《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.2.52.2.5溫度顯示與記錄溫度顯示與記錄溫度顯示與記錄溫度顯示與記錄溫度顯示和記錄儀表從模擬儀表發(fā)展到數(shù)字儀溫度顯示和記錄儀表從模擬儀表發(fā)展到數(shù)字儀溫度顯示和記錄儀表從模擬儀表發(fā)展到數(shù)字儀溫度顯示和記錄儀表從模擬儀表發(fā)展到數(shù)字儀表，種類繁多，但原理相似。表，種類繁多，但原理相似。表，種類繁多，但原理相似。表，種類繁多，但原理相似。2.2.5.1 2.2.5.1動圈式指示儀表動圈式指示儀表動圈式指示儀表動圈式指示儀表 可可分分別別與與熱熱電電偶偶、熱熱電電阻阻配配套套指指示示溫度，是最簡單的模擬指示儀表。溫度，是最簡單的模擬指示儀表。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章動圈式儀表的驅(qū)動動圈式儀表的驅(qū)動部件部件是動圈測量機構(gòu)，是動圈測量機構(gòu)，其本其本質(zhì)是一個磁電式毫安表。質(zhì)是一個磁電式毫安表。在在均均勻勻磁磁場場中中，載載流流直直導導線線受受到到的的作作用用力力符符合合下列關(guān)系：下列關(guān)系：F=BLIF F導線受力導線受力B B磁場強度磁場強度L L導線長度導線長度I I 通過電流通過電流NS導線受到的作用力方向可由左手定則判斷。導線受到的作用力方向可由左手定則判斷。F過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章將很細的漆包銅線繞城矩形線圈（幾百圈），將很細的漆包銅線繞城矩形線圈（幾百圈），用有彈性的導電張絲拉緊并懸掛在永久磁鐵的氣隙用有彈性的導電張絲拉緊并懸掛在永久磁鐵的氣隙間構(gòu)成動圈測量機構(gòu)間構(gòu)成動圈測量機構(gòu)。信信號號電電流流流流過過動動圈圈時時，動動圈圈受受磁磁場場力力作作用用而而偏偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，帶帶動動指指針針偏偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。同同時時張張絲絲被被扭扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)產(chǎn)產(chǎn)生生反反作作用用力力矩矩，當當與與磁磁場場力力矩矩平平衡衡時時，動動圈圈就就停停留留在在某某一一位位置置上，指針指示出被測參數(shù)值。上，指針指示出被測參數(shù)值。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章動圈測量機構(gòu)配接不同的測溫元件時電路有所動圈測量機構(gòu)配接不同的測溫元件時電路有所不同。不同。1、配熱電偶的動圈儀表、配熱電偶的動圈儀表熱電偶直接輸出毫伏信號，可以驅(qū)動動圈儀表。熱電偶直接輸出毫伏信號，可以驅(qū)動動圈儀表。但有但有動圈電阻溫度補償和動圈電阻溫度補償和量程匹配問題要解決。量程匹配問題要解決。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章由由于于熱熱敏敏電電阻阻RT溫溫度度系系數(shù)數(shù)太太大大，用用錳錳銅銅電電阻阻RM（50）和）和RT（6820）并聯(lián)。）并聯(lián)。解決辦法：解決辦法：1）用熱敏電阻）用熱敏電阻RT補償動圈電阻的溫度誤差，用補償動圈電阻的溫度誤差，用RW調(diào)整量程。調(diào)整量程。RDRMRWRTRX熱電偶熱電偶過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2 2）外接電阻和外接調(diào)整電阻）外接電阻和外接調(diào)整電阻熱電偶和動圈儀表相接后，流過動圈的電流為：熱電偶和動圈儀表相接后，流過動圈的電流為：R內(nèi)內(nèi)=表內(nèi)電阻之和表內(nèi)電阻之和R外外=RX+R補補+R偶偶 RDRMRWRTRX熱電偶熱電偶因此：因此：要求接線時調(diào)整要求接線時調(diào)整RX，使使 R外外=15過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章R外外=R調(diào)整電阻調(diào)整電阻+R連接導線連接導線+R補償器補償器+R補償導線補償導線+R熱偶熱偶=15如果用冷端補償器，則要求：如果用冷端補償器，則要求：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2 2、配熱電阻的動圈儀表、配熱電阻的動圈儀表用電橋?qū)犭娮柚缔D(zhuǎn)換成電壓信號再驅(qū)動動圈。