1、本節(jié)主要內(nèi)容 n檢測儀表功能及組成檢測儀表功能及組成n氣動和電動儀表信號標準氣動和電動儀表信號標準n測量誤差、真值、精度測量誤差、真值、精度n測量變送中的幾個主要問題測量變送中的幾個主要問題n測量信號的處理測量信號的處理 n數(shù)字濾波數(shù)字濾波n安全防爆基礎(chǔ)安全防爆基礎(chǔ)本節(jié)內(nèi)容在系統(tǒng)中的位置本節(jié)內(nèi)容在系統(tǒng)中的位置n過程控制的“眼睛”；n許多過程控制系統(tǒng)不能長期使用的主要原因就在于傳感器故障！檢測儀表功能及組成檢測儀表功能及組成 n功能：功能：用于確定被控變量的當(dāng)前值（用于確定被控變量的當(dāng)前值（Present Value）。n組成：組成：n1.1.傳感器（傳感器（Sensor）：）：檢測儀表中的首要

2、部件，它直接與檢測儀表中的首要部件，它直接與被測對象發(fā)生聯(lián)系（但不一定直接接觸）。感受被測參數(shù)的變被測對象發(fā)生聯(lián)系（但不一定直接接觸）。感受被測參數(shù)的變化，并發(fā)出與之相適應(yīng)的化，并發(fā)出與之相適應(yīng)的信號（電量或非電量）。信號（電量或非電量）。n2.2.變送器（變送器（Transmitter）：）：將傳感器送來的檢測信號進將傳感器送來的檢測信號進行轉(zhuǎn)換、放大、整形、濾波等處理后，調(diào)制成相應(yīng)的標準信號，行轉(zhuǎn)換、放大、整形、濾波等處理后，調(diào)制成相應(yīng)的標準信號，并輸出給控制器采樣或進行模擬、數(shù)字顯示。有時也將傳感器并輸出給控制器采樣或進行模擬、數(shù)字顯示。有時也將傳感器和變送電路統(tǒng)稱為變送器。和變送電路統(tǒng)

3、稱為變送器。 變送器的信號標準變送器的信號標準 n電動儀表：電動儀表：4-20mA（可達數(shù)（可達數(shù)kmkm，視帶，視帶載能力、輸入阻抗和線徑）；載能力、輸入阻抗和線徑）；1-5V（近（近距離傳輸）。距離傳輸）。n氣動儀表：氣動儀表：20-100Kpa（100m）。）。n除變送器外，控制器和執(zhí)行器的信號標除變送器外，控制器和執(zhí)行器的信號標準也如此！準也如此！電動單元組合儀表構(gòu)成控制系統(tǒng)電動單元組合儀表構(gòu)成控制系統(tǒng)過程檢測儀表的接線方式 n電流二線制和四線制電流二線制和四線制 n電阻三線制電阻三線制n通信方式通信方式 電流二線制、四線制電流二線制、四線制n二線制線路簡單，節(jié)省電纜；二線制線路簡單，

4、節(jié)省電纜；n四線制儀表的工作電源可為直流，也可四線制儀表的工作電源可為直流，也可為交流。為交流。 電阻三線制電阻三線制 n若僅采用兩根導(dǎo)線將熱電阻接入電橋，若僅采用兩根導(dǎo)線將熱電阻接入電橋，將會由于遠距離連接導(dǎo)線的電阻而引將會由于遠距離連接導(dǎo)線的電阻而引入誤差。入誤差。為防止由于遠距離接線而造為防止由于遠距離接線而造成橋臂不平衡，工程中大量采用三線成橋臂不平衡，工程中大量采用三線制：制：電阻三線制 接法一：接兩根電橋線和一根電源線接法一：接兩根電橋線和一根電源線電阻三線制 n接法二：接三根電橋線接法二：接三根電橋線通信方式通信方式 n以HART為例，在一條電纜上同時傳輸直流420mA的模擬信號

