自动检测技术及仪表幻灯片.ppt

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1、自动检测技术及仪表第1页，共28页，编辑于2022年，星期二4-1：温度检测与变送：温度检测与变送 4-2：压力检测与变送：压力检测与变送4-3：流量检测与变送：流量检测与变送4-4：物位检测与变送：物位检测与变送4-5：成份分析检测技术：成份分析检测技术4-6:机械量检测技术机械量检测技术目目 录录第四章第四章过程参数检测技术及仪表过程参数检测技术及仪表一、过程参数的一般检测原理一、过程参数的一般检测原理二、变送器的基本特性和构成原理二、变送器的基本特性和构成原理第2页，共28页，编辑于2022年，星期二一、过程参数的一般检测原理一、过程参数的一般检测原理一、过程参数的一般检测原理一、过程参

2、数的一般检测原理 传感器传感器传感器传感器 -又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量 转换，并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输转换，并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输 出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等。出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等。第四章第四章 过程参数检测技术及仪表过程参数检测技术及仪表第3页，共28页，编辑于2022年，星期二 变送器变送器变送器变送器 -传感器的输出一般都需要经过变送环节的进一步处理，转传感器的输出一般都需要经过变送环节的进一步处理，转 换成如换成如0 0

3、10mADC10mADC或或4 420mADC20mADC等统一标准模拟量信等统一标准模拟量信 号，或者转换成满足特定标准的数字量信号，送给显示、号，或者转换成满足特定标准的数字量信号，送给显示、控制等装置。控制等装置。显示装置显示装置显示装置显示装置 -接收变送器的输出的标准信号后，以指针、数字、曲线接收变送器的输出的标准信号后，以指针、数字、曲线 等形式，把被测量显示出来。等形式，把被测量显示出来。当传感器输出为某一电信号时，显示装置可以采用专门当传感器输出为某一电信号时，显示装置可以采用专门 的测量电路直接引入此电信号，完成数据显示。的测量电路直接引入此电信号，完成数据显示。传感器本质上

4、是非电系统与电系统之间的接口。由于传感器大多都存在着一定的非线传感器本质上是非电系统与电系统之间的接口。由于传感器大多都存在着一定的非线性，经常需要在检测仪表或检测系统中加入性，经常需要在检测仪表或检测系统中加入非线性校正电路，或采取非线性校正的软非线性校正电路，或采取非线性校正的软件措施等。件措施等。第4页，共28页，编辑于2022年，星期二 当被测量为电量时，则检测系统中可不需要传感器部分，被测量直接送显当被测量为电量时，则检测系统中可不需要传感器部分，被测量直接送显示仪表显示；示仪表显示；当被测量为非电量时，则检测系统中必须要有传感器部分，被测量经传感器的当被测量为非电量时，则检测系统中

5、必须要有传感器部分，被测量经传感器的转换后，再送显示仪表显示；转换后，再送显示仪表显示；传感器是将被测量转换为某一可用的、可再处理的信号的重要装置。传感器是将被测量转换为某一可用的、可再处理的信号的重要装置。这个这个转换过程转换过程转换过程转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应进行的，如一般都是利用诸多的自然规律和基础效应进行的，如:守恒定律、场的定律、热电效应、电阻的热效应等守恒定律、场的定律、热电效应、电阻的热效应等守恒定律、场的定律、热电效应、电阻的热效应等守恒定律、场的定律、热电效应、电阻的热效应等 例如：例如：自然界最基本的定律自然界最基本的定律-能量守恒、动量守恒；能量守恒、

6、动量守恒；静电场、磁电场感应定律等等。静电场、磁电场感应定律等等。第5页，共28页，编辑于2022年，星期二守恒定律守恒定律守恒定律守恒定律守恒定律守恒定律守恒定律守恒定律-是自然界最基本的定律，它包括是自然界最基本的定律，它包括能量守恒能量守恒、动量守恒等等。动量守恒等等。例如：孔板流量计、转子流量计等就是根据流体的动能和例如：孔板流量计、转子流量计等就是根据流体的动能和 静压能之间的变化静压能之间的变化(能量守恒能量守恒)来测量流体的流速。来测量流体的流速。场的定律场的定律场的定律场的定律场定律场定律-如静电场、电磁场的感应定律、动力场的运如静电场、电磁场的感应定律、动力场的运 动定律等等

