过程控制中参数检测与变送

1、 学业论文 题 目：过程控制中参数检测与变送学 院：电气与电子工程学院专 业：自 动 化班 级：2012级2班学 号：XXXXXXXXXXXX姓 名：XXX时 间：XXXXXXXXXXX过程控制中参数检测与变送XXX（电气与电子工程学院-自动化）摘要：过程控制是生产过程自动化的简称，过程控制正在为实现工业生产中各种最优经济指标、提高经济效益和社会效益、节约能源，改善劳动条件，保护生态环境等方面起着越来越大的作用。过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按优化目标自动进行。在这篇论文中，将

2、介绍过程控制中常用的工艺参数的检测与变送、以及典型仪表的基本构成、工作原理、使用方法和选用原则等。关键词：过程参数检测、传感器、变送器Process control parameters detecting and transmittingAbstract:：Process control, short for production process automation, is playing a greater role in the realization of various optimized economic index in industrial production, the i

3、mprovement of economic performance and social benefit and labor condition, the conservation of energy and the protection of ecological environment. Generally, it refers to the control of parameters such as temperature, pressure, flow, liquid level, component and physical property in the production p

4、rocess, making them remain a fix value or change according to a certain rule to ensure the quality of products and production safety and make the manufacturing process automatically move towards the optimal object. This paper will introduce the testing and the transmitting of general technological p

5、arameters in process control and basic constitution, working principle, application method and selection principle of typical instruments.Keywords: Detection of Process Parameters、Transducer、Transmitter一、检测与变送的基本概念1 要想对过程参数实行有效的控制，首先要对它们进行有效的检测，而如何实现有效的检测，则有自动检测仪表来完成。了解过程控制系统中检测仪表的基本特性和构成原理，分析和计算检测仪

6、表的性能指标等是正确使用检测仪表，更好地完成检测任务的重要前提。 图1-1过程控制系统框图检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，而过程参数检测仪表通常由传感器和变送器组成。1.1传感器2传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，并能够检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以成为换能器、检测器、探头等，大部分传感器由敏感元件，传感元件及测量转换电路三部分组成。敏感元件是传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电

7、量。这一非电量通过传感元件后就被转换成电参量。测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。应该指出，不是所有的传感器都有敏感元件、传感元件之分，有些传感器是将两者合而为一了。1.2工业过程中的传感器2（1）金属热电阻传感器 金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。 （2）热电偶传感器 热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范

8、围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在540微伏/之间 （3）电感传感器 电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置。带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式控制位置偏差的电子信号发生器，其用途非常广泛。例如：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。（4）压电传感器 基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就

9、成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷（5）电容传感器 把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为S/d，式中为极间介质的介电常数，S为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离。d、s、 三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用

10、于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。（6）超声波传感器 利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射

11、形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。 1.3检测仪表的基本特性1 检测仪表的基本特性可分为固有特性与工作特性，而固有属性则是确定其性。1.3.1仪表的固有特性及性能指标（1）精确度及其等级 仪表的精确度是仪表检测误差的一种工程表示，用来衡量表仪测量结果可靠性程度最重要的指标。按照自动化仪表行业的规定，仪表精度的等级可分为0.001级，0.005级，0.02级。0.05级，0.1级

12、，0.2级，0.4级，0.5级，1.0级，1.5级，2.5级。等级数越低，精确度越高，反之亦然。（2）非线性误差 在通常情况下，总希望检测仪表的输出量和输入量之间成线性关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度，由于各种因数的影响，其实际线性可能偏离线性。如图所示，通常，非线性误差f用实际测得的输入/输出特性与理论直线之间的最大偏差和测量仪表的测量范围至比的百分数表示即 f =fmaxxmax-xmin×100%（3）变差 仪表的变差是指在外界条件不变的情况下，使用统一仪表对被测参数在测量范围内进行正反方向测量时所产生的最大差值与仪表

13、测量范围之比的百分数，记为b即 b=bmax(xmax-xmin)×100%仪表变差示意图如图1-3所示。（4）灵敏度与分辨力 测量仪表的灵敏度是指仪表输出量的增量y与引起输出增量的输入增量x的比值，极为s即 s=y/x×100%对于线性仪表，它的灵敏度是其静态特性的斜率，即s是常数；而非线性仪表的灵敏度则为一变量，用s=dy/dx表示，仪表的灵敏度如图1-4所示。分辨率也成为灵敏限是i指仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，也是灵敏度的一种反映。 图1-2 仪表的非线性误差 图1-3 仪表的变差（5）漂移 检测仪表在一定工作条件下，当输入信号保持不变时，输入信号会随时间或

