常见仪表知识浙大中控DCS材料

常见仪表知识浙大中控DCS材料工程人员手册第五章常见仪表知识5.1热电偶测温原理5.1.1热电效应与热电偶热电效应是热电偶测温的基本原理。根据热电效应，任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如图5.1-1所示，如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中，则在该回路内就会产生热电势。这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。每根单独的导体或半导体称为热电极。两个接点中，t端称为工作端(假定该端置于被测的热源中)，又称测量端或热端;t0端称为自由端，又称参考端或冷端。由热电效应可知，闭合回路中所产生的热电势由两部分组成，图5.1-1热电效应即接触电势和温差电势，总电势由(5.1-1)式给出。实验结果表明，接触电势比温差电势小很多，可忽略不计，则热电偶的电势可表示为(5.1-1)EAB(t,t0)=eAB(t),eAB(t0)这就是热电偶测温的基本公式。;当t0为一定时，eAB(t0)=C为常数。则对确定的热电偶电极，其总电势就只与温度t成单函数关系，即(5.1-2)EAB(t,t0)=eAB(t),C根据国际温标规定:t0=0?时，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势值，列成一张张表格，这就是常说的分度表。温度与热电势之间的关系也可以用函数式表示，称为参考函数。新的ITS-90的分度表和参考函数是由国际电工委员会和国际计量委员会合作安排，国际上有权威的研究机构(包括中国在内)共同参与完成的，它是热电偶的测温的主要依据。5.1.2热电偶基本定律1、中间导电定律如图5.1-2所示将A、B构成的热电偶的t0端断开，接入第三种导体C，并使A与C和B与C接触处的温度均为t0，则接入导体C后对热电偶回路中的总电势没有影响。证明如下:由于接触电势忽略不计，则回路中的总电势等于各第1页共1页工程人员手册接点的温差电势之和，即图5.1-2三种导体的热点回路(5.1-3)EABC(t，t0),eAB(t)，eBC(t0)，eCA(t0)当t=t0时，有(5.1-4)EABC(t，t0),eAB(t0)，eBC(t0)，eCA(t0),00),,eAB(t0)，代入(3–3)式得由上式可得eBC(t0)，eCA(t(5.1-5)EABC(t，t0),eAB(t),eAB(t0),EAB(t，t0)同理还可以证明，加入第四、第五种导体后，只要加入的导体的两端温度相等，则总电势与原热电偶回路的电势值相同。根据热电偶的这一性质，可以在热电偶回路种引入各种仪表、连接导线等。例如，在热电偶的自由端接入一只测量电势的仪表，并保证两各接点的温度一致就可以对热电势进行测量而且不影响热电偶的输出。由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面如何以及各处的2、均质导体定律温度分布如何，都不能产生热电势。这条定律说明，热电偶必须由两种不同性质的材料构成。3、中间温度定律热电偶AB在接点温度为t，t0时的热电势EAB(t，t0)等于热电偶AB在接点温度为t，t0的热电势EAB(t，tc)和EAB(tc，t0)的代数和(见图5.1-3)，即(5.1–6)EAB(t，t0),EAB(t，tc)，EAB(tc，t0)4、等值替代定律如果使热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势等于热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势，即EAB(t，t0)图5.1-3中间温度定律,ECD(t，t0)，则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。5.2热电阻测温原理电阻的热效应早已被人们所认识，即电阻体的阻值随温度的升高而增加或减小。从电阻随温度的变化原理来看，大部分的导体或半导体都有这种性质，但作为温度检测元件，这些材料应满足以下这些要求:1、要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数;2、电阻率要大，以便在同样灵敏度下减小元件的尺寸;3、电阻值随温度变化要有单值函数关系，最好呈线性关系;4、在电阻的使用温度范围内，其化学和物理性能稳定，并且材料复制性好，价格尽可能便宜。能用作温度检测元件的电阻体称为热电阻。根据上述要求，目前国际上最常见的热电阻第2页共2页工程人员手册有铂、铜及半导体热敏电阻等。5.2.1金属热电阻金属热电阻主要有铂电阻、铜电阻和镍电阻等，其中铂电阻和铜电阻最为常用，有一套标准的制作要求和分度表、计算公式。金属热电阻阻值随温度得变化大小用电阻温度系数α来表示，其定义为:(5.2-1)α,(R100,R0)/100R0式中R0和R100分别为0?和100?时热电阻的电阻值。可见R100/R0越大，α值也越大，说明温度升高使热电阻的电阻值增加越多。