03 2-2 过程变量检测及变送.pptx

第1页：过程变量检测及变送概述

过程变量检测及变送概述

过程变量检测及变送概述页，说明检测仪表与控制仪表在过程控制系统中的位置与分工。

本页主体为图示（封面、公式推导、框图或曲线），源文件未提取到成段文字，上述标注与要点请以原课件图片为准。

第2页：过程变量检测与一次仪表

过程变量(或称过程参数)检测:主要是指连续生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等参数的测量。2.一次仪表：在进行过程变量检测时，一般由一测量体与被测介质相接触，测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量，然后再用仪表加以显示。在工程上，通常把前一过程叫做一次测量，所用的仪表叫作一次仪表，后面的计量显示仪表叫做二次仪表。

第3页：测量误差与绝对相对误差

测量误差测量误差是指测量结果与被测变量的真值(实际值)之差。测量误差反映了测量结果的可靠程度。(1)绝对误差，相对误差绝对误差是指仪表指示值与被测变量的真值之差。相对误差是指绝对误差与被测变量的真值之比的百分数。常见有如下三种表示方式：

第4页：三种相对误差表示

A.实际相对误差：绝对误差与被测量的真值(实际值)之比的百分数B.标称相对误差：绝对误差与仪表指示值之比的百分数。C.引用相对误差：绝对误差与仪表的量程之比的百分数。

第5页：系统误差随机误差疏忽误差

(2)系统误差、随机误差和疏忽误差A.系统误差是指测量仪表本身或其它原因(如零点未调整好等)引起的有规律的误差。B.随机误差是指在测量中所出现的没有一定规律的误差。C.疏忽误差是指观察人员误读或不正确使用仪器与测量方法等人为因素所起的误差。

第6页：基本误差附加误差允许误差

（3）基本误差、附加误差和允许误差A基本误差:基本误差是指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差。B.附加误差:附加误差是指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差。如仪表超过规定的工作温度时所引起的附加误差。C.允许误差:允许误差是指在国家规定标准条件下使用时，仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围。这是一个许可的误差界限。

第7页：仪表的精度等级

自动化仪表的性能指标(1)精度等级任何自动化仪表均有一定误差。使用仪表时首先必须知道仪表的精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距。例如一台仪表的测温范围为50-550℃，绝对误差的最大值为6℃，则这台仪表的相对误差为：max156100%1.2%55050仪表精度＝（绝对误差的最大值/仪表量程）×100％

第8页：灵敏度与灵敏限

(2)灵敏度与灵敏限灵敏度：仪表指针的线位移或角位移与引起此位移的参数变化量之比。灵敏限：灵敏限是指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值。a16灵敏度x

第9页：变差

变差

仪表变差页，说明同一仪表正反行程测量同一量时两示值之差及其百分数算法。

用同一仪表对同一个量进行正、反行程(逐渐由小到大或由大到小)测量时

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第10页：自动化仪表类型的选用

自动化仪表的选用过程自动化：正确的控制方案＋正确合理地选用自动化仪表。仪表类型选用：控制型仪表：对过程影响较大，需随时进行监控的变量；报警型仪表：可能影响生产或安全的变量；记录型仪表：经常了解其变化趋势的变量；指示型仪表：需要经常监视的变量。

第11页：自动化仪表精度等级的选用

自动化仪表的精度等级选用：根据工艺要求、产品质量指标、变量的重要程度等要求来合理选用。

• 仪表精度高（误差小）：使用维护要高，价格贵，一般应该在满足上述要求的前提下，同时考虑经济性原则来合理选取；
• 构成控制回路的各种仪表的精度要相配；
• 记录仪表的精度不应低于1.0级，指示仪表精度不应低于1.5级。

第12页：温度检测概述

2.2温度检测及变送1.概述温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。任何化学反应和物理变化都与温度有关，它约占生产过程中全部过程参数的50%左右。所以，温度的检测与控制是过程控制工程的重要任务之一。测量温度的方法很多，从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触式测温两类。

第13页：接触式与非接触式测温

接触式测温通过测量体与被测介质的接触来测量物体温度的。主要特点是：方法简单、可靠，测量精度高。问题：滞后现象；高温度的测量受限。

• 非接触式测温通过接收被测介质发出的辐射热来判断温度主要特点是：测温上限原则上不受限制；测温速度较快，可以对运动体进行测量。但是它受到物体的辐射率、距离、烟尘和水汽等因素影响，测温误差较大。

