控制裝置與系統(tǒng)-變送器原理及應(yīng)用

1、1控制裝置與系統(tǒng)三、三、變送器原理及應(yīng)用變送器原理及應(yīng)用2簡(jiǎn)單控制回路構(gòu)成回顧簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖3檢測(cè)變送的重要性 通過(guò)檢測(cè)元件檢測(cè)元件獲取工藝變量。 最常見(jiàn)變量是溫度、壓力（差壓）、流量、物位 檢測(cè)元件又稱為傳感器傳感器，它直接響應(yīng)工藝變量，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)。 這些輸出信號(hào)包括位移、電壓、電流、電阻、頻位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓率、氣壓等。 檢測(cè)元件檢測(cè)元件的輸出信號(hào)種類繁多，且信號(hào)較弱信號(hào)較弱，一般都需要將其經(jīng)過(guò)變送器變送器處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的電氣信號(hào)、氣壓信號(hào)送往顯示儀表顯示儀表或控制器控制器。4變送器 變送器在實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)變送器在

2、實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)： 需要與相應(yīng)的測(cè)量元件配合 變送器主要完成信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化（420mA） 工作環(huán)境惡劣，要求具有高可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性 保證控制系統(tǒng)運(yùn)行的重要基本條件 多量程 適應(yīng)大范圍應(yīng)用，提高精確度5變送器種類：壓力變送器差壓變送器流量變送器液位變送器機(jī)械力 電流溫度 電流機(jī)械力變送器溫度變送器溫度變送器 可以是檢測(cè)變送分離分離：溫度 也可以是檢測(cè)變送一體一體：壓力6變送器構(gòu)成原理測(cè)量部分C放大器K反饋部分F調(diào)零、零點(diǎn)遷移Zi Zf Z0 yx變送器的構(gòu)成原理 負(fù)反饋負(fù)反饋原理 包括測(cè)量測(cè)量、放大放大和反饋反饋三部分7變送器構(gòu)成原理 由前圖可得，變送器輸入與輸出的關(guān)系為：由前圖可得，變送器輸

3、入與輸出的關(guān)系為： 式中：式中： KK放大器的放大系數(shù)放大器的放大系數(shù) FF反饋部分的反饋系數(shù)反饋部分的反饋系數(shù) CC測(cè)量部分的轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)量部分的轉(zhuǎn)換系數(shù) y ymax ymin xmax xmin t 0()1KyCxzKF01()yCxzF1K F 變送器的輸入輸出特性變送器的輸入輸出特性8變送器量程調(diào)整 上限調(diào)整和零點(diǎn)遷移概念上限調(diào)整和零點(diǎn)遷移概念 上限調(diào)整：使變送器輸出上限值和測(cè)量范圍上限上限調(diào)整：使變送器輸出上限值和測(cè)量范圍上限值相對(duì)應(yīng)，特性線斜率改變值相對(duì)應(yīng)，特性線斜率改變 改變改變F F大小實(shí)現(xiàn)上限調(diào)整，大小實(shí)現(xiàn)上限調(diào)整，F(xiàn) F大則量程大，大則量程大，F(xiàn) F小則量程小則量程小小

4、xmax o y ymax ymin xmax xmin x 01()yCxzF9變送器量程調(diào)整 上限調(diào)整和零點(diǎn)遷移概念上限調(diào)整和零點(diǎn)遷移概念 零點(diǎn)遷移：使變送器輸出下限值和測(cè)量范圍下限零點(diǎn)遷移：使變送器輸出下限值和測(cè)量范圍下限值相對(duì)應(yīng)，特性線斜率不變值相對(duì)應(yīng)，特性線斜率不變 零點(diǎn)調(diào)整：零點(diǎn)調(diào)整：x xmin =0min =0； 零點(diǎn)遷移：零點(diǎn)遷移： x xmin 0 min 0 正遷移，正遷移， x xmin 0 min 0 負(fù)遷移；負(fù)遷移； 實(shí)現(xiàn)方式：改變調(diào)零信號(hào)實(shí)現(xiàn)方式：改變調(diào)零信號(hào)Z Z0 0 ；01()yCxzF10變送器量程調(diào)整 上限調(diào)整和零點(diǎn)遷移概念上限調(diào)整和零點(diǎn)遷移概念 兩者結(jié)

