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工程人員手冊第五章 常見儀表知識5.1 熱電偶測溫原理5.1.1 熱電效應與熱電偶熱電效應是熱電偶測溫的基本原理。根據(jù)熱電效應，任何兩種不同的導體或半導體組成的閉合回路，如圖 5.1-1 所示，如果將它們的兩個接點分別置于溫度各為t及t0的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電勢。這兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。每根單獨的導體或半導體稱為熱電極。兩個接點中，t端稱為工作端（假定該端置于被測的熱源中），又稱測量端或熱端；t0端稱為自由端，又稱參考端或冷端。由熱電效應可知，閉合回路中所產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成，圖 5.1-1 熱電效應即接觸電勢和溫差電勢，總電勢由（5.1-1）式給出。實驗結果表明，接觸電勢比溫差電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的電勢可表示為EAB（t,t0）= eAB( t )eAB（t0）（5.1-1）這就是熱電偶測溫的基本公式。；當t0為一定時，eAB(t0) = C為常數(shù)。則對確定的熱電偶電極，其總電勢就只與溫度t成單函數(shù)關系，即EAB（t,t0）= eAB( t )C（5.1-2）根據(jù)國際溫標規(guī)定：t0 = 0時，用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，列成一張張表格，這就是常說的分度表。溫度與熱電勢之間的關系也可以用函數(shù)式表示，稱為參考函數(shù)。新的ITS-90 的分度表和參考函數(shù)是由國際電工委員會和國際計量委員會合作安排，國際上有權威的研究機構（包括中國在內(nèi)）共同參與完成的，它是熱電偶的測溫的主要依據(jù)。5.1.2 熱電偶基本定律1、 中間導電定律如圖 5.1-2 所示將A、B構成的熱電偶的t0端斷開，接入第三種導體C，并使A與C和B與C接觸處的溫度均為t0，則接入導體C后對熱電偶回路中的總電勢沒有影響。證明如下：由于接觸電勢忽略不計，則回路中的總電勢等于各第 1 頁 共 1 頁工程人員手冊接點的溫差電勢之和，即EABC（t，t0）eAB（t） eBC（t0） eCA（t0）當t = t0 時，有EABC（t，t0）eAB（t0） eBC（t0） eCA（t0） 0圖 5.1-2 三種導體的熱點回路（5.1- 3）（5.1 - 4）由上式可得eBC（t0） eCA（t0）eAB（t0），代入（3 3 ）式得EABC（t，t0）eAB（t）eAB（t0）EAB（t，t0）（5.1- 5）同理還可以證明，加入第四、第五種導體后，只要加入的導體的兩端溫度相等，則總電勢與原熱電偶回路的電勢值相同。根據(jù)熱電偶的這一性質，可以在熱電偶回路種引入各種儀表、連接導線等。例如，在熱電偶的自由端接入一只測量電勢的儀表，并保證兩各接點的溫度一致就可以對熱電勢進行測量而且不影響熱電偶的輸出。2、均質導體定律由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的截面如何以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。這條定律說明，熱電偶必須由兩種不同性質的材料構成。3、中間溫度定律熱電偶AB在接點溫度為t，t0時的熱電勢EAB（t，t0）等于熱電偶AB在接點溫度為t，t0的熱電勢EAB（t，tc）和EAB（tc，t0）的代數(shù)和（見圖5.1-3 ），即EAB（t，t0）EAB（t，tc）EAB（tc，t0）（5.16 ）4、等值替代定律如果使熱電偶AB在某一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢等于熱電偶CD在同一溫度范圍內(nèi)所產(chǎn)生的熱電勢，即EAB（t，t0）ECD（t，t0），則這兩支熱電偶在該溫度范圍內(nèi)可以互相代用。