050621智能仪表安装与调试数字化教材Word文档格式.docx
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二、任务分析
在石灰窑炉自动生产控制系统中,炉温的显示与控制是关键问题之一,本任务通过了解温度检测仪表及数字显示仪表等相关知识点,实现对石灰窑炉炉温的显示。
三、温度检测仪表
1、常用温度传感器
温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计;
按照测量方法又可分为接触式和非接触式;
按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等;
按输出方式分,有自发电型、非电测型等,如表6.1所示。
表6.1常用温度传感器性能表
测温
方式
温度计种类
常用测温
范围(℃)
测温原理
优点
缺点
非接触
式测温
仪表
辐
射
式
辐射式
400~2000
利用物体全辐射能
随温度变化的性质
测温时不破坏
被测温度场
低温段测量不
准,环境条件会
影响温度准确度
光学式
700~3200
比色式
900~1700
红
外
线
热敏探测
-50~3200
利用传感器转换进行测温
测温时不破坏被
测温度场,响应
快,测温范围大
易受外界干扰,
标定困难
光电探测
0~3500
热电探测
200~2000
接触
膨
胀
玻璃液体
-50~600
利用液体体积随温
度变化的性质
结构紧凑、牢固
可靠
准确度低,量程
和使用范围有限
双金属
-80~600
利用固体热膨胀变
形量随温度变化的性质
压
力
液体
-30~600
利用定容气体或液体压力随温度变化的性质
耐震,坚固,
防爆,价格低廉
准确度低,测温
距离短,滞后大
气体
-20~350
蒸汽
0~250
热
电
偶
铂铑-铂
0~1600
利用金属导体的热电效应
测温范围宽,准确
度高,便于远距离、多点、集
中测量和自动控制
需冷端温度补
偿,在低温段
测量准确度较低
镍铬-镍硅
0~1200
镍铬-考铜
0~600
阻
铂电阻
-200~500
利用金属导体或半导体的热阻效应
测温准确度高,便
于远距离、多点、
集中测量和自动控制
不能测高温,须
注意环境温度的影响
铜电阻
-50~150
热敏电阻
-50~300
2、热电偶
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一,必须配二次仪表。
其优点是:
1 测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。
2 测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)
3 构造简单,使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。
表6.2几种常用热电偶的测温范围及热电势
分度号
名称
测量温度范围
1000oC热电势/mV
B
铂铑30-铂铑6
50~1820C
4.834
R
铂铑13—铂
-50~1768C
10.506
S
铂铑10—铂
9.587
K
镍铬-镍硅
-270~1370C
41.276
E
镍铬-铜镍(康铜)
-270~800C
——
3、热电偶冷端的延长
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。
补偿导线在0~100oC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。
表6.3是几种热电偶的补偿导线
型号
配用热电偶
正-负
导线外皮颜色
100℃时的
热电势/
mV
RC
R
(铂铑—铂)
红-绿
0.647
KC
K(镍铬
-
镍硅)
红-蓝
NC
N(镍铬硅—镍硅)
红-黄
2.744
EX
E
(镍铬—铜镍)
红-棕
6.319
JX
J(铁—铜镍)
红-紫
5.264
TX
T
(铜—铜镍
)
红-白
4.279
4、热电偶的热端温度值计算
假设热电偶的冷端温度为0oC,从热电偶的分度表中可以直接查出某一温度时热电势,表6.4是K型热电偶的分度表。
用热电偶的分度表查毫伏数-温度时,必须满足t0=0℃的条件。
在实际测温中,冷端温度常随环境温度而变化,这样t0不但不是0℃,而且也不恒定,因此将产生误差。
一般情况下,冷端温度均高于0℃,热电势总是偏小。
应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。
方法有冷端恒温法、计算修正法、电桥补偿法、仪表机械零点调整法等。
表6.4镍铬-镍硅K热电偶分度表
(1)冷端恒温法
将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中,使冷端的温度保持在0℃不变。
此法也称冰浴法,它消除了t0不等于0℃而引入的误差,由于冰融化较快,所以一般只适用于实验室中。
(2)计算修正法
当热电偶的冷端温度t0!
