材料加工测试技术-05-测控仪表

1、材料加工测试技术材料加工测试技术材料加工测试技术材料加工测试技术 张占领张占领河南科技大学材料学院河南科技大学材料学院材料加工测试技术材料加工测试技术第五章第五章 测控仪表测控仪表材料加工测试技术材料加工测试技术5.1.1 材料测试的测控仪表材料测试的测控仪表 本章说的本章说的“仪表仪表”，不是指实验室内通用的电压表、电流表、，不是指实验室内通用的电压表、电流表、示波器之类，也不包括材料测试及新材料制备中用到的特殊、专示波器之类，也不包括材料测试及新材料制备中用到的特殊、专门的仪器仪表或装置。门的仪器仪表或装置。 仪表：仪表：指在过程中对相关参数进行测量、控制所用到的仪器、指在过程中对相关参数

2、进行测量、控制所用到的仪器、仪表和装置仪表和装置(统称仪表统称仪表)。具有通用的规格，应用中仅需合理选用和。具有通用的规格，应用中仅需合理选用和整定即可。整定即可。 分类：分类：检测仪表、控制仪表、显示仪表和记录仪表等。检测仪表、控制仪表、显示仪表和记录仪表等。1）检测仪表）检测仪表 在传感器在传感器(敏感元件敏感元件)基础上，配以适当的测量电路，使变换出的基础上，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。信号直接作测量、显示或供控制使用的装置。 依据被检测参数性质分为：依据被检测参数性质分为：过程量过程量(温度、压力、流量、料位等温度、压力、流量、料位等)检测仪表

3、、检测仪表、机械量机械量(长度、厚度、角度、位移、转速、振动、力、长度、厚度、角度、位移、转速、振动、力、转矩等转矩等)检测仪表、检测仪表、物性与成分物性与成分分析仪表等。分析仪表等。5.1 5.1 概述概述材料加工测试技术材料加工测试技术2）显示和记录仪表）显示和记录仪表 显示仪表：显示仪表：将被测参数变换成易于识别的方式、并表现出来的将被测参数变换成易于识别的方式、并表现出来的装置，也可表示控制和操作的结果。表示方式有指针、位移、光装置，也可表示控制和操作的结果。表示方式有指针、位移、光柱、数码、图形图像等，表示的度量和被测量值呈一定函数关系。柱、数码、图形图像等，表示的度量和被测量值呈一

4、定函数关系。 记录仪表：记录仪表：实时记录或保存仪表测量值的装置，有纸、无纸。实时记录或保存仪表测量值的装置，有纸、无纸。3）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，）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，再按预定规律处理后发出调控信号，操作执行器。再按预定规律处理后发出调控信号，操作执行器。 按处理过程中的核心运算处理方式分：按处理过程中的核心运算处理方式分： 模拟式：模拟式：比例比例P(proportional)，微分，微分D(differential)，积分，积分I(integral)，及其组合。，及其组合。 数字式：数字式：PID数字化，可编程调节器，

5、可编程控制器数字化，可编程调节器，可编程控制器PLC，等。，等。4）执行器：由执行机构和调节机构组成，）执行器：由执行机构和调节机构组成，执行机构执行机构是根据控制仪是根据控制仪表发出的操作指令产生推力或位移的装置表发出的操作指令产生推力或位移的装置(如伺服电动机、气动薄如伺服电动机、气动薄膜或活塞等膜或活塞等)，调节机构调节机构(通称为阀通称为阀)受执行机构操纵去改变操作变受执行机构操纵去改变操作变量量(如电动阀、气动阀等如电动阀、气动阀等)。5.1 5.1 概述概述材料加工测试技术材料加工测试技术5.1.2 我国测控仪表的概况我国测控仪表的概况 按所用能源分：气动，液动，电动按所用能源分：

6、气动，液动，电动 电动表电动表优点优点：采用电子技术，能源简单易得，适于远传，方便：采用电子技术，能源简单易得，适于远传，方便与计算机连接，广泛应用。与计算机连接，广泛应用。 缺点缺点：产生火花，在有粉尘和可燃气体的易燃、易爆环境中有：产生火花，在有粉尘和可燃气体的易燃、易爆环境中有危险。危险。 两种类型：隔爆型，低压、小电流的安全型两种类型：隔爆型，低压、小电流的安全型(安全火花型安全火花型)。 发展历程：简单小型发展历程：简单小型复杂大型；孤立分散复杂大型；孤立分散集中综合。集中综合。 结构：基地式结构：基地式单元组合式单元组合式组件组装式组件组装式计算机测控系统：计算机测控系统：直接数字

