过程控制仪表及装置.pptx

过程控制仪表及装置,1.过程控制仪表与控制系统的关系自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称为过程控制仪表或装置），使被控对象的工作状态或参数（压力、物位、流量、温度、pH值等）自动的按照预定的程序运行。过程控制仪表：是实现工业生产过程自动化的重要工具，它被广泛地应用于石油、化工等各工业部门。在自动控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。,过程控制仪表包括变送器、调节器（也叫控制器）、执行器、操作器，以及可编程调节器等各种新型控制仪表及装置。进料,液位变送器,控制器,操作器,显示器,出料,给定值,执行器,自动化装置,图1储罐液位自动控制系统,生产中与生活中通过过程控制实现自动化的例子：卷烟厂的防潮系统家用空调,2.过程控制仪表的发展和分类1)发展60年代：就地分散控制检测和控制仪表：普遍采用基地式仪表和部分单元组合仪表（多数是气动仪表）。目的：实现工艺参数的稳定操作。70年代：集中控制（一些工厂、企业实现了车间或大型装置）。使用仪表：,DDZ,DDZ,DDZ,电动单元组合仪表,气动单元组合仪表,QDZ,QDZ,QDZ,80年代至今：集散控制系统（DCS全名DistributedControlSystem）。特点：集中管理，分散控制。仪表使用：微处理器、微机与传统仪表相结合的过程控制仪表（数字调节器或可编程序调节器）。,2)分类控制仪表可按能源、信号类型、结构形式来分类（1）按应用能源分类：气动、液动、液动等,气动控制仪表的特点：结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。,电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。,（2）按信号类型分类：模拟式、数字式,数字式它以微型计算机为核心，功能完善，性能优越，能解决模拟式仪表难以解决的问题，满足现代生产过程的高质量控制要求。它可实现连续生产过程、断续生产过程的控制，也可以通过在PLC中加入PID等控制功能，实现批量控制。,模拟式传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低,基地式仪表,（3）按结构形式分类：基地式、单元组合式、组装式、数字控制式、集散控制、现场总线控制。,以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。基地式控制仪表特点：般结构比较简单、价格便宜它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而已还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。目前常使用的XCT系列动圈式控制仪表和TA系列简易式调节器即属此类仪表。,单元组合式控制仪表将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。它适用于各种企业的自动控制。广泛使用的单元组合式控制仪表有电动单元组合仪表(DDZ型)和气动单元组合仪表(QDZ型)。,组装式综合控制装置：单元组合仪表的基础上发展起来的一种成套仪表装置，结构上包括控制机柜和显示操作盘两部分，它的主要特点是功能分离，结构组件化，特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程控制系统。,数字式控制仪表以数字计算机为核心的数字控制仪表。其外形结构、面板布置保留了模拟式仪表的一些特征，但其运算、控制功能更为丰富，通过组态可完成各种运算处理和复杂控制。,集散控制系统DCS:以CPU为核心，在4C技术（即control、computer、communication、CRT阴极射线管显象技术）迅速发展基础上发展而来。将集中于一台计算机完成的任务分派给各个微型过程控制计算机，再配上数字总线以及上一级过程控制计算机，组成各种各样的，能适应于不同过程的、积木式分级分布式计算机控制系统.,现场总线控制系统以计算机网络技术、通信技术、控制技术和现代仪器仪表技术的最新发展成果.现场总线控制系统的出现引起了传统技术结构和设备的根本性变革,它将具有数字通信能力的现场智能仪表连成网络系统,并同上一层监控级、管理级连接起来成为全分布式的新型控制网络.,3.本课程的任务和学习方法1)本课程的任务2)本课程的学习方法,第一章过程控制仪表的基本知识,1.1过程控制仪表的信号制式1.2电动仪表信号标准的使用1.3过程控制仪表防爆的基本知识1.4过程控制仪表的型号命名1.5过程控制仪表的分析方法,1.1过程控制仪表的信号制式1.1.1信号制式:信号标准,是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值.1.1.2信号标准1.气动仪表的信号标准2.电动仪表的信号标准,1.2电动仪表信号标准的使用1.2.1采用420mADC电流信号传送1.采用直流电流信号的优点（1）直流电流信号比交流电流信号干扰小.交流电流信号容易产生交变电磁场的干扰,对附近仪表和电路有影响,并且如果混入的外界交流干扰信号和有用信号形式相同时难以滤除.