过程控制 第2章检测仪表

1、过程控制、第二章过程参数测量和发射器、过程参数测量和发射器概述、工业控制系统的检测技术和发射器是自动控制的基础。使用自动检测系统对生产过程中工艺参数的变化进行实时测量和实时分析、实时监控和管理，是生产企业通常用于提高产品生产和质量的现代方法。流程参数(或流程变量)的测量主要是对连续生产流程的温度、压力、流量、水平和组件等参数的测量。过程参数测量和传输是将被测试的参数转换为均匀的标准信号，例如气动仪表的标准传输信号0.020.1MPa、电气仪表的标准传输信号010mADC或420mADC。该会话是实施流程参数显示和流程控制的前提，流程控制项目的主要组件，如图2-1所示。流程参数测量和变送器概述、

2、图2-1流程控制系统的组成原理、流程参数测量和变送器概述、测试技术和仪表是完成各种流程参数测量和实现所需数据处理的功能单元。控制技术和仪器是实现各种控制功能的手段和条件，对结果数据进行运算处理，通过相应的功能单元调整控制变量。自动检测和自动控制系统都有“传感器”环，表明与自动检测技术相关的传感器技术是实现自动化的重要支柱。我们可以通过工艺参数的准确测量和传输，及时了解工艺设备的运行条件。为操作员提供操作依据为自动化设备提供测量信号。这对于保证生产安全，提高产品的产量和质量，节能、保护环境卫生、提高经济效益等都很重要，是实现工业生产过程自动化的必要条件。2-1测试过程和变送器，2.1.1测试过程

3、测试是人们使用特定技术和设备通过测试方法获取客观事物量信息的过程。测试专用仪表或系统称为测试仪表或测试系统，其基本任务是从测量对象中获取测量结果，并将测量结果显示给测量工作人员。测试设备和测试系统由至少四个基本组件组成，包括反映流程参数的测量目标、测量的传感器或敏感组件、显示测量结果的显示器以及连接两者的测量电路，如图2-2所示。测试对象、测试元素和显示设备部分取决于特定测试系统的结构，而其他部分则取决于特定系统的结构。2-1检测过程和传感器，也称为变送器、检测元件或敏感元件，对正在测量的变量进行直接反应，在能量转换后转换为可传输的输出信号，例如电压、电流、电阻、频率、位移、力等。通常需要额外

4、的传输链路处理，将传感器的输出转换为标准集成模拟信号(例如010mADC或420mADC)或符合特定标准的数字音量信号，这称为发射器。将发射器的输出信号发送到显示设备，以指针、数字、曲线等形式显示测量目标，或者发送到控制目标的控制器。传感器本质上是非电气系统和电气系统之间的接口。传感器大部分具有非线性，因此，通常需要在仪表或检测系统中添加非线性校正电路，或执行非线性校正的软件措施等。2-1检测过程和变送器，2.1.2检测系统过程参数测量过程是开环系统自动检测系统。如果选择的仪表不同，则该系统的配置也会不同。(1)如果使用仪表测量，则所述仪表或测试系统的配置如图2-3所示的模拟仪表和测试系统的配

5、置图，2-1检测过程和变送器，(2)如果使用数字仪表测量，则所述仪表或测试系统的配置图见图2-4。(3)使用计算机进行测量时，其典型的计算机化检测系统的构成见图2-5。2-1检测过程和变送器表明，在上述配置结构中测量的参数为功率量的情况下，通过去除传感器部分，直接给测量电路供电，可以配置电力测量系统。此外，测量信号分阶段传递到显示器后，各阶段信号传递和信号处理的准确度非常重要。否则，测量值在最终显示时可能不准确。为此，特别是传感器必须具有较高的准确度、稳定性和灵敏度。简而言之：测量仪器或测量系统的基本功能是向工作人员显示测量单位。测量单位可以两种方式模拟并显示为数字。使用常规检测和控制仪表时，

6、控制系统的结构如下图所示。其中，检测组件和传输设备可以是单独的组件，也可以是组合功能计量，各链路之间使用点对点连接方法。如果使用计算机或数字控制器作为调节设备，系统的结构可能会有所不同，但是基本控制原理没有太大的区别。例如：直接数字控制系统DDC、分布式控制系统DCS、现场总线控制系统FCS。在网络化控制电路系统中，大多数检测和仪表单元通过网络相互连接，传递信息。2-1检测过程和变送器，2.1.3变送器变送器将各种工艺参数(例如温度、压力、流量、电平、成分和物理转换)发送到相应的集成标准信号0-10mA或4-20mA，然后传送到指示、操作器和调节器进行指示、记录和调整。发射器在特性上也是测量计

