4第三章 检测仪表与传感器6-7

图3-70 输入电桥
(2)反馈电路
在 DDZ-Ⅲ型的温度变送器中，为了使变送器的输 出信号直接与被测温度成线性关系，以便显示及控制， 特别是便于和计算机配合，所以在温度变送器中的反馈 回路加入线性化电路，对热电偶的非线性给予修正。 因为热电偶产生的热电势太小，这样就不宜于在输入 电路中修正，而采取非线性反馈电路进行修正。如图 3-71 所示。
处应接装扩大管，如图3-78所示。
图3-78 小工艺管道上测温元件 安装示意图
图3-79 热电偶或热电阻安装示意图
⑤热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或
其他液体、脏物进入接线盒中影响测量，如图3-79所示。
⑥测温元件应插在有保温层的管道或设备处，以防热量
散失。 ⑦测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性， 以防外界冷空气进入，使读数降低。
流输电线合用一跟穿线管，以免引起感应。
⑤避开交流动力电线。 ⑥ 补偿导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。另外，
最好与其他导线分开敷设。
第六节 现代检测技术与传感器
一、软测量技术的发展
在现代工业过程中，单纯依据流量、温度、压力和 液位等常规过程参数的测量信息往往不能完全满足工艺 操作和控制的要求，很多控制系统需要获取诸如成分、 物性乃至反映过程的多维时空分布信息（例如化学反应 器内的介质浓度及其分布等），才能实现更有效的过程 控制、优化控制、故障诊断、状态监测等功能。 一般解决工业过程的测量要求有两条途径：
温度变送器有三种类型，即热电偶温度变送器、 热电阻温度变送器和直流毫伏变送器。
1、 热电偶温度变送器
热电偶温度变送器与热电偶配套使用，将温 度转换成 4—20mA 和 l—5V 的统一标准信号。由 输入桥路、放大电路及反馈电路组成。
பைடு நூலகம்
图3-69 热电偶温度变送器的结构方框图
(1)输入电桥
图 3-70是热电偶温度变送器的输入回路，在形式上 很像电桥，故常称为输入电桥，它的作用是：冷端温度 补偿、调整零点。
般来说，热电偶、铂电阻、铜电阻保护套管的末端应 分 别 越 过 流 束 中 心 线 5—10mm 、 50—70mm 、 25— 30mm。 ③测温元件应有足够的插入深度、以减小测量误差。为 此，测温元件应斜插安装或在弯头处安装，如图 3-77 所示。
图3-77 测温元件安装示意图之二
④若工艺管道过小(直径小于80mm)，安装测温元件
这类仪表由于避免了使用磁电偏转机构或机电式伺服 机构，因而测量速度快、精度高、读数直观，对所测参数 便于进行数值控制和数字打印记录，尤其是它能将模拟信 号转换为数字量，便于和数字计算机或其他数字装置联用。 因此，这类仪表得到迅速的发展。 所谓屏幕显示，就是将图形、曲线、字符和数字等直 接在屏幕上进行显示，这种屏幕显示装置可以是计算机控 制系统的一个组成部分。 它是利用计算机的快速存取能力和巨大的存储容量， 几乎可以是同一瞬间在屏幕上显示出一连串的数据信息及 其构成的曲线或图像。由于功能强大、显示集中且清晰， 使得原有控制室的面貌发生根本的变化，过去庞大的仪表 盘将大为缩小，甚至可以取消。目前屏幕显示装置在计算 机集散控制系统（DSC）中广泛应用，因此将在计算机控 制系统中加以介绍。
八、测温元件的选用及安装
1．温度测量仪表的选用
(1)就地温度仪表的选用
①精确度等级 a. 一般工业用温度计：选用 1.5 级或 1 级。 b. 精密测量用温度计：选用0.5级或0.25级。 ②测量范围 a. 最高测量值不大于仪表测量范围上限值90 %，正常 测量值在仪表测量范围上限值的1 / 2 左右。 b．压力式温度计测量值应在仪表测量范围上限值的 1 / 2 ～ 3 / 4之间。 ③双金属温度计 在满足测量范围、工作压力和精确度的要求时，应 被优先选用于就地显示。
第七节 显示仪表
凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的 仪表统称为显示仪表（或称为二次仪表)。 按照显示的方式来分：可分为模拟式、数字式和屏幕 显示三种。
