第2章-参数检测-过程控制与自动化仪表-潘永湘

第2章过程参数检测与变送本章要点1）了解参数检测的意义、检测仪表的基本构成及仪表的统一信号标准；2）了解检测误差的概念、熟悉仪表的性能以及零点迁移与量程调整的确定与计算；3）熟悉变送器的构成原理、信号传输与接线方式；4）了解温度检测方法、熟悉温度变速器的工资原理、掌握其使用方法；5）掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与使用方法，熟悉压力变送器的工作原理及使用特点；6）熟悉智能式变送器的特点及硬件构成；7）熟悉成分检测仪表的工作原理及适用范围。2.1参数检测与变送概述转换元件敏感元件信号调理与转换电路电源被测量输入量测量电路电量输出量检测的重要意义2.1.1检测仪表1.传感器国标《GB7665-87》规定：“能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。2.变送器将输出信号变成统一标准信号的传感器。统一标准信号即各仪表之间的通信协议：0～10mA、0～2V、20～100kPa;4~20mA、1～5V→数字信号。组成框图（图2－1）2.1.2检测误差axx%)100%(100'xxa（3）相对误差（或标称相对误差）1.检测误差的描述检测误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值之间的差值，它反映了仪表的检测精度（1）真值即被测物理量的真实（或客观）取值。在当前现行的检测体系中，是将“认定设备”的检测结果作为真值。（2）绝对误差仪表的实测值与“真值”之差记为△＝绝对误差不能说明检测精度，如。。。（4）引用误差记为%100minmaxxx（5）基本误差使用标准:220V±5％、（50±2）Hz、（20±5）℃、65％±5％通常，各国（或国际组织）将其法定计量机构的专用设备作为认定设备，它的检测精度在这个国家（或国际组织）内被认为是最高的。显而易见，用这种方法确定的“真值”称为“约定真值”。（6）附加误差（温度附加、频率附加、电源电压附加）2.检测误差的规律性（1）系统误差对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。如。。。克服系统误差的办法：负反馈结构（2）随机误差或统计误差：统计计算、滤波消除（3）粗大误差（疏忽误差）：剔除2.1.3检测仪表的基本特性1.仪表的固有特性及性能指标（1）精确度及其等级1）不能用绝对误差或相对误差表示?如。。2）用最大引用误差度量？（量程、最大绝对误差）度量办法：去掉最大引用误差中的“±”和“％”表示：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5。%100minmaxmaxxxffmaxf实际理论仪表输出被测变量omaxf实际理论仪表输出被测变量o%100minmaxmaxxxbb（2）非线性误差图示（2－2）计算：（3）变差：正、反行程测量时的最大差值与量程之比的百分数计算：maxb上行程下行程仪表输出被测变量omaxb上行程下行程仪表输出被测变量o（4）灵敏度与分辨力计算odxdySxydydxodxdySxydydx分辨力又称灵敏限：仪表输出能响应和分辨输入的最小变化量，数字显示仪表变化一个二进制最低有效位时输入的最小变化量（5）漂移时漂与温漂（6）动态误差，原因。。。参数。。。2.检测仪表的工作特性适应参数测量和系统运行的需要具有的输入/输出特性（1）理想工作特性：minminminmaxminmax)(yxxxxyyy(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(min)yo(max)y(min)x(max)xxy（2）零点调整与迁移被测参数的下限值或对应仪表输出下限值的被测参数最大值；使输入下限值为零的过程称为零点调整，否则为零点迁移。零点迁移前后的输入/输出特性(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(3)量程调整量程是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围量程调整是指在零点不变时将输出上限值与输入上限值相对应(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(max)x(min)yo(max)y(min)x(max)xxy(max)x量程调整前后的输入/输出特性实例某测温仪表的量程为0～500℃，输出信号为4～20mA，现欲测量200～1000℃应如何调整？2.1.4变送器的构成原理1.模拟式变送器的构成（图2－9）测量部分iK零点迁移x放大器K反馈回路fKy0zizfz＋＋－011zKKKxKKKKyffi1）原理说明2)输入/输出关系理想线性特性01,1zKxKKyKKffii＞＞存储器x传感器组件A/D转换器CPU通信电路FSK信号D/A转换器2.数字式变送器的构成原理（基于CPU的硬件电路、系统程序和功能模块的软件）（1）数字式变送器的硬件构成（图2－10）工作过程。。。（2）软件构成系统程序：硬件管理，其基本功能为模/数转换、数据通讯、自检；功能模块：组态功能。2.1.5变送器的信号传输方式1.四线制和二线制方式（图2－11）LR四线制变送器0I电源LR二线制变送器0I电源TUmin00II＜)(maxmax0min0rRIEUL)(maxmin0minmin0minLRIEIP＜二线制满足的条件：2.HART（HighwayAddressableTransduce)协议传输方式图2－12模拟信号和基于频移键控（FSK)的叠加mA5.0模拟信号mA5.0Hz1200“1”Hz2200“0”mA5.0模拟信号mA5.0Hz1200“1”Hz2200“0”传输速率为1200bit/s2.2温度的检测与变送2.2.1温度检测方法一、接触式测温1、热电阻及其测温原理基于热－阻效应，测温元件测温原理测温范围/℃主要特点热电偶热电效应0～1600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿，低温测量精度低。