第六章 过程控制技术

高校教材网第6章过程控制仪表及应用6.1过程控制仪表概述6.1.1过程控制仪表的分类及发展1、过程控制仪表的分类（1）按功能不同，可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器。（2）按使用的能源不同，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表。（3）按结构形式分，可分为基地式仪表、单元组合仪表、组件组装式仪表等。（4）按信号形式分，可分为模拟仪表和数字仪表。第6章过程控制仪表及应用图6-1各类仪表间的关系图第6章过程控制仪表及应用2、过程控制仪表的的发展

伴随着过程控制系统的发展，过程控制仪表同样也在不断地根新换代。在20世纪40年代使用的只是体积大、精度低的检测、显示仪表；随着科学技术的不断发展，在50年代出现了以140kPa的压缩空气为能源，以20～100kPa的气信号为统一标准信号，以气动放大器为放大元件的QDZ-Ⅰ型气动单元组合仪表，它的特点是结构简单、价格便宜，可靠性好，本质安全防爆。在气动单元组合仪表继续发展（出现了QDZ-Ⅱ型、QDZ-Ⅲ型）的同时，又出现了电动单元组合（DDZ）仪表。它经历了四代。第6章过程控制仪表及应用

第一代是20世纪60年代的DDZ-Ⅰ型，它是以电子管为放大元件，体积大、耗电量大、不防爆，第二代是20世纪60年代后期的DDZ-Ⅱ型，它是以晶体管为放大元件，以220VAC为能源，以0～10mADC为统一标准信号。

第三代是70年代中期的DDZ-Ⅲ型，它是以集成运算放大器为主要放大元件，以24VDC为能源，以国际标准信号4～20mADC为统一标准信号。

进入20世纪80年代后，出现了以微型计算机为核心，控制功能分散、显示操作集中，集控制、管理于一体的分散型控制系统（DCS)从而将过程控制仪表与装置推向高级阶段。第6章过程控制仪表及应用6.1.2测量的基本知识1．测量误差2．误差的性质和来源3．直接测量时偶然误差的估计第6章过程控制仪表及应用6.1.3测量仪表的品质指标

一台测量仪表的质量好坏，是用它的品质指标来衡量的。由于测量的目的不同，仪表种类繁多，仪表的品质指标也是多方面的，这里只介绍几个最常见的指标。1．仪表的精度

仪表精度是按国家统一规定的允许误差划分成若干等级，根据仪表的允许误差，去掉正负号及百分符号后的数值，可以确定仪表的精度等级。根据国标，我国生产的仪表常用的精度等级为0.005，0.02，0.05，0.1，0.2,0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。如果某台测温仪表的最大相对百分误差为2.5％，则认为该仪表的精度等级为2.5级。第6章过程控制仪表及应用2．变差在相同条件下，用同一仪表对某一工艺参数进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，发现相同的被测量值正反行程所得到的测量结果不一定相伺，二者之差即为变差。3．灵敏度和灵敏限灵敏度是测量仪表对被测参数变化的灵敏程度，取仪表的输出信号，例如指针的直线位移或角位移与引起此位移的被测参数变化量之比表示。

灵敏限则是指引起仪表示值发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般仪表的灵敏限的数值应不大于仪表允许误差绝对值的一半。第6章过程控制仪表及应用4．分辨力数字式仪表的分辨力常指引起该仪表的最末一位改变一个数值的被测参数的变化量。因而，同一个仪表不同量程的分辨力是不同的，量程越小，分辨力越高。相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也称灵敏度。通常以最高分辨力作为仪表的分辨力指标。例如，某数字万用电表最低量程是100mV，五位数字显示，最小显示的电压数为0.01mV，即为该表的灵敏度。第6章过程控制仪表及应用6.2传感器6.2.1传感器的组成和分类1、传感器的组成

传感器是能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。图6-2传感器组成框图第6章过程控制仪表及应用2．传感器的分类（1）按传感器的构成进行分类，可将传感器分为物性型和结构型。（2）按传感器的输入量（即被测参数）进行分类，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等。（3）按传感器的输出量进行分类，可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。第6章过程控制仪表及应用（5）按传感器的工作原理进行分类，如应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。（6）按传感器的能量变换关系进行分类，分为能量变换型传感器和能量控制型传感器。（4）按传感器的基本效应进行分类，可以将传感器分为物理型、化学型、生物型。第6章过程控制仪表及应用6.2.2应变式传感器1．工作原理

应变式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量的大小。第6章过程控制仪表及应用2、电阻应变片种类

常用的电阻应变片有两种，即金属电阻应变片和半导体应变片。图6-3金属电阻应变片结构图6-4半导体应变片结构第6章过程控制仪表及应用3、测量电路

应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件，用于测量微小的机械变化量。机械应变一般都较小，在10-3～10-6范围内，而常规的电阻应变片的灵敏度系数值很小(K≈2)，所以其电阻变化范围小，约10-1～10-4Ω数量级，要把微小应变引起的微小电阻变化精确地测量出来，同时要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化，就需要采用特别设计的测量电路。工程中通常采用直流电桥或交流电桥。第6章过程控制仪表及应用3、应变式传感器的应用