另外电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。（2）直流电流信号对负载的要求简单.交流电流信号有频率和相位的问题,对负载的感抗和容抗敏感,使得影响因素增多.（3）电流比电压更利于远传信息.如果采用电压形式传送信息,当负载电阻较小且进行远距离传输时,导线上的电压降会引起误差.,2.采用420mADC电流信号传送的理由（1）仪表的电器零点是4mA，不与机械零点重合。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。（2）在现场使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，而且还便于使用安全栅，有利于安全防爆。,两线制的基本知识两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。两线制与三线制(一根正电源线，两根信号线,其中一根共GND)和四线制(两根正负电源线，两根信号线,其中一根GND)相比，两线制的优点是：1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。,3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于420mA两线制环路，接收器电阻通常为250（取样Uout=15V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制5、将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。6、在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。,3.采用直流电流信号需要注意的问题（1）采用电流传送信息，接收端的仪表必须是低阻抗的。如果有多个仪表接受同一个电流信息，它们必须是串联的。（2）串联连接的任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两端短接，否则其他仪表会因电流中断而失去信号。（3）各个接收仪表一般都应悬空工作，否则会引起信号混乱。,1.2.2采用1-5VDC电压信号实现控制室内部仪表间联络(1)用电压信号传送的信息可以采用并联连接方式,使同一个电压信号为多个仪表所接收.在控制室内部,各仪表之间的距离不远,适合采用1-5VDC电压作为仪表之间的相互联络信号.(2)任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其他仪表的运行.(3)各个仪表既然并联在同一信号线上,当信号源负极接地时,各仪表内部电路对地有同样电位,这不仅解决了接地问题,而且各仪表可共用一个直流电源.,1.2.3控制系统仪表之间的典型连接方式,稳压电源,信号,信号,4-20mA,4-20mA,转换器,1-5VDC,现场,控制室,图1.1控制系统仪表之间的典型连接方式,1.3过程控制仪表防爆的基本知识防爆的意义:在石油、化工等工业部门中,某些生产场所存在着易燃易爆的固体粉尘、气体或蒸汽,它们与空气混合成为具有火灾或爆炸危险的混合物,使其周围空间成为具有不同程度爆炸危险的场所.安装在这些场所的检测仪表和执行器,如果产生的火花火热效应能量点燃危险混合物,则会引起火灾或爆炸.因此,用于这些场所的仪表和控制系统,必须具有防爆性能.,1.3.1防爆仪表的标准防爆表必须符合国家标准GB3836.12000爆炸性气体环境用电气设备第一部分:通用要求的规定.1.防爆表的分类按照国家标准的规定,防爆电气设备分为两大类.类:煤矿用电器设备.类:除煤矿外的其他爆炸性气体环境用电气设备.其中类电气设备又分为八种类型.这八种类型及其标志为:d-隔爆型;e-增安全型;i-本质安全型;p-正压型;o充油型;q-充沙型;n-无火花型;s-特殊型.电动仪表主要有隔爆型(d)和本质安全型(i)两种.,2.防爆表的分级和分组引起爆炸的原因:(1)仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽;(2)仪表过高的表面温度.根据原因对类防爆仪表进行了分级和分组(表1.1)对隔爆型的电气设备,易燃易爆气或蒸汽按最大试验间隙进行分级;对于本质安全型的,按照最小点燃电流与实验室用甲烷的小点燃电流的比值进行分级.,最大试验安全间隙;maximumexperimentalsafetygap;(MESG)在规定试验条件下，两个经长25mm的间隙连通的容器，一个容器内燃爆时不致引起另一个容器内燃爆的最大连通间隙。中国规定气体、蒸气危险物质按最大试验安全间隙分为A级，B级和C级。甲烷(I类爆炸危险物质)的最大试验安全间隙为1.14mm。最大试验安全间隙1.14mm，0.0mm的为A级；0.9mm，0.5mm的为B级；0.5mm的为C级。,最小点燃电流比;minimumignitioncurrentratio;MICR在规定试验条件下，气体、蒸气爆炸性混合物的最小点燃电流与甲烷爆炸性混合物的最小点燃电流之比。中国规定气体、蒸气危险物质按最小点燃电流比分为A级，B级和C级。最小点燃电流比1.0，0.8的为A级；0.8，0.45的为B级；0.45的为C级。