5测量变送环节

测量变送环节2传感与检测检测技术、计算机技术、通信技术被称为现代信息技术的三大支柱。过程控制的实践证明，控制效果主要由检测技术决定，因此检测是现代信息技术最关键的技术。保证产品的质量是生产过程的目标，产品的质量指标往往是“成分”。如有效成分的含量、纯净度等等。光谱、质谱分析。由于成分分析技术不成熟。过程工业生产中常用其它与成分有联系的参数测量与控制来间接达到保证产品的质量的目的。3非电量的转换过程工业中最常遇到的检测和控制参数为温度、压力、流量、液位（界面）。俗称四大参数。这四种物理量都不是电信号。控制系统都是电动系统，现在所有的控制系统都建立在电子数字计算机基础之上。过程控制中检测问题为：1.对上述四类过程变量的检测；2.将检测到的信号转换为电量信号；3.将电量信号转换为标准仪表信号；4.将标准仪表信号转换为数字信号。5.作为控制信号还要将数字信号重新转换为模拟（电或气）信号。4传感器与变送器将过程参量变换为电量信号和数字信号的过程由传感变送器完成。标准仪表信号有两类，气动信号和电量信号。标准气动信号定义为0.02~0.1MPa，标准电量信号定义为4~20mA（或1~5V）。习惯上将非标准信号的仪表称为传感器，输出标准信号的仪表称为变送器，有时也统称为传感变送器。5传感变送器框图6敏感元件敏感元件感知过程参量的值及变化，并转换成相应的输出x1。这个过程称为一次信号变换。由于敏感元件检测原理不同，特性不同，输出信号也不同。敏感元件输出x1既可能是电量信号，也可能还是非电量信号。敏感元件输出信号特点1.带噪声的混合信号。2.非线性，有时可能还存在非单值函数关系。选用敏感元件时，要挑选一致性好、能长期稳定工作和一次信号变换为单值函数的敏感元件。)(11xfx7信号的二次变换敏感元件的输出信号，一般不能直接用于电类仪器、仪表显示或作为控制系统信号，而需要对传感器的输出信号进行“加工处理”，如非电量转换成电量、微弱信号的放大、噪声的滤除，以及线性化等等。这个过程称为二次变换。现在都采用电子电路实现（模拟电路）。传感器的电子电路包括各种信号放大、滤波及调制解调等部分，它的输入与敏感元件的输出连接，并变换成标准电信号（通常为4~20mA或0~10mA电流）输出，作为显示、控制仪表，或控制系统的输入信号。8变送器要求传感器电子电路设计上，应满足下列要求：1）输入端主要考虑与传感器的阻抗匹配问题，及信号传输过程中的电阻、电容（电感）及噪声影响等。2）输出端主要考虑满足显示和控制系统对信号的要求，即统一的标准仪表信号。3）电子电路的设计要满足显示和控制系统的精度指标、动态性能指标及可靠性要求。4）集成电路和其它元器件选择，以及仪表的结构要满足使用环境要求（如湿度、温度、电磁环境等）、安装要求，和某些特殊要求，如防爆等。9测量变送器完成从对过程变量到标准信号转化的仪表称测量变送器(0.02~0.1MPa的气压信号或4~20mA电流信号)。在控制系统框图中也常用变送环节来表示。在控制系统中，测量变送环节一般可表示为带纯滞后的一阶惯性特性smmmesTKsG1)(10测量变送器从控制系统的角度对测量变送器的要求与人们对测量仪表的要求是基本一致的，即要求正确和及时反映被测量值。测量误差大致分三个来源：仪表本身误差，安装不正确的引入误差，测量的动态误差。11仪表本身误差仪表的精度等级为在稳态时，仪表的最大百分误差。0.5级的仪表误差为0.5%。它是按全量程的最大百分误差来定义的。量程越宽，绝对误差越大。在选择仪表时应尽量选量程窄一些的。为了提高测量分辨率，可以采用缩小测量变送器的量程，亦即提高该环节的静态增益Km。调整测量范围，零点迁移。12安装不正确引入误差测量变送器的一次元件安装在工艺设备上。安装必须符合规范，否则会引入很大误差。如流量测量中的孔板，是否装反，安装处的直管段是否足够；差压液位计的引压管线是否存在气泡；热电偶、热电阻插入深度是否恰当等等。