所谓模拟式显示仪表，是以仪表的指针(或记录笔)的 线性位移或角位移来模拟显示被测参数连续变化的仪表。 这类仪表免不了要使用磁电偏转机构或机电式伺服机 构，因此，测量速度较慢，精度较低、读数容易造成多值 性。目前，模拟式显示仪表用的越来越少。 所谓数字显示仪表，是直接以数字形式显示被测参数 值大小的仪表。
TT302温度变送器主要由硬件部分和软件部分 构成。 1. 硬件构成 在结构上由输入板、主电路板和液晶显示器 组成，如图3-75所示。
图3-75 TT302温度变送器硬件构成原理框图
2. 软件部分 分为系统程序和功能模块两大部分。系统程序 使变送器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功 能，同时完成各组成部分之间的管理。功能模块提 供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以 实现用户所要求的功能。 TT302等一类智能式温度变送器还具有控制功 能，用户可以通过上位管理计算机或挂接在现场总 线通信电缆上的手持式组态器，对变送器进行远程 组态，调用或删除功能模块，以实现所要求的控制 策略；对于带有液晶显示的变送器，也可以使用磁 性编程工具对变送器进行本地调整。
（2）布线要求
① 按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶
的正、负极与补偿导线的正、负极相连接，不要接错。
②热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。 ③ 为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤，
应把连接导线或补偿导线穿入钢管内或走槽板。
④ 导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交
2．测温元件的安装
（1）测温元件的安装要求
①在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，
以减少测量误差。因此，要求安装时测温元件应迎着被测 介质流向插入，至少须与被测介质正交 ( 成 900) ，切勿与被 测介质形成顺流。如图所示。
图3-76 测温元件安装示意图之一
②测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。一
图3-80是一种网络传感器的连接图。它是采用RCM2200
模块，配合Dynamic C集成开发环境，利用其内嵌的TCP/IP协议栈开发出 的一种简单的网络传感器。
图3-80 网络传感器连接图
测量所用的敏感元件通过信号调整电路将所测数据输出到RCM2200的I/O口， 模块在读取数据并经过一定的判断和处理后一方面可以通过外围电路直接输出 报警和控制信号，另一方面也可以通过以太网口将数据发布到网络中去。该传 感器可以直接与集线器相连接，并通过集线器与上位工控机连接构成一个完整 的测控以太网。
④ 压力式温度计 适用于－80 ℃ 以下低温、无法近距离观察、有振 动及精确度要求不高的就地或就地盘显示。 ⑤ 玻璃温度计 仅用于测量精确度较高、振动较小、无机械损伤、 观察方便的特殊场合。不得使用玻璃水银温度计。
(2) 温度检测元件的选用
① 根据温度测量范围，参照表 3-11 选用相应分度号的热 电偶、热电阻或热敏热电阻。 ② 恺装式热电偶适用于一般场合；恺装式热电阻适用于无 振动场合；热敏热电阻适用于测量反应速度快的场合。
图3-72 热电阻温度变送器的结构方框图
六、一体化温度变送器
是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线 盒内的一种温度变送器。其变送器模块和测温元件形成一 个整体，可以直接安装在被测工艺设备上，输出为统一标 准信号。 具有体积小、质量轻、安装方便等优点，因而在工业 生产中得到广泛应用。 由于一体化温度变送器直接安装在现场，在一般情况 下变送器模块内部集成电路的正常工作温度为-20~+80℃， 超过这一范围，电子器件的性能会发生变化，变送器将不 能正常工作，因此在使用中应特别注意变送器模块所处的 环境温度。
七、智能式温度变送器
智能式温度变送器有采用HART协议通信方式， 也有采用现场总线通信方式，前者技术比较成熟， 产品的种类也比较多，后者的产品近几年才问世， 国内尚处于研究开发阶段。下面以SMART 公司的 TT302温度变送器为例加以简单介绍。