金属的纯度对电阻温度系数影响很大，纯度越高，α值越大，例如，作为基准器用的,,铂电阻，要求α,3.925×103Ω/Ω??;一般工业上用的铂电阻则要求α,3.85×103Ω/Ω??。另外α值还与制造工艺有关。因为在电阻丝的拉伸过程中，电阻丝的内应力应会引起α的变化，所以电阻丝在做成热电阻之前，必须进行退火处理，以消除内应力。工业用热电阻温度计的分度公式和分度号作为标准用铂电阻温度计可以用一种严密、合理的方程来描述其电阻比与温度的关系，但是该方程比较复杂。对于工业用铂电阻温度计可用简单的分度公式来描述其电阻与温度的关系。工业用铂电阻温度计的使用范围是-200,850?，在如此宽的温度范围内，很难用一个数学公式准确表示，为此需要分成两个温度范围分别表示，在-200,0?的温度范围内用(5.2-2)Rt,R0[1，At，Bt2，C(t,100)t3]在0,850?得温度范围内用(5.2-3)Rt,R0(1，At，Bt2)式中Rt和R0分别为t?和0?时铂电阻的电阻值;A、B和C为常数。在ITS-90中，这些常数规定为,13A,3.9083×10/?,B,-5.775×107/?2,12/?4C,-4.183×10铜电阻温度计也有相应的分度公式。由于它在-50,150?的使用范围内其它电阻值与温度的关系几乎是线性的，因此在一般场合下可以近似地表示为第3页共3页工程人员手册(5.2-3)Rt,R0(1，αt),式中α为铜电阻的温度系数，取α,4.28×103/?。由于热电阻在温度t时的电阻值与R0有关，所以对R0的允许误差有严格的要求。另外R0的大小也有相应的规定。R0愈大，则电阻体体积增大，不仅需要较多的材料，而且使测量的时间常数增大，同时电流通过电阻丝产生的热量也增加，但引线电阻及其变化的影响变小;R0愈小，情况与上述相反。因此，需要综合考虑选用合适的R0。目前，我国规定工业用铂电阻有R0,10Ω和R0,100Ω两种，它们得分度号分别为Pt10和Pt100;铜电阻温度计也有R0,0,100Ω两种，其分度号分别为Cu50和50Ω和RCu100。用表格形式给处在不同温度下各种热电阻分度号的电阻值称为热电阻的分度表。图5.2-1给出了电阻比Rt/R0与温度t的特性曲线。由图可见，铜热电阻的特性比较接近直线;而铂电阻的特性呈现出一定的非线性，温度越高，电阻的变化率越小。图5.2-1常用热电阻的特性曲线压力传感器测量原理2.3压力传感器是压力检测系统的重要组成部分。由各种压力敏感元件将被测信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示压力值，或供控制和报警使用。压力传感器的种类很多，常用压力传感器的性能比较如表5.3-1所示。第4页共4页工程人员手册表5.3-1几种常见的压力传感器的性能比较5.3.1应变式压力传感器应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的。应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。对于金属导体，电阻变化率?R/R的表达式为:?R/R?(1，2μ)ε式中μ——材料的泊松系数;ε——应变量图5.3-1为国产BPR-2型压力传感器的结构示意图第5页共5页工程人员手册应变式压力传感器结构原理图图5.3-11—应变筒;2—外壳;3—密封膜片在图5.3-1中，应变筒的上端与外壳2固定在一起，下边与密封膜片3紧密接触，两片康铜丝应变片R1和R2用特殊胶合剂粘贴在应变筒的外壁上。R1沿应变筒的轴向粘贴作为温度补偿片。必须注意，应变片与筒体之间不能产生相对滑动，并且要保持电气绝缘，当被测压力p作用于膜片而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴置的应变片R1也将产生轴向压缩应变ε1，于是R1的阻值变小;而沿径向贴放的应变片R2，由于应变筒的径向产生了拉伸变形，也将产生拉伸应变ε2，于是R2的阻值变大。应变片R1、R2与另两个固定电阻R3、R4组成一个桥式电路，见图5.3-1(b)，由于R1和R2的阻值变化使桥路失去平衡，从两获得不平衡电压作为传感器的输出信号。本传感器桥路的电源为10V(直流)，最大的输出为5mV直流信号，再经前置放大成为电动单元组合仪表的输入信号。BPR-2型压力传感器有0,1MPa、0,10MPa、和0,30MPa等多种量程可供选用。选择时测量上限一般以不超过仪表量程的80,为宜。本传感器主要适用于变化较快的压力测量，其非线性及滞后误差小于土1,。5.3.2压电式压力传感器压电式压力传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性第6页共6页工程人员手册电荷，这种现象称为―压电效应‖。晶体上所产生的电荷的大小与外部施加的压力成正比，即:q,ηp式中q——压电量(电荷数);p——外部施加的压力;η——压电常数。图5.3-2压电式压力传感器结构原理图1—引线;2—外壳;3—冷却腔;4—晶堆;5—薄壁筒;6—膜片这种压力传感器的特点是:体积小，结构简单，不需外加电源，灵敏度和响应频率高，适用于动态压力的测量，广泛地应用于空气动力学、爆炸力学、发动机内部燃烧压力的测量等等。