5、合可提高儀表測(cè)量精度和靈敏度，擴(kuò)大儀兩者結(jié)合可提高儀表測(cè)量精度和靈敏度，擴(kuò)大儀表適用范圍，增加通用性和靈活性；表適用范圍，增加通用性和靈活性； 例：利用差壓法測(cè)量液位，理想：例：利用差壓法測(cè)量液位，理想：0500mm0500mm， 實(shí)際：實(shí)際：25025050mm50mm調(diào)整步驟：先零點(diǎn)遷移，再量程遷移調(diào)整步驟：先零點(diǎn)遷移，再量程遷移54321020100P/KPaP0/KPa(mm)(500)(400)(300)(200)(100)變送器量程縮小和零點(diǎn)遷移示意圖11變送器量程調(diào)整 差壓變送器精度為0.5級(jí)，量程為 010 Kpa，被測(cè)差壓范圍是610KPa； 調(diào)整前:輸出最大誤差為：10 x

6、0.5%=0.05Kpa(50 Pa)； 調(diào)整后:輸出最大誤差為：4x0.5%= 0.02Kpa(20 Pa)；12變送器量程調(diào)整零點(diǎn)正遷移：以抵消連通管路中的液體靜壓力！零點(diǎn)負(fù)遷移：以抵消負(fù)壓室多出的固定差壓！13差壓/壓力變送器14差壓/壓力變送器 作用 將測(cè)量得到的差壓、正壓、負(fù)壓、液位差壓、正壓、負(fù)壓、液位等信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)，送往顯示儀表、控制器或運(yùn)算器。 類型 力矩平衡式差壓力矩平衡式差壓/ /壓力變送器壓力變送器 力矩平衡原理，精確度較高，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性難于提高 電容式差壓電容式差壓/ /壓力變送器壓力變送器 微小位移改變電容，精確度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，易維護(hù) 擴(kuò)散

7、硅式差壓擴(kuò)散硅式差壓/ /壓力變送器壓力變送器 外力導(dǎo)致電阻率劇烈變化，精確度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，易維護(hù)15力矩平衡式變送器力矩平衡式變送器 構(gòu)成原理 力矩平衡式壓力變送器原理圖測(cè)量部分杠杠系統(tǒng)位移檢測(cè)放大器電磁反饋機(jī)構(gòu)系統(tǒng)Pi/PiFiFfI016電容式變送器電容式變送器 構(gòu)成原理 電容式壓力傳感器示例檢測(cè)元件檢測(cè)元件差動(dòng)電容差動(dòng)電容感壓膜片差動(dòng)電容電容-電流轉(zhuǎn)換電路 放大和輸出限制電路反饋電路調(diào)零、遷移信號(hào)反饋信號(hào)iPS2121iiiiCCCCiI0I構(gòu)成原理位移平衡式構(gòu)成原理位移平衡式17電容式變送器電容式變送器 檢測(cè)原件差動(dòng)電容 由電路和材料力學(xué)知 被測(cè)差壓 與膜片位移 和相對(duì)變化

8、值 成線性關(guān)系2121221iiiiiCCKSK KPCC2121iiiiCCCCSiP18電容式變送器電容式變送器 轉(zhuǎn)換放大電路轉(zhuǎn)換放大電路 作用：作用： 將差動(dòng)電容的相對(duì)變化值，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流輸出信號(hào)。 此外，還要實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整、正負(fù)遷移、量程調(diào)整、阻尼調(diào)整等功能。 包括包括 電容電流轉(zhuǎn)換電路 放大電路19擴(kuò)散硅式壓力變送器 變送器構(gòu)造原理 傳感器 使用一個(gè)電隔離的壓敏電阻單晶硅芯片壓敏電阻單晶硅芯片 工作原理硅半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)硅半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng):由于應(yīng)力作用而使材料電阻率改變 技術(shù)手段 惠斯頓電橋20擴(kuò)散硅式壓力變送器 變送器工作原理21擴(kuò)散硅式壓力變送器 變送器技術(shù)及性能優(yōu)點(diǎn)無(wú)機(jī)械可移

9、動(dòng)部分，可靠性高；主體電路采用持殊材料和工藝固化，適用于惡劣環(huán)境下工作信號(hào)滯后極小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；壓敏電阻的特性決定了系統(tǒng)靈敏度很高；長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，減少了維護(hù)工作量；體積小、重量輕，使用方便；22差壓變送器的幾種測(cè)量方式 流量測(cè)量 與節(jié)流元件結(jié)合，利用元件前后的差壓測(cè)量液體流量（圖3-3-3a） 液位測(cè)量 利用液體自身重力產(chǎn)生的壓力差測(cè)量液體高度（圖3-3-3b） 壓力差值測(cè)量 直接測(cè)量不同管道、罐體液體壓力差值（圖3-3-3c）23差壓/壓力變送器的選擇 傳感器、變送器的選擇 根據(jù)壓力性質(zhì)，確定表壓品種（表壓，差壓，絕對(duì)壓力或負(fù)壓） 液位測(cè)量要注意液位上方是否密封 量程確定 工作壓力值應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)