14、温度的变化而出现漂移。随时间变化出现的漂移成为时漂；随环境温度变化而出现的漂移成为温漂。时漂和温漂越小越好。（6）动态误差 动态误差是指被测参数在干扰作用下处于变动状态时仪表的输出值与参数实际值之间的差异。引起该误差的原因是由于仪表内部的惯性以及能量形式转换或物质传递需要时间所造成的。1.3.2检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性是指适应参数测量和系统运行所需要而具有的输入/输出特性，它可以通过零点调整与迁移以及量程调整而改变。（1）检测仪表的工作特性 检测仪表的理想工作特性为图1-5所示的线性曲线，其中xmax、xmax、ymax、ymin分别对应输入输出的上限值和下限值。检测仪表的一般的表

15、达式为 y=x-xminxmax-xminymax-ymin+ymin式中，x为仪表的输入信号，y为对应于x时仪表的输出信号。 图1-4 仪表的灵敏度 图1-5仪表的理想工作特性（2）零点调整与迁移 所谓检测仪表的零点时指被检测参数的下限值xmin。在检测仪表中，使xmin=0的过程称为“零点调整”；使Xmin0的过程称为“零点迁移”。（3）量程调整 量程是指检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围。量程调整是指在零点不变的情况下将检测仪表的输出信号上限值ymax与被测参数的上限值xmax相对应。1.4变送器在单元组合式自动化仪表中，变送器是变送单元的主要组成部分。在过程控制中它常常和传感器组合

16、在一起，共同完成对温度、压力、物位等被控参数的检测并转换为统一标准的输出信号。该标准输出信号一方面被送往显示记录仪表进行显示记录，另一方面则送往控制器实现对被控参数的控制。从某种意义上说，变送器是将输出信号变成统一标准信号的传感器（标准信号指各自动化仪表之间的通信协议，它的变化代表着自动化仪表的发展方向）。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。1.4.1变送器的构成（1）模拟式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

17、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。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，如图1-6所示。在放大器的输入端还加有调与零点迁移信号Z0, Z0由零点调整（简称调零）和零点迁移（简称迁移）环节产生。图1-6模拟式变送器的构成框图（2）智能式变送器的构成原理智能式变送器主要包括传感组件、A/D转换器、微处理器、存储器和通信电路等部分；采用HART协议通信方式的智能式变送器还包括D/A转换器。传感器组件通常由传感器和信号调理电路组成，信号调理电路用于对传感器的输出信号进行处理，并转换成A/D转换器所能接受的信号。 被测参数X经传感器组件，由A

18、/D转换器转换成数字信号送入微处理器，进行数据处理。存储器中除存放系统程序，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。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。 采用HART协议通信方式的智能式变送器，微处理器将数据处理后，再传送给D/A转换成420mADC信号输出，D/A将通信电路送来的数字信号叠加在420m

19、A直流信号上输出。通信电路对420mA直流电流回路进行监测，将其中叠加的数字信号转换成二进制数字信号后，再传送给微处理器。图1-7智能式变送器的构成框图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。通常，智能式变送器还配置有手持终端（外部数据设定器或组态器），用于对变送器参数进行设

20、定，如设定变送器的型号、量程调整、零点调整、输入信号选择、输出信号选择、工程单位选择和阻尼时间常数设定以及自诊断等。 二、参数的检测与变送实例温度的检测与变送2.1关于温度：温度：表征物体冷热程度的一个物理量。温标：将温度数值化的一套规则和方法，温标有起点、单位和方向。温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。 （1）摄氏(Celsius)：水的冰点0度,沸点100度,间隔100等分,每等分为1度。 （2）华氏(Fahrenheit)：ºF：水、冰、盐的混合物为0度，人类体温为100度，水的冰点为12度,水的沸点为212度,其间隔180等分，每等分为1度。 （3）开氏(Kelwen)

21、：ºK：摄氏-273.15度为绝对0度，水沸点373.15度， 间隔 100等分,每等分为1度。华氏与摄氏温标换算公式 2.2 非电参数温度传感器3（其原理是基于机械膨胀。）(1)液体感温膨胀原理 如水银和酒精温度计，一般可就地刻度显示，也可做成简单位式温度传感输出。(2)固体感温膨胀原理 如双金属片测温仪，一般也是就地刻度显示或者做成简单位式温度传感输出。(3)压力式温度传感器 一般是指气、液态物质受热后，体积膨胀引起压力升高再转换成机械位移输出或显示。2.3压力敏感元件3弹簧管、膜盒、膜片、波纹管，可应用于位式输出，典型应用是在电冰箱的温度控制。2.4温度检测12.4.1热电阻及