例如，乙烷、乙烯、乙炔分别为A级，B级，C级危险物质。,3.防爆表的标志防爆仪表的防爆标志为”Ex”;仪表的防爆等级标志的顺序为:防爆型式,类别,级别,温度组别.举例:iaCT5表明此仪表为本质安全型的a类,易燃易爆气体的等级为C最高表面温度级别为T5,控制仪表和控制系统有什么关系？答：过程控制系统是实现生产过程自动化的平台,而过程控制仪表是过程控制系统不可缺少的重要组成部分。什么是信号制？控制系统仪表之间采用何种连接方式最佳？为什么？答：信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。控制系统仪表之间采用420mADC直流电流信号传送，现场变送器和控制室仪表之间采用串联连接方式。电流信号便于远距离传送，不仅节省电缆、布线方便，而且还便于使用安全栅，有利于安全防爆。采用15VDC直流电压信号实现控制室内部仪表间联络。用电压信号传送的信息可以采用并联连接方式，使同一个电压信号为多个仪表所接收。在控制室内，各仪表之间的距离不远，适合采用15VDC直流电压作为仪表之间的互相联络信号；任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其它仪表的运行；各个仪表既然并联在同一信号线上，当信号源负极接地时，各仪表内部电路对地有同样的电位，这不仅解决了接地问题，而且各仪表可以共用一个直流电源。（3）防爆仪表与易燃易爆气体或蒸汽之间有何对应关系？答：防爆仪表的分级和分组，是与易燃易爆气体或蒸汽的分级和分组相对应的。仪表的防爆级别和组别，就是仪表能适应的某种爆炸性气体混合物的级别和组别，即对于教材表1.3中相应级、组之上方和左方的气体或蒸汽的混合物均可以防爆。,1.3.2控制仪表防爆措施1.隔爆型防爆仪表隔爆又称耐压防爆，它把能点燃爆炸混合物的仪表部件封闭在一个外壳内，该外壳特别牢固，能承受内部爆炸性混合物的爆炸压力，并阻止向壳外的爆炸性混合物传爆。这就是说，隔爆型仪表的壳体内部是可能发生爆炸的，但不会传到壳体外面来，因此这种仪表的各部件的接合面，如仪表盖的螺纹圈数，螺纹精度，零点，量程调整螺钉和表壳之间，变送器的检测部件和转换部件之间的间隙，以及导线口等，都有严格的防爆要求。隔爆型仪表除了较笨重外，其他比较简单，不需要如安全栅之类的关联设备。但是在打开表盖前，必须先把电源关掉，否则万一产生火花，便会暴露在大气之中，从而出现危险。,2.本质安全型防爆仪表本质安全型防爆仪表又叫安全火花型防爆仪表。它的特点是仪表在正常状态下和故障状态下，电路、系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。它的防爆主要由以下措施来实现：采用新型集成电路元件等组成仪表电路，在较低的工作电压和较小的工作电流下工作；用安全栅把危险场所和非危险场所的电路分隔开，限制由非危险场所传递到危险场所去的能量；仪表的连接导线不得形成过大的分布电感和分布电容，以减少电路中的储能。本质安全型仪表的防爆性能，不是采用通风、充气、充油、隔爆等外部措施实现的，而是由电路本身实现的，因而是本质安全的。它能适用于一切危险场所和一切爆炸性气体、蒸气混合物，并可以在通电的情况下进行维修和调整。但是，它不能单独使用必须和本安关联设备（安全栅）、外部配线一起组成本安电路，才能发挥防爆功能。,1.3.3安全火花防爆系统的构成,稳压电源,信号,信号,现场(危险场所）,控制室（非危险场所）,图1.1控制系统仪表之间的典型连接方式,安全栅,安全栅,安全栅安全栅是靠什么来防爆的？本安系统在国内越来越受人关注，作为其主要构成部件的安全栅也被人们所认识。那么，安全栅是靠什么来防爆的呢？控制能量，控制能量是安全栅防爆的法宝，不管是齐纳安全栅还是隔离式安全栅都是通过控制能量来达到防爆规定的要求的。,齐纳式安全栅结构原理:电路中采用快速熔断器、限流电阻、齐纳二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。它的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：1、安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分苛刻并在实际工程应用中难以保证。2、齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。3.齐纳式安全栅较为便宜.,隔离式安全栅采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全栅相比，虽然价格略高，但它其它方面的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：1.由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。2.对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。3.由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。4.隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。5.隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。,1.4过程控制仪表的型号命名按照过程控制仪表在系统中的作用和特点可分为八类。（1）变送单元：温度变送器、差压变送器、液位变送器、压力变送器等。（2）调节单元：基型控制器、特种控制器。（3）给定单元：恒流给定器、比值给定器。（4）转换单元：电气转换器、电流转换器。（5）计算单元：加减器、乘除器、开方器等。（6）显示单元：计算器、记录仪等。（7）辅助单元：安全栅、配电器、操作器等。（8）执行单元：气动执行器、电气阀门定位器等。,1.4.1DDZ型仪表的型号及命名:DDZ型仪表各单元的型号由三部分组成，各部分之间用短横线隔开，格式如下：D-,均为D,仪表大类B、T、X、J、Z、K、G、F,4位数字代表种类、规格、结构特征,各大类中的产品小类,标志产品的特殊用途,DBC-2310-C,1.4.2QDZ型仪表的型号及命名除第一个字母外，其它与电动单元组合一样。1.5过程控制仪表的分析方法1.5.1过程控制仪表的总体分析思路（1)仪表整机采用单个放大器。（2)整机由数目不等的运算放大器电路以不同形式组装而成。,1.5.2采用单个放大器的分析方法1.采用单个放大器的仪表特点,输入转换部分,放大部分,反馈部分,x,Zi,Zf,Zi,y,C,K,F,x为输入信号，输入转换部分将x转化为某一中间变量Zi，所以ZiCx(C为转换系数）；有图可知，反馈部分将输出y按一定比例反馈回放大部分的输入端，所以Zf=Fy（F为反馈系数）；放大部分有y=ZiK(K为放大系数），且ZiZiZfZiCx联立方程Zf=Fyy=ZiKZiZiZf消去Zi、Zi、Zf得y=K/(1+KF)Cx当K足够大时，且满足KF1可简化为：y=(1/F)Cx,2.采用单个放大器的分析方法对实际仪表划分出输入、放大和反馈这三个部分的关键在于找到比较环节（得出ZiZiZf)和引出负反馈的取样环节(将输出y按一定比例反馈）。对于气动仪表一般依据力或力矩平衡原理找出这两个环节是很直观的，比较环节一般是膜片或杠杆，取样是仪表输出；电动仪表的比较环节一般从放大器的输入端去找，取样环节从仪表的输出端去找。电动仪表的比较方式有两种：串联和并联。,串联比较与并联比较串联得出=Ui-Uf并联得出=Ui-RiIi=Uf-RfIf,输入部分,放大器,反馈部分,输入部分,放大器,反馈部分,Ri,Rf,Ui,Uf,Ui,Uf,电动仪表的取样方式有两种：电流取样和电压取样。,反馈部分,放大器,放大器,反馈部分,R,Uf,RL,Io,R1,RL,R2,Uf,Io,1.5.3采用集成运算放大器的分析方法1.集成运算放大器的基本特征在对仪表中的某一级运算放大器电路进行分析时，运算放大器本身可以用图1.8所示的模型来表示。对前一级运算放大器电路输出而言，他相当于一个等效电阻Ri，称之为输入电阻；对后一级运算放大器电路输入而言，它可以看做一个由电压源（其大小受输入电压控制）和内阻Ro串联起来的等效电源，其中Ro称为输出电阻。,理想的运算放大器具有如下特点输入电阻Ri；输出电阻Ri0;开环电压增益Ko=;失调及漂移为零（1）“虚短”；差模输入电压为零。（2）“虚断”；输入端输入电流为零。开环？失调？飘移？,2.集成运算放大器的典型电路（1）反相端输入,R1,R2,R3,ui,uo,（2）同相端输入,R1,R2,R3,ui,uo,（3）差动输入（4）电压跟随器,3.单电源供电的运算放大电路4.采用运算放大器的仪表分析方法第一章习题：P16,4、5、6。,（4）怎样才能构成一个安全火花型防爆控制系统？答：构成安全火花防爆系统要求：在危险场所使用本安仪表；在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅。（5）对于采用单个放大器的仪表一般如何着手进行分析？答：对于单个放大器的仪表，首先要将仪表分为输入、放大和反馈三个部分。然后对各个部分进行分析，尤其是输入部分和反馈部分，最后求得仪表的输出和输入之间关系。（6）仪表中常用到哪四种运算放大器电路？各有哪些特点？答：仪表中常用到反相端输入运算，同相端输入运算，差动输入运算和电压跟随器等四种运算放大器电路。反相端输入运算放大器电路特点：集成运放的同相输入端为“虚地”，输入信号从反相端接入，输出信号与输入信号成比例，相位相差180。同相端输入运算放大器电路特点：集成运放的反相输入端为“虚地”，输入信号从同相端接入，输出信号与输入信号成比例，相位相同。差动输入运算放大器电路特点：一般是双端输入，共模抑制比高。电压跟随器实际上是一个1：1同相输入运算放大器。其主要的特点是输入电阻高、输出电阻低。,第二章变送器,2.1概述2.2电容式差压变送器2.3其它差压变送器2.4温度变送器,变送器的定义：是将被测工艺参数，如压力、流量、液位、温度等物理量转换成相应的统一标准信号，并传送到指示记录仪、运算器和控制器，供显示、记录、运算、控制、报警等。变送器的种类按照应用能源分：按照被测工艺参数分：,2.1概述2.1.1变送器的构成原理:输入转换部分的作用是什么？放大器的作用是？将=(Zi+Zo)-Zf转换成标准的输出信号。反馈部分的作用是？,输入转换部分,放大部分,反馈部分,x,Zi,Zf,y,C,K,F,调零，零点漂移,Zo,根据负反馈放大器原理可以求得整个变送器输出与输入关系:简化后:结论1:仪表的特性与输入部分和反馈部分有关.