7、。动定律等等。典型例子：电容传感器。典型例子：电容传感器。d两两平平行行板板间间物物质质的的介介电电常常数数，SS平平行行板板面面积积，dd两两平平行行板板之之间间的的距距离离。如如果果把把一一个个极极板板固固定定，把把另另一一个个极极板板与与可可产产生生位位移移的的敏敏感感元元件件相相连连，即即可可将将敏敏感感元元件件的位移转换成电容量的大小。的位移转换成电容量的大小。第6页，共28页，编辑于2022年，星期二热电效应热电效应热电效应热电效应热电效应热电效应热电效应热电效应-把两种不同的导体或者半导体连接成闭合的回路，如果把两种不同的导体或者半导体连接成闭合的回路，如果 将两个接点分别放置于

8、不同的温度，则该回路内部会产将两个接点分别放置于不同的温度，则该回路内部会产 生热电势，这种现象称为热电效应。生热电势，这种现象称为热电效应。利利用用导导体体的的热热电电效效应应，可可将将两两种种不不同同的的导导体体制制成成热热电电偶偶用用于于温温度度检检测测，这这也也是是一一种种工工业业上普遍使用的温度检测方法之一。上普遍使用的温度检测方法之一。t0tAB第7页，共28页，编辑于2022年，星期二电阻的热效应电阻的热效应电阻的热效应电阻的热效应 -是指金属导体的电阻值随温度变化而发生变化的现是指金属导体的电阻值随温度变化而发生变化的现 象。象。通常，电阻值和温度之间可以建立如下的简化关系式：

9、通常，电阻值和温度之间可以建立如下的简化关系式：R Rt t为温度为温度t t时的电阻值，时的电阻值，R Rt0t0为温度为温度t t0 0时的电阻值，时的电阻值，为温度系数。为温度系数。可见，温度的变化可以导致电阻体的电阻发生变化，因此只要设法测量出可见，温度的变化可以导致电阻体的电阻发生变化，因此只要设法测量出电阻值的变化就可以达到测量温度的目的，这也是另一种工业上普遍使用电阻值的变化就可以达到测量温度的目的，这也是另一种工业上普遍使用的温度检测方法。的温度检测方法。电阻的热效应电阻的热效应电阻的热效应电阻的热效应第8页，共28页，编辑于2022年，星期二压电效应压电效应压电效应压电效应压

10、电效应压电效应压电效应压电效应-当某些材料受压发生机械形变时，在两个相对的面上会当某些材料受压发生机械形变时，在两个相对的面上会 产生异号电荷。这种在没有外电场存在，由于形变引起产生异号电荷。这种在没有外电场存在，由于形变引起 的电现象称为压电效应。的电现象称为压电效应。利用压电效应可进行力、压力的测量。利用压电效应可进行力、压力的测量。第9页，共28页，编辑于2022年，星期二应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应 -是利用金属导体和半导体材料制成的电阻体，是利用金属导体和半导体材料制成的电阻体，其阻值其阻值R R可以表示成：可以表示成：当电阻体材料的电阻率

11、、长度或者截面积发生变化，可引起电阻体电阻值发生当电阻体材料的电阻率、长度或者截面积发生变化，可引起电阻体电阻值发生变化；变化；电阻体的电阻值变化归结为两个因素：电阻体的电阻值变化归结为两个因素：一是由尺寸变化引起的（如一是由尺寸变化引起的（如 l l、A A），称为应变效应），称为应变效应-主要针对金属材料的传感器；主要针对金属材料的传感器；二是由电阻率变化引起的，称为压阻效应二是由电阻率变化引起的，称为压阻效应 -主要针对半导体材料的传感器主要针对半导体材料的传感器 利用材料的应变效应和压阻效应制成的敏感元件可用于压力等参数的测量。利用材料的应变效应和压阻效应制成的敏感元件可用于压力等参数

12、的测量。应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应第10页，共28页，编辑于2022年，星期二二、变送器的基本特性和构成原理二、变送器的基本特性和构成原理二、变送器的基本特性和构成原理二、变送器的基本特性和构成原理 传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。频率、位移、力等等。但由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往十分微弱并伴有非线

13、性，因此，但由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往十分微弱并伴有非线性，因此，除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外，除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外，多数情况下都要利用变送器来把多数情况下都要利用变送器来把传传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号，送到显示装感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号，送到显示装置以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到控制器对其置以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到控制器对其实现控制。实现控制。第11页，共28页，编辑于2022年，星期二-变送器基本的输入输出特性变送器基本的输入输出特性

