表示。即物理学中定义的压强。1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上所形成的压力为1“帕斯卡”，简称“帕”，符号为Pa。Pa帕斯卡为压力法定单位，还用有千帕（kPa）、兆帕（MPa）其他压力单位有工程大气压、标准大气压、毫米水银柱、毫米水柱等，需进行换算。,85,常用压力检测仪表,弹性压力计原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例。,弹性压力计的组成框图,受力变形,位移信号变换,显示,调整仪表零点和量程,86,弹性压力计,测压弹性元件工作原理：感受液体或气体的压力或压力差，输出位移1）弹性膜片：外缘固定，圆形片状，中心位移与压力的关系表示，弹性特性具有良好线性关系。2）波纹管：壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系3）弹簧管：圆弧状，不等轴截面金属管，自由端位移,87,弹簧管放大图,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动指针角位移。,88,结构简单，使用方便，价格低；测压范围宽，可测量负压、微压、低压、中压和高压，应用广泛；精确度可达0.1级。,弹簧管压力计,优点：,缺点：,只能就地指示，是现场直读式仪表。,弹性测压计信号的远传方式,弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实现远距离信号传送。电位器式：结构简单，线性化好，电位器易磨损，可靠性差。霍尔元件式：霍尔效应，通电导体在磁场中产生电动势，在不均匀磁场中运动，输出电势对应位移。结构简单，灵敏度高，寿命长，但易受外部磁场干扰。,不均匀磁场,90,霍尔元件输出的电势正比与磁感应强度，对应于自由端位移，由此得出被测压力值。,特点：,结构简单、灵敏度高，寿命长。对外部磁场敏感，耐振性差。,局部放大图见右图,霍尔元件工作原理,霍尔开关,霍尔传感器,91,压力传感器,检测压力值并提供远传信号的装置。常见形式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式。应变式压力传感器原理：基于“应变效应”，导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化金属材料的K值约为26，半导体材料K值60180应变元件可做成丝状、片状和体状,为材料的应变大小k为材料的电阻应变系数,92,应变式压力传感器应用,各种电子秤吊秤,高精度电子汽车衡,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,94,几种应变式测量的结构示意,各种应变元件与弹性元件配用，组成应变式压力传感器。多应变片起到测量均衡与补偿作用。,平行双孔梁传感器,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,96,压阻式压力传感器,固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化的现象被称为“压阻效应”。是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新型传感器。硅平膜片受压变形,97,压阻式压力传感器结构示意图,利用桥式测量电路，桥臂电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系,1硅平膜片；2低压腔；3高压腔；4硅杯；5引线,P1,P2,应力分径向应力r和切向应力t，与位置有关，适当安排扩散电阻位置，可以组成差动电桥。,98,电容式压力传感器,利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置。测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。电容式传感器应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量。,99,电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,100,工作原理及类型,S极板相对覆盖面积；d极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数,d、S和中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C的变化。通过电容量测量可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。,101,两室结构的电容式压力传感器原理,原理：弹性元件的位移转换为电容量的变化对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的关系为,1，4隔离膜片；2，3不锈钢基座；5玻璃绝缘层；6固定电极；7弹性膜片；8引线,P1,P2,硅油,硅油,差动平板电容器工作原理,初始状态：两侧压力相等，可动极板位于中间。则：,测压状态：设右侧压力大于左侧，中间可动极板向左移动d。