过控技术第四章变送器和转换器.ppt
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1、1,过程控制装置三环节: 变送器:压力变送器,差压变送器,温度 变送器,流量变送器,液位变送器。 调节器:PID调节器。 执行器:气动执行器,电动执行器,电气转换器。,第4章 过程控制装置,2,对工业过程进行检测、显示、控制和执行等仪表总称为自动控制仪表,又称自动化仪表。 自动化仪表的作用是代替人对生产过程进行测量、控制、监督和保护,在了解控制原理的同时,还要理解自动化仪表的工作原理和性能特点,以便合理地选择和正确地使用。,3,自动控制仪表可以从不同的角度分类,下面仅从使用能源种类和结构形态分类。 按能源分类 气动仪表 以压缩空气为能源及传递信号的仪表,其传送距离受到限制,具有防爆特点,其执行
2、器作用力大、工作平稳可靠。,4,电动仪表 以电作为能源及传送信号的仪表,传送距离远,便于与计算机配合,在生产自动化中被广泛应用。电动仪表又分为电气(又称电动机械)式和电子式两大类。 电气式不使用电子元器件,依靠传感器从被测介质中取得能量,就可以推动电接点或电位器动作。它的结构简单、价格便宜。 电子式采用电子元器件,由于采用放大器等电子器件,不但可提高测量精度,还可以利用反馈电路,对输入信号进行各种控制规律的运算,从而实现多种控制 规律,提高控制品质。,5,直接作用式仪表 这种仪表不需要辅加能源,只是传感器从被测(控)介质中取得能量,就足以推动执行器动作,故又称自力式仪表。常见的有浮球式液位调节
3、器、膨胀式温度调节器和燃气压力直接作用调节器等。它们将传感器、控制器及执行器等组合在一起,习惯上称为调节器。它们结构简单,不产生火花,使用安全,维修方便,适用于控制精度要求不高的场合。,6,按结构形式分类 基地式仪表 以指示、记录仪表为主体,附加调节装置而组成,即把变送、调节、显示等部分装在一个壳内形成整体。利用一台仪表就能完成一个简单控制系统的测量、记录 及控制等全部功能。 结构比较简单,常用于单机控制系统。,7,单元组合式仪表,单元组合式仪表把整套仪表按照其功能和使用要求,分成若干独立作用的单元,各单元之间用统一的标准信号联系。 使用时,针对不同的要求,将各单元以不同的形式组合,可以组成各
4、种各样的自动检测和控制系统。,优点, 可以用有限的单元组成各种各样的控制系统,具有高度的通用性和灵活性。 可以通过转换单元,把气动表、电动表,甚至液动表联系起来,混合使用。,8, 由于各单元独立作用,所以在布局、安装、维护上也更合理、更方便。 仪表大都采用力平衡或力矩平衡原理,工作位移小、无机械摩擦、精度高、使用寿命长、性能较好。 由于零部件的标准化、系列化,有利于大规模生产,降低了成本,提高了产量和质量。 有利于发展新品种,采用新工艺、新技术。,9,分 类,根据使用能源的不同,单元组合仪表主要分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。,在电动单元组合仪表中还包括执行单元(K)。,10,气动单元
5、组合仪表是以 0.14MPa压缩空气为能源,各单元之间以统一的 0.020.1MPa气压标准信号相联系,整套仪表的精度为1级。,电动单元组合式仪表的发展阶段: DDZ-型电子管器件为主要器件 DDZ-型晶体管等分立元件为主要器件 DDZ-型线性集成电路作为核心器件,11,组装电子式调节仪表 组装电子式调节仪表是在单元组合仪表的基础上发展起来的成套仪表装置。它的基本组件是一块一块具有不同功能的功能模件。 功能模件,是指各种典型线路构成的标准电路板,每种电路板具有一种或数种功能,并有同一规格尺寸、输入输出端子、电源和信号灯。这种仪表又称功能模件式仪表或插入式仪表。现代化的大型控制,需要组成各种复杂