第14页：测温仪表分类与常用温度计

测温仪表分类与常用温度计

测温仪表分类表，按测温方式列出工业常用温度计的类型与适用范围。

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第15页：热电偶温度计的特点

热电偶温度计热电偶温度计在工业生产过程中使用极为广泛。它具有测温精度高，在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，测温范围宽，响应时间较快等特点。(1)测温原理：热电偶的测温原理是以热电效应为基础的。

第16页：热电效应

将两种不同材料的导体A、B组成一个闭合回路，只要其连接点1、2温度不同，在回路中就产生热电动势，这种现象称为热电效应。这两种不同导体的组合元件就称为热电偶。

• 热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电动势组成的。
• 平衡时，在A、B两个导体间的电位差称为接触电动势，其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度。

第17页：接触电动势产生机理

当两种不同材料导体A、B接触时，由于导体两边的自由电子密度不同，在交界面上便产生电子的互相扩散；

• 若导体A中自由电子密度大于导体B中自由电子密度，在开始接触的瞬间，导体A向导体B扩散的电子数将比导体B向导体A扩散的电子数多，因而使导体A失去较多的电子而带正电荷，导体B带负电荷，致使在导体A、B接触处产生电场，以阻碍电子在导体B中的进一步积累，最后达到平衡。
• 平衡时，在A、B两个导体间的电位差称为接触电动势，其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度。接触电动势产生机理

第18页：热电偶测温示意图

当接触点1,2的温度不同时，便产生两个不同的接触电动势，回路中的总电动势为E(t,t0)EAB(t)EAB(t0)

• 焊接的一端称为热端(工作端)，与导线连接的一端称为冷端(自由端)。热端与被测介质接触，冷端置于设备之外。
• 在使用热电偶测温时，冷端温度应该使之相等。72.2.2温度检测及变送热电偶测温示意图1－热电偶2－测量仪器3－连接导线

第19页：热电偶的典型结构

常用热电偶的结构形式热电偶典型结构

• 1－接线盒
• 2－接线柱
• 3－接线座
• 4－保护管
• 5－绝缘瓷管
• 6－热电偶

第20页：热电阻温度计

热电阻温度计

• 热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温度的。
• 最大特点是性能稳定、测量精度高、测温范围宽。(1)铂电阻(2)铜电阻(3)半导体热敏电阻：具有灵敏度高、热响应时间短、结构简单、使用方便等特点。适用于快速测温。Rt=R0[1+At+Bt2+C(t－100℃)t2]Rt=R0(1+At+Bt2)Rt=R0(1+αt)-200～0℃范围内0～850℃范围内-50～150℃范围内

第21页：DDZ-Ⅲ型温度变送器

温度送变器(DDZ—Ⅲ型)变送器---将被测的各种参数(温度、压力等)变换成统一标准信号(DC4~20mA或DC1~5V)的仪表温度变送器结构组成框图组成：输入回路、冷端温度补偿回路和非线性反馈回路，放大单元等部分组成。热电动势10调零调量程反馈电路

第22页：温度变送器工作原理

热电偶的热电动势Ei与调零调量程回路的信号Uz和非线性反馈回路的信号Uf进行综合后，输入放大单元进行电压和功率放大，输出电流信号DC4~20mA或电压信号DC1~5V。工作原理

第23页：压力检测概述

2.3压力、流量、液位检测1.压力检测在现代工业生产过程中，压力的检测与控制是保证工艺要求、生产设备和人身安全并使生产过程正常运行的必要条件。同时，其它一些过程参数诸如温度、流量、液位等往往可以通过压力来间接测量。所以压力检测在生产过程自动化中具有特殊的地位，是极为重要的。

第24页：弹性式与液柱式压力表

按其转换原理不同，可分为以下四类：

• 弹性式压力表：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来测量的。例如弹簧管式压力表，膜片(或膜盒式)压力表、波纹管式压力表等。
• 液柱式压力表：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来测量的。如单管压力计，U型管压力计及斜管压力计等。

第25页：电气式与活塞式压力表

• 电气式压力表：将被测压力转换成电势、电容、电阻等电量的变化来间接测量压力。适用于测量压力变化快、脉动压力、高真空和超高压场合。有应变片式压力计，霍耳片式压力计，热电式真空计等。
• 活塞式压力表：根据液压机传递压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量。通常作为标准仪器对弹性压力表进行校验与刻度。

