检测与仪表.doc

6.5 过程检测仪表简介一、概述给定值被控参数 被控介质图6.5.1 控制系统框图调节器变送器执行器控制对象过程检测仪表是过程控制仪表与装置的一部分。由控制仪表和控制对象组成的过程控制系统框图如图6.5.1所示，控制仪表包括变送器、调节器和执行器等。其中的变送器就是过程检测仪表，用于对被控参数的检测。下面的介绍，对于所有的控制仪表都是适用的。控制仪表可按能源形式、信号形式和结构形式分类。 按能源形式分类可分为气动、电动、液动等几类。工业上通常使用的是气动仪表和电动仪表。 按信号形式分类可分为模拟式和数字式两大类。模拟式仪表的传输信号为连续变化的模拟量。数字式仪表的传输信号为断续变化的数字量，同时也包括模拟量信号。 按结构形式分类可分为基地式仪表、单元组合式仪表等。基地式仪表是以指示、记录仪表为主体，附加控制机构而组成。它不仅能对某个参数进行指示或记录，还具有控制功能。基地式仪表通常结构比较简单，常用于单机自动化系统。单元组合式仪表使用灵活、通用性强，广泛用于各种生产过程的自动化系统。按照国家标准，我国生产的电动单元组合仪表用DDZ（“电”、“单”、“组”三字的第一个拼音字母）表示，气动单元组合仪表用QDZ（“气”、“单”、“组”三字的第一个拼音字母）表示。下面的介绍以电动单元组合仪表即DDZ型仪表为主。我国生产的DDZ型仪表经历了DDZ-型、DDZ-型、DDZ-型三个发展阶段，经过不断改进，其性能已日臻完善。以后又在此基础上推出了新型数字化的DDZ-S型系列仪表。这个系列仪表将模拟技术与数字技术相结合，并以数字技术为主，是一种比较先进的控制仪表。DDZ-S型系列仪表的信号制与DDZ-型仪表是兼容的。二、信号制信号制（或称信号标准）是指在成套仪表系列中，仪表之间采用何种统一的联络信号来进行信号传输的问题。采用统一的联络信号，不仅可以使同一系列的各类仪表组成系统，而且还可以通过各种转换器，将不同系列的仪表连接起来混合使用，从而扩大了仪表的使用范围。此外，由于各种参数被转换为统一信号，因此，各类仪表同工业控制机等先进技术工具配合使用，也比较方便。DDZ型仪表常用的联络信号有模拟信号、数字信号、频率信号等。主要介绍模拟信号制。模拟信号制主要采用直流形式，交流形式基本已被淘汰。直流形式的主要优点是：不受线路中的电容、电感及负载性质的影响，不存在相移问题等。从信号取值范围来看，下限值可以从零开始，也可以从某一确定的数值开始；上限值可以较低，也可以较高。取值范围的确定，应从仪表的性能和经济性作全面考虑。信号下限从零开始，便于模拟量的加、减、乘、除、开方等数学运算和使用通用刻度的指示、记录仪表。信号下限从某一确定值开始，即有一个活零点，将电气零点与机械零点（即线路的信号地等各种地线）分开，便于检验信号传输线有否断线以及仪表是否断电，并为现场变送器实现两线制提供了可能性。不同的仪表系列，所取信号的上、下限值是不同的。DDZ-型仪表采用010mA直流电流作为统一联络信号；DDZ-型仪表则采用420mA直流电流和15V直流电压作为统一联络信号。目前，国际电工委员会（IEC）已决定将电流信号420mA（DC）和电压信号15V（DC）确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。DDZ-S型系列仪表的信号制与DDZ-型仪表是兼容的。三、信号传输方式RiRcm/2Ir IiI0 R0 RiRcm/2发送仪表 Ri接收仪表图6.5.2 电流信号传输信号传输指的是电流信号和电压信号的传输。电流信号传输时，仪表是串联连接的；电压信号传输时，仪表是并联连接的。1电流信号传输如图6.5.2所示，一台发送仪表的输出电流同时传输给n台接收仪表，所有这些仪表应当串接在一起。