第三章 计算机测控系统外围设备.ppt

第3章计算机测控系统外围设备,1.传感器和变送器2.过程控制中常用的执行器3.运动控制中常用的执行机构,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，输出信号形式由传感器原理确定。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、电压、频率、气压信号等转换成统一的标准信号。,1.1信号传输及供电的四线制与两线制1.2压力检测及变送1.3温度检测和变送1.4流量检测及变送1.5物位检测及变送1.6其它检测仪表和装置,二线制仪表的信号传输与供电共用两根导线。,四线制仪表的信号传输与供电用四根导线,1.1信号传输及供电的四线制与两线制,智能式变送器,智能式变送器采用双向全数字量传输信号，即现场总线通讯方式；智能式变送器的电源也由通信电缆传输。,HART协议,HARTHighwayAddressableRemoteTransducer可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。具有HART通信协议的变送器可在一条电缆上同时传输420mADC的模拟信号和数字信号。已成为全球智能仪表的工业标准。,HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。,HART通信采用的是半双工的通信方式，在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。,HART通信协议是依照国际标准化组织ISO的开放式系统互连OSI参考模型，简化并引用其中三层物理层、数据链路层、应用层而制定的。物理层规定了信号的传输方法和传输介质；数据链路层规定了数据帧的格式和数据通讯规程；应用层规定了通讯命令的内容。,压力检测的主要方法和分类,按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为液注式压力检测依据流体静力学原理弹性式压力检测依据弹性形变原理负荷式压力检测依据静力平衡原理电气式压力检测利用敏感元件其它检测方法弹性振动、压磁式,1.2压力检测及变送,U形管压力计根据流体静力学原理,弹簧管压力计弹性元件受力变形原理,电容式差压变送器,电容式差压变送器结构框图,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。智能型变送器具有自修正、自补偿、远程通信、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，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。,智能式压力变送器,1.3温度检测和变送,热电偶热电阻模拟式温度变送器智能式温度变送器,测温方法的分类,接触式测温基于热交换原理非接触式测温基于热辐射原理,温度计的分类和形式,膨胀式温度计辐射式温度计热电偶温度计热电阻温度计,膨胀式温度计,辐射式温度计,热电偶,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。两种不同的导体材料（或半导体）A，B组成的闭合回路。相接触时，存在电子的迁移，达到平衡时，在接触的两端形成电势。,1测温原理,热电偶的热电势是两个接点温度的函数表,只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，必须采取补偿措施。a.冰浴法；b.冷端温度修正法；c.校正仪表零点法d.补偿法。,2热电偶冷端温度补偿,1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。若忽略物体的长度和截面随温度的变化，则在参比温度t0下的电阻值Rt0和电阻温度系数a已知，可以通过测量此物体的电阻来反映其温度。RtRt0[1at-t0],热电阻,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。,2引线,两线制在热电阻感温元件两端各连一根导线的引线形式为两线制。这种方式简单、费用低，但引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适用于引线不长，测温准确度要求较低的场合。,三线制在热电阻感温元件一端接两根引线，另一端接一根引线，称为三线制。这种引线形式可以较好的消除引线电阻的影响，测量准确度高于两线制。工业热电阻通常采用三线制接法。,四线制在热电阻两端各接两根引线的接法称为四线制，主要用于高精度检测。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。能完全消除引线电阻对测量的影响，且在连接导线阻值相同时，还可以消除连接导线的影响。,3工业常用热电阻,在我国,标准化的热电阻现有铂（铂电阻有Pt10和Pt100两种分度号）和铜（Cu50和Cu100）两种。其中铂热电阻用于-200－650摄氏度范围内测温，铜热电阻因在高温下易氧化而适用于50－150摄氏度范围内测温。前者稳定性好，准确度高；后者价格便宜，电阻与温度关系的线性度较好。,电厂专用热电阻和隔爆型热电阻,套管式热电阻,装配式热电阻,1.4流量检测及变送,流量检测原理有很多，有许多分类方法按测量单位分质量流量计与体积流量计按测量流体运动原理分容积式、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,,,差压流量计转子流量计速度式流量计容积式流量计靶式流量计电磁流量计,涡街流量计超声波流量计量热式流量计质量流量计其它流量计,按测量原理细分,文丘利式差压流量计,转子流量计,转子流量计又称浮子流量计，是目前工业上或实验室常用的一种流量计。它是由一根锥形的玻璃管和一个能上下移动的浮子所组成,,涡街流量计,流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。,电磁流量计,流体流动时，两电极之间产生感应电势。,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。测量的准确度不受被测液体粘度、密度、温度及电导率变化影响，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材料，就可以测量各种腐蚀性溶液的流量，尤其在测量含有固体颗粒溶液如泥浆、纸浆、矿浆或纤维液体流量时，更显示出其优越性。,,电磁流量计,超声波流量计,超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系如管壁，顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。,利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值，从而计算流体流动的速度和流量。,1超声波流量计之传播速度差法,依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量。