過程控制第2章01(儀表組成、誤差、安全柵2013)

本節(jié)主要內(nèi)容

檢測儀表功能及組成氣動(dòng)和電動(dòng)儀表信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)測量誤差、真值、精度測量變送中的幾個(gè)主要問題測量信號(hào)的處理

數(shù)字濾波安全防爆基礎(chǔ)本節(jié)內(nèi)容在系統(tǒng)中的位置過程控制的“眼睛”；許多過程控制系統(tǒng)不能長期使用的主要原因就在于傳感器故障！檢測儀表功能及組成

功能：用于確定被控變量的當(dāng)前值（PresentValue）。組成：1.傳感器（Sensor）：檢測儀表中的首要部件，它直接與被測對(duì)象發(fā)生聯(lián)系（但不一定直接接觸）。感受被測參數(shù)的變化，并發(fā)出與之相適應(yīng)的信號(hào)（電量或非電量）。2.變送器（Transmitter）：將傳感器送來的檢測信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、整形、濾波等處理后，調(diào)制成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并輸出給控制器采樣或進(jìn)行模擬、數(shù)字顯示。有時(shí)也將傳感器和變送電路統(tǒng)稱為變送器。變送器的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)

電動(dòng)儀表：4-20mA（可達(dá)數(shù)km，視帶載能力、輸入阻抗和線徑）；1-5V（近距離傳輸）。氣動(dòng)儀表：20-100Kpa（100m）。除變送器外，控制器和執(zhí)行器的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)也如此！電動(dòng)單元組合儀表構(gòu)成控制系統(tǒng)過程檢測儀表的接線方式

電流二線制和四線制電阻三線制通信方式電流二線制、四線制二線制線路簡單，節(jié)省電纜；四線制儀表的工作電源可為直流，也可為交流。電阻三線制

若僅采用兩根導(dǎo)線將熱電阻接入電橋，將會(huì)由于遠(yuǎn)距離連接導(dǎo)線的電阻而引入誤差。為防止由于遠(yuǎn)距離接線而造成橋臂不平衡，工程中大量采用三線制：電阻三線制

接法一：接兩根電橋線和一根電源線電阻三線制

接法二：接三根電橋線通信方式以HART為例，在一條電纜上同時(shí)傳輸直流4～20mA的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。在直流4～20mA基礎(chǔ)上疊加幅值為±0.5mA的正弦調(diào)制波作為數(shù)字信號(hào)，1200Hz頻率代表邏輯“1”，2200Hz頻率代表邏輯“0”。詳見第九章。檢測儀表的發(fā)展方向目前，自動(dòng)化儀表及裝置向著數(shù)字化、模塊化、高精度化、小型化和智能化的方向發(fā)展，智能化是最重要的特點(diǎn)。與常規(guī)儀表相比，智能儀表：測量精度較高；通信功能（現(xiàn)場總線）；遠(yuǎn)程標(biāo)定；自診斷功能等。測量誤差與真值

測量誤差：測量值與真值之間存在的差別。真值：一個(gè)變量本身所具有的真實(shí)值，它是一個(gè)理想的概念，一般是無法得到的。在計(jì)算誤差時(shí)，一般用約定真值或相對(duì)真值來代替。

約定真值與相對(duì)真值

約定真值：一個(gè)接近真值的值，它與真值之差可忽略不計(jì)。實(shí)際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。相對(duì)真值：指當(dāng)高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的誤差僅為低一級(jí)的1/3以下時(shí)，可認(rèn)為高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器或儀表示值為低一級(jí)的相對(duì)真值。

儀表絕對(duì)誤差

絕對(duì)誤差的實(shí)質(zhì)，是儀表讀數(shù)與被測參數(shù)真實(shí)值之差。儀表的絕對(duì)誤差只能是讀數(shù)與約定真值或相對(duì)真值之差。

△——絕對(duì)誤差；M——儀表讀數(shù)；A——約定真值或相對(duì)真值。儀表相對(duì)誤差與引用誤差相對(duì)誤差：儀表的絕對(duì)誤差與真值的百分比。最大引用誤差（滿度誤差）：最大絕對(duì)誤差與儀表量程的百分比：儀表的精度等級(jí)：滿度誤差去掉百分號(hào)即是。儀表精度等級(jí)

