热工参数测量与控制

1、4-1 4-3 4-4 压力测量与变送4-5 流量测量与变送4-6 氧量分析仪4-7 执行器 热工系统控制的主要参数为温度、压力、流热工系统控制的主要参数为温度、压力、流量、成分、热量等，测量参数的仪表称为传感器、量、成分、热量等，测量参数的仪表称为传感器、变送器。传感器感应热工系统中的各种参数，变变送器。传感器感应热工系统中的各种参数，变送器则将其变换为电信号，因此，传感器、变送送器则将其变换为电信号，因此，传感器、变送器被视为计算机监控系统的器被视为计算机监控系统的“眼睛眼睛”。 在计算机控制系统中，测量温度、压力、流在计算机控制系统中，测量温度、压力、流量的仪表，分别称为温度、压力和流量

2、传感器、量的仪表，分别称为温度、压力和流量传感器、变送器。参数的调节控制一般是通过执行器及其变送器。参数的调节控制一般是通过执行器及其驱动电路来实现的。最常用的执行器如电动调节驱动电路来实现的。最常用的执行器如电动调节阀等。阀等。 传感器传感器(包括变送器包括变送器)、执行器的投资约占整个计算机、执行器的投资约占整个计算机控制系统总投资的控制系统总投资的40%70%，同时传感器、执行器的故，同时传感器、执行器的故障率约占计算机监控系统总故障的障率约占计算机监控系统总故障的60%以上。因此传感器、以上。因此传感器、执行器不仅是控制系统的重要组成部分，而且也是一个较执行器不仅是控制系统的重要组成部

3、分，而且也是一个较薄弱的环节。薄弱的环节。 传感器容易出现的主要故障是无测量信号或者测量数传感器容易出现的主要故障是无测量信号或者测量数据不准。执行器的故障主要是驱动器失灵、发生误操作。据不准。执行器的故障主要是驱动器失灵、发生误操作。 传感器又称为一次仪表，往往和执行器一起装在热工传感器又称为一次仪表，往往和执行器一起装在热工系统中条件最差的部位，自然故障发生率较高。从某种意系统中条件最差的部位，自然故障发生率较高。从某种意义上说，计算机系统工作的可靠性和调节品质的好坏，很义上说，计算机系统工作的可靠性和调节品质的好坏，很大程度上取决于传感器和执行器。传感器不能有效地实现大程度上取决于传感器

4、和执行器。传感器不能有效地实现测量功能，一个重要的原因是选型不当；其次是变送器和测量功能，一个重要的原因是选型不当；其次是变送器和执行器的驱动电路维护不当。执行器的驱动电路维护不当。 人类为了从外界获取信息人类为了从外界获取信息, 必须借助于感觉器官。必须借助于感觉器官。 人人类依靠这些器官接受来自外界的刺激类依靠这些器官接受来自外界的刺激,再通过大脑分析判再通过大脑分析判断断, 发出命令而动作。发出命令而动作。 随着科学技术的发展和人类社会的随着科学技术的发展和人类社会的进步进步, 人类为了进一步认识自然和改造自然人类为了进一步认识自然和改造自然, 只靠这些感觉只靠这些感觉器官就显得很不够了

5、。器官就显得很不够了。 于是于是, 一系列代替、一系列代替、 补充、补充、 延伸延伸人的感觉器官功能的各种手段就应运而生人的感觉器官功能的各种手段就应运而生, 从而出现了各从而出现了各种用途的传感器。种用途的传感器。 传感器的历史可以追溯到远古时代传感器的历史可以追溯到远古时代, 公元前公元前1000年左年左右右, 中国的指南针、中国的指南针、 记里鼓车已开始使用。记里鼓车已开始使用。 埃及王朝时代开始使用的天平埃及王朝时代开始使用的天平, 一直延用到现在。利用一直延用到现在。利用液体膨胀进行温度测量在液体膨胀进行温度测量在16世纪前后就已出现。世纪前后就已出现。19世纪建立世纪建立了电磁学的

6、基础了电磁学的基础, 当时建立的物理法则直到现在作为各种传当时建立的物理法则直到现在作为各种传感器的工作原理仍在应用着。感器的工作原理仍在应用着。 以电量作为输出的传感器，其发展历史最短以电量作为输出的传感器，其发展历史最短, 但是随着但是随着真空管和半导体等有源元件的可靠性的提高真空管和半导体等有源元件的可靠性的提高,这种传感器得这种传感器得到飞速发展。目前只要提到传感器，一般是指具有电输出的到飞速发展。目前只要提到传感器，一般是指具有电输出的装置。由于集成电路技术和半导体应用技术的发展装置。由于集成电路技术和半导体应用技术的发展, 研究开研究开发了性能更好的传感器。随着电子设备水平不断提高

7、以及功发了性能更好的传感器。随着电子设备水平不断提高以及功能不断加强能不断加强, 传感器也越来越显得重要。世界各国都将传感传感器也越来越显得重要。世界各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术器技术列为重点发展的高新技术, 传感器技术已成为高新技传感器技术已成为高新技术竞争的核心技术之一术竞争的核心技术之一, 并且发展十分迅速。并且发展十分迅速。 表 1 传感器市场结构 展望未来展望未来, 传感器将向着小型化、传感器将向着小型化、 集成化、集成化、 多多功能化、智能化和系统化的方向发展功能化、智能化和系统化的方向发展, 由微传感器、由微传感器、 微执行器及信号和数据处理器总装集成的系统越来微执行