圖 5.1-3 中間溫度定律5.2 熱電阻測溫原理電阻的熱效應早已被人們所認識，即電阻體的阻值隨溫度的升高而增加或減小。從電阻隨溫度的變化原理來看，大部分的導體或半導體都有這種性質，但作為溫度檢測元件，這些材料應滿足以下這些要求：1、要有盡可能大而且穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)；2、電阻率要大，以便在同樣靈敏度下減小元件的尺寸；3、電阻值隨溫度變化要有單值函數(shù)關系，最好呈線性關系；4、在電阻的使用溫度范圍內(nèi)，其化學和物理性能穩(wěn)定，并且材料復制性好，價格盡可能便宜。能用作溫度檢測元件的電阻體稱為熱電阻。根據(jù)上述要求，目前國際上最常見的熱電阻第 2 頁 共 2 頁工程人員手冊有鉑、銅及半導體熱敏電阻等。5.2.1 金屬熱電阻金屬熱電阻主要有鉑電阻、銅電阻和鎳電阻等，其中鉑電阻和銅電阻最為常用，有一套標準的制作要求和分度表、計算公式。金屬熱電阻阻值隨溫度得變化大小用電阻溫度系數(shù)來表示，其定義為：（R100 R0）/100R0（5.2- 1）式中R0和R100分別為 0和 100時熱電阻的電阻值?？梢奟100 / R0越大，值也越大，說明溫度升高使熱電阻的電阻值增加越多。金屬的純度對電阻溫度系數(shù)影響很大，純度越高，值越大，例如，作為基準器用的 。另外值還與制造工藝有關。因為在電阻絲的拉伸過程中，電阻絲的內(nèi)應力應會引起的變化，所以電阻絲在做成熱電阻之前，必須進行退火處理，以消除內(nèi)應力。工業(yè)用熱電阻溫度計的分度公式和分度號作為標準用鉑電阻溫度計可以用一種嚴密、合理的方程來描述其電阻比與溫度的關系，但是該方程比較復雜。對于工業(yè)用鉑電阻溫度計可用簡單的分度公式來描述其電阻與溫度的關系。工業(yè)用鉑 電阻溫度計的使用范圍是-200 850，在如此寬的溫度范圍內(nèi)，很難用一個數(shù)學公式準確表示，為此需要分成兩個溫度范圍分別表示，在-200 0的溫度范圍內(nèi)用RtR01AtBt2C（t100）t3 在 0 850得溫度范圍內(nèi)用RtR0（1AtBt2）（5.2-2）（5.2-3）式中Rt和R0分別為t和 0時鉑電阻的電阻值；A、B和C為常數(shù)。在ITS-90 中，這些常數(shù)規(guī)定為A3.90831013/C-4.1831012/4銅電阻溫度計也有相應的分度公式。由于它在-50 150的使用范圍內(nèi)其它電阻值與溫度的關系幾乎是線性的，因此在一般場合下可以近似地表示為第 3 頁 共 3 頁鉑電阻，要求3.92510 3/；一般工業(yè)上用的鉑電阻則要求3.8510 3/B-5.77510 7/2工程人員手冊RtR0（1t）（5.2-3）由于熱電阻在溫度t時的電阻值與R0有關，所以對R0的允許誤差有嚴格的要求。另外R0的大小也有相應的規(guī)定。R0愈大，則電阻體體積增大，不僅需要較多的材料，而且使測量的時間常數(shù)增大，同時電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量也增加，但引線電阻及其變化的影響變??；R0愈小，情況與上述相反。因此，需要綜合考慮選用合適的R0。目前，我國規(guī)定工業(yè)用鉑電阻有R010和R0100兩種，它們得分度號分別為Pt10 和Pt100；銅電阻溫度計也有R050和R0100兩種，其分度號分別為Cu50 和Cu100。用表格形式給處在不同溫度下各種熱電阻分度號的電阻值稱為熱電阻的分度表。圖 5.2-1 給出了電阻比Rt / R0 與溫度t的特性曲線。由圖可見，銅熱電阻的特性比較接近直線；而鉑電阻的特性呈現(xiàn)出一定的非線性，溫度越高，電阻的變化率越小。圖 5.2-1 常用熱電阻的特性曲線2.3壓力傳感器測量原理壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)的重要組成部分。由各種壓力敏感元件將被測信號轉換成容易測量的電信號作輸出，給顯示壓力值，或供控制和報警使用。壓力傳感器的種類很多，常用壓力傳感器的性能比較如表 5.3-1 所示。第 4 頁 共 4 頁式中為銅電阻的溫度系數(shù)，取4.2810 3/。