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(共24张PPT)
化 工 仪 表 及 自 动 化
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1 过程检测仪表
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1 过程检测仪表
教学内容：
1.1 过程检测仪表的分类
1.2 压力、物位检测仪表
1.3 流量检测仪表
1.4 温度检测仪表
1.5 变送器
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1.5 变送器
工业生产过程中，在对各种工艺变量进行检测时，因所选择的检测元件、检测方法不同，将使得相应的检测信号不同。实际使用中，常用变送器将来自于不同检测仪表、代表了不同被测工艺变量的不同检测信号转换为统一的标准信号，以便于使用统一的显示仪表和控制仪表进行显示和控制之用。
变送器按被测工艺变量分类，变送器主要有差压变送器、压力变送器、温度变送器、液位变送器和流量变送器等；按仪表的动力分类，有电动变送器和气动变送器。
—第一篇 自动化仪表—
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1 .膜盒式差压变送器
工作原理：力矩平衡
检测元件——膜盒或膜片
杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构
膜盒式差压变送器构成
△P
测量部分
Fi
杠杆系统
△M
放大器
反馈部分
Ff
Io
1.5.1 差压变送器
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2.电容式差压变送器
电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件
主要包括测量部件和转换放大电路两部分：
差压电容膜盒
电容-电流转换电路
调零、零
迁电路
电流放大器
反馈电路
Δp
ΔC
Ii
If
＋
＋
Iz
－
Io
测量部分
转换放大部分
—第一篇 自动化仪表—
1151型电容式差压变送器
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ΔP=0
Ci1=Ci2=15pF
ΔP＞0
Ci1的电容量减小
Ci2的电容量增大
——差动电容测量原理
电容式差压变送器测量原理
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电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准4～ 20mADC电流信号。
电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。
电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。
电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。
—第一篇 自动化仪表—
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3.压阻式（扩散硅）压力/差压变送器
因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。
用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。
p2
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硅杯
图3-30 压阻式传感器示意图
正压侧隔离膜片
引出线
负压侧隔离膜片
硅油
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构成框图：
扩散硅压阻传感器
前置
放大器
调零电路
V－I转换
△P
US
U01
UZ
IO
检测部分
电磁放大部分
—第一篇 自动化仪表—
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测量部分——扩散硅压阻传感器
——把被测差压ΔP成比例地转换为不平衡电压US
1.负压室 2.正压室 3.硅杯
4.引线 5.硅片
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测量部分——惠斯顿电桥,电压转换
＋ US －
Ri1
Ri2
Ri3
Ri4
IS
受压时：△Ri1＝△Ri4＝r1
△Ri2＝△Ri3＝r2
受压时，流经2桥臂的电流始终相等
Ri1
Ri2
Ri3
Ri4
—第一篇 自动化仪表—
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结论：
压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构简单，
其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。
扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍，能直接测量出微小的压力变化。
此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。
因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类压力传感器。
这种传感器的缺点则是扩散电阻存在温度效应，容易受环境温度的影响，有些厂家在传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路，甚至把放大转换等电路集成在同一块单晶硅膜片上，从而可以大大提高传感器的基本性能。
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3051C差压变送器
基本误差±0.075%，稳定性±0.125%，量程比为100:1,数字通信方式符合HART协议，仪表支持总线供电，并具有本质安全防爆性能。
结构原理
包括传感器和电子组件。 电容传感器前面介绍过，其输出的信号，经电子部件处理后得到与输入差压对应的4~20mA/HART 或FF数字信号。电子部件由微处理器、存储器、D/A转换器和通信部件等组成，
4.智能式差压变送器
图1-36 EJA智能式差压变送器
—第一篇 自动化仪表—
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电子组件
A/D转换器
温度传感器
电容传感器
传感器组件
存储器
微处理器
电子组件
存储器
D/A转换器
数字通信
本地量程
和零位调整
压力
压力
传感器组件
输出
3051C HART差变结构原理图
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1、DDZ－III型温度变送器
分为热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两种