结论2:若F,C是常数,则变送器输入输出则保持良好的线性关系.,xmax,xmin分别为变送器测量范围的上限和下限,ymax,ymin分别为变送器输出信号的上限和下限,2.1.2变送器的量程调整,零点调整和零点迁移1.量程调整通过改变什么而实现量程调整?改变量程之后精密度是否改变?,2.零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移的目的?如何调整?如何迁移?,2.2电容式差压变送器2.2.1电容式差压变送器的结构与工作原理以西安仪表厂的1151系列为例来学习:,电容式差压变送器的特点:电容式差压变送器的是微位移式变送器，它以差动电容膜盒作为检测元件，并且采用全密封熔焊技术。因此整机的精度高、稳定性好、可靠性高、抗震性强，其基本误差一般为02或士025。敏感元件的中心感压膜片是在施加预张力条件下焊接的，其最大位移量为01mm，即可使感压膜片的位移与输入差压成线性关系，又可以大大减小正、负压测量室法兰的张力和力矩影响而产生的误差。中心感压膜片两侧的固定电极为弧形电极，可以有效地克服静压的影响和更有效地起到单向过压的保护作用。采用两线制方式，输出电流为420mADC国际标准统一信号，可与其他接收420mADC信号的仪表配套使用，构成各种控制系统。,1151的接线图,1151基本框图,感压膜片,差动电容,电容/电流转换电路,放大和输出限制电路,反馈电路,输入差压作用于测量部件的中心感压膜片，使其产生位移S，从而使感压膜片（即可动电极）与两弧形电极（即固定电极）组成的差动电容的电容量发生变化。此电容变化量由电容电流转换电路转换成直流电流信号，电流信号与调零信号的代数和与反馈信号进行比较，其差值送入放大电路，经放大后得到变送器整机的输出电流信号Io。,测压部件,振荡器,解调和振荡控制,线性调整,放大部分,电源,电流表实时显示,1.测压部件,1测压部件测压部件的作用是把被测差压转换成电容量的变化。它由正、负压测量室和差动电容敏感元件等部分组成。测压部件结构如图27所示。当被测压差通过正、负压侧导压口引入正、负压测量室，作用于正、负压侧隔离膜片上时，由硅油做媒介，将压力传到中心感压膜片的两侧，使膜片产生微小位移，从而使中心感压膜片与其两边弧形电极的间距不等，如图28所示，结果使一个电容（Ci1）的容量减小，另一个电容（Ci2）的容量增加。,（l）差压膜片位移转换。（2）膜片位移电容转换,2电容/电流转换电路转换电路的作用是将差动电容的相对变化值成比例地转换成差动电流信号，并实现非线性补偿功能，其电路如图29所示。它由振荡器、解调器、振荡控制放大器、线性调整电路等组成。,1)振荡器,4.其他电路,1).输出限制电路防止电流过大,损坏变送器的元器件.2).阻尼电路用于抑制变送器输出因被测压差变化所引起的波动3).反相保护电路4).温度补偿电路,2.2.2压差变送器的选送,安装与维护1.压差变送器的选用在诸类仪表中，压力变送器的应用最广泛、最普遍，压力变送器大体分为压力变送器和差压变送器。变送器常用来测量压力、差压、真空、液位、流量和密度等。变送器有两线制和四线制之分，两线制变送器尤多；有智能和非智能之分，智能变送器渐多；有气动和电动之分，电动变送器居多；另外，按应用场合有本安型和隔爆型之分；按应用工况变送器的主要种类如下：低（微）压/低差压变送器；中压/中差压变送器；高压/高差压变送器；绝压/真空/负压差压变送器；高温/压力、差压变送器；耐腐蚀/压力、差压变送器；易结晶/压力、差压变送器。,压差变送器的选型通常根据安装条件、环境条件、仪表性能、经济性和应用介质等方面考虑。实际运用中分为直接测量和间接测量；其用途有过程测量、过程控制和装置联锁。常见的变送器有普通压力变送器、差压变送器、单法兰变送器、双法兰变送器、插入式法兰变送器等。压力变送器和差压变送器单从名词上讲测量的是压力和两个压力的差，但它们间接测量的参数是有很多的。如压力变送器，除测量压力外，它还可以测量设备内的液位。在常压容器测量液位时，需用一台压变即可。当测量受压容器液位时，可用两台压变，即测量下限一台，测量上限一台，它们的输出信号可进行减法运算，即可测出液位，一般选用差压变送器。在容器内液位与压力值不变的情况下它还可以用来测量介质的密度。压力变送器的测量范围可以做的很宽，从绝压0开始可以到100MPa（一般情况）。,法兰法兰(flange)连接是管道施工的重要连接方式。法兰连接就是把两个管道、管件或器材，先各自固定在一个法兰盘上，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固在一起，完成了连接。有的管件和器材已经自带法兰盘，也是属于法兰连接。法兰分螺纹连接（丝接）法兰和焊接法兰。低压小直径有丝接法兰，高压和低压大直径都是使用焊接法兰，不同压力的法兰盘的厚度和连接螺栓直径和数量是不同的。根据压力的不同等级，法兰垫也有不同材料，从低压石棉垫、高压石棉垫到金属垫都有。法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。在工业管道中，法兰连接的使用十分广泛。在家庭内，管道直径小，而且是低压，看不见法兰连接。如果在一个锅炉房或者生产现场，到处都是法兰连接的管道和器材。,又叫法兰盘或突缘。使管子与管子相互连接的零件。连接于管端。