过程控制第2章01(仪表组成、误差、安全栅2013)

本节主要内容

检测仪表功能及组成气动和电动仪表信号标准测量误差、真值、精度测量变送中的几个主要问题测量信号的处理

数字滤波安全防爆基础本节内容在系统中的位置过程控制的“眼睛”；许多过程控制系统不能长期使用的主要原因就在于传感器故障！检测仪表功能及组成

功能：用于确定被控变量的当前值（PresentValue）。组成：1.传感器（Sensor）：检测仪表中的首要部件，它直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触）。感受被测参数的变化，并发出与之相适应的信号（电量或非电量）。2.变送器（Transmitter）：将传感器送来的检测信号进行转换、放大、整形、滤波等处理后，调制成相应的标准信号，并输出给控制器采样或进行模拟、数字显示。有时也将传感器和变送电路统称为变送器。变送器的信号标准

电动仪表：4-20mA（可达数km，视带载能力、输入阻抗和线径）；1-5V（近距离传输）。气动仪表：20-100Kpa（100m）。除变送器外，控制器和执行器的信号标准也如此！电动单元组合仪表构成控制系统过程检测仪表的接线方式

电流二线制和四线制电阻三线制通信方式电流二线制、四线制二线制线路简单，节省电缆；四线制仪表的工作电源可为直流，也可为交流。电阻三线制

若仅采用两根导线将热电阻接入电桥，将会由于远距离连接导线的电阻而引入误差。为防止由于远距离接线而造成桥臂不平衡，工程中大量采用三线制：电阻三线制

接法一：接两根电桥线和一根电源线电阻三线制

接法二：接三根电桥线通信方式以HART为例，在一条电缆上同时传输直流4～20mA的模拟信号和数字信号。在直流4～20mA基础上叠加幅值为±0.5mA的正弦调制波作为数字信号，1200Hz频率代表逻辑“1”，2200Hz频率代表逻辑“0”。详见第九章。检测仪表的发展方向目前，自动化仪表及装置向着数字化、模块化、高精度化、小型化和智能化的方向发展，智能化是最重要的特点。与常规仪表相比，智能仪表：测量精度较高；通信功能（现场总线）；远程标定；自诊断功能等。测量误差与真值

测量误差：测量值与真值之间存在的差别。真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。

约定真值与相对真值

约定真值：一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。相对真值：指当高一级标准器的误差仅为低一级的1/3以下时，可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。

仪表绝对误差

绝对误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之差。仪表的绝对误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。

△——绝对误差；M——仪表读数；A——约定真值或相对真值。仪表相对误差与引用误差相对误差：仪表的绝对误差与真值的百分比。最大引用误差（满度误差）：最大绝对误差与仪表量程的百分比：仪表的精度等级：满度误差去掉百分号即是。仪表精度等级

又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。我国仪表精度等级有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。级数越小，精度（准确度）就越高。工业控制用仪表多在0.1～4.0级，。仪表的精度等级应视工艺需求而定，不能片面追求高精度。例题1某换热器的温度控制系统方块图如图。系统的被控参数为出口物料温度，要求保持在（200±20）℃，控制参数为加热蒸汽的流量。说明图中R、E、Q、Y、F所表示的专业术语；

说明U、P、Z的信号范围；

气动执行器的输入、输出各是什么物理量？

例题1说明图中R、E、Q、Y、F所表示的专业术语；例题1说明U、P、Z的信号范围；

例题1气动执行器的输入、输出各是什么物理量？

传感器使用中需注意的问题

信号滞后问题传输距离问题信号抗干扰处理信号滞后问题纯滞后问题，由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等容易引入纯滞后，应力求避免。

测量滞后问题，主要由测量元件本身的特性造成。在系统设计中应尽可能选用快速测量元件。测量信号的滤波处理

过程控制系统中，测量信号往往带有噪声；除传感器本身需考虑抗干扰处理外，还可以采用控制系统软件进行数字滤波处理。数字滤波

数字滤波即程序滤波，通过计算机软件（运算与判断）滤去干扰信号，提高信号的真实性。

常用的数字滤波有如下几种：1.算术平均值滤波2.程序判断滤波3.中位值法滤波4.一阶惯性滤波

算术平均值滤波

又称为递推平均滤波，对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。

程序判断滤波

当时，将Xi作为第i次采样值。当时，应将Xi-1作为第i次采样值。B值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度（温度信号一般取小值，而压力较大）。中位值法滤波