22、其测温原理热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。 热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。（1）热电阻测温原理及材料a、铂热电阻的温度特性 在0850范围内： R(t)=R0(1+At+Bt2)在-2000范围内： R(t)=R01+At+Bt2+C(t-100）t3式中A、B、C的系数各为： A=3.90802×10-3C-

23、1 ；B=-5.802×10-7C-2 C=-4.27350×10-12C-4，铂电阻阻值与温度的分度关系由止两式决定。b、铜热电阻的温度特性 在-50150范围内： R(t)=R01+At+Bt2+Ct3式中 A=4.28899×10-3C-1；B=-2.133×10-7C-2；C=1.233×10-9C-3 ，铜电阻和温度的分度关系由上式决定。（2）热电阻测温系统的组成 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： a、热电阻和显示仪表的分度号必须一致 b、为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。（3

24、）热电阻故障原因及处理方法热电阻的常见故障是热电阻的短路和断路。一般断路更常见，这是因为热电阻丝较细所致。断路和短路是很容易判断的，可用万用表的"×1"档，如测得的阻值小于R0，则可能有短路的地方；若万用表指示为无穷大，则可断定电阻体已断路。 电阻体短路一般较易处理，只要不影响电阻丝的长短和粗细，找到短路处进行吹干，加强绝缘即可。 电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用。2.4.2热电偶及其测温原理由两种导体组合而成，将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。将两种不同材料的导体 A 和

25、B 串接成一个闭合回路，当两个接点 1 和 2 的温 度不同时，如果 T T 0， 在回路中就会产生热电动势， 在回路中产生一定大小的电流，此种现象称为 热电效应 。有关热电偶测温的基本原则： 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积，长度以及温度分布如何均不产生热电动势；如果热电偶的两根热电极由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点的温度有关，与热电偶的温度分布无关；如果热电极为非均质电极，并处于具有温度梯度的温场时，将产生附加电势，如果仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低就会引起误差。两种导体 A, B 分别与参考电极 C( 或称标准电极 ) 组成热电偶，如果他们所

26、产生的热电 动势为已知， A 和 B 两极配对后的热电动势可用下式求得由此可见，只要知道两种导体分别与参考电极组成热电偶时的热电动势，就可以依据参考电极定则计算出两导体组成热电偶时的热电动势。从而简化了热电偶的选配工作。我国标准化热电偶也有 8 种 。分别是：铂铑 10- 铂 ( 分度号为 S) 、 铂铑 13- 铂 (R) 、铂铑 30- 铂铑 6(B) 、镍铬 - 镍硅 (K) 、镍铬-康铜 (E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。2.5温度变送器 温度变送器是自动化仪表的重要单元仪表,属于电动温度变送器。它可与热电偶或热电阻传感器配接,输出信号是标准毫安级电流,电动温

27、度变送器输出有0-10mA(国产DDZ-)和4-20mA(DDZ-)两种标准形式。2.5.1输出为 4-20mA DC(DDZ-)温度变送器介绍：（1） 电路采用集成运算放大器,可靠性高,稳定性好,体积小（2）采用单元体系的设计方法,提供了通用和专用的灵活性,放大器为通用;而热电偶,热电阻和直流毫伏型为专用接入量程单元。（3）在热电偶和热电阻的接入模块中,采用了线性化电路,变送器 输出信号与被测温度呈线性关系,方便了应用和与系统的配接。（4）仪表采用了统一的直流 24V DC集中供电,变送器内无电源。（5）采取了安全火花(火花能量抑制)防爆措施,可以在具有爆炸危险场合进行温度或直流毫伏信号的检测。图2-1温度变送器框图 2.5.2量程单元的构成及工作原理量程单元:在输入回路中有针对热电偶、热电阻和毫伏输入形式专用电路,能实现热电偶的冷端补偿、热电阻三线接入及零点迁移、量程调整在反馈回路中有热电偶和热电阻非线性校正的线性化电路。放大单元:主要功能是信号放大,采用高性能集成运算放大器,隔离输出是为了防爆性能的实现。另