7、系统直接数字系统(DM)、监督系统、监督系统(DDC)、监督系统、监督系统(SCC)、现场总、现场总线系统线系统(FCS)。 模拟模拟数字化数字化微机化微机化智能化智能化虚拟化仪表。虚拟化仪表。5.1 5.1 概述概述材料加工测试技术材料加工测试技术1）结构形式）结构形式（1）基地式）基地式 为特定被测量及其量值范围而设计，将测量、记录和简单的调为特定被测量及其量值范围而设计，将测量、记录和简单的调节功能组合在一起的仪表。用于自动化程度不高、控制分散的场节功能组合在一起的仪表。用于自动化程度不高、控制分散的场合。用于现场、孤立工作，故称基地式。合。用于现场、孤立工作，故称基地式。（2）单元组合

8、式）单元组合式 将仪表分成若干单一功能的单元将仪表分成若干单一功能的单元(如变送、调节、显示单元等如变送、调节、显示单元等)，各单元遵循统一的信号制式，可方便地按需连接成仪表，灵活构各单元遵循统一的信号制式，可方便地按需连接成仪表，灵活构成系统。成系统。（3）组件组装式综合控制装置）组件组装式综合控制装置 在单元组合式基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的在单元组合式基础上发展起来的一种功能分离、结构组件化的成套仪表装置。成套仪表装置。 以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术，有若干功能组件以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术，有若干功能组件板，高密度地安插在机柜的组件箱内，在操作显示盘

9、上利用屏幕板，高密度地安插在机柜的组件箱内，在操作显示盘上利用屏幕显示和操作装置集中显示和操作。显示和操作装置集中显示和操作。（4）计算机测控系统）计算机测控系统 测量值经测量值经A/D转换成数字转换成数字进入计算机运算进入计算机运算输出输出5.1 5.1 概述概述材料加工测试技术材料加工测试技术计算机起的作用：计算机起的作用： 一、操作指导一、操作指导 计算机采集参数量值，并计算处理，结果供操作人员选用。计算机采集参数量值，并计算处理，结果供操作人员选用。 二、直接负责测量和控制二、直接负责测量和控制 速度快、功能强大，能同时测控几个、甚至几十个回路。速度快、功能强大，能同时测控几个、甚至几

10、十个回路。 三、监督运行三、监督运行 根据数学模型和采集到的工艺参数，计算出设定值大小，作为控制运根据数学模型和采集到的工艺参数，计算出设定值大小，作为控制运行的模拟控制器的控制目标。行的模拟控制器的控制目标。 四、分散测控、集中操作和管理四、分散测控、集中操作和管理 五、现场总线控制五、现场总线控制 系统使用的现场仪表和执行器均是带有微处理器的智能仪表，除完成系统使用的现场仪表和执行器均是带有微处理器的智能仪表，除完成数据采集和处理，还能完成基本的控制功能；遵守统一的通信协议标准，数据采集和处理，还能完成基本的控制功能；遵守统一的通信协议标准，不同厂家的设备亦可互联互通信息，设备间满足互换性

11、、互联性。不同厂家的设备亦可互联互通信息，设备间满足互换性、互联性。 设备之间及系统间的信息传送和沟通可做到点对点、一点对多点的数设备之间及系统间的信息传送和沟通可做到点对点、一点对多点的数字通信，具有互可操作性。是一种全数字、双向串行、多节点的开放式字通信，具有互可操作性。是一种全数字、双向串行、多节点的开放式通信系统。通信系统。5.1 5.1 概述概述材料加工测试技术材料加工测试技术2）信号类型）信号类型（1）模拟表）模拟表 早期的机械式测控仪表，利用敏感元件感知被测量。如利用双金属片、早期的机械式测控仪表，利用敏感元件感知被测量。如利用双金属片、弹性元件的变形推动指针的温度表、称重表和压

12、力表；弹性元件的变形推动指针的温度表、称重表和压力表；或利用非电量电测技术，由传感器将被测量转换成连续的电模拟量，再或利用非电量电测技术，由传感器将被测量转换成连续的电模拟量，再由电压由电压(电流电流)表指示，还可用放大器等电子电路对模拟量进行比例、微表指示，还可用放大器等电子电路对模拟量进行比例、微分、积分运算，构成调节器。分、积分运算，构成调节器。（2）数字表）数字表 早期：在模拟表的显示环节上采用数字显示，使显示更加清晰和形象，早期：在模拟表的显示环节上采用数字显示，使显示更加清晰和形象，也有利于提高测量的准确度。也有利于提高测量的准确度。 成熟：在仪表中引入微处理器，在仪表的运算和处理