其测量范围可从0,700Pa到0,70MPa，精确度可达0.1,。压电式传感器的结构如图5.3-2所示。图中，由受压薄壁筒给出预载力，并将一挠性材料制成非常薄的膜片进行密封。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在环境温度一定的条件下，这样就避免了因温度变化所造成的预载力变化而引起测量误差。5.3.3光导纤维压力传感器光导纤维压力传感器与传统压力传感器相比，有其独特的优点:利用光波传导压力信息，不受电磁干扰，电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花，可以在高压、易燃易爆的环境中测量压力、流量、液位等。它灵敏度高，体积小，可挠性好，可插入狭窄的空间中进行测量，因此而得到重视，并且得到迅速发展。图2.3-3所示为Y型光导纤维压力传感器结构原理图。它由金属膜片杯、Y型光导纤维、光源、光接收器及支架等组成。膜片与Y型光导纤维端面间距离约为0.1mm。这种传感器能测0,35MPa动态压力，也可测量低压，输出信号较大。当被测压力作用于膜片杯时，膜片发生位移，从而改变了光导纤维与膜片之间的距离，使光导纤维接收到反射光量变化，这光量由光电元件接受器接收，并且转换成电量，经放大器放大后，显示被测压力值。第7页共7页工程人员手册图5.3-3光导县委压力传感器示意图1—灵敏膜片杯;2—支架;3—光导纤维;4—光源;5—光接收器传感器要求光源稳定，否则要采取补偿措施，以消除光源波动对测量结果的影响。5.4差压变送器测量原理电容式差压变送器的外形结构见图5.4-1。它主要由检测部分和信号变换部分构成，前者的作用是把被测压p转换成电容量的变化;后者是进一步将电容量的变化转换为电流的变化。5.4-1电容式差压变送器外形图1.,线路板罩盖;2,线路板壳体;3,差动电容敏感部件;4,负压侧法兰;5,引压管接头;6,紧固螺栓;7,正压侧法兰;8,排气排液阀;9,排线端罩盖检测部分的结构如图2.4-2所示。检测部分的核心是差动电容器，包括作为敏感元件中心测量膜片6(即差动电容的可动电极)，正、负压侧弧形电极10、8(即差动电容的固定电极)。中心测量膜片6分别与正、负压侧弧形电极10、8以及正、负压侧隔离膜片16、5构成封闭室，室中充满灌充液(硅油或氟油)，用以传递压力。正、负压侧隔离膜片16、5的外侧分别与正、负压侧法兰12、7构成正、负压测量室。第8页共8页工程人员手册图5.4-2电容式变送器检测部分结构图1-玻璃绝缘体;2-灌充液;3-陶瓷导管;4-负压侧压口;5-负压侧隔离膜片;6-中心测量膜片;7-负压侧法兰;8-负压侧弧形电极;9-电路板;10-正压侧弧形电极;11-压环;12-正压侧法兰;13-固定螺栓;14-焊接密封环;15-正压侧引压口;16-正压侧隔离膜片;17-O型密封环;18-敏感部件基座;19-密封管;20-敏感部件壳体当正、负压测量室引入被测压力，作用与正、负压侧隔离膜片上时，pH和pL通过灌充液的传递分别作用于中心测量膜片的两侧(见图5.4-3)。由于pH和pL的压力差使测量膜片产生位移，从而使测量膜片与其两边的弧形电极的间距发生变化，结果使测量膜片与正压弧侧形电极构成的电容CH减小，而测量膜片与负压侧弧形电极构成的电容CL增加。电容的变化与差压之间的关系见式C0/CA=Rpln(d0/db)/p{2Tln[a2/(a2,b2)]}图5.4-3电容式差压传感器结构原理图第9页共9页工程人员手册5.5差压液位计工作原理差压式液位机是利用容器内的液位改变时，液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。差压式液位计的特点是:1、检测元件在容器中几乎不占空间，只需在容器壁上开一个或两个孔即可;2、检测元件只有一、、两根导压管，结构简单，安装方便，便于操作维护，工作可靠;3、采用法兰式差压变送器可以解决高粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性、含有悬浮物介质的液位测量问题。4、差压式液位计通用性强，可以用来测量液位，也可用来测量压力和流量等参数。图5.5-1为差压式液位计测量原理图。当差压计一端接液相，另一端接气相时，根据流体力学原理，有:pB,pA十Hρg式中H一一液位高度;ρ一被测介质密度;g一—被测当地的重力加速度由式可得:图5.5-1差压式液位计测量原理Δp,pB,pA,Hρg在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度都是已知的，因此，差压计测得的差压与液位的高度H成正比，这样就把测量液位高度的问题变成了测量差压的问题。使用差压计测量液位时，必须注意以下两个问题。(1)、遇到含有杂质、结晶、凝聚或易自聚的被测介质，用普通的差压变送器可能引起连接管线的堵塞，此时需要采用法兰式差压变送器，如图5.5-2所示;(2)、当差压变送器与容器之间安装隔离罐时，需要进行零点迁移。DDZ-?