《测试仪表讲座A》PPT课件.ppt

仪表与自动控制,主讲: 高飞燕 南华大学 电气工程学院,章节内容,仪表控制系统的组成及基本概念 工业仪表的种类及工作原理 检测仪表 变送器与调节器 执行器 3 数字仪表及计算机控制,1 仪表控制系统的组成及基本概念,检测、测量、计量 Measurement, Measure, Meter，Scale 仪器、仪表 Instrument, Instrumentation 传感器 Sensor, Transducer 变送器、调节器、执行器 Transmitter, Regulator, Actuator, 测试、测控 Instrument and Control 感知、遥感 Detection，Remote Sensing,名词术语,检测与控制系统的组成,执行器,例：加热炉温度控制系统,对检测系统基本要求,准确性和精密性 稳定性 高灵敏度 高分辨率,基本概念,仪表的输入输出特性 测量范围、上下限、量程 零点迁移、量程迁移 滞环、死去和回差 测量精度等级 重复性和再现性,零点迁移和量程迁移,输入(被测量),输出,0,100%,100%,零点迁移,量程迁移,如何利用零点迁移和量程迁移,时间 t,0,输出 (V),5,10,15,滞环、死区和回差,输入,输出,0,下降曲线,上升曲线,重复性和再现性 （随机性） （稳定性）,测量精度等级,输入(被测量),输出,0,标准输入输出特性曲线,实际上升校验曲线,实际下降校验曲线,误差上限,误差下限,精度等级0.5级：基本误差不超过量程的0.5%,基本误差限,重复性和再现性 （随机性） （稳定性）,输入,输出,0,重复性,再现性,常用仪表的分类及特点,可分为电动，气动，液动和机械式等。工业上普遍使用电动和气动控制仪表。,单元组合式控制仪表,它们都经历了型，型和型的三个阶段。（信号制不同）,电动单元组合仪表中还有模拟和数字技术相结合的DDZ-S型系列仪表。 单元组合仪表可分为变送单元，执行单元，调节单元，转换单元，运算单元，显示单元，给定单元和辅助单元等八类。,各个仪表之间用统一的标准信号进行联系，将各种独立仪表进行不同的组合，可以构成适用于各种不同场合的自动检测或控制系统。这类仪表有电动单元组合仪表（DDZ）和气动单元组合仪表（QDZ）两大类。,集散型控制系统(DCS系统),DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点是分散控制、集中管理。 DCS系统通常由控制站（下位机）、操作站（上位机）和过程通讯网络三部分组成：控制站完成数据采集、处理及控制的作用；操作站完成生产过程信息的集中显示、操作和管理等作用；过程通讯网络用于实现操作站与控制站的连接，完成信息、控制命令等传输。DCS系统可以实现单元组合仪表中变送和执行单元之外所有的功能，但DCS的功能是单元组合仪表无法比拟。,现场总线控制系统(FCS系统),FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点是现场控制和双向数字通讯，即将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通讯。 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。其中现场设备是指系统最底层的监测、执行和计算设备，如智能化的变送器、执行器或控制器等。 FCS系统具有全数字化、全分散式、可互操作、开放式以及现场设备状态可控等优点。FCS系统中还可能出现以以太网技术和以无线通信技术为基础的计算机控制系统。,2 传感器及检测的种类分类,按检测参量:如温度、压力、流量、位移等 （电工量、热工量、机械量、物性和成分量、光学量、状态量） 按传感原理或反应效应:光电，压电，热阻等 按传感器材料:导电体、半导体、有机、无机材料、生物材料等 按应用领域:化工、电力、建筑、交通、科学计量等 按输出信号形式:如模拟量和数字量等。 按能量供给方式:能量变换型、能量控制型等 ,指纹输入的传感原理-1,电容量,图像传感器 CCD/CMOS,指甲 手指,透镜,棱镜,光源 LED,多电极板,（1）棱镜光学法 经过空气层反射和在隆线与 镜面交界处的直接反射不同,（2） 电容法 到达电极板的距离不同 静电容量不同,指纹输入的传感原理-2,图像传感器 CCD/CMOS,指甲 手指,光源 LED,（4）电场方法 到达真皮距离不同造成电场强度分布不同 （5） 感热方法 隆线皮肤体温与谷部空气温度的差 （6）感压方法 凹凸压力分布,（3）扩散光光学法 观测通过手指内的光线，谷线处由于光扩散而变暗,温度测量,(1)、接触式测温：测温元件直接与被测介质接触，使被测介质与温度敏感元件进行充分热交换，达到热平衡，而完成的温度测量。