过程控制与自动化仪表仪表概述与温度检测仪表.ppt

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1、过程控制与自动化仪表,湖南大学电气与信息工程学院涂春鸣,主要内容,绪论检测仪表调节器执行器和防爆栅调节对象的特性及实验测定单回路调节系统设计及调节器参数整定复杂调节系统,自动化仪表概述温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表液位检测仪表成分分析仪表,检测仪表主要内容,2.1 自动化仪表概述,自动化仪表概念单元组合式仪表特点检测仪表功能、原理性组成测量误差、真值、精度零点迁移与量程调整,自动化仪表概念,自动化仪表主要类型,检测仪表对工艺参数进行测量调节仪表调节器，根据测量值与给定值的偏差，按一定调节规律发出调节命令执行器根据调节仪表的命令对生产装置的物料或能量进行控制 辅助单元完成计算、变换、显示、

2、安全操作等功能,2.1.2 单元组合式仪表特点,将仪表按其功能分成若干单元各个单元之间以统一的标准信号相互联系具有高度的灵活性和通用性，各个单元可以适当组合，也可与计算机等设备配合，组合各种复杂的、新型的控制系统 有气动组合仪表和电动单元组合仪表（QDZ和DDZ仪表）两类,过程控制发展概况,气动单元组合仪表（QDZ）,采用140kPa压缩空气为能源，以20100kPa标准统一信号输出结构简单、价格便宜、性能稳定、工作可靠、安全防火防爆特别适用于石油、化工等易燃易爆场合,过程控制发展概况,电动单元组合仪表（DDZ）,采用0-10mA 或4-20mA标准统一信号体积小、重量轻、安装维护方便、便于计

3、算机接口部分仪表（如DDZ-型）采取了先进的安全防爆措施，能构成本质安全防爆系统，同样能应用于易燃易爆场合,过程控制发展概况,DDZ：DDZ-：电子管式，010 mA DCDDZ-：晶体管式，010 mA DCDDZ-：集成电路式，420 mA DC传输、放大、变换、测量方便，易与计算机配合使用，但防爆性能只能是安全火花型防爆，内部设安全单元QDZ：20100kPa，低于1标准大气压本质安全型防爆，信号传输慢，传输距离短，管线安装不方便,QDZ与DDZ比较,直流优点：1.不受线路感抗影响，易与交流感应干扰区分；2.不存在相移，不受线路负载性质影响。电流优点：1.可远距离传输，不受线路及负载电阻

4、影响；2.可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力，便于用力平衡原理构成仪表；3.灵活，只需在回路中串电阻即可得电压信号。,DDZ-联络信号特点,零信号和满刻度：零信号和满刻度分别为4mA和20mA，取其20%，而不是0mA，便于识别仪表断电、断线等故障；采用两线制（将供电电源线与信号传输线合二为一），节省电缆，布线方便，利于防爆，称为“活零点”,DDZ-联络信号特点,智能仪表,自动化仪表及装置向着智能化、数字化、模块化、高精度化和小型化的方向发展，智能化是最重要的特点。与常规仪表相比，智能仪表：测量精度高自动校准自动修正误差自诊断的能力允许灵活地改变功能，实现高级控制。,检测仪表功能及组成,检

5、测：利用适当的物理转换手段和信号形式的变换，并以数量方式实现对被测物理量的确切认识。是确定被测对象测量值的实验过程。组成：传感器（含敏感元件）：检测仪表中的首要部件，它直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触）。感受被测参数的变化，并发出与之相适应的信号（压力变化、电阻变化等）。变送器：能输出标准信号的传感器。将敏感元件参数响应变量转换成便于应用和传送的标准信号。,对传感器的三个要求,高准确性，传感器的输出信号与被测参数成严格的单值函数关系。高稳定性，不受时间或环境温度变化等因素的影响。高灵敏度，被测参数微小变化时，输出量变化明显。,DDZ-仪表输出与被测量关系,例：仪表量程2001000，则

6、G0=200，对应4mA，Gm=1000，对应20mA。若仪表输出I=12mA，被测温度为？,2.1.4 测量误差、真值、精度,测量误差：测量值与真实值之间存在的差别真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。,约定真值与相对真值,约定真值：一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。相对真值：指当高一级标准器的误差仅为低一级的1/3以下时，可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。,仪表读数误差,读数误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之

