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1、Chap4 控制系统中的仪器仪表,基本控制系统,4.1 过程参数的检测,概述 压力检测 温度检测流量检测物位检测成分和物性参数的检测软测量技术简介,3.1 概述,检测过程与测量误差 过程参数的一般检测原理 变送器的基本特性和构成原理 变送器的若干共性问题,3.1.1 检测过程与测量误差,检测过程,参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。,传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如mV、V、mA、Hz、位移、力等等。由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的
2、进一步处理，把传感器的输出转换成如010mA、420mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被测量显示出来。,测量误差,测量误差仪表测得的测量值 与被测真值 之差,由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。即：,x0标准表读数,测量误差的几种表示形式：,绝对误差,实际相对误差,标称相对误差,相对百分误差,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度,一台测量范围01000kPa的压力测量仪表，其最大绝对
3、误差10kPa(在整个量程范围内)，另一台测量范围0400kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差5kPa，请问哪一台压力检测仪表的精度更高？,虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。,由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:,仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度等级,仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定
4、的工作条件下允许的最大相对百分误差。把仪表允许的最大相对百分误差去掉“”号和“”号，便可以用来确定仪表的精度等级。,目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。,所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5，以此类推,1.5,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。,精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：,检测仪表的主要性能指标
5、,仪表的精确度等级,例1：某压力变送器测量范围为0400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误差为5kPa，请确定该仪表的精度等级。,解：先求最大相对百分误差,去掉和%为1.25，因此该变送器精度等级为1.5级,例2：根据工艺要求选择一测量范围为040m3/h的流量计，要求测量误差不超过0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。,解：同样，先求最大相对百分误差,因此该流量计必须选择1.0级的流量计,结论：工艺要求得允许误差仪表的允许误差校验所得到的相对百分误差,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度等级,例3：某被测温度信号在7080范围内变化，工艺要求测量误差不超过1，现有两台温度测量仪表，
6、精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围是0100，另一台仪表的测量范围是0200，试问这两台仪表能否满足上述测量要求。,解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：|max|7010.7 测量范围为0100的仪表的最大允许绝对误差为：|max|11000.50.5 测量范围为0200的仪表的最大允许绝对误差为：|max|22000.51.0,根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为0.5级，但只有测量范围是0100的温度测量仪表才满足本题的测量要求。,检测仪表的主要性能指标,非线性误差,在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪
7、表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。,通常非线性误差用实际测得的输入输出特性曲线（也称为校准曲线）与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,检测仪表的主要性能指标,变 差,在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。,变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,检测仪表的主要性能指标,灵敏度和分辨力,灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输出变化量和输入变化量
8、之比，即,灵敏度y/x,分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入的最小变化量。,检测仪表的主要性能指标,动态误差,引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常采用时间常数T和传递滞后时间（纯滞后时间）两个参数表示（这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数T和纯滞后时间的数学含义是一致的）,相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。,动态误差是指检测系统受外扰动作用后