,膨胀式温度计：利用物体受热后体积膨胀的原理。 固体膨胀式：杆式温度计、双金属温度计 液体膨胀式：玻璃管水银温度计（常用） 100600 气体膨胀式：压力式温度计,压力式温度计：利用气体在固定容积中随温度升高，其压力增大 的原理。 有：气体压力温度计、饱和蒸汽压力温度计,热电偶：利用热电效应，电偶二端的热电动势与温度有关的原理。 常用有： 铂铑10铂、镍铬镍硅、铜康铜等。,热电阻：利用导体或半导体的电阻值随温度变化的原理。 常用的有：Cu50、Cu100、Pt10、Pt100、热敏电阻,(2)、非接触式测温：测温仪表的敏感元件不直接与被测对象接触，而是通过辐射和对流来实现热交换，以达到测温的目的。,辐射式温度计：根据全光谱辐射能量（或部分光谱能量）大小来测温，能量的大小与温度有关。 有：全辐射温度计、部分光谱辐射温度计,亮度温度计：根据物体辐射的单色亮度与温度的关系来测温。 有：光学高温计、光电亮度高温计,比色温度计：根据两个波长的亮度比值随温度变化的原理测温。,插入式热电偶 ，热电阻,毛细管温度计,手持式红外温度计,压力检测,1、液体压力平衡法： 液柱压力计 活塞式压力计 2、弹性力平衡法： 常用的弹性元件：膜片、波纹管、弹簧管 3、电测法：电阻、电容、电感式压力计， 霍尔式压力计，应变式压力计，压电式压力计,普通压力表适用于测量无爆炸危险、不结晶、不凝固及对钢、铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。,精密压力表主要用来校验工业用普通压力表也可用于精密测量对铜合金和合金结构钢等无腐蚀性、非结晶、非凝固的各种介质的压力。,精密压力表,量程： 0 - 40 mbar 至 0 - 40 bar 连接： G1/2 外螺纹, 钢, 不锈钢 外壳材质： 不锈钢 表盘直径： 100, 160 mm 精度等级： 1.6; 2.5 可选功能： 开关, 充硅油,膜片式压力表,数字压力表,量程： 0 - 0.6 bar 至 0 - 25 bar 连接： G1/2 AG, 黄铜, 不锈钢 外壳材质： 钢, 不锈钢 表盘直径： 100, 160 mm 精度等级： 1.6 可选功能： 充硅油,差压表,弯管 过程连接件 单向或双向截止阀 压力缓冲器 适配件,压力表用附件,流量检测,计量表（测流量总量）： 容积式计量表： 椭园齿轮流量计腰轮流量计，活塞式流量计 速度式计量表： 垂直叶轮式水表涡轮式流量表 流量表（测瞬时流量）： 差压式流量计，靶式流量计，转子流量计，涡轮式流量表，电磁流量计，超声波流量计，皮托管式流量计，卡门漩涡式流量计,量程： 0.1-2 l/min .1.6-40 l/min. 液体 连接： G 1/4.G 3/4 内螺纹 材质： POM, 铝 最大压力： 10 (40) bar 最大温度： 80 C 精度： 2.5% 测量值 粘度范围： 10-800 mm/s 脉冲输出,椭圆齿轮式流量计,小流量转子流量计,金属转子流量计,量程： 0.25 - 1.5 . 10 - 80 l/h 水 20 - 80 Nl/h . 0.5 - 2.5 Nm/h 空气 连接： 1/8 NPT 内螺纹 材质： 聚砜/黄铜, 聚砜/不锈钢 最大压力： 6 bar 最大温度： 60 C (聚碳酸脂); 120 C (聚砜) 精度： 6 % FS 可选功能： 调节阀,差压流量计,测量/开关范围： 3-27.300-2300 l/min. 水 6-42.500-2800 Nm/h 空气 连接： G 1/2. G3, 1/2 NPT.3 NPT 材质： 铝-青铜, 不锈钢 最大压力： PN 40 最大温度： 100 C 精度： 3 % FS 机械式指针, 模拟输出, 数字显示, 开关,电磁流量计 流量积算仪,量程：0.06-1.8l/min.80-2400 m/h 液体 连接：G 3/8.G 1/2, 法兰 DN 10.DN300 管道材料： PTFE, PFA, Polyurethan 最大压力： PN 40 bar 最大温度：180C 精度：0.5 % 测量值 输出: 脉冲/模拟输出, 状态显示, 累积,旋叶式流量计,量程： 0.5-12 l/min .10-140 l/min. 