6、控 制系统及集中的显示操作。设计人员只要根据工程要求,选用相应的功能模件,配上标准化的机箱和外部设备,就可灵活地组成各种专用的控制装置。,12,组装电子式调节仪表特点: 功能齐全、组装灵活。由于组件系列化、标准化、功能独立、插接件和输入输出信号统一,因此可以合理地组成各种不同装置,以满足不同对象的要求。 安全可靠、维修方便。可以根据每个组件的特点,确定合理的例行试验条件,有利于提高整机的可靠性。当某一组件有故障时,可以迅速更换备用组件,保证系统正常运行。而且由于组件标准化,检查和维修也容易。 操作方便,便于集中监督管理。组件采用集成电路和小型元器件,装置小,控制盘(板)面小,操作方便。 成套性
7、,便于选型设计。由于采用通用接线,以适用成套装置的形式提供用户,方 便了设计,缩短安装调校时间。,13,使用常规仪表的中央控制室,14,早期的DCS控制系统,15,DCS控制系统,16,变送器和转换器的作用是分别将各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位)和电信号(如电压、电流、频率、气压信号等)转换成相应的统一标准信号(4-20mA电流信号)。,4.1 变送器,变送器分类:气动变送器 电动变送器,17,1.构成原理 变送器是基于负反馈原理工作的,其构成原理如图所示,它包括测量部分(既输入转换部分)、放大器和反馈部分。,4.1.0 变送器原理与 量程调整零点迁移,18,19,20,2.量程调整、
8、零点调整和零点迁移,变送器涉及的另一个问题是量程、零点调整和零点漂移。,量程调整 其目的是使变送器输出信号的上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。相当于改变输入输出特性的斜率,也就是改变y与x的比例系数。,量程调整通常是通过改变反馈系数F的大小来实现的。F大,量程就大。F小,量程就小。 也有些变送器还可以通过改变转换系数c来调整量程。,21,零点调整和零点迁移,使变送器的输出信号下限值ymiin与测量范围的下限值xmin对应。,在xmin=0时,称为零点调整;在xmin0时,称为零点迁移。,由上图可知,零点迁移后变送器的输出特性沿x坐标向右或左平移,其斜率没有变,即变送器量程不变。进
9、行零点迁移,在辅以量程调整,可提高仪表的测量灵敏度。,22,例4-2 已知被测参数的最大波动范围为4000-5000Pa,按照不进行零点迁移和进行零点迁移分别选择测量变送器,并分析精度为1.0级时各自变送器的基本误差值和仪表灵敏度。 解:当不进行零点迁移时,需选择量程为0-5000Pa的变送器,输出为4-20mADC.若有迁移,可选用4000-5000Pa的变送器,量程为1000Pa. 若精度为1.0级,不加迁移时,仪表的误差为: 5000Pa1%=50Pa,仪表的灵敏度为:(20-4)mA/5000Pa 使用迁移后,仪表的基本误差为:1000Pa1%=10Pa,仪表的灵敏度为: (20-4)
10、mA/1000Pa。 零点迁移后,测量精度与灵敏度都提高了5倍。,23,4.1.1 差压变送器,力平衡式差压变送器 电容式差压变送器 扩散硅式差压变送器,差压变送器是将液体、气体或蒸汽的压力、流量、液位等工艺量转换成统一的标准信号,作为记录仪、调节器或计算机装置的输入信号,以实现对上述变量的显示、记录或自动控制。 本节着重讨论普遍使用的力平衡式差压变送器和电容式差压变送器。,24,力平衡式差压变送器,概述,力平衡式差压变送器包括: 测量部分 杠杆部分 位移检测放大器 电磁反馈机构,工作原理:力矩平衡原理。,25,测量部分是将被测差压Pi转换成相应的输入力Fi,该力与电磁反馈机构输出的作用力Ff
11、一起作用于杠杆系统,使杠杆系统产生微小的偏移,在经位移检测放大器转换成统一的直流电流输出信号。,由于采用了深度负反馈,因而测量精度较高,而且保证了 被测差压Pi和输出电流Io之间的线性关系。,26,27,工作原理:,被测差压信号P1、P2分别引入元件3的两侧,则Pi转换为Fi,该力作用于主杠杆的下端,使主杠杆以轴封膜片4为支点偏转,F1沿水平推动8。F1分解F2和F3,F2带动14以M为支点逆时针偏转,此时12靠近差动变压器,使两者间气隙减小。,检测片的位移变化量通过15转换为420mA的Io,作为输出。,Io又流过16,产生Ff使副杠杆顺时针偏转,当Ff和Fi力矩平衡时,变送器状态稳定。,2