铂电阻热阻效应－200～600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。铜电阻－50～150半导体热敏电阻－50～150灵敏度高，体积小，结构简单，使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。)(1)(00ttRtR常用测温元件1)金属热电阻的测温,计算：热电阻名称分度号0℃时阻值(Ω)测温范围（℃）特点铜电阻Cu5050±0.05－50～150线性好，价格低，适用于无腐蚀性介质Cu100100±0.1铂电阻Pt5050±0.003-200～500精度高，价格贵，适用于中性和氧化性介质，但线性度差Pt100100±0.006常用热电阻工业常用热电阻的分度表附表A附表A-1铂热电阻（分度号Pt100）分度表（，）00.1000R003850.0温度/℃00102030405060708090电阻值Ω－200－100－018．4960．25100．0－56．1996．06－52．1192．16－48．0088．22－43．3784．27－39．7180．31－35．5376．32－31．3272．33－27．0268．33－22．8064．300100200300400500600700800100．00138．50175．84212．02247．04280．90313．59345．13375．51103．90142．29179．51215．57250．48284．22316．80348．22378．48107．79146．06183．17219．12253．90287．53319．99351．30381．45111．67149．82186．32222．65257．32290．83323．18354．37384．40115．54153．58190．45226．17260．72294．11326．35357．42387．34119．40157．31194．07229．67264．11297．39329．51360．47390．26123．24161．04197．69233．17267．49300．65332．66363．50－127．07164．76201．29236．65270．86303．91335．79366．52－130．89168．46204．88240．13274．22307．15338．92369．53－134．70172．16208．45243．59277．56310．38342．03372．52－附表A-2铜热电阻（分度号Cu50)分度表（R0=50.00Ωα＝0。004280）温度/℃00102030405060708090电阻值Ω－0＋050.0050.0047.8552.1445.7054.2843.5556.4241.4058.5639.2460.70-62.84-64.98-67.12-69.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13----2)半导体热敏电阻的测温计算：KTTTBTRTR15.2730,)11(exp)()(000℃＝KBTTTRTRB6000~1500,11)(ln)(ln00温度系数：温度变化1℃时电阻值的相对变化量。计算：2)()(1TBdTTdRTR负温度系数：NTC型；正温度系数：PTC型；临界：CRT型热敏电阻的温度特性（图2－13）cm/810PTCCTRNTCCt/71061031041051021011040801201602000,2rRRti三种特性的用。。。优点：温度系数大；缺点：互换性差，非线性严重，测温范围低：－50～300℃。适用于家电和汽车的测温。（2）热电阻的接线方式（图2－14）a)用于测量精度不高的场合b)电桥平衡，与导线电阻无关tRRRRRR23121,C）用于高精度的温度测量，如用内阻很高的电子电位差计测量2.热电偶及其测温原理（＞500℃）（1）热电偶的测温原理：热电效应（图2－15）接触电势的形成。。。，温差电势。)()(),(),(),()()(),(000000tEtEttEttEttEtEtEttEABABABABABABABtconstABttEttan010),(三点结论：1）电极材料相同，总电势为零；2）冷、热端温度相同，总电势为零；3）电极材料不同，温度相同，热电势不同。（2）热电势的检测与第三导体定律(图2－16）)()()(),(000tEtEtEttECABCABABC当0tt，0)()()(),(00000tEtEtEttECABCABABC),()()(),(000ttEtEtEttEABABABABC有第三导体定律：只要第三导体两接点温度相同，回路中热电势不变（3）冷端延伸与等值替换原理为什么要延伸？补偿导线的作用？等值替换原理（图2－17）),(),(00ttEttECCDCAB等值替换的条件：),(),(00ttEttECCDCAB℃100Ct热电回路的总热电势：)()()()(),(00CCADCCBDABABCDtEtEtEtEttECttt0Cttt0→0)()()()(CCACDCCBDCABtEtEtEtE因而有),(),()()()()(),(000ttEttEtEtEtEtEttECCDCABCDCDCCABABABCD依据则有),()()()()(),(),(),(0000ttEtEtEtEtEttEttEttEABABCABCABABCCDCABABCD结论：将满足的补偿导线代替热电偶使冷端延伸，不会改变热电偶的热电势),(),(00