第三章过程参数检测与变送

第三章过程参数检测与变送1第1页，共108页，2023年，2月20日，星期三第一节过程参数检测概述过控系统被控过程（被控的对象）检测仪表(含传感器和变送器)控制器(调节器)单元仪表执行器单元仪表检测仪表部分是负反馈控制系统不可或缺的一部分，而且是整个系统中的一个重要部分。调节器检测变送

干扰过程调节阀R(s)E(S)U(S)Q(S)C(S)Y(S)-F(S)第2页，共108页，2023年，2月20日，星期三1.敏感元件(Sensor)2.传感器与变送器传感器：将被测物理量转换为电信号的部件。变送器：将被测物理量转换为统一的标准气、电信号的部件,也即输出信号符合标准化要求的传感器。气动单元组合仪表：输出信号为标准压力信号。电动单元组合仪表：输出信号为标准电信号。标准气压信号：20～100Kpa标准电信号：4～20mA，DC（远距离）；1～5V，DC（柜内传输）3.信号转换器气电转换器和电气转换器不同标准信号之间的转换一.基本概念第3页，共108页，2023年，2月20日，星期三

１.仪表的职能（１）基本传递特性,即仪表的工作原理（２）仪表的工作特性,即仪表在系统设计及其运行中可发挥的潜在能力,是应用特性,是基本知识二.自动化仪表工作特性第4页，共108页，2023年，2月20日，星期三ByyupyinfKmK’myxB’xBxxinfxup量程：与仪表规定输出范围相对应的被测物理量范围。Δy=yup-yinfΔx=xup-xinfBx=xup-xinf称为量程，亦即被测物理量的上限与下限代数差，它是有物理量纲的，如压力或温度等。用By代替Δy,是一个标准化的物理量。２.量程及其调整另外，令km=By/Bx，为测量仪表的传递特性。一般来说，在单元仪表的实体构造中，都具有针对量程调整的量程调整机构。实际上，调整量程就是改变仪表传递特性。第5页，共108页，2023年，2月20日，星期三是仪表和变送单元另一个重要的工作特性，使仪表在应用中具有更大的灵活性和更强的适应能力。BxB’xBxBxyinfyupykmk’mkmkmxqxqXq=0+-XinfXupx03.零点及其迁移零点：检测的起始点，即与检测仪表输出下限值yinf相对应的被测物理量的最小值，用xq表示。一般来说，在检测变送单元仪表的实体结构中，有零点大小和方向的调整机构，即零点迁移机构。第6页，共108页，2023年，2月20日，星期三三.误差概念１.测量误差与真值测量误差：测量值与真实值之间存在的差别。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。2.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。第7页，共108页，2023年，2月20日，星期三3.仪表读数误差读数误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之差。仪表的读数误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。△=M-A△——读数绝对误差；M——仪表读数；A——约定真值或相对真值。4.仪表绝对误差与相对误差绝对误差：在测量范围内，各读数误差的最大值。相对误差：仪表的绝对误差与真值的百分比。引用误差：绝对误差与仪表量程的百分比。第8页，共108页，2023年，2月20日，星期三5.仪表基本误差这是指在仪表制造厂保证的条件下仪表的相对误差值，即规定使用条件下的相对误差。规定使用条件：包括温度、相对湿度、电源电压、安装方式等。6.仪表的附加误差附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。如电源波动附加误差，温度附加误差等。第9页，共108页，2023年，2月20日，星期三7.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：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、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。科学实验用的仪表精度等级在0.05级以上；工业检测用仪表多在0.1～4.0级，其中校验用的标准表多为0.1或0.2级，现场用多为0.5～4.0级。第10页，共108页，2023年，2月20日，星期三8.仪表的灵敏度仪表的灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化△α与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量△x之比，用S表示灵敏度。9.仪表的灵敏限指能够引起仪表指示值（输出信号）发出变化（动作）的被测参数（输入信号）的最小（极限）变化量。与灵敏度是不同的概念。第11页，共108页，2023年，2月20日，星期三测量变送中的几个主要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。测量滞后问题主要由测量元件本身的特性造成。在系统设计中可选用快速测量元件。信号传送滞后问题主要是指QDZ仪表气压信号在管路传送过程中所造成的滞后。第12页，共108页，2023年，2月20日，星期三测量信号的处理测量信号噪声（干扰）的滤波测量信号的校正对测量信号进行线性化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。在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰常用的数字滤波有如下几种：算术平均值滤波、程序判断滤波、中位值法滤波和一阶惯性滤波等。第13页，共108页，2023年，2月20日，星期三1.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。2.程序判断滤波当时，则Xi为输入计算机的采样值。当时，应将Xi-1采样值作为第i次采样值输入计算机。B值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度3.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。4.一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。第14页，共108页，2023年，2月20日，星期三智能仪表自动化仪表及装置向着智能化、数字化、模块化、高精度化和小型化的方向发展，智能化是最重要的特点。与常规仪表相比，智能仪表：测量精度高自动校准自动修正误差自诊断的能力允许灵活地改变功能，实现高级控制。第15页，共108页，2023年，2月20日，星期三例题1下图是乙烯裂解气温度控制系统。采用液态丙烯，使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯流量使温度控制在（15±1.5）℃。第16页，共108页，2023年，2月20日，星期三指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？试画出该控制系统的组成方块图。试比较示意图和方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向有什么不同。第17页，共108页，2023年，2月20日，星期三被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操纵变量为气态丙烯的流量。在示意图中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。第18页，共108页，2023年，2月20日，星期三例题2某换热器的温度控制系统方块图如下图。系统的被控变量为出口物料温度，要求保持在（200±20）℃，操纵变量为加热蒸汽的流量。说明图中R、E、Q、C、F所代表的专业术语内容。说明Z、I、P的信号范围。气动执行器的输入、输出各是什么物理量？第19页，共108页，2023年，2月20日，星期三R为给定值，E为偏差（E=R-Z），Q为操纵变量，C为被控变量，F为干扰变量。Z的信号范围为4～20mADC，I的信号范围亦为4～20mADC，P的信号范围为20～100kPa。气动执行器的输入信号为20～100kPa的气压信号，输出信号为加热蒸汽的流量。第20页，共108页，2023年，2月20日，星期三第二节温度检测与变送温度：表征物体冷热程度的一个物理量。温标：将温度数值化的一套规则和方法，温标有起点、单位和方向。温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。

