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第二章过程参数检测与变送第1页，共61页，编辑于2022年，星期二2.1 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。第2页，共61页，编辑于2022年，星期二检测 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。第3页，共61页，编辑于2022年，星期二 由于检测元件的输出信号一般需要经过变送器处理，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。第4页，共61页，编辑于2022年，星期二 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第5页，共61页，编辑于2022年，星期二一、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最大引用误差叫做允许误差第6页，共61页，编辑于2022年，星期二二、仪表的性能指标 (1)精确度（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 等第7页，共61页，编辑于2022年，星期二 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%。1.01.5第8页，共61页，编辑于2022年，星期二 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 级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为 1.0 级。第9页，共61页，编辑于2022年，星期二 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。第10页，共61页，编辑于2022年，星期二二、仪表的性能指标 (2)变差变差：在外界条件不变的情况下，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)线性度线性度：衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标 第11页，共61页，编辑于2022年，星期二(4)灵敏度和分辨力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 Y 仪表指针位移的距离（或转角）；仪表指针位移的距离（或转角）；X X 引起引起YY的被测参数变化量。的被测参数变化量。第12页，共61页，编辑于2022年，星期二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，即该表的分辨力为0.1。对于数字式仪表：对于数字式仪表：第13页，共61页，编辑于2022年，星期二 (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。第14页，共61页，编辑于2022年，星期二三、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。第15页，共61页，编辑于2022年，星期二 2.模拟式变送器的基本构成原理1 1）原理说明原理说明2 2）输入输出关系输入输出关系第16页，共61页，编辑于2022年，星期二 3.智能式变送器的基本构成原理1)硬件构成：以CPU为核心的硬件电路2)软件构成：系统程序、功能模块第17页，共61页，编辑于2022年，星期二数字信号第18页，共61页，编辑于2022年，星期二4.变送器的若干共性问题 量程调整量程调整量程是指与检测仪表规定的量程是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围输出范围相对应的输入范围量程调整目的：在零点不变时量程调整目的：在零点不变时将输出上限值将输出上限值 与输入上限值与输入上限值 相对应相对应量程调整前后的输入量程调整前后的输入/输出特性输出特性第19页，共61页，编辑于2022年，星期二 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移目的：使变送器输出下限值目的：使变送器输出下限值 与测量信号的下限值与测量信号的下限值 相对应相对应使输入下限值使输入下限值 为零的过程称为零点调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整；使输入下限值不为零的过程称为零点迁移。迁移。第20页，共61页，编辑于2022年，星期二零点迁移前后的输入零点迁移前后的输入/输出特性输出特性正迁移正迁移负迁移负迁移无迁移无迁移第21页，共61页，编辑于2022年，星期二实例 ：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，将仪表的量程从第一步：量程调整，将仪表的量程从0-5000-500调整到调整到0-8000-800，并使其在，并使其在00 时的输出为时的输出为4mA4mA，输入为，输入为800800时的输出为时的输出为2020mAmA。第二步：第二步：零点迁移，将仪表的零点由零点迁移，将仪表的零点由00迁移到迁移到200 200。第22页，共61页，编辑于2022年，星期二变送器信号传输方式：变送器信号传输方式：电动模拟式变送器的电源和输出信号的连接方式电动模拟式变送器的电源和输出信号的连接方式第23页，共61页，编辑于2022年，星期二HARTHART（Highway Addressable Transduce)Highway Addressable Transduce)协议传输方式协议传输方式模拟信号和基于频移键控（模拟信号和基于频移键控（FSK)FSK)的叠加的叠加第24页，共61页，编辑于2022年，星期二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25页，共61页，编辑于2022年，星期二第二节 温度检测与变送一、概述一、概述 1、温标 摄氏温标、华氏温标、热力学温标 t=5/9(f-32)t=5/9(f-32)t=T-273.15 t=T-273.15 t:摄氏温标；f:华氏温标；T:国际温标第26页，共61页，编辑于2022年，星期二2、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：热辐射第27页，共61页，编辑于2022年，星期二二、热电偶温度计二、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.