13测量的动态误差测量变送环节的滞后，包括Tm和τ都会引起测量动态误差。各种检测元件中，测温元件的测量滞后往往比较显著，不论是温度计、热电阻或热电偶。元件本身的容量和时间常数（如热阻和热容）是滞后的一个因素。此外由于测量环境，测量元件（如热电阻或热电偶）还往往要加上保护层，也增加了测量的滞后。根据不同的封装形式，热电偶的时间常数约在1.5~0.5~0.1min。此外测量元件周围介质的流态、性质及停滞层厚度等都会影响测量。流量和界面等工艺波动也是引起的误差的重要原因。14真值与约定真值真值是与给定的特定量定义一致的值。真值是客观存在的量值，我们可以认为物理常数是真值。真值可能永远不知。约定真值是对于给定目的某特定量所赋予的具有适当不确定度的值，它是一种约定的被测量的值。有以下四种形式：1）指定值。比如温度，在国际温标（ITS-90）中，用17个定义固定点给出了固定点温度的指定值。2）最佳估计值，国际上公认的物理常量与常数，如真空中的光速c，重力加速度g等；3）约定值，在描述自然规律的定理中，用约定值来定义某一定点现象，如水的三相温度值等；4）参考值，在测量工作中使用的标准仪器、标准量器和标准物质所给出的值。15测量准确度、测量误差与相对误差测量准确度是指测量结果与被测量的真值之间的一致程度，定性概念。测量误差从数量上反映测量的准确程度，它是测量结果示值减去真值的结果，具有绝对意义。因此，测量误差也称为绝对误差。由于真值不能确定，一般都以约定真值代替真值。测量误差根据产生的原因又分系统误差、随机误差和疏忽误差三种。相对误差为测量误差除以真值的结果，反映了测量的准确程度，是一无量刚量。相对误差常用％表示。16测量仪表的引用误差和精度等级用测量仪表的量程代替被测量的约定真值所得到的相对误差称为仪表的引用误差：仪表量程中最大的绝对误差和量程之比称为最大引用误差：仪表的精度等级为仪表的最大引用误差去除％后的数字，经过圆整后即为仪表的精度等级数。%100%仪表量程绝对误差）仪表引用误差（%100%仪表量程量程中的最大绝对误差）最大仪表引用误差（17测量仪表的变差变差是仪表在外界条件不变的情况下，其正向特性（即被测参数由小到大变化）和反向特性（即被测参数由大到小变化）不一致的程度。即相同的被测参数，正、反行程所得到的仪表示值不相等，二者之差即为仪表在该读数点的变差。造成变差的原因主要是传动机构的间隙、运动件间存在的摩擦，弹性元件的弹性滞后等。18灵敏度和分辨率仪表的灵敏度是指仪表在稳态下，输出变化量与输入变化量的比值：式中，Δa为仪表指示值的变化量；Δx为被测参数的变化量。灵敏度反映了测量仪表对被测参数变化的敏感程度。分辨率又称为灵敏限，是指引起仪表指示值发生可见变化的被测参数的最小变化值。仪表的灵敏限的数值应小于仪表允许误差绝对值的一半。xaS19仪表响应速度反映仪表的动态性能。被测量变化后，仪表的指示值一般总要经过一段时间才能显现出来，这一滞后通常称为测量滞后（或响应滞后）。测量滞后的存在，会导致显著的动态误差。对测量和调节都不利。为了减小测量的动态误差，应选择快速测量元件，合理地选择测量元件的安装位置，注意正确安装。在自动化领域，用时间常数T和滞后时间τ来表示仪表的动态特性。20零点迁移和量程迁移对应整个测量范围，变送器的输出都是标准信号4~20mA(1~5V)。许多工业生产过程工艺上都有最合适的运行点。零点迁移和量程迁移技术是提高仪表灵敏度的有效手段。21测量信号的预处理测量噪声测量点波动，测量元件输出信号微弱，测量元件与仪表的连接有一定距离，工业现场由于大量大功率的用电器，频繁的启、停等。有的时候仪表输入端的噪声会大于信号。在工业过程中，许多情况下，噪声呈高频性质。采用电流传输，仪表输入端采用RC滤波电路（低通滤波）。22线性化处理许多检测元件的输入输出关系呈非线性，如热电偶，热电阻。