DDZ-型仪表即属于这种传输方式。图中，R0为发送仪表的输出电阻，Rcm和Ri分别为连接导线的电阻和接收仪表的输入电阻。Rcm和所有的Ri组成了发送仪表的负载电阻。由于发送仪表的输出电阻R0不可能为无限大，因此，当负载电阻变化时，发送仪表的输出电流也将发生变化，从而引起传输误差。电流信号的传输误差可表示为（6.5.1）为保证传输误差在允许范围之内，应满足R0RcmnRi，因此有（6.5.2）由式（6.5.2）可见，为减小传输误差，要求发送仪表的输出电阻R0足够大，而接收仪表的输入电阻Ri和连接导线的电阻Rcm应尽量地小一些。实际上，发送仪表的输出电阻R0均很大，相当于一个恒流源。连接导线在一定长度内时，仍能保证信号的传输精度。因此，电流信号适于远距离传输。此外，对于要求电压输入的仪表，可在电流回路中串入一个电阻（通常都是精度较高的标准电阻），从电阻两端引出电压供给接收仪表。可见，电流信号传输的应用也比较灵活。电流信号传输也有不足之处。由于接收仪表是串联工作的，因此当一台仪表出故障时，将影响其它仪表的正常工作。而且，各台接收仪表通常均应浮空工作。若要使各台接收仪表都有自己的接地点，就需要在仪表的输入、输出之间采取直流隔离措施（主要有电磁隔离和光电隔离两大类，而光电隔离的线性度较差，目前很少使用），这就对仪表的设计和应用在技术上提出了更高的要求。2电压信号传输如图6.5.3所示，一台发送仪表的输出电压同时传输给n台接收仪表，所有这些仪表应当并接在一起。DDZ-型仪表即可采取这种传输方式。由于发送仪表的输出电阻R0不可能为0，同时接收仪表的输入电阻Ri不可能为无限大，因此，发送信号电压V0将在发送仪表的输出电阻R0和连接导线的电阻Rcm上产生一部分电压降Vr，从而造成传输误差。电压信号的传输误差可表示为（6.5.3）为保证传输误差在允许范围之内，应满足（Ri/n） R0Rcm，因此有（6.5.4）RiRcm/2R0IiV0 Rcm/2 Ri发送仪表Ri接收仪表图6.5.3 电压信号传输由式（6.5.4）可见，为减小传输误差，要求发送仪表的输出电阻R0和连接导线的电阻Rcm尽量地小，而接收仪表的输入电阻Ri应尽量地大一些。由于接收仪表是并联工作的，因此，增加或取消某个仪表（例如，当一台仪表出故障时，直接将它取消即可），将不会影响其它仪表的正常工作。而且，各台接收仪表也可以设置公共的接地点，因此在设计安装上比较简单。但是，并联连接的各台接收仪表的输入电阻都较高，易于引入干扰，因此，电压信号不适于远距离传输。3变送器与控制室仪表间的信号传输变送器是现场仪表，其输出信号送至控制室中，而它的供电又来自控制室。变送器的信号传送和供电方式通常有以下两种。 四线制传输如图6.5.4所示，供电电源和输出信号各用两根导线传输。图中的变送器称为四线制变送器。DDZ-型仪表即属于这种传输方式。由于电源和信号分别传送，因此对电流信号的零点和元器件的功耗均无严格要求。在这种传输方式中，如果变送器的一个输出端与电源装置的负端相连，就变成了三线制传输。 两线制传输现场 控制室现场 控制室图6.5.4 四线制传输图6.5.5 两线制传输变送器接收仪表电源装置变送器接收仪表电源装置如图6.5.5所示，变送器与控制室之间仅用两根导线传输。这两根导线既是电源线，又是信号线。图中的变送器称为两线制变送器。DDZ-型仪表即属于这种传输方式。采用两线制变送器，不仅可以节省大量电缆线和安装费用，而且有利于安全防爆。因此，这种变送器得到了较快的发展。要实现两线制变送器，必须采用活零点的电流信号。由于电源线和信号线公用，所以电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件能正常工作。因