14、变送器基本的输入输出特性变送器基本的输入输出特性 对对于于一一个个检检测测系系统统来来说说，传传感感器器和和变变送送器器可可以以是是两两个个独独立立的的环环节节，也也可可以以是一个有机的整体。但是，是一个有机的整体。但是，变变变变送送送送器器器器的的的的输输输输入入入入输输输输出出出出特特特特性性性性 -通通常常是是指指包包括括敏敏感感元元件件和和变变送送环环节节的的整整体体特特性性，原因：，原因：一是人们往往更关心检测系统的输出与被测物理量之间的对应关系一是人们往往更关心检测系统的输出与被测物理量之间的对应关系；二二是是敏敏感感元元件件的的某某些些特特性性往往往往需需要要通通过过变变送送环环

15、节节进进行行处处理理和和补补偿偿以以提提高高测测量精度量精度。例如：线性化处理、环境温度的补偿等等。例如：线性化处理、环境温度的补偿等等。第12页，共28页，编辑于2022年，星期二-变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性变送器的理想输入输出特性 yminymax0(xmin)xmaxyx x xmaxmax和和 x xminmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值分别为变送器测量范围的上限值和下限值；y ymaxmax和和 y yminmin分别为变送器输出信号的上限值和下限值分别为变送器输出信号的上限值和下限值；对于对于模拟式模拟式变送器变送器：y ym

16、axmax和和 y yminmin即为统一标准信号的上限值和下限值即为统一标准信号的上限值和下限值；对于对于智能式变送器：智能式变送器：y ymaxmax和和 y yminmin即为输出数字信号范围的上限值和下限值即为输出数字信号范围的上限值和下限值。第13页，共28页，编辑于2022年，星期二 模拟变送器的构成原理模拟变送器的构成原理模拟变送器的构成原理模拟变送器的构成原理 测量部分测量部分放大器放大器 反馈部分反馈部分反馈部分反馈部分 x测量部分Ki模拟式模拟式变送器的组成变送器的组成 ：zi放大器Koy反馈部分Kfzf+零点调整零点迁移+z0关键环节关键环节：第14页，共28页，编辑于2

17、022年，星期二当满足当满足当满足当满足K K K Ko o o oK K K Kf f f f1111的条件时的条件时的条件时的条件时 -模拟变送器的模拟变送器的模拟变送器的模拟变送器的输入输出关系输入输出关系输入输出关系输入输出关系第15页，共28页，编辑于2022年，星期二如果，如果，y yminmin，y ymaxmax 与与 x xminmin，x xmaxmax ，如何调整？，如何调整？1.1.调整调整K Ki i、K Kf f可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点；可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点；2.2.调整调整z z0 0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移。可以改

18、变零点，同时也会引起线性关系的平移。第16页，共28页，编辑于2022年，星期二 数字式数字式数字式数字式变送器的构成原理变送器的构成原理变送器的构成原理变送器的构成原理 第17页，共28页，编辑于2022年，星期二数字式数字式变送器软件部分包括变送器软件部分包括:A/DA/D采样程序采样程序 量程转换程序量程转换程序 工程量变换程序工程量变换程序 滤波滤波程序程序 误差校正程序误差校正程序 D/AD/A输出程序输出程序 通讯通讯程序程序 辅助功能程序辅助功能程序-数字变送器的数字变送器的数字变送器的数字变送器的软件组成软件组成软件组成软件组成第18页，共28页，编辑于2022年，星期二-变送

19、器的一些共性问题变送器的一些共性问题变送器的一些共性问题变送器的一些共性问题 量程调整量程调整零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移线性化线性化变送器信号传输方式变送器信号传输方式第19页，共28页，编辑于2022年，星期二 量程调整量程调整量程调整量程调整 量程调整量程调整量程调整量程调整-使变送器的输出信号上限值使变送器的输出信号上限值y ymaxmax与测量范围的上限值与测量范围的上限值 x xmaxmax相对应相对应。量程调整量程调整量程调整量程调整-相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是 改变变送器输出信号改变变送器输出信号y y与输入