法兰上有孔眼，可穿螺栓，使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰管件(flangedpipefittings)指带有法兰(突缘或接盘)的管件。,单平法兰式差压变送器实物,图2.17单平法兰式差压变送器,差压变送器除了测量两个被测量压力的差压值外，它还可以配合各种节流元件来测量流量，可以直接测量受压容器的液位和常压容器的液位以及压力和负压。从压力和差压变送器制作的结构上来分有普通型和隔离型。普通型的测量膜盒为一个，它直接感受被测介质的压力和差压；隔离型的测量膜盒接受到的是一种稳定液（一般为硅油）的压力，而这种稳定液是被密封在两个膜片中间，接受被测压力的膜片为外膜片。原普通型膜盒的膜片为内膜片，当外膜片上接受压力信号时通过硅油的传递原封不动的将外膜片的压力传递到了普通膜盒上，测出了外膜片所感受的压力。隔离型变送器主要是针对特殊的被测量介质使用的，如被测介质离开设备后会产生结晶，而使用普通型变送器需要取出介质，会将导压管和膜盒室堵塞使其不能正常工作，所以必须选用隔离型。隔离型通常作成法兰式安装，即在被测设备上开口加法兰使变送器安装后它的感应膜片是设备壁的一部分，这样它不会取出被测介质，一般不会造成结晶堵塞。,当被测介质需求结晶温度较高时，可选用将膜片凸出的结构，这样可将传感膜片插入到设备内部，从而感应到的介质温度不会降低，这样测量是有保障的，即选用插入式法兰变送器。另外如果物料比较粘稠，颗粒大，会把毛细管堵塞，影响测量精度，也要选用插入式。测量负压端接近常压时选用单法兰，不是常压时选用双法兰。隔离型变送器有远传型和一体型。远传型即外膜盒与测量膜盒之间用加强毛细管连接，一般毛细管为35米，这样外膜盒装在设备上，内膜盒及变送器可以安装在便于维护的支架上；另一种形式是外膜盒与变送器作成一体直接由法兰安装在设备上。对于隔离型压力变送器它还可以作成螺纹连接型，即外膜盒或外弹性元件可在安装螺纹的前面，只要在被测设备上焊接上内螺纹凸台，便可将变送器直接拧到设备上，安装非常方便。隔离型压力/差压变送器的制作复杂，材质要求高，所以它的价格通常是普通型的3倍。,图2.18双法兰式差压变送器,双平法兰与插入式法兰,选型原则在压力/差压变送器的选用上主要依据：以被测介质的性质指标为准，以节约资金、便于安装和维护为参考。如被测介质为高黏度易结晶强腐蚀的场合，必须选用隔离型变送器。在选型时要考虑它的介质对膜盒金属的腐蚀，一定要选好膜盒材质，否则使用后很短时间就会将外膜片腐蚀坏，法兰也会被腐蚀坏造成设备和人身事故，所以材质选择非常重要。变送器的膜盒材质有普通不锈钢、304不锈钢、316L不锈钢、钽膜盒材质等。在选型时要考虑被测介质的温度，如果温度高一般为200400，要选用高温型，否则硅油会产生汽化膨胀，使测量不准。在选型时要考虑设备工作压力等级，变送器的压力等级必须与应用场合相符合。从经济角度上讲，外膜盒及插入部分材质比较合适，但连接法兰可以选用碳钢、镀铬，这样会节约很多资金。隔离型压力变送器选用最好是选用螺纹连接形式的，这样既节约资金安装又方便。对于普通压力和差压变送器选型，也要考虑被测介质的腐蚀性问题，但使用的介质温度可以不考虑，因为普通型压变是引压到表内，长期工作温度为常温，但普通型使用的维护量要比隔离型大。首先是保温问题，在北方冬季零下，导压管会结冰，变送器无法工作甚至损坏，这就需要增加伴热和保温箱等。,从经济角度上来讲，选用变送器时，只要不是易结晶介质都可以采用普通型变送器，而且对于低压易结晶介质也可以加吹扫介质来间接测量（只要工艺允许用吹扫液或气），应用普通型变送器就是要求维护人员多进行定时检查，包括各种导压管是否泄漏、吹扫介质是否正常、保温是否良好等，只要维护好，大量使用普通型变送器一次性投资会节约很多。从选用变送器测量范围上来说，一般变送器都具有一定的量程可调范围，最好将使用的量程范围设在它量程的1/43/4段，这样精度会有保证，对于微差压变送器来说更是重要。,实践中有些应用场合（液位测量）需要对变送器的测量范围迁移，根据现场安装位置计算出测量范围和迁移量，迁移有正迁移和负迁移之分。目前，智能变送器已相当普及，它的特点是精度高、可调范围大，而且调整非常方便、稳定性好，选型时应多考虑。川仪横河EJA、北京远东1751、霍尼韦尔ST3000、ARK800系列等，使用都非常可靠。,按照设计规范，在工程设计选型中，究竟采用气动变送器还是电动变送器，因其各有特长，应该根据装置的具体条件进行综合考虑和分析。以下几点可供选用时参考：集中操作程度；是否与DCS计算机相操作配合；响应速度；经济性；可靠性及使用维护方面；安全性（防爆、停电、气源故障等）；环境条件及传输距离。,一般来说，下列条件以选用气动仪表为宜：自变送器至显示调节仪表间的距离较短，通常以不超过150m较为合适；工艺物料是易燃易爆介质及相对湿度很大的场合；要求仪表投资少；一般中小型企业要求易维修，经济可靠；在以电动仪表为主的大型装置里，有些现场就地调节回路不要求引入中央控制室集中操作。下列条件以选择电动仪表为宜：变送器至显示调节单元间的距离超过150m以上；大型企业要求高度集中管理的中央控制；设置有DCS计算机进行控制及管理的对象；要求响应速度快，信息处理及运算复杂的场合。,实际中，在现代化生产装置中都是发挥它们各自的特点进行混合选用的。