连续采样三次以上的被测值，从中选择大小居中的那个值作为有效的测量信号适用场合：对变化速度不太快的参数，去掉其干扰脉冲。

一阶惯性滤波

实质上是通过计算机的算式来实现动态的RC低通滤波：

传感器的维护问题工业用仪表要定期（如半年）进行校验或标定，校正零点和量程；安全防爆在石油、化工等多个行业，大量存在含有易燃易爆材料的场合（危险区域），如原油及其衍生物、酒精、天然气、金属屑、粉尘、纤维、飞扬物等等。安全防爆是一项综合性技术，与过程控制关系密切。安全防爆意义重大。危险区分类类别级别说明一、气体和蒸汽爆炸危险环境0区连续地出现爆炸性气体环境，或预计会长期出现或频繁出现爆炸性气体的环境区域1区在正常操作时，预计会周期性地（或偶然的）出现爆炸性气体的环境区域，也可能是短时存在的环境区域2区在正常操作时，预计不会出现爆炸性气体的环境，即使出现爆炸性气体，也只是短时间存在的场所二、粉尘爆炸危险环境10区连续地出现爆炸性粉尘混合物，或预计会长期出现或频繁出现爆炸性粉尘混合物的环境区域11区有时会将积留下的粉尘扬起而偶然形成爆炸性粉尘混合物的环境区域防爆技术为了确保电子设备在危险场所安全使用，发展了多种防爆技术：隔爆型（d）油浸型（ｏ）充砂型（ｑ）本安型（i）隔爆型“ｄ”

把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭在一个外壳内；其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙，渗透到壳内的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏；并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃，从而达到隔爆目的。适用于1区和2区。本安型“ｉ”

本质安全防爆仪表的防爆性能不是靠仪表外壳结构或者通气、充气、充油等机械隔离措施获得的，而是电路本身固有的。设备内部的所有电路在标准规定条件下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体。从限制电路中的能量入手，通过可靠的控制电路参数将潜在的火花能量降低到可点燃规定的气体混合物能量以下，导线及元件表面发热温度限制在规定的气体混合物的点燃温度之下。本安型“ｉ”

该防爆型式适用于0区、1区和2区。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。安装在安全区（如控制室内）的非防爆型仪表，需经防爆安全栅与安装在危险区的本安仪表联接。防爆安全栅

安全栅安装在安全场所，一方面传输信号，另一方面将流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合物的点火能量以下。发生故障时，安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。分为齐纳式安全栅与隔离式安全栅两种。齐纳式安全栅与隔离式安全栅

齐纳式（Zener）安全栅，通过快速熔断丝和限压、限流电路实现能量限制作用。隔离式安全栅，使用较多的是隔离变压器式安全栅。与齐纳式安全栅相比，隔离式安全栅具有如下突出优点：隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离。大大增强信号的抗干扰能力。过程控制常见被控参数常见被控参数：温度压力流量液位成分许多工业过程都可以直接或间接地以上述参数实现控制。温度测量方法及测量元件接触式和非接触式常用测量元件：热电偶热电阻半导体热敏电阻集成温度传感器（AD590）接触式测温

测温方法：膨胀式，基于物体受热体积膨胀性质；热电阻式，基于导体或半导体电阻随温度变化的性质；热电偶式，基于热电效应。特点：简单、可靠、精度高；测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。

非接触式测温

测温方法：利用物体辐射能随温度变化的特性，如红外式测温。特点：不会破坏被测介质的温度场，测温上限原则上不受限制；可测运动体温度，如轧钢过程中钢板表面温度；易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响。

类型型式原理测温范围(℃)准确度(℃)特点常用种类接触式膨胀式膨胀-200~6500.1~5结构简单，响应速度慢，适于就地测量汞温度计双金属式温度计压力表式压力-20~6000.5~5具有防爆能力，响应速度慢，测量精度低，适于远距离传送液体压力温度计蒸汽压力温度计热电阻热阻效应-200~8500.0