应变式传感器就是由弹性元件、应变片，以及一些附件（如补偿元件；保护罩等）组成的测量装置。应变式力传感器、应变式压力传感器、应变式液体重量传感器第6章过程控制仪表及应用6.2.3电感式传感器

电感式传感器是建立在电磁感应基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量（如位移、振动、压力、流量、比重）转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路将L或M的变化转换为电压或电流的变化量输出，从而将非电量转换成电信号，实现对非电量的测量。

根据工作原理的不同，可分为变磁阻式（自感式）、变压器式和涡流式（互感式）等种类。电感式传感器有以下特点：工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；精度高，线性好；性能稳定，重复性好。第6章过程控制仪表及应用6.2.4电容式传感器

电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量。电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并正逐步扩大到压力、差压、液面(料位)、成分含量等方面的测量。第6章过程控制仪表及应用电容式传感器有以下特点：结构简单，体积小，分辨率高；可实现非接触式测量；动态响应好。电容式传感器的固有频率很高，因此动态响应时间很短，且其介质损耗小可使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参数；温度稳定性好。本身发热极小电容式传感器可分为3种：变极板间距离的变极距型、变极板覆盖面积的变面积型和变介质介电常数的变介质型。第6章过程控制仪表及应用2、电容式传感器的信号调节电路电容式传感器的电容值及电容变化值都十分微小，必须借助于信号调节电路才能将其微小的电容变化值转换成与其成正比的电压、电流或频率，从而实现显示、记录和传输。相应的转换电路有调频电路、运算放大器、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。前两个用于单个电容量变化的测量，后两个用于差动电容量变化的测量。利用电容式传感器可构成压力传感器、加速度传感器、厚度传感器、料位传感器、位移传感器等。第6章过程控制仪表及应用6.2.5压电式传感器压电式传感器是基于某些介质材料的压电效应进行工作的，是一种典型的有源传感器。通过材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量。压电式传感器具有结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；工作可靠；测量范围广等特点。压电效应，就是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象，同时它的两个表面出现符号相反的电荷，在外力去除后又重新恢复到不带电状态。第6章过程控制仪表及应用

在自然界中的大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数有：压电系数、弹性系数、介电常数、机电耦合系数、电阻及居里点温度等。第6章过程控制仪表及应用6.2.6磁电式传感器

磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转换为电信号的一种传感器。磁电式传感器有磁电感应式传感器，霍尔式传感器等。1．磁电感应式传感器磁电感应式传感器又称磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换为电信号的一种传感器。它是一种机-电能量变换型传感器，它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换为易于测量的电信号，是一种有源传感器。磁电感应式传感器电路简单、性能稳定、输出阻抗小，具有一定的响应频率范围，适用于转速、振动、位移、扭矩等测量。第6章过程控制仪表及应用2．霍尔式传感器霍尔式传感器是基于霍尔效应进行工作的传感器。1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，使用半导体制造的霍尔元件具有显著的霍尔效应，因此霍尔式传感器开始广泛用于电磁、压力、加速度和振动等方面的测量。（1）霍尔效应

置于磁场中的静止在载流导体，当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间将产生电动势，这一现象被称为霍尔效应第6章过程控制仪表及应用

图6-10霍尔效应原理图第6章过程控制仪表及应用6.2.7热电式传感器

热电偶是将温度变化转换为热电动势的测温元件；热电阻和热敏电阻是将温度变化转换为电阻值变化的测温元件。1.热电偶传感器热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它被广泛用于测量100～1300℃范围内的温度，根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。第6章过程控制仪表及应用图7-13普通型热电偶结构第6章过程控制仪表及应用图6-14铠装型热电偶第6章过程控制仪表及应用图6-15薄膜热电偶第6章过程控制仪表及应用图6-16补偿电桥第6章过程控制仪表及应用图6-17热电阻结构第6章过程控制仪表及应用6.2.8光电式传感器

光电式传感器(或称光敏传感器)是利用光电器件把光信号转换成电信号(电压、电流、电阻等)的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。按照工作原理的不同，将光电式传感器分为4类：（1）光电效应传感器（2）红外热释电探测器（3）固体图像传感器（4）光纤传感器第6章过程控制仪表及应用6.2.9数字式传感器

数字式传感器是能够直接将非电量转换为数字量的传感器。与模拟式传感器相比，其优点是：测量精度和分辨率高，稳定性好，抗干扰能力强，便于与微机接口，适宜远距离传输。数字式传感器目前主要有两种类型：以编码方式产生代码型的数字信号，这类传感器也称为编码器。它输出的信号是数字代码，每一个代码对应一个输入量的值；输出计数型的离散脉冲信号，这类传感器又称为脉冲数字传感器。它输出的脉冲数与输入量成正比。计量光栅就是其数字式传感器可用于测量位移(包括线位移和角位移)和计数。第6章过程控制仪表及应用1．编码器图6-18编码器分类第6章过程控制仪表及应用2．计量光栅