=0oC时,由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化,所以测得的热电势EAB(t,t0)与冷端为0℃时所测得的热电势EAB(t,0℃)不等。
若冷端温度高于0℃,则EAB(t,t0)<
EAB(t,0℃)。
可以利用下式计算并修正测量误差:
EAB(t,0℃)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0℃)
(3)电桥补偿法
电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值,可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。
5、热电偶的封装
根据使用环境的不同,热电偶有多种封装形式,下图分别为装配型、铠装型、隔爆型、微型等。
(1)装配型热电偶
装配式热电偶主要由接线盒、保护管、绝缘套管、接线端子、热电极、补偿导线等组成。
装配式热电偶具有装配简单,更换方便,抗振性能好,测温范围大,机械强度高,耐压性能好,价格较低等特点,常用在一般场所。
(2)铠装热电偶
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。
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。
(3)防爆型热电偶
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。
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)。
(4)微型热电偶
微型热电偶是比铠装热电偶还要微小,更加具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等优点,微型热电偶亦可以作为装配式热电偶的感温元件。
微型热电偶特别适用于狭小且须弯曲场所的温度测量与控制,是化工、化纤、制药等行业不可缺少的测量温度装置。
四、数字显示仪表
1、显示仪表
显示仪表直接接收检测元件及变送器或传感器的输出信号,连续地显示、记录生产过程中各个被测参数的变化情况。
按显示方式不同,显示仪表分为模拟式、数字式和图像式三种。
(1)模拟显示仪表
模拟仪表显示、变换、控制输入输出信号为连续的物理量的仪表,通常又称为常规仪表。
常见的模拟式显示仪表有指针式、动圈式、声光式等。
具有结构简单、价格便宜、灵敏可靠、维修方便等特点,是我国中小企业广泛使用的常规仪表。
(2)数字式显示仪表
数字显示仪表能将被测的连续电量(模拟量)自动地变成断续量,然后进行数字编码,并将测量结果以数字形式显示,故称为数字显示仪表。
图6.5是数字式显示仪表的结构方框图。
图6.5数字显示仪表结构方框图
数字显示仪表可以与不同的传感器(变送器)配合,对压力、温度、流量、物位、转速等参数进行测量并以数字的形式显示被测结果,它具有显示直观、没有人为视觉误差、反应迅速、准确度高等特点,目前数字显示仪表在各个行业已等到广泛的应用。
常用显示器有数码管显示器和液晶显示器,数码管显示器只能显示数字和简单的字符,液晶显示器能够同时显示多种形式的信息,文字、图形。
(3)智能显示仪表
以CPU为核心的新型显示仪表——智能化的显示仪表已经越来越广泛地应用于各行各业。
智能式显示仪表包括智能数显表和图像显示仪表,后者常称为无纸记录仪或电子记录仪。
无纸记录仪就是直接把工艺参数的变化量,以文字、图形、曲线、字符等多种方式在屏幕上进行显示的仪表。
五、A/D转换器
传感器按比例把被测量如温度、湿度、压力、流量、速度等转换成电量,多以电流或电压大小的形式(模拟量)来表示被测量的大小。
智能仪表的CPU所能识别的信号一般是数字信号(二进制代码),因此对于智能显示仪表模拟量到数字量转换部分是显示仪表的重要组成部份,以便进行信号处理和显示。
从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换(简称A/D转换),实现模/数转换的电路叫做A/D转换器(简称ADC)。
从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换(简称D/A转换),实现数/模转换的电路称为D/A转换器(简称DAC)。
1、A/D转换步骤
A/D转换将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号,包括采样、保持、量化、编码四个步骤。
(1)采样、保持
将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。
如图6.6所示,要想不失真地恢复原模拟信号,必须满足采样定理。
采样定理:
设取样脉冲s(t)的频率为fS,输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax,必须满足 fs≥2fmax,y(t)才可以正确的反映输入信号x(t)。
由于A/D转换需要一定的时间,在每次采样以后,需要把采样电压保持一段时间。
图6.7是采样保持电路及输出波形图。
s(t)有效期间,开关管VT导通,uI向C充电,uO(=uc)跟随uI的变化而变化;
s(t)无效期间,开关管VT截止,uO(=uc)保持不变,直到下次采样。
(由于集成运放A具有很高的输入阻抗,在保持阶段,电容C上所存电荷不易泄放。
)
图6.7采样保持电路及输出波形图
(2)量化编码
数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。
将采样-保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。
用二进制代码来表示各个量化电平的过程,叫做编码。
一个n位二进制数只能表示2n个量化电平,量化过程中不可避免会产生误差,这种误差称为量化误差。
量化级分得越多(n越大),量化误差越小。
2、A/D转换工作原理
A/D转换有多种,并行/串行比较型、逐次比较型、双积分型、电压转换型、Σ-Δ调制型等,常用的有两种:
双积分型和逐次比较反馈编码型。
(1)双积分型
基本原理:
将一段时间内的模拟量电压值通过两次积分变换成与其成正比的时间间隔,然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔,从而得到数字量。
图6.8双积分A/D转换器原理框图
图6.8是双积分A/D转换器原理框图,对输入模拟电压Vi和基准电压Vs分别进行积分,将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2,然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数,计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。
(2)逐次比较型
用一套标准电压与被测电压进行比较并不断逼近,最后达到一致。
标准电压值的大小就表示了被测电压的大小。
将这一与被测电压相平衡的标准电压以二进制形式输出,就实现了模/数转换过程。
图6.9逐次逼近式AD转换器的原理框图
图6.9是逐次逼近式AD转换器的原理框图,比较由最高位开始,逐次比较。
移位寄存器在CP脉冲的控制下首先从高位移入数据寄存器一个二进制1,D/A转换器把数据寄存器中的二进制数转换成标准电压,电压比较器对输入模拟量电压与标准电压比较,控制数据寄存器是否保留此电压。
移位寄存器在CP脉冲的控制下从高位往低位逐次移入1,根据每一次的比较结果,使相应位的数码寄存器记“1”或“0”,最终得到一组二进制数即为该模拟电压的数字量。
(3)AD转换器的主要技术参数
(1)分辨率
分辨率是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时,对应输入模拟量的变化量。
(2)转换误差
转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。
通常以输出误差的最大值形式给出。
转换误差也叫相对精度或相对误差。
转换误差常用最低有效位的倍数表示。
(3)转换速度
完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间,转换时间越短,则转换速度越快。
双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间;
逐次比较型ADC的转换时间大都在10~50μs之间;
并行比较型ADC的转换时间可达10ns。
六、数字显示仪表的技术指标
(1)显示位数
显示位数常见的有三位、四位,更高可达8位。
位数越多读数的准确度就越高。
现场使用多为三位、四位,它们都可以再增加半位
(2)分辨率
分辨率指数字显示仪表显示的最小数和最大数的比值。
分辨力是指数字显示仪表在最低量程上,最末位改变一个字时相对应的被测信号值,它相当于模拟式仪表的灵敏限。
(3)数字显示仪表的误差
◆当仪表的分辨力满足3b<
a%(tmax-tmin)时
则:
Δ=±
[a%(tmax-tmin)+b]
◆当仪表的分辨力满足10b<
[a%(tmax-tmin)+2b]
◆当仪表的分辨力满足3b>
a%(tmax-tmin)
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