检测技术与自动化仪表-第11～14章.变送.显示.调节.执行课件

1、第三篇 仪表系统分析 第三篇 仪表系统分析 10 仪表系统及其理论分析 11 变送单元 12 显示单元 14 执行单元 13 调节控制单元 12.1 显示仪表工作原理 12.2 传统显示及记录仪表 12.3 数字式显示及记录仪表11 变送单元12 显示单元 11.1 常用变送器工作原理 11.2 DDZ-型差压变送器 11.3 DDZ-型温度变送器 11.4 新型变送器 13.1 常规控制规律 13.2 调节器控制规律的实现 13.3 常规调节器基本电路分析 13.4 可编程序调节器 13.5 先进调节器 13 调节控制单元14 执行单元 14.1 执行器工作原理 14.2 气动执行器 14.

2、3 电动执行器 14.4 调节阀 第三篇 仪表系统分析 第三篇 仪表系统分析 10 仪表系统及其理论分析 11 变送单元 12 显示单元 14 执行单元 13 调节控制单元检测与变送单元执行单元显示单元调节单元(被测)被控对象操作人员典型的工业检测仪表控制系统第三篇 仪表系统分析 第三篇 仪表系统分析 10 仪表系统及其理论分析 11 变送单元 12 显示单元 14 执行单元 13 调节控制单元控制器被控对象测量变送装置+SP执行器420mADC420mADCD/AA/D数字信号自控系统组成数字调节器控制器被控对象测量变送装置+SP执行器420mADC420mADC自控系统组成模拟调节器国际统

3、一信号制的直流电流第三篇 仪表系统分析 第三篇 仪表系统分析 10 仪表系统及其理论分析 11 变送单元 12 显示单元 14 执行单元 13 调节控制单元传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。但传感器的输出信号种类很多、信号微弱并伴有非线性，因此，除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外，多数情况下都要利用变送器来把传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号，送到显示装置以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到控制器再通过执行器对其实现控制。 11 变送单元

4、11.1 常用变送器工作原理 11.1.1 常用变送器结构分析 11.1.2 力矩平衡式原理 11.1.3 桥式电路原理 11.1.4 差动方式原理 11.2 DDZ-型差压变送器 11.3 DDZ-型温度变送器 11.3.1 直流毫伏输入电路 11.3.2 热电偶输入电路 11.3.3 热电阻输入电路 11.4 新型变送器 11.4.1 微电子式变送器 11.4.2 数字式变送器 11.1 常用变送器工作原理 一、变送器的基本特性和构成原理 11 变送单元变送器的输入输出特性通常是指包括敏感元件和变送环节的整体特性 变送器的理想输入输出特性 xmax和xmin分别为变送器测量范围的上限值和下

5、限值ymax和ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值模拟式变送器：ymax和ymin为统一标准信号的上限值和下限值智能式变送器：ymax和ymin为输出数字信号的上限值和下限值 变送器基本的输入输出特性yminymax0(xmin)xmaxyx输出输入一、变送器的基本特性和构成原理 模拟式变送器的构成原理x测量部分Kizi放大器Koy反馈部分Kfzf+零点调整零点迁移+z0测量部分放大器 反馈部分 模拟式变送器的组成：关键环节： 变送器的输入输出关系： 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元一、变送器的基本特性和构成原理变送器的输入输出关系：xKiziKoyKfzf+z0 模拟式变

6、送器的构成原理 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元一、变送器的基本特性和构成原理 数字式变送器的构成原理x检测元件A/D转换CPU通信电路数字信号存储器一般形式x检测元件A/D转换CPU通信电路FSK信号存储器D/A转换采用HART协议通信方式 在一条电缆上同 时传输两种信号：420mADC模拟信号 数字信号参见教材P161图11-23 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元二、变送器的共性问题 量程调整 变送器的调整使变送器输出信号上限值ymax与测量范围上限值xmax相对应 xyxminxmaxyminymax也就是改变变送器 输出信号y与输入信号x 之间的比例系数 量程调

7、整相当于 改变变送器的 输入输出特性的斜率， 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元二、变送器的共性问题 量程调整 变送器的调整使变送器输出信号上限值ymax与测量范围上限值xmax相对应 xyxminxmaxyminymax改变反馈部分的反馈系数Kf 改变测量部分的转换系数Ki 模拟式变送器的量程调整方法：Kf 量程 Ki 量程 数字式变送器量程调整方法：软件实现 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元二、变送器的共性问题 零点调整 变送器的调整xy0 xmaxyminymax零点调整的方法：模拟变送器：调Z0数字变送器：软件使变送器输出信号下限值ymin与测量范围下限值xmin