TT302温度变送器是一种符合FF通信协议的现 场总线智能仪表，它可以与各种热电偶或热电阻配 合使用测量温度，具有量程范围宽、精度高、环境 温度和振动影响小、抗干扰能力强、质量轻以及安 装维修方便等优点。
图3-71 热电偶温度变送器的线性化方法方框图
(3)放大电路
由于热电偶产生的热电势数值很小，一般只有几 十或十几毫伏，因此将它经过多级放大后才能变换为 高电平输出。
2、热电阻温度变送器
热电阻温度变送器它与热电阻配套使用，将温度转 换成4—20mA和l—5V的统一标准信号。 热电阻温度变送器的结构大体上也可分为三大部分： 输入电桥、放大电路及反馈电路，如图3-72所示。和热电偶 温度变送器比较，放大电路是通用的，只是输入电桥和反 馈电路不同。
一是沿袭传统的检测技术发展思路，通过研制新 型的过程测量仪表，以硬件形式实现过程参数的直接 在线测量； 另一种就是采用间接测量的思路，利用易于获取 的其他测量信息，通过计算来实现被检测量的估计。 “软测量技术” (Soft-Sensing Technique)正 是第二种思想的集中体现。
软测量技术也称为软仪表技术(Soft Sensor Technique)，就是通过测量易测过程变量，并依据这 些易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量之间 的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估 计方法，实现对待测过程变量的测量。
教学重点：
测温仪表的选用及安装原则；无笔无纸记录仪的 显示界面。
教学难点：
数字式显示仪表的基本组成。
五、电动温度变送器
DBW型温度 (温差)变送器是DDZ—Ⅲ系列电动 单元组合式检测控制仪表中的一个主要单元。 它与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，将 温度或两点间的温差转换成 4—20mA 和 1—5V 的统 一标准信号；又可与具有毫伏输出的各种变送器配 合，使其转换成 4—20mA 和 l—5V 的统一输出信号。 然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对 温度或温差及其他各种参数进行显示、控制。
(3) 特殊场合适用的热电偶、热电阻
① 温度高于 870℃、氢含量大于 5％的还原性气体、惰性 气体及真空场合，选用钨铼热电偶或吹气热电偶。 ② 设备、管道外壁和转体表面温度，选用端（表面）式、 压簧固定式或恺装热电偶、热电阻。
③ 含坚硬固体颗粒介质，选用耐磨热电偶。
④ 在同一检出（测）元件保护管中，要求多点测量时，选 用多点（支）热电偶。 ⑤ 为了节省特殊保护管材料（如钽），提高响应速度或要 求检出（测）元件弯曲安装时可选用恺装热电偶、热电阻。 ⑥ 高炉、热风炉温度测量，可选用高炉、热风炉专用热电 偶。
二、现代传感器技术的发展
现代传感器技术发展的显著特征： 传感器新材料、新功能的开发，新加工技术的使用 多维、多功能化的传感器 传感器的微型化、集成化、数字化和智能化 出现了新型网络化传感器 传感器的发展历程经历了三个阶段： “聋哑传感器”(Dumb Sensor) —— 传统的传感器 “智能传感器” (Smart Sensor) —— 20世纪70年 代以来 “网络化传感器”(Net-worked Sensor)—— 近几年 来
周 次：第 6周，第 9 次课
教学内容：
第三章 检测仪表与传感器：第五节 温度检测及仪表；第六节 现代检测技术与传感器；第七节 显示仪表
教学目的要求 ：
了解电动温度变送器的作用和基本组成，初步了解一体 化温度变送器和智能式温度变送器，理解测温仪表的选用及 安装原则。 了解软测量技术的发展和现代传感器技术的发展；了解 数字式显示仪表的特点、分类和基本组成。 了解新型显示仪表无笔无纸记录仪的原理和组成，以及 虚拟显示仪表，掌握无笔无纸记录仪的显示界面 。
通常，软测量技术可分为机理建模、回归分析、 状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、过 程层析成像、相关分析和现代非线性信息处理技术等 九种。相对而言，前六种软测量技术的研究较为深入， 在过程控制和检测中有更多成功的应用。 软测量技术始于 20 世纪 80 年代中后期，经过多 年的发展，目前已建立了不少构造软仪表的理论和方 法，已经在许多实际工业装置上得到了成功的应用。