计算机控制系统中的检测设备和执行机构Word文档下载推荐.docx
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膜盒式差压变送器、电容式差压变送器、扩散硅式差压变送器、振弦式差压变送器和电感式差压变送器等。
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：
液柱式压力检测。
它是依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。
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。
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。
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。
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电量，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。
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
电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件，是目前工业上普遍使用的一种变送器，系统构成框图如图2.1所示。
3.智能式差压变送器
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。
它由传感器件和电子组件两部分组成，其工作原理与模拟电容式差压变送器基本相同，变送器检测元件采用电容式压力传感器，同时还配置了温度传感器，用以补偿热效应带来的误差。
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。
2.1.3温度检测及变送
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。
温度变送器与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统一信号，以实现对温度或温差信号的显示和记录。
温度变送器分为模拟式温度变送器和智能式温度变送器两大类。
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，精度高。
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检测仪表；
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而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。
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也在不同领域得到应用。
2.热电偶测温原理
热电偶温度计利用不同导体或半导体的热电效应来测温的。
将两种不同的导体或半导体A和B接成闭合回路，接点置于温度为t及
的温度场中，设t>
，则在该回路中会产生热电动势：
接触电势
和
，温差电势
和
，它们与t及
有关，与两种导体材料的特性有关。
可以导出回路总电势：
即，在实际应用中，保持冷端温度
不变，则总热电势
只是温度的单值函数：
为使
恒定，且从经济性角度考虑，常采用补偿导线（或称延伸导线）将冷端从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0º
C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。
由于操作室的温度往往高于0℃，而且是不恒定的，因此这时利用热电偶测温时产生的热电势必然偏小，且测量值随着冷端温度的变化而变化，测量的结果就会产生误差。
所以在使用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0º
C，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0º
C的方法（冰浴法）、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（分度号为B）、铂铑10-铂热电偶（分度号为S）、镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（分度号为K）等。
3.热电阻测温原理
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：
式中，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）。
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。
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。
两线制：
在热电阻的两端各连一根导线的引线形式为两线制。