8、=0相对应 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元二、变送器的共性问题 零点迁移 变送器的调整使变送器输出信号下限值ymin与测量范围下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整；在xmin0时，称为零点迁移。 xyxmaxyminymax0 xminxmaxxminxmax当测量的起始点 由零变为某一负值， 称为负迁移。 零点迁移的方法： 模拟变送器：调Z0 数字变送器：软件当测量的起始点 由零变为某一正值， 称为正迁移； 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元 零点迁移 变送器的调整xyxmaxyminymax0 xminxmaxxminxmax 量程调整二、变送器的共

9、性问题xy0 xmaxyminymaxxyxminxmaxyminymax 零点调整 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元二、变送器的共性问题 变送器的信号传输方式 气动变送器：两根气动管线（气源和信号） 电动模拟式变送器： 二线制 四线制 数字式变送器： 双向全数字量传输信号 HART通讯协议方式 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元RLErrIo+VT二线制变送器(250-2r)24V420mA二、变送器的共性问题 变送器的信号传输方式电动模拟式变送器的信号传输方式 四线制：供电电源和输出电流信号分别用二根导线传输 二线制：供电电源和输出电流信号同时用二根导线传输RLIo电

10、源四线制变送器25024VDC420mADC 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元三、变送器的常用基本工作原理 差动方式原理 力矩平衡式原理 桥式电路原理 11.1 常用变送器工作原理 11 变送单元 11.2 DDZ-III型差压变送器 工作原理：力矩平衡 检测元件：膜盒或膜片 杠杆系统：单杠杆、双杠杆和矢量机构 P测量部分Fi杠杆系统M放大器反馈部分FfIo膜盒式差压变送器构成 11 变送单元主杠杆矢量机构副杠杆二、整机特性 11.2 DDZ-III型差压变送器 11 变送单元二、整机特性Io mAPminPmax420P 变送器的输出电流I0和输入信号P之间呈线性关系 调整调零弹

11、簧可以使变送器输出电流I0 在输入信号范围下限时为4mA 改变tg或Kf可以调整变送器的量程 零点和量程要反复调整 11.2 DDZ-III型差压变送器 11 变送单元 电容式差压变送器 一、组成原理电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件主要包括测量部件和转换放大电路两部分： 测量部分转换放大部分相对变化值 与被测差压P成线性关系 11 变送单元手持通信器3051C型智能差压变送器 电容式差压变送器 二、应用举例手持通信器带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。 11 变送单元 电容式差压变

12、送器 二、应用举例采用智能差压变送器进行流量检测差压传感器：主传感器，测量差压温度、静压传感器：辅助传感器，用于补偿，以提高测量精度 11 变送单元p2p1硅杯正压侧隔离膜片引出线负压侧隔离膜片硅油压阻式传感器示意图 压阻式(扩散硅)压力/ 差压变送器 压阻式（扩散硅）压力/差压变送器构成框图扩散硅压阻传感器前置放大器调零电路V-I 转换PUSU01UZIO检测部分电磁放大部分R1R2R3R4R4R3R1R2EUS 11 变送单元 11.3 DDZ-III型温度变送器 根据输入信号的不同，DDZ-型温度变送器主要有：热电偶温度变送器 热电阻温度变送器 直流毫伏变送器温度变送器原理框图Ui放大器

13、Uf+Uz反馈部分零点调整零点迁移输入回路Xi检测元件TiIO热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流420mA输出热电阻温度变送器：把 信号转换为标准电流420mA输出最终要求 变送器输出电流Io应与被测温度Ti 成线性对应关系 11 变送单元 11.3 DDZ-III型温度变送器 热电偶温度变送器应主要解决： 冷端温度补偿和线性化处理两个内容 热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号， 输入回路即是冷端温度自动补偿桥路， 其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势， 因此补偿电桥上的参数与热电偶分度号有关， 热电偶温度变送器使用时要注意分度号的匹配。 线性化处理电路（略） 热电阻温度变送器应主

14、要解决： 克服引线电阻的影响和线性化处理两个内容 采用三线制输入方式。 线性化处理电路（略） 11 变送单元 一体化温度变送器 一体化温度变送器：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 常用的变送器芯片： AD693、XTR101、 XTR103、IXR100等 变送器模块的正常工作温度： -20+80一体化温度变送器结构框图 11 变送单元 一体化温度变送器 AD693的输入信号Ui为热电偶所产生的 热电势Et与电桥的输出信号UBD之代数和 如果设AD693的转换系数 为K，可得变送器输出 与输入之间的关系为 结论： 变送器的输出电流I0与热电偶的热电势Et成正比关系