又稱準(zhǔn)確度級(jí)，是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小劃分成的等級(jí)。我國儀表精度等級(jí)有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。級(jí)數(shù)越小，精度（準(zhǔn)確度）就越高。工業(yè)控制用儀表多在0.1～4.0級(jí)，。儀表的精度等級(jí)應(yīng)視工藝需求而定，不能片面追求高精度。例題1某換熱器的溫度控制系統(tǒng)方塊圖如圖。系統(tǒng)的被控參數(shù)為出口物料溫度，要求保持在（200±20）℃，控制參數(shù)為加熱蒸汽的流量。說明圖中R、E、Q、Y、F所表示的專業(yè)術(shù)語；

說明U、P、Z的信號(hào)范圍；

氣動(dòng)執(zhí)行器的輸入、輸出各是什么物理量？

例題1說明圖中R、E、Q、Y、F所表示的專業(yè)術(shù)語；例題1說明U、P、Z的信號(hào)范圍；

例題1氣動(dòng)執(zhí)行器的輸入、輸出各是什么物理量？

傳感器使用中需注意的問題

信號(hào)滯后問題傳輸距離問題信號(hào)抗干擾處理信號(hào)滯后問題純滯后問題，由于測量元件安裝位置不當(dāng)及測量儀表本身特性等容易引入純滯后，應(yīng)力求避免。

測量滯后問題，主要由測量元件本身的特性造成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能選用快速測量元件。測量信號(hào)的濾波處理

過程控制系統(tǒng)中，測量信號(hào)往往帶有噪聲；除傳感器本身需考慮抗干擾處理外，還可以采用控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理。數(shù)字濾波

數(shù)字濾波即程序?yàn)V波，通過計(jì)算機(jī)軟件（運(yùn)算與判斷）濾去干擾信號(hào)，提高信號(hào)的真實(shí)性。

常用的數(shù)字濾波有如下幾種：1.算術(shù)平均值濾波2.程序判斷濾波3.中位值法濾波4.一階慣性濾波

算術(shù)平均值濾波

又稱為遞推平均濾波，對(duì)周期性等幅振蕩的干擾有較明顯的濾波效果。

程序判斷濾波

當(dāng)時(shí)，將Xi作為第i次采樣值。當(dāng)時(shí)，應(yīng)將Xi-1作為第i次采樣值。B值的選擇主要決定于對(duì)象的被測參數(shù)的變化速度（溫度信號(hào)一般取小值，而壓力較大）。中位值法濾波

連續(xù)采樣三次以上的被測值，從中選擇大小居中的那個(gè)值作為有效的測量信號(hào)適用場合：對(duì)變化速度不太快的參數(shù)，去掉其干擾脈沖。

一階慣性濾波

實(shí)質(zhì)上是通過計(jì)算機(jī)的算式來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的RC低通濾波：

傳感器的維護(hù)問題工業(yè)用儀表要定期（如半年）進(jìn)行校驗(yàn)或標(biāo)定，校正零點(diǎn)和量程；安全防爆在石油、化工等多個(gè)行業(yè)，大量存在含有易燃易爆材料的場合（危險(xiǎn)區(qū)域），如原油及其衍生物、酒精、天然氣、金屬屑、粉塵、纖維、飛揚(yáng)物等等。安全防爆是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，與過程控制關(guān)系密切。安全防爆意義重大。危險(xiǎn)區(qū)分類類別級(jí)別說明一、氣體和蒸汽爆炸危險(xiǎn)環(huán)境0區(qū)連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，或預(yù)計(jì)會(huì)長期出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境區(qū)域1區(qū)在正常操作時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)周期性地（或偶然的）出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境區(qū)域，也可能是短時(shí)存在的環(huán)境區(qū)域2區(qū)在正常操作時(shí)，預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境，即使出現(xiàn)爆炸性氣體，也只是短時(shí)間存在的場所二、粉塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境10區(qū)連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物，或預(yù)計(jì)會(huì)長期出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的環(huán)境區(qū)域11區(qū)有時(shí)會(huì)將積留下的粉塵揚(yáng)起而偶然形成爆炸性粉塵混合物的環(huán)境區(qū)域防爆技術(shù)為了確保電子設(shè)備在危險(xiǎn)場所安全使用，發(fā)展了多種防爆技術(shù)：隔爆型（d）油浸型（ｏ）充砂型（ｑ）本安型（i）隔爆型“ｄ”