热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出
热电阻温度变送器：把Ω信号转换为标准电流输出
最终要求：变送器输出电流Io应与被测温度t成线性对应关系
热电偶温度变送器应主要要解决：冷端温度补偿和线性化处理两个内容
热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号，输入回路即是冷端温度自动补偿桥路，其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势，因此补偿电桥上的参数与热电偶分度号有关，热电偶温度变送器使用时要注意分度号的匹配。
线性化处理电路
热电阻温度变送器应主要要解决：克服引线电阻的影响和线性化处理两个内容
采用三线制输入方式。
线性化处理电路
1.5.2 温度变送器
—第一篇 自动化仪表—
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2、一体化温度变送器
分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种
热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出
热电阻温度变送器：把Ω信号转换为标准电流输出
所谓一体化温度变送器，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,变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号4～20mA。
这种变送器具有体积小、重量轻、现场安装方便等优点，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，但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作温度在–20～+80℃范围内，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。
一体化温度变送器品种较多，其变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成，常用的变送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。下面以AD693构成的一体化温度变送器为例进行介绍。
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一体化热电偶温度变送器
I1
I2
VT1
—第一篇 自动化仪表—
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一体化热电偶温度变送器简图
AD693的输入信号Ui为热电偶所产生的热电势Et与电桥的输出信号UBD之代数和
如果设AD693的转换系数为K，可得变送器输出与输入之间的关系为
结论：
①变送器的输出电流I0 与热电偶的热电势Et成正比关系。
②RCu阻值随温度而变，合理选择RCu的数值可使RCu随温度变化而引起的I1RCu变化量近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势Et的变化值，两者互相抵消。
③W1的作用是调零，W2的作用是调满（量程）
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一体化热电阻温度变送器
I2
I1
VT1
AD693构成的热电阻温度变送器采用三线制接法，与热电偶温度变送器的电路大致相仿，只是原来热电偶冷端温度补偿电阻RCu现用热电阻Rt代替。AD693的输入信号Ui为电桥的输出信号UBD，即
同样可求得热电阻温度变送器的输出与输入之间的关系为
—第一篇 自动化仪表—
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3、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。
下面以SMART公司的TT302温度变送器为例进行介绍。
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，
它可以与各种热电阻或热电偶配合使用测量温度，
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、重量轻以及安装维护方便等优点。
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输入板包括多路转换器、信号调理电路、A／D转换器和隔离部分，其作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，传送给CPU，并实现输入板与主电路板的隔离。
用于热电偶的冷端温度补偿
核心
采样、计算(控制)、输出
产生并输出满足FF标准的数字信号
显示
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本章小结
（1）工业自动控制系统包含自动检测系统和控制系统。
（2）对工艺变量检测存在误差。误差表示方法有绝对误差和相对百分误差。 检测仪表的误差来源有系统误差、偶然误差和粗大误差三种。确定仪表精度等级是评价仪表品质指标的首要问题。
（3）尽管检测仪表的原理和结构各不相同，但其基本上是由检测元件、放大及变送环节和显示单元三个部分组成。
（4）压力检测是工业生产过程自动检测中的主要内容之一，压力的单位是帕斯卡（Pa）。
（5）压力检测方法有液柱式、弹性式、电气式和活塞式等，随着技术的发展，新型电气式压力表不断出现。
（6）物位检测仪表有直读式、浮力式、差压式、电气式和非接触式等类型。
（7）流量是指单位时间内流过管道某截面积的流体的数量。它有瞬时流量和总量之分，也有体积流量和质量流量之分。工程中使用的流量计种类很多，可大致分为速度式、容积式和质量式流量计三大类。
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（8）差压式流量计由节流装置、引压管和差压计（或差压变送器）三部分组成。
（9）标准节流装置是对节流元件、取压方式和使用条件等作了统一规定。
（10）容积式流量计是通过标准容积的数量来检测流体流量的，它检测精度高，适用于高粘度介质的流量检测。
（11）用差压变送器将流量信号转换成标准电流信号，以便于检测、计量或控制。
（12）温标是温度的数值表示，它规定起点和基本单位。常用温标有摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。
（13）温度是工业生产中经常遇到的被测变量，测温仪表可分为接触式和非接触式两大类，常用测温元件有热电偶和热电阻。
（14）温度显示仪表有动圈式显示仪表和自动平衡式显示记录仪。
（15）各种变送器输出的都是统一的标准信号，其中电动变送器输出的是4～20mA直流电流信号，气动变送器输出的是20～100KPa的气压信号。

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