15、。 RCu阻值随温度而变，合理选择RCu的数值可使RCu随 温度变化而引起的I1RCu变化量近似等于热电偶因冷端 温度变化所引起的热电势Et的变化值，两者互相抵消。 W1的作用是调零，W2的作用是调满（量程） 11 变送单元I2I1VT1 一体化温度变送器 AD693构成的热电阻温度变送器 采用三线制接法，与热电偶 温度变送器的电路大致相仿， 只是原来热电偶冷端 温度补偿电阻RCu 现用热电阻Rt代替。 AD693的输入信号 Ui为电桥的输出信号 UBD，即： 热电阻温度变送器的输出与输入之间的关系为 ： 11 变送单元 智能式温度变送器 TT302温度变送器是一种符合FF通信协议的现场总线智

16、能仪表 11 变送单元 模拟式显示仪表 电位差计式自动平衡显示仪表 电桥式自动平衡显示仪表 数字式显示仪表 数字模拟混合显示仪表 数字式显示仪表 新型显示仪表 无纸记录仪 虚拟显示仪表 12 显示单元显示仪表：凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。模拟式显示仪表数字显示仪表屏幕显示仪表 一.模拟式显示仪表 电位差计式自动平衡显示仪表电子电位差计原理图工作原理 ？显示仪表组成 测量电路 稳压电源 放大器 可逆电机 指示机构 记录机构 同步电机结构原理图？（参见教材P162） 12 显示单元 一.模拟式显示仪表 电位差计式自动平衡显示仪表电子电位差计原理图XW系列电位差计测量桥路原理

17、图滑线电阻RP与工艺电阻RB始端(下限)电阻RG量程电阻RM上支路限流电阻R4冷端温度补偿电阻R2(RCu)下支路限流电阻R3工作原理 ？ 12 显示单元 一.模拟式显示仪表 电桥式自动平衡显示仪表电子平衡电桥原理图电子平衡电桥结构原理方框图工作原理 ？ 12 显示单元 一.模拟式显示仪表 电桥式自动平衡显示仪表电子平衡电桥原理图电子平衡电桥结构原理方框图电子电位差计原理图比较两种仪表的异同点 ？ 12 显示单元 二.数字式显示仪表 数字模拟混合显示仪表数字模拟混合显示仪表结构原理方框图 12 显示单元 二.数字式显示仪表 数字式显示仪表数字式显示仪表结构原理方框图 12 显示单元 二.数字式

18、显示仪表 数字式显示仪表 准确度、灵敏度高； 读数方便、清晰直观、不会产生视差。 测量速度快，从每秒几十次到每秒上百万次； 仪表的量程和被测量的极性可自动转换， 可自动检查故障、报警以及完成指定的逻辑程序； 可以方便地实现多点测量； 可以与电子计算机配合，给出一定形式的编码输出。 特点 12 显示单元 三.新型显示仪表 无纸记录仪无笔、无纸记录仪结构原理方框图 12 显示单元 三.新型显示仪表 虚拟显示仪表虚拟显示仪表结构原理方框图采样开关模数转换个人计算机实时数据管理数据计算处理多媒体显示显示模式输入通道输入通道插卡 12 显示单元 13 调节控制单元 模拟式控制仪表 DDZ-型调节器数字式

19、控制仪表 SLPC可编程序调节器 一.模拟式控制仪表 基本功能 PID运算功能 测量值、给定值与偏差显示 输出显示 手动与自动的双向切换 内、外给定信号的选择 正、反作用的选择DDZ-型调节器 13 调节控制单元DDZ-型调节器结构方框图 一.模拟式控制仪表 DDZ-型调节器 13 调节控制单元 一.模拟式控制仪表 DDZ-型调节器DTL-3110型调节器正面图 1自动-软手动-硬手动切换开关 2双针垂直指示器 3内给定设定轮 4输出指示器 5硬手动操作杆 6软手动操作板键 7外给定指示灯 8阀位指示器 9输出记录指示10位号牌11输入检测插孔12手动输出插孔 13 调节控制单元 二.数字式控

20、制仪表 实现了模拟仪表与计算机一体化 将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。特点 13 调节控制单元通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，可实现所需的运算与控制功能。具有和模拟调节器相同的外特性 尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号（420mADC，15VDC），可以方便地与DDZIII型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。 二.数字式控制仪表 特点 13 调节控制单元可靠性高，维护方便 在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，同时控制器所用硬件高度集