计量光栅按应用范围不同可分为透射光栅和反射光栅两种；按用途不同有测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅；按光栅的表面结构不同，又可分为幅值（黑白）光栅和相位（闪耀）光栅。光栅传感器的测量精度高，分辨力强(长光栅0.05μm，圆光栅0.1")，适合于非接触式的动态测量，但对环境有一定要求，灰尘、油污等会影响工作可靠性，且电路较复杂，成本较高。第6章过程控制仪表及应用6.2.10智能式传感器

所谓智能传感器（Intelligentsensor或Smartsensor）,就是一种以微处理器为核心单元，兼有检测、判断和信息处理等功能的传感器。智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。需要指出的是，这里讲的“微处理器”包含两种情况：一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器”；另一种是指传感器能够匹配微处理器。显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智能传感器的范畴。第6章过程控制仪表及应用图6-19智能式传感器的组成框图第6章过程控制仪表及应用图6-20非集成智能式传感器组成框图第6章过程控制仪表及应用3．集成智能式传感器

集成智能式传感器的实现，依赖于大规模集成电路和微机械加工工艺，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并将它们集成在一块芯片上，实际上，这是将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列。第6章过程控制仪表及应用6.3测量元件及变送器

检测元件的输出再经过变送器转换成统一的标准电、气信号(0～10mA直流电信号、4～20mA直流电信号、20～100kPa气压信号)，送往显示仪表指示或记录工艺变量；或同时送往调节仪表对被控变量进行调节。有时，将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。第6章过程控制仪表及应用过程控制对检测仪表有以下三条基本要求：

(1)测量值要能正确地反映被测变量的大小，误差不超过规定的范围；

(2)测量值必须迅速反映被测变量的变化，即动态响应比较迅速；

(3)检测仪表在工作环境条件下，应能长期正常工作，以保证测量值的可靠性。第6章过程控制仪表及应用6.3.1温度的检测及变送1一电阻体；2一引出线；3一绝缘管；4一保护套管；5一接线座；6一接线盒；7一密封圈；8一盖；9一接线柱；10一引线孔；11一引线孔螺母

图6-22普通热电阻的结构第6章过程控制仪表及应用图6-23温度变送器组成的测温系统

温度变送器的作用是将热电偶或热电阻输出的电势值或电阻值转换成统一标准信号，再送给其他单元组合仪表进行指示、记录或控制。第6章过程控制仪表及应用图6-24ERl80系列仪表组成框图第6章过程控制仪表及应用图6-25无纸、无笔记录仪显示界面第6章过程控制仪表及应用6.3.2压力的检测及变送图6-26弹簧管压力表外形图6-27单圈弹簧管压力表结构原理图第6章过程控制仪表及应用图6-28DDZ—Ⅲ型压力变送器的组成方框图第6章过程控制仪表及应用图6-29电容式差压变送器外形图6-30电容式差压变送器测量部件第6章过程控制仪表及应用图6-31智能型差压变送器及手持终端的外形第6章过程控制仪表及应用图6-32压力表安装示意图第6章过程控制仪表及应用6.3.3流量的检测及变送

流量分瞬时流量和累计流量。瞬时流量一般简称流量，指的是单位时间内流过管道某截面流体的数量。而累计流量指的是在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，称为总量。流量和总量又都有质量流量M和体积流量Q两种表示方法。以单位时间内流过的流体的质量表示的称为质量流量。以体积表示的称为体积流量。第6章过程控制仪表及应用法兰取压标准孔板

标准文丘里管带短管焊接式八槽喷嘴标准孔板第6章过程控制仪表及应用图6-35差压式流量检测系统的组成框图

有的差压变送器本身有开方功能(专为与孔板配合测流量而制)，就可省掉开方器了。常规差压式流量计设计时，把流量方程中的o、6和p均作为不变的常数来考虑的，但在实际检测中，工艺过程的压力和温度不可能与设计时完全一致，特别对气体来说，它的变化会影响以上几个参数发生变化，从而引起较大的测量误差。第6章过程控制仪表及应用图6-36差压式流量计测量示意图第6章过程控制仪表及应用3．转子流量计转子流量计特别适合于测量小管径中洁净介质的流量，且流量较小时测量精度也较高。（1）基本结构转子流量计是由上大下小的锥形圆管和转子（也叫浮子）组成的。作为节流装置的转子悬浮在垂直安装的锥形圆管内，如图7-37所示。图6-37转子流量计第6章过程控制仪表及应用4．电磁流量计在进行流量测量时，如果被测介质具有导电性，则可以使用电磁流量计来测量。（1