第二章 过程参数检测与变送.ppt

1、第二章 过程参数检测与变送,2.1 过程参数检测概述 2.2 温度检测与变送 2.3 压力测量 2.4 流量测量 2.5 物位测量 2.6 成分和物性参数检测 2.7 软测量技术简介,2.1 过程参数检测概述,在过程自动化控制中要通过检测元件获取生产工艺变量， 最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量 并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号 包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。,检测 实施正确控制的第一步 变送 将检测元件输出的各种信号、微弱信号 转化成统一 ( 标准 ) 的电气信号。,由于检测元件的输出信号一般需要

2、经过变送器处理，转换 成标准统一的电气信号（如 4 20mA 直流电流信号 ， 20 100KPa 气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺 变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。 有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表 , 或 者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二 次仪表。,过程控制对检测仪表的要求： 静态：正确 测量值正确反映被控变量的值 可靠 长期工作 动态：迅速 测量值迅速反映被控变量的变化,一、测量误差 (1) 绝对误差：仪表的指示值与被测量的真值之间的差值 (2) 引用误差：绝对误差与仪表的量程之比。,最大引用误差叫做允许误差,二、仪表的性能指标 (1) 精

3、确度（精度） 表示仪表测量结果的可靠程度。 精度等级：允许误差去掉“ ”号及“ % ” 目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0, 1.5,2.5,4.0 等,仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如 1.0 外加一个圆圈或三角形。精度等级 1.0 ，说明该仪表允许误差为 1.0% 。,1.0,1.5, 例 1 某台测温仪表的量程是 600-1100 ，其最大绝对误差为 4 ，试确定该仪表的精度等级。 解 仪表的允许误差为： 由于国家规定的精度等级中没有 0.8 级仪表，而该仪表的最大引用误差超过了 0.5 级仪表的允

4、许误差，所以这台仪表的精度等级应定为 1.0 级。, 例 2 某台测温仪表的量程是 600-1100 ，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过 4 ，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。 解 根据工艺要求，仪表的允许误差为 0.8% 介于允许误差 0.5% 与 1.0% 之间，如果选择允许误差为 1.0%, 则其精度等级应为 1.0 级。量程为 600 1100 ，精确度为 1.0 级的仪表，可能产生的最大绝对误差为 5 ，超过了工艺的要求。所以只能选择一台允许误差为 0.5% ，即精确度等级为 0.5 级的仪表，才能满足工艺要求。,二、仪表的性能指标 (2) 变差：在外界条件不变的情况下，

5、使用同一台仪表对 某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量 值所得的仪表读数之间的差异。 (3) 线性度 ：衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标,(4) 灵敏度和分辨力 灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化 量的比值，即灵敏度 = Y / X 分辨力（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小 输入变化量。,Y 仪表指针位移的距离（或转角）； X 引起Y的被测参数变化量。,分辨率表示仪表显示值的精细程度。 如一台仪表的显示位数为四位，其分辨率便为千分之一 数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。 分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。 如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为0.1，即该

6、表的分辨力为0.1 。,对于数字式仪表：,(5) 动态误差由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当 被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示出来， 这样造成的误差。,三、变送器的基本特性和构成原理 1. 变送器基本的输入输出特性 被测参数经传感器进入变送器， 经变送器输出标准信号。 两者为单值关系且呈一定 比例关系。,2. 模拟式变送器的基本构成原理,1）原理说明,2）输入输出关系,3. 智能式变送器的基本构成原理,硬件构成：以CPU为核心的硬件电路 软件构成：系统程序、功能模块,数字信号,4.变送器的若干共性问题 量程调整,量程是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围,量程调整目的：

7、在零点不变时将输出上限值 与输入上限值 相对应,量程调整前后的输入/输出特性,零点调整和零点迁移,目的：使变送器输出下限值 与测量信号的下限值 相对应,使输入下限值 为零的过程称为零点调整；使输入下限值不为零的过程称为零点迁移。,零点迁移前后的输入/输出特性,正迁移,负迁移,无迁移,实例 ：某测温仪表的量程为0500，输出信号为 420mA ，现欲测量2001000应如何调整？,第一步：量程调整，将仪表的量程从0-500调整到0-800，并使其在0 时的输出为4mA，输入为800时的输出为20mA。 第二步： 零点迁移，将仪表的零点由0迁移到200 。,变送器信号传输方式：,电动模拟式变送器的