则：,103,利用电容差压变送器测量液体的液位,差压变送器,施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：,p=gh,投入式水位计,104,集成式压力传感器,采用微机械加工、微电子集成工艺制成集成化传感器，形成各种智能仪表。可以同时检测差压、静压、温度三个参数。,集成传感器的敏感元件示意1温度元件；2静压元件；3差压元件；4硅杯；5固定台,105,测压仪表的使用,测压仪表的使用测压仪表的选择类型测量对象、原理、使用环境、功能测量范围一般在量程的1/32/3估算被测压力上下限后，按压力仪表的标准系列选定量程。测量精度注意经济性，满足需求，工业测量在0.5级以下。,106,压力检测系统,一套测量系统包括测量仪表、取压口、引压管路。取压点位置和取压口形式取压点的选取原则：取压点位置避免处于管路弯曲、分叉、死角或流动形成涡流的区域。取压口开孔的轴线应垂直设备的壁面，其内端面与设备内壁平齐，不应有毛刺或突出物。测量液体介质的压力时，取压口应在管道下部，以避免气体进入引压管；测量气体介质的压力时，取压口应在管道上部，以避免液体进入引压管。,107,取压口选择原则示意,1温度计；2挡板；3阀；4导流板；-不适于做取压口的地点；-可用于做取压口的地点,108,引压管路的敷设,引压管的内径、长度的选定与被测介质有关；引压管路水平敷设时，要保持一定的倾斜度，以避免液体（气体）的积存；当被测介质容易冷凝或冻结时，引压管路需有保温伴热措施；根据被测介质情况，在引压管路上要加装附件，如集液器、集气器等；在取压口与仪表之间要装切断阀，检修时使用。,109,引压管路的敷设情况,1管道；2测压仪表；3排液罐；4排气罐,气体压力测量,测气体，压力表在上方,测气体，压力表在下方,测液体，压力表在上方,测液体，压力表在下方,110,测量仪表的安装,压力计安装地点易于观测和检修，避免振动和高温。特殊介质测量词用必要的保护措施。引压管等连接处，根据介质材料密封。仪表位置与取压点不在同一高度时，要考虑液体介质液柱静压对仪表测量的影响。,111,流量检测,流量的概念和单位流量概念：短暂时间内流过某一流通截面的流体数量与通过时间之比，该时间足够短以至可认为在此期间的流动是稳定的。又称瞬时流量。流量可用体积流量和质量流量表示流量表达式体积流量：质量流量：,112,流量的概念和单位,体积流量与质量流量关系：流体平均流速累积流量体积总量质量总量,113,流量检测方法及流量计分类,流量检测方法及流量计分类检测方法：体积流量检测，质量流量检测流量计：由流量传感器和二次仪表构成流量计分类,114,体积流量检测方法,容积式流量计直接根据排出体积进行流量累计的仪表，利用运动元件的往复次数或转速与流体连续排出量成比例进行连续检测。容积式流量计的测量机构与流量公式构成：测量室、运动部件、传动和显示部件流量方程式：体积总量=固定容积某时间间隔内经过流量计排出流体的固定容积数,115,容积式流量计,几种容积式流量计1）椭圆齿轮流量计进出口液体压力差驱动齿轮，两个齿轮每转动一圈，流量计将排出4个半月形容积的流体。适用于高粘度液体测量。基本误差0.2%0.5%，范围度10:1.,116,容积式流量计,2）腰轮流量计：原理与椭圆齿轮流量计相同，只是一对测量转子是两个不带齿的腰形轮。腰轮驱动由啮合齿轮完成，稳定可靠。可用于测量液体和气体，也可测高粘度流体。,腰轮流量计工作原理,啮合齿轮,117,差压式流量计,在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值可以求得流体流量。差压流量计由产生差压的装置与差压计组成而成。产生差压的装置：孔板、喷嘴、文丘利管动压管、均速管、弯管其它型式差压流量计：靶式流量计、浮子流量计,118,节流式流量计,用于测量液体、气体、蒸汽的流量。节流装置：产生差压，主体是一个局部收缩阻力件，改变流体流通截面，从而在节流元件前后形成压力差节流装置分为标准和非标准节流装置。主要缺点是安装要求严格，流量计前后要求较长直管段；范围度窄（3:1）；小管径测量困难（D50mm)；精度低（1%2%）。,节流式流量计的组成和标准节流装置,节流式流量计的组成1节流元件；2引压管路；3三阀组；4差压计,孔板流量计,标准孔板,120,节流孔板,后取压管,前取压管,原理：流体通过节流孔板时，流速加快，后取压管处的压力减小，形成差压，对应流量。,节流装置（取压管及内部的节流孔板）,121,速度式流量计,原理：基于与流体流速有关的各种物理现象。涡轮流量计利用安装在管道中可以自由转动的叶轮感受流体的速度变化流量方程式f：信号脉冲频率；：仪表常数脉冲频率测量与计数，可分别显示瞬时流量和累计流量，线性化好。水平安装、介质清洁，测量精度高、反应快，但成本高，制造困难。,涡轮流量计结构示意1紧固环；2壳体；3前导流件；4止推片；5叶轮；6磁电转换器；7轴承；8后导流件；,122,涡轮流量计,叶轮式风流速、流量计,123,速度式流量计,涡街流量计原理：流体流过非流线型阻挡体时会产生稳定的漩涡列，漩涡的产生频率与流体流速有着确定的关系。构成：漩涡发生体，圆柱、三角柱、矩形柱、T型柱漩涡产生频率d：漩涡发生体的特征尺寸；St：斯特罗哈尔数流量方程式：K：仪表系数，通过实验测得,124,三角柱涡街检测器原理示意,原理：三角柱两侧旋窝交替产生，周期冷却热敏电阻，电阻变化电桥输出，整形得旋窝产生脉冲。