9、，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。,它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间的不利影响会远远超过时间常数T的影响。,3.1.2 过程参数的一般检测原理,参数检测离不开敏感元件（传感器），敏感元件是按照一定的原理把被测变量的信息转换成另一种可进行进一步处理或表示的信息。,守恒定律,守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、动量守恒等等。例如：孔板流量计、转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变化(能量守恒)来测量流体的流速。,这个转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应:,场的定律,如静电场、电磁场的感应定律、动力场的运动定律等等。典型例子：电容传感
10、器。,-两平行板间物质的介电常数，S-板面积，d-两平行板之间的距离。如果把一个极板固定，把另一个极板与可产生位移的敏感元件相连，即可将敏感元件的位移转换成电容量的大小。,过程参数的一般检测原理,热电效应,把两种不同的导体或者半导体连接成闭合的回路，如果将两个接点分别放置于不同的温度，则该回路内部会产生热电势，这种现象称为热电效应，,利用导体的热电效应，可将两种不同的导体制成热电偶用于温度检测，这也是一种工业上普遍使用的温度检测方法之一。,电阻的热效应,电阻的热效应是指金属导体的电阻值随温度变化而发生变化的现象。通常，电阻值和温度之间可以建立如下的简化关系式,Rt为温度t时的电阻值，Rt0为温
11、度t0时的电阻值，为温度系数。可见，温度的变化可以导致电阻体的电阻发生变化，因此只要设法测量出电阻值的变化就可以达到测量温度的目的，这也是另一种工业上普遍使用的温度检测方法。,过程参数的一般检测原理,压电效应,当某些材料受压发生机械形变时，在两个相对的面上会产生异号电荷。这种在没有外电场存在，由于形变引起的电现象称为压电效应。,应变效应和压阻效应,利用金属导体和半导体材料制成的电阻体，其阻值R可以表示成,可见，利用压电效应可进行力、压力的测量。,电阻体的电阻值变化归结为两个因素：由尺寸变化引起的（如 l、A），称为应变效应；由电阻率变化引起的，称为压阻效应。对于金属材料，以前者为主；对于半导体
12、材料，以后者为主。,当电阻体材料的电阻率、长度或者截面积发生变化，可引起电阻体电阻值发生变化,利用材料的应变效应和压阻效应制成的敏感元件可用于压力等参数的测量。,3.1.3 变送器的基本特性和构成原理,传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。但由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往十分微弱并伴有非线性，因此，除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外，多数情况下都要利用变送器来把传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号，送到显示装置以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，
13、或者同时送到控制器对其实现控制。,变送器基本的输入输出特性,对于一个检测系统来说，传感器和变送器可以是两个独立的环节，也可以是一个有机的整体。但是，变送器的输入输出特性通常是指包括敏感元件和变送环节的整体特性，原因：一是人们往往更关心检测系统的输出与被测物理量之间的对应关系，二是敏感元件的某些特性往往需要通过变送环节进行处理和补偿以提高测量精度，例如：线性化处理、环境温度的补偿等等。,变送器基本的输入输出特性,变送器的理想输入输出特性,xmax和xmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值 ymax和ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值对于模拟式变送器：ymax和ymin即为统一标准信
14、号的上限值和下限值对于智能式变送器：ymax和ymin即为输出数字信号范围的上限值和下限值,模拟变送器的构成原理,测量部分,放大器,反馈部分,x,测量部分Ki,模拟式变送器的组成：,zi,放大器Ko,y,反馈部分Kf,zf,+,零点调整零点迁移,+,z0,关键环节：,当满足KoKf1的条件时,x,Ki,zi,Ko,y,Kf,zf,+,+,z0,变送器的输入输出关系,如果，ymin，ymax 与xmin，xmax，如何调整？,1.调整Ki、Kf可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点,2.调整z0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移,数字式变送器的构成原理,x,检测元件,A/D转换,CPU,通
15、信电路,数字信号,存储器,一般形式,x,检测元件,A/D转换,CPU,通信电路,FSK信号,存储器,D/A转换,Frequency shift keying,采用HART协议通信方式,数字式变送器软件部分包括:A/D采样程序 量程转换程序 工程量变换程序 滤波程序 误差校正程序 D/A输出程序 通讯程序 辅助功能程序,数字变送器的软件组成,3.1.4 变送器的一些共性问题,零点调整和零点迁移,线性化,变送器信号传输方式,量程调整,量程调整,量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数,使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xma
16、x相对应,量程调整的方法,改变反馈部分的反馈系数Kf,改变测量部分转换系数Ki,软件实现,模拟式变送器,数字式变送器,Kf,Ki,量程,量程,零点调整,零点调整的方法模拟变送器：调Z0数字变送器：软件,使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin=0相对应,x,零点迁移,使变送器的输出信号下限值ymia与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin0时，称为零点迁移,当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移,零点调整使变送器的测量起始点为零,零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值:,xmin,xmax
17、,xmin,xmax,零点迁移的方法模拟变送器：调Z0数字变送器：软件,线性化,原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系,模拟式变送器非线性补偿方法:,1.使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性,2.使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性,数字式变送器非线性补偿方法:软件实现,变送器信号传输,气动变送器：,电动模拟式变送器：,HART通讯协议方式,数字式变送器：,两根气动管线（气源和信号）,二线制四线制,双向全数字量传输信号(现场总线通信方式),二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号,二线制,四线制,供电电源和输出信号分别用二根导线传输,电动模拟式变送器信号
