主编 倪志莲 龚素文 机械工业出版社 过程控制与自动化仪表 1 1 过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表 第4章 过程参数检测与变送 掌握误差的计算方法。 掌握变送器量程调整、零点调整和零点 迁移的方法。 掌握温度、压力、流量、物位参数测量 仪表的类型、选用及安装。 3 了解过程参数检测仪表的信号制与传输 方式。 1 2 4 2过程控制与自动化仪表 4.1过程参数检测仪表概述 v过程参数检测与变送作为过程控制技术的一个重 要组成部分，是实现过程控制的基础。 v过程控制系统一般都是负反馈控制系统。至少包 括四个基本组成部分：被控制对象（或称被控过 程）、检测装置（包括传感器和变送器）、控制 器（或称调节器）和执行机构。 3过程控制与自动化仪表 v.传感器 n能感受规定的被测量，并按照一定规律将其转换为 可用电量的器件或装置就是传感器。 4.1.1 传感器与变送器 敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件。 传感元件的作用是将敏感元件输出的非电量转换为电参量。 测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换为便于传输和处理的 电量。 4过程控制与自动化仪表 v2.变送器 n变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别 的信号的一种转换器。 4.1.1 传感器与变送器 5过程控制与自动化仪表 4.1.2 检测仪表的信号制与传输方式 v1.信号制 n信号制是指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输 出之间采用何种统一的标准信号进行联络和传输的问 题。 过程 控制 仪表 使用 联络 信号 标准电动信号 标准气动信号 20100kPa的模拟气压信号 DC420mA或DC020mA 为什么采用直流 电流信号作为标 准信号呢？ 6过程控制与自动化仪表 v2.检测仪表的传输方式 n检测仪表的信号传输方式一般有两种：串联型和并联 型。 串联型 并联型 电流信号传输时仪表之间的连接 电压信号传输时仪表之间的连接 4.1.2 检测仪表的信号制与传输方式 7过程控制与自动化仪表 电流传输电压接收时仪表之间的连接 4.1.2 检测仪表的信号制与传输方式 8过程控制与自动化仪表 v3.变送器的信号传送与供电方式 n变送器信号传送和供电的方式有三种， 即四线制、 两线制和三线制。 四线制传输 两线制传输 4.1.2 检测仪表的信号制与传输方式 9过程控制与自动化仪表 三线制传输 4.1.2 检测仪表的信号制与传输方式 10过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 v对于任何检测仪表来说，准确度和误差都是其固 有特性参数。 v误差：真实值和测量值存在差异。 v分类：系统误差 随机误差 过时误差 v表示方法 1、绝对误差 2、相对误差 3、引用误差 11过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 v.绝对误差 n绝对误差是指仪表的实测示值x与真值x的差值，表 示为x，即 v2.相对误差 n相对误差是绝对误差x与真值x的比值，表示为 ，即 12过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 例：用一只标准电压表来校验甲、乙两只电压表 ，当标准表的指示值为220V时，甲、乙两表的读 数分别为220.5V和219V，问哪块表准确度高？ 13过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 v注意：实际中在测量同一被测量时，我们 可以用绝对误差的绝对值来比较不同仪表 的准确程度，越小的仪表越准确。 14过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 v3.