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1、计算机控制技术第5章 计算机控制系统中常用的设备l 本章的教学目的与要求掌握各种传感器、变送器及其执行机构的原理及使用方法。l 授课主要内容l 传感器和变送器l 执行机构和执行器l 主要外语词汇Sensor:传感器，Transmeter:变送器，Executive body:执行机构 l 重点、难点及对学生的要求说明：带“*”表示要掌握的重点内容，带“*”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容l 各种传感器的原理和使用*l 各种执行机构和执行器的原理和使用*l 辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT）l 复习思考题l 各种传
2、感器的原理和使用l 各种执行机构和执行器的原理和使用l 参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义第5章 计算机控制系统中常用的设备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。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。一 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
3、、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。HART协议仪表仍引用两线制，它在两根导线上增加第三项功能：传输数字的控制信号。 二 压力变送器1. 压力检测的主要方法和分类压力检测
4、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：液注式压力检测：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。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、斜管微压计等。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。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量，如电阻、电感、电容、电位差等。其它压力检测方法，如弹性振动式压力计、压磁式压力计。2. 电容式差压变送器电容式差压
5、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，然后通过特种方法将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。检测机构由室实现，如图5.1所示。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。智能型变送器的特点是可进行远程通信。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，促使变送器与计算机、控制系统直接对话。三 温度检测及变送器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
6、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，在接触过程中易破坏被测对象的温度场分布，造成测量误差；不能测量移动或太小物体；测温上限受温度计材质限制，所测温度不能太高。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；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。2. 热电偶测温原理及热电偶温度变送器测温原理：热电偶温度计利用材料的热电效应。如图所示，将两种不同的导体或半导体A和B接成闭合回路，
7、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ABT0T图5.2 热电偶回路性有关。可以导出回路总电势： 即， （5.3）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： （5.4） 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0C的情况下得到的。利用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0C，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
8、温度保持为0C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：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420mA和15V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。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 tC热电偶输入电桥放大电路反馈电路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
9、测量温度的。其电阻值与温度关系如下式： （5.5） （5.6） 式中 Rt温度为tC时的电阻值；Rt0温度为t0（通常为0C）时的电阻值；电阻温度系数；t 温度的变化值；Rt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。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。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。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
10、根引线，此种引线方式称为三线制。工业热电阻通常采用三线制接法。图5.4 热电偶温度变送器结构方框图+-输出电流 Io被测温度 tC热电阻输入电桥放大电路反馈电路四线制。在热电阻感温元件的两端各连接两根引线接法称四线制。主要用于高精度温度检测。其中两根引线为热电阻提供恒流源I，在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位差计进行测量。热电阻温度变送器与热电阻配套使用，将温度转换成420mA和15V的统一标准信号。热电组温度变送器的结构大体上也可以分为三大部分：输入桥路、放大电路及反馈电路。如图5.4所示。和热电偶温度变送器比较，放大电路是通用的，只是输入电桥和反馈电路不同。四 流量检测及变送1.
11、卡曼涡街流量变送器在管道轴线上放置于管道轴线向垂直的障碍柱体（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，如图5.5所示。漩涡成两列而且平行，像街灯一样，故称“涡街”。每个漩涡间距离为l，两列漩涡间距离为h。实验和研究表明，当h/l=0.281时，涡街将表现出稳定的周期现象，其涡街频率f与管道内障碍柱体两侧介质流速v1之间的关系为： ，式中，St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qV与频率f成正比，即qV=kf。只要测出涡街的频率f，就能得到流过流量计管道的流体的体积流量。涡街频率有许多种可行的测量方法，其中应力检测法
12、更加成熟并已推出系列化产品。2. 电磁式流量计电磁流量计是根据电磁感应定律工作的流量计，它能测量具有一定电导率的液体的体积流量。电磁流量计通常由变送器和转换器两部分组成。被测介质的流量经变送器变换成感应电势后，再经转换器把电势信号转换成统一的010mA直流信号作为输出，以便进行指示、记录或与电动单元组合仪表配套使用。 电磁流量计变送部分的原理图如图5.7所示。在一段用非导磁材料制成的管道外面，安装有一对磁极N和S，用以产生磁场。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
13、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。五 物位测量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、射线强度和声阻等。物位仪表按所使用的物理原理可分为：直读式物位测量仪表。它可以直接用于被测容器连通的玻璃罐或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的物位测量仪表。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。它也是一种应用最早并且应用范围很广的物位测量仪表。静压式物位测量仪
14、表。它是利用液柱或物料堆积对某定点产生压力，测量改点压力或测量改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。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。2.差压式液位变送
15、器利用差压或压力变送器可以方便的测量液位，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。其原理如图5.8所示。将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。设容器上部空间为干燥气体，其压力为p，则 （5.12）因此可得 （5.13）式中 H液位高度介质密度g重力加速度p1，p2分别为差压变送器正、负压室的压力通常，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。3. 浮筒式液位计圆柱形的浮筒沉浸在液体之中，当液面变化时，它被浸没的体积也有变化，浮筒受到的浮力就与原来的不同，所以可通过检测浮力变化来