摄氏(Celsius)：℃,水的冰点0度,沸点100度,间隔100等分,每等分为1度。华氏(Fahrenheit)：ºF,水、冰、盐的混合物为0度,人类体温为100度,水的冰点为12度,水的沸点为212度,其间隔180等分,每等分为1度。开氏(Kelwen)：ºK,摄氏-273.15度为绝对0度,水沸点373.15度,间隔100等分,每等分为1度。华氏与摄氏温标换算公式一.温度传感器1、关于温度第21页，共108页，2023年，2月20日，星期三2.非电参数温度传感器(1)液体感温膨胀原理

如水银和酒精温度计，一般可就地刻度显示，也可做成简单位式温度传感输出。(2)固体感温膨胀原理如双金属片测温仪，一般也是就地刻度显示或者做成简单位式温度传感输出。(3)压力式温度传感器一般是指气、液态物质受热后，体积膨胀引起压力升高再转换成机械位移输出或显示。其原理是基于机械膨胀。第22页，共108页，2023年，2月20日，星期三压力敏感元件弹簧管、膜盒、膜片、波纹管，可应用于位式输出，典型应用是在电冰箱的温度控制。特点精度较低响应慢简单可靠价廉是本质安全型仪表，在生产部门大量生产和使用第23页，共108页，2023年，2月20日，星期三103245弹簧管温包连杆及扇齿游丝刻度盘感温材料弹簧管温度传感器图第24页，共108页，2023年，2月20日，星期三这一变送器是根据力反馈平衡原理工作的，这也是过程控制自动化仪表的基本工作原理，特点是气动和本安防爆。但此装置的各部件的机械加工要求比较困难。量程调整零点迁移支点膜片测量波纹管反馈波纹管气动功率放大器气源气动输出信号20---100Kpa温包喷嘴挡板杠杆毛细管气动压力式温度变送器第25页，共108页，2023年，2月20日，星期三3.电参数温度传感器热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、线性关系；稳定性和复现性较好；响应时间较快；测温范围宽，高温热电偶测温上限可达2800℃；测温精度高，使用范围广。（1）热电偶特点第26页，共108页，2023年，2月20日，星期三EAB(t,t0)=eAB(t)+eBA(t0)≠0t≠t0在t0为常数时(及冷端温度稳定不变),温度t与热电势是一个单值对应关系热电势热电偶传感器电路工作特性在实际工作中,存在影响被测温度正确传感的物理特性,要采取必要的技术措施,即冷端补偿和延长导线，设在冷端引进一个参考温度t0(比如0℃),则有下述表示:EAB(t,t0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,t0)即EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)EAB(t,0)为标准热电势,由此求得t才是真实的被测温度^^^mVt热端ABt0t0C冷端热电偶是将两种材质不同的导体或半导体在其端点实现物理接触构成回路,当回路两端点温度不同时,回路中就会出现热电势第27页，共108页，2023年，2月20日，星期三热电偶冷端补偿只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数：E（T，0）=E（T，Tn）+E（Tn，0）热电偶的冷端温度补偿：只有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。热电偶冷端补偿方法冷端温度保持为0℃；冷端温度修正法，包括温度修正法T=T‘+kT和热电势修正法（查表法）；冷端温度自动补偿法，包括补偿电桥法和pn结补偿法；补偿导线法。第28页，共108页，2023年，2月20日，星期三冷端处理：以冷端温度t0固定不变为目标的措施冷端补偿：以输出为标准热电势EAB（t，t0）或EAB（t，0）的技术∧mVt+-ABA’补偿导线B’t0冰水液铜导线.A’补偿导线B’A+B-tRCURPR’E铜导线abt0rru测量较低温度的热电偶,材质低廉,可用与热电偶同材质导线来延长,测量较高温度的热电偶,材质昂贵,则要根据热电偶材料A和B的热电特性选配特制的廉价合金导线来实现冷端的延长,称为补偿导线关于冷端延长和冷端补偿第29页，共108页，2023年，2月20日，星期三.A’补偿导线B’A+B-tRCURPR’E铜导线abt0rru设R’远大于任何其它电阻,E和R’形成恒流电桥,I’=E/R’,若r>>RCU、RP,电压uab为Uab=1/2*I’(RCU-R’P)而RCU=R0(1+α(t0-t0))=R0(1+αt0)^t0=0(℃)^(0≤t0≤150)RCU(t0)=R0t0=0α为铜电阻的温度系数,铜电阻适合于环境温度的传感Uab=1/2*I’[R0(1+αt0)-R’P]令RP0=R0ΔRP=R’P-RP0=R’P-R0则uab=1/2*I’[R0（1+αt0）-（R0+ΔRP）]=1/2*I’（R0αt0-ΔRP）=1/2*I’R0αt0（R’P=R0,或ΔRP=0

）=uab（t0，R0）=uab,c

即为铜电阻

对t0的传感

第30页，共108页，2023年，2月20日，星期三E.A’补偿导线B’A+B-tRCURPR’铜导线abt0rruu=EAB(t,t0)+uab（t0，R0）=EAB(t,t0)+1/2*I’R0αt0