18、传输方式,节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰,二线制变送器的条件：,工作电流：,工作电压：,二线制,二线制优点：,目前大多数变送器均为二线制变送器,数字式变送器信号传输方式,HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种过渡性协议，它采用FSK技术，在420mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通讯能同时进行，即在一条电缆上同时传输420mA的模拟信号和数字信号，互不干扰。我国目前工业现场中420mA标准的模拟仪表仍大量存在，HART协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。,HART通讯协议:,物理层,数据链
19、路层,应用层,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：,这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持,于 1 993年成立了HART通信基金会。,物理层规定了信号的传输方法和传输介质,传送速率为1200 bit/s,FSK信号相位连续，均值0，则叠加上的信号对模拟信号没有影响,信号传输：基于Bell 202 通讯标准，采用频移键控FSK方法，在420mA基础上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波作为数字信号,物理层,传输介质:单芯带屏蔽双绞电缆 3000米 多芯带屏蔽双绞电缆 1500
20、米 短距离可使用非屏蔽电缆,规定了数据帧的格式和数据通讯规程,定界符定义了帧的类型和寻址格式,地址有短格式(1字节)和长格式(5字节),响应码在变送器向主设备通信时才有，表示数据通信状态和变送器工作状态,数据帧格式：由链路同步信息、寻址信息、用户信息及校验和组成,数据链路层,供参考,HART协议按主/从方式通讯即：只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息。通信由主设备发起，即发出请求(指令)，被访问的从设备(即现场仪表)负责解析指令并返回对指令的响应。HART的介质访问控制本质是上一种令牌总线技术，它的最大优点是保证数据在总线上传输时不发生冲突(只是取得令牌，才有权发起通信)，同时保证在限
21、定时间内任一站点可以取得链路控制权。HART的令牌是隐含的，即没有“令牌帧”的存在，而是定义了与令牌作用相似的时限(定时)规则。,供参考,点对点模式-在一条电缆上同时传输420mADC的模拟信号和数字信号,多点模式-一条电缆连接多个现场设备，这是全数字通信模式,阵发模式-允许总线上有一个从站自动、连续地发送标准的HART响应信息,有三种通讯模式：,从设备可以被主设备组态为阵发模式(Burstmode)，即自动执行某一特定指令并给出响应无需得到请求，只有在此模式下从设备可以发起通信，从而可能引起与主设备间对链路控制权的争用，否则从设备持续非活动(等待)状态，仅能对请求作出响应。同一链路上只能有一
22、个阵发模式从设备与主设备，包括一个第一主设备和一个第二主设备，同时存在,供参考,第一主站可以是DCS、PLC、基于计算机的控制或监测系统，第二主站可以是手持终端，手持终端几乎可以连接在网络任何地方，在不影响第一主站通信的情况下与任何一个现场设备通信。,供参考,规定了通讯命令的内容,命令类型：,通用命令,通用操作命令,特殊命令,适用于所有符合HART协议的现场仪表,包括制造厂商和仪表类型、变量值和单位、阻尼时间、系列号等,适用于大部分符合HART协议的现场仪表,包括读变量、改变上/下限值、调零和调量程、仪表自检等,各制造厂的产品自己所特有的命令,用于对仪表中的专门参数或仪表的特有功能进行自由定义
23、，如开始、结束或清累积，读写校正系数，使能PID，改变给定值等,应用层,供参考,CPU,DAC(AD421),HARTMODEMBELL 202,波形整形电路,HART通讯方式的实现方法,Io(420mA),带通滤波器,输出波形整形电路：满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿/下降沿的时间，较平缓的上升沿/下降沿的时间可以降低与其它HART网络间的串扰。带通滤波器:抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为1200 Hz2200Hz,FSK,FSK,供参考,HART通讯模块,HART通讯模块实现二进制的数字信号与FSK信号之间的相互转换 HT2012是SMAR公司专门为HART产品而设计生产
24、的通讯模块,供参考,ITXD从CPU异步串行输出口获得数字信号，经调制后在OTXA输出FSK信号，FSK信号经整形后加载到420mA输出回路上。,调制器,解调器,ITXD,IRXA,OXTA,ORXD,通过IRXA获得FSK信号，FSK信号经解调后在ORXD输出数字信号，ORXD直接与CPU的异步串行输入口相连。,供参考,INRTS：调制、解调器的控制端INRTS0时，调制器工作，解调器输出不定INRTS1时，解调器工作，调制器输出呈高阻状态上述机制说明HART是半双工的。,载波监测,INRTS,OCD,OCD作为载波侦听输出，当存在数字信号时，OCD0，启动CPU1读取ORXD处的解调信号,
25、供参考,时基电路：产生调制、即跳起所需要的时钟信号 同时还提供一路19.2kHz的时钟输出,时基电路,460.8kHz,19.2kHz,供参考,调制器 ITXD：二进制数字信号输入 OXTA：FSK信号输出解调器 IRXA：FSK信号输入(由信号回路)ORXD：二进制数字信号输出INRTS：控制端“0”，调制器 工作，解调器输出不定；“1”，解调器工作，调制器输出呈高阻状态。载波监测电路用于检测420mA直流信号中是否叠加有数字信号,侦听网络和启动接收时基电路产生调制器和解调器所需的时间基准信号，同时还提供19.2kHz 的脉冲输出,供参考,1.某压力测量仪表的测量范围是01000KPa，根据