水 连接： G 1/8. G 1, 1/8 NPT 1 NPT 材质： 铝/青铜, 不锈钢, 聚丙烯 最大压力： 40 bar 最大温度： 80 C 精度： 3 % FS 脉冲输出, 模拟输出, 开关, 数字/指针显示,变送器（Transmitter）,变送器在自动检测和控制系统中的作用，是将各种工艺参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量转换成统一的标准信号，以供显示、记录或控制之用,分类： 差压变送器、压力变送器、温度变送器、液位变送器和流量变送器等。 理想传输特性：,SBW系列 温度变送器,输入：热电偶 K型、E型、B型、S型、T型、J型、N型 热电阻 Pt100 Cu100 Cu50 (三线制或四线制) 输出：在量程范围内输出4-20mA直流信号，与热电偶输入的毫伏信号成线性；与热电阻的输入电阻信号成线性。或与温度信号成线性。,3151压力变送器,3151压力变送器用于测量液体、气体和蒸汽的压力，然后将其转换成然后将其转换成420 mA DC的电流信号输出。HART275手操器相互通讯，通过它进行设定、监控等。,主要技术参数 1)工作电压：24V DC； 2)精度登记：0.0750.2%FS； 3)输出阻抗：100M； 4)使用对象：液体、气体和蒸汽； 5)精度等级：0.5级 6)测量范围：见表1； 7)供电电压：24V DC； 8)输出信号：420mA DC,控制器的功能,(1)偏差显示,(2)输出显示,(3)提供内给定信号及内、外给定的选择,(4)正、反作用的选择,(5)手动操作与手动/自动双向切换,(6)附加功能：抗积分饱和、输出限幅、输入报警、 偏差报警、软手动抗漂移、停电对策和零启动等.,控制器的作用是对测量信号与给定值相比较所产生的偏差进行PID运算，并输出控制信号至执行器,模拟控制器( Analog Controllers ),DDZ型调节器：全刻度指示调节器和偏差指示调节器,执行器由执行机构和调节机构两个部分构成,辅助装置：阀门定位器利用负反馈原理改 善执行器的性能,手操机构用于人工直接操作执行器,执行器的构成,气动调节阀采用气动执行机构：,输出直线位移l,直行程式调节机构,长行程式,输出角位移,角行程式调节机构,薄膜式,活塞式,(Pneumatic Actuator),电动调节阀采用电动执行机构：,输出直线位移l,直行程式调节机构,输出角位移,角行程式调节机构,直行程式,角行程式,(Electrical Actuator),ZKZ 直行程电动执行机构,ZKZ型电动执行机构可与型仪表配套使用，也可与组装仪表，TA仪表配用，它以电源为动力，接受统一的标准信号d.c.420mA，将此转变成与输入信号相对应的出轴直线位移，,ZKJ 角行程电动执行机构,气动薄膜单座调节阀,人工控制与常规仪表控制,单回路控制系统方块图,四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器 （显示仪表根据需要可选）,阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀 泵：开关泵、变频泵,温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 (通常输出：420mA、15V等标准信号） 液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号) 传感器（Pt100、热电偶） ,现场仪表：主要指安装在工业现场的各种变送器、 执行器及其他测量仪表。,变送器选型：量程、安装方式、材质（耐压、防腐）、防爆 执行器选型：口径、流量特性、安装方式、材质（耐压） 使用：零点调整、量程调整、零点迁移以及其它日常维护和维修等,控制室仪表：主要指安装在控制室内的各种控制器（调节器）、显示仪表等。,控制站：数字调节器、IPC、PLC （可以广义地理解为带有CPU的各种控制设备）,3 数字仪表及计算机控制,A/D（AI）：模/数转换（模拟量输入） DI ：开关量输入（数字量输入） D/A（AO）：数/模转换（模拟量输出） DO ：开关量输出（数字量输出）,4 mA输入0000 0000 0000,20mA输入1111 1111 1111,12mA输入？,计算机控制的信号传递,典型单回路控制系统方块图,数字式控制器的硬件电路,数字式控制器的软件,系统程序是控制器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模