把設(shè)備可能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的部件全部封閉在一個(gè)外殼內(nèi)；其外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙，滲透到殼內(nèi)的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞；并且不會(huì)引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃，從而達(dá)到隔爆目的。適用于1區(qū)和2區(qū)。本安型“ｉ”

本質(zhì)安全防爆儀表的防爆性能不是靠儀表外殼結(jié)構(gòu)或者通氣、充氣、充油等機(jī)械隔離措施獲得的，而是電路本身固有的。設(shè)備內(nèi)部的所有電路在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體。從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參數(shù)將潛在的火花能量降低到可點(diǎn)燃規(guī)定的氣體混合物能量以下，導(dǎo)線及元件表面發(fā)熱溫度限制在規(guī)定的氣體混合物的點(diǎn)燃溫度之下。本安型“ｉ”

該防爆型式適用于0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。但是，它不能單獨(dú)使用，必須和本安關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）、外部配線一起組成本安電路，才能發(fā)揮防爆功能。安裝在安全區(qū)（如控制室內(nèi)）的非防爆型儀表，需經(jīng)防爆安全柵與安裝在危險(xiǎn)區(qū)的本安儀表聯(lián)接。防爆安全柵

安全柵安裝在安全場所，一方面?zhèn)鬏斝盘?hào)，另一方面將流入危險(xiǎn)場所的能量控制在爆炸性氣體或混合物的點(diǎn)火能量以下。發(fā)生故障時(shí)，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，從而確保現(xiàn)場設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。分為齊納式安全柵與隔離式安全柵兩種。齊納式安全柵與隔離式安全柵

齊納式（Zener）安全柵，通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實(shí)現(xiàn)能量限制作用。隔離式安全柵，使用較多的是隔離變壓器式安全柵。與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：隔離式安全柵的電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均通過變壓器耦合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入、輸出完全隔離。大大增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。過程控制常見被控參數(shù)常見被控參數(shù)：溫度壓力流量液位成分許多工業(yè)過程都可以直接或間接地以上述參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制。溫度測量方法及測量元件接觸式和非接觸式常用測量元件：熱電偶熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻集成溫度傳感器（AD590）接觸式測溫

測溫方法：膨脹式，基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)；熱電阻式，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的性質(zhì)；熱電偶式，基于熱電效應(yīng)。特點(diǎn)：簡單、可靠、精度高；測溫元件有時(shí)可能破壞被測介質(zhì)的溫度場或與被測介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；因受到耐高溫材料的限制，測溫上限有界。

非接觸式測溫

測溫方法：利用物體輻射能隨溫度變化的特性，如紅外式測溫。特點(diǎn)：不會(huì)破壞被測介質(zhì)的溫度場，測溫上限原則上不受限制；可測運(yùn)動(dòng)體溫度，如軋鋼過程中鋼板表面溫度；易受被測物體熱輻射率及環(huán)境因素（物體與儀表間的距離、煙塵和水汽等）的影響。

類型型式原理測溫范圍(℃)準(zhǔn)確度(℃)特點(diǎn)常用種類接觸式膨脹式膨脹-200~6500.1~5結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度慢，適于就地測量汞溫度計(jì)雙金屬式溫度計(jì)壓力表式壓力-20~6000.5~5具有防爆能力，響應(yīng)速度慢，測量精度低，適于遠(yuǎn)距離傳送液體壓力溫度計(jì)蒸汽壓力溫度計(jì)熱電阻熱阻效應(yīng)-200~8500.0