26、工艺要求，压力测量的绝对误差不得超过8 KPa，试问选择何种精度等级的压力检测仪表才能满足以上要求？,2.某测温仪表测温范围为6001100C，已知其最大绝对误差为6C，则其精度等级为多少？,课堂作业,3.2 压力检测,压力的表示方法 检测方法的分类 液柱式压力检测 弹性式压力检测电气式压力检测智能式压力变送器压力检测仪表的选用和安装,三种压力表示方法,绝对压力 pa表压力 p负压或真空度 ph,3.2.1 压力的表示方法,绝对压力是指物体所受的实际压力。,表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即,真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，
27、即,由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。,3.2.2 压力检测方法的分类,目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测 一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)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进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。(3)电气式压力检测 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成
28、各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。(4)活塞式压力检测 它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.050.02，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。,3.2.3 液柱式压力检测,液柱式压力检测是以液体静力学原理为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用U型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。,特点：直观、可靠、准确度较高等，但U形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。,用U形管进行压力检测，其误差来源主要有：温度
29、误差由使用环境温度的变化引起的测量误差。它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求U形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从10变到20时，其密度从999.8kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15。安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如 若倾斜5，读数误差约0.38。,3.2.4 弹性式压力检测,弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。,膜 片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元
30、件把压力转换成电信号；波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。,弹簧管和弹簧管压力表,弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为270）的空心管子。,管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。,被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内
31、腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：,式中0为弹簧管中心角的初始角；为受压后中心角的改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。,1弹簧管 2拉杆 3扇形齿轮4中心齿轮 5指针 6面板7游丝 8调节螺钉 9接头图3-18 弹簧管压力表,弹簧管自由端B的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。,单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式
32、压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）,弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压,一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达0.15级。,膜盒式差压变送器,工作原理：力矩平衡,检测元件膜盒或膜片,杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构,膜盒式差压变送器构成,P,测量部分,Fi,杠杆系统,M,放大器,反馈部分,Ff,Io,DDZ-III型差压变送器,检测部分:P 输入力Fi,杠杆系统:力的传递和力矩比较，生成位移信号,位移检测放大器:位移 输出Io,电磁反馈装置:输出反馈力Ff,RETURN,
33、(1)测量部分,作用：把被测差压P转换成 作用于主杠杆下端的输入力Fi,A1=A2=Ad,Fi=Ad(P1-P2)=AdP,Fi=A1P1-A2P2,因:,故:,(2)杠杆系统,进行力的传递和力矩比较,主杠杆,将Fi转换为F1,矢量机构,将F1转换为F2,副杠杆,将F2产生的力矩与Ff产生的力矩进行比较，生成位移变化,z,z,主杠杆,将Fi转换为F1F1作用于矢量机构上,矢量机构,将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2,副杠杆,进行力矩的比较,F2产生的力矩,Ff产生的力矩,合力矩,调零力Fz产生的力矩,最终的合力矩,z,z,(3)电磁反馈装置,作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆
34、的电磁反馈力Ff,Ff=BDcWI0,设 Kf=BDcW,改变反馈动圈的匝数W，可以改变 Kf的大小,反馈动圈1固定在副杠杆上，且处于永久磁钢2的磁场中，可在其中左右移动。软铁芯3和永久磁钢2组成磁路。软铁芯使环形气隙中形成均匀的辐射磁场，从而使流过反馈动圈的电流方向总是与磁场方向垂直。当变送器的输出电流过反馈动圈时，就会产生电磁反馈力Ff。Ff与变送器输出电流I0之间的关系为：,则 Ff=KfI0,1-3短接、2-4短接,W=W1=725匝,1-2短接,W=W1+W2=2175匝,可实现3：1的量程调整,W1=725匝，W2=1450匝,R11与W1的直流电阻相同,(4)整机特性,回放,1.