工程人員手冊表 5.3-1 幾種常見的壓力傳感器的性能比較5.3.1 應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器是把壓力的變化轉換成電阻值的變化來進行測量的。應變片是由金屬導體或半導體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應變而變化。對于金屬導體，電阻變化率R/R 的表達式為：R/R（12）式中 材料的泊松系數(shù)； 應變量圖 5.3-1 為國產(chǎn) BPR-2 型壓力傳感器的結構示意圖第 5 頁 共 5 頁工程人員手冊圖 5.3-1應變式壓力傳感器結構原理圖1應變筒；2外殼；3密封膜片在圖 5.3-1 中，應變筒的上端與外殼 2 固定在一起，下邊與密封膜片 3 緊密接觸，兩片康銅絲應變片R1和R2用特殊膠合劑粘貼在應變筒的外壁上。R1沿應變筒的軸向粘貼作為溫度補償片。必須注意，應變片與筒體之間不能產(chǎn)生相對滑動，并且要保持電氣絕緣，當被測壓力p作用于膜片而使應變筒作軸向受壓變形時，沿軸向貼置的應變片R1也將產(chǎn)生軸向壓縮應變1，于是R1的阻值變小；而沿徑向貼放的應變片R2，由于應變筒的徑向產(chǎn)生了拉伸變形，也將產(chǎn)生拉伸應變2，于是R2的阻值變大。應變片R1、R2與另兩個固定電阻R3、R4組成一個橋式電路，見圖 5.3-1（b），由于R1和R2的阻值變化使橋路失去平衡，從兩獲得不平衡電壓作為傳感器的輸出信號。本傳感器橋路的電源為 10V(直流)，最大的輸出為 5mV直流信號，再經(jīng)前置放大成為電動單元組合儀表的輸入信號。BPR-2 型壓力傳感器有 01MPa、010MPa、和 030MPa 等多種量程可供選用。選擇時測量上限一般以不超過儀表量程的 80為宜。本傳感器主要適用于變化較快的壓力測量，其非線性及滯后誤差小于土 1。5.3.2 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應。目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當這些晶體受壓力作用發(fā)生機械變形時，在其相對的兩個側面上產(chǎn)生異性第 6 頁 共 6 頁工程人員手冊電荷，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應”。晶體上所產(chǎn)生的電荷的大小與外部施加的壓力成正比，即：qp式中 q壓電量(電荷數(shù))；p外部施加的壓力；壓電常數(shù)。圖 5.3-2 壓電式壓力傳感器結構原理圖1引線；2外殼；3冷卻腔；4晶堆；5薄壁筒；6膜片這種壓力傳感器的特點是：體積小，結構簡單，不需外加電源，靈敏度和響應頻率高，適用于動態(tài)壓力的測量，廣泛地應用于空氣動力學、爆炸力學、發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量等等。其測量范圍可從 0700Pa 到 070MPa，精確度可達 0.1。壓電式傳感器的結構如圖 5.3-2 所示。圖中，由受壓薄壁筒給出預載力，并將一撓性材料制成非常薄的膜片進行密封。預載筒外的空腔可以連接冷卻系統(tǒng)，以保證傳感器工作在環(huán)境溫度一定的條件下，這樣就避免了因溫度變化所造成的預載力變化而引起測量誤差。5.3.3 光導纖維壓力傳感器光導纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)壓力傳感器相比，有其獨特的優(yōu)點：利用光波傳導壓力信息，不受電磁干擾，電氣絕緣好，耐腐蝕，無電火花，可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中測量壓力、流量、液位等。它靈敏度高，體積小，可撓性好，可插入狹窄的空間中進行測量，因此而得到重視，并且得到迅速發(fā)展。圖 2.3-3 所示為 Y 型光導纖維壓力傳感器結構原理圖。它由金屬膜片杯、Y 型光導纖維、光源、光接收器及支架等組成。膜片與 Y 型光導纖維端面間距離約為 0.1mm。這種傳感器能測 035MPa 動態(tài)壓力，也可測量低壓，輸出信號較大。當被測壓力作用于膜片杯時，膜片發(fā)生位移，從而改變了光導纖維與膜片之間的距離，使光導纖維接收到反射光量變化，這光量由光電元件接受器接收，并且轉換成電量，經(jīng)放大器放大后，顯示被測壓力值。