矢量法兰式液位变送器型号及规格见表5.5-1。图5.5-2法兰式差变测液位示意图表5.5-1理论取压时下游取压孔位置第10页共10页工程人员手册名型号量程范围技术指标用途称矢输出:4,20mADCDBF矢量液位变送器0,5kPa…0,20kPaDBF1-311A-?在自动控制系统中，量负载电阻:0,250ΩDBF1-312A-?0,15kPa…0,60kPa主要用于检测，可连法基本误差:?1%续测量粘性、腐蚀性、兰DBF1-321A-?0,60kPa…0,250kPa灵敏限:0.1%沉淀性、结晶性流体式DBF2-311A-?0,5kPa…0,20kPa的压差，以及开口容液工作压力:6.4Mpa器或受压容器的液位DBF2-312A-?0,15kPa…0,60kPa电源:24VDC?5%位，它与节流装置开变生产厂:方器相配合也可测量送液体、气体、蒸汽的器上海调节器厂流量5.6孔板流量计测量原理在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能量可以相互转换，但参加转换的能量总和是不变的。应用节流元件测量流量就是利用这个原理来实现的。根据能量守恒定律及流体连续性原理，节流装置的流程公式可以写成:体积流量Q,αεF02p/ρ1质量流量M,αεF02p,ρ1式中M——质量流量，kg/s;Q——体积流量，m2/s;α——流量系数;ε——流束膨胀系数;F0——节流装置开孔截面积，m2ρ1——流体流经节流元件前的密度，kg/m3;Δp——节流元件前后压力差，即p,p1,p2，Pa在计算时，根据我国现用单位的习惯，如果Q的单位为m3/h，M为kg/h，F0为mm2，Δp为Pa，ρ为kg/m3单位时，则上述流量公式可换算为使用流量计算公式，即:Q,0.0039999αεd2M,0.003999αε式中d为节流元件的开孔直径，F0,(π/4)×d2。第11页共11页工程人员手册我国自1993年8月1日起采用GB/T2624—93标准，代替GB2624—81标准。本标准适用于角接取压、法兰取压、D和D/2取压的孔板、喷嘴和文丘利管的节流装置;同时也只适用于管道公称通径为50,1200mm的流量测量和管道雷诺数大于3150的场合。GB/T2624—93新标准采用流出系数C来代替过去的流量系数。两者的换算关系如下:C,α/E式中E——渐进速度系数，并由下式确定:E,1/(1,β4)1/25.7电磁流量计测量原理电磁流量计是电磁感应定律的具体应用，当导电的被测介质垂直于磁力线方向流动时，在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一个感应电动势Ex(见图5.7-1):(5.7–1)Ex,BDv，V式中B——磁感应强度，T;D——导管直径，即导体垂直切割磁力线的长度，m;v——被测介质在磁场中运动的速度，m/s因体积流量Q等于流体流速v与管道截面积A的乘积，图5.7-1电磁流量计原理图直径为D的管道的截面积A,πD2/4，故:Q,πD2v/4，m3/s(5.7–2)将式(5.7–2)代入式(5.7–1)中，即得:Ex,4BQ/πD(5.7–3)Q,πDEx/4B由式(5.7–3)可知，当管道直径D和磁感应强度B不变时，感应电势Ex与体积流量Q之间成正比。但是上式是在均匀直流磁场条件下导出的，由于直流磁场易使管道中的导电介质发生极化，会影响测量精度，因此工业上常采用交流磁场，B,Bmsinωt，得(5.7–4)Q,(πDEx)/(4Bmsinωt)式中ω——交变磁场的角频率;Bm——交变磁场磁感应强度的最大值。第12页共12页工程人员手册由式(5.7–4)可知，感应电势Ex与被测介质的体积流量Q成正比。但变送器输出的Ex是一个微弱的交流信号，其中包含有各种干扰成分，而且信号内阻变化高达几万欧姆，因此，要求转换器是一个高输入阻抗，且能抑制各种干扰成分的交流毫伏转换器，将感应电势转换成4,20mADC统一信号，以供显示，调节和控制，也可送到计算机进行处理。5.8继电器对于开关量的控制，由于DCS系统中工艺上的局限性(电子元器件、线路板)，它仅能完成低电压、小电流或无源信号的输入、输出功能。如我公司的SP362每点负载电流仅为50mA、24VDC。所以在实现开关量的输入、输出时，我们经常使用继电器。1、继电器的分类:继电器按线包特性分有电压型、电流型等，按功能分有普通继电器(瞬时动作)、时间继电器(延时动作)、固态继电器(适合频繁动作)等。我们常用的是小型普通继电器，属于电压继电器，线包电压一般为24VDC和220VAC。其基本原理是:当串接在回路中的继电器线圈(通常称为线包)两端的压降达到一定值时(如24VDC)，继电器吸合，其触点动作。继电器的线包有一些特性，以我们常用的和泉RM2S-U继电器为例，它在20度的环境温度时的特性为:当继电器线包电压(标称值24VDC)在80%的标称值(即电压为24*80%=19.2VDC)时即可吸合，最大连续工作电压为110%的标称值(即电压为24*110%=26.4VDC)。它的外形尺寸为底座宽23mm、长65mm,功耗为37mA、24VDC时。