,2超声波流量计之多普勒法,1.5物位检测及变送,物位仪表的分类差压式液位变送器电容式物位传感器,物位仪表分类,直读式物位测量仪表浮力式物位测量仪表静压式物位测量仪表电磁式物位测量仪表辐射式物位仪表声波式物位测量仪表光学式物位测量仪表,1磁性液位控制器,利用磁性浮子随液位变化升或降，使检测管内的干簧管开关动作，送出接点信号。结构简单，易于安装维修。应用广泛，价格低廉。,2浮球液位控制器,利用重力与浮力的原理设计。主要包括浮标和微动开关，当液位变化，浮标内的开关通、断。,3顶装式磁翻柱液位计,液位计根据浮力原理和磁性耦合作用研制而成。当液位上升时，翻柱由白色转为红、白界位处为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位的指示。,4差压式液位变送器,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。,p,,5电容式物位传感器,1.6其它检测仪表和装置,接近开关、光电开关测速发电机光电编码器,开关,行程开关,接近开关,1行程开关、接近开关,2光电开关,光电开关是一种常用的开关型检测元件。它由投光器、受光器和电源组成，投光器常用发光二极管，受光器常用光敏二极管或光敏三极管。其工作原理是使投光器和受光器相对，当被测物体挡住从投光器发射出的光线时，受光器就输出相应的控制信号。光电开关按检测方式可分为反射式、对射式两种类型。,光电开关,测速发电机tachogenerator,测速发电机是专门用来测量转速的微型电机，其本质是一种微型发电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。当被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，即能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。,测速发电机有直流和交流两种。其中直流测速发电机有电刷、换向器等接触装置，使它的可靠性变差，精度也受到影响。交流测速发电机的输出频率与转速严格对应，输出信号可经放大整形变换电路转换成标准的电压或电流信号。,光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。光栅盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等组成的检测装置检测输出脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。,光电编码器,光电编码器作为一种传感器具有精度高、耗能低、非接触无磨损、稳定可靠等优点。它以数字量输出，具有与计算机容易联机的优点。编码器的应用对象，就其所测量的物理量的性质，它可对运动机械的直线位移、角位移、速度、相位等进行测量，也可间接地对能变换成这些量的，例如温度压力、流量等物理量进行测量，并给出相应的电量输出。,编码器分类表,编码器,2.过程控制中常用的执行器,执行器是过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。其作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的物理参数，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。,按动力能源分类分为气动执行器、电动执行器、液动执行器。按动作极性分类分为正作用、反作用执行器按动作行程分类分为角行程、直行程执行器按动作特性分类分为比例式、积分式执行器,执行器有各种不同的分类方法,气动执行器,气动执行器又称气动调节阀，由气动执行机构和控制机构组成。,1气动执行机构,常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类。,2控制机构,控制机构即调节阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件；调节阀的阀芯有直行程阀芯与角行程阀芯。,三通阀可以把一路流体分成两路，或是把两路流体合为一路，它们是在直通单座或双座调节阀的基础上发展起来的，可以代替两个直通阀。,电气转换器电气阀门定位器,3智能型电/气阀门定位器,以微处理器为核心采用的数字定位技术。控制精度高、能耗低、调整方便、可任意选择流量阀的流量特性、故障报警、通过接口与其它现场总线用户实现通信。,电动执行器接收来自控制器的420mA或010mA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。电动执行器有直行程、角行程和多转式等类型。,电动执行器,电动执行机构方框图,现场总线执行器,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双向通信的模件及软件组成，具有与上位机或控制系统通信的功能。智能化和高精度的系统控制功能；一体化的结构；智能化的通信功能；智能化的自诊断功能。,3.运动控制中常用的执行机构,直流伺服电机交流伺服电机步进电机电磁阀和液压阀,交流伺服电机,交流伺服电机在自动控制中也常被用来作为执行元件。在自控系统中，伺服电动机是将控制信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件。,1转速和转向方便地受控制信号控制，调速范围大2整个运行范围内特性具有线性关系，运行稳定性3当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，即伺服电机无“自转”；4控制功率小，启动转矩应大；5机电时间常数小，始动电压要低，当控制信号变化时，反应应快速灵敏。,直流伺服电机,直流伺服电机的工作原理、基本结构及内部电磁关系和一般用途的电动机相同。一般分为永磁式和电磁式两种基本结构类型。电磁式直流伺服电机按励磁方式不同又分为它励、并励、串励和复励四种；永磁式直流伺服电机也可看作是一种它励式直流电动机。,直流伺服电机是控制系统中具有启动力矩大、调速范围广、机械特性和调节特性线性度好、控制方便等特点。一般把直流电机的电枢电压作为控制信号，实现电动机的转速控制。,步进电机,步进电机又称为脉冲电机，是计算机控制系统的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号转换成相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步，步进电动机的角位移量θ或线位移量s与脉冲数k成正比；它的转速n，或线速度v与脉冲频率f成正比。,液压阀,液压阀的种类很多，按不同的分类方法可有许多种类型。按功能分，液压阀可分为压力控制阀如溢流阀、减压阀、顺序阀等。方向控制阀如单向阀、电磁换向阀、电液换向阀等。流量控制阀如节流阀、调速阀、溢流节流阀、分流阀等。,按阀的工作方式分，液压阀可分为开关型和模拟量两种。开关型液压阀工作在开和关两种工作状态，通过控制电磁铁的通断来实现。模拟量液压阀连续控制液压系统的压力、流量的变化，如比例阀、伺服阀，它是通过对比例电磁铁输入连续变化的模拟量信号来实现的。,