第 7 頁 共 7 頁工程人員手冊圖 5.3-3 光導縣委壓力傳感器示意圖1 靈敏膜片杯；2支架；3光導纖維；4光源；5光接收器傳感器要求光源穩(wěn)定，否則要采取補償措施，以消除光源波動對測量結果的影響。5.4 差壓變送器測量原理電容式差壓變送器的外形結構見圖 5.4-1 。它主要由檢測部分和信號變換部分構成，前者的作用是把被測壓p轉換成電容量的變化；后者是進一步將電容量的變化轉換為電流的變化。5.4-1 電容式差壓變送器外形圖1.線路板罩蓋；2線路板殼體；3差動電容敏感部件；4負壓側法蘭；5引壓管接頭；6緊固螺栓；7正壓側法蘭；8排氣排液閥；9排線端罩蓋檢測部分的結構如圖 2.4-2 所示。檢測部分的核心是差動電容器，包括作為敏感元件中心測量膜片 6（即差動電容的可動電極），正、負壓側弧形電極 10、8（即差動電容的固定電極）。中心測量膜片 6 分別與正、負壓側弧形電極 10、8 以及正、負壓側隔離膜片 16、5構成封閉室，室中充滿灌充液（硅油或氟油），用以傳遞壓力。正、負壓側隔離膜片 16、5的外側分別與正、負壓側法蘭 12、7 構成正、負壓測量室。第 8 頁 共 8 頁工程人員手冊圖 5.4-2 電容式變送器檢測部分結構圖1-玻璃絕緣體；2-灌充液；3-陶瓷導管；4-負壓側壓口；5-負壓側隔離膜片；6-中心測量膜片；7-負壓側法蘭；8-負壓側弧形電極；9-電路板；10-正壓側弧形電極；11-壓環(huán)；12-正壓側法蘭； 13-固定螺栓；14-焊接密封環(huán)；15-正壓側引壓口；16-正壓側隔離膜片；17-O 型密封環(huán)；18-敏感部件基座；19-密封管；20-敏感部件殼體當正、負壓測量室引入被測壓力，作用與正、負壓側隔離膜片上時，pH和pL通過灌充液的傳遞分別作用于中心測量膜片的兩側（見圖 5.4-3）。由于pH和pL的壓力差使測量膜片產(chǎn)生位移，從而使測量膜片與其兩邊的弧形電極的間距發(fā)生變化，結果使測量膜片與正壓弧側形電極構成的電容CH減小，而測量膜片與負壓側弧形電極構成的電容CL增加。電容的變化與差壓之間的關系見式C0/CA=Rp ln(d0/db)/p2Tlna2/(a2b2)圖 5.4-3 電容式差壓傳感器結構原理圖第 9 頁 共 9 頁工程人員手冊5.5 差壓液位計工作原理差壓式液位機是利用容器內(nèi)的液位改變時，液柱產(chǎn)生的靜壓也相應變化的原理而工作的。差壓式液位計的特點是：1、 檢測元件在容器中幾乎不占空間，只需在容器壁上開一個或兩個孔即可；2、 檢測元件只有一、兩根導壓管，結構簡單，安裝方便，便于操作維護，工作可靠；3、 采用法蘭式差壓變送器可以解決高粘度、易凝固、易結晶、腐蝕性、含有懸浮物介質的液位測量問題。4、 差壓式液位計通用性強，可以用來測量液位，也可用來測量壓力和流量等參數(shù)。圖 5.5-1 為差壓式液位計測量原理圖。當差壓計一端接液相，另一端接氣相時，根據(jù)流體力學原理，有：pBpA十Hg式中 H 一一液位高度；一被測介質密度；g 一被測當?shù)氐闹亓铀俣扔墒娇傻茫簆 pBpAHg圖 5.5-1 差壓式液位計測量原理在一般情況下，被測介質的密度和重力加速度都是已知的，因此，差壓計測得的差壓與液位的高度 H 成正比，這樣就把測量液位高度的問題變成了測量差壓的問題。使用差壓計測量液位時，必須注意以下兩個問題。(1)、遇到含有雜質、結晶、凝聚或易自聚的被測介質，用普通的差壓變送器可能引起連接管線的堵塞，此時需要采用法蘭式差壓變送器，如圖 5.5-2 所示；(2)、當差壓變送器與容器之間安裝隔離罐時，需要進行零點遷移。DDZ-矢量法蘭式液位變送器型號及規(guī)格見表5.5-1。圖 5.5-2 法蘭式差變測液位示意圖表 5.5-1 理論取壓時下游取壓孔位置第 10 頁 共 10 頁工程人員手冊名型號量程范圍技術指標用途稱矢量法蘭式液位變送器DBF1-311A-DBF1-312A-DBF1-321A-DBF2-311A-DBF2-312A-生產(chǎn)廠：上海調節(jié)器廠05kPa020kPa015kPa060kPa060kPa0250kPa05kPa020kPa015kPa060kPa輸出：420mA DC負載電阻：0250基本誤差：1%靈敏限：0.1%工作壓力：6.4Mpa電源：24V DC5%DBF 矢量液位變送器在自動控制系統(tǒng)中，主要用于檢測，可連續(xù)測量粘性、腐蝕性、沉淀性、結晶性流體的壓差，以及開口容器或受壓容器的液位，它與節(jié)流裝置開方器相配合也可測量液體、氣體、蒸汽的流量5.6 孔板流量計測量原理在管道中流動的流體具有動能和位能，在一定條件下這兩種能量可以相互轉換，但參加轉換的能量總和是不變的。