继电器除线包外触点也很重要，触点主要的参数是触点容量，还以我们常用的和泉RM2S-U继电器为例:它的触点容量在24VDC时最大为2.5A，在220VAC时最大为5A。2、继电器有两大主要作用:隔离和扩展。在DCS系统中主要起隔离作用，它能使我们DCS系统的信号延伸到电气回路中，应用范围更广泛。它的扩展作用是指它有多个触点，可实现不同的组合。继电器的触点主要用于电气二次回路中，如电动机的启、停回路，电动门的控制回路)。(电气二次回路主要是区别于电气一次回路而言，电气一次回路指设备强电回路(如给电动机供电的三相380VAC、6KVAC回路)。电气二次回路指的是控制回路。在有DCS系统和计算机以前，很多复杂的联锁均由继电器回路实现(如汽机保护)，现在如果不考虑动作的时间因素，只要有梯形图的，继电器基本都能实现，继电器的应用至今非常广泛。第13页共13页工程人员手册在工程项目中当遇到有源的开关量信号输入DCS时，必须采用继电器隔离(SP363卡提供的是12伏的查询电压)。继电器的选用要根据信号的类型(主要是电压等级，一般有220VAC、24VDC、380VAC)，由有源开关量信号控制继电器线包的动作，继电器触点作为DCS卡件的输入信号。输入无源的开关量信号时采用SP590端子板或接线端子。对需要无源输出的一般信号(在220VAC、触点容量小于5安培,24VDC、触点容量小于2.5安培时)，用扩展继电器(如RM2S-U)作为隔离继电器，由卡件通断控制继电器线包的动作，其触点作干触点输出即可。但如果是有大容量要求对象的触点，其扩展方式可考虑用接触器或其它方式。特别要注意的是当被控设备为直流负载时，要根据其电流、电压慎重选择扩展设备，以满足其容量要求。当控制对象为电磁阀类时，需要输出有源触点，应在扩展继电器的触点上串接电源(通常有220VAC或24VDC两种)。同时应注意其容量要求。标准机柜最多可以安装260只继电器(如RM2S-U、包括两只开关电源和两只空开)。对于被调设备的动作过于频繁，如伺服放大器做在程序中或采用PAT卡输出，仅输出开、关两付触点时作调节用时，其开关量输出的扩展应考虑用固态继电器。以适应其频繁的动作。5.9安全栅5.9.1安全栅匹配一览RTDTC配电AODIDO乐清LB955LB960LB940LB987SLB930LB928LB900LB987sp系列德国Z954Z960Z728Z728Z715Z787.HP+F公司+++英国MTL755MTL787SMTL787SPMTL728MTL787S+MTL760MTLacMTL787SMTL475ac55.9.2齐纳式安全栅1、理想化的齐纳特性第14页共14页工程人员手册齐纳栅的基本电路如图5.9-1所示。图5.9-1齐纳栅的基本电路注:为简化图示，将三重冗余的齐纳管只标出一个。理想的齐纳特性是当回路电压V低于齐纳栅安全限压值Vo时，齐纳管截止，漏电流Ileak为零;而当回路电压等于安全限压值时，齐纳管突然导通，漏电流跳升至足够大，使回路电压永不超过安全限压值。当然，理想的齐纳特性并不存在。当回路电压接近安全限压值时，齐纳管总是逐渐导通的。实践中，人们将齐纳管漏电流Ileak达到10μA时的回路电压V10μA认作齐纳管导通的开启电压。此V10μA越靠近安全限压值，则齐纳特性越理想。2、无源纯阻性电路Z系列齐纳栅采用无源的纯阻性电路。与有源齐纳栅相比，这种电路不仅元器件少、故障率低、成本低，而且有利于回路信号的保真和抗干扰，特别适合与智能变送器配合使用。Z系列齐纳栅中常用的电路有六种:(1)、齐纳栅电路一单线浮空(图5.9-2)图5.9-2显然，这是最简单的齐纳栅电路。其特点是廉价。典型品种为Z728和Z715等。其中Z728适用于大多数DCS的4-20mA模拟量输出回路。(2)、齐纳栅电路二双线浮空、反向截止(图5.9-3)第15页共15页工程人员手册图5.9-3最典型的品种的Z787.H和Z787。其中Z787.H被广泛应用于智能变送器回路。(3)、齐纳栅电路三4-20mA/1-5V转换(图5.9-4)图5.9-4典型品种为Z788.R。其特点为能将变送器4-20mA信号转换为1-5V信号给DCS。(4)、齐纳栅电路四双极性星形结构(图5.9-5)图5.9-5此电路最适合?mV信号回路。特点为有较高的共模抑制比。典型品种为Z960，专门用于连接热电偶。(5)、齐纳栅电路五双极性三线浮空(图5.9-6)第16页共16页工程人员手册图5.9-6这是连接三线制热电阻的专用电路。特点为具有完全相同的三个通路。齐纳栅型号为Z954。(6)、齐纳栅电路六双极性二线浮空(图5.9-7)图5.9-7过去这种电路曾被用于热电阻回路，但缺陷是配三线制热电阻需要一个半安全栅，多有不便。现在则主要用于称重测力传感器的应变电桥回路。典型品种有Z966(用于电桥配电)和Z964(用于电桥测量)。5.9.3适应DCS对智能变送器回路供电在齐纳栅与DCS的配合时，人们常会遇到因齐纳栅回路压降过大而导致DCS的回路供电不足以驱动智能变送器的情况，只要选择Z787.H便无后顾之忧。Z787.H配合DCS应用于智能变送器回路如图5.9-8所示。图5.9-8第17页共17页工程人员手册1-8端端电阻:250欧姆4-5端端电阻:25欧姆首先，Z787.H的齐纳管开启电压V10μA为27.0V。