第26页：流量检测与容积式流量计

流量检测

• 在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。
• 流量测量的方法及其常用仪表很多。按其工作原理可分为三类：(1)容积式流量计：以单位时间内所排出流体的固定容积的数目来计算流体总量的。

第27页：速度式流量计

它包括椭圆齿轮流量计、括板式流量计、腰轮流量计、旋转活塞式流量计等。容积式流量计的特点是测量精度较高。(2)速度式流量计：应用流体力学测量流体在管道内的流速来计算流量的。这类仪表包括差压流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、靶式流量计、超声波流量计等。在工业生产过程中差压流量计和转子流量计应用最广。

第28页：质量流量计

(3)质量流量计：质量流量计有两种，一是通过直接检测与质量流量成比例的参数来实现质量流量测量的直接型质量流量计；二是通过体积流量计与密度计的组合来实现质量流量测量的间接型质量流量计。在我国这类流量计正在发展之中。

第29页：液位检测

液位检测液位是指蜜封容器或开口容器中液面的高低1静压式液位计：静压式液位计是利用容器里的液位高度产生的静压力随其液位变化而变化的原理进行工作的。因为对于不可压缩的液体，液位高度与液位的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知液位高度。2电容式液位计：是利用测量电容量的变化来测量液位高低的。

第30页：成分分析仪表概述

2.4成分分析仪表在工业生产过程中，要确定各种物质的成分及其性质，就必须对有关参数进行分析，例如化学成分、化学性质、浓度、粘度等。用来测量物质成分与含量及其某些物理特性的仪表统称为分析仪表。能自动监视与测量工业生产过程中物料成分或性质的分析仪表叫流程分析仪表，或称工业自动分析仪器。

第31页：流程分析仪表的作用

随着现代工业生产过程的反应速度愈来愈快，依靠人工取样化验分析已不能满足生产需要。如果能通过流程分析仪表及时得到各种物质的成分及其性质，根据分析信号进行质量控制，就可以取得最佳的控制质量。例如，加热炉的燃烧过程，若能根据分析烟道气的含氧量来控制空气供给量，则可获得最佳的热效率，从而可节省能源消耗。

第32页：红外线气体分析仪原理

红外线气体分析仪1.基本原理

• 红外线是一种不可见光，它是一种电磁波，其波长为0.76～1000μm。红外线气体分析仪主要利用1～25μm之间的一段红外光谱。
• 各种气体的分子本身都具有特定的振动和转动频率，只有当红外线光谱的频率和气体分子本身的特定频率相同时，这种气体分子才能吸收红外光谱辐射能，并部分地转化为热能，从而利用测温元件来测量红外辐射能的大小。这就是利用红外线进行气体成分分析的原理。

第33页：红外吸收的Bell定律

红外线通过物质前、后能量的变化(即被吸收的程度)与待分析组分的浓度有关，它们之间的定量关系遵循Bell定律，即式中I－透射光强度(辐射强度)；I0－入射光强度(辐射强度)；k0－待测组分的吸收系数；c－待测组分的浓度；L－光通过待测组分的长度。

第34页：透光强度与浓度的关系

I与c关系图5

• 当I0、L一定时，对某种气体k又是一确定的常数时，则红外线通过待测组分后的透光强度I与待测组分浓度c成单值函数关系。
• 为了保证I与c成线性关系，当被测气体确定后k即确定，这时只能使cl的值较小。因此当被测气体的浓度c较大时，应选用较短的测量(分析)气室；当c较小时(如微量分析)，应选用较长的测量(分析)气室。

第35页：红外线气体分析仪原理图

红外线气体分析仪原理图

红外线气体分析仪原理图，标出光源、反射镜、分析室、参比室与检测接收室等部件。

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第36页：分析仪的检测原理

待测组分气体N2气体待测组分气体待测组分红外线光谱能量大干扰气体待测组分红外线光谱能量小左右吸收能量不同，产生压力差－动片位移－电容量变－放大－记录

第37页：过程参数采集概述

2.5过程参数的采集1.概述工业过程中，除了需要控制的参数外，还有许多重要的参数需要受到关注。这些参数中有些对工业过程的正常运行有重要作用，只是因为为了简化控制系统，或是由于实现上的困难而没有被选为被控参数。有些参数虽然与生产工艺没有直接关系，但与过程的安全运行或环境保护有重大关系。这些参数必须在生产过程中不断受到监视，其中的某些还要被记录和打印保存，作为分析生产过程或事故的依据。