應用節(jié)流元件測量流量就是利用這個原理來實現(xiàn)的。根據(jù)能量守恒定律及流體連續(xù)性原理，節(jié)流裝置的流程公式可以寫成：體積流量質量流量QF0 2 p / 1MF0 2 p 1式中 M 質量流量，kg/s；Q 體積流量，m2/s；流量系數(shù)；流束膨脹系數(shù)；F0 節(jié)流裝置開孔截面積，m21流體流經(jīng)節(jié)流元件前的密度，kg/m3；p節(jié)流元件前后壓力差，即pp1p2，Pa在計算時，根據(jù)我國現(xiàn)用單位的習慣，如果Q的單位為m3/h，M為kg/h，F(xiàn)0為mm2，p為Pa，為kg/m3單位時，則上述流量公式可換算為使用流量計算公式，即：Q0.0039999d2M0.003999式中d為節(jié)流元件的開孔直徑，F(xiàn)0（/4）d2。第 11 頁 共 11 頁工程人員手冊我國自 1993 年 8 月 1 日起采用 GB/T262493 標準，代替 GB262481 標準。本標準適用于角接取壓、法蘭取壓、D 和 D/2 取壓的孔板、噴嘴和文丘利管的節(jié)流裝置；同時也只適用于管道公稱通徑為 501200mm 的流量測量和管道雷諾數(shù)大于 3150 的場合。GB/T262493 新標準采用流出系數(shù) C 來代替過去的流量系數(shù)。兩者的換算關系如下：C/E式中E漸進速度系數(shù)，并由下式確定：E1/（14）1/25.7 電磁流量計測量原理電磁流量計是電磁感應定律的具體應用，當導電的被測介質垂直于磁力線方向流動時，在與介質流動和磁力線都垂直的方向上產(chǎn)生一個感應電動勢Ex（見圖 5.7-1）：ExBDv，V（5.7 1）式中B磁感應強度，T；D導管直徑，即導體垂直切割磁力線的長度，m；v被測介質在磁場中運動的速度，m/s因體積流量 Q 等于流體流速 v 與管道截面積 A 的乘積，直徑為D的管道的截面積AD2/4，故：QD2v/4，m3/s將式（5.7 2）代入式（5.7 1）中 ，即得：Ex4BQ/DQD Ex /4B圖 5.7-1 電磁流量計原理圖（5.7 2）（5.7 3）由式（5.7 3）可知，當管道直徑D和磁感應強度B不變時，感應電勢Ex與體積流量Q之間成正比。但是上式是在均勻直流磁場條件下導出的，由于直流磁場易使管道中的導電介質發(fā)生極化，會影響測量精度，因此工業(yè)上常采用交流磁場，BBmsint，得Q（D Ex） /（4 Bmsint）（5.7 4）式中交變磁場的角頻率；Bm交變磁場磁感應強度的最大值。第 12 頁 共 12 頁工程人員手冊由式（5.7 4）可知，感應電勢 Ex 與被測介質的體積流量 Q 成正比。但變送器輸出的Ex 是一個微弱的交流信號，其中包含有各種干擾成分，而且信號內(nèi)阻變化高達幾萬歐姆，因此，要求轉換器是一個高輸入阻抗，且能抑制各種干擾成分的交流毫伏轉換器，將感應電勢轉換成 420mA DC 統(tǒng)一信號，以供顯示，調節(jié)和控制，也可送到計算機進行處理。5.8 繼電器對于開關量的控制，由于 DCS 系統(tǒng)中工藝上的局限性（電子元器件、線路板），它僅能完成低電壓、小電流或無源信號的輸入、輸出功能。如我公司的 SP362 每點負載電流僅為50mA、24VDC。 所以在實現(xiàn)開關量的輸入、輸出時，我們經(jīng)常使用繼電器。1、繼電器的分類：繼電器按線包特性分有電壓型、電流型等，按功能分有普通繼電器（瞬時動作）、時間繼電器（延時動作）、固態(tài)繼電器（適合頻繁動作）等。我們常用的是小型普通繼電器，屬于電壓繼電器，線包電壓一般為 24VDC 和 220VAC。其基本原理是：當串接在回路中的繼電器線圈（通常稱為線包）兩端的壓降達到一定值時（如24VDC），繼電器吸合，其觸點動作。