35、变送器的输出电流I0和输入信号P之间呈线性关系,2.调整调零弹簧可以使变送器输出电流I0在输入信号范围下限时为4mA。,3.改变tg或Kf可以调整变送器的量程,4.零点和量程要反复调整,回放,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主要包括测量部件和转换放大电路两部分：,差压电容膜盒,电容-电流转换电路,调零、零迁电路,电流放大器,反馈电路,p,C,Ii,If,Iz,Io,测量部分,转换放大部分,P=0 Ci1=Ci2=15pF,P0 Ci1的电容量减小 Ci2的电容量增大,差动电容测量原理,电容式差压变送器测量原理,P=0,S1=S2=S0,P0,S1=S0+S2=S0-,
36、供参考,框图,供参考,电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准4 20mADC电流信号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。,电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。,3.2.5 电气式压力检测应变片
37、压力/差压变送器,利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为：,当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积或电阻率会发生变化，即其阻值也会发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应。应变片多以金属材料为主，一般和弹性元件一起使用。,应变筒的上端与外壳固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，应变片r1和r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁，与筒体之间不发生相对滑动。r1沿应变筒轴向贴放，作为测量片；r2沿径向贴放，作为温度补偿片。图中应变片r1、r2的静态性能完全相同。当膜片受到外力作用时，弹性筒轴向受压，使应变片r1产生轴向应变，阻值变小；而应变片r2受到轴向压缩，引起径向拉伸，阻值变
38、大。实际上，r2的变化量比r1的变化量要小，r2的主要作用是温度补偿。,是应变片阻值变化量的测量电桥，图中R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻。,不受压时 r1=r2=r0 R3=R4=r,若应变片受压，则：r1=r0+r1；r2=r0+r2(r1r2),由此可见，由压力作用时，r1和r2一减一增，使电桥由较大的输出；当环境温度发生变化时，r1、r2同时增减，不影响电桥的平衡。如果仪表能把电桥输出电压Ui进一步转换为标准信号输出，则该仪表即可称为应变式压力变送器。,结论：应变片式压检测仪表具有较大的测量范围，被测压力可达几百MPa，并具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。但是，尽管测
39、量电桥具有一定的温度补偿的作用，应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂，因此，这种压力检测仪表较多地用于一般要求的动态压力检测，测量精度一般在0.51.0左右。,压阻式（扩散硅）压力/差压变送器,因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。,构成框图：,扩散硅压阻传感器,前置放大器,调零电路,VI转换,P,US,U01,UZ,IO,检测部分,电磁放大部分
40、,整机电路图,+,RETURN,供参考,测量部分扩散硅压阻传感器,把被测差压P成比例地转换为不平衡电压US,1.负压室 2.正压室 3.硅杯4.引线 5.硅片,测量部分惠斯顿电桥,不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4R,测量部分电压转换,受压时：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r2,受压时，流经2桥臂的电流始终相等,结论：压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构简单，其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。因此，这是一种发展比较
41、迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。这种传感器的缺点则是扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响，有些厂家在传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。,3.2.6 数字式压力/差压变送器,1151数字式差压变送器,数字式（智能式）差压变送器种类较多，结构各异，但总体结构式相同的。,ST3000差压变送器,SUPCON,Honeywell,ST3000、1151数字式差压变送器都是采用HART通信方式进行通信的,ST3000差压变送器,传感器三组件（差压、温度和静压）,差压传感器扩散硅压阻传感器,差压传感器,温度