8、器及信号和数据处理器总装集成的系统越来越引起人们的广泛关注。传感器市场将会迅速发展越引起人们的广泛关注。传感器市场将会迅速发展, 并会加速新一代传感器的开发和产业化。并会加速新一代传感器的开发和产业化。 传感器是与人的感觉器官相对应的元件。传感器是与人的感觉器官相对应的元件。 国家标准国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是对传感器下的定义是: “能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成通常由敏感元件和转换元件组成”。 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输

9、敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分入量）的部分; 转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。 图 1 传感器组成方块图 下图为传感器组成方块图，下图为传感器组成方块图， 此图也说明了传感器的此图也说明了传感器的基本组成和工作原理。基本组成和工作原理。敏感元件敏感元件转换元件转换元件信号调节转换电路信号调节转换电路测量电路测量电路电电 源源 电量电量输出量输出量被测量被测量输入量输入量 传感器种类繁多传感器种类繁多, 功能各

10、异。功能各异。 由于同一被测量可用不同由于同一被测量可用不同转换原理实现探测转换原理实现探测, 利用同一种物理法则、化学反应或生物利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器效应可设计制作出检测不同被测量的传感器, 而功能大同小而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域异的同一类传感器可用于不同的技术领域, 故传感器有不同故传感器有不同的分类法（下面列出的分类法（下面列出8种）。种）。表2 传感器的分类2.4.1 传感器的静态特性传感器的静态特性xyxk输入量的变化值输出量的变化值)( 1. 灵敏度灵敏度灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电学量）对输灵敏度是描

11、述传感器的输出量（一般为电学量）对输入量（一般为非电学量）敏感程度的特性参数。其定义为入量（一般为非电学量）敏感程度的特性参数。其定义为 传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比值之比，用公式表示为，用公式表示为 2. 线性度线性度理想的传感器输出与输入呈线性关系。然而理想的传感器输出与输入呈线性关系。然而, 实际的实际的传感器即使在量程范围内传感器即使在量程范围内, 输出与输入的线性关系严格来输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的说也是不成立的, 总存在一定的非线性。总存在一定的非线性。 线性度是评价非线性程度的参数。其定义

12、为线性度是评价非线性程度的参数。其定义为传感器的传感器的输出输出输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比感器满量程输出之比, 称为该传感器的称为该传感器的“非线性误差非线性误差”或或称称“线性度线性度”, 也称也称“非线性度非线性度”。通常用相对误差表示。通常用相对误差表示其大小：其大小：max100%fFSeY 式中，式中，ef为非线性误差（线性度），为非线性误差（线性度），max为校准曲线与理为校准曲线与理想拟合直线间的最大偏差，想拟合直线间的最大偏差，YFS为传感器满量程输出平均为传感器满量程输出平均值，如图值，如图 1.

13、2 所示。所示。图2 非线性误差说明校准曲线拟合直线YYmaxmax(X0,Y0)YFSXmaxXO（2）是传感器输出存在噪声。如果传感器的输出值）是传感器输出存在噪声。如果传感器的输出值比噪声电平小比噪声电平小, 就无法把有用信号和噪声分开。如果就无法把有用信号和噪声分开。如果不加上最起码的输入值（这个输入值所产生的输出不加上最起码的输入值（这个输入值所产生的输出值与噪音的电平大小相当）是得不到有用的输出值值与噪音的电平大小相当）是得不到有用的输出值的的, 该输入值即灵敏度界限。灵敏度界限也叫灵敏阈该输入值即灵敏度界限。灵敏度界限也叫灵敏阈, 门槛灵敏度门槛灵敏度, 或阈值。或阈值。 max

14、100%fFSeY 图 3 迟滞曲线 XYFSY2Y1YO 图图3是这种现象稍微夸张了的曲线。一般来说输入增加是这种现象稍微夸张了的曲线。一般来说输入增加到某值时的输出要比输入下降到该值时的输出值小到某值时的输出要比输入下降到该值时的输出值小, 正如图正如图 3所示。如存在迟滞差所示。如存在迟滞差, 则输入和输出的关系就不是一一对则输入和输出的关系就不是一一对应了应了, 因此必须尽量减少这个差值。因此必须尽量减少这个差值。 各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。如各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。如把应力加于某弹性材料时把应力加于某弹性材料时, 弹性材料产生变形弹性材料产生变形, 应力