因此两线制适用于引线不长，测温准确度要求较低的场合。
三线制：
在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制。
这种方式通常与电桥配套使用，可以较好地消除引线电阻的影响，是工业过程中最常用的引线方式。
4.模拟式温度变送器
典型的模拟式温度变送器是气动和电动单元组合仪表变送单元的主要品种，大都经历了从Ⅰ型到Ⅱ型再到Ⅲ型的发展过程。
以DDZ-Ⅲ型为例，它可以和热电阻或热电偶配合使用，将温度信号转换成统一标准信号；
它也可以作为直流毫伏转换器来使用，将其它能够转换成直流毫伏信号的工艺变量也变成统一的标准信号。
模拟式温度变送器主要由测量部分和放大部分组成，如图2.6所示。
经输入回路转换成直流毫伏信号
后，
和零点调整与迁移零电路产生的调零信号
的代数和同反馈电路产生的反馈信号
进行比较，其差值送入放大器，经放大后得到整机的输出信号
。
5.智能式温度变送器
智能式变送器具有通用性强、使用灵活、具有各种补偿功能、各种控制功能、通讯功能和自诊断功能等特点，有模拟式温度变送器所不能比拟的优点。
具有量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、重量轻以及安装维护方便等优点。
还可接收两个测量元件的信号，具有双通道输入，并具有现场控制的功能。
输入板输入板上的环境温度传感器用于热电偶测量时的冷端温度补偿。
隔离电路包括信号的隔离和电源的隔离两部分。
主电路板主电路包括CPU、通讯控制器、信号整形电路、电源电路等，它是变送器的核心部分。
通信控制器和信号整形电路与CPU共同完成数据的通讯功能。
供电电压9-32VDC。
液晶显示液晶显示部分通过一个低功耗的显示器实现数据的显示功能。
系统程序保证变送器各硬件电路的正常工作并实现所规定的各项功能，同时完成各组成部分之间的管理。
功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以实现用户所要求的功能。
用户可以通过上位管理计算机或手持式组态器，对变送器进行远程组态，调用或删除功能模块。
2.1.4流量检测及变送
生产过程中大量的气体、液体等流体介质的流量需要准确检测与控制，以保证设备在合理负荷和安全状态下运行。
所谓流量大小，指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。
由于温度、粘度、腐蚀性及导电性等因素影响，难以找到普遍适宜的检测手段。
所以流量检测原理有很多，有许多分类方法：
按测量的单位分：
质量流量计和体积流量计；
按测量流体运动的原理分：
容积式、速度式、动量式和质量流量式；
按测量方法分：
直接测量式和间接测量式。
下面主要介绍卡曼涡街流量计及电磁式流量计。
1.卡曼涡街流量计
涡街流量计又称为漩涡流量计，是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。
在管道轴线上放置与管道轴线相垂直的障碍柱体（不管是圆柱、方柱、还是三角柱），管道中会产生有规律的漩涡序列。
漩涡成两列而且平行，像街灯一样，故称“涡街”。
又因此现象首先被卡曼（Karman）发现，也称作“卡曼涡街”。
式中，
为“斯特拉哈尔数”，与障碍物形状和雷诺数有关。
当障碍物形状以及管道都确定后，可以导出体积流量
与频率f成正比，即
=kf。
对于方柱，雷诺数的范围不同，
不是常数（如雷诺数
~
时），但
与雷诺数仍有对应关系，仍可得出体积流量的正确结果。
涡街频率有许多种可行的测量方法，如热敏检测法、电容检测法、压力检测法等，这些方法无非是利用漩涡得到局部压力、流速等的变化，并作用于敏感元件，产生周期性电信号，再经整形放大，得到方波脉冲。
涡街流量计以脉冲频率的方式，输出与被测流量成正比的信号，而且障碍物柱体与传感器的压力损失比孔板节流装置小，表现出简单而优良的特性，因而呈飞速发展的趋势。
美国费希尔-罗斯蒙特公司推出的8800型卡曼涡街流量变送器就是其中代表。
2.电磁式流量计
电磁流量计是基于电磁感应原理来测量流量的仪表，它能测量具有一定电导率的液体的体积流量。
由于它测量的准确度不受被测液体的粘度、密度、温度以及电导率（在允许最低限以上）变化的影响，测量管中没有任何阻碍被测液体流动的部件，所以几乎没有压力损失。
适当选用测量管中绝缘内衬和测量电极的材料，就可以测量各种腐蚀性（酸、碱、盐）溶液的流量，尤其是在测量含有固体颗粒的溶液如泥浆、纸浆、矿浆或纤维液体的流量时，更显示出其优越性。
电磁流量计通常由变送器和转换器两部分组成。
当导电液体流过管道时，因流体切割磁力线而产生了感应电势。
此感应电势由与磁极成垂直方向的两个电极引出。
当磁感应强度不变，管道直径一定时，这个感应电势的大小仅与流体的流速有关，而与其它因素无关。
将这个感应电势经过放大、转换、传送给显示仪表，就能在显示仪表上读出流量来。
感应电势的方向由右手定则判断。
2.1.5物位检测及变送
在生产过程中常需要对容器中储存的固体（块料、粉料或颗粒）、液体的储量进行测量，以保证生产工艺正常运行和进行经济核算。
这种测量通过检测储物在容器中的积存高度来实现，储物的堆积高度就叫做物位。
容器、河道、水库中液体的表面位置（相对于某一指定位置）叫液位；
容器、堆场、仓库等所储固体颗粒、粉料等的堆积高度叫料位；
