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过程控制第二章过程参数测量与变送器过程参数测量与变送器概述工业控制系统中的检测技术与变送器是实现自动控制的基础。采用自动检测系统对生产过程中的过程参数的变化进行实时测量及实时分析，实时监控和管理，是生产企业常用以提高产品产量和质量的现代化方法。过程参数（或称过程变量）的测量主要是指对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。过程参数测量与变送则是将被测参数转换成统一的标准信号，如气动仪表的标准传输信号0.02～0.1MPa，电动仪表的标准传输信号0～10mADC或4～20mADC。此环节是实现过程参数显示和过程控制的前提，是过程控制工程的主要组成部分，一个基本的过程控制系统如图2-1所示。过程参数测量与变送器概述图2-1过程控制系统的组成原理过程参数测量与变送器概述从图中可以看到，检测技术及仪表是完成对各种过程参数的测量，并实现必要的数据处理的功能单元；控制技术及仪表则是实现各种控制作用的手段和条件，它将检测得到的数据进行运算处理，并通过相应的功能单元实现对被控变量的调节。自动检测和自动控制系统中都有“传感器”环节，可见与自动检测技术相关的传感器技术是实现自动化的重要支柱。我们通过过程参数的准确测量与变送，可以及时了解工艺设备的运行工况；为操作人员提供操作依据；为自动化装置提供测量信号。这对于确保生产安全，提高产品的产量与质量，对于节约能源、保护环境卫生，提高经济效益等都是十分重要的，是实现工业生产过程自动化的必要条件。2-1检测过程与变送器2.1.1检测过程检测就是人们借助专门的技术和设备，通过实验方法取得某一客观事物数量信息的过程。专门用于检测的仪表或系统称为检测仪表或检测系统，其基本任务就是从测量对象获取被测量，并向测量的操作者展示测量的结果。检测仪表与检测系统它至少包括四个基本组成部分：反映过程参数的被测对象、感受被测量的传感器或敏感元件、展示测量结果的显示器和联接二者的测量电路等中间环节，如图2-2所示。对某一个具体的检测系统而言，被测对象、检测元件和显示装置部分一般是必需的，而其他部分则视具体系统的结构而异。2-1检测过程与变送器被测对象传感器变送器显示装置被测变量图2-2参数检测的基本过程传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等。一般都需要经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如0～10mADC或4～20mADC等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。变送器的输出信号送到显示装置以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到控制器对被控对象实现控制作用。传感器本质上是非电系统与电系统之间的接口。由于传感器大多都存在着一定的非线性，经常需要在检测仪表或检测系统中加入非线性校正电路，或采取非线性校正的软件措施等。2-1检测过程与变送器2.1.2检测系统过程参数测量的过程是个自动检测系统，它是个开环系统。当所选用的仪表不同时，其系统的构成也不尽相同。（1）当采用模拟仪表进行测量时，其检测仪表或检测系统的组成如图2-3所示图2-3模拟仪表及检测系统的构成原理图2-1检测过程与变送器（2）当采用数字仪表进行测量时，其检测仪表或检测系统的组成如图2-4所示。（3）当采用计算机进行测量时，其典型的微机化检测系统的组成如图2-5所示。2-1检测过程与变送器从以上的组成结构中可以看出，如果测量的参数为电量，则可去掉传感器部分，直接将电量送入测量电路中，构成电量测量系统。另外，测量信号是逐级传递到显示器的，那么每一级信号传递和信号处理的准确性都是非常重要的，否则将会造成测量值在最终显示时的不准确。为此我们要求特别是传感器一定要具有高的准确性、高的稳定性、好的灵敏度。总之：测量仪表或测量系统的基本功能是向操作者显示测量结果。其测量结果的显示方法有模拟方式和数字方式两种。