13、过程中以数字为成熟：在仪表中引入微处理器，在仪表的运算和处理过程中以数字为基础。基础。 功能：自动量程切换，自校正功能：自动量程切换，自校正(零点和放大倍数零点和放大倍数)，自补偿，自补偿(温度、压力温度、压力等等)，自检查，自诊断，线性化等。，自检查，自诊断，线性化等。 智能化：具有人的思维能力、推理并作出决策的能力，由此在外界条智能化：具有人的思维能力、推理并作出决策的能力，由此在外界条件变化时能确定正确行动。件变化时能确定正确行动。5.1 5.1 概述概述材料加工测试技术材料加工测试技术 检测仪表及变送器：检测仪表及变送器：为测试和控制提供对象信息的装置，测量为测试和控制提供对象信息的装

14、置，测量与控制系统的基础。与控制系统的基础。 检测仪表：检测仪表：在传感器在传感器(敏感元件敏感元件)的基础上，配以相应的测量电路，的基础上，配以相应的测量电路，使转换出的信号直接用作测量、显示或提供给后续控制使用的装使转换出的信号直接用作测量、显示或提供给后续控制使用的装置。由检出、变换和显示三个环节组成。置。由检出、变换和显示三个环节组成。 检出：由传感器检出：由传感器(敏感元件敏感元件)直接感知被测量，将其转换成适于测直接感知被测量，将其转换成适于测量的信号形式；量的信号形式； 变换：将信号再变换变换：将信号再变换(变换信号形式、由测量电路实现信号处理变换信号形式、由测量电路实现信号处理

15、等等)，使之适于传送；，使之适于传送； 显示：指示和记录测量结果。显示：指示和记录测量结果。 变送器：变送器：将输入信号变换成标准信号输出将输入信号变换成标准信号输出(信号形式和数值范围信号形式和数值范围均符合国际统一标准均符合国际统一标准)，又称输出标准信号的特殊传感器。，又称输出标准信号的特殊传感器。 特点：变换环节有放大器、线性化环节。特点：变换环节有放大器、线性化环节。5.2 5.2 检测仪表及变送器检测仪表及变送器材料加工测试技术材料加工测试技术5.2.1 检测仪表构成原理检测仪表构成原理 检出环节是检测检出环节是检测仪表的主要环节。仪表的主要环节。 直接转换直接转换a， 参比转换参

16、比转换b， 差功转换差功转换c， 反馈式转换反馈式转换d。5.2 5.2 检测仪表及变送器检测仪表及变送器材料加工测试技术材料加工测试技术5.2.2 变送器变送器1）变送器的构成原理）变送器的构成原理 变送器的作用：变送器的作用：将被测量或电信号变将被测量或电信号变换成标准信号输出。换成标准信号输出。（1）线性化环节）线性化环节一、负反馈环节一、负反馈环节 图图5-2a5.2 5.2 检测仪表及变送器检测仪表及变送器材料加工测试技术材料加工测试技术二、用非线性特性的电路二、用非线性特性的电路 在图在图5-2b的电路中的电路中安排非线性特性的电安排非线性特性的电路，其特性正好是传路，其特性正好是

17、传感器特性的反函数。感器特性的反函数。 5.2 5.2 检测仪表及变送器检测仪表及变送器材料加工测试技术材料加工测试技术（2）调零、零点迁移和量程调整）调零、零点迁移和量程调整 调零、零点迁移：调零、零点迁移：被测量在下限被测量在下限Xmin时，变送器输出必须是标时，变送器输出必须是标准信号的下限准信号的下限Ymin。将线性特性起始点从。将线性特性起始点从a点调到点调到a点。点。 调零：调零：Xmin=0，调节量小：图，调节量小：图5-4a中中 ab调到调到ab； 零点迁移：零点迁移：Xmin0，调节量大：图，调节量大：图5-4b中中 ab调到调到ac； 量程调节：量程调节：被测量为上限被测量

18、为上限Xmax时，输出调整为标准信号的上限时，输出调整为标准信号的上限Ymax。改变线性特性的斜率，即主要。改变线性特性的斜率，即主要调节反馈环节的调节反馈环节的F（图（图5-3）来实现将）来实现将c点调到点调到b点（图点（图5-4b）。）。5.2 5.2 检测仪表及变送器检测仪表及变送器材料加工测试技术材料加工测试技术5.2 5.2 检测仪表及变送器检测仪表及变送器c0 00 0材料加工测试技术材料加工测试技术5.3.1 显示、记录仪表的分类显示、记录仪表的分类1）按处理数据种类分）按处理数据种类分 一、模拟显示表一、模拟显示表 以物理模拟方式对被测量实现显示，利用指针偏转或以物理模拟方式对