为了实现冷端补偿,应该满足下式:1/2*I’R0αt0=EAB(t0.m,0).t0这样一来,R0=＾2αEAB(t0.m,0)＾＾I’按此配置铜热电阻,就能实现:u=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)=EAB(t,0)亦即u为标准热电势＾一般制造商随产品附送热电偶的标准温度—热电势数据亦即EAB(t,0)，而在环境t0下为EAB(t0,0),可表示成:EAB(t0,0)=E0·m·t0且E0·m=EAB(t0,0)=EAB(t0.m,0)＾＾＾＾＾＾＾t0=maxt0＾于是EAB(t0,0)=EAB(t0.m,0).t0第31页，共108页，2023年，2月20日，星期三Uab=1/2(I’R0αt0)-1/2(I’ΔRP)uq=1/2(I’ΔRP)＾在冷端补偿实现后,有下式:Uab=uab,c-uq=EAB(t0,0)-uquq称为零点电压,也为毫伏级调整ΔRP的大小，可实现零点迁移整个输出信号u=EAB(t,0)-uq＾当ΔRP>0(即R’P>R0)时,uq>0称为正迁移,用uq+表示当ΔRP<0(即R’P<R0)时,uq<0称为负迁移,用uq-表示当ΔRP=0,uq=0,则为无迁移红线条为热电偶标准特性曲线零点迁移在其他单元仪表中也有相应技术措施产生类似特性u(mV)t(℃)EAB(t,0)＾Uq-Uq+QQ-Q+tq讲电路实现方法,电桥电路利用R0的设计和R’P配合(R’P=RP0=R0)实现冷端补偿,还可调整R’P使R’P-RP0=ΔRP≠0来实现零点设置或迁移,前已得:零点迁移第32页，共108页，2023年，2月20日，星期三由图可见，热电偶有上翘的非线性特性，且测温范围也各不相同5040302010EAB（mv）t(102℃)246810121416180-5-2铂铑30

-铂铑6铂铑10-铂

镍铬-镍硅(镍铝)铜-康铜生产厂以分度表形式给出，严格保证冷端温度为摄氏零度的EAB(t,0),由分度表绘制的EAB(t,0)---t曲线如下图：常用热电偶的标准热电势---温度曲线第33页，共108页，2023年，2月20日，星期三工业常用热电偶标准型热电偶：按国家规定定型生产、有标准化分度表的热电偶。铂铑30-铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号B）；铂铑10-铂电偶（分度号S）；镍铬-镍硅（镍铬-镍铝，分度号K）热电偶；镍铬-康铜（镍铬-铜镍，分度号E）热电偶。铠装热电偶将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；细：一般直径为1～8mm；长：长度一般为1～20m；具有体积小、精度高、动态响应快、可靠性高、可挠性好、通常不用补偿导线等特点，特别适合于温度控制系统。第34页，共108页，2023年，2月20日，星期三（2）热电阻在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。特点第35页，共108页，2023年，2月20日，星期三热电阻的材料要求一般要求工业热电阻的材料应具有：电阻温度系数大；电阻率大；热容量小；在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；良好的复制性；电阻随温度的变化呈线性关系等。常用热电阻材料目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍；我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。第36页，共108页，2023年，2月20日，星期三热电阻温度传感器导体型(金属或合金)电阻温度传感器半导体型电阻温度传感器特点:灵敏度高,测温范围比热电偶小,有分度表,表中W100=R100/R0是重要参数材质分度号0℃时的电阻值R0(Ω)名义值允许误差测温范围电阻比W100

名义值

允许误差铜Cu5050±0.05Cu100100±0.1-50--150℃1.428±0.002铂Pt10Pt10010A级:±0.006

10B级:±0.012100A级:±0.06

100B级:±0.121.385±0.001镍Ni100100±0.1Ni300300±0.3Ni500500±0.5-60--0℃1.6170--180℃±0.003工作原理及特性参数-200--850℃第37页，共108页，2023年，2月20日，星期三01234-2000200400600800t(℃)Rt/R0PtCuNi铜质热电阻计算公式Rcu(t)=R0(1+At+Bt2+Ct3)R0:0℃时的铜电阻值(Ω)A=4.28899×10-3/℃B=-2.133×10-7/℃C=1.233×10-9/℃近似为:Rcu(t)≈R0(1+αt)α≈A=4.29×10-3/℃铂热电阻计算公式当在-200---0℃范围内:RPt(t)=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]当在0---850℃范围内:RPt(t)=R0(1+At+Bt2)R0也是0℃时的电阻值A=3.90802×10-3/℃B=-5.802×10-7/℃2C=-4.2735×10-12/℃3镍质热电阻尚无分度表和计算公式绘制温度---电阻

特性曲线如右图:第38页，共108页，2023年，2月20日，星期三电位差计rWrWrWrWR(t)电流源Gu热电阻四线接法rWrWrWR(t)热电阻三线接法=E连线电阻rw电源显示仪表R(t)二线接法热电阻I连线结构rWrWrW热电阻rrR’ERP’u三线法接入电桥R(t)第39页，共108页，2023年，2月20日，星期三I=ER(t)+rw=ER(t).R(t)R(t)+rw=I＾.R(t)R(t)+rw＾I为回路电流的方法真值,则电流的相对误差:此即为由rw引起误差的定量表示Δu是热电阻的实际传感工作信号,而δ(u)为电流源波动引起的误差,Δu为热电阻的传感理想输出信号,可以看出,保持I的稳定是重要条件

四线接法中,设电位差计的输入阻抗足够高,则:u=IR(t)设电流源是理想的,即是衡流源I,则:u=IR(t)＾＾＾＾＾u0=IR0Δu=u-u0＾＾＾＾＾=I[R(t)-R0]=IΔR(t)＾若考虑电流源也存在误差,即I=I±δIΔuu0＾=δΙΙ＾Ι＾＋ΔR(t)R0则亦即:Δu=R0δI+ΔR(t)=δ(u)+Δu＾＾＾＾γ(I)=(I-I)/I=1/[1+R(t)/rw]两线接法中,rW给测量结果造成影响:在三线制接法中,两条引线接入相邻两桥臂,影响抵消,