当采用常规检测和控制仪表时，控制系统的结构与此图相同，其中检测元件和变送单元可以是分立元件也可能是组合功能仪表，各环节之间采用的是点对点联接的方法。当采用计算机或数字控制器作为调节单元时，系统的结构就可能是多样的，但其基本控制原理差别不大。例如：有直接数字控制系统DDC、分布式控制系统DCS、现场总线控制系统FCS。在网络化的控制回路系统中，多数检测和仪表单元均是通过网络相互联接和传送信息的。2-1检测过程与变送器2.1.3变送器变送器的作用是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分和物理变换成相应的统一标准信号0-10mA或4-20mA，再传送到指示记录仪、运算器和调节器，供指示、记录和调节。变送器本质上也是测量仪表，但它更加强调将被测量转化为统一的标准信号。2-1检测过程与变送器按照被测参数分类，变送器主要有：温度变送器、压力变送器、液位变送器和流量变送器等。变送器的理想输入输出特性如图如示。2-1检测过程与变送器1.变送器的构成通常，变送器由输入转换部分、放大器和反馈部分组成2-1检测过程与变送器下面讨论变送器的几个具体问题。变送器量程调整前后输入输出特性如图＊量程（满度）调整＊零点调整和零点迁移＊线性化2-1检测过程与变送器2.变送器输出信号与电源的连接方式电动变送器输出信号与电源的连接方式有两种：四线制和两线制。图2-11（a）示为四线制变送器与电源、负载的接线方式。2-1检测过程与变送器图2-11（a）示为四线制变送器与电源、负载的接线方式。供电电源（220VAC或24VDC）通过下面两根导线接入，上面两根导线与负载电阻RL相连，输出0~10mADC或4~20mADC信号。这种接线方式中，同变送器连接的导线有四根，称为四线制。而在图2-11（b）中，24VDC电源电压和负载电阻RL串联后接到变送器。这种接线方式中，同变送器连接的导线只有两根，这两根导线同时传送变送器所需的电源电压和4~20mADC输出电流，称为两线制。2-2温度变送器2.2.1温度检测方法1．温度的测量与分类温度是表征物体冷热程度的物理量。温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。很多重要的生产过程只有在一定的温度范围内才能有效地进行。因此对温度进行准确的测量和可靠的控制是过程控制工程的重要任务之一。温度的测量方法很多，这是因为被测对象的多样性，被测参数的多样性，使得我们在测量温度时需采用不同的测量方法，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。如表2-1所示。2-2温度变送器1.接触式测温的方法：此方法常用于-100～1800℃温度的测量，其特点是方法简单、可靠，测量精度高。缺点是由于需进行充分的热接触，测量时需有一定的响应时间，而且使用时往往会破坏被测对象的热平衡，产生附加误差。由于环境的特点，使得对测量元件的结构和性能要求较高。此外测量体可能与被测介质产生化学反应；测量体还受到耐高温材料的限制，不能应用于很高温度的测量。为此需正确选用和安装温度敏感元件。2-2温度变送器2.非接触式测温的方法温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或是通过温度敏感元件来接收被测对象的部分热辐射能，再由热辐射能的大小计算出被测对象的温度。此方法常用于环境条件恶劣，测量极高温度的场所（最高可达6000℃）。此方法测温响应快，对被测高温对象干扰小，可测量高温﹑运动的被测对象，以及用于有强电磁干扰﹑强腐蚀的场合。其缺点是容易受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。为此要求正确的选择测量方法及敏感元件的安装地点。2-2温度变送器2.2.2温度变送器温度变送器可与各种分度号的热电偶或热电阻配合使用，将被测温度转换成统一的标准电流（或电压）信号，作为显示仪表或调节器的输入，以实现对被测温度的显示、记录或自动控制。热电偶、热电阻是用于温度信号检测的一次元件，它需要和显示单元、控制单元配合，来实现对温度或温差的显示、控制。