同一容器中储存的两种密度不同且互不相溶的液体之间或两种介质之间的分界面位置称为相界面位置。
物位的测量就是指以上三种位置的测量，测量固体物位的仪表称为料位计，测量液体物位的仪表称为液位计，测量相界面位置的仪表称为界面计。
通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量；
监视或控制容器内的介质物位，使它保持在一定的工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连接监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。
所以，一般测量物位有两种目的，一种是对物位测量的绝对值要求非常准确，借以确定容器或储料库中的原料、辅料、半成品或成品的数量；
另一种是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速准确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制。
1.物位仪表的分类
物位测量方法很多，但无论是哪一种测量方法，一般都可以归结为测量某些物理参数，如测量高度、压力（压差）、电容、γ射线强度和声阻等。
物位仪表按工作原理可分为：
直读式物位测量仪表。
它是最原始但仍应用较多的物位测量仪表，主要有玻璃管液位计、玻璃板液位计等。
浮力式物位测量仪表。
利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子（或称沉筒）的浮力随液位高度而变化的原理来工作。
它也是一种应用范围很广的物位测量仪表。
静压式物位测量仪表。
它是利用液柱或物料堆积对某定点产生压力，测量该点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量物位的仪表。
电磁式物位测量仪表。
它是将物位的变化转换为电量的变化，进行间接测量物位的仪表。
它可以分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式物位仪表等，还有利用压磁效应工作的物位仪表。
核辐射式物位仪表。
利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的，目前应用较多的是γ射线。
声波式物位测量仪表。
由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测出物位。
所以声波式物位测量仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。
光学式物位测量仪表。
利用物位对光波的遮断和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白炽灯光或激光等。
还有一些其它形式的物位测量仪表，如射流式、称重式、热敏式、音叉式等多种类型，而新原理、新品种仍在不断发展之中。
2.差压式液位变送器
利用差压或压力变送器可以很方便的测量液位，且能输出标准的电流或气压信号。
差压式液位变送器是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。
将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。
因此可得式中通常，被测介质的密度是已知的。
差压变送器测得的差压与液位高度成正比，这样就把测量液位高度转换成测量差压的问题了。
当测量容器是敞口的，气相压力为大气压力时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。
在实际应用过程中，H和
之间的对应关系不像式（2.18）那么简单，通常还存在着正、负迁移的问题，在应用时要加以注意。
3.电容式物位传感器
在电容器的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小也有所不同。
因此可通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。
由两个同轴圆柱极板组成的电容器，当两极板之间的介质为空气时，两极板间的电容量为：
式中L——两极板相互遮盖部分的长度；
可知电容量的变化为因此，电容量的变化与液位高度H成正比。
式（2.21）中
为比例系数。
2.1.6其它检测仪表和装置
除去上面介绍的压力、温度、流量和物位传感器和变送器外，工业现场还有大量其它类型的检测装置在使用。
如用于开关量信号检测的接近开关、光电开关等；
用于速度检测的测速发电机、光电旋转编码器等；
用于位移检测的计量光栅、光电编码器等；
用于质量检测的称重仪表；
用于厚度测量的涡流式测厚仪、射线式测厚仪等。
1.行程开关、接近开关
行程开关、接近开关主要将机械位移变为电信号，以实现对系统的控制，广泛应用在机电一体化的设备上，作为电路自动切换、限位保护、行程控制等应用。
行程开关，通过机械力使触点动作，可分为快速动作、非快速动作及微动三种。
接近开关是一种无触点电子开关，当被检测的物体接近到一定距离时,不需要接触就能发出开关动作信号。
是一种在一定距离内,检测金属有无的传感器,它给出的是开关信号（高电平或低电平）,具有一定驱动负载的能力（如继电器等）。