用電橋?qū)犭娮柚缔D(zhuǎn)換成電壓信號再驅(qū)動動圈。1）電橋工作原理）電橋工作原理設設0時，電橋平衡，時，電橋平衡，則則 R1R3=R2（R0+Rto）因因 R1=R2，R3=Rto+R0有：有：I1=I2=I 當當T 時，電橋輸出時，電橋輸出Uab=R3 I（Rt+R0）I =R3 I（Rto+Rt+R0）I =Rt IRwRmRdR0R2R1RTR3abRtI2I1r r r 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章為為了了確確保保消消除除接接線線電電阻阻的的影影響響，規(guī)規(guī)定定每每根根接接線線的的電電阻阻值值為為5，為為此此，儀儀表表配配有有外接調(diào)整電阻外接調(diào)整電阻。2）三線制與外接調(diào)整電阻三線制與外接調(diào)整電阻三線制接法可以消除接線電阻的影響。設接線三線制接法可以消除接線電阻的影響。設接線電阻為電阻為rUab=（R3+r)I（Rt+Rt+R0+r）I=Rt IRwRmRdR0R2R1RTR3abRtI2I1r r r 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.2.5.2 數(shù)字式指示儀表數(shù)字式指示儀表 數(shù)字式指示儀表是以數(shù)字式指示儀表是以數(shù)字電壓表為主體而構(gòu)成數(shù)字電壓表為主體而構(gòu)成的測量儀表。其原理框圖的測量儀表。其原理框圖如下：如下：檢檢測測變變送送 寄寄存存器器 模模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換計數(shù)器計數(shù)器 脈沖信號脈沖信號 數(shù)數(shù)字字譯譯碼碼器器 顯顯示示器器模擬信號模擬信號過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 例：配熱電偶的數(shù)字例：配熱電偶的數(shù)字式測溫儀表原理框圖式測溫儀表原理框圖標準標準熱電勢熱電勢濾波濾波放大放大線性化線性化標度變換標度變換過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.2.5.3自動記錄儀表自動記錄儀表 自動記錄儀能實時記錄被測參數(shù)。自動記錄儀能實時記錄被測參數(shù)。記錄的方式有紙記錄和無紙記錄兩類。記錄的方式有紙記錄和無紙記錄兩類。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章RpRtR3r圖圖2.22 自動平衡電橋原理圖自動平衡電橋原理圖R0R2R11.自動平衡電橋式記錄儀自動平衡電橋式記錄儀配接熱電阻的測溫記錄儀。利用電橋的平衡動配接熱電阻的測溫記錄儀。利用電橋的平衡動作進行測量記錄。作進行測量記錄。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 Rt是是測測溫溫電電阻阻，Rp是是滑滑線線電電阻阻，觸觸點點B由由電電機機帶帶動動，電電機機由由電電橋橋的的不不平平衡衡電電壓壓驅(qū)驅(qū)動動。觸觸點點到到達達平平衡衡點點時時，電電橋橋輸輸出出為為零零，電電機機停停止止。B的的位位置置反反映映Rt大小，即反映了溫度的大小。大小，即反映了溫度的大小。平衡電橋測溫原理平衡電橋測溫原理RpRtR3rR0R2R1過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 電橋測溫關(guān)系電橋測溫關(guān)系當當被被測測溫溫度度為為下下限限時時，R Rt t有有最最小小值值R Rt0t0，滑滑動動觸點應在觸點應在R Rp的左端，此時電橋平衡，條件是的左端，此時電橋平衡，條件是:R2R4R3（Rto+Rp）被測溫度升高時，電橋不平衡輸出驅(qū)動電機，被測溫度升高時，電橋不平衡輸出驅(qū)動電機，帶動觸點向右移動，直至新的平衡點帶動觸點向右移動，直至新的平衡點:兩式相減得：兩式相減得：R2(R4+r1)R3(Rto+Rt+Rp-r1)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.