引用误差 n引用误差是绝对误差x与检测仪表量程BX比值的百分 数，即 工程中，一般采用引用误差来反映仪表的准确度。 v4.准确度 n准确度又称为精度，主要用于反映仪表的准确程度。 15过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 注：引用误差实际上就是仪表在最大读数时 的相对误差，即满度相对误差。因为绝对 误差基本不变，仪表量程也不变，故引用 误差可以用来表示一只仪表的准确程度。 例：已知甲表测量200V电压时l+2V，乙 表测量10V电压时2+1V，有人说：乙表 准确度高，因为其绝对误差较小，这种说 法对么？ 16过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 v注意：实际测量中，相对误差不仅常用来表示测 量结果的准确程度，而且便于在测量不同大小的 被测量时，对其测量结果的准确程度进行比较。 17过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表 时得到的最大绝对误差为+4，试确定该仪表的准确度 等级。 【解】 该仪表的最大引用误差为 确定这台测温仪表的准确度等级为1.0级。 举例 18过程控制与自动化仪表 4.1.3 误差的概念及表述 某台测温仪表的测温范围为01000。根据工艺要 求，温度指示值的误差不允许超过7，试问：应如何 选择仪表的准确度等级才能满足以上要求？ 【解】 根据工艺要求，仪表允许的最大相对误差为 选择0.5级仪表才能满足工艺要求。 举例 19过程控制与自动化仪表 4.1.4 变送器的量程调整、零点调整和零点迁移 v变送器的构成原理及变送器输出输入关系 变送器的构成原理图 变送器输出/输入关系图 20过程控制与自动化仪表 v变送器的量程调整 n量程调整的目的是使变送器输出信号的上限值ymax与测 量范围的上限值xmax相对应。 变送器量程调整前后的输入输出特性曲线 4.1.4 变送器的量程调整、零点调整和零点迁移 21过程控制与自动化仪表 v变送器的零点调整 n零点调整目的都是使变送器输出信号的下限值ymin与测 量信号的下限值xmin相对应。 变送器零点调整前后的输入输出特性 4.1.4 变送器的量程调整、零点调整和零点迁移 22过程控制与自动化仪表 v零点迁移 n零点迁移的目的都是使变送器输出信号的下限值ymin 与测量信号的下限值xmin相对应。 变送器零点迁移前后的输入输出特性曲线 4.1.4 变送器的量程调整、零点调整和零点迁移 23过程控制与自动化仪表 4.1.5检测仪表的分类 v（1）按被测量分类 n可分为温度检测仪表、压力检测仪表、流量检测仪表 、物位检测仪表、机械量检测仪表及过程分析仪表等 。 v（2）按测量原理分类 n可分为电容式、电磁式、压电式、光电式、超声波式 及核辐射式检测仪表等。 v（3）按输出信号分类 n可分为输出模拟信号的模拟式仪表、输出数字信号的 数字式仪表，以及输出开关信号的检测开关（如振动 式物位开关、接近开关）等。 v（4）按采用换能分类 n可分为一次仪表和二次仪表。 24过程控制与自动化仪表 4.2 温度检测仪表 v温度是表征物体冷 热程度的物理量， 温度只能通过物体 随温度变化的某些 特性来间接测量， 而用来度量物体温 度数值的标尺称为 温标。 国际上用得较多的温标有华氏温 标、摄氏温标、热力学温标和国 际实用温标。 华氏温标、摄氏温标和热力学温标的对比 25过程控制与自动化仪表 4.2.1 概述 26过程控制与自动化仪表 常见测温仪表 27过程控制与自动化仪表 4.2.2 热电偶 v1. 热电偶的工作原理 n热电偶是基于热电效应原理进行温度测量的。 A、B热电偶 C导线 D显示仪表 t热端温度 t冷端温度 28过程控制与自动化仪表 几种常用标准型热电偶 热电偶名称代号分度号热电偶材料 测温范围 / 平均灵敏度特点补偿导线 铂铑30-铂铑6WRRB 正极铂70%，铑30% 负极铂94%，铑6% 0180010V/ 价贵、稳定、 精度高，可在 氧化性环境中 使用。 冷端在0 100间可不 用补偿导线 铂铑10-铂WRPS 正极铂90%，铑10% 负极铂100% 0160010V/ 同上。