因此，该类型采用端子连接方式，并可交、直流电源通用。
放大器内藏型是将放大器与传感器一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，使用直流电源工作。
它不需要电刷和换向器，结构简单，不产生干扰火花，但是输出特性随负载性质（电阻、电感、电容）变化而变化。
执行器由执行机构与调节机构构成，在用电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛应用以下三种控制方式，因此，目前在自控系统中应用的气动调节阀大多数都与阀门定位器配套使用。
它的结构简单、价格便宜、维修方便，应用广泛。
气动执行机构接收的信号标准为0.02~0.1MPa。
推杆受压移动，使弹簧受压，当弹簧的反作用力与推杆的作用力相等时，输出的位移L与信号压力p成正比。
气动薄膜执行机构的行程规格有10mm、16mm、25mm、60mm、100mm。
当来自控制器或阀门定位器的信号压力增大时，阀杆向下动作的叫正作用执行机构（ZMA型）；
当信号压力增大时，阀杆向上动作的叫反作用执行机构（ZMB型）。
2.控制机构
调节阀由阀体、阀座、阀芯、阀杆、上下阀盖等组成。
根据不同的使用要求，控制阀的结构形式很多，主要有以下几种：
其特点是结构简单、泄露量小，易于保证关闭，甚至完全切断。
这种阀一般用于小口径、低压差的场合。
式中，ξ为调节阀阻力系数，与阀门结构形式、开度和流体的性质有关。
在上式中，A一定，ΔP和ρ不变的情况下，流量Q仅随阻力系数ξ变化（即阀的开度增加，阻力系数ξ减小，流量随之增大）。
调节阀就是通过改变阀芯行程调节阻力系数ξ，来实现流量调节的。
由于调节阀开度变化时，阀前后的压差ΔP也会变，从而流量q也会变。
不同的阀芯形状，具有不同的理想流量特性：
放大倍数随流量增大而增大，所以，开度较小时，控制缓和平稳；
大开度时，控制灵敏、有效。
各种调节阀，其特性都不过零（即都有泄漏），为此，常接入截止阀。
串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重。
串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。
3.电/气转换器和电/气阀门定位器
因而有各种电/气转换器及气/电转换器把电信号（0~10mADC或4~20mADC）与气信号（0.02~0.1MPa）进行转换。
电/气转换器可以把电动变送器送来的信号变为气信号，送到气动控制器或气动显示仪表；
也可把电动控制器的输出信号变为气信号去驱动气动调节阀，此时常用电/气阀门定位器，它具有电/气转换器和气动阀门定位器两种作用。
输入信号为电动控制系统的标准信号4~20mA或0~10mA，转换为0.02~0.1MPa气动信号再驱动气动执行器。
电流流过线圈产生电磁场，电磁场将可动铁心磁化，磁化铁心在永久磁钢中受力，相对于支点产生力矩，带动铁心上的挡板动作，从而改变喷嘴挡板间的间隙，喷嘴挡板可变气阻发生改变，使图中气阻与喷嘴挡板机构的分压系数发生变化，有气压信号
输出,
通过功率放大器放大，输出气动执行器的标准气信号。
电/气阀门定位器具有电/气转换器与阀门定位器的双重功能，它接收电动调节器输出的4~20mA直流电流信号，输出0.02~0.1MPa或0.04~0.2MPa（大功率）气动信号驱动执行机构。
目前，国外一些大公司（如西门子、费希尔─罗斯蒙特等）相继推出了智能型电/气阀门定位器，使定位精度优于全行程的0.5%，且符合现场总线标准，同时，其它性能也有提高。
它接收来自控制器的4~20mA或0~10mA直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制。
电动执行器主要由伺服放大器和执行机构组成，中间可以串接操作器，如图2.23所示。
伺服放大器接收控制器发来的控制信号（1-3路），将其同电动执行机构输出位移的反馈信号If进行比较，若存在偏差，则差值经过功率放大后，驱动两相伺服电机转动。
再经减速器减速，带动输出轴改变转角θ。
伺服放大器主要包括放大器和两组可控硅交流开关Ⅰ和Ⅱ。
可控硅交流开关Ⅰ、Ⅱ用来接通伺服电机的交流电源，分别控制伺服电机的正、反转或停止不转。
符合现场总线的智能执行器由传统的执行器、含有微处理器的控制器以及可与PC或PLC双向通信的硬件及软件组成，具有与上位机或控制系统通信的功能。
控制运算任务由传统的控制器转为由执行器的微处理器来完成，即执行器直接接受变送器信号，按设定值自动进行PID调节、控制流量、压力、压差和温度等多种过程变量。
由于符合现场总线的通信协议，所以，可与任何其它符合现场总线的系统相互集成，构成控制系统。
可以自由组态的智能执行器具有较高的灵活性，因此，只需要少量类型的执行器就可以满足多变的工业现场要求。
例如，对于输入信号，可以通过软件组态来选择合适的信号源，而不必更换硬件，也可以任意设置执行器的运行速度和行程。
伺服电动机的这种失控而自行旋转的现象称为“自转”。
自转现象显然不符合可控性的要求，那么，怎么样消除“自转”这种失控现象呢？
从单相异步电动机理论可知，单相绕组通过电流产生的脉振
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