繼電器的線包有一些特性，以我們常用的和泉 RM2S-U 繼電器為例，它在 20 度的環(huán)境溫度時的特性為：當繼電器線包電壓（標稱值 24VDC）在 80%的標稱值（即電壓為24*80%=19.2VDC ） 時 即 可 吸 合 ， 最 大 連 續(xù) 工 作 電 壓 為 110% 的 標 稱 值 （ 即 電 壓 為24*110%=26.4VDC）。它的外形尺寸為底座寬 23mm、長 65mm, 功耗為 37mA、24VDC 時。繼電器除線包外觸點也很重要，觸點主要的參數(shù)是觸點容量，還以我們常用的和泉RM2S-U 繼電器為例：它的觸點容量在 24VDC 時最大為 2.5A，在 220VAC 時最大為 5A。2、繼電器有兩大主要作用：隔離和擴展。在 DCS 系統(tǒng)中主要起隔離作用，它能使我們DCS 系統(tǒng)的信號延伸到電氣回路中，應用范圍更廣泛。它的擴展作用是指它有多個觸點，可實現(xiàn)不同的組合。繼電器的觸點主要用于電氣二次回路中， 如電動機的啟、?；芈?，電動門的控制回路）。電氣二次回路主要是區(qū)別于電氣一次回路而言，電氣一次回路指設備強電回路（如給電動機供電的三相 380VAC、6KVAC 回路）。電氣二次回路指的是控制回路。在有 DCS 系統(tǒng)和計算機以前，很多復雜的聯(lián)鎖均由繼電器回路實現(xiàn)（如汽機保護），現(xiàn)在如果不考慮動作的時間因素，只要有梯形圖的，繼電器基本都能實現(xiàn)，繼電器的應用至今非常廣泛。第 13 頁 共 13 頁（工程人員手冊在工程項目中當遇到有源的開關量信號輸入 DCS 時，必須采用繼電器隔離（SP363 卡提供的是 12 伏的查詢電壓）。繼電器的選用要根據(jù)信號的類型（主要是電壓等級，一般有220VAC、24VDC、380VAC），由有源開關量信號控制繼電器線包的動作，繼電器觸點作為DCS 卡件的輸入信號。輸入無源的開關量信號時采用 SP590 端子板或接線端子。對需要無源輸出的一般信號（在 220VAC、觸點容量小于 5 安培,24VDC、觸點容量小于 2.5 安培時），用擴展繼電器（如RM2S-U）作為隔離繼電器，由卡件通斷控制繼電器線包的動作，其觸點作干觸點輸出即可。但如果是有大容量要求對象的觸點，其擴展方式可考慮用接觸器或其它方式。特別要注意的是當被控設備為直流負載時，要根據(jù)其電流、電壓慎重選擇擴展設備，以滿足其容量要求。當控制對象為電磁閥類時，需要輸出有源觸點，應在擴展繼電器的觸點上串接電源（通常有 220VAC 或 24VDC 兩種）。同時應注意其容量要求。標準機柜最多可以安裝 260 只繼電器（如 RM2S-U、包括兩只開關電源和兩只空開）。對于被調設備的動作過于頻繁，如伺服放大器做在程序中或采用 PAT 卡輸出，僅輸出開、關兩付觸點時作調節(jié)用時，其開關量輸出的擴展應考慮用固態(tài)繼電器。以適應其頻繁的動作。5.9 安全柵5.9.1 安全柵匹配一覽5.9.2 齊納式安全柵1、理想化的齊納特性第 14 頁 共 14 頁RTDTC配電AODIDO樂 清LB900系列LB955LB960LB930LB987spLB940LB928LB987S德 國P+F 公司Z954Z960Z728Z787.HZ728Z715英 國MTLMTL755acMTL4755MTL760ac+MTL787SP+MTL728+MTL787SMTL787S+MTL787S工程人員手冊齊納柵的基本電路如圖 5.9-1 所示。圖 5.9-1 齊納柵的基本電路注：為簡化圖示，將三重冗余的齊納管只標出一個。理想的齊納特性是當回路電壓 V 低于齊納柵安全限壓值 Vo 時，齊納管截止，漏電流Ileak 為零；而當回路電壓等于安全限壓值時，齊納管突然導通，漏電流跳升至足夠大，使回路電壓永不超過安全限壓值。當然，理想的齊納特性并不存在。當回路電壓接近安全限壓值時，齊納管總是逐漸導通的。實踐中，人們將齊納管漏電流 Ileak 達到 10A 時的回路電壓 V10A 認作齊納管導通的開啟電壓。此 V10A 越靠近安全限壓值，則齊納特性越理想。2、無源純阻性電路Z 系列齊納柵采用無源的純阻性電路。與有源齊納柵相比，這種電路不僅元器件少、故障率低、成本低，而且有利于回路信號的保真和抗干擾，特別適合與智能變送器配合使用。Z 系列齊納柵中常用的電路有六種：（1）、齊納柵電路一單線浮空（圖 5.9-2）圖 5.9-2顯然，這是最簡單的齊納柵電路。