自動電位差計式記錄儀自動電位差計式記錄儀 自動電位差計式記錄儀是配接熱電偶的測溫記自動電位差計式記錄儀是配接熱電偶的測溫記錄儀。和自動平衡電橋式記錄儀相比，放大、驅(qū)動、錄儀。和自動平衡電橋式記錄儀相比，放大、驅(qū)動、走紙機構(gòu)都相同，僅測量電路不同。走紙機構(gòu)都相同，僅測量電路不同。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章圖圖2.23中，測量電橋的輸出電壓與熱電偶電勢中，測量電橋的輸出電壓與熱電偶電勢相平衡。同時為了冷端補償，將相平衡。同時為了冷端補償，將R2換成銅電阻，和換成銅電阻，和熱電偶的冷端置于同一溫度下。當冷端溫度升高時，熱電偶的冷端置于同一溫度下。當冷端溫度升高時，設計使電壓設計使電壓VR2的增加量恰好彌補熱電勢的減少值。的增加量恰好彌補熱電勢的減少值。VR2=E(t0,0)E(t,t0)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章數(shù)字式記錄儀表數(shù)字式記錄儀表 形式多樣，內(nèi)裝形式多樣，內(nèi)裝CPU，可多通道儲存記錄被測參，可多通道儲存記錄被測參數(shù)?？梢詫崟r顯示，也可以調(diào)出歷史曲線。數(shù)?？梢詫崟r顯示，也可以調(diào)出歷史曲線。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.2.6溫度變送器溫度變送器檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號標準。變送器的任務就是將不標準的檢測信的信號標準。變送器的任務就是將不標準的檢測信號轉(zhuǎn)換成標準信號輸出。模擬系統(tǒng)的信號標準有：號轉(zhuǎn)換成標準信號輸出。模擬系統(tǒng)的信號標準有：型：型：010mA、010V；型：型：420mA、15V 型儀表的優(yōu)點是：現(xiàn)場儀型儀表的優(yōu)點是：現(xiàn)場儀表可做成二線制（表可做成二線制（24V供電），且供電），且斷線可識別。斷線可識別。數(shù)字控制系統(tǒng)的信號標準有：數(shù)字控制系統(tǒng)的信號標準有：FF協(xié)議、協(xié)議、HART協(xié)議等協(xié)議等 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.2.6.1模擬式溫度變送器模擬式溫度變送器模擬式溫度變送器有多個品種、規(guī)格，以配合模擬式溫度變送器有多個品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但電路結(jié)構(gòu)基不同的傳感元件和不同的量程需要，但電路結(jié)構(gòu)基本相同。本相同。-+電量電量傳感元件傳感元件被測溫度被測溫度輸入電路輸入電路放大電路放大電路反饋電路反饋電路輸出電流輸出電流輸出電路輸出電路過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章如如DDZ-III型熱電偶溫度變送器是一款和熱電型熱電偶溫度變送器是一款和熱電偶配接的本安型變送器，安裝在控制室使用。偶配接的本安型變送器，安裝在控制室使用。Et 電源電源輸出電路輸出電路放大電路放大電路反饋反饋輸入電路輸入電路過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章電路原理分析：電路原理分析：1輸入電路輸入電路輸入電路主要是在熱電偶輸入回路中串接一個電輸入電路主要是在熱電偶輸入回路中串接一個電橋。在電橋中實現(xiàn)熱電偶的冷端補償和測量零點的調(diào)橋。在電橋中實現(xiàn)熱電偶的冷端補償和測量零點的調(diào)整。整。Ei=Et+VRcu VR4Ei零點調(diào)整零點調(diào)整溫度補償溫度補償過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 調(diào)調(diào)R4實現(xiàn)實現(xiàn)零點調(diào)整。零點調(diào)整。