5、和數(shù)字信號。 n在直流420mA基礎(chǔ)上疊加幅值為0.5mA的正弦調(diào)制波作為數(shù)字信號，1200Hz頻率代表邏輯“1”，2200Hz頻率代表邏輯“0”。 n詳見第九章。檢測儀表的發(fā)展方向檢測儀表的發(fā)展方向n目前，自動化儀表及裝置向著目前，自動化儀表及裝置向著數(shù)字化、模塊化、高精度化、數(shù)字化、模塊化、高精度化、小型化和智能化小型化和智能化的方向發(fā)展，的方向發(fā)展，智能化是最重要的特點。智能化是最重要的特點。n與常規(guī)儀表相比，智能儀表：與常規(guī)儀表相比，智能儀表：n測量精度較高；測量精度較高；n通信功能（現(xiàn)場總線）；通信功能（現(xiàn)場總線）；n遠程標定；遠程標定；n自診斷功能等。自診斷功能等。測量誤差與真值測

6、量誤差與真值 n測量誤差：測量值與真值之間存在測量誤差：測量值與真值之間存在的差別。的差別。n真值：一個變量本身所具有的真實真值：一個變量本身所具有的真實值，它是一個理想的概念，一般是值，它是一個理想的概念，一般是無法得到的。無法得到的。n在計算誤差時，一般用約定真值或在計算誤差時，一般用約定真值或相對真值來代替。相對真值來代替。 約定真值與相對真值約定真值與相對真值 n約定真值：約定真值：一個接近真值的值，它與一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實際測量中以在真值之差可忽略不計。實際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。

7、量值之平均值作為約定真值。n相對真值：相對真值：指當(dāng)高一級標準器的誤差指當(dāng)高一級標準器的誤差僅為低一級的僅為低一級的1/3以下時，可認為高一以下時，可認為高一級的標準器或儀表示值為低一級的相對級的標準器或儀表示值為低一級的相對真值。真值。 儀表絕對誤差儀表絕對誤差 n絕對誤差的實質(zhì)，是儀表讀數(shù)與被測參絕對誤差的實質(zhì)，是儀表讀數(shù)與被測參數(shù)真實值之差。數(shù)真實值之差。n儀表的絕對誤差只能是讀數(shù)與約定真值儀表的絕對誤差只能是讀數(shù)與約定真值或相對真值之差。或相對真值之差。 AM 絕對誤差； M儀表讀數(shù)； A約定真值或相對真值。儀表相對誤差與引用誤差儀表相對誤差與引用誤差n相對誤差：儀表的絕對誤差與真值的

8、百相對誤差：儀表的絕對誤差與真值的百分比。分比。n最大最大引用誤差（滿度誤差）：引用誤差（滿度誤差）：最大最大絕對絕對誤差與儀表量程的百分比：誤差與儀表量程的百分比： %100Xmmn儀表的精度等級：滿度誤差去掉百分號儀表的精度等級：滿度誤差去掉百分號即是。即是。儀表精度等級儀表精度等級 n又稱準確度級，是按國家統(tǒng)一規(guī)定又稱準確度級，是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小劃分成的等級。的允許誤差大小劃分成的等級。n我國儀表精度等級有：我國儀表精度等級有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。級數(shù)越小，精度（準確度）就等。級數(shù)越小，精

9、度（準確度）就越高。越高。n工業(yè)控制用儀表多在工業(yè)控制用儀表多在0.14.0級，。級，。n儀表的精度等級應(yīng)視工藝需求而定，儀表的精度等級應(yīng)視工藝需求而定，不能片面追求高精度不能片面追求高精度。例題例題1n某換熱器的溫度控制系統(tǒng)方塊圖如圖。系統(tǒng)的被控參某換熱器的溫度控制系統(tǒng)方塊圖如圖。系統(tǒng)的被控參數(shù)為出口物料溫度，要求保持在（數(shù)為出口物料溫度，要求保持在（2002002020），控制，控制參數(shù)為加熱蒸汽的流量。參數(shù)為加熱蒸汽的流量。n說明圖中說明圖中R R、E E、Q Q、Y Y、F F所表示的專業(yè)術(shù)語；所表示的專業(yè)術(shù)語； n說明說明U U、P P 、Z Z的信號范圍；的信號范圍； n氣動執(zhí)行器