R’P和r的作用与前述相同,三线制是自动化仪表常用接法。第40页，共108页，2023年，2月20日，星期三半导体热敏电阻的特性主要参数有:标称阻值RH(25℃,Ω)温度系数α(20℃,℃-1)散热系数H(W.℃-1)时间常数τ04080120160180t(℃)101102103104105106107108NTCPTCCTR半导体热敏电阻集成温度传感器负温度系数(NTC)正温度系数(PTC)临界型(CTR)半导体温度传感器3.其他温度传感器半导体温度传感器,它目前在自动化仪表中不是测温主流器件,而是作电路的温度补偿或小范围温度测量。第41页，共108页，2023年，2月20日，星期三集成温度传感器利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。特点：体积小；热惯性小、反应快；测温精度高；稳定性好；价格低等。分电压型和电流型两种，电压型温度系数约10mV/0C；电流型温度系数约1μA/0C。AD590两端元件；供电电压：直流（+4~+30V），1.5mW(+5V)；高阻抗（710MΩ）输出；00C时输出273.2μA；温度系数1μA/0C；测温范围-55~+15000C；使用范围广泛。第42页，共108页，2023年，2月20日，星期三温度变送器是自动化仪表的重要单元仪表,属于电动温度变送器。它可与热电偶或热电阻传感器配接,输出信号是标准毫安级电流,电动温度变送器输出有0--10mA(国产DDZ-Ⅱ)和4--20mA(DDZ-Ⅲ)两种标准形式。二.温度变送器第43页，共108页，2023年，2月20日，星期三输出为4-20mADC(DDZ-Ⅲ)温度变送器介绍a.电路采用集成运算放大器,可靠性高,稳定性好,体积小b.采用单元体系的设计方法,提供了通用和专用的灵活性,放大器为通用;而热电偶,热电阻和直流毫伏型为专用接入量程单元。c.在热电偶和热电阻的接入模块中,采用了线性化电路,变送器输出信号与被测温度呈线性关系,方便了应用和与系统的配接。d.仪表采用了统一的直流24VDC集中供电,变送器内无电源。e.采取了安全火花(火花能量抑制)防爆措施,可以在具有爆炸危险场合进行温度或直流毫伏信号的检测。（1）变送器构成（2）量程单元（3）放大单元a.直流毫伏量程单元b.热电偶电势量程单元c.热电阻量程单元第44页，共108页，2023年，2月20日，星期三1、变送器构成原理量程单元:在输入回路中有针对热电偶、热电阻和毫伏输入形式专用电路,能实现热电偶的冷端补偿、热电阻三线接入及零点迁移、量程调整在反馈回路中有热电偶和热电阻非线性校正的线性化电路。放大单元:主要功能是信号放大,采用高性能集成运算放大器,隔离输出是为了防爆性能的实现。另外,放大单元接受24VDC外部供电,经直-交-直变换、滤波,向输入回路、集成运放和功率放大电路提供直流电源。输入回路反馈回路整流滤波集成运放DC/AC/DC功率放大隔离输出量程单元放大单元Vi+-VfVzIu24V第45页，共108页，2023年，2月20日，星期三C1C2R1R2R3R4R5R6R7RP1VD1VD2RP’1uzRf2Rf1RP’fRP”fRPf+-uiu’zu’fuf量程单元放大单元+-uFuT输入电路零点迁移电路反馈电路A2ui由任何传感器或敏感元件提供,电阻R1、R2和VD1、VD2起限流作用,R1、R2和C1也起滤波作用。uf是由放大单元输出经隔离提供，RPf用于量程调整，即调反馈大小。电桥部分还是为了零点迁移。2、量程单元工作原理a.直流毫伏量程单元第46页，共108页，2023年，2月20日，星期三R’P1+R3R5=μR6+Rf2+RP’fR6+Rf2+RPf+Rf1=βR6R5=γ且A2是理想,即满足虚短和虚断,uT=uFuf=β[ui+(μ-γ)uZ]则在放大单元电路中已经设计为u0=5uf这样一来,u0=5β[ui+(μ-γ)uZ]由标准信号的规定,当ui=0V时,u0=1VDC可配合调整RP1和RPf来实现R5＞＞R3+(RP1∥R4)R5=R7R7＞＞R6R1＞＞R2+RPf条件则有:uT=ui+R’P1+R3R5uZuF=R6+Rf2+RP’fR6+Rf2+RPf+Rf1uf+R6R5uZ对反馈部分作一推导：第47页，共108页，2023年，2月20日，星期三设KA=∞，则要y=x,即电信号大小代表测量的温度（Iout=t℃),须xfa(·)=yfb(·)及fa(·)=fb(·),需在反馈回路中设计与热电偶非线性特性(由分度表决定)相等或近似功能电路实现非线性补偿。下图分四段实现fa（·）x热电偶特性KAfb（·）+-yufEi线性化校正b热电偶电势量程单元非线性校正原理：第48页，共108页，2023年，2月20日，星期三RCuR1R2R3R4R5R6R7uZRP1Rf23RPfRf22Rf21Rf20Rf2Rf19VD1VD2C1C2VD5VD4VD3VD67891011121314151617VD7Rf6+-A2+-A1Rf3Rf4Rf5VTuf+-EiUauRf18第49页，共108页，2023年，2月20日，星期三★当uf=0时,ua=0,在uf↑时,ua↑但VD3,VD4,VD5未导通时,A1为比例放大Ua=Rf20+R’f21Rf20+R’f21+Rf19Rf8+Rf18+Rf7Rf8uf其中R’f21为Rf21与Rf22,RPf,Rf23,RP1,R6,R5,R7的并联阻值非线性校正电路分析+-u11918782ufRf20Rf21Rf22A1ua在反馈回路复制的特性ufua第50页，共108页，2023年，2月20日，星期三★当uf增加使ua大于基准电压和VD3稳压起点,VD3导通,此时相当电路为:+-u119189782ufRf20Rf21Rf22A1uaufuf

