过程控制电子档第二章2.3变送器.ppt

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1、过程控制 第二章,第二章 过程建模和过程检测控制仪表,2.1 过程建模 2.2 过程变量的检测 2.3 变送器 2.4 调节器 2.5 执行器,2.3变送器,2.3.1 控制仪表与装置概概述 2.3.2 变送器的若干共性问题 2.3.3 DDZ-III型差压变送器 2.3.4 DDZ-III温度变送器 2.3.5 智能式变送器的构成原理,过程控制 第二章,过程控制 第二章,2.3.1 控制仪表与装置概述,一. 过程控制仪表,二. 过程控制仪表的分类,三.信号制,过程控制 第二章,一. 过程控制仪表,过程控制仪表-在过程控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表

2、进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。,二. 过程控制仪表的分类,通常，控制仪表与装置可按能源形式、信号类型、和结构形式来分类。,（一）.按能源形式分类,可分为电动、气动、液动和机械式等几类。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表，两者之间的比较如下页表所示。,过程控制 第二章,电动控制仪表和气动控制仪表的比较,气动控制仪表具有结构简单、性能稳定、可靠性高、易于维护、安全防爆等特点。特别适用于石油、化工等具有爆炸危险的场合。,电动控制仪表具有能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作等特点。目前在工业上电动控制仪表得

3、到了最为广泛的应用。,过程控制 第二章,模拟式控制仪表：由模拟元器件构成， 传送信号为连续变化的模拟量。 特点：线路相对简单，操作方便，使用灵活，价格较低。 数字式控制仪表：以微处理器微控制器为核心， 传送的信号为数字信号。 特点：可进行各种数字运算与逻辑判断， 功能完善，性能优越。,（二）按信号类型分类,（三）按结构形式分类 基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表、集散控制装置等,1.基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构 而组成。 特点：般结构比较简单、价格便宜它不仅能对某 些工艺变量进行指示或记录，而且还具有控制 功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系

4、统,2.单元组合式控制仪表：将整套仪表划分成能独立实现一定功能 的若干单元，各单元之间采用统一信号进 行联系。使用时可根据控制系统的需要， 对各单元进行选择和组合，从而构成多种 多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。 特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更作也很方便。 它适用于各种企业的自动控制。 广泛使用的单元组合式控制仪表有: DDZ:电动单元组合仪表 QDZ:气动单元组合仪表,过程控制 第二章,基地式气动液位指示调节仪, 变送单元 它能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等物理量变换成相应的标准统一信号（420mA，010mA或20100kPa）传送到接受仪表或装置，以供指

5、示、记录或控制。 变送单元的品种有：温度变送器、压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器等。 转换单元 转换单元将电压、频率等电信号转换成标准统一信号，或者进行标准统一信号之间的转换，以使不同信号可以在同一控制系统中使用。 转换单元的品种有：直流毫伏转换器、频率转换器、电-气转换器、气-电转换器等。 控制单元 它将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出控制信号，去控制执行器的动作。 控制单元的品种有：比例积分微分控制器、比例积分控制器、微分控制器以及具有特种功能的控制器等。 运算单元 它将几个标准统一信号进行加、减、乘、除、 开方、平方等运算，适用于多种参数综合控制、比值

6、控制、流量信号的温度压力补偿计算等。 运算单元的品种有：加减器、乘除器和开方器等。,过程控制 第二章,单元的种类有变送单元、执行单元、控制单元、转换单元、运算单元、显示单元、给定单元和辅助单元等八类。,单元组合仪表,过程控制 第二章,显示单元：对各种被测参数进行指示，记录、报警和积算，供操 作人员监控系统工况使用； 显示单元的品种有：指示仪，记录仪，比例积算器，报警器等； 给定单元：它将输出标准统一信号，作为被控变量的给定值送到控制单元，实现定值控制。 给定单元的品种有：恒流给定器、定值器、比值给定器和时间程序给定器等。 执行单元：按照控制单元输出的控制信号去改变控制量大小 。 执行单元的品种

7、有：角行程电动执行器、直行程电动执行器和气动薄膜调节阀等。 辅助单元 辅助单元是为了满足自动控制系统某些要求而增设的仪表，如操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等等。,过程控制 第二章,3.组件组装式控制仪表：是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。,4. 集散控制系统（DCS系统） DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点