10、的輸入、輸出各是什么物理量？氣動執(zhí)行器的輸入、輸出各是什么物理量？ 例題例題1n說明圖中說明圖中R R、E E、Q Q、Y Y、F F所表示的專業(yè)術(shù)語；所表示的專業(yè)術(shù)語；例題例題1n說明說明U U、P P 、Z Z的信號范圍；的信號范圍； 例題例題1n氣動執(zhí)行器的輸入、輸出各是什么物理量？氣動執(zhí)行器的輸入、輸出各是什么物理量？ 傳感器使用中需注意的問題傳感器使用中需注意的問題 n信號滯后問題信號滯后問題n傳輸傳輸距離距離問題問題n信號抗干擾處理信號抗干擾處理信號滯后問題信號滯后問題n純滯后問題，由于測量純滯后問題，由于測量元件安裝位置不當(dāng)及測元件安裝位置不當(dāng)及測量儀表本身特性等容易量儀表本身特

11、性等容易引入純滯后，應(yīng)力求避引入純滯后，應(yīng)力求避免。免。 n測量滯后問題，主要由測量滯后問題，主要由測量元件本身的特性造測量元件本身的特性造成。在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)盡成。在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)盡可能選用快速測量元件。可能選用快速測量元件。測量信號的濾波處理測量信號的濾波處理 n過程控制系統(tǒng)中，過程控制系統(tǒng)中，測量信號往往帶有測量信號往往帶有噪聲；噪聲；n除傳感器本身需考除傳感器本身需考慮抗干擾處理外，慮抗干擾處理外，還可以采用控制系還可以采用控制系統(tǒng)軟件進行數(shù)字濾統(tǒng)軟件進行數(shù)字濾波處理。波處理。數(shù)字濾波數(shù)字濾波 n數(shù)字濾波即程序濾波，通過計算機軟件數(shù)字濾波即程序濾波，通過計算機軟件（運算與判斷）濾去干擾信號

12、，提高信（運算與判斷）濾去干擾信號，提高信號的真實性。號的真實性。 n常用的數(shù)字濾波有如下幾種：常用的數(shù)字濾波有如下幾種：n1.1.算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波n2.2.程序判斷濾波程序判斷濾波n3.3.中位值法濾波中位值法濾波n4.4.一階慣性濾波一階慣性濾波 算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波 n又稱為遞推平均濾波，對周期性等幅振又稱為遞推平均濾波，對周期性等幅振蕩的干擾有較明顯的濾波效果。蕩的干擾有較明顯的濾波效果。 niiiXnY11程序判斷濾波程序判斷濾波 n當(dāng)當(dāng) 時，將時，將Xi作為第作為第i次采樣值。次采樣值。n當(dāng)當(dāng) 時，應(yīng)將時，應(yīng)將Xi-1作為第作為第i次采樣次采樣值。值。nB B值

13、的選擇主要決定于對象的被測參數(shù)的值的選擇主要決定于對象的被測參數(shù)的變化速度（溫度信號一般取小值，而壓變化速度（溫度信號一般取小值，而壓力較大）。力較大）。BXXii 1BXXii1中位值法濾波中位值法濾波 n連續(xù)采樣三次以上的被測值，從中選擇連續(xù)采樣三次以上的被測值，從中選擇大小居中的那個值作為有效的測量信號大小居中的那個值作為有效的測量信號n適用場合：對變化速度不太快的參數(shù)，適用場合：對變化速度不太快的參數(shù)，去掉其干擾脈沖。去掉其干擾脈沖。 一階慣性濾波一階慣性濾波 n實質(zhì)上是通過計算機的算式來實現(xiàn)動態(tài)實質(zhì)上是通過計算機的算式來實現(xiàn)動態(tài)的的RC低通濾波：低通濾波： 11)()(sTsXsYf