使回路供电电压范围为24V,27V。许多DCS，如Centum-CS、RS3等，其标准回路供压可设定在25.5V。此时选用Z787.H显然是最理想的。其次，Z787.H合理设计其两个通路的端端电阻，以适应现代智能变送器，如横河EJA、罗斯蒙特3051、ABB600、霍尼韦尔ST3000等，对回路电阻的要求。以3051为例。其对回路电阻的要求为:250Ω?R?(Vloop-10.5)?0.023A当DCS供压为24V时，回路电压Vloop=24V-0.9V=23.1V于是:250Ω?R?548Ω而应用Z787.H时，回路电阻R=250Ω+25Ω+250Ω=525Ω显然满足3051变送器的要求。有两点需要说明。其一，并非所有DCS配合智能变送器都只有Z787.H可选。如Z728可配福克斯波罗的I/A、MOORE的SAM卡的罗斯蒙特RS3的MAIO等。其二，Z787.H并非只适合由DCS进行回路供电。若用户希望外供电(可减轻DCS供电负担)，则Z787.H也是理想的选择。5.9.4一台齐纳栅负责一个检测或控制点P+F公司建议用户采用单通道齐纳栅，即一台齐纳栅负责一个检测点或一个控制点。同样，一个检测点(如三线制热电阻)也应避免涉及两台齐纳栅。这样做的好处是当维护齐纳栅时，不会影响到其它回路的正常工作。5.9.5避免除安全需要以外的安全栅损耗当回路电压高于齐纳栅的安全限压值时，将因齐纳管导通而导致保险丝熔断。这是齐纳栅保证回路本质安全的功能所在。但除此以外的安全栅损耗则应尽量避免。实践中，为了减少齐纳栅的意外损耗，用户在现场一侧作业时，通常会切断相关回路的供电。这就使本安防爆允许现场带电作业的优点得不到利用。为了最大限度避免除安全需要以外的意外损耗，对Z系列齐纳栅的参数进行了周密的设第18页共18页工程人员手册计。对于模拟量输出、热偶和热阻输入、数字量输入、纯电流和电压输入、频率输入、选用Z787.H的模拟量(变送器)输入等回路，在DCS回路供电的条件下只要系统一侧无故障，Z系列齐纳栅就允许现场一侧带电作业。此时现场的短路和开路均不会损坏齐纳栅。以变送器回路采用Z787.H为例。设回路电压为27V，DCS系统一侧无故障，而现场短路如图5.9-9所示。此时，回路电流为lsc:图5.9-91-8端端电阻:250欧姆4-5端端电阻:25欧姆lsc=(27V–0.9V)?(250Ω+25Ω+250Ω)=50mA由于Z787.H采用80mA高速保险丝，容量足够，此时不会熔断。5.9.6齐纳式安全栅的接地齐纳栅必须安装在安全区，并可靠接地。这是为了防止在危险区存在过高的对地电势和产生过大的地电流。如果齐纳栅不接地，如图5.9-10所示，当安全区内的故障导致一个对地的高电势(如250Vac的相线)落在齐纳栅上时，齐纳管只限制齐纳栅两线之间的电压，无法限制任何一线对地的电势。于是，该电势被引至危险区。一旦现场发生对地短路，立即产生危险的地电流。这种对地的高电势和地电流的能量并未得到限制，因此产生的火花是极其危险的。如果齐纳栅可靠接地，如图5.9-11所示，当同样故障发生时，齐纳管限制了对地的电势，地电流只产生在安全区内，于是将确保现场的安全。第19页共19页工程人员手册齐纳栅所连接的地俗称本安地。欧洲和世界上大部分国家和地区要求本安地的地电阻小于1Ω。图5.9-10齐纳栅不接地，危险电势传到现场图5.9-11齐纳栅接地，没有危险电势传到现场5.9.7针对各款DCS的配置选型如下:回路类型齐纳栅型号适配DCS备注AI:Z787.HTDC3000，9000，Centum-CS，μXL，注14-20mA变送器，PROVOX，RS3(MAX)，ABB300，可智能通讯Moore(EAM)等Z728I/A，Mooer(SAM)，RS3(MAIO)等AI:4-20mA变送器Z788.R各款DCS注2转换为1-5V送DCSAI:4-20mA电流源Z728各款DCSAI:1-5V电压源Z715各款DCS第20页共20页工程人员手册AO:4-20mAZ728各款DCST/C:mVZ960各款DCSRTD:ΩZ954各款DCSDI:干接点Z787.H或PROVOX，I/A，ABB300，Moore(EAM)，注3Z787RS3等Z728RS3(MDIO)Z715Centum-CS，μXLDO:电磁阀Z787各款DCSZ728RS3(MDIO)PI:频率输入Z787各款DCS注1:当采用左栏所列DCS的智能I/O卡直接支持同公司所产智能变送器时，例如，TDC3000配ST3000/900、Centum-CS配EJA、PROVOX配3051、ABB300配Kent-Taylor600T等，Z787.H能够确保智能通讯的顺利完成。当DCS与智能变送器出自不同公司时，Z787.H可保证手操器整定的完成(不同协议者除外)。Z787.H同样适合外供电工作方式。外供电电压不应大于27.0V。注2:该项配置常用于最低工作电压为12V的变送器(先进的变送器如EJA，3051、600T、ST3000等，最低工作电压均低于10.8V)。此时，若DCS回路供电可调至25.5V，则仍可采用Z787.H(智能)或Z787(非智能)配4-20mA的DCS输入卡。