VRcutot 0時時Rcu上的電壓增量上的電壓增量VRcuo 0時時Rcu上的電壓上的電壓Ei=Et+VRcuVR4=Et+VRcuto+VRcuo VR4標準熱電勢標準熱電勢零點調(diào)整零點調(diào)整 冷端補償設冷端補償設計依據(jù)：計依據(jù)：VRcuto=E(t0,0)Ei零點調(diào)整零點調(diào)整溫度補償溫度補償過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 除除了了冷冷端端補補償償和和零零點點調(diào)調(diào)整整外外，還還有有輸輸入入保保護護和和量量程程調(diào)調(diào)整整。通通過過RP2可可改改變變反反饋饋電電壓壓Vf的的分分壓壓比比，即即改變反饋強度，進而改變整個變送器的量程。改變反饋強度，進而改變整個變送器的量程。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管VDVDi1i1、VDVDi2i2 限壓保護；限壓保護；電阻電阻R Ri1i1、R Ri2i2 限流保護。限流保護。實際輸入電路實際輸入電路Et反饋信號反饋信號電橋供電電橋供電Ei=Et+VRcuto+VRcuo VRP1 VRP2 零點遷移零點遷移 量程調(diào)整量程調(diào)整過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 大幅度的零點調(diào)整叫大幅度的零點調(diào)整叫零點遷移零點遷移；測量范圍的調(diào)；測量范圍的調(diào)整叫整叫量程調(diào)整量程調(diào)整，此舉可提高測量靈敏度。，此舉可提高測量靈敏度。例如，某設備的溫度在例如，某設備的溫度在5001000之間變化。之間變化。如果儀表測量范圍是如果儀表測量范圍是0 1000，則，則500以下的測以下的測量區(qū)域?qū)儆诶速M。可通過零點遷移、量程調(diào)整，使量區(qū)域?qū)儆诶速M?？赏ㄟ^零點遷移、量程調(diào)整，使儀表的測量范圍在儀表的測量范圍在5001000之間。之間。Et反饋信號反饋信號電橋供電電橋供電01000 1000 500 4mA20mA20mA4mA過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章150010000變變送送器器輸輸出出Io/mA溫度溫度T/5000變變送送器器輸輸出出Io/mA溫度溫度T/50010000變變送送器器輸輸出出Io/mA溫度溫度T/204442020 a.未遷移未遷移 b.零點正向遷移零點正向遷移 c.零點正向遷移零點正向遷移 且縮小量程且縮小量程圖圖2.26 溫度變送器的零點遷移和量程調(diào)整溫度變送器的零點遷移和量程調(diào)整過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2、放大電路放大電路熱電偶輸出的熱電勢為毫伏信號，而測量現(xiàn)場熱電偶輸出的熱電勢為毫伏信號，而測量現(xiàn)場很容易引入干擾，因此很容易引入干擾，因此放大電路必須是高增益低漂放大電路必須是高增益低漂移的運放，深度反饋，同時還要采取抗干擾措施。移的運放，深度反饋，同時還要采取抗干擾措施。例如用熱電偶測量電爐溫度時，放大電路要浮空。例如用熱電偶測量電爐溫度時，放大電路要浮空。耐火磚的漏電耐火磚的漏電阻、漏電容阻、漏電容eab如果不接地，如果不接地，則則eab=0過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章實際放大電路實際放大電路 高高增增益益、低低漂漂移移的的ICIC2 2 ，構(gòu)構(gòu)成成差動放大器差動放大器復復合合管管VTVTa a1 1 VTVTa a2 2接接成成射射極極輸輸出出器器，實現(xiàn)實現(xiàn)V-I V-I 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換穩(wěn)穩(wěn)壓壓管管VDVD0 0的的作作用用是是當當電電流流輸輸出出回回路路斷斷開開時時，電壓輸出不受影響電壓輸出不受影響調(diào)制調(diào)制隔離隔離過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章3、反饋電路反饋電路在反饋電路中需要完成量程調(diào)整和非線性校正在反饋電路中需要完成量程調(diào)整和非線性校正兩個功能。