19、被测量实现显示，利用指针偏转或移动、光柱长短来表示被测量的连续变化。直观方便，精确度不高，抗移动、光柱长短来表示被测量的连续变化。直观方便，精确度不高，抗震性差，机械惯性大。震性差，机械惯性大。 二、数字显示表二、数字显示表 将被测量值的连续变化变换成断续的数字量，并以此将被测量值的连续变化变换成断续的数字量，并以此来显示。准确度高，抗震，反应速度快，缺乏连续性。来显示。准确度高，抗震，反应速度快，缺乏连续性。 三、数模混合显示表三、数模混合显示表 测量电路和数据处理微机化，显示部分模拟方式测量电路和数据处理微机化，显示部分模拟方式连续变化。连续变化。 四、微机化的虚拟式仪表四、微机化的虚拟式

20、仪表 显示部分完全依靠计算机的屏显，可形象显显示部分完全依靠计算机的屏显，可形象显示表盘和指针，数字、图形甚至动态曲线和图像。示表盘和指针，数字、图形甚至动态曲线和图像。2）按结构形式分）按结构形式分 一、开环式一、开环式 图图5-6，测量电路是紧随传感器，测量电路是紧随传感器(敏感元件敏感元件)之后将其转换出之后将其转换出的电量变换成数据处理环节所能接受的量。的电量变换成数据处理环节所能接受的量。 二、闭环式二、闭环式 图图5-7,有反馈环节有反馈环节(后续测量电路后续测量电路),特性取决于反馈环节。特性取决于反馈环节。3）按记录方式分：有纸，无纸。）按记录方式分：有纸，无纸。5.3 5.3

21、 显示、记录仪表显示、记录仪表材料加工测试技术材料加工测试技术5.3 5.3 显示、记录仪表显示、记录仪表材料加工测试技术材料加工测试技术5.3 5.3 显示、记录仪表显示、记录仪表材料加工测试技术材料加工测试技术5.3.2 常用的模拟式平衡结构显示仪表常用的模拟式平衡结构显示仪表 平衡方式有：平衡电桥，电位差计，差动变压器。平衡方式有：平衡电桥，电位差计，差动变压器。 最常见的是与热电阻配用的自动平衡电桥式显示表，和与热电最常见的是与热电阻配用的自动平衡电桥式显示表，和与热电偶配用的自动电位差计式显示表。偶配用的自动电位差计式显示表。1）自动平衡电桥式显式仪表）自动平衡电桥式显式仪表 典型应

22、用：与热电阻配合显示被测温度。典型应用：与热电阻配合显示被测温度。 图图5-8a，不平衡，三引出线制电桥，被测量温度变化使热电阻，不平衡，三引出线制电桥，被测量温度变化使热电阻Rt变化，破坏电桥的平衡，输出反映被测量温度。变化，破坏电桥的平衡，输出反映被测量温度。 图图5-8b，自动平衡电桥式，桥的不平衡输出送入放大器放大后，自动平衡电桥式，桥的不平衡输出送入放大器放大后驱动可逆电动机驱动可逆电动机M，推动可调电阻，推动可调电阻RH滑动头，直至桥恢复平衡。滑动头，直至桥恢复平衡。可调电阻动触头的位置反映可调电阻动触头的位置反映Rt的大小。的大小。5.3 5.3 显示、记录仪表显示、记录仪表材料

23、加工测试技术材料加工测试技术5.3 5.3 显示、记录仪表显示、记录仪表材料加工测试技术材料加工测试技术2）自动电位差计式显示仪表）自动电位差计式显示仪表 典型应用：与热电偶配合，显示热电偶测量的温度。典型应用：与热电偶配合，显示热电偶测量的温度。 电位差计原理：图电位差计原理：图5-9(a)，利用平衡法，由仪表调节出一个电压，利用平衡法，由仪表调节出一个电压与被测量电势与被测量电势Es相平衡，电阻相平衡，电阻RP0的大小可反映的大小可反映Es的大小。的大小。 自动电位差计：图自动电位差计：图5-9(b)，以放大器替代替检流计，以放大器替代替检流计G，将，将UP0和和Es的差别的差别U送入放大器放大后，驱动可逆电机送入放大器放大后，驱动可逆电机M，推动动触头，推动动触头P移移动至动至U=0。指针位置就显示出。指针位置就显示出Es的大小。若指针亦为记录笔，会的大小。若指针亦为记录笔，会在移动的记录纸上画出在移动的记录纸上画出Es的变化曲线。的变化曲线。5.3 5.3 显示、记录仪表显示、记录仪表