热电偶的测温原理第28页，共61页，编辑于2022年，星期二结点产生热电势的微观解释及图形符号结点产生热电势的微观解释及图形符号 自由自由电子电子ABeAB（T T）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，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，在两金属在两金属A A和和B B的接触点处会发生自由电子的的接触点处会发生自由电子的扩散现象。扩散现象。自由电子自由电子将从密度大的金属将从密度大的金属A A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B B，使，使A A失去电子带正电失去电子带正电，B B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生热电势。，从而产生热电势。第29页，共61页，编辑于2022年，星期二热电效应热电效应 热热电电偶偶两两结结点点所所产产生生的的总总的的热热电电势势等等于于热热端端热热电电势势与与冷冷端端热热电电势势之之差差，是两个结点的温差是两个结点的温差tt 的函数：的函数：EAB（T，T0）=eAB（T T）-eAB（T T0 ）热电势大致与热电势大致与两个结点的温差两个结点的温差t t 成正比成正比第30页，共61页，编辑于2022年，星期二三点结论：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。第31页，共61页，编辑于2022年，星期二2.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。第32页，共61页，编辑于2022年，星期二 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 第33页，共61页，编辑于2022年，星期二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）中间温度定律第34页，共61页，编辑于2022年，星期二有中间导体的热电偶回路3）中间导体定律第35页，共61页，编辑于2022年，星期二普通装配型普通装配型热电偶热电偶的的结构结构放大图放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹（出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 第36页，共61页，编辑于2022年，星期二铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长长达上百米达上百米薄壁金属薄壁金属 保保护套管（铠护套管（铠体）体）BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶横铠装型热电偶横截面截面第37页，共61页，编辑于2022年，星期二铠装型热电偶铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺：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、配置接线盒即成为柔的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：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，能解决得很细，能解决微小、狭窄场合微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。超长等优点。第38页，共61页，编辑于2022年，星期二隔爆隔爆型热电偶外形型热电偶外形厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线第39页，共61页，编辑于2022年，星期二隔爆隔爆型热电偶型热电偶 结构特点结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过的接线盒是经过压铸压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度机构强度较高；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。果。使用场合：使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业化学工业自控系统中（由于在自控系统中（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）。普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。第40页，共61页，编辑于2022年，星期二3.热电偶的冷端补偿第41页，共61页，编辑于2022年，星期二 采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离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。高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。