10、量程的6080 異常情況過(guò)載壓力不能超過(guò)產(chǎn)品最大壓力過(guò)載 動(dòng)態(tài)管路液體壓力應(yīng)適當(dāng)增大產(chǎn)品載量 精度選擇 根據(jù)檢測(cè)工況要求的精度指標(biāo)，以較低價(jià)格實(shí)現(xiàn)較低精度要求 精度等級(jí)根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)分配給傳感器的最大誤差項(xiàng)選取24差壓/壓力變送器的選擇 選擇使用的溫度范圍 一般產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償 溫度范圍寬總精度高的情況可在上層儀表中采用軟件進(jìn)行溫度誤差修正 長(zhǎng)期在工作極限區(qū)工作，產(chǎn)品壽命會(huì)大大縮短 與被測(cè)介質(zhì)匹配 產(chǎn)品具有不同介質(zhì)兼容性，但為滿足最優(yōu)效果，選型時(shí)應(yīng)明確測(cè)量介質(zhì)的名稱、濃度和溫度25溫度變送器26溫度檢測(cè)方法 接觸式： 測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象接觸接觸，依靠傳熱和對(duì)流傳熱和對(duì)流進(jìn)行熱交換 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

11、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)溫精度較高 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：須經(jīng)過(guò)充分的熱交換才能測(cè)量，容易破壞容易破壞被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)，同時(shí)帶來(lái)測(cè)溫過(guò)程的延遲現(xiàn)延遲現(xiàn)象象，不適于測(cè)量熱容量小的對(duì)象、極高溫的對(duì)象、處于運(yùn)動(dòng)中的對(duì)象。不適于直接對(duì)腐蝕性介質(zhì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)量。27溫度檢測(cè)方法 非接觸式 測(cè)溫元件不與被測(cè)對(duì)象接觸，通過(guò)熱輻射熱輻射進(jìn)行熱交換，或測(cè)溫元件接收被測(cè)對(duì)象的部分熱輻射能，由熱輻射能大小推出被測(cè)對(duì)象的溫度 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：從原理上講測(cè)量范圍從超低溫到極高溫，不破壞不破壞被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)。非接觸式測(cè)溫響應(yīng)快響應(yīng)快，對(duì)被測(cè)對(duì)象干擾小，可用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)的被測(cè)對(duì)象和有強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕的場(chǎng)合 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：容易受到

12、外界因素的干擾，測(cè)量誤差較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格比較昂貴28溫度檢測(cè)方法 熱電偶熱電偶 測(cè)溫原理熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連在一起組成一個(gè)閉合回路，而且兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同,則回路內(nèi)將有電流產(chǎn)生，電流大小正比于接點(diǎn)溫度函數(shù)之差，極性則取決于材料 EAB(T0) EAB(T) A B （參比端、冷端、固定端）（工作端、熱端、自由端）00( ,)( )()ABABABET TETET0( ,)( )( )ABET Tf TCT29溫度檢測(cè)方法 熱電偶熱電偶 中間導(dǎo)體定律 熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體后，只要該導(dǎo)體兩端溫度相同，熱電偶回路中所產(chǎn)生的總熱電勢(shì)與沒(méi)有接入第三種導(dǎo)體時(shí)熱電偶所產(chǎn)生的總

13、熱電勢(shì)相同,因此熱電偶回路可以接入各種顯示儀表、變送器、連接導(dǎo)線等30溫度檢測(cè)方法 熱電偶熱電偶 分度表分度表: :當(dāng)T0=0時(shí)， 與溫度T對(duì)應(yīng)的數(shù)值表。（非線性） 分度號(hào)分度號(hào)：與分度表所對(duì)應(yīng)的熱電偶的代號(hào)。0( ,)ABET T 熱電偶名分度號(hào) 特 點(diǎn) 鉑銠30-鉑銠6 熱電勢(shì)小，精度高，價(jià)格高 鎳鉻-鎳硅 鉑銠10-鉑 鎳鉻-康銅 熱電勢(shì)小，精度高，線性差， 價(jià)格高 熱電勢(shì)大，線性好，價(jià)格低 熱電勢(shì)大，線性差，價(jià)格低 B S K E 性能 下 降 31溫度檢測(cè)方法 熱電偶熱電偶 常用類型：常用類型： 普通型熱電偶 鎧裝熱電偶 耐壓，快速，范圍大 多點(diǎn)式熱點(diǎn)偶 多點(diǎn)測(cè)量 防爆型熱點(diǎn)偶 防爆