42、传感器,静压传感器,多路转换,A/D,CPU,D/A,数字IO,ROM,RAM,EPROM,Hart信号,差压传感器主传感器，测量差压温度、静压传感器辅助传感器，用于补偿，以提高测量精度RAM存储变送器的各种参数EPROM存储着与RAM同样的数据。当仪表掉电时，数据被保存，当仪表来电时，EPROM中的数据自动传递到RAM中，不须后备电池变送器设置通过数字设定器设置，如：仪表的量程、编号、零点调整、量程调整、阻尼时间,1151数字式差压变送器,传感器,AD7715,CPU,WDT,AD421,HT2012,P,1151智能式差压变送器是在模拟的电容式差压变送器基础上，结合HART通信技术开发的一
43、种智能式变送器，具有数字微调、数字阻尼、通信报警、工程单位转换和有关变送器信息的存储等功能，同时又可传输420mADC电流信号，特别适用于工业企业对模拟式1151差压变送器的数字化改造。其原理框图如下：,传感器部分,RETURN,1.传感器采用电容式差压传感器2.将输入差压转换成02.5V左右的电压信号。3.变送器的正常工作电流必须等于或小于3.5mA4.传感器部分工作电流为0.8mA左右。,AD7715,1.AD7715是美国ADI公司生产的16位模数转换器。它具有0.0015的非线性、片内可编程增益放大器、差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点。2.特别适用于智能式变送
44、器 3.带有模拟前置放大器的A/D转换芯片采用-转换技术，实现16位的高精度模数转换。4.不太适用多路信号频繁切换的场合，只有在一路信号每周期的使用，而其它路信号不常用的情况下可以使用。5.在低速采样应用中，AD7715的性能最佳。当采用60Hz或60Hz以下的更新速度进行采样时，AD7715对50Hz的工频有抑制作用，采样的效果很好，但当更新速度大于60Hz时，采出码将出现波动，效果变差，这时可以在读数据时采用滑动平均值数字滤波，使效果得以改善，即加入所谓的后置滤波器。6.AD7715在小信号的采样中得到很好的应用，在热电偶、热电阻测温的应用方面也取得了令人满意的效果。,供参考,-转换技术,
45、-调制器包含1个差分放大器、1个积分器、1个比较器以及1个由1bit DAC（1个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。如果对噪声成形后的-调制器输出进行数字滤波，将有可能移走比简单过采样中更多的噪声。,供参考,AD7715是以原理工作的16位模数转换器采用单一5V(
46、AD77155)或3V(AD77153)电源供电可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接适用于单通道低速小信号采样的应用场合。,供参考,CPU,AT89S8252微处理器，它与MCS-51兼容。2.8K bytes的Flash ROM、2K bytes的EEPROM、256 bytes的RAM、32个 I/O口线、两个DPTR、3个16位定时/计数器、1个全双工串行口、可编程看门狗、在片振荡器和时钟电路等。3.CPU采用3V供电，工作频率1.8432MHz。4.CPU采取间断工作方式 1/5时间工作、4/5时间休眠，以降低CPU功耗,供参考,HART通信部分,实现HART协议物理层的硬件电路,
47、供参考,AD421及电压调整电路,供参考,AD421的作用：,将CPU输入的数字信号转换为420mA直流电流作为整机的输出,将通信部分输入的数字信号叠加在420mA直流电流上一起输出,与场效应管VT1等组成电压调整电路,三极管VT2起分流作用，以减少流过场效应管VT1的电流,作用：,供参考,WDT监控电路,MAX6304ESA复位电路,CPU正常工作时WDO输出为高电平，对CPU的工作没有影响,CPU受外界干扰不能正常工作时 WDO输出将变为低电平，使CPU产生不可屏蔽的中断，将正在处理的数据进行保护；同时经过一段等待时间之后，输出RESET信号对CPU进行复位，使CPU重新进入正常工作,电源
48、故障端PFI经过分压电阻R1、R2接供电源UCC，当电源发生较大波动时，监控电路将产生复位信号，从而有效地防止了电源干扰对CPU的影响。,供参考,1151数字式差压变送器的软件,测控程序包括A/D采样程序、非线性补偿程序、量程转换程序、线性或开方输出程序、阻尼程序以及D/A输出程序等,通信程序采用串行口中断接收/发送,分为两部分：测控程序和通信程序,3.2.7 压力检测仪表的选用和安装,选用安装,其它仪表也基本适应,压力检测仪表的选用,三个方面选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。,量程,仪表的量程是
49、指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围关键：根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/4 测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3 测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5 最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3 仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,这只是一个一般经验要求，不是绝对的！,被测参数的正常值一般要求工
50、作在仪表量程1/32/3为宜。（经验要求而已）,仪表精度,根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,解：,由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为 0AMPa，则,根据工作压力的要求：,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4