8、是分散控制、集中管理。 5. 现场总线控制系统（FCS系统） FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点是现场控制和双向数字通信。,过程控制 第二章,三.信号制,信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。,中国国家标准GB777化工自动化仪表用模拟气动信号规定了气动仪表的信号的下限值和上限值，如下表所示,（2）电动仪表的信号标准 中国国家标准GB339化工自动化仪表用模拟直流电流信号规定了电动仪表的信号，如下表所示。,（1）气动仪表的信号标准,（1）现场与控制室之间采用 直流电流信号 采用直流电流信号具有以下优点。 直流信号比交流信号干扰少; 直流信号对负载的

9、要求简单; 电流比电压更利于远传信息。 （2）控制室内部仪表之间采用 直流电压信号 它可以采用并联连接方式，使同一个电压 信号为多个仪表所接收。而且任何一个仪表拆 离信号回路都不会影响其他仪表的运行。 （3）控制系统仪表之间典型连接方式 综上所述，电流传送适合于远距离对单个 仪表传送信息，电压传送适合于把同一信息传送到并联的多个仪表，两者结合，取长补短。控制系统仪表之间典型连接方式如右图所示：,过程控制 第二章,(3) 电动仪表信号标准的使用,过程控制 第二章,2.3.2有关变送器的一些共性问题,一.变送器的作用,二.变送器的理想输入输出特性,三. 变送器的构成原理,四.变送器的一些共性问题,

10、过程控制 第二章,一.变送器的作用： 对各种工艺参数，如温度，压力、流量、液位、成分等物理量进行检测，并转化成统一标准信号，以供显示、记录或控制之用。,二.变送器的理想输入输出特性：,变送器的理想输入输出特性如右图所示。 xmax和xmin分别为变送器测量范围的上限值 和下限值，即被测参数的上限值 和下限值。图中， xmin =0 ymax和ymin分别为变送器输出信号的上限值 和下限值，对于模拟式变送器， 即为统一标准信号的上限值和下限值。,由图可得出变送器的输出一般表达式为：,式中 x-变送器的输入信号； y-相对应于x时变送器的输出。,（1）,放大部分：在放大器的输入端，Zi与调零及零点

11、迁移信号Z0的代 数和同Zf进行比较，其差值由放大器进行放大， 并转换成统一标准信号y输出。,过程控制 第二章,从构成原理来看，模拟式变送器由测量部分，放大器和反馈部分三部分组成。,三. 变送器的构成原理：,模拟式变送器完全由模拟元器件构成，它将输入的各种被测参数转换成统一标准信号，其性能也完全取决于所采用的硬件。,如图所示：在放大器的输入端还加有调零与零点迁移信号Z0,测量部分：包括检测元件，其作用是检测x，并将其转换成放大器可以接受的信号Zi ，Zi可是电流、电压、位移和作用力等，由变送器的类型决定。,反馈部分：将变送器的输出y转换成反馈信号Zf。,过程控制 第二章,式中 Ki-测量部分的

12、转换系数； K放大器的放大系数； Kf反馈部分的反馈系数。,分析：,1）闭环放大倍数K：,4）在深度负反馈条件下，满足KKf1,可以改写为如下形式,上式表明： 当满足KKf1 时，变送器的输出输入关系仅取决 于测量部分的特性和反馈部分的特性，而与放大 器的特性几乎无关。如果测量部分的转换系数Ki 和反馈部分的反馈系数Kf是常数，则变送器的 输出与输入具有线性关系。,（4）、（5）两个式子是对变送器特性进行分析 的主要依据， （4）式用于对变送器特性的深入 研究，如考察放大器放大系数K对整机特性的影 响等。 而（5）式直观地体现了变送器输出与输入之间的静 态关系，实际应用中较方便。,（2）,（5

13、）,过程控制 第二章,四.变送器的一些共性问题：,变送器在使用之前，须进行量程调整和零点调整。,（一）量程调整,量程调整的目的：是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。右图为变送器量程调整前后的输入输出特性。,（二）零点调整和零点迁移,目的：是使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。 Xmin=0时称零点调整，xmin0时成为零点迁移。 零点调整目的：使变送器的测量起点为零 零点迁移目的：是把测量的起始点由零迁移到某一数值（正值或负值）。 测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移； 测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移。 下图为变送器零