12、8,由上述工作原理可画出其传输方框图:,A-膜片有效面积 L1、L2Fi、F1到主杠杆支点H的力臂 L3、Lo、LfF2、Fo、Ff到副杠杆支点M的力臂 L4检测片12到副杠杆支点M的距离 tg矢量机构的力传递系数, 为矢量角 K1副杠杆力矩-位移转换系数 Kf电磁反馈机构的电磁结构常数 K2低频位移检测放大器位移-电流转换系数,29,在差压变送器的放大系数(K1K2)和反馈系数(LfKf)的乘积足够大时,当变送器处于稳定时,将满足力矩平衡关系:,Mi+Mo=Mf Io=KpPi+LoFo/LfKf,30,结构:(具体各部结构及作用),检测部分: P 输入力Fi ,组成:由高低压式膜盒、轴封膜
13、片,双膜片结构可减小温度的影响(双膜片受温度变化抵消)。膜盒内有充有硅油。,工作过程: P作用膜盒上时,膜片2和硬心同时向右移动,迫使盒内硅油通过孔向右流动,并在连接片6上产生集中力Fi 当Pi逐渐加大,超过额定差压时,膜片与机座接触,起到单向过载保护作用。,杠杆系统:是变送器中机械传动和力矩平衡部分 作用:使F1产生力矩与电磁反馈力Ff产生的力矩进行比较,再转化为检测片的位移。现分析其主要机构:,31,、 调零和零点迁移机构:,零点迁移:调节迁移弹簧来实现。 调零:由调零弹簧来调整。迁移弹簧对杠杆施加一个迁移力Fo 设Fo到主杠杆支点的距离为Lo,则有:,32,、静压调整和过载保护装置:,产
14、生原因:膜盒两侧的膜片有效面积不等。 主杠杆、拉条等装配不正,会使主杠杆产生一个附加力矩。 消除方法:在主杠杆上安装一个静压调整装置。,、平衡锤: 在副杠杆重心与支点M重合,从而提高了仪表的耐冲击,耐振动性能,而且仪表不垂直安装时也不影响精度。,、矢量机构:组成:由矢量板、推板组成。 改变可改变差压变送器的量程。 当仅用矢量机构调整量程时的量程比为:,33,3.电磁反馈机构,作用是将输出电流Io转换成电磁反馈力Ff,此力作用于副杠杆,产生反馈力矩Mf,以便和测量部分产生的输入力矩Mi相平衡。,反馈力Ff的大小为: Ff=Kf Io Kf是电磁结构常数,其值为:,34,低频位移检测放大器,作用:
15、是将副杠杆上检测片的微小位移s转换成直流输出电流Io 其原理线路图2-12如下页: 其组成有:差动变压器 低频振荡器 整流滤波电路 功率放大器。,35,36,差动变压器,差动变压器是由检测片(衔铁)、上、下罐形磁芯和四组线圈构成。如图2-13所示,其作用是将检测片的位移s转换成相应的电压信号uCD,37,讨论:,当s=/2 时 e2=e2 UCD=e2- e2=0 差动变压器变压器输出,当se2 UCD=e2- e20 此时UCD与UAB同相,当s/2 时,因差动变压器,上半部磁路磁阻增大互感减小 e2e2 UCD=e2- e20 此时UCD与UAB反相。,38,低频振荡器,低频放大器由振荡器
16、、整流滤波、及功率放大器三部分组成。,、振荡器 线路图如右图:由LAB、C4构成的并联振荡回路的固有频率也就是低频振荡器的振荡频率。,39,振荡的振幅条件:即KF=1,检测片位移S与振荡器输出电压UAB之间的关系: 如下图,说明振荡器的放大特性是非线形的,而反馈特性在铁芯未饱和的情况下是线形的。两条线的交点p即为稳定后的工作点,p点对应的uAB就是振荡器的输出电压。,40,、整流滤波,振荡器的输出电压UAB经二极管VD4整流以及通过电阻R8、R9和电容C5滤波得到平滑的直流电压信号,再送至功放级。,整流滤波电路并联在LAB、C4回路的两端,因此它的总阻抗不能太小,否则将要影响振荡器的工作。,4
17、1,、功率放大器,功率放大器由晶体管VT2、VT3和电阻R3、R4、R5组成,如2-18所示。放大器采用PNP-NPN互补型复合管,其目的一是提高电流大系数;二是电平配置,使VT2的基级电平与前级输出信号的电平相匹配。,R3为稳定工作的反馈电阻,同时提高功放级的输入阻抗,有利于滤波器输出电压的稳定。R5为VT2、VT3集电极与发射级之间的穿透电流提供旁路,用以改善放大器的温度性能,提高了电路的稳定性。,42,安全防爆基础知识,易燃易爆的固体粉尘、气体或蒸汽,与空气混合成为具有火灾或爆炸危险的混合物 安装在这类场所的检测仪表和执行器,如果产生的火花具有点燃这些危险混合物的能量,则产生火灾或爆炸。