7、，但进一步强调，测量转换为统一的标准信号。2-1测试过程和变送器主要根据温度变送器、压力变送器、液位变送器和流量变送器等测试参数分类。发射器的理想I/o特性如图所示。2-1检测过程和变送器，1 .变送器的配置通常由输入转换部分、放大器和反馈部分组成，2-1检测过程和变送器，下面介绍了发射机的一些特定问题。发射器范围调整前后的I/o特性图范围(全部)调整零点调整和零迁移线性化，2-1检测过程和发射器，2 .有两种方法：发射机输出信号和电源连接方式电发射机输出信号，以及电源连接方式4线和2线系统。图2-11(a)显示了4线发射器以及电源和负载的布线方案。图2-11 (a)示出了4线式发射器以及电源

8、和负载的布线方式的2-1检测过程和变送器。电源(220VAC或24VDC)连接到负载电阻RL，然后通过两条导线连接，输出010mADC或420mADC信号。在这种布线方式中，有4条连接到发射器的导线称为4线制。图2-11(b)中，24VDC电源电压和负载电阻RL串行连接到发射器。在这种接线方式中，有一个传输器和一条以双线制连接的导线，它可以传送传输器所需的电源电压和420mADC输出电流。2-2温度变送器，2.2.1温度检测方法1温度测量和分类温度是表征物体高温和低温程度的物理量。温度是工业农业生产、科学实验、日常生活中普遍需要测量、控制的一个重要物理量。许多重要的生产工艺只能在一定的温度范围

9、内有效进行。因此准确测量和稳定控制温度是过程控制工程的重要任务之一。温度的测量方法有多种，这是因为主体的多样性，主体变量的多样性，所以我们在测量温度时会采用不同的测量方法。主体和主体是否接触，有接触温度测量和非接触温度测量。如表2-1所示。2-2温度变送器，1 .接触温度测量方法：该方法通常用于-1001800温度测量，其特点是方法简单、可靠，测量精度高。缺点是需要足够的热接触，因此测量需要特定的响应时间，并且在使用时，被测量对象的热平衡可能会受到损坏，从而导致其他错误。由于环境的特性，测量零部件的结构和性能要求很高。此外，测量的介质和化学反应可能发生。测量体还受到高温材料的限制，不能应用于极

10、高温度的测量。为此，必须正确选择和安装对温度敏感的组件。2-2温度变送器，2 .非接触温度测量方法温度检测组件在不接触测试对象的情况下通过热辐射进行热交换或通过温度检测组件接收测试对象的部分热辐射，并按照热辐射的大小计算测试对象的温度。此方法常用于环境条件恶劣、温度极高的地方(多达6000个)。该方法用于温度测量快、对测量的高温物体的干扰小、测量高温运动的对象以及存在强电磁干扰的强腐蚀的情况下。缺点是容易受到物体发射率、测量距离、煤烟、水蒸气等外部因素的影响，测量误差很大。为此，必须正确选择测量方法和敏感组件的安装位置。2-2温度变送器，2.2.2温度变送器温度变送器与各种分度号的热电偶或热电

11、阻配合工作，将测量目标温度转换为显示装置或调节器的输入，实现测量目标温度的显示、记录或自动控制。热电偶，热电阻是用于温度信号检测的组件，与显示设备、控制设备一起工作，以显示和控制温度或温差。目前，温度变送器广泛应用于普通DDZ型温度变送器、集成温度变送器、智能温度变送器等，以满足各种温度测量控制系统的设计和应用需求。2-2温度变送器，1 .DDZ型温度变送器DDZ型温度变送器是工业过程中广泛使用的一种模拟温度变送器。与各种热阻、热电偶一起使用，将温度或温差信号转换为420mADC、15VDC的集成标准信号输出。传统的DDZ-型温度变送器有三种：DC毫伏变送器、热电偶温度变送器、热阻温度变送器。