第38页：数据采集装置的定义

与被控参数相比，这类参数的数量往往要大得多。因此在过程控制系统中，获取这类参数值也是一个重要的任务。它们和被控参数一起，构成了工业过程的全部参数。通常把获取过程参数称作数据采集，而把集中完成多点采集、处理、显示和记录的装置称为数据采集装置或系统。

第39页：数据采集装置的组成

2.数据采集装置的组成

• 各个测点上的参数值经测量和变送，成为标准的电信号；
• 再由多路开关切换，逐点送到A／D变换器；
• 变换后的数字信号被送交CPU处理，并将处理结果以指定形式输出。数据采集装置的组成

第40页：信号的变送与采样

A.信号的变送与采样

• 过程参数多数是非电量，即使是电量也有强电弱电、直流交流之分，很不统一。测量变送器的任务就是对各种参数(温度、压力、流量等)进行测量并转换成为标准的电压和电流信号。
• 变送后的多路信号经多路模拟开关轮流切换到A／D变换电路。模拟开关在这里起分时采样的作用，它将过程数据逐路分时送入CPU处理。

第41页：模拟多路开关技术指标

模拟多路开关的主要技术指标

CC4051和CC4052是常用的集成多路模拟开关芯片。

第42页：逐次逼近式A/D转换

为1。13B.A/D转换A/D转换器将各通道送来的模拟电压信号成比例地转换为二进制数字信号，送给CPU处理。(1)逐步逼近式A/D转换：由比较器、D/A转换器、寄存器和控制逻辑构成。它的工作原理是将通道来的电压信号Ux与片内D/A转换产生的电压信号U0相比较，这种比较逐位进行，从最高位到最低位。先将寄存器最高位置1，其余低位为0，将这个数的D/A输出U0与Ux比较，若Ux≥U0，则控制逻辑保持最高位

第43页：逐位比较A/D转换原理

若Ux<U0则将最高位变为0。然后将第二位置1，重复上述过程又可得到第二位的值。依此类推直到最低位的值被确定。比较结束后，寄存器内将有一个与Ux相对应的二进制数。这种方法转换速度快，一个N位的转换器只要做N次比较即可完成转换，适用于高速数据采集。寄存器位数N是一个重要参数，N越大，转换时间越长，但精度也越高。逐位比较A/D转换原理

第44页：双积分式A/D转换

(2)双积分式A／D转换双积分转换过程分为两个阶段，第一次是固定积分时间上下限，对输人信号进行积分，第二次是加反向固定参考电压，对时间进行积分，直到第二次积分的值与第一次积分的值相互抵消为止。双积分A/D转换的优点是转换精度高、抗干扰性强以及有较高的灵敏度。这是因为两次积分用的是同一组器件，只要在转换期间内R,C和Ts不发生变化，就可保证精度。同时由于采用了积分，对叠加在信号上的交流干扰有较强的抑制能力。

第45页：双积分A/D转换原理图

双积分A/D转换原理图

双积分A/D转换原理图，给出积分器输出随输入信号与反向参考电压变化的波形。

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第46页：数据的处理与输出

C.数据的处理和输出

• 经过A/D转换后的通道参数以数字形式送入计算机，由计算机处理后输出。
• 计算机对数据的处理包括预处理和输出处理两种。预处理有滤波、开方和非线性校正等，在参数设有专用变送器的条件下，其输出为标准形式的电信号，如4～20mA直流电流，故只需要加以滤波来提高参数的准确性和可靠性。如果没有专用变送器，系统直接采集传感元件的变化，则需要进行开方(对流量)或非线性补偿(对温度)运算，以保证采集数据的正确。

第47页：数据采集系统的设计问题

数据采集系统的设计问题

• 表征数据采集系统性能的基本参数有数据通道数、精度与分辨率和采集速度。
• 数据通道数决定系统的规模。
• 精度与多路开关、A/D转换以及显示都有关，应该合理分配各环节的精度指标，其中精度越高，需要转换器的位数越多，成本就越高。
• 分辨率则与显示位数有关，通常根据精度来选择。
• 采样速度与过程参数变化率及通道总数有关，参数变化快则采样速度就要高，通道数多，采样速度也要高。