若回路供电只有24V，则可采用Z788.R配1-5V的DCS输入卡。注3:由于TDC3000数字量输入卡的特性更适宜配隔离栅，所以P+F公司一贯建议用户配隔离栅KFD2-SR2-Ex2型(双通道)。同时，由于此款隔离栅的性能价格比远优于Z787.H或Z787，所以左栏所列DCS也以配用此款隔离栅为上。5.9.8称重测力系统的配置选型对于应变电桥的供桥电压不大于10.0V的称重测力系统，常用选型为:1、供桥回路:Z966或Z966.H。当多台350Ω传感器并联使用时，也可将多台Z966或Z966.H并联使用。2、桥电压反馈回路:Z964。3、测量回路:Z964。5.9.9常用Z齐纳栅的技术参数如下表所列:型号电路线安全参数ExiaIIC端端V10μVmax熔断第21页共21页工程人员手册图例路CoL/R电阻A(V)电流UoIoPoLo(μ(Ω)(V)(mA)(V)(mA)(W)(mH)F)Z710图39.561950.4730.9575556.58.9100Z715图314.71500.550.751.56510613.013.6100Z728图328930.650.134.25532727.028.050Z728图3281190.830.132.554225027.028.050.HZ787图4A28930.650.134.25532727.028.0501A28-----36+27.028.05020.9VZ787图4A281190.830.132.554225027.028.080.H1A28-----25+27.028.08020.9VZ788图5A28930.650.134.25532727.028.050.R1A9.561950.473.00.9575646.59.1502Z960图6A9.942030.5030.9575646.59.1501A9.942030.5030.9575646.59.1502Z954图7A4.53830.4330000.258527.20.94.95017(1μA)A4.53830.4330000.258527.20.94.95027(1μA)A4.53830.4330000.258527.20.94.95037(1μA)Z966图8A12820.241.65.214316610.011.7501A12820.241.65.214316610.011.7502B121620.481.61.4538310.011.7-Z966图8A121630.491.51.34728210.011.7100.H1A121630.491.51.34728210.011.71002B123270.980.180.31304110.011.7-2Z964图8A12120.041.6230910103310.011.7501第22页共22页工程人员手册120.041.6230910103310.011.750A122表中部分栏目说明如下:1、线路A1(或A2、A3)指齐纳栅的一组基本限能电路。线路B为A1和A2的并联电路。2、L/R为允许电缆的电感-电阻比。当选用该比值小于所列参数的电缆时，电缆的分布电容和电感可不做考虑。3、Vmax为保持齐纳栅完好的最大回路电压值。即如果回路电压大于该值，则齐纳栅的保险丝将会熔断。4、其它栏目的定义，请参见《仪表防爆原理与本质安全技术》和《齐纳式安全栅》两章节。5.10UPS5.10.1为什么要使用UPS5.10.1.1、不良电力现象会对系统造成危害1、暂态过电压(Transients):这是产生在正常电源上瞬时的电压高低变化，其产生原因如下:(1)、临近地点的电磁开关开启或是关闭:(2)、同一配电地区的其它负载变动，如大负载的启动关闭;(3)、电力进相电容器的投入或减少;(4)、天然灾害暴风雨、雷电，不适当的电力操作。暂态过电压将危害电脑的正常功能，引起传输信号错误。在某些状况下甚至造成硬件损坏。2、脉冲电压(Spike&Dips)其电压波形如下图，是极短时间里的脉冲电压，经常是不容易观察到的，因为它不是持续不断的存在，只是偶尔性的干扰。它会引起电脑系统错乱或停机，事后却追查不到原因。3、杂讯(Noise)叠加在电源波形上的高频杂散异常电压，因高频干扰非常易于耦合进入电子线路造成数据错误或记忆消失。杂讯产生原因非常复杂，例如多重电力负荷影响，高频设备，无线电电干扰等。因为电力传输是公用的，在同一传输线上的其它用户产生的杂讯干扰电脑用户是无法由输配线来解决的。5.10.1.2时电压波动(Surge&Sag)一般其幅度尖脉冲电压小而时间比较长，但非连续性的。一般由同系统的临近负载的启第23页共23页工程人员手册动或关闭引起。一般电脑均有某些程度的忍受力，若超出其极限值，电脑系统容易停机或损坏。1、频率偏移(FrequencyDeviation):电脑仅可忍受一定范围之偏移，如超出范围即停机或损坏。2、电力中断(Blackout):所谓断电是百分之一秒至数小时，包括有感知停电及无感知停电。一般电脑可允许的电力中断时间仅千分之十秒即十毫米，超过十毫米电脑系统必然停止工作，造成数据丢失甚至硬件损坏。3、电压超出范围(Brownout):市电长时间的上升或下降至额定范围外，具有电力检测装置的电脑将会自动停机，否则持续使用必将造成设备损坏。