差压变送器的选型差压变送器根据以下几点选型：(1)测量范围、需要的精度及测量功能；(2)测量仪表面对的环境，如石油化工的工业环境，有可燃（有毒）和爆炸危险气氛的存在，有较高的环境温度等；(3)被测介质的物理化学性质和状态，如强酸、强碱、粘稠、易凝固结晶和气化等工况；(4)操作条件的变化，如介质温度、压力、浓度的变化。有时还要考虑到从开车到参数达到正常生产时，气相和液相浓度和密度的变化；(5)被测对象容器的结构、形状、尺寸、容器内的设备附件及各种进出口料管口都要考虑，如塔、溶液槽、反应器、锅炉汽包、立罐、球罐等；(6)其他要求，如环保及卫生等要求；(7)工程仪表选型要有统一的考虑，要求尽可能地减少品种规格，减少备品备件，以利管理；(8)工艺专利商的具体要求。,(9)实际的工艺情况：考虑被测对象是属于哪一类设备。如槽、罐类，槽的容积较小，测量范围不会太大，罐的容积较大，测量范围可能较大；要看介质的物化性质及洁净程度，首选常规的差压式变送器及浮筒式液位变送器，还要对接触介质部分的材质进行选择；对有些悬浮物、泡沫等介质可用单法兰式差压变送器。有些易析出、易结晶的用插入式双法兰式差压变送器；对高黏度的介质的液位及高压设备的液位，由于设备无法开孔，可选用放射液位计来测量；除了测量方法上和技术上问题外，还有仪表投资问题。综上所述，变送器的选型，从技术上要可行，经济上要合理，管理上要方便。,压力变送器的选型方法从物理学角度看，任何一个物体上受到的压力都应包括大气压力和被测介质的压力（一般称为表压）两部分。作用在被测物体上这两部分压力总和称为绝对压力。P绝=P表+大气压测量绝对压力的仪表称为绝压表。对于普通的工业压力表测量的都是表压值，也就是绝对压力与大气压的压差值。当绝对压力大于大气压值时测得的表压值为正值，称为正表压；当绝对压力小于大气压值时测得的表压值为负值，称为负表压，即真空度。测量真空度的仪表称为真空表。为了保证压力测量精度，最小压力测量值应高于压力表测量量程的1/3；对需远距离测量或测量精度要求较高的场合，应选择压力传感器或压力变送器；在测量精度要求不高时，可选择电阻或电感式、霍尔效应式远传压力表；气动基地式压力指示调节器适宜作就地压力指示调节；压力变送器、压力开关应根据安装场所防爆要求合理选择。,2.差压变送器的安装,现场安装图,3.差压变送器的使用注意事项,2.3其它差压变送器2.3.1扩散硅式差压变送器扩散硅式差压变送器的检测元件采用扩散硅压阻传感器，组成分测量和放大转换两大部分。输入差压P作用于测量部分的扩散硅压阻传感器，压阻效应使硅材料上的扩散电阻（应变电阻）阻值发生变化，从而使这些电阻组成的电桥产生不平衡电压Us。Us由前置放大器放大为Uo。Uo和调零与零迁电路产生的调零信号U2的代数和送入电压/电流转换器转换为整机的输出信号Io。,扩散硅式差压变送器,1.测量部件,力敏半导体器件力敏半导体器件是利用晶体在受到应力作用时会产生形变，其电阻率也会随之发生变化的原理制成的压力传感器。半导体压力传感器早期是采用体型半导体应变片。由于容易发生零漂、稳定性差、工艺复杂等原因，目前为扩散电阻型和硅杯型等新半导体器件所代替。,2.电路原理,2.3.2振弦式压差变送器振弦式差压变送器基本原理,就是将压力或压力差的变化转换成振弦张力的变化,从而使振弦的固有谐振频率变化,并通过振弦去改变谐振电路的谐振频率,检测出这个信号的频率就得出了压差的变化.,1.检测器的结构,膜盒型检测器的断面图,2.信号变换的过程,频率-电流变换原理,2.3.3K系列电感式压差变送器,1.特点2.工作原理(1)测量部分,(2)结构组成部分,温度变送器,2.4温度变送器温度变送器是一种信号转换仪表，可以与测温元件配合使用，把温度或温差信号转换成统一标准信号输出；还可以把其他能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成相应的统一标准信号输出，实现对温度参数的显示、记录、自动控制。按连接方式温度变送器可分为两线制和四线制。DDZ一型温度变送器就是四线制温度变送器，属于控制室内架装仪表，有三类品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热电阻温度变送器。,四线制温度变送器具有如下主要特点：（1）采用低漂移、高增益的集成运算放大器，使仪表的可靠性和稳定性有所提高。（2）在热电偶和热电阻温度变送器中设置了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度之间为线性关系，提高了变送器精度，并方便指示和记录。（3）线路中采用了安全火花防爆措施，增加了直流/交流/直流（DCAC/DC）转换器分，兼有安全栅的功能，所以能测量来自危险场所的直流毫伏信号或温度信号。温度变送器结构框图如图229所示。,温度变送器结构框图在线路结构上，三种变送器都分为量程单元和放大单元两部分。它们分别设置在两块印制电路板上，用插件互相连接，其中放大单元是三者通用，而量程单元则随品种、测量范围的不同而不同。,调零信号输入,反馈信号输入,来自传感器的中间变量,在过程控制领域中，使用最多的是热电偶温度变送器和热电阻温度变送器知识点：热电偶与热电阻热电偶测温基本原理热电偶测温的基本原理是热电效应。在由两种不同材料的导体A和B所组成的闭合回路中,当A和B的两个接点处于不同温度T和To时,在回路中就会产生热电势。这就是所谓的塞贝克效应。