量程調(diào)整實質(zhì)上是調(diào)整放大電路的閉環(huán)兩個功能。量程調(diào)整實質(zhì)上是調(diào)整放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)，通過調(diào)整反饋電阻的大小就可實現(xiàn)。而放大倍數(shù)，通過調(diào)整反饋電阻的大小就可實現(xiàn)。而非線性校正則需要一個校正網(wǎng)絡來實現(xiàn)。非線性校正則需要一個校正網(wǎng)絡來實現(xiàn)。IoEt-+Et熱電偶熱電偶被測溫度被測溫度T輸入電路輸入電路放大電路放大電路非線性反饋非線性反饋輸出電流輸出電流loTIoVfT過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章實際反饋電路實際反饋電路ICIC1 1及及非非線線性性反反饋饋構(gòu)構(gòu)成成的的線線性性化化修修正正電電路路，將將V Vf f轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為電電壓壓V Vf f后，反饋到后，反饋到ICIC2 2的反相輸入端。的反相輸入端。I I0 0經(jīng)經(jīng)T Tf f隔隔離離，再再整整流流濾濾波波后后，在在R Rf f、C Cf f 上上得得到到與與I I0 0成正比的反饋電壓成正比的反饋電壓V Vf f過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章供電電源供電電源變變送送器器是是24VDC供供電電。為為了了提提高高變變送送器器的的抗抗共共模模干干擾擾能能力力和和安安全全防防爆爆，放放大大電電路路要要與與電電源源隔隔離離。24VDC經(jīng)調(diào)制、隔離、解調(diào)后，供電路各部使用。經(jīng)調(diào)制、隔離、解調(diào)后，供電路各部使用。電橋穩(wěn)壓塊電橋穩(wěn)壓塊集成運放集成運放調(diào)制電路調(diào)制電路過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 安全防爆措施安全防爆措施VDi1、VDi2限壓限壓Ri1、Ri2限流限流變壓器隔離變壓器隔離限壓限壓限流限流過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章4、DDZ-III型熱電偶溫度變送器原理電路型熱電偶溫度變送器原理電路Et 電源電源輸出電路輸出電路放大電路放大電路反饋反饋輸入電路輸入電路過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 近年來，已推出模塊式、導軌式和一體化溫度近年來，已推出模塊式、導軌式和一體化溫度變送器。變送器。24VDC供電，電路高度集成，自帶冷端補供電，電路高度集成，自帶冷端補償功能，償功能，并可以智能化。并可以智能化。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.2.6.2智能溫度變送器智能溫度變送器 智能變送器是采用微處理器技術(shù)的現(xiàn)場型儀表。智能變送器是采用微處理器技術(shù)的現(xiàn)場型儀表?？奢敵瞿M、數(shù)字混合信號或全數(shù)字信號，可以通可輸出模擬、數(shù)字混合信號或全數(shù)字信號，可以通過總線網(wǎng)絡與上位計算機通信，構(gòu)成集散控制系統(tǒng)過總線網(wǎng)絡與上位計算機通信，構(gòu)成集散控制系統(tǒng)或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)?；颥F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章智能一體化溫度變送器智能一體化溫度變送器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章小結(jié)小結(jié)溫度測量溫度測量熱電阻熱電阻集成溫度傳感器集成溫度傳感器 溫度變送器溫度變送器動圈儀表動圈儀表自動平衡記錄儀自動平衡記錄儀測量方法測量方法 非接觸式非接觸式接觸式接觸式作業(yè)（作業(yè)（P69）：）：2-7、2-9題題熱電偶熱電偶