Rf7Rf8Rf9+uf+ufRf8=u1-uf

Rf7R

f8+ufR

f18由图得出:第51页，共108页，2023年，2月20日，星期三由此解出u1与uf的关系,再得出ua与uf的式子:ua=Rf20+R’f21Rf20

+R’f21+Rf191+Rf18Rf9Rf7+Rf8

+Rf18Rf8uf在反馈回路复制的特性ufuaUa=Rf20+R’f21Rf20+R’f21+Rf19Rf8+Rf18+Rf7Rf8uf第52页，共108页，2023年，2月20日，星期三★当uf继续增加,VD4导通,则使其斜率更高★当uf继续增加,VD5导通,此时与前述不同,因本支路与负载并联,Rf19上压降增加,使斜率降低在反馈回路复制的特性ufua第53页，共108页，2023年，2月20日，星期三三线接入,线性化tRtR0-200020040060080001234铂电阻的温度电阻特性：由于随t↑，uf↑送入Rt使得IRt↑则A2同相端电压增加，则校正了热电阻的类饱和特性Rt+-R2R4R5RP1R3A2Rf3RPfRf2ufRf4uzVD1---VD4测温现场C.热电阻量程单元第54页，共108页，2023年，2月20日，星期三+-+-A2Ra1VTa1VTa2Ra2Rf1Cf1Tr2VDO1--VDO4VDf1--VDf4Tr3RO1CO1VDO5VDO6VDO7RO2+-+-1--5V4--20mAVDS11VDS12RS8RS9RS7RS6CS2CS3VDS5VDS10VDS9VDS8VDS7VDS6Tr1VT1VT2RS3RS2RS5RS4RS1VDS1--VDS4CS124VDC/AC/DC变换电路运放功放反馈回路输出回路••••3、放大单元第55页，共108页，2023年，2月20日，星期三1.仪表精度等级应符合工艺误差要求2.选型应操作方便,可靠,经济,合理考虑,在同一工程中减少仪表品种规格。3.仪表的测温上下限值应大于实际测温范围(10%),但不能太大，30%以下的刻度原则上最好不用。4.热电偶是较常用的测温元件,但要注意补偿导线应与热电偶一致。5.测温元件的保护套管的选用应根据使用温度以及被测介质的特性确定。三.测温仪表工程应用选型原则第56页，共108页，2023年，2月20日，星期三温度仪表操作条件指示地点测量范围液体温度计操作要求测量范围测量范围压力表式温度计双金属温度计铜电阻铂电阻铜----康铜镍铬--康铜镍铬--镍硅铂铑--铂铂铑--铂铑一般现场＜50℃精度高就地集中一般热电偶热电阻-200---+150℃-50---+150℃-200---+150℃＞2000℃0---1600℃0---1400℃0---600℃0---1100℃0---1600℃-200---+650℃0---300℃辐射温度计特殊热电偶吹气热电偶耐磨热电偶多点(支)热电偶铠缆热电偶特殊热电阻室温热电阻高压热电阻微型热电阻油罐平均温度计振动及腐蚀场合反应器等煤层温度磨损强场合H2浓度＞5%(＞870℃)恒温室冷库等高压管道设备轴瓦表面温度油品平均温度特殊远传0---1600℃第57页，共108页，2023年，2月20日，星期三吹气热电偶：通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出保护管外，从而提高热电偶寿命。是30万吨合成氨装置中不可缺少的测温装置。

第58页，共108页，2023年，2月20日，星期三耐磨热电偶：适合于电厂球磨机及磨煤机等对保护管磨损严重的场合。

第59页，共108页，2023年，2月20日，星期三多点热电偶：适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。

第60页，共108页，2023年，2月20日，星期三铠装热电偶：通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的0°C~1300°C范围内液体，蒸汽和气体介质以及固体表面温度。

第61页，共108页，2023年，2月20日，星期三防爆热电阻：隔爆产品接线盒（外壳）在设计上采用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间，壁厚和机械强度，橡胶密封圈的热稳定性均符合国家防爆标准。所以当接线盒内部的爆炸性混合气体发生爆炸时，其内压不会破坏接线盒，而由此产生的热能不能向外扩散--传爆。

第62页，共108页，2023年，2月20日，星期三接触测温元件的安装原则测量流动介质（管道内）温度时，应保证传感器与介质充分接触，与被测介质成逆流状态（至少呈正交式）安装。

感温点应处于管道中流速最大的地方。

尽可能增大传感器的插入深度，温度计应斜插或在管道弯头处插入。

当测温管道过细（直径小于80㎜）时，安装测温元件需加装扩充管。

热电偶及热电阻在安装时，应使其接线盒的面盖向下，以免雨水或其他污物渗漏。

安装在负压管道上的温度计，必须要保证良好的密封性，以防外界冷空气进入。

用热电偶测量炉膛温度时，应避免与火焰直接接触；避免把热电偶安装在炉门旁或与热物体距离过近之处。接线盒不应碰到被测介质的器壁，以免热电偶冷端温度过高。第63页，共108页，2023年，2月20日，星期三第三节压力检测与变送1、压力压力指均匀、垂直地作用在单位面积上的力。

压力的表示方式有三种，即：绝对压力、表压力、负压或真空度。

绝对压力是物体所承受的实际压力，其零点为绝对真空。

表压力指高于大气压力时的绝对压力与大气压力之差。

真空度（负压）是大气压力与低于大气压力时的绝对压力之差。

压力的单位是帕斯卡（Pascal），简称帕（Pa）。

一.压力概念与测压原理第64页，共108页，2023年，2月20日，星期三压力入口固定端端面形状压力入口硬中心固定端压力入口固定端硬中心它们的基本原理都是基于机械弹性变形原理。2、测压原理传统弹性敏感元件：弹簧管,膜盒,波纹管。第65页，共108页，2023年，2月20日，星期三基于单晶硅的压阻效应而工作精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单

