第二章 过程参数检测与变送

由于检测元件的输出信号一般需要经过变送器处理，转换 成标准统一的电气信号（如 4 ～ 20mA 直流电流信号 ， 20 ～ 100KPa 气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺 变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。 有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表 , 或 者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二 次仪表。
y(min)
o x(min)
x(max) x
2. 模拟式变送器的基本构成原理
1）原理说明 2）输入输出关系
x Ki K K y x z0 1 KK f 1 KK f
测量部分 Ki 零点迁移
z0
－
zi
zf
放大器 K 反馈回路 Kf
y
＋ ＋
Ki 1 KK f ＞＞ 1, y x z0 Kf Kf
x(max) x
零点迁移前后的输入/输出特性
y(max)
y
y(max)
y
y(max)
y
y(min)
y(min)
(min)
y(min) x(max) x
正迁移
ox
x x(max)
o x (min)
o x(min)
负迁移
x(max) x
无迁移
实例 ：某测温仪表的量程为0～500℃，输出信号为 4～20mA ，现欲测量200～1000℃应如何调整？
1.0
1.5
[ 例 1] 某台测温仪表的量程是 600--1100℃ ，其最大绝对误 差为 ± 4 ℃ ，试确定该仪表的精度等级。 解 仪表的允许误差为：
由于国家规定的精度等级中没有 0.8 级仪表，而该仪表的 最大引用误差超过了 0.5 级仪表的允许误差，所以这台仪 表的精度等级应定为 1.0 级。
2.热电偶的应用
（1）热电偶分度表 • 不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同 的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同 温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的 对照表，即分度表。 • 供查阅使用，每10℃分档 。中间值按内插法计算。
EM EL tM t L (tH tL ) EH EL
使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中 （由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学 气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环 境气体爆炸）。
3.热电偶的冷端补偿
生 产 现 场 补 偿 导 线
tc
恒 温 环 境 毫 伏 计
C
t0
D
热 电 偶
冷 端 的 延 伸
ΔY －仪表指针位移的距离（或转角）； ΔX －引起ΔY的被测参数变化量。
对于数字式仪表： 分辨率表示仪表显示值的精细程度。 如一台仪表的显示位数为四位，其分辨率便为千分之一 数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。 分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。 如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为0.1℃ ，即该表的分辨力为0.1℃ 。
Pt50
Pt100
50±0.003
100±0.006
-200～850
精度高，价格贵 ，适用于中性和 氧化性介质，但 线性度差
2 、热电阻的接线方式
a) Ri Rt 2r, 用于测量精度不高的场合
b)电桥平衡，与导线电阻无关
R1 R2 , R1R3 R2 Rt
C）用于高精度的温度测量， 如用内阻很高的电子电位差 计测量
图2-2 热电效应示意图
结点产生热电势的微观解释及图形符号
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密 度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现 象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A 失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。
A
＋
T
B
eAB（ T ）
(5) 动态误差由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当 被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示出来， 这样造成的误差。
三、变送器的基本特性和构成原理
1. 变送器基本的输入输出特性
被测参数经传感器进入变送器， y y(max) 经变送器输出标准信号。 两者为单值关系且呈一定 比例关系。
ymax ymin y ( x) ymin xmax xmin
2.1 过程参数检测概述
在过程自动化控制中要通过检测元件获取生产工艺变量， 最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量 并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号 包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。
• 检测 —— 实施正确控制的第一步 • 变送 —— 将检测元件输出的各种信号、微弱信号 转化成统一 ( 标准 ) 的电气信号。
冷端温度补偿电桥
三、热电阻温度计
1、热电阻及其测温原理：基于热－阻效应
R(t ) R0 1 (t t0 )
热电阻名称 铜电阻 分度号
Cu50 Cu100 铂电阻
0℃时阻值(Ω)
50±0.05 100±0.1
测温范围（℃） －50～150
特点
线性好，价格低 ，适用于无腐蚀 性介质
引出线套管
不锈钢保护管 固定螺纹
（出厂时用塑料包裹）
接线 盒
热电偶工作端（热端）
铠装型热电偶外形
铠装型热电偶可 长 达上百米
绝缘 材料
A
B
薄壁金属 保护套管 （铠体） 铠装型热电偶 横截面
法兰
铠装型热电偶
铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置 在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一 体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工 作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。
第一步：量程调整，将仪表的量程从0-500℃调整到0-800℃，并使其在0℃ 时的输出为4mA，输入为800℃时的输出为20mA。
第二步： 零点迁移，将仪表的零点由0℃迁移到200℃ 。
变送器信号传输方式：
四 线 制 变 送 器
I0
RL
电源
二 线 制 变 送 器
电源
UT I0
RL
电动模拟式变送器的电源和输出信号的连接方式
y(mຫໍສະໝຸດ Baidun)
o x(min)
x(max)
x(max) x
量程调整前后的输入/输出特性
零点调整和零点迁移
目的：使变送器输出下限值 ymin 与测量信号的下限值 xmin 相对应
y
y(max)
使输入下限值 xmin 为零的过程称为 零点调整；使输入下限值不为零 的过程称为零点迁移。
y(min)