14、，耐壓范圍大 表面型熱點(diǎn)偶鎧裝熱電偶多點(diǎn)式熱電偶防爆型熱電偶32溫度檢測(cè)方法 熱電偶熱電偶 補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線 解決參比端溫度的恒定問(wèn)題。 補(bǔ)償導(dǎo)線要求：價(jià)格便宜，0100范圍內(nèi)的熱電性質(zhì)與要補(bǔ)償?shù)臒犭娕嫉臒犭娦再|(zhì)幾乎完全一樣 現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng) 補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線 控制室控制室 T0 補(bǔ)償導(dǎo)線連接圖33溫度檢測(cè)方法 熱電偶熱電偶 熱電偶參比端溫度補(bǔ)償（測(cè)量的準(zhǔn)確性）熱電偶參比端溫度補(bǔ)償（測(cè)量的準(zhǔn)確性） 補(bǔ)償原理：補(bǔ)償原理：工作端溫度，參比端0，熱電勢(shì)為：因此 參比端溫度補(bǔ)償方法：參比端溫度補(bǔ)償方法： 計(jì)算法，計(jì)算法，冰浴法，機(jī)械調(diào)零，補(bǔ)償電橋 例如：用鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測(cè)溫，熱電偶參比端溫度T0 =2

15、0，測(cè)得的熱電勢(shì)E（T，T0）=32.479mV。由K分度表中查得E（20，0）=0.798mV, 則E（T，0）= E（T，20）+ E（20，0） =32.479 + 0.798=33.277 mV再反查K分度表，得實(shí)際溫度是800。000( ,)( )()( ,0)(,0)E T TE TE TE TE T00( ,0)( ,)(,0)E TE T TE T34溫度檢測(cè)方法 熱電阻熱電阻 金屬熱電阻金屬熱電阻 測(cè)溫原理是基于導(dǎo)體的電阻會(huì)隨溫度的變化而變化電阻會(huì)隨溫度的變化而變化的特性。 常用熱電阻：常用熱電阻： 銅電阻和鉑電阻鉑電阻 熱電阻的結(jié)構(gòu)形式：熱電阻的結(jié)構(gòu)形式：普通型、鎧裝型、專

16、用型 固定螺紋式熱電阻防噴式鎧裝熱電阻端面熱電阻35溫度檢測(cè)方法 熱電阻熱電阻 三線制接法三線制接法 溫度變送器熱電阻信號(hào)輸入回路輸入回路是一個(gè)不平衡電橋不平衡電橋，熱電阻為橋路的一個(gè)橋臂。 由于連接熱電阻的導(dǎo)線存在電阻，且導(dǎo)線電阻值隨環(huán)境溫度的變化而變化，從而造成測(cè)量誤差，因此實(shí)際測(cè)量時(shí)采用三線制接法 所謂三線制接法，就是從現(xiàn)場(chǎng)的金屬熱電阻兩端引出三三根材質(zhì)、長(zhǎng)短、粗細(xì)均相同的連接導(dǎo)線根材質(zhì)、長(zhǎng)短、粗細(xì)均相同的連接導(dǎo)線，其中兩根導(dǎo)線被接入相鄰兩對(duì)抗橋臂中，另一根與測(cè)量橋路電源負(fù)極相連。36溫度檢測(cè)方法 熱電阻熱電阻 三線制接法三線制接法 三線制使由于導(dǎo)三線制使由于導(dǎo)線引起的電阻變線引起的電阻

17、變化可以相互抵消化可以相互抵消掉掉37溫度變送器 作用：作用： 是將熱電偶、熱電阻的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)輸出給顯示儀表或控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示、記錄或自動(dòng)控制。 連接方式： 四線制：電源和信號(hào)分離 兩線制：電源和信號(hào)共用 功能： 熱電偶溫度變送器 熱電阻溫度變送器 直流毫伏變送器38溫度變送器 熱電偶溫度變送器量程單元 具有熱電偶參比端溫度補(bǔ)償功能 具有零點(diǎn)遷移、調(diào)整及量程遷移功能 具有線性化功能 熱電阻溫度變送器量程單元 三線制接法 線性化功能 直流毫伏變送器量程單元 輸入信號(hào)為直流毫伏39溫度變送器使用溫度變送器時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：使用溫度變送器時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題： 使用前都要進(jìn)行量程遷移和零點(diǎn)遷移 溫度變送器要與輸入信號(hào)類型相符，分度號(hào)的匹配、接線等熱電偶溫度變送器：熱電偶溫度變送器： 分度號(hào)一致(電廠最常用K型) 熱電偶的參比端要與變送器上的補(bǔ)償電阻感受相同溫度熱電阻溫度變送器：熱電阻溫度變送器： 分度號(hào)一致(電廠最常用PT100)； 金屬熱電阻采用三線制接法選用原則：選用原則：較高溫度熱電偶 中低溫區(qū)熱電阻 在中低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電勢(shì)很小，對(duì)測(cè)量?jī)x表放大器和抗干在中低溫區(qū)