自动化仪表概述分析

2自动化仪表概述2.1检测仪表2.2控制仪表内容安排：温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表物位检测仪表成分检测仪表机械量检测仪表调节器执行器温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表物位检测仪表成分分析仪表PH计电导率仪热值仪浓度计氧化锆氧量计机械量检测仪表位移检测仪表厚度检测仪表力检测仪表转速传感器加速度检测仪表模拟调节器数字（智能）调节器电动执行器气动执行器液动执行器2.1检测仪表2.1.1温度检测仪表一、膨胀式温度计膨胀式温度计：基于物质的热胀冷缩现象，通过测量物质的膨胀或收缩量来反映被测温度的高低。1.玻璃管液体温度计组成：玻璃温包、毛细管和刻度标尺。除了水银温度计以外，还有有机液体温度计，它们主要用于测量低温。2.双金属温度计用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成的，将其一端固定，另一端（称为自由端）通过传动机构与指针相连。双金属片可以直接测量生产过程中的-80℃～+500℃范围内液体、蒸汽和气体介质温度。双金属温度信号器3.压力式温度计内装工作物质：气体式一般充氮气；液体式一般充二甲苯或甲醇；蒸气式一般充有丙酮、氯甲烷或乙醚等。组成：温包、毛细管和弹簧管。二、热电阻温度计利用金属导体或半导体材料的电阻率随温度而变化的特性进行温度测量。电阻温度关系式：在－200℃~0℃范围内，铂的电阻温度关系为Rt=R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]在0~650℃范围内，其关系为Rt=R0(1+At+Bt2)1.铂的电阻Pt100热电阻分度表目前，工业铂电阻的R0值有10Ω和100Ω两种，对应的分度号分别为Pt10和Pt100。2.铜热电阻在－50～150℃的温度范围内，铜热电阻与温度之间的关系为)1(320CtBtAtRRt目前，国内工业用铜热电阻的R0值有50Ω和100Ω两种，对应的分度号分别为Cu50和Cu100。铜热电阻结构示意图铂热电阻结构示意图铠装热电阻的结构1—不锈钢管；2—感温元件；3—内引线；4—氧化镁绝缘材料3.热电阻的结构普通工业用热电阻的结构1—热电阻丝；2—电阻体支架；3—引线；4—绝缘瓷管；5—保护套管；6—连接法兰；7—接线盒；8—引线孔。4.半导体热敏电阻温度计优点：①热敏电阻的温度系数比金属大，约大4～9倍；②电阻率大，因此可以制成极小的电阻元件，体积小；③结构简单、机械性能好。热敏电阻可分为正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTR)三种类型。5.热电阻温度传感器的应用热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的二线制接法结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB三、热电偶温度计热电偶是一种将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件。热电偶测温是基于热电效应。1.原理⑴接触电势BAABNNekTTeln)(⑵温差电势TTAdTTTe0),(0⑶热电偶回路的热电势dTTNTNekTTNTNekTTTeTTeTeTeTTEBTTABABABAABABAB)()()(ln)()(ln)],(),([)]()([),(00000000)()(),(00TeTeTTEABABAB在同一金属导体内，温差电势极小，可以忽略。因此常数）()()(00cTfTeAB这样则有2.热电偶的种类与结构标准化热电偶热电势与温度之间的关系曲线热电偶的分度表热电偶的结构(a)：l—接线柱；2—接线座；3—绝缘套管；4—热电极(b)：1—测量端；2—热电极；3—绝缘套管；4—保护管；5—接线盒(2)铠装型热电偶(1)普通装配式热电偶3.热电偶的冷端温度补偿在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。•补偿导线热电偶的补偿导线通常由补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。在100℃（或200℃）以下的温度范围内，补偿导线具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同的特性。补偿导线外形AB屏蔽层保护层使用补偿导线时必须注意以下问题：①补偿导线只能用在规定的温度范围内（普通型小于100℃，耐热型小于200℃）；②补偿导线与热电偶的两个接点温度必须相同；③不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；④补偿导线的正、负极分别与热电偶的正、负极相连；⑤补偿导线的作用是将冷端迁移到温度恒定的地方。⑴冰点法⑵恒温迁移法根据补偿导线末端所处环境温度估计值的大小，人为将显示或记录仪表的零点调到该值。⑶计算修正法基于中间温度定律00(,0)(,)(,0)ABABABETETTET冷端温度补偿方法如下：⑷电桥补偿法⑸二极管补偿法⑹集成温度传感器补偿法⑺软件补偿法利用高性能半导体温度传感器实现测温和补偿红外线辐射温度计产品四、辐射式温度计物体处于绝对零度以上时，其内部带电粒子的热运动会以电磁波的形式向外辐射能量，这就是热辐射。通过测量该辐射能量的大小便可间接求出被测物体的温度。红外线辐射温度计用于食品温度测量红外线辐射温度计在非接触测温中的应用耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成IC温度测量利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）温度采集系统便携式产品在线式产品空调制冷、火灾安全和保护，以及工业维护和质量控制等，可作为故障诊断工具五、集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体内的一种一体化温度检测元件。1.模拟集成温度传感器•电流输出型集成温度传感器典型代表是AD590温度传感器AD590基本温度检测电路•电压输出型集成温度传感器LMl35／LM235／LM335系列2.