压阻式压力传感器(变送器)

新型测压敏感元件:另外还有振动筒(弦,膜等)测压元件电容式压力传感器(变送器)第66页，共108页，2023年，2月20日，星期三※噴嘴挡板结构与特性当δa≤δ≤δb时，近似为直线：防爆场合,将被测压力转换为0.2---1.0kgf/cm2气动信号pB(δ)=PBb-PBaδb-δa+pBb(δ-δa)pBppBbpBaδδbδaab1、气动压力变送器δpBpS二.力平衡式压力变送器第67页，共108页，2023年，2月20日，星期三※气动放大器pBpS输出pO大气气源00.20.40.60.81.0Po(kg/cm2)pBbpBapBpBδδbδaab0几个名词:节流孔、锥阀、球阀、膜片第68页，共108页，2023年，2月20日，星期三变送器系统框图pK1K2

PS气源压力δδ噴嘴挡板气动放大PBa迁移机构L1L2L3L4A1A2弹性支撑POPO测量元件杠杆反馈元件滑块kqA1L3L11L41kK1K2A2L2apfqffMqM1+-Mi+-Mff4fBδpBpO※传感与压力变送器的整体结构和工作原理第69页，共108页，2023年，2月20日，星期三pK1K2

PS气源压力δδ噴嘴挡板气动放大PBa迁移机构L1L2L3L4A1A2弹性支撑POPO测量元件杠杆反馈元件滑块是一个典型单杠杆力矩平衡式仪表,忽略由挡板微小位移而引起的弹性元件弹力变化后,杠杆上力矩平衡方程式为:ΔpA1L1=POA2L2-F弹L3或PO=(A1L1/A2L2)ΔP+(F弹L3/A2L2)ΔpA1L1----测量力矩,N.mPOA2L2----反馈力矩,N.mF弹L3-----零点弹簧力矩,N.m等号后第一项是输入ΔP和输出PO的比例变换也即仪表的量程项,第二项是零点项,量程调整是改变反馈波纹管的位置,即改变L1和L2的比例关系,而零点调整是改变弹簧的弹力F弹,由于上式两项都含有L2,所以调量程时其零点受影响,但调零点时因F弹只包含在第二项,理论上不影响仪表量程第70页，共108页，2023年，2月20日，星期三PO=KA1+KAKB(Kip-Kqa)KA=K1K2kL4KB=L2A2Ki=L1A1Kq=L3kqPO与P和a都有关系,操作a等效于某个Pq的人为输入即迁移量设M1-Mq=0即Kipq=Kqa或a=(Ki/Kq)PqkqA1L3L11L41kK1K2A2L2apfqffMqM1+-Mi+-Mff4fBδpBpOPO=KA1+KAKB(Kip-KiPq)=KA1+KAKBKi(p-pq)=KG(p-pq)第71页，共108页，2023年，2月20日，星期三maxpo=KG(maxp-pq)minpo=KG(minp-pq)max△po=KG(maxp-minp)=KGBDp(量程)po是标准化信号0.2---1.0kgf/cm2,则BDp=亦即操作滑块位置L2就可改变量程;Po又可写成:0.8KGPo=max△poBDp(p-pq)或P=BDpmax△poPo+Pq当KAKB＞＞1时,Po≈(Ki/KB)(P-Pq)=(A1/A2)(L1/L2)(P-Pq)BDp≈maxΔPo(A2/A1)(L2/L1)=kdL2也即量程与L2成正比例BD1BD1BD2Pq1Pq2Po(kgf/cm2)1.00.80.20.60.40P(kgf/cm2)气动压力变送器工作特性PO=KA1+KAKB(Kip-KiPq)=KA1+KAKBKi(p-pq)=KG(p-pq)KA=K1K2kL4KB=L2A2Ki=L1A1Kq=L3kq第72页，共108页，2023年，2月20日，星期三(1)概述气动的或电动的变送器,都将传感器输出的非标准信号转换成标准化信号。即气动的0.2---1.0kgf/cm2,或电动的4---20mADC。DDZ---Ⅲ型压力变送器直流24V供电，采用两线制，输出4---20mADC线路结构为本质安全防爆，作为本节的重点内容进行介绍。2、电动压力变送器第73页，共108页，2023年，2月20日，星期三W1W’1W2W’2衔铁上铁下铁ABu～iCDu～Oδ．．ABCDC4R2C2VD1VD2+-VT1★位移传感器：采用差动变压器并由此构成振荡电路(2)DDZ---Ⅲ型压力变送器电路原理及力平衡矢量机构和杠杆系统第74页，共108页，2023年，2月20日，星期三．．ABCDC4R2C2VD1VD2+-VT1W1W’1W2W’2衔铁上铁下铁ABu～iCDu～OδSS=0.76mm当δ=S/2时,其上下两部分磁阻相等,初、次级绕组之间的互感也相等,上下两部分的感应电势也相等,变压器无输出。当δ＜S/2时,上半部分磁路磁阻减小,互感增大,上半部分感应电势大于下半部分感应电势,此时VCD和VAB同相。当δ＞S/2时,上半部分的磁路磁阻增大,互感下降,于是上半部分的感应电势小于下半部分的感应电势,此时VCD和VAB反相当δ大于、等于和小于S/2,衔铁由远及近靠近磁芯时，次级线圈的电势,由和初级电压反相渐变为同相。反相幅值随S减小而减小,同相幅值随S减小而增大第75页，共108页，2023年，2月20日，星期三它是一个用变压器耦合的谐振回路,LAB和C4构成谐振回路，为VT1的集电极负载，VCD是反馈耦合信号，R6和VD1、VD2构成分压式偏置电路,R2为稳定静态工作点的电流负反馈电阻,C2为旁路电容。振荡器要产生自激振荡，反馈信号必须和输入信号同相,即正反馈，且反馈系数β（互感系数）和放大器的放大系数K的乘积等于或大1,βK≥1也就是说,位移δ只要小于S/2，VAB和VCD就同相,又由于K和β都较大，只要参数选择合适βK≥1也可满足,位移δ和振荡器的输出电压关系是：当δ减小时,β增大，电压VAB也增大。