热电特 性的线性度比B 好。 铜-铜镍合金 镍铬-镍硅WRNK 正极镍89%，铬10% 负极镍94%，硅3% 0130040V/ 线性度好，价 廉。 铜-康铜 镍铬-康铜WREE 正极镍89%，铬10% 负极铜60%，镍40% 200 900 80V/ 灵敏度高，价 廉，可在氧化 及弱还原环境 中使用。 铜-康铜WRCT 正极铜100% 负极铜60%，镍40% 200 400 50V/ 最便宜，但铜 易氧化，用于 150以下温度 测量。 29过程控制与自动化仪表 v由于热电偶的分度值都是以冷端温度等于0时 为基准的，所以当冷端温度不为0而为t0时， 温度与热电动势之间的关系可用下式进行计算 vE(t,0)和E(t0,0)分别为热电偶的热端温度为 和0而冷端温度为0时产生的热电动势，其值 可从附录的热电偶分度表中直接查得。 4.2.2 热电偶 30过程控制与自动化仪表 用一只镍铬-镍硅热电偶（分度号为K）测量炉温， 已知热电偶工作端温度为800，自由端温度为20，求 热电偶产生的热电动势E(800,20)。 【解】 由附录B可以查得 E(800,0) =33.277mV E(20,0) =0.798mV 将以上数据代入得 E(800,20)= E(800,0)- E(20,0)=33.277mV-0.798mV=32.479mV 举例 4.2.2 热电偶 31过程控制与自动化仪表 v热电偶在与显示仪表相连 时，回路中必定要引入第 三种导体,只要保证该 导体两端温度相同，热电 偶回路中所产生的热电动 势与没有接入第三种导体 时所产生的热电动势就相 同。 引入第三种导体热电动势分析 4.2.2 热电偶 由于由于 则 32过程控制与自动化仪表 2.热电偶的结构 热电偶一般做成棒形，由热电极、绝缘管、保护 管和接线盒四个基本部分构成。 4.2.2 热电偶 33过程控制与自动化仪表 v3.热电偶的类型 n（）普通热电偶 n普通热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度， 根据测量范围和环境的不同，可选择合适的热电偶和保护管 。 常见普通热电偶 4.2.2 热电偶 34过程控制与自动化仪表 n（）铠装热电偶 n铠装热电偶的优点是小型化，对被测温度反应快，力学性能好，结 实牢靠，耐振动和耐冲击，可以弯成各种形状。 铠装热电偶截面图 1套管 2热电极 3绝缘材料铠装热电偶外形 4.2.2 热电偶 35过程控制与自动化仪表 4.2.2 热电偶 n（）薄膜热电偶 n这种热电偶是用真空蒸镀（或真空溅射）、化学涂层等工艺，将热 电极材料沉积在绝缘基板上形成的一层金属薄膜。 薄膜热电偶 1测量接点 2铁膜 3铁丝 4镍丝 5接头夹具 6镍膜 7衬架 36过程控制与自动化仪表 4.2.2 热电偶 v.热电偶冷端温度的影响及补偿 n（）利用补偿导线延伸冷端 补偿导线连接图 37过程控制与自动化仪表 4.2.2 热电偶 n（）冷端温度的补偿 n常用的补偿方法有冰浴法、查表修正法、校正仪表零点法和补偿电 桥法等。 具有补偿电桥的 热电偶测温补偿电路 冰浴法就是将冷端放入冰水混合物中， 保持冷端为0。多用于实验室。 查表修正法是用计算的方法来修正冷端 温度，可消除冷端温度为恒定值时对测温 的影响。只适用于实验室或临时测温。 校正仪表零点法将显示仪表的机械零点 调至t0处，相当于在输入热电偶热电势之 前就给显示仪表输入了电势E（t0, 0）， 只能在测温要求不太高的场合下应用。 补偿电桥法就是在热电偶的测量线路中 附加一个电势，如右图所示。 38过程控制与自动化仪表 4.2.3 热电阻 v.测温原理 n热电阻是利用导体和半导体在温度变化时自身电阻 也随之发生变化的原理来测量温度的。热电阻温度 计主要有两种类型：金属热电阻和半导体热敏电阻 。金属热电阻在温度升高时，电阻将增加；但半导 体热敏电阻一般随温度的升高而减小，其灵敏度比 金属热电阻高。 热电阻测温系统 39过程控制与自动化仪表 4.2.3 热电阻 v2.常用金属热电阻 n目前金属热电阻主要包括铂热电阻和铜热电阻两大类 。 n常用铂热电阻有两种：分度号分别为Pt100和