目前温度变送器的种类规格比较多，常用的有常规的DDZ-Ⅲ型温度变送器、一体化温度变送器、智能温度变送器等，以满足不同温度测量控制系统的设计及应用需求。2-2温度变送器1.DDZ-Ⅲ型温度变送器DDZ-Ⅲ型温度变送器是工业过程中使用广泛的一类模拟式温度变送器。它与各种类型的热电阻、热电偶配套使用，将温度或温差信号转换成4～20mADC、1～5VDC的统一标准信号输出。常规的DDZ-Ⅲ型温度变送器有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器、热电阻温度变送器。前一种是将直流毫伏信号转换成4～20mADC和l～5VDC的统一输出信号；后两种分别与热电偶、热电阻配合使用，将温度信号转换成与之成正比的4～20mADC和l～5VDC的统一信号输出。2-2温度变送器在过程控制领域中，实现对温度的测量与控制，使用最多的是热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。因为它结构简单，使用方便可靠，并具有如下主要特点：采用低漂移、高增益的线性集成电路作为主放大器，提高了仪表的可靠性，稳定性及各项技术性能。在热电偶及热电阻温度变送器中均采用了线性化处理电路，使变送器的输出与被测温度之间呈线性关系，方便于指示和记录。在线路中采用了安全火花防爆措施，故可用于危险场所中的温度测量，从而扩大了应用领域。2-2温度变送器DDZ-Ⅲ型温度变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分，如图2-12所示。2-2温度变送器（1）放大单元的工作原理放大单元的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，然后整流输出统一的4～20mADC标准电流信号和l～5VDC标准电压信号。温度变送器的放大单元是通用部件，它是由集成运算放大器、功率放大器、输出回路、直流-交流-直流变送器等部分组成，其原理线路见图2-13所示。2-2温度变送器2-2温度变送器集成运算放大器功率放大器输出及反馈回路直流-交流-直流变换器（简称DC／AC／DC变换器）2-2温度变送器（2）量程单元的工作原理量程单元是直接与测量元件相连的部份，由于不同的测温范围和条件，我们选择不同分度号的测温元件，因此，量程单元也具有相应的分度号以适应各测温元件。所以量程单元不是通用的。其作用是根据输入信号的不同而实现热电偶冷端温度补偿、测量信号线性化、整机调零和调量程等。直流毫伏变送器、热电偶温度变造器、热电阻温度变送器因其作用不同、输入信号不同、测量范围不同，它们的量程单元也不同。2-2温度变送器①直流毫伏变送器量程单元直流毫伏变送器的输入电路由它是由信号输入回路、零点调整桥路及反馈回路等三部分组成，如图2-14所示2-2温度变送器②热电偶温度变送器量程单元热电偶温度变送器量程单元由信号输入回路、零点调整及冷端补偿回路、非线性反馈回路及集成稳压电源组成，如图2-15所示。2-2温度变送器由于热电偶的特性是非线性的，则线性化负反馈通道的设计就是用于补偿非线性环节的，以保证热电偶温度变送器具有线性化的输入输出特性。在该类变送器中，各环节的工作特性示意图如图2-16所示。2-2温度变送器如图2-17所示，通过反馈回路的非线性来补偿热电偶的非线性．使I0与T成线性关系。补偿非线性环节是在反馈回路上采用各段斜率不等的线段连成折线来构成的。由实验可知，当折线的段数为4～6时，残余误差可小至0.2％。2-2温度变送器③热电阻温度变送器量程单元热电阻温度变送器量程单元仍由输入、调零和反馈三部分组成，但在热电偶温度变送器输入电路的基础上进行了一些调整。这些调整包括采用三线制将热电阻连接到电桥，用电流正反馈方法取代多段折线方法进行特性的线性化处理。其电路结构如图2-18所示。2-2温度变送器2.一体化温度变送器所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盘或专用接线盒内的一种温度变送器。其变送器模块和测温元件形成一个整体，可以直接安装在被测工艺设备上，输出为统一标准信号。这种变送器具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。一体化温度在送器