模拟集成温度控制器LM56、TMP01、AD22015、MAX6509/6510和TC652/653等型号。3.集成数字温度传感器／控制器典型产品有DSl820、DSl8S20、DSl8B20、DSl821、DSl822、DSl624、DSl629等。集成数字温度传感器／控制器属于智能化产品。单总线系统连接示意图DS1820引脚排列2.1.2压力检测仪表一、液柱式压力计1.弹性元件弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。二、弹性式压力计波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。pxpx平薄膜波纹膜xp波纹管px单圈弹簧管xp多圈弹簧管2.弹簧管压力表2a2brROBB′Ap电接点信号压力表1，4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。三、膜盒压力计普通型膜盒压力计原理图1-膜盒；2-连杆；3-绞链块；4-拉杆；5-曲柄；6-转轴；7-平衡片；8-游丝；9-指针；10-刻度盘其压力-位移转换元件是金属膜盒，常用来测量几百至几万帕以下的无腐蚀性气体的正压或负压。膜盒压力表金属膜片金属膜盒内部结构硅膜片示意图在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，它们组成一个全桥测量电路。四、压阻式压力计五、变隙式差动电感压力计线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁～输出P当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。六、压电式压力计压电效应原理：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体、多晶体。压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与下方弹性膜片接触并接地，另一个侧面与上方弹性膜片接触，并通过金属箔和引线将电量引出。七、霍尔式压力计压力先转换成位移，再应用霍尔电势与位移的关系测量压力。IBRUHH霍尔电势UH的大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量，从霍尔元件的输出电压的大小即可反映出压力的大小。应用：差压变送器显示、记录或控制配电器测压力：差压变送器配电器显示、记录控制开方器测流量：H＋－通大气测液位：八、差压变送器电容式差压变送器方框图输入差压ΔPi作用于差动电容的动极板,使其产生位移,从而使差动电容器的电容量发生变化。此电容变化量由电容-电流转换电路变换成直流电流信号,此信号与反馈信号进行比较,其差值送入放大电路,经放大得到整机的输出电流I0。⑴电容式差压变送器差动电容传感器1，2，3-电极引线；4-负压管导入口；5-硅油；6-负压侧隔离膜片；7-负压室基座；8-负压侧固定电极；9-可动电极；10-正侧固定电极；11-正压室基座；12-正压侧隔离膜片；13-正压管导入口当△pi＞0，将迫使硅油向右移动，进而使可动极板向右发生微小位移△S①差动电容容量的相对变化值与被测差压△pi成线性关系；②差动电容容量的相对变化值与介电常数无关，这可大大减小温度对变送器测量精度的影响；③差动电容容量的相对变化值与S0有关，S0越小，灵敏度越高。2100221000[1/()1/()][1/()1/()]iiiiCCASSSSSKSCCASSSSS1iSKP11110iAACSSS22220iAACSSS⑵扩散硅式差压变送器采用硅杯压阻传感器作为敏感元件。硅杯是由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成,它既是弹性元件,又是检测元件。当硅杯受压时,压阻效应使其上的扩散电阻（应变电阻）阻值发生变化,通过测量电路把电阻变化转换成电压变化。硅杯扩散硅差压变送器电路原理：硅杯的应变电阻通过不平衡电桥转换为电压变化。当变送器输入差压信号时，使硅杯受压，电桥就有不平衡电压输出，运算放大器A将此电压放大，并控制晶体管V使输出电流Io增加。在差压变化的量程范围内，晶体管V的发射极电流Ie为3～19mA,故输出电流Io便是4～20mA。以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。⑶智能变送器手持通信器功能：（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断九、电阻应变式压力计基于电阻应变效应工作。利用电阻应变片将被测试件的应变量转换为电阻变化，然后再利用桥式电路将电阻变化转换为相应的电压信号，进而完成对压力的测量。可测量压力、荷重、位移、速度、加速度、扭矩等。各种电子秤广泛的应用高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平机械秤包装机吊秤平行双孔梁•电阻应变式压力计2.1.3流量检测仪表一、节流式流量测量系统由节流装置、差压引压导管及差压计（或差压变送器）等组成。节流装置节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件,安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管。工业生产过程中常采用孔板。孔板喷嘴文丘里管v1v2v1p1p2p3p1-p3pv（a）（b）（c）ⅠⅡⅢp2′节流现象及流体流经节流装置时压力和流速分布图流量方程式PaAqv20paAqm20法兰取压环室取压单独钻孔取压1-1—角接取压；2-2—法兰取压；3-3—径距取压；4-4—缩流取压；5-5—管接取压取压方式标准孔板及其安装方法根据法拉弟电磁感应定律测量导电性液体的流量。二、电磁流量计BDvdtdEx三、涡街式流量计hLdvhLdvDD导压孔铂电阻丝圆柱形漩涡发生体热敏电阻三角柱形漩涡发生体对于圆柱体，当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距L满足h/L=0.281条件时，卡曼涡列才是稳定的。每一列漩涡产生的频率f与流速v、圆柱体直径d的关系为dvSfr漩涡