．．ABCDC4R2C2VD1VD2+-VT1R6+..起振：电源投入瞬间，IC增加，C端电位高于D端使IB增加，进一步使IC增加直至饱和，则IC不再变化，基极VCD消失，集电极电流下降，使C端为负，则IC进一步下降，形成往复振荡，振荡频率由LAB和C4并联谐振决定，振荡幅度取决于AB和CD的耦合程度，即δ的大小，即位移δ决定振荡器的输出幅度，电信号大小。第76页，共108页，2023年，2月20日，星期三．．ABCDC4R2C2VD1VD2+VT1++反馈线圈★位移检测变压器的初、次级线圈在电路中的接法：第77页，共108页，2023年，2月20日，星期三NS铜环永久磁钢磁钢底磁分路调整镙钉磁钢罩反馈线圈（动圈）副杠杆软铁芯IOIO当仪表输出电流IO流过动圈（反馈线圈）时，在磁场作用下产生推力F，推动副杠杆向外移动，推力和电流的关系为：F=πBD0WI0B：磁钢的磁感应强度(T)

D0:动圈平均直径(m)W:动圈匝数IO:变送器输出电流(A)磁分路调整镙钉为细调仪表量程，即改变磁钢气隙中的磁感强度。★电磁反馈装置：第78页，共108页，2023年，2月20日，星期三F3不起作用，F2垂直向上，由叉形簧片传给副杠杆F2=F1tgθ仪表在高量程时,F1较大,为达平衡,θ应调在较小位置,仪表在低量程时,F2较小,为达平衡,θ应调在较大位置F1F2F3θ受力分析θ的调整范围为40---150，tg150:tg40=3.83:1

故用矢量角改变量程,一般只能达

1:4

左右,范围变化更大则可改变反馈线圈的匝数矢量机构是一个调整传动比的调整机构量程调整推板F1F3F2舌板●○矢量板叉形簧片结构图★矢量机构的原理第79页，共108页，2023年，2月20日，星期三65312424VW1W2R11在DDZ---Ⅲ中,动圈的匝数是可变的以此来调整仪表的测量范围,即量程W1为725匝,W2为1450匝,另有一个R11和W2的直流电阻相等(1)用于测量低量程时,将1和3短接,2和4短接,W1和R11串接,反馈力较小(2)用于测量高量程时,将1和2短接,则W1和W2串接,反馈力较大因为(W1+W2)/W1=(725+1450)/725=3即可实现3:1量程调整前已叙述矢式量机构可实现3.83:1的量程调整,二者组合,可以实现最大和最小量程之比为3×3.83=11.49的调整范围★反馈强弱的调节第80页，共108页，2023年，2月20日，星期三A..sNs+-IOθ测量膜片杠杆弹性支撑矢量机构支点连杆副杠杆差动变压器振荡放大器调节弹簧动圈绕组F3F2F1螺钉1螺钉2L1L2L3L4L5●输入输出静态方程式:IO=S1tgθL1L3ΔP+L2L4K1F弹L5KfL4L12345---杠杆长度(m)S1---膜盒膜片有效面积(m2)IO:输出电流(mA)F弹---弹簧弹力(N)Kf---电磁反馈机构反馈系数(N/mA)θ---矢量角θ调量程F弹调零点互不影响★电动力平衡压力变送器矢量机构和杠杆系统结构图第81页，共108页，2023年，2月20日，星期三IO=AKqKmKAKfpfi+-+-MqMiαβδMfIOKAKAKf1+(Km·A·p-Kqα)(Km·A·pq-Kqα)=0令α=Km·A·pqKq即IO=KBP(P-Pq)KBP=KAKmA1+KAKfIO是标准信号,最大为20mA,最小为4mA其差值为16mA,都是确定的maxΔIO=KBP(Pmax-Pmin)令BDp=Pmax-Pmin则BDp就是量程P=BDpmaxΔIOIO+pq上式是关于压力变送器