14、点迁移前后的输入输出特性。,由该图可见，量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数。,进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的灵敏度。 各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。 零点调整和零点迁移的方法，对于模拟式变送器，是通过改变加在放大器输入端上的调零信号Z0的大小来实现,过程控制 第二章,由上图可以看出，零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。,总结 .仪表的零点调整与迁移扩大了仪 表的使用范围，增加仪表了通用 性和灵活性。 .各种变送器根据自身的构造对其 零点

15、迁移的范围都有明确的规定， 在使用说明书上有详细注明其调 节方法，调整都不是任意的，而 且也是反复进行的。 P44图2-34调零电位器 P57图2-48调零弹簧,(2) 先进行量程调整（0-0.6MPa）2， 再进行零点迁移（1-1.6）3 斜率改变，灵敏度提高！,过程控制 第二章,例：某变送器的量程为01MPa，输出信号为4-20mA。欲把该变送器用于测量11.6MPa的信号，试问：该变送器应作何调整？,量程够用，直接零点迁移2， 再调整量程3,过程控制 第二章,通常，变送器安装在现场，它的气源或电源从控制室送来，而输出信号传送到控制室。 气动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号。 电

16、动模拟式变送器采用二线制或四线制传送电源或输出信号。,（三）变送器信号传输方式,（b）为四线制传输方式，这种方式中，电源和负载电阻RL 是分别与变送器相连的，即供电电源和输出信号分别用二根导线传输，这类变送器称为四线制变送器。,二线制传输,图（a）为二线制传输方式，这种方式中，电源、负载电阻RL和变送器是串联的，目前大多数变送器均为二线制变送器。,四线制传输,过程控制 第二章,二线制变送器同四线制变送器相比，具有节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰等优点，从而大大降低安装费用，减少系统投资。但二线制变送器，必须满足如下三个条件:,(1)变送器的正常工作电流I0 必须得等于或小于变送器输出电流的

17、最小值I0min,通常，二线制变送器的输出电流下限值为4mADC，在此条件下，变送器须能够正常工作。但对于输出电流为0-10mADC的变送器，若也采用二线制，则在输出电流为零时，变送器的工作电流也为零。显然，凡输出电流采用0-10mADC的仪表是不能采用二线制的。,(2),式中 UT变送器输出端电压； Emin电源电压的最小值； Imax输出电流的上限值； Rmax变送器的最大负载 电阻值； r连接导线的电阻值。,（3）变送器的最小有效功率P为,过程控制 第二章,2.3.3 DDZ-III型差压变送器,一、概述,二、膜盒式差压变送器,三、电容式差压变送器,四、扩散硅式差压变送器,过程控制 第二

18、章,差压变送器：用来将差压、流量、液位 等被测参数转换成标准统一信号DC4-20mA，以实现对这些参数的显示、记录或自动控制。,DDZ经历了I型，II型和III型三个产品系列（I、II已停产），由于电信号传输、放大、变换、处理比QDZ仪表方便，又便于传远，易于与计算机联用，所以在过程控制中应用很广。,一、概述,按照检测元件分类，差压变送器主要有：膜盒式差压变送器、电容式差压变送器、扩散硅式差压变送器、振弦式差压变送器和电感式差压变送器 等。 本节着重讨论广泛使用的膜盒式差压变送器。并简单了解一下电容式差压变送器和扩散硅差压变送器。,过程控制 第二章,二、膜盒式差压变送器,（一）、结构,DDZI

19、II型膜盒差压变送器结构示意图,动画,过程控制 第二章,膜盒式差压变送器由测量部分、杠杆部分、放大器和反馈机构组成，如右图所示。,膜盒式差压变送器构成框图,被测差压信号P经测量部分转换成相应的输入力Fm， Fm与反馈机构的反馈力Ff一起作用于杠杆系统，使杠杆产生微小的位移，位移再经过放大器转换成标准统一信号输出。（两线制变送器）,（二）、工作过程,Fm,过程控制 第二章,式中 Fm 输入力； A1、A2膜盒正、负压室膜片的有效面积。,（1）测量部分：检测元件为膜片，波纹管等弹性元件。,作用:是把测量差压P转换成作用于主杠杆下端的输入力Fm，如右图所示。,当被测差压P1、P2进入正负压室作用于膜