7、差。仪表的读数误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。=M-A 读数绝对误差；M仪表读数；A约定真值或相对真值。,仪表绝对误差与相对误差,绝对误差：在测量范围内，各读数误差的最大值。相对误差：仪表的绝对误差与真值的百分比。引用误差：绝对误差与仪表量程的百分比，去掉正负号和百分比号，即为仪表的精度等级。,仪表精度等级,又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。我国仪表精度等级有：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。级数越小，精度（准确度）就越高。科学实验用的仪表精度等级在0.05级以上；工业检测用仪表多在0

8、.14.0级，其中校验用的标准表多为0.1或0.2级，现场用多为0.54.0级。,例题,某压力表刻度0100kPa，在50kPa处测量值为49.5kPa，求在50kPa处仪表示值的绝对误差、相对误差和精度等级？,仪表的绝对误差：仪表的相对误差：仪表的精度等级：0.5级,例1 某台测温仪表的测温范围为 100700，校验该表时测得全量程内最大绝对误差为5，试确定该仪表的精度等级。解：该仪表的引用误差为：,将该表的去掉“十”号与“”号，其数值为0.625。由于国家规定的精度等级中没有0.625级仪表，而该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大绝对误差。故：这台测温仪表的精度等级为1.0级。,例2

9、 某台测压仪表的测压范围为 08MPa。根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过0.05 MPa，问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？解：根据工艺要求，仪表的允许基本误差为：,去掉“”和“”号后，0.625介于0.51.0之间。若选精度为1.0级的仪表，其允许的最大绝对误差为0.08 MPa。超过了工艺允许的数值。故：应选择0.5级的表。,仪表基本误差,这是指在仪表制造厂保证的条件下仪表的相对误差值，即规定使用条件下的相对误差。规定使用条件：包括温度、相对湿度、电源电压、安装方式等。,仪表的附加误差与变差,附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。如电源波动附加误差，温

10、度附加误差等。变差是同一仪表对被测量反复测量，产生的最大误差与测量范围之比。变差越小，稳定性越好。,仪表的灵敏度,仪表的灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量x之比，用S表示灵敏度,仪表的灵敏限,指能够引起仪表指示值（输出信号）发出变化（动作）的被测参数（输入信号）的最小（极限）变化量。与灵敏度是不同的概念。,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

11、的温度值为0.1，即该表的分辨力为0.1。,对于数字式仪表，则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限。,2.1.5 零点迁移与量程调整,零点迁移：仪表测量范围的平移。X轴为被测量（温度、压力、流量、液位、成分等），Y轴为仪表输出（电流或者气压）。,100,900,200,1000,0,800,量程调整：仪表测量范围的非平移，斜率变化。,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？,0,400,600,温度检测概述热电偶测温原理热电阻测温原理集成温度传感器接触测温元件的安装原则测温元件的选型原则温度的显示与记录温度变送器原理,2.2 温度检测仪表,2.2

12、.1 温度检测概述,温度：表征物体冷热程度的一个物理量。温标：将温度数值化的一套规则和方法，温标有起点、单位和方向。温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。华氏与摄氏温标换算公式,非接触式测温,通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场，误差小，反应速度快；测温上限原则上不受限制；易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响。,红外线测温计,光学高温计,1、辐射式温度计 通过测量物体热辐射功率来测量温度。2、红外式温度计 通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。,接触式测温,接触测量，简单、可靠、精度高；测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反

13、应；因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。包括非电参数温度传感器、电参数温度传感器。非电参数温度传感器包括：膨胀式和压力式等。电参数温度传感器包括：热电偶、热电阻、半导体热敏元件等。,接触式非电参数测温仪表：1、膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。有液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。,玻璃管温度计,电接点式玻璃管温度计,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

14、度值。,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。调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。,如图是一双金属温控器。,继电器,原理:封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。,2、压力式温度计利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。,用压力表指示温度。,1、热电偶温度计 利用物体的热电性质测温。2、热电阻温度计 利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。3、半导体温度计 利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性，通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。,接触式电参数

15、测温仪表：,2.2.2 热电偶测温原理,（1）热电偶的测温原理：热电效应,两种不同导体接触并构成回路，若两个接点温度不同，则回路中出现毫伏级热电势，并产生电流。当一端温度固定，则该热电势与温度有准确的单值对应关系,特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量5001600之间的温度。,热电偶特点,热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、线性关系；稳定性和复现性较好；响应时间较快；测温范围宽，高温热电偶测温上限可达2800，低温热电偶可达4K；测温精度高；使用范围广。,1、接触电势 当不同导体A、B接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。