15、虽应力虽然取消了但材料不能完全恢复原状。又如然取消了但材料不能完全恢复原状。又如, 铁磁体、铁磁体、铁电体在外加磁场、电场作用下均有这种现象。迟滞铁电体在外加磁场、电场作用下均有这种现象。迟滞也反映了传感器机械部分不可避免的缺陷也反映了传感器机械部分不可避免的缺陷, 如轴承摩如轴承摩擦、间隙、螺丝松动等。各种各样的原因混合在一起擦、间隙、螺丝松动等。各种各样的原因混合在一起导致了迟滞现象的发生。导致了迟滞现象的发生。 2.4.2 传感器的动态特性传感器的动态特性大多数情况下传感器的输入信号是随时间变化的大多数情况下传感器的输入信号是随时间变化的, 这时要求传感器时刻精确地跟踪输入信号这时要求传

16、感器时刻精确地跟踪输入信号, 按照输入信按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时时, 是容易跟踪的是容易跟踪的, 但随着输入信号的变化加快但随着输入信号的变化加快, 传感器传感器随动跟踪性能会逐渐下降。随动跟踪性能会逐渐下降。 输入信号变化时输入信号变化时, 引起输出引起输出信号也随时间变化信号也随时间变化, 这个过程叫做响应。动态特性就是这个过程叫做响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。响应特指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。响应特性即动态特性性即动态特性, 是传感器的重要特性之一。是传感器的重

17、要特性之一。 2.4.3 传感器与变送器的性能描述（指标）传感器与变送器的性能描述（指标） 2.4.4 变送器的输出特性变送器的输出特性 变送器要与计算机连接，使其输出的信号能被计算机接收，变送器要与计算机连接，使其输出的信号能被计算机接收，因此要了解变送器的输出特性。两种输出形式：因此要了解变送器的输出特性。两种输出形式：1. 1. 模拟量输出模拟量输出 当计算机要求的输入电压为当计算机要求的输入电压为0 02V2V时，计算机与变送器的连接时，计算机与变送器的连接图图4.1 4.1 计算机与计算机与0 010mA10mA输出输出 图图4.2 4.2 计算机与计算机与4 420mA20mA输出

18、输出 的的DDZ-IIDDZ-II型变送器连接型变送器连接 的的DDZ-IIDDZ-II型变送器连接型变送器连接 图图4.3 4.3 计算机与计算机与0 02V2V输出输出 图图4.4 4.4 计算机与计算机与0 05V5V输出输出 的的DDZ-IIDDZ-II型变送器连接型变送器连接 的的DDZ-IIDDZ-II型变送器连接型变送器连接 图4.5 计算机与010V输出的DDZ-II型变送器连接 2 2数字量输出数字量输出 一、温度测量仪表的分类 表表4.1 4.1 常用测温仪表的分类及性能常用测温仪表的分类及性能 二、铂、镍、铜电阻温度计 WZPB2二等标准铂电阻温度计4800-419.52

19、7-183-420R0=251R100/Rtp1.3925/1028. 425. 4 )1 (30tRRt三、集成化PN结测温元件 四、热敏电阻温度传感器（半导体热电阻） TX型：用于测量室内及室外温度3060 TZ型：用于测量热水管道水温0100 2TB五、石英晶振温度传感器 型号型号量程（量程（）误差误差(Hz)分辨率分辨率()滞后滞后(s)SQT-BZ-800150.00015SQT-QZ0100100.00015六、常用热电偶 端面铠装直角弯头铠装一体化炉顶炉壁轴承微型耐磨（流化床）炉管刀刃高温高压防腐防爆多点型型 号号分度分度号号成成 份份测量范围测量范围性性 能能应用环境应用环境价

20、价格格铂铑铂铑30铂铂铑铑6B70铂，铂，30铑铑94铂，铂，6铑铑长期使用长期使用1600；短期短期1800室温下热电势极小室温下热电势极小氧化性、中性氧化性、中性介质中介质中高高铂铑铂铑10铂铂S90铂，铂，10铑铑100铂铂长期使用长期使用1300；短期短期1600线性差，在还原介质级线性差，在还原介质级金属蒸汽中使用易于污金属蒸汽中使用易于污染变质，在真空下只能染变质，在真空下只能短期使用。短期使用。氧化性和中性氧化性和中性介质中介质中高高镍铬镍硅镍铬镍硅K镍、铬镍、铬镍、硅镍、硅长期使用长期使用1000；短期短期1200抗氧化性和耐腐蚀性好；抗氧化性和耐腐蚀性好； 热电势与温度近似线

21、性，热电势与温度近似线性，热电势比铂铑铂热电热电势比铂铑铂热电偶高偶高34倍。倍。500氧化、氧化、中性介质中中性介质中便便宜宜镍铬康铜镍铬康铜E镍、铬镍、铬镍、镍、40铜铜200870；750750以上短期以上短期使用使用稳定性好，热电势较相稳定性好，热电势较相同条件下镍铬镍硅热同条件下镍铬镍硅热电偶大电偶大1倍。倍。低温低温0以下以下测量测量；湿度大；湿度大时，较其他热时，较其他热电偶耐腐蚀电偶耐腐蚀低低廉廉铜康铜铜康铜T铜铜镍、镍、40铜铜200300；350350以上短期以上短期使用使用在廉价金属热电偶中精在廉价金属热电偶中精度较高，稳定性好，低度较高，稳定性好，低温测量灵敏度高；由于温测量灵敏度高；由于铜在高温下易氧化，一铜在高温下易氧化，一般