20、 盒两侧时，膜盒将感测到的差压转换成相应的 输入力Fm，关系式可以表达为,组成:正、负压室，检测元件，密封膜片及连 接检测元件与主杠杆的弹簧片等部分。,Fm=P1A1-P2A2 （1）,若A1=A2=Ad ，则（1）式表示为:,Fm=Ad(P1-P2)=Ad P （2）,当变送器的输出电流过反馈动圈时， 就会产生电磁反馈力Ff，Ff与I0之间的关 系为：,（2）电磁反馈装置,作用：电磁反馈装置的作用是把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff.,式中 永久磁钢的磁感应强度； 反馈动圈的平均直径； 反馈动圈的匝数。,电磁反馈装置的结构原理图,过程控制 第二章,组成：它由反馈动圈和永

21、久磁钢组成，如图所示。,设, 电磁反馈装置的转换系数；,（）放大器,作用：放大器采用低频位移检测放大器，它实质上是一个位移/电流转换器，把副杠杆上位移检测片（衔铁）的微小位移S转换成420mA的直流输出电流。,过程控制 第二章,组成：低频位移检测放大器由位移检测变压器、低频振荡器、整流滤波电路及功率放大器组成，其原理线路图及构成方框图分别如下图所示。,低频振荡,整流滤波,功 率 放 大,反馈动圈,输出,电源,检测变压器,过程控制 第二章,（）杠杆系统：,作用：是进行力的传递和力矩比较。,组成：由主杠杆1、矢量机构2和副杠 杆4等部分组成，如右图所示。,杠杆系统结构受力图,主杠杆：将输入力Fm转

22、换为作用于矢量机构上的力F1，密封膜片为主杠杆的支点，同时又起密封作用。如下图所示。,由力矩平衡，可得：,（）,过程控制 第二章,矢量机构：将推力F1进行分解，一个为作用力F3顺着矢量板的方向，被矢量板固定支点的反作用力所平衡，不起作用；另一个F2垂直向上作用于副杠杆，使其以支点M为中心逆时针方向偏转。,分析，得,（）,过程控制 第二章,副杠杆：进行力矩比较 F2使副杠杆以M为支点逆时针偏转，带动副杠杆上的衔铁靠近差动变压器（p58页图），衔铁与变压器之间的距离变化通过位移检测放大器转换为4-20mA直流电流I，同时I又通过电磁反馈装置产生一个反馈力Ff，使杠杆顺时针偏转。,平衡时， 此时，即

23、为输入P时对应的电流。,不平衡时，, ,过程控制 第二章,（5）整机特性,综合以上分析，可得出DDZ型差压变送器的整机方块图，如下图所示。,DDZ型差压变送器的整机方块图,由上图可得，,在满足深度负反馈条件下，,（）,（）,调整量程会影响变送器零点，而调零点又会影响变送器的满度值，因此，这种膜盒式差压变送器在调校时,零点与量程需要反复调整。,过程控制 第二章,深反馈条件下，量程一定时，变送器的比例系数Ki是常数， 变送器输入P 输出I0之间呈线性关系；,讨论：,Kz*Fz为调零项，调整调零弹簧可以调整Fz的大小，从而使得输出电流I0在Pmin最小时等于4mA;,改变角度和反馈系数Kf可以改变K

24、i的大小，因而可以调整变送器量程，角度增大时量程变小；Kf的改变是通过改变反馈线圈的匝数实现的；,调整零点迁移弹簧可以进行零点迁移；,动画,过程控制 第二章,由于反馈电路和调零与零迁电路仅由几个电阻和电位器构成，因此可把它们与放大器合为一个整体，即变送器可划分为两部分：测量部分和放大部分。,电容式差压变送器的检测元件采用电容式压力传感器，结构简单、性能稳定，是目前工业上普遍使用的一种变送器，系统构成方框图如下图所示。,三、电容式差压变送器,过程控制 第二章,一、测量部分,作用：是把被测差压P成比例地转换 为差动电流信号Id,组成：它由电容式压力传感器、测量部 件壳体和电容/电流转 换电路部分组