导体A和B称为热电极。温度较高的一端T叫工作端(通常焊接在一起)；温度较低的一端To叫自由端(通常处于某个恒定的温度下)。根据热电势与温度函数关系最后得出温度值。,导体A,导体B,工作端,自由(冷）端,被测量的介质,测量被测介质的温度,理想情况保持恒定的温度（0),朝变换单元方向,AB的两端因温度差而产生电势差Et,热电阻测温基本原理热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的，最后根据阻值与温度的函数关系得出温度值,热电偶和热电阻的区别主要在于：第一：信号的性质，热电阻本身是电阻，温度的变化，使电阻产生正的或者是负的阻值变化；而热电耦，是产生感应电压的变化，他随温度的改变而改变。第二：两种传感器检测的温度范围不一样，热电阻一般检测0-150度温度范围（当然可以检测负温度），热电耦可检测0-1000度的温度范围（甚至更高）所以，前者是低温检测，后者是高温检测。第三：从材料上分，热电阻是一种金属材料，具有温度敏感变化的金属材料，热电耦是双金属材料，既两种不同的金属，由于温度的变化，在两个不同金属丝的两端产生电势差。,2.4.1热电偶温度变送器热电偶温度变送器与热电偶配合使用，可以把温度信号转换为420mA、l5V的标准信号。它由量程单元和放大单元两部分组成，如图230所示。,中间变量热电势,为保证热电势与输出之间的线性关系,1.放大单元,放大器,DC/AC/DC转换电路,电压放大电路,功率放大电路,隔离输出与隔离反馈,磁耦合对称推挽式多谐振荡器,整流滤波稳压电路,直接耦合式的运放，为功放提供足够的激励电压,方波发生器,为功放提供方波电源,24V直流电压源,DC/AC,AC/DC,为运放和量程单元提供直流电源,在功放与输出之间，输出与反馈之间采用隔离变压器,2.量程单元原理图,信号输入回路,零点调整及冷补偿回路,非线性反馈回路,特点：在输入回路增加了由Rcu组成的热电偶冷补偿电路在反馈回路中增加了运放构成的线性化电路,1)热电偶冷补偿电路热电偶产生的热电势与热电偶的冷端温度T0有关。当冷端温度T0不固定时，热电势Et也随之变化，从而带来测量误差。因此，需对热电偶的冷端温度T0进行补偿，以减小热电偶冷端温度T0变化所引起的测量误差。铜电阻Rcu与热点耦的自由（冷）端处在同一温度下，当冷端温度升高时，铜电阻阻值增加，补偿了由于环境温度升高引起的热电偶热电势的下降。铜电阻Rcu为热电阻。,2)线性化电路热电偶温度变送器的测温元件热电偶和被测温度之间存在着非线性关系，其特性曲线如图235所示。为了使变送器的输出信号与被测温度信号之间为线性关系，必须进行非线性补偿，线性化电路实际上是一个折线电路，用折线来近似表示热电偶的非线性特性。,热电势随温度上升并非是线性的,材料不同斜率不同，量程也不同,非线性输入,非线性的反馈,由于输入与反馈的非线性特性相同，输出端可以得到线性的输出,将曲线划分为几段斜率不同的折线,反馈回路,线性运算电路,3)零点和量程调整图234中，Ri3、Ri4、Ri5、Ri7、Rcu及Uz组成零点调整回路；Rf3、RPf、Rf2组成量程调整回路，改变RPf可以小范围调整零点，通常调整范围为满度的5；改变Ri3可以大幅度地改变变送器的零点，实现零点迁移。改变Rf2可以大幅度地调整量程。由于，在附有线性化机构的热电偶温度变送器中，由于不同测温范围的热电偶特性曲线并不相同，所以当简单改变测温范围时是不能保证仪表的精度的，需要同时改变非线性反馈回路的结构和有关元件的参数才行。,2.4.2一体化热电偶温度变送器,一体化热电偶温度变送器，由测温元件和变送器模块两部分构成，其结构框图如图241所示。变送器模块把测温元件的输出信号Et或Rt；转换成为统一标准信号，主要是420mA的直流电流信号。,所谓一体化热电偶温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。其变送器模块和测温元件形成一个整体，可以直接安装在被测温度的工艺设备上，输出为统一标准信号。这种变送器具有体积小、质量小、现场安装方便以及输出信号抗干扰能力强、便于远距离传输等优点。对于测温元件采用热电偶的变送器，不需要采用昂贵的补偿导线，节省安装费用，因而一体化热电偶温度变送器在工业生产中得到广泛应用。一体化热电偶温度变送器品种较多，其变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成，常用的变送器芯片有AD693、XTR101、XTRl03、IXR100等。变送器模块也有由通用的运算放大器构成或采用微处理器构成的。,1AD693芯片,2AD693构成的热电偶温度变速器,2.4.3热电阻温度变送器热电阻温度变送器与各种测温热电阻配合使用，是由量程单元与放大单元两部分组成。1.量程单元,Rt及引线电阻补偿,桥路,反馈回路,1)线性化电路热电阻温度变送器的测温元件热电阻和被测温度之间也存在着非线性关系，Rt和被测温度t之间关系为上凸形，即热电阻阻值的增加量随温度增加而逐渐减小。在测量范围内，铂电阻的最大非线性误差约为2，这对于精度要求较高的场合是不允许的。热电阻温度变送器线性化的实现，不采用折线电路的方法，而是采用热电阻两端电压信号Ut正反馈的方法，在整机的反馈回路中引出一支路，经电阻Rf4将反馈电压加到热电阻Rt的两端，构成一路随Rt增加而不