14、傳感器的維護問題傳感器的維護問題n工業(yè)用儀表要定期工業(yè)用儀表要定期（如半年）進行校驗（如半年）進行校驗或標定，校正零點和或標定，校正零點和量程；量程；安全防爆安全防爆n在石油、化工等多個行業(yè)，大量存在含有易燃易爆材料的場合（危險區(qū)域），如原油及其衍生物、酒精、天然氣、金屬屑、粉塵、纖維、飛揚物等等。n安全防爆是一項綜合性技術(shù)，與過程控制關(guān)系密切。n安全防爆意義重大。危險區(qū)分類類類 別別級別級別說說 明明一、氣體和蒸一、氣體和蒸汽爆炸危險環(huán)汽爆炸危險環(huán)境境0 0區(qū)區(qū) 連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，或預(yù)計會長期出現(xiàn)或頻繁連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境，或預(yù)計會長期出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境區(qū)域出現(xiàn)爆炸性

15、氣體的環(huán)境區(qū)域1 1區(qū)區(qū) 在正常操作時，預(yù)計會周期性地（或偶然的）出現(xiàn)爆炸在正常操作時，預(yù)計會周期性地（或偶然的）出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境區(qū)域，也可能是短時存在的環(huán)境區(qū)域性氣體的環(huán)境區(qū)域，也可能是短時存在的環(huán)境區(qū)域2 2區(qū)區(qū) 在正常操作時，預(yù)計不會出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境，即使在正常操作時，預(yù)計不會出現(xiàn)爆炸性氣體的環(huán)境，即使出現(xiàn)爆炸性氣體，也只是短時間存在的場所出現(xiàn)爆炸性氣體，也只是短時間存在的場所二、粉塵爆炸二、粉塵爆炸危險環(huán)境危險環(huán)境1010區(qū)區(qū) 連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物，或預(yù)計會長期出現(xiàn)或頻連續(xù)地出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物，或預(yù)計會長期出現(xiàn)或頻繁出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的環(huán)境區(qū)域繁出現(xiàn)爆炸性粉塵混合物的

16、環(huán)境區(qū)域1111區(qū)區(qū) 有時會將積留下的粉塵揚起而偶然形成爆炸性粉塵混合有時會將積留下的粉塵揚起而偶然形成爆炸性粉塵混合物的環(huán)境區(qū)域物的環(huán)境區(qū)域防爆技術(shù)n為了確保電子設(shè)備在危險場所安全為了確保電子設(shè)備在危險場所安全使用，發(fā)展了多種防爆技術(shù)：使用，發(fā)展了多種防爆技術(shù)：n隔爆型（隔爆型（ d）n油浸型（）油浸型（）n充砂型（）充砂型（）n本安型（本安型（ i ） 隔爆型“” n把設(shè)備可能點燃爆炸性氣體把設(shè)備可能點燃爆炸性氣體混合物的部件全部封閉在一混合物的部件全部封閉在一個外殼內(nèi)；個外殼內(nèi)；n其外殼能夠承受通過外殼任其外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙，滲透何接合面或結(jié)構(gòu)間隙，滲透到殼內(nèi)的可燃

17、性混合物在內(nèi)到殼內(nèi)的可燃性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞；并且不會部爆炸而不損壞；并且不會引起外部由一種、多種氣體引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點燃，從而達到隔爆目的。點燃，從而達到隔爆目的。n適用于適用于1區(qū)和區(qū)和2區(qū)。區(qū)。 本安型“” n本質(zhì)安全防爆儀表的防爆性能不是靠儀表外殼本質(zhì)安全防爆儀表的防爆性能不是靠儀表外殼結(jié)構(gòu)或者通氣、充氣、充油等機械隔離措施獲結(jié)構(gòu)或者通氣、充氣、充油等機械隔離措施獲得的，而是電路本身固有的。得的，而是電路本身固有的。n設(shè)備內(nèi)部的所有電路在標準規(guī)定條件下，產(chǎn)生設(shè)備內(nèi)部的所有電路在標準規(guī)定條件下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不