o x(min)
八种国际通用热电偶：
S:铂铑10—铂 K:镍铬—镍硅 R:铂铑13—铂 J:铁—铜镍 B:铂铑30—铂铑6 E:镍铬—铜镍 N:镍铬硅—镍硅 T:铜—铜镍
（2）热电偶基本定律
1）均质导体定律
2）中间温度定律
热电偶的中间温度定律
3）中间导体定律
有中间导体的热电偶回路
普通装配型热电 偶的 结构放大图
过程控制对检测仪表的要求：
静态：正确 —— 测量值正确反映被控变量的值 可靠 —— 长期工作 动态：迅速 —— 测量值迅速反映被控变量的变化
一、测量误差
(1) 绝对误差：仪表的指示值与被测量的真值之间的差值
x x0
(2) 引用误差：绝对误差与仪表的量程之比。
0

L
100%
最大引用误差叫做允许误差
HART（Highway Addressable Transduce)协议传输方式
0.5mA
模拟信号
0.5mA 1200 Hz
“1”
2200 Hz
“0”
模拟信号和基于频移键控（FSK)的叠加
HART (Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址 远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosemont 公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备 之间的通信协议。 在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送 ，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、 校准、诊断信息通过HART协议访问。
铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良 好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性
。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测 温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。
隔爆型热电偶外形
厚壁保护管
压铸的接线盒
电缆线
隔爆型热电偶
结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构 ，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间， 机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封 ，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体 传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。
如图是一双金属温控器。
继电器
绝缘柱
随着温度上升，双金属片逐 渐弯曲，当其触点接触到固定触 点时，报警灯和继电器回路被接 通。
调节螺钉用来调整固定触点 的位置，以调整报警温度。
3. 智能式变送器的基本构成原理
存储器
x
传感器组件
A/D 转换器
CPU
D/A 转换器
FSK 信 号
通信电路
1) 硬件构成：以CPU为核心的硬件电路 2) 软件构成：系统程序、功能模块
数字信号
4.变送器的若干共性问题
量程调整
量程是指与检测仪表规定 的输出范围相对应的输入 范围
y
y(max)
量程调整目的：在零点 不变时将输出上限值 ymax 与输入上限值 xmax 相对应
二、仪表的性能指标
(2) 变差：在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对 某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量 值所得的仪表读数之间的差异。 (3) 线性度 ：衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标
f max
仪表输出 仪表输出
下行程
理论 实际
b max
上行程
o o
被测变量 被测变量
(4) 灵敏度和分辨力 灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化 量的比值，即灵敏度 =△ Y / △ X 分辨力（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小 输入变化量。
自由 电子
热电效应
热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电 势之差，是两个结点的温差Δt 的函数：
EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）
热电势大致与两个结点的温差Δt 成正比
三点结论：
1）电极材料相同，总电势为零； 2）冷、热端温度相同，总电势为零； 3）电极材料不同，温度相同，热电势不同。
A B
t
采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离 高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。 C：补偿型 X：延伸型
补偿导线在0～100C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势
相等，所以不影响测量精度。
补偿导线外形
A’ B’ 屏蔽层
保护层
（1）冷端温度冰浴法（2）计算修正法（3）补偿电桥法
第二节 温度检测与变送
一、概述
1、温标 摄氏温标、华氏温标、热力学温标 t=5/9(f-32) t=T-273.15 t:摄氏温标；f:华氏温标；T:国际温标
2、温度检测仪表的分类 接触式测温仪表： 热膨胀 热电偶 热电阻 非接触式测温仪表：热辐射
二、热电偶温度计
1.热电偶的测温原理
图2-1 热电偶外观图
二、仪表的性能指标
(1) 精确度（精度） 表示仪表测量结果的可靠程度。 精度等级：允许误差去掉“ ± ”号及“ % ” 目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0, 1.5,2.5,4.0 等
仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上， 如 1.0 外加一个圆圈或三角形。精度等级 1.0 ，说明该仪 表允许误差为 1.0% 。
四、其它测温方法
1、双金属温度计
2、辐射测温温度计
固体膨胀式温度计：用两片线膨胀系数不同的金属 片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片 的膨胀长度不同而产生弯曲。 若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的 自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示 出相应温度值。
双金属片常用来做温度报警或控制
[ 例 2] 某台测温仪表的量程是 600--1100℃ ，工艺要求该仪 表指示值的误差不得超过 ± 4 ℃ ，应选精度等级为多少 的仪表才能满足工艺要求。 解 根据工艺要求，仪表的允许误差为
± 0.8% 介于允许误差 ± 0.5% 与 ± 1.0% 之间，如果选择允许误差为 ± 1.0%, 则其精度等级应为 1.0 级。量程为 600 ～ 1100 ℃ ，精确度 为 1.0 级的仪表，可能产生的最大绝对误差为 ± 5 ℃ ，超过了工艺的 要求。所以只能选择一台允许误差为 ± 0.5% ，即精确度等级为 0.5 级的仪表，才能满足工艺要求。