18、,43,危险场所的分类,第一类 含有可燃性气体或蒸汽的爆炸性混合物的场所,称为Q类场所。 第二类 含有可燃性粉尘或纤维混合物的场所,称为G类场所。 第三类 火灾危险场所,称为H类场所。,44,Q类场所,第一类危险程度最高,将其又分为三级: Q-1级 在正常情况下能形成爆炸性混合物的场所 Q-2级 仅在不正常情况下形成爆炸性混合物的场所 Q-3级 在不正常情况下,只能在局部地区形成爆炸性混合物的场所,45,仪表防爆要求,用于危险区的控制系统中,一部分仪表安装在控制室内,无防爆要求; 一部分安装在现场,如电动仪表中的变送器、执行器、电气转换器等,有防爆要求; 两部分仪表需经防爆安全栅联接; 当两部
19、分距离较远时,还要采用防爆联接电缆。,46,爆炸性物质的分类、分级与分组 分类 通常将爆炸性物质分为三类 I类物质-矿井甲烷; 类物质-爆炸性气体、可燃蒸气; 类物质-爆炸性粉尘、易燃纤维。 分级与分组 爆炸性气体的分级与分组(I、类):在标准试验条件下,按照其最大试验安全间隙和最小引爆电流比分级,按照其引燃温度值分组。如表4-1给出了部分示例。 爆炸性粉尘和易燃纤维的分级与分组(类),爆炸性粉尘和易燃纤维按照其物理性质分级、按照其自燃温度分组。,47,48,防爆仪表的分类、分级和分组 自动化仪表属于低压电气仪表,用于危险场合时,应按照电气设备防爆规程管理。按照规定,防爆电气设备可制成隔爆型、
20、本质安全型等10种结构类型。其设备的分类、分级、分组与爆炸性物质的分类、分级、分组方法相同,其等级参数及符号也相同,其中温度等级是按照最高表面温度确定的、对隔爆型是指外壳温度,其余各类型是指可能与爆炸性混合物接触的表面的温度。 自动化仪表的防爆结构主要有两种类型:隔爆型,标志为“d”;本质安全型,标志为“i”。,49,隔爆型 隔爆型仪表的特点是:仪表的电路和接线端子全部置于隔爆壳体中,表壳的强度足够大,表壳结合面间隙足够深,最大的间隙宽度又足够窄。即使仪表因事故产生火花,也不会引起仪表外部的可燃性物质发生爆炸。 设计隔爆型仪表结构的具体措施有:采用耐压(8-10)*102kPa以上的表壳表壳外
21、部的温升不得超过由气体或蒸气的自燃温度所规定的数值,表壳结合面的缝隙宽度和深度应根据它的容积和气体的级别采取规定的数值等。,50,隔爆仪表在安装及维护正常时,处于安全状态。但在揭开仪表表壳时, 它就失去了防爆性能。因此,不能在通电运行的情况下打开外壳进行检修或调整。对于组别、级别高的易燃易爆性气体如氢气、乙炔、二硫化碳等,不宣采用隔爆型防爆仪表。这是因为一方面对这些气体所要求的隔爆型仪表的表壳在加工上有因难,另一方面,即使能解决加工问题,但经过长期使用后,由于磨损,很难长期保持要求的间隙,会逐渐失去防爆性能。这些都是隔爆型防爆仪表的弱点。,51,本质安全防爆型 是指在正常状态下和故障状态下,由
22、电路及设备产生的火花能量和达到的温度都不能引起易燃易爆性气体或蒸气爆炸的防爆类型。正常状态指在设计规定条件下的工作状态,如设计规定的断开和闭合电路动作所产生的火花。故障状态指因事故而发生短路、断路等情况。 具有本质安全防爆的系统包括两种电路:安装在危险场所中的本质安全电路及安装在非危险场所中的非本质安全电路。为了防止非本质安全电路中过大的能量传入危险场所中的本质安全电路中,在两者之间采用了防爆安全栅,使整个仪表系统具有本质安全防爆性能,如图4-26所示。,52,53,本质安全防爆系统的性能主要由以下措施来保证。 首先,本质安全防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。如正常工作时电压不大于24V
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