工大过程控制-08讲

12.2.4成分分析仪表2.2.4成分分析仪表在工业生产过程中，要确定各种物质的成分及其性质，就必须对有关参数进行分析，例如化学成分、化学性质、浓度、粘度等。用来测量物质成分与含量及其某些物理特性的仪表统称为分析仪表。能自动监视与测量工业生产过程中物料成分或性质的分析仪表叫流程分析仪表，或称工业自动分析仪器。22.2.4成分分析仪表随着现代工业生产过程的反应速度愈来愈快，依靠人工取样化验分析已不能满足生产需要。如果能通过流程分析仪表及时得到各种物质的成分及其性质，根据分析信号进行质量控制，就可以取得最佳的控制质量。例如，加热炉的燃烧过程，若能根据分析烟道气的含氧量来控制空气供给量，则可获得最佳的热效率，从而可节省能源消耗。32.2.4成分分析仪表红外线气体分析仪

1.基本原理红外线是一种不可见光，它是一种电磁波，其波长为0.76～1000μm。红外线气体分析仪主要利用1～25μm之间的一段红外光谱。各种气体的分子本身都具有特定的振动和转动频率，只有当红外线光谱的频率和气体分子本身的特定频率相同时，这种气体分子才能吸收红外光谱辐射能，并部分地转化为热能，从而利用测温元件来测量红外辐射能的大小。这就是利用红外线进行气体成分分析的原理。42.2.4成分分析仪表红外线通过物质前、后能量的变化(即被吸收的程度)与待分析组分的浓度有关，它们之间的定量关系遵循Bell定律，即式中I－透射光强度(辐射强度)；

I0－入射光强度(辐射强度)；

k0－待测组分的吸收系数；

c－待测组分的浓度；

L－光通过待测组分的长度。52.2.4成分分析仪表当I0、L一定时，对某种气体k又是一确定的常数时，则红外线通过待测组分后的透光强度I与待测组分浓度c成单值函数关系。I与c关系图为了保证I与c成线性关系，当被测气体确定后k即确定，这时只能使cl的值较小。因此当被测气体的浓度c较大时，应选用较短的测量(分析)气室；当c较小时(如微量分析)，应选用较长的测量(分析)气室。62.2.4成分分析仪表2.红外线气体分析仪的工作原理原理图1－光源2－反射镜3－分析室4－参比室5－切光片6－同步电机

7、8－干扰滤光室9－检测接收室10－电容接收室11－放大器12－记录仪表72.2.4成分分析仪表待测组分气体N2气体干扰气体待测组分气体待测组分红外线光谱能量大待测组分红外线光谱能量小左右吸收能量不同，产生压力差－动片位移－电容量变－放大－记录82.2.5过程参数的采集2.2.5过程参数的采集1.概述工业过程中，除了需要控制的参数外，还有许多重要的参数需要受到关注。这些参数中有些对工业过程的正常运行有重要作用，只是因为为了简化控制系统，或是由于实现上的困难而没有被选为被控参数。有些参数虽然与生产工艺没有直接关系，但与过程的安全运行或环境保护有重大关系。这些参数必须在生产过程中不断受到监视，其中的某些还要被记录和打印保存，作为分析生产过程或事故的依据。92.2.5过程参数的采集与被控参数相比，这类参数的数量往往要大得多。因此在过程控制系统中，获取这类参数值也是一个重要的任务。它们和被控参数一起，构成了工业过程的全部参数。通常把获取过程参数称作数据采集，而把集中完成多点采集、处理、显示和记录的装置称为数据采集装置或系统。102.数据采集装置的组成各个测点上的参数值经测量和变送，成为标准的电信号；再由多路开关切换，逐点送到A／D变换器；变换后的数字信号被送交CPU处理，并将处理结果以指定形式输出。数据采集装置的组成2.2.5过程参数的采集112.2.5过程参数的采集A.信号的变送与采样过程参数多数是非电量，即使是电量也有强电弱电、直流交流之分，很不统一。测量变送器的任务就是对各种参数(温度、压力、流量等)进行测量并转换成为标准的电压和电流信号。变送后的多路信号经多路模拟开关轮流切换到A／D变换电路。模拟开关在这里起分时采样的作用，它将过程数据逐路分时送入CPU处理。122.2.5过程参数的采集

(1)导通电阻和开断电阻：要求导通电阻小(100Ω以下)，开断电阻大(109Ω以上)。

(2)通道数：即可接通的信号路数，标称值是4、8或16路。(3)最大输入电压：开关能开断的最大信号电压，标称值为±5V，±10V，或±15V。

(4)切换速度：指转换输入通道所需的最小时间，它取决于开关的通断状态变换所需的时间，多数的过程参数变化较慢，因此一般的开关都能满足切换速度的要求。CC4051和CC4052是常用的集成多路模拟开关芯片。模拟多路开关的主要技术指标132.2.5过程参数的采集

B.A/D转换A/D转换器将各通道送来的模拟电压信号成比例地转换为二进制数字信号，送给CPU处理。

(1)逐步逼近式A/D转换：由比较器、D/A转换器、寄存器和控制逻辑构成。它的工作原理是将通道来的电压信号Ux与片内D/A转换产生的电压信号U0相比较，这种比较逐位进行，从最高位到最低位。先将寄存器最高位置1，其余低位为0，将这个数的D/A输出U0与Ux比较，若Ux≥U0，则控制逻辑保持最高位为1。

142.2.5过程参数的采集若Ux<U0则将最高位变为0。然后将第二位置1，重复上述过程又可得到第二位的值。依此类推直到最低位的值被确定。比较结束后，寄存器内将有一个与Ux相对应的二进制数。

这种方法转换速度快，一个N位的转换器只要做N次比较即可完成转换，适用于高速数据采集。寄存器位数N是一个重要参数，N越大，转换时间越长，但精度也越高。

逐位比较A/D转换原理152.2.5过程参数的采集

(2)双积分式A／D转换

双积分转换过程分为两个阶段，第一次是固定积分时间上下限，对输人信号进行积分，第二次是加反向固定参考电压，对时间进行积分，直到第二次积分的值与第一次积分的值相互抵消为止。双积分A/D转换的优点是转换精度高、抗干扰性强以及有较高的灵敏度。这是因为两次积分用的是同一组器件，只要在转换期间内R,C和Ts不发生变化，就可保证精度。同时由于采用了积分，对叠加在信号上的交流干扰有较强的抑制能力。162.2.5过程参数的采集双积分A/D转换原理172.2.5过程参数的采集C.数据的处理和输出

经过A/D转换后的通道参数以数字形式送入计算机，由计算机处理后输出。计算机对数据的处理包括预处理和输出处理两种。预处理有滤波、开方和非线性校正等，在参数设有专用变送器的条件下，其输出为标准形式的电信号，如4～20mA直流电流，故只需要加以滤波来提高参数的准确性和可靠性。如果没有专用变送器，系统直接采集传感元件的变化，则需要进行开方(对流量)或非线性补偿(对温度)运算，以保证采集数据的正确。182.2.5过程参数的采集3.数据采集系统的设计问题表征数据采集系统性能的基本参数有数据