16、其大小取决于两种材料的种类和接触点的温度。,NA(t)、NB(t)自由电子密度；e 单位电荷,2、温差电势 对于同一金属A（或B），其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为温差电势。热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。,3、回路总电势 热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成：EAB（t，t0）=e AB（t）-e AB（t0）此计算式中，有的常数很难确定，无法实用。实际中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结论：对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。当冷端

17、温度固定时，E（t，t0）是热端温度 t 的单值函数。,有关热电偶的几点结论,（1）若两种导体相同则无论两端点温度如何，回路中热电势为零。,（2）若两端点温度相同，而A、B材料不同，回路中热电势为零。,（3）热电势与材料的中间温度无关，只与两接点温度有关。,（4）热电势的大小取决于两种导体的材质和接触点的温度。,热电偶的构造 热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等。,热电偶类型,理论上任何两种导体或半导体都可以组成热电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。

18、国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电势分度表。,几种常用的标准型热电偶简介,镍铬镍硅热电偶分度表（简表）分度号 K t0=0，E/mV,铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵，但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量1100以上的高温。,镍铬镍硅（K）线性度最好 镍铬康铜（E）灵敏度最高 铜康铜（T）价格最便宜,不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特性关系不同。,热电偶冷端处理,只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。热电偶的冷端处理：把热电偶延伸到环境中以便测量和稳定冷端温度。延长导线：廉价电

19、偶的冷端处理补偿导线：选配低温段与电偶有相同热电效应的廉价导体,冰浴法 把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中，然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持冷端为0。这种方法多数用于热电偶的检定。,恒流I=E/R RRCU,RP,rr RCU,RP 则支路桥臂电流I=I/2,冷端补偿（电桥法）,热电阻测温原理,在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270900范围内使用（推荐在150以下时选用）。,热电阻的材料要求,一般要求工业热电阻的材料应具有：

20、电阻温度系数大；电阻率大；热容量小；在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；良好的复制性；电阻随温度的变化呈线性关系等。,常用金属热电阻材料,目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍，也有铟电阻、锰电阻及碳电阻；我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。,电阻温度关系：R t=R0 1+At+Bt2+C(t-100)t3(-2000)R t=R0(1+At+Bt2)(0850)铂电阻有两种分度号：Pt10,Pt100,1.铂电阻 铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为-259+630 间的基准器，但线性度稍差，常用于-200+600 温度测量。,

21、2.铜电阻 铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于-50+100 温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50，Cu100。电阻温度关系：R t=R0(1+t)(-50150),普通热电阻结构,热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是，以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电感。此外，还有薄膜型热电阻。,热电阻的三线制接法 电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。,Uab=（Rt+r)I（R1+r）I=Rt I,a,b,热敏电阻 半导体材料的电阻值具有负温度系数，可以作

22、温度传感元件，特点是：,电阻率大电阻体积小，响应快；温度系数大灵敏度高；非线性严重影响精度。温度特性分散互换性差,集成温度传感器,利用PN结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。特点：体积小，价格低；热惯性小、反应快；测温精度高；测温范围为-50150；稳定性好，线性度好。分电压型、电流型、数字型，电压型温度系数约10mV/0C，电流型温度系数约1A/0C。,AD590,两端元件；供电电压：直流（+4+30V），1.5mW(+5V)；高阻抗（710M）输出；00C时输出273.2A；温度系数1A/0C；测温范围-55+1

23、500C；使用范围广泛。,2.2.5 接触测温元件的安装原则,测量流动介质（管道内）温度时，应保证传感器与介质充分接触，与被测介质成逆流状态（至少呈正交式）安装。感温点应处于管道中流速最大的地方。尽可能增大传感器的插入深度，温度计应斜插或在管道弯头处插入。当测温管道过细（直径小于80）时，安装测温元件需加装扩充管。,接触测温元件的安装原则（续）,热电偶及热电阻在安装时，应使其接线盒的面盖向下，以免雨水或其他污物渗漏。安装在负压管道上的温度计，必须要保证良好的密封性，以防外界冷空气进入。用热电偶测量炉膛温度时，应避免与火焰直接接触；避免把热电偶安装在炉门旁或与热物体距离过近之处。接线盒不应碰到被