测量几乎不受流体参数变化的影响，气体、液体、蒸汽，精度高0.5%1%，寿命长，范围度大300:1，广泛应用。不足：流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，漩涡发生体被玷污也会引起误差。,125,电磁流量计,原理：导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，右手定则，感应电势的大小与流体速度有关。感应电势流量方程式：无阻力件，压损小，范围宽，可测脉动和两相流（泥浆、纸浆），不能测气体、蒸汽及电导率低液体（石油）。广泛应用。,C为结构常数，B为磁感应强度，D为管道内经，v为流体平均流速，K为仪表常数,126,电磁流量计工作原理,基本原理：法拉第电磁感应定律：导体在磁场中切割磁力线运动时产生感应电动势。,127,电磁流量计工作原理,电磁流量计测量原理,电磁流量计结构1外壳；2激磁线圈；3衬里；4测量管；5电极；6铁芯,原理：非导磁材料制成导管，测量电极嵌在在管壁，通常附有绝缘衬里。导管外激励线圈产生磁场，液体流动产生电动势，输出电流I0与平均流速成正比。,128,热式质量流量计,原理：流体中热传递与热转移与流体质量的关系。利用外热源对被测流体加热，测量因流体流动造成的温度场变化，从而测得流体的质量流量。流量方程式：采用恒定功率法，测量温差T可以求出质量流量。若采用恒定温差法，求出输入功率P就可求出质量流量。,非接触式对称结构的热式流量计示意,1镍管；(导热性能好)2加热线圈；3测温线圈（电阻）；4调零电阻；5电表,原理：加热器、测温电阻安装在小口径金属管壁外，两个测温电阻接电桥输出。管内流体静止时，调节电桥平衡。当有流体流过时形成变化温度场，测温电阻变化，电桥不平衡电压输出，正比于温差T，由此测出质量。应用：热式流量计适用于微小流量测量。需测大流量时，要作分流。结构简单，压力损失小，非接触测量。缺点灵敏度低，需温度补偿。,恒定功率法,130,插入式热式（气体）质量流量计,原理：由两个基准级热电阻(铂RTD)组成。一个是质量速度传感器T1，一个是测量气体温度变化的温度传感器T2。当这两个RTD置于被测气体中时，其中传感器T1被加热到气体温度以上的一个恒定的温差，另一个传感器T2用于感应被测气体温度。随着气体质量流速的增加，气流带走更多热量,传感器T1的温度下降，要维持T1、T2恒定的温度差，T1的加热功率就要增大。结论：T1的加热功率与气体质量流量成正比。,131,物位检测,物位检测仪表按测量方式可以分为连续测量和定点测量两大类。连续测量方式能持续测量物位的变化。定点测量方式只能检测物位是否达到上限、下限或某个特定的位置，定点测量仪表一般称为物位开关。,132,压力、差压式液位计,测压力和差压的仪表，选择合适量程，均可检测液位。仪表特点是测量范围大，无可动部件，安装方便，工作可靠。对于敞口容器为大气压力，在容器底部或侧面液位零点处引出压力信号，仪表指示的表压力即反映相应的液柱静压。,133,压力、差压式液位计,由于仪表安装位置的关系，仪表量程会出现一个附加值，需对读数进行修正：修正原因：由于安装高度h所产生的静压使液位计的输出不与零液位相对应。,仪表零点正迁移,134,舌簧管式液位计结构原理图,环形磁铁使浮子中央舌簧管导通，测电阻知液位。,特点：结构简单、采用两个舌簧管可提高可靠性。但连续性差、量程不能太大,固定导管,浮子,俯视图,135,音叉料位计,音叉式料位开关是一种新型的液位限位开关。音叉由晶体激励产生振动，当音叉被液体浸没时振动频率发生变化，这个频率变化由电子线路检测出来并输出一个开关量。又被称作“电气浮子”，凡使用浮球限位开关和由于结构、湍流、搅动、气泡、振动等原因不能使用浮球液位开关的场合均可使用“音叉式液位限位开关”。适应性强，被测物料不同的电参数、密度对测量均不产生影响。结垢、搅动、湍流、气泡、振动、中等粘度、高温、高压等恶劣条件对检测也无影响，便于维护。,电容式物位计,原理：圆筒形电容器的电容值随物位而变化，其检查元件是两个同轴圆筒电极组成的电容器。当圆筒形电极的一部分被物料侵没时，两个电极之间的介电常数随物位的变化而变化。,一定条件下，C与H成正比，测量电容变化可知物位,原有介质,被测介质,物位开关,进行定点测量，用于检测物位是否达到预定高度（位置），并发出相应的开关量信号。针对不同的被测对象，物位开关有多种型式，可以测量液位、料位、固-液分界面、液-液分界面，以及判断物料的有无等。物位开关的特点是简单、可靠、使用方便，适用范围广。物位开关有浮球式、电导式、振动叉式、微波穿透式、核辐射式、运动阻尼式等形式。,138,开关式光纤液位探测器,利用全反射原理可以制成开关式光纤液位探测器。光纤液位探头由LED光源、光电二极管和多模光纤等组成。,工作原理：一般在光纤探头的顶端装有圆锥体反射器，当探头未接触液面时，光线在圆锥体内发生全反射而返回光电二极管；在探头接触液面后，将有部分光线透入液体内，而使返回光电二极管的光强变弱。因此，当返回光强发生突变时，表明测头已接触液面，从而给出液位信号.,139,执行单元,执行器接收来自调节器的控制信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移去操纵调节机构（调节阀）改变控制量，从而使被控变量符合预期要求。其原理简单，操作比较单一，但大多安装在现场，要保持其安全运行并不容易。,1