其特點是廉價。典型品種為 Z728 和 Z715 等。其中Z728 適用于大多數(shù) DCS 的 4-20mA 模擬量輸出回路。（2）、齊納柵電路二雙線浮空、反向截止（圖 5.9-3）第 15 頁 共 15 頁工程人員手冊圖 5.9-3最典型的品種的 Z787.H 和 Z787。其中 Z787.H 被廣泛應用于智能變送器回路。（3）、齊納柵電路三4-20mA/1-5V 轉換（圖 5.9-4）圖 5.9-4典型品種為 Z788.R 。其特點為能將變送器 4-20mA 信號轉換為 1-5V 信號給 DCS。（4）、齊納柵電路四雙極性星形結構（圖 5.9-5）圖 5.9-5此電路最適合mV 信號回路。特點為有較高的共模抑制比。典型品種為 Z960，專門用于連接熱電偶。（5）、齊納柵電路五雙極性三線浮空（圖 5.9-6）第 16 頁 共 16 頁工程人員手冊圖 5.9-6這是連接三線制熱電阻的專用電路。特點為具有完全相同的三個通路。齊納柵型號為Z954。（6）、齊納柵電路六 雙極性二線浮空（圖 5.9-7）圖 5.9-7過去這種電路曾被用于熱電阻回路，但缺陷是配三線制熱電阻需要一個半安全柵，多有不便?，F(xiàn)在則主要用于稱重測力傳感器的應變電橋回路。典型品種有 Z966（用于電橋配電）和 Z964（用于電橋測量）。5.9.3 適應 DCS 對智能變送器回路供電在齊納柵與 DCS 的配合時，人們常會遇到因齊納柵回路壓降過大而導致 DCS 的回路供電不足以驅動智能變送器的情況，只要選擇 Z787.H 便無后顧之憂。Z787.H 配合 DCS 應用于智能變送器回路如圖 5.9-8 所示。圖 5.9-8第 17 頁 共 17 頁工程人員手冊1-8 端端電阻：250 歐姆4-5 端端電阻：25 歐姆首先，Z787.H 的齊納管開啟電壓 V10A 為 27.0V。使回路供電電壓范圍為 24V27V。許多 DCS，如 Centum-CS、RS3 等，其標準回路供壓可設定在 25.5V。此時選用 Z787.H 顯然是最理想的。其次，Z787.H 合理設計其兩個通路的端端電阻，以適應現(xiàn)代智能變送器，如橫河 EJA、羅斯蒙特 3051、ABB600、霍尼韋爾 ST3000 等，對回路電阻的要求。以 3051 為例。其對回路電阻的要求為：250 R （Vloop-10.5）0.023A當 DCS 供壓為 24V 時，回路電壓Vloop = 24V - 0.9V = 23.1V于是：250R548而應用 Z787.H 時，回路電阻R=250+25+250=525顯然滿足 3051 變送器的要求。有兩點需要說明。其一，并非所有 DCS 配合智能變送器都只有 Z787.H 可選。如 Z728可配?？怂共_的 I/A、MOORE 的 SAM 卡的羅斯蒙特 RS3 的 MAIO 等。其二，Z787.H 并非只適合由 DCS 進行回路供電。若用戶希望外供電（可減輕 DCS 供電負擔），則 Z787.H 也是理想的選擇。5.9.4 一臺齊納柵負責一個檢測或控制點P+F 公司建議用戶采用單通道齊納柵，即一臺齊納柵負責一個檢測點或一個控制點。同樣，一個檢測點（如三線制熱電阻）也應避免涉及兩臺齊納柵。這樣做的好處是當維護齊納柵時，不會影響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柵損耗當回路電壓高于齊納柵的安全限壓值時，將因齊納管導通而導致保險絲熔斷。這是齊納柵保證回路本質安全的功能所在。但除此以外的安全柵損耗則應盡量避免。實踐中，為了減少齊納柵的意外損耗，用戶在現(xiàn)場一側作業(yè)時，通常會切斷相關回路的供電。這就使本安防爆允許現(xiàn)場帶電作業(yè)的優(yōu)點得不到利用。為了最大限度避免除安全需要以外的意外損耗，對 Z 系列齊納柵的參數(shù)進行了周密的設第 18 頁 共 18 頁工程人員手冊計。對于模擬量輸出、熱偶和熱阻輸入、數(shù)字量輸入、純電流和電壓輸入、頻率輸入、選用Z787.H 的模擬量（變送器）輸入等回路，在 DCS 回路供電的條件下只要系統(tǒng)一側無故障，Z系列齊納柵就允許現(xiàn)場一側帶電作業(yè)。此時現(xiàn)場的短路和開路均不會損壞齊納柵。以變送器回路采用 Z787.H 為例。