8、电源和输出信号的连接方式,HART（Highway Addressable Transduce)协议传输方式,模拟信号和基于频移键控（FSK)的叠加,HART (Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址 远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosemont 公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备 之间的通信协议。 在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。,第二节 温度检测与变送,一、概述 1、温标 摄氏温标、华氏温标、热力学温标

9、 t=5/9(f-32) t=T-273.15 t:摄氏温标；f:华氏温标；T:国际温标,2、温度检测仪表的分类 接触式测温仪表： 热膨胀 热电偶 热电阻 非接触式测温仪表：热辐射,二、热电偶温度计,图2-1 热电偶外观图,图2-2 热电效应示意图,1.热电偶的测温原理,结点产生热电势的微观解释及图形符号,自由电子,A,B,eAB（ T ）,T,两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,热电效应,热电偶两结点所产生的总的热电

10、势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t 的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）,热电势大致与两个结点的温差t 成正比,三点结论： 1）电极材料相同，总电势为零； 2）冷、热端温度相同，总电势为零； 3）电极材料不同，温度相同，热电势不同。,2.热电偶的应用,（1）热电偶分度表,不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。 供查阅使用，每10分档 。中间值按内插法计算。,八种国际通用热电偶： S:铂铑10铂 B:铂铑30铂铑6 K:镍铬镍

11、硅 E:镍铬铜镍 R:铂铑13铂 N:镍铬硅镍硅 J:铁铜镍 T:铜铜镍,热电偶的中间温度定律,（2）热电偶基本定律 1）均质导体定律 2）中间温度定律,有中间导体的热电偶回路,3）中间导体定律,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,铠装型热电偶,铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封

12、、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,隔爆型热电偶外形,厚壁保护管,压铸的接线盒,电缆线,隔爆型热电偶,结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。 使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化

13、学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。,3.热电偶的冷端补偿,采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离 高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。 C：补偿型 X：延伸型 补偿导线在0100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势 相等，所以不影响测量精度。,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,（1）冷端温度冰浴法（2）计算修正法（3）补偿电桥法,冷端温度补偿电桥,1、热电阻及其测温原理：基于热阻效应,三、热电阻温度计,2 、热电阻的接线方式,a),用于测量精度不高的场合,b)电桥

14、平衡，与导线电阻无关,C）用于高精度的温度测量，如用内阻很高的电子电位差计测量,四、其它测温方法,1、双金属温度计 2、辐射测温温度计,固体膨胀式温度计：用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。 若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。,双金属片常用来做温度报警或控制,随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。 调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。,如图是一双金属温控器。,继电器,辐射测温的基本原理: 物体受热,激励

15、了原子中带电粒子,使一部分热能以 电磁波的形式向空间传播,它不需任何物质作媒介(即在真空条件下也能传播),将热能传递给对方,这种能量的传播方式称为热辐射(简称辐射),传播的能量叫辐射能.物体的辐射能量的大小与波长、温度有关。,黑体辐射强度与波长及温度之间的光谱关系,五、温度变送器,1. DDZ-型温度变送器的构成及特点,说明: 1)输入回路可实现热电偶冷端补偿、热电阻三线制 引入、零点调整与迁移、量程调整； 2）反馈回路可实现非线性校正；,DDZ型电动单元组合仪表中的 变送单元之一： 温度变送器,它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及

16、计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。,2. 智能式变送器,（1）通用性强,（2）使用灵活,（3）多种补偿校正功能,（4）具有控制功能,（5）具有通信功能,（6）具有自诊断功能,1).特点,2).结构,（1）硬件：微处理器、输入/输出电路、人/机界面,（2）软件：系统程序和用户程序,六、温度仪表的选用与安装,1、选用原则：较高温度热电偶 中低温区热电阻 一般以500为分界，但不是绝对。 原因：（1）在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测 量仪表放大器和抗干扰要求很高。 （2）由于参比端温度不易得到完全补偿，在较低温 度区引起的相对误差就很突出。 另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质等 选择适当的保护套管，连接导线等。,2、安装,热电偶的插入深度,1）对于管道安装通常使工作端处于管