被测物理的量全面描述即在BDp和Pq已知的情况下,由对输出电流Io的采样值唯一确定被测物理量P,在上式可见,零点迁移和量程调节互不干扰,是一个优点,其工作特性如右图所示BD1BD1BD2Pq1Pq2maxIOIOminIOP第82页，共108页，2023年，2月20日，星期三VT1的集电集电压(即振荡器的输出)经VD4整流及R4和C5滤波,再经VT2和VT3功放输出4---20mADC电流IO,此电流是由VT1,VT2和VT3共同提供的。输出电流是由24V直流电源电压在同一回路给出的,这就是两线制供电变送结构。A.B.C.D.R10C1SR1R2C2VD3C4VD4VT1C5RBVD10--VD13R4R3VT2VT3R5R6VD9VD5VD6VD7VD8N1N2VD1VD2Io=4---20mA24VR11RLR7C3C6★DDZ---Ⅲ型压力变送器电路原理图第83页，共108页，2023年，2月20日，星期三R6,VD1,VD2为VT1的偏置电路,VD3,VD10---VD13用于限制C2,C5两端的电压,防止电容放电或短路时产生非安全火花,VD5---VD8是为在仪表断电时给线圈储存能量一个泄放回路，是本安防爆。另外，S接入R10可改变放大器的灵敏度,在同样被测压力下的电流大小,与是否串入N2一起粗调量程。细调则是由杠杆系统的矢量机构来完成。R3为电流负反馈稳定工作点,R5为VT1VT2穿透电流提供旁路,R1C1削灭高频寄生振荡R7为负载平衡电阻,使次级绕组的负载在正负半周相等,C3C6为高频旁路,VD9在电源反接时保护电路。第84页，共108页，2023年，2月20日，星期三气动:1.反馈力靠反馈波纹管产生,其弹性模数易受温度影响,故有温度误差2.调零和调量程互相干扰,要反复调整3.量程比小,约5.5但气动的也有双杠杆和带矢量机构的电动:1.反馈力靠电磁反馈装置产生,弹性元件位移量很小,其面积几乎不变故线性度好2.调零点和调量程互不干扰3.矢量机构的使用,使得其量程调整范围较宽4.体积小重量轻★气动力平衡式与电动力衡式压力变送器比较第85页，共108页，2023年，2月20日，星期三………………………………隔离膜片测量膜片电容极板P1P2绝缘玻璃硅油电极高压室低压室1、差压电容传感器三.电容式压力(差压)变送器第86页，共108页，2023年，2月20日，星期三1.全部采用熔焊技术,无机械传动机构,体积小重量轻2.固定电极设计成球形凹面,提高了线性度且保证单向过载的保护3.中心测量膜片应用了周向张紧技术,使其成为一个有张力的弹性片,保证初始位置的稳定性,位移和压力线性好,迟滞误差小,提高了共振频率,抗震性能好4.改变中心膜片厚度,就可改变仪表的量程,使得通用零件增多,不同规格的变送器外形大小一样5.对称结构,受静压、温度影响小,仪表性能稳定6.制造工艺复杂,加工难度大特点第87页，共108页，2023年，2月20日，星期三设差压ΔP=P2-P1

，在ΔP的作用下，测量膜片移动Δd,近似认为,Δd=K1ΔP，则左右固定极板与测量膜片的距离变为d0+Δd以及d0-Δd,设高压室电容为CH，低压室电容为CL,则:CH=K2/(d0+Δd),CL=K2/(d0-Δd)由前式知,电容式压力变送器的任务是将(CL-CH)对(CL+CH)的比转换为电压或电流。其方法很多,测量充放电电流的方法用的较多,后图是其一种方法的电原理图:平膜片压力---位移线性的条件:1.位移小于膜片厚度2.大量程用厚膜片，位移小于0.1mm3.小量程用薄膜片,采用张紧技术由上面几个式子可得:(CL-CH)/(CL+CH)=Δd/d0=(K1/d0)ΔP=K3ΔP★差压---膜片位移转换第88页，共108页，2023年，2月20日，星期三正弦波E加于CH和CL上,如r1及r’,r2,r3比C1,C2的阻抗小的多,则:∽CHCLVD1VD’1VD2VD’2r1r2r’C’C’1C’2r3EI1I2I0CLCHI1=I0CL

(+CLCHCH1+1)=I0CLCLCHCHCH

(I2=I01+1)=I0CL+★差动电容式变送器的基本原理图:第89页，共108页，2023年，2月20日，星期三CL-CHCL+CH=K3P前得到:这样:V2-V1V3=K3PΔΔV1-V2V3=CHr1-CL

r2(CL+CH)r3V1-V2V3=CH-CL

CL+CH

如r1=r2=r3则=CL-CH

(CL+CH)-如令V1、V2、V3为r1、r2、r3上的压降,即V1=I1r1、V2=I2r2、V3=I0r3那么：第90页，共108页，2023年，2月20日，星期三前面已经得到:（V2-V1）/V3=K3ΔP在实际的电路中,用反馈的方法保证总电流I0不变,即V3不变,则差压ΔP正比于V2-V1,测量r1、r2上的电压差即可得知ΔP····+恒流源R’C’R1R2K1+-R4R3R10R8R7R9R5R6Wr3r1r2r’C’VD’1VD1VD2VD’2C’1C’2R11+-K2VT+-EIO2、差动电容式变送器线路原理图第91页，共108页，2023年，2月20日，星期三第四节流量检测仪表一.基本概念单位时间内流过管道横截面的流体数量，称为瞬时流量。

当流体的数量以体积表示时，称“体积流量”，记作qv。

当流体的数量以质量表示时，称“质量流量”，记作qm。

在某一段时间内流过管道横截面的流体总和称为总（流）量或累积流量，记为qΣ。

通常指用来测量瞬时流量的仪表叫流量计，而用来计总量的仪表称为计量表。1、流量第92页，共108页，2023年，2月20日，星期三2、伯努利方程流速为υ，密度为ρ，静压力为p，则当流体充满水平管道流动时，其能量方程为第一项为静压能，第二项为动压能（动能）。在同一管道的任一横截面上，流体动能及其静压能的总和不变。在一定条件下，这两种形式的能量可以在总能量不变的前提下相互转换。

第93页，共108页，2023年，2月20日，星期三3、差压流量计节流现象：流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象。最常用的节流件：孔板、喷嘴及文丘利管。差压式流量计：应用节流变压降原理测量流量的仪表。整套仪表由节流装置、导压管及差压检测仪表组成。差压式流量计的流量基本方程式是根据流体力学中伯努力方程和流动连续性方程推导出来的。第94页，共108页，2023年，2月20日，星期三vv1v2v3xxpp’1p1p2p’2p’3理论分析及实验表明:Δp=p1-p2与qm的关系为:qm=Cs√2ρΔp1-β4=k√Δp上式说明，流量qm与差压ΔP的平方根成正比。Ρ为流体密度，β与S为孔板的尺寸参数，C为实验确定的系数。测得差压信号后需经开方运算后才能得到流量信号1、流量孔板仪表将流体瞬时流量由节流装置转换为压力差,变为测压差,进而产生标准的电信号4---20mADC或1---5VDC或气动信号0.2---1.0kgf/cm2二.基于差压原理的流量测量第95页，共108页，2023年，2月20日，