12、第一种是集成输出信号，它将DC毫伏信号转换为420mADC和l5VDC。后两者与热电偶、热电阻一起使用，将温度信号转换为与之成比例的420mADC和l5VDC的集成信号输出。2-2温度变送器，在工艺控制领域可进行温度测量和控制，最常用热电偶温度变送器和热阻温度变送器。结构简单、使用方便、可靠性高，用主放大器实现低漂移高增益线性集成电路，提高仪器的可靠性、稳定性和技术性能。热电偶和热电阻温度变送器都使用了线性化处理电路，通过发射机的输出和测量温度之间的线性关系，易于指示和记录。轨道应用了安全火花防爆装置，可用于危险场所的温度测量，扩大了应用领域。如图2-12所示，2-2温度变送器，DDZ-类型温

13、度变送器在线路结构中分为范围单元和放大单元两部分。2-2温度变送器，(1)放大装置的工作原理放大装置的作用是将范围单元输出的DC毫伏信号放大到电压和功率，然后整流输出是集成420mADC标准电流信号和l5VDC标准电压信号。温度变送器的放大装置是通用部件，由集成运算放大器、功率放大器、输出电路、dc-ac-dc变送器等组成，原理线如图2-13所示。、2-2温度变送器、2-2温度变送器、集成运算放大器功率放大器输出和反馈环路dc-ac-dc转换器(称为DCACDC转换器)、2-2温度变送器、(2)范围单元的工作原理范围单元是直接连接到测量组件的部分，温度范围和因此，范围单位并不普遍。根据输入信号

14、实现热电偶冷端温度补偿、测量信号线性化、整机调整和范围调整等。直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热阻温度变送器根据其作用，输入信号不同，测量范围不同，范围单位也不同。2-2温度变送器、DC毫伏变送器范围单元DC毫伏变送器的输入电路由信号输入电路、零调节桥和反馈电路三部分组成，如图2-14所示。2-2温度变送器、热电偶温度变送器范围单元热电偶温度变送器范围单元包括信号输入电路、零位调节和冷端补偿电路、非线性反馈电路和集成电源，如图2-15所示。2-2温度变送器，由于热电偶特性是非线性的，因此，为了保证热电偶温度变送器的线性化输入输出特性，设计了线性化负反馈通道以补偿非线性链路。在这些发射器上，每

15、个链路的操作特性图如图2-16所示。如图2-17所示，2-2温度变送器通过反馈电路的非线性来补偿热电偶的非线性，使I0和t成为线性。补偿非线性环由反馈环中具有不同斜率的段的折线组成。实验表明，如果折线的分段数为46，则剩馀错误可能小于0.2。2-2温度变送器，热阻温度变送器范围单位热阻温度变送器范围单位仍由输入、调节零和反馈三部分组成，但在热电偶温度变送器输入电路的基础上进行了一些调整。这种调整包括使用三线制将热阻连接到桥梁，并用电流正向反馈方法替换多段折线方法，从而使特性线性化。电路结构如图2-18所示。2-2温度变送器，2 .集成温度变送器所谓集成温度变送器是将变送器模块安装在温度测量元件

16、接线板或专用接线盒内的一种温度变送器。变送器模块和温度测量装置形成一体，直接安装在测试目标工艺设备上，可以作为集成标准信号输出。该发射机具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，广泛应用于工业生产。集成温度位于由温度测量元件和变送器模块两部分组成的发射器上，如图2-19所示。变送器模块将温度测量元件的输出信号Et或Rt转换为集成标准信号，主要是420mA的直流电流信号。2-2温度变送器，集成温度变送器直接安装在现场，因此通常变送器模块内部集成电路的正常工作温度为-20 80，超过此范围，电子设备的性能将发生变化，发射器无法工作，因此应特别注意发射器模块的环境温度。集成温度变送器品种更多，其多数变送器模块以一个常用变送器芯片(如AD693、XTRl0l、XTRl03、IXRl00等)为主。以下示例介绍了包含AD693的集成温度变送器。由2-2温度变送器、(1)ad 693构成的热电偶温度变送器ad 693构成的热电偶温度变送器的电路原理由热电偶、输入电路和ad 693等构成，如图2-20所示。由2-2温度变送器、(2)ad 693构成的热阻温度变送器ad 693构成的热阻温度变送器与图2-21所示的热电偶温度变送器的电路几乎相似，但被原始热电偶冷端温度补偿电阻RCu主动热阻Rt代替。此时，AD693的输入信号Ui是桥的输出信号UBD。也就是说，热阻温度变送器的输出和输入之间的