C C：补偿型：补偿型 X X：延伸型：延伸型 补偿导线在补偿导线在0100 C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等相等，所以不影响，所以不影响测量精度。测量精度。第42页，共61页，编辑于2022年，星期二补偿导线外形补偿导线外形 AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层第43页，共61页，编辑于2022年，星期二（1 1）冷端温度冰浴法（）冷端温度冰浴法（2 2）计算修正法（）计算修正法（3 3）补偿电桥法）补偿电桥法第44页，共61页，编辑于2022年，星期二冷端温度补偿电桥第45页，共61页，编辑于2022年，星期二1、热电阻热电阻及其测温原理：基于热阻效应热电阻名称分度号0时阻值()测温范围（）特点铜电阻Cu50500.0550150线性好，价格低，适用于无腐蚀性介质Cu1001000.1铂电阻Pt50500.003-200850精度高，价格贵，适用于中性和氧化性介质，但线性度差Pt1001000.006三、热电阻温度计第46页，共61页，编辑于2022年，星期二2 2、热电阻的接线方式、热电阻的接线方式a)用于测量精度不高的场合用于测量精度不高的场合b)电桥平衡，与导线电阻无关C C）用于高精度的温度测量，如用于高精度的温度测量，如用内阻很高的电子电位差计测用内阻很高的电子电位差计测量量第47页，共61页，编辑于2022年，星期二四、其它测温方法四、其它测温方法1、双金属温度计2、辐射测温温度计 第48页，共61页，编辑于2022年，星期二 固体膨胀式温度计：用两片线膨胀系数不同的金属片叠固体膨胀式温度计：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。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。应温度值。第49页，共61页，编辑于2022年，星期二双金属片常用来做温度报警或控制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，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。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调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。位置，以调整报警温度。双金属片调节螺钉绝缘柱 如图是一双金属温控器。如图是一双金属温控器。继电器继电器第50页，共61页，编辑于2022年，星期二辐射测温的基本原理:物体受热,激励了原子中带电粒子,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。第51页，共61页，编辑于2022年，星期二黑体辐射强度与波长及温度之间的光谱关系第52页，共61页，编辑于2022年，星期二五、温度变送器第53页，共61页，编辑于2022年，星期二1.DDZ-1.DDZ-型温度变送器的构成及特点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；第54页，共61页，编辑于2022年，星期二 DDZ DDZ型电动单元组合仪表中的型电动单元组合仪表中的 变送单元之一：变送单元之一：温度变送器温度变送器 它能将热电偶（或热电它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统纸等行业的测温控制系统中。中。第55页，共61页，编辑于2022年，星期二2.2.智能式变送器智能式变送器（1 1）通用性强通用性强（2 2）使用灵活使用灵活（3 3）多种补偿校正功能多种补偿校正功能（4 4）具有控制功能具有控制功能（5）具有通信功能（6 6）具有自诊断功能具有自诊断功能1).1).特点特点2).2).结构结构（1 1）硬件：微处理器、输入硬件：微处理器、输入/输出电路、人输出电路、人/机界面机界面（2 2）软件：系统程序和用户程序软件：系统程序和用户程序第56页，共61页，编辑于2022年，星期二 第57页，共61页，编辑于2022年，星期二六、温度仪表的选用与安装1、选用原则：较高温度、选用原则：较高温度热电偶热电偶 中低温区中低温区热电阻热电阻一般以一般以500为分界，但不是绝对为分界，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。第58页，共61页，编辑于2022年，星期二2、安装第59页，共61页，编辑于2022年，星期二热电偶的插入深度热电偶的插入深度热电偶的插入深度热电偶的插入深度 1 1）对于管道安装通常使工作端处于管道中心线）对于管道安装通常使工作端处于管道中心线 1/3 1/3 管道直径区域内。管道直径区域内。2 2）管道较细，宜采用斜插，管径小于）管道较细，宜采用斜插，管径小于80mm 80mm 的管道可以采的管道可以采用扩大管。用扩大管。3 3）测量炉膛温度时，应避免热电偶与火焰直接接触，避免安装在炉门）测量炉膛温度时，应避免热电偶与火焰直接接触，避免安装在炉门旁或与加热物体距离过近之处。在高温设备上测温时，为防止保护套管弯旁或与加热物体距离过近之处。在高温设备上测温时，为防止保护套管弯曲变形，应尽量垂直安装。曲变形，应尽量垂直安装。4 4）热电偶的接线盒引出线孔应向下，以防因密封不良而使水汽、灰）热电偶的接线盒引出线孔应向下，以防因密封不良而使水汽、灰尘与脏物落入接线盒中，影响测量。尘与脏物落入接线盒中，影响测量。5 5）为减少测温滞后，可在保护外套管与保护管之间加装传热良好的填充）为减少测温滞后，可在保护外套管与保护管之间加装传热良好的填充物，如变压器油物，如变压器油(150)(150 150）等。）等。第60页，共61页，编辑于2022年，星期二热电偶的插入深度热电偶的插入深度热电偶的插入深度热电偶的插入深度热电偶的插入方式热电偶的插入方式热电偶的插入方式热电偶的插入方式 热电偶在扩大管上的安装热电偶在扩大管上的安装热电偶在扩大管上的安装热电偶在扩大管上的安装 第61页，共61页，编辑于2022年，星期二