流量测量中的平方关系等。这对观察和记录带来不便。从控制角度，也希望测量环节具有线性特性，测量变送器需作线性化处理。如节流装置输出的差压与流量的平方成正比，用开方器来校正。热电阻的电阻值、热电偶的热电势都为非线性。工程上常采用查表修正方式。23工业测温元件工业生产过程中，最常用的测温元件是金属热电阻和热电偶。金属热电阻是精度最高的温度测量元件。它的优点是：测量精度高；再现性好；可保持多年稳定性和精确度。铂热电阻，化学物理性能稳定、复现性好，可测温度范围大（-200~850℃）Pt100、Pt10铜热电阻，温度系数大，线性好，价格便宜；测温范围较小，一般用于-50~150℃范围温度测量。Cu50、Cu100。24工业热电阻采用双线并绕在骨架上，外加保护材料。按热电阻的结构和制造工艺，可分为装配式热电阻和铠装式热电阻两大类。热电阻主要由接线盒、保护管、感温元件在保护管内部。25工业热电阻的命名规则26工业热电阻的命名规则27热电阻引线方式工业热电阻要外供电，电源质量要求高。根据不同的测量转换电路，供电电源可能是恒流源，也可能是恒压源。工业上最常用的检测电路是电桥电路，最常用的引线形式是三线制。28工业热电偶热电偶是工业上使用最广泛的测温敏感元件。热电偶的优点是：体积小、价格低、温度响应快、测温范围宽、精度高、重复性好、信号可远传、不需外接电源等。缺点是：精度比热电阻低、热电势与温度之间呈非线性关系，同样条件下，热电偶接点比热电阻容易老化。热电偶根据温差电动势测量温度。若冷端（参考端）温度已知，则根据热电偶的电动势，就可计算出热端（测量端）的温度。29工业热电偶当两种不同导体A和B接成一个闭合回路时，若结合点T和To有温度差，则回路中就会产生电流；当在A点断开，则在断开处存在电势，这种因温度差而产生热电势的现象称为“热电效应”30标准热电偶根据国际电工委员会（IEC）新温标ITS-90，我国国家技术监督局在1990年553号文件中，规定铜-康铜（T）、镍铬-康铜（E）、镍铬-镍硅（K）、铁-康铜（J）、铂銠30-铂銠6（B）、铂銠10-铂（S）、铂銠13-铂热（R）和镍铬硅-镍硅热（N）这8种工业常用热电偶为标准热电偶，必须与IEC标准保持一致。各种热电偶的参考模型形式基本相同，但参数值不同。niiitcE090)(niiiEct090)(31niiitcE090)(32niiiEct090)(33热电偶分度表采用参考模型的好处是要求的存储单元少，缺点是计算较复杂。在实际使用中往往预先将热电偶的电势与温度关系做成标准数据表，称热电偶分度表。热电偶分度表提供了方便，但若直接使用分度表，要占用较多的存储空间。在工业控制系统中，一般不要求如此精确的温度值，因此更常采用的是以一定的温度间隔，选出标准分度数据，组成简略的分度表。间隔内的温度值采用线性插值方法进行补充。34热电偶分度表35热电偶与热电阻相比，热电偶价格更低，并且不需外供电源。信号可以远传。因此一般工业场合都采用热电偶测温。测量精度要求高的场合，应选用热电阻。热电偶采用直径为0.3mm~3.2mm导线材料。热电偶测温利用的是温差电势原理，电势EAB（T、T0）与两个结点的温度差T-T0有关。若结点温度T0保持不变，并已知，则温差电势与另一结点温度T为单变量函数关系。所有热电偶分度表都是参考点T0=0℃所得。36热电偶的装配形式工业热电偶也分装配式和铠装式，其外型与工业热电阻也相同。铠装热电偶的测量端分为露端型、接壳型和绝缘型三种。露端型时间常数最小、可测温度低，且寿命短。绝缘型时间常数最大。3738冷端补偿根据热电偶测温原理，若热电偶的另一端的温度能保持为0℃，那么，根据测得的热电势查分度表，就可直接得到温度值。这个温度固定端，称为参比端，工业过程控制中常称为冷端。1.最直接的方法是将冷端温度固定为0℃。2.补偿电桥法，利用不平衡电桥产生相应的电势，补偿热电偶由