第5章 计算机控制系统中常用的设备

计算机控制技术1第5章计算机控制系统中常用的设备在计算机控制系统中，为了正确的指导生产操作、保证生产安全、保证产品质量和实现生产过程自动化，一项必不可少的工作是准确而及时的检测出生产过程中的各个有关参数，例如压力、流量、物位、温度、机械量及成分等。用于将这些参数转换为一定的便于传送的信号（例如电信号或气压信号）的仪表通常称为传感器。当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。无论是模拟式仪表构成的系统，还是由计算机控制装置构成的系统，传感器和变送器都是不可缺少的环节。执行器在计算机控制系统中的作用是接受来自计算机的控制信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构（调节阀），改变控制量，使被控变量符合预期的工艺要求，因此，执行器也是计算机控制系统中的一个重要的部分。5.1传感器和变送器传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律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。其中敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换援建指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器的输出信号有多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量（如温度、压力、流量、液位、成份等）和电、气信号（如电流、典压、频率、气压信号等）转换成该系统统一的标准信号。因此，变送器的性能、精度等对控制系统影响重大。本节将主要介绍有关压力、温度、流量、物位、成份等参数的检测方法、检测仪表及相应的传感器或变送器。5.1.1信号传输及供电的四线制与两线制变送器是现场仪表，在传统的DDZ控制系统以及DCS控制系统中，电源及大多计算、调节、控制和显示仪表都安装在距现场有一段距离的控制室，要将变送器采集的现场信号送入控制室，必须对变送器考虑信号传输及供电的问题。对此目前广泛采用的是四线制和两线制方式。四线制指仪表的信号传输与供电用四根导线，其中两根作为电源线，另两根作为信号线。两线制指仪表的信号传输与供电共用两根导线，即这两根导线既从控制室向变送器传送电源，变送器又通过这两根导线向控制室传送现场检测到的信号。两线制变送器的应用已十分流行，它与非两线制仪表相比，节省了导线，有利于抗干扰及防爆。基于HART协议的仪表仍采用两线制，它在两根导线上增加第三项功能：传输计算机易于接收的数字控制信号。5.1.2压力、压差测量工业生产中许多生产工艺过程经常要求在一定的压力或一定的压力变化范围内进行，这就需要测量和控制压力，以保证工艺过程的正常进行。其次，压力测量或控制可以防止生产第5章计算机控制系统中常用的设备2设备因过压而引起破坏或爆炸，这是安全生产所必须的。再有，通过测量压力和压差可间接测量其它物理量，如温度、液位、流量、密度与成分量等。1.压力检测的主要方法和分类压力检测的方法很多，按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为以下几类：①液注式压力检测。它是根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。利用这种方法测量压力的仪器主要有U型管压力计、单管压力计、斜管微压计、补偿微压计和自动液柱式压力计等。这类压力计结构简单、使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。②弹性式压力检测。它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量的，常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。③负荷式压力检测。它是基于静力平衡原理进行压力测量的，典型仪表主要有活塞式、浮球式和钟罩式三大类。它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行标定。④电气式压力检测。它是利用敏感元件将被测压力转换成各种掂量，如电阻、电感、电容、电位差等。该方法具有较好的动态响应，特性量程范围大，线性好，便于进行压力的自动控制。⑤其它压力检测方法，如弹性振动式压力计、压磁式压力计。弹性振动式压力计是利用弹性元件受压后其固有震动频率发生变化这一原理制成的，其本质是将被测压力转换成频率信号加以输出，所以抗干扰性强。压磁式压力计是利用铁磁材料在压力作用下会改变其磁导率的物理现象而制成的，可用于测量频率高达1000Hz的脉动压力。2.电容式差压变送器电容式差压变送器主要由两部分构成：测量部分与转换电路。测量部分由检测机构将压力差转换为微小的位移δ，然后通过特种方法将δ转换为某种中间变量。转换电路再将中间变量转换为标准信号输出。检测机构由δ室实现，如图5.1所示。其外壳用高强度金属制成，在其上浇注玻璃刚体，将刚体相对两侧研磨出约0.1mm的光滑弧面，弧面镀以金属模作为差动电容的固定极板。将一片测压敏感膜夹入其间作为可动极板。膜片两侧空腔内充以体积不可压缩的硅油，通过引油孔将隔离膜片上的压力传输到感压膜片，则在固定极板与感压膜片之间形成电容CH与CL。当高低压侧的输入压力p2与p1不同时，压力差（Δp=p2-p1）使感压膜片产生形变，有中心位移δ。由材料力学可知，δ与Δp成正比，有δ=kΔp。感压膜片的厚度不同，量程范围也不同。由平板电容器原理可得：dACL，dACH（5.1）可动极板固定极板P2P1图5.1检测机构结构示意图计算机控制技术3pKdpkdCCCCHLHL（5.2）式中，ε为电容的介电常数，A为极板面积，d为极板间距。由（5.2）可知，只要由电路获得这个差动电容变化的比值，即可测出压力差。该比值即为电容式压力变送器的中间变量。随着集成电路的广泛应用，其性能不断提高，成本大幅度降低，使得微处理器在各个领域中的应用十分普遍。智能型压力或差压变送器就是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。例如，用带有温度补偿的电容传感器与微处理器相结合，构成精度为0.1级的压力或差压变送器，其量程范围为100:1，时间常数在0—36s间可调，通过手持通讯器，可对1500m之间的现场变送器进行工作参数的设定、量程调整以及向变送器加入信息数据。智能型变送器的特点是可进行远程通信。利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。