4、谐波干扰谐波干扰是大量的非线形负载所产生的，如变压器，电动机及整流装置等。谐波电流会使设备过热、发出异常噪声甚至烧毁，谐波电压会使设备精密度差甚至误控或误不动作。5.10.2山特UPS的工作原理5.10.2.1概述从工作原理上分山特UPS可分为后备式(OFFLINE)和在线式(ONLINE)两种。从备用时间上则可分为标准型和长效型两种。从原理上看，在线式UPS同后备式UPS的主要区别在于，后备式UPS在有市电时仅仅对市电进行稳压而逆变器不工作处于等待状态，当市电异常时后备式UPS会迅速切换到逆变状态将电池电能逆变成为交流电对负载继续供电，因此后备式UPS在由市电转逆变工作时会有一段转换时间一般小于10mS。而在线式UPS开机后逆变器始终处于工作状态，因此在市电异常转电波放电时没有中断时间即0中断。UPS主要是由充电器(CHARGER)、整流器(RECTIFIER)、电池组(BATTERYBANK)及逆变器(INVERTER)等部分组成。1、充电器-将输入电源的交流电压整流成为直流电对电池组进行充电。2、逆变器-其作用是将直流电转换成为交流电，是UPS中最重要的部分。UPS常用的逆变器有方波逆变器、阶梯波逆变器及脉宽调制逆变器等种类。第24页共24页工程人员手册3、整流器-它是将交流电整流成直流电提供逆变器工作所需的直流电源。5.10.2.2Micro800系列1、8000系列M500W/M1000W为后备式UPS，其结构原理图如下:交流输出交流输入充电器电池组逆变器交流稳压器2、工作原理:在市电正常情况下，市电在UPS内部分作两路:一路经充电器给电池充电;另一路经UPS交流稳压器(通过输出继电器组调节)输出给负载用AC，该AC为正弦波。在市电中断时，UPS内部电池放电，经逆变器将直流电压转换成为交流电(方波)输出给负载。在市电工作方式与电池供电方式转换过程中，有小于4mS的转换时间。5.10.2.3骑士系列(Kinght系列)UPS1、K系列分为K500/K1000后备式UPS以及K750S/K1050S后备长效型UPS具有效率高，体积小，外型美观，性能可靠等优点。500/K1000的实际输出功率分别为500VA(300W)和1000VA(600W)，K750S/K1050S的实际输出功率分别为750VA和1050VA。2、结构原理图:ACI/PACO/P交流稳压电路转换开关逆变器控制电路充电器电池3、工作原理:(1)、K500/K1000工作原理:输入市电不开机:第25页共25页工程人员手册充电器开始工作对电池进行充电，市电另一路经稳压器稳压后输出。面板开机:有市电时UPS工作情况同上，但此时逆变器处于等待状态如市电中断UPS立即转逆变工作。停电时UPS开机后转逆变工作，将电池电能转换成交流电提供负载使用。(2)、K750S/K1050S工作原理:K750S/K1050S的工作原理与K500/K1000基本相同，但充电器采用推挽式的转换线路增加了充电电流。这样用户可以通过不同的电池组合灵活的配置备用时间。另外还增加了通讯接口用户可以通过监控软件对UPS进行检测控制。5.10.2.41000系列(Castle城堡系列)UPS1000系列UPS是山特最新研制的在线式UPS，是对原2000系列UPS的改进。1、C1K-C3K工作原理:结构原理图:BYPASS输出输入切换功率因数逆变器开关修正AC/DCDC-AC充电器转换器AC-DCDC-DC工作原理:当市电正常时，电流一方面经由功率因素修正电路产生逆变工作所需的直流电压DCBUS(370VDC)，再经逆变器将DCBUS电压转换为交流输出。另一方面，市电经充电器的转换，产生直流电压(41.1VDC)对电池充电、。当市电中断时，将电池电压经转换器后提升为400VDC继续供逆变器工作，使输出不致中断。2、6K/C10K及3C10K-3C20K-3C20K工作原理:6K结构原理图:第26页共26页工程人员手册STSCNVTINVERTERO/PI/PI/PI/PAC-DCEMIEMIEMIDC-AC800STBATCHGR工作原理:市电输入不开机，市电一路经可控硅整流线路产生310V电压经充电器(CHGR)产生274VDC电压对电池组进行充电，另一路经旁路静态转换开关(STS)输出。在市电状态下开机，市电经可控硅整流线路及功率因数修正(PFC)线路升压产生345V的BUS电压，BUS电压一路经充电器(CHGR)产生274VDC电压对电池组进行充电，BUS电压另一路经逆变器(INVERTER)逆变为交流电经LC滤波产生220VAC的正弦交流电输出。当市电中断时，电池电压立即经升压器(BOOST)产生345V的BUS电压供应逆变器，使输出电压不会中断。5.10.2.52000系列UPS2000系列中，M1K为一种结构，M2K、M3K、M6K为另一种结构。1、M1K(2052)(1)、结构原理如下图所示:8YPASSLLNLOAD.388UIUN.880ST.REC.NREALYGGCHGR.REC.STKM1KUAUPS(2)、工作原理:在市电正常时，市电分作两路:一路经整流器将AC变为DC，再经过升压经过PW