24、测介质的器壁，以免热电偶冷端温度过高。,2.2.6 测温元件的选型原则,仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏差的大小确定。仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济、合理等。在同一工程中，应尽量减小仪表的品种和规格。一般取实测最高温度为仪表上限值的90%，而30%以下的刻度原则上最好不用。,测温元件的选型原则（续）,热电偶测温反应速度快、适于远距离传送、便于与计算机联用、价廉，故只在测量范围低于150时才选用热电阻。热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级。材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。,2.2.7 温度显示与记录,1.动圈式

25、指示仪表 可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的模拟指示仪表。,热电偶、热电阻等传感元件的测温信号，必须经后级仪表处理，将温度显示出来或记录保存。,动圈式仪表实质上是测量电流的仪表，其指示机构的核心部件是一个磁电式毫安表。利用通电线圈在磁场中受到力矩的作用产生偏转的原理，带动装在动圈上的指针移动，从而指示出被测参数。,2.数字式指示仪表 数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图如下：,配热电偶的数字式测温仪表,标准热电势,滤波,放大,线性化,标度变换,3.自动记录仪表 自动记录仪能实时记录被测参数。记录的方式有纸记录和无纸记录两类。,数字式记录仪表 形式多样，内装

26、CPU，无纸记录被测参数。可实时显示，也可随时调出历史曲线。可多通道记录。,检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。,模拟控制系统的信号标准是：、型：010mA、010V III型：420mA、15V,2.2.8 温度变送器原理,模拟式温度变送器,模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但结构基本相同。,以DDZ-III型热电偶温度变送器为例:,1输入电路 热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和零点迁移。,Ei

27、=Et+VRcu VR4,冷端补偿设计：VRcut0=E(t0,0),Ei=Et+VRcuVR4=Et+VRcut0+VRcu0 VR4,调R4实现量程调整。,冷端补偿：VRcut0=E(t0,0),VRcut0：t 0度时Rcu上压降增量,VRcu0：0度时Rcu上压降，,标准热电势,零点迁移,零点迁移的作用：有些工艺的参数变化范围很小，例如，某设备的温度总在5001000之间变化。如果仪表测量范围在0 1800之间，则500以下、1000以上的测量区域属于浪费。因为变送器的输出范围是一定的。可通过零点迁移，配合量程调整，使仪表的测量范围在5001000之间，可提高测量精度。,Ei=Et+V

28、Rcut0+VRcu0 VR4,零点迁移,温度变送器的零点迁移和量程调整,RP1为零点迁移电位器，RP2为量程迁移电位器，改变RP2，可改变反馈电压Vf的分压比，即改变反馈强度，因而改变整个变送器的量程。,差动输入：,实际输入电路,Et+VRCU IC2+VRP1+VRP2 IC2-,2、放大电路 由于热电偶输出的热电势为毫伏级信号，放大电路必须是高增益低漂移的运放，同时还要采取抗干扰措施。因为测量元件和连接导线在现场很容易引入干扰。,实际放大电路,高增益、低漂移的IC2，构成差动放大器,复合管Ta1、Ta2构成射极输出器，实现V-I 的转换,稳压管VD0的作用是在电流输出回路断线时，电压输出

29、信号不受影响,调制隔离,3、反馈电路 在反馈电路中需要完成量程调整和非线性校正两个功能。量程调整实质上是调整放大电路的闭环放大倍数，通过调节反馈电阻的大小就可实现。而非线性校正则需要一个校正网络来实现。,实际反馈电路,IC1及非线性反馈构成的线性化修正电路，将Vf转换为电压Vf后，反馈到IC2的反相输入端。,经Tf隔离，经整流、滤波，在Rf、Cf 上得到与IO成正比的直流反馈电压Vf,电源变送器的供电电源是+24V。为了提高变送器的抗共模干扰能力和有利于安全防爆，放大器需要在电路上与电源隔离。,为此，24V直流电源经调制解调后，获得9V的直流电压供给运算放大器。,安全防爆措施,近年来，已推出小型固态化温度变送器和一体化温度变送器，它将传感元件与测量电路一体化，电路高度集成，自带冷端补偿功能，24VDC供电。,智能温度变送器 智能变送器是采用微处理器技术的现场型仪表。可输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线通信网络与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。,西仪444系列温度变送器,上海横河YT200温度变送器,小 结,温度测量,热电阻,集成温度传感器,温度变送器,动圈仪表,自动记录仪,测量方法,非接触式,接触式,检测仪表的基本技术指标,热电偶,