18、能點燃規(guī)定的的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體。爆炸性氣體。n從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參數(shù)將潛在的火花能量降低到可點燃規(guī)定的路參數(shù)將潛在的火花能量降低到可點燃規(guī)定的氣體混合物能量以下，導(dǎo)線及元件表面發(fā)熱溫氣體混合物能量以下，導(dǎo)線及元件表面發(fā)熱溫度限制在規(guī)定的氣體混合物的點燃溫度之下。度限制在規(guī)定的氣體混合物的點燃溫度之下。本安型“” n該防爆型式適用于該防爆型式適用于0區(qū)、區(qū)、1區(qū)和區(qū)和2區(qū)。區(qū)。n但是，它不能單獨使用，必須和本安但是，它不能單獨使用，必須和本安關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）、外部配線一起關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）、外部配線

19、一起組成本安電路，才能發(fā)揮防爆功能。組成本安電路，才能發(fā)揮防爆功能。 n安裝在安全區(qū)（如控制室內(nèi)）的非防安裝在安全區(qū)（如控制室內(nèi)）的非防爆型儀表，需經(jīng)防爆安全柵與安裝在爆型儀表，需經(jīng)防爆安全柵與安裝在危險區(qū)的本安儀表聯(lián)接。危險區(qū)的本安儀表聯(lián)接。防爆安全柵 n安全柵安裝在安全場所，一方面?zhèn)鬏斝盘枺硪环矫鎸踩珫虐惭b在安全場所，一方面?zhèn)鬏斝盘枺硪环矫鎸⒘魅胛ｋU場所的能量控制在爆炸性氣體或混合物的點火流入危險場所的能量控制在爆炸性氣體或混合物的點火能量以下。能量以下。n發(fā)生故障時，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在發(fā)生故障時，安全柵能將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，從而確保現(xiàn)場設(shè)備、人

20、員和生產(chǎn)的安全。安全值以內(nèi)，從而確保現(xiàn)場設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。n分為齊納式安全柵與隔離式安全柵兩種。分為齊納式安全柵與隔離式安全柵兩種。齊納式安全柵與隔離式安全柵 n齊納式（齊納式（Zener）安全柵，通過）安全柵，通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實快速熔斷絲和限壓、限流電路實現(xiàn)能量限制作用。現(xiàn)能量限制作用。n隔離式安全柵，使用較多的是隔隔離式安全柵，使用較多的是隔離變壓器式安全柵。與齊納式安離變壓器式安全柵。與齊納式安全柵相比，隔離式安全柵具有如全柵相比，隔離式安全柵具有如下突出優(yōu)點：下突出優(yōu)點：n隔離式安全柵的電源、信號輸隔離式安全柵的電源、信號輸入、信號輸出均通過變壓器耦入、信號輸出均通

21、過變壓器耦合，實現(xiàn)信號的輸入、輸出完合，實現(xiàn)信號的輸入、輸出完全隔離。大大增強信號的抗干全隔離。大大增強信號的抗干擾能力。擾能力。過程控制常見被控參數(shù)n常見被控參數(shù)：常見被控參數(shù)：n溫度溫度n壓力壓力n流量流量n液位液位n成分成分n許多工業(yè)過程許多工業(yè)過程都可以直接或間接地以上都可以直接或間接地以上述參數(shù)實現(xiàn)控制。述參數(shù)實現(xiàn)控制。溫度測量方法及測量元件n接觸式和非接觸式接觸式和非接觸式n常用測量元件：常用測量元件：n熱電偶熱電偶n熱電阻熱電阻n半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻n集成溫度傳感器集成溫度傳感器（AD590）接觸式測溫 n測溫方法：測溫方法：n膨脹式，基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)；膨脹式，基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)；n熱電阻式，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變熱電阻式，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的性質(zhì)；化的性質(zhì)；n熱電偶式，基于熱電效應(yīng)。熱電偶式，基于熱電效應(yīng)。