設回路電壓為 27V，DCS 系統(tǒng)一側無故障，而現(xiàn)場短路如圖 5.9-9 所示。此時，回路電流為 lsc：圖 5.9-91-8 端端電阻：250 歐姆4-5 端端電阻：25 歐姆lsc = (27V 0.9V) (250 + 25 + 250) = 50mA由于 Z787.H 采用 80mA 高速保險絲，容量足夠，此時不會熔斷。5.9.6 齊納式安全柵的接地齊納柵必須安裝在安全區(qū)，并可靠接地。這是為了防止在危險區(qū)存在過高的對地電勢和產(chǎn)生過大的地電流。如果齊納柵不接地，如圖 5.9-10 所示，當安全區(qū)內(nèi)的故障導致一個對地的高電勢（如250Vac 的相線）落在齊納柵上時，齊納管只限制齊納柵兩線之間的電壓，無法限制任何一線對地的電勢。于是，該電勢被引至危險區(qū)。一旦現(xiàn)場發(fā)生對地短路，立即產(chǎn)生危險的地電流。這種對地的高電勢和地電流的能量并未得到限制，因此產(chǎn)生的火花是極其危險的。如果齊納柵可靠接地，如圖 5.9-11 所示，當同樣故障發(fā)生時，齊納管限制了對地的電勢，地電流只產(chǎn)生在安全區(qū)內(nèi)，于是將確?，F(xiàn)場的安全。第 19 頁 共 19 頁工程人員手冊齊納柵所連接的地俗稱本安地。歐洲和世界上大部分國家和地區(qū)要求本安地的地電阻小于 1。圖 5.9-10圖 5.9-11齊納柵不接地，危險電勢傳到現(xiàn)場齊納柵接地，沒有危險電勢傳到現(xiàn)場5.9.7 針對各款 DCS 的配置選型如下：第 20 頁 共 20 頁回路類型齊納柵型號適配 DCS備注AI：4-20mA 變送器，可智能通訊Z787.HTDC3000，9000，Centum-CS，XL，PROVOX，RS3(MAX)，ABB300，Moore（EAM)等注1Z728I/A，Mooer（SAM），RS3（MAIO）等AI：4-20mA 變送器轉換為 1-5V 送 DCSZ788.R各款 DCS注2AI：4-20mA 電流源Z728各款 DCSAI：1-5V 電壓源Z715各款 DCS工程人員手冊注 1：當采用左欄所列 DCS 的智能 I/O 卡直接支持同公司所產(chǎn)智能變送器時，例如，TDC3000配 ST3000/900、Centum-CS 配 EJA、PROVOX 配 3051、ABB300 配 Kent-Taylor 600T 等，Z787.H能夠確保智能通訊的順利完成。當 DCS 與智能變送器出自不同公司時，Z787.H 可保證手操器整定的完成（不同協(xié)議者除外）。Z787.H 同樣適合外供電工作方式。外供電電壓不應大于27.0V。注 2：該項配置常用于最低工作電壓為 12V 的變送器（先進的變送器如 EJA，3051、600T、ST3000 等，最低工作電壓均低于 10.8V）。此時，若 DCS 回路供電可調至 25.5V，則仍可采用 Z787.H（智能）或 Z787（非智能）配 4-20 mA 的 DCS 輸入卡。若回路供電只有 24V，則可采用 Z788.R 配 1-5V 的 DCS 輸入卡。注 3：由于 TDC3000 數(shù)字量輸入卡的特性更適宜配隔離柵，所以 P+F 公司一貫建議用戶配隔離柵 KFD2-SR2-Ex2 型（雙通道）。同時，由于此款隔離柵的性能價格比遠優(yōu)于 Z787.H 或 Z787，所以左欄所列 DCS 也以配用此款隔離柵為上。5.9.8 稱重測力系統(tǒng)的配置選型對于應變電橋的供橋電壓不大于 10.0V 的稱重測力系統(tǒng)，常用選型為：1、供橋回路：Z966 或 Z966.H。當多臺 350傳感器并聯(lián)使用時，也可將多臺 Z966 或Z966.H 并聯(lián)使用。2、 橋電壓反饋回路：Z964。3、測量回路：Z964。5.9.9 常用 Z 齊納柵的技術參數(shù)如下表所列：型號電路線安全參數(shù) Ex ia IIC端端V10Vmax熔斷第 21 頁 共 21 頁AO：4-20mAZ728各款 DCST/C：mVZ960各款 DCSRTD：Z954各款 DCSDI：干接點Z787.H 或Z787PROVOX，I/A，ABB300，Moore（EAM），RS3 等注3Z728RS3（MDIO）Z715Centum-CS，XLDO：電磁閥Z787各款