25、成。,P=0时， =0，C1=C2,P0时，,二、放大部分（p61-62）,过程控制 第二章,过程控制 第二章,扩散硅式差压变送器的检测元件采用扩散硅压阻传感器。 优点：由于单晶硅材质纯、功耗小、机械稳定性 好，且传感器的制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼容 性，因此适于构成集成传感器。 缺点：扩散硅电阻存在温度效应，温度变化会引起零点、满度、应 力灵敏度变化等。有的封装了一些校正或者补偿电路来减小 测量误差。 扩散硅式差压变送器构成方框图如下图所示。,四、扩散硅式差压变送器,过程控制 第二章,过程控制 第二章,U01=K2 Us ：Us由前置放大器放大为U01,Us= K1 P ：P 作用于

26、扩散硅压阻传感器，使硅材料上的扩散电 阻值发生变化，从问使这些电阻组成的电桥产生不平衡 电压Us,I0=K3U01：U01与零点调整迁移电路上产生的调零信号Uz的代数和 送入电压-电流转换电路转换成整机的输出信号I0,I0=K3U01=K3K2Us=K3K2K1 P =K P,过程控制 第二章,常见压力传感器外形,2.3.4 DDZ-III温度变送器,典型模拟式温度变送器由三部分：输入部分、放大器和反馈部分组成，如下图所示。,过程控制 第二章,DDZ型温度变送器主要特点、优点： 采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性，稳定性及各项技术性能。 采用了线性化电路，使变送器的输出信号和被测温度呈线性

27、关系。 采取了安全火花防爆措施，可用于危险场所中的温度或直流毫伏测量。,型温度变送器的种类： 热电偶温度变送器：输入热电势毫伏信号 热电阻温度变送器：输入热电阻信号给输入回路 直流毫伏温度变送器：输入直流毫伏信号 这三种温度变送器在线路结构上都由放大单元和量程单元组成。 量程单元：作用是实现热电偶冷端温度补偿、整机调零和调量程。 放大和输出单元：作用是将量程单元输出的直流毫伏信号进行电压及功率 放大，然后整流输出电流、电压信号（420mADC或l5VDC标准统一信号）。,过程控制 第二章,过程控制 第二章,过程控制 第二章,2.3.5 智能式变送器的构成原理,智能式变送器由以微处理器（CPU）

28、为核心构成的硬件电路和由系统程序、功能模块构成的软件两大部分组成。,传感器组件：被测参数X经传感器组件，由A/D转换器转换成数字信号送入微 处理器，进行数据处理。 存储器：除存放系统程序，功能模块和数据外，还存有传感器特性、变送器 的输入输出特性以及变送器的识别数据，以用于变送器在信号转换 时的各种补偿，以及零点调整和量程调整。 通信电路：智能式变送器通过通信电路挂接在控制系统网络通信电缆上， 与网络中其它各种智能化的现场控制设备或上位计算机进行通信， 传送测量结果信号或变送器本身的各种参数， 网络中其它各种智能化的现场控制设备或上位计算机也可对变送 器进行远程调整和参数设定。,过程控制 第二

29、章,智能式变送器的核心是微处理器。 微处理器可以实现对检测信号的线性化处理、量程调整、零点调整、数据 转换、仪表自检以及数据通信，同时还控制A/D和D/A转换器的运行，实 现模拟信号和数字信号的转换。 由于微处理器具有较强的数据处理功能，因此智能式变送器可使用单一传 感器以实现常规的单参数测量；也可使用复合传感器以实现多种传感器 检测的信息融合；还可使一台变送器能够配接不同的传感器。,过程控制 第二章,过程控制 第二章,小结,对变送器的一般共性问题的着重理解，如 量程调节，零点调整，零点迁移，信号传输方式等。,了解变送器的作用及其实现原理；,对于变送器的具体电子线路不要求具体详细地分析， 能够从大体上把握某一变送器的构成框图及原理,