通过编制各种程序，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式报警等多种功能，因而提高了变送器的精确度，简化了调整、校准与维护过程，促使变送器与计算机、控制系统直接对话。5.1.3温度检测及变送器温度是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关，因此实现准确的温度测量具有十分重要的意义。1.测温方法分类根据测量方法，可将温度测量划分为接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温。接触式测温是基于物体的热交换原理设计而成的。其优点是：较直观、可靠；系统结构相对简单；测量准确高。其缺点是：测温时有较大的滞后（因为要进行充分的热交换），在接触过程中易破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差；不能测量移动的或太小的物体；测温上限受到温度计材质的限制，故所测温度不能太高。接触式测温仪表主要有：基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度监测仪表；基于密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质制成的压力式温度检测仪表；基于导体或半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触式测温。非接触式测温是基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系设计而成的。其优点是：测温范围广（理论上没有上限限制）；测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测运动的物体；测温响应速度快。缺点是：所测温度受物体发射率、中间介质和测量距离等的影响。目前应用较广的非接触式测温仪表有：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。其它测温技术，如光纤测温技术、集成温度传感器测温技术等。2.热电偶测温原理及热电偶温度变送器热电偶温度计利用材料的热电效应。如图5.2所示，将两种不同的导体或半导体A和B接成闭合回路，接点置于各为T及T0温度场中，设TT0，则在该回路中会产生热ABT0T图5.2热电偶回路第5章计算机控制系统中常用的设备4电动势：接触电势与温差电势，分别为eAB(T)、eAB(T0)、eA(T,T0)、和eB(T,T0)，它们与T及T0有关，与两种导体材料的特性有关。可以导出回路总电势：TTBAABdtNNekTTE0ln),(0即，)()(),(00TeTeTTEABABAB（5.3）式中，k为波尔兹曼常数，e为电荷单位，N为各材料电子密度。在实际应用中，保持冷端温度T0不变，则总热电势EAB(T,T0)只是温度的单值函数：cTeTTEABAB)(),(0（5.4）为使T0恒定，且因经济的考虑，常采用补偿导线（或称延伸导线）将冷端温度变化较大的地方延伸到温度变化较小或恒定的地方。工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为0ºC的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的。因此利用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0ºC，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做就称为热电偶的冷端温度补偿，一般采用的方法有：冷端温度保持为0ºC的方法、冷端温度修正法、校正仪表零点法、补偿电桥法及补偿热电偶法。工业上常用的（已标准化）热电偶有：铂铑30-铂铑6热电偶（分度号位B）、铂铑10-铂热电偶（分度号为S）、镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（分度号位K）等。热电偶温度变送器与热电偶配套使用，将温度转换成4—20mA和1—5V的统一标准信号。热电偶温度变送器的结构大体上可以分为三大部分：输入桥路、放大电路及反馈电路。如图5.3所示。输入电桥是热电偶温度变送器的输入回路，起热电偶冷端温度补偿、零点调整的作用；反馈电路中加入线性化电路对热电偶的非线性给予修正，以使变送器的输出信号直接与被测温度呈线性关系，以便于和计算机配合，方便显示及控制；放大电路将热电偶产生的热电势进行多级放大，最终转化成具有一定负载能力的电流输出信号，同时通过电流互感器实现输入回路和输出回路的隔离。3.热电阻测温原理及热电阻温度变送器热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的。其电阻值与温度关系如下式：)](1[00ttRRtt（5.5）tRRtt0（5.6）式中Rt——温度为tºC时的电阻值；Rt0——温度为t0（通常为0ºC）时的电阻值；α——电阻温度系数；图5.3热电偶温度变送器结构方框图+-Et输出电流Io被测温度tºC热电偶输入电桥放大电路反馈电路计算机控制技术5图5.4热电偶温度变送器结构方框图+-Ω输出电流Io被测温度tºC热电阻输入电桥放大电路反馈电路Δt——温度的变化值；ΔRt——电阻值的变化量。可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻值的变化，就可以达到温度测量的目的。虽然导体或半导体材料的电阻值对温度的变化都有一定的依赖关系，但是它们并不都能作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：有尽可能大且稳定的电阻温度系数；电阻率大；在电阻的使用温度范围内，其化学和物理性能稳定，有良好的复制性；电阻随温度变化要有单值函数关系，最好呈线性关系；材料价格便宜，有较高的性能价格比。目前应用最广泛的是铂电阻（WZP）和铜电阻（WZC）。热电阻引线的功能是使感温元件能与外部测量线路相连接。热电阻引线对测量结果有较大的影响，现在常用的引线方式有两线制、三线制和四线制三种：（1）两线制。在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制。这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。因此两线制适用于引线不长，测温准确度要求较低的场合。（2）三线制。在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线方式称为三线制。这种引线形式可以较好的消除引线电阻的影响，测量准确度高于两线制，所以应用较广。工业热电阻通常采用三线制接法，尤其是在测温范围窄、电线厂、架设铜导线途中温度发生变化等情况下，必须