20、信号与输入信号x x之间的比例系数之间的比例系数。第20页，共28页，编辑于2022年，星期二 量程调整的方法量程调整的方法量程调整的方法量程调整的方法 模拟式变送器模拟式变送器模拟式变送器模拟式变送器的量程调整：的量程调整：改变反馈部分的反馈系数改变反馈部分的反馈系数 K Kf f改变测量部分转换系数改变测量部分转换系数 K Ki i数字式变送器数字式变送器数字式变送器数字式变送器的量程调整：的量程调整：软件实现软件实现K K K Kf f f f 量程量程量程量程 K K K Ki i 量程量程量程量程 第21页，共28页，编辑于2022年，星期二 零点调整零点调整零点调整零点调整零点调整

21、零点调整零点调整零点调整-使变送器的输出信号使变送器的输出信号 下限值下限值 y yminmin 与测量范围的下限值与测量范围的下限值 x xminmin=0=0 相对应相对应 。零点调整的方法零点调整的方法零点调整的方法零点调整的方法：模拟变送器：模拟变送器：调调 Z Z0 0 数字变送器：软件数字变送器：软件第22页，共28页，编辑于2022年，星期二 零点迁移零点迁移零点迁移零点迁移 零点迁移零点迁移零点迁移零点迁移-使变送器的输出信号下限值使变送器的输出信号下限值 y ymiamia与测量范围下限值与测量范围下限值 x xmimin n相对应相对应。在在x xmimin n=0=0时，

22、称为零点调整，时，称为零点调整，在在x xminmin00时，称为零点时，称为零点迁移。迁移。零点调整零点调整-使变送器的测量起始点为零使变送器的测量起始点为零。零点迁移零点迁移-是把测量的起始点由零迁移到某一数值是把测量的起始点由零迁移到某一数值。当测量的起始点由零当测量的起始点由零变为某一正值，称为变为某一正值，称为正迁移；正迁移；当测量的起始点由零当测量的起始点由零变为某一负值，称为变为某一负值，称为负迁移负迁移.第23页，共28页，编辑于2022年，星期二 线性化线性化线性化线性化线性化线性化线性化线性化原因：传原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着感器组件的输出信号与被测

23、参数之间往往存在着非线非线非线非线 性关系性关系性关系性关系，所以常采用非线性补偿措施。，所以常采用非线性补偿措施。线性化方法：线性化方法：线性化方法：线性化方法：模拟式变送器非线性补偿方法模拟式变送器非线性补偿方法模拟式变送器非线性补偿方法模拟式变送器非线性补偿方法：根据非线性的不同，在变送器的线路中采用不同的非线性补偿电根据非线性的不同，在变送器的线路中采用不同的非线性补偿电 路，路，实现非线性补偿与修正。其补偿是近似补偿。实现非线性补偿与修正。其补偿是近似补偿。数字式变送器非线性补偿方法数字式变送器非线性补偿方法数字式变送器非线性补偿方法数字式变送器非线性补偿方法：软件实现软件实现。可实

24、现完全补偿。可实现完全补偿。第24页，共28页，编辑于2022年，星期二使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性相反的非线性特性。如图 使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性相同的非线性特性。如图第25页，共28页，编辑于2022年，星期二三、讨论、思考题、作业：讨论、思考题、作业：1.检测过程参数的作用是什么？工业上常见的过程参数主要有哪些？2.过程参数的测量方法有哪些？如何考虑选用测量方法。3.传感器、变送器的作用各是什么？二者之间有什么关系？4.简述变送器的基本构成及理想输入输出特性，写出其输入输出表达式。5.构成检测系统的仪表在信号传递时，要考虑哪些问题，解决方案有哪些。6.分别

25、简述电动模拟式变送器、数字式变送器的构成原理，二者的输出信号有什么不同？7.何谓变送器的零点调整、量程调整和零点迁移？它们的作用各是什么？模拟变送器和数字变送器各是如何实现量程调整的。第26页，共28页，编辑于2022年，星期二8.电动模拟式变送器的电源和输出信号的连接方式有哪几种？目前在工业现场最常见的是哪一种？它有什么样的特点？9.有一台DDZ-III型两线制差压变送器，已知其量程为20100kPa，当输入信号为40kPa和70kPa时，变送器的输出信号分别是多少？第27页，共28页，编辑于2022年，星期二好好学习！天天向上！好好学习！天天向上！天生我才必有用！天生我才必有用！ zdh123第28页，共28页，编辑于2022年，星期二