1、第3章 过程参数的检测,概述 压力检测 温度检测 流量检测 物位检测 成分和物性参数的检测 软测量技术简介,3.1 概述,检测过程与测量误差 过程参数的一般检测原理 变送器的基本特性和构成原理 变送器的若干共性问题,3.1.1 检测过程与测量误差,检测过程,参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。,传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如mV、V、mA、Hz、位移、力等等。由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如010
2、mA、420mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。 有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被测量显示出来。,测量误差,测量误差仪表测得的测量值 与被测真值 之差,由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。 即：,x0标准表读数,测量误差的几种表示形式：,绝对误差,实际相对误差,标称相对误差,相对百分误差,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度,一台测量范围01000kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内)，
3、另一台测量范围0400kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差5kPa， 请问哪一台压力检测仪表的精度更高？,虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。 在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。,由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:,仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度等级,仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误
4、差。 把仪表允许的最大相对百分误差去掉“”号和“”号，便可以用来确定仪表的精度等级。 目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。 所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5，以此类推。 精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：,1.5,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。 精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度等级,例1
5、：某压力变送器测量范围为0400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误差为5kPa，请确定该仪表的精度等级。,解：先求最大相对百分误差,去掉和%为1.25，因此该变送器精度等级为1.5级,例2：根据工艺要求选择一测量范围为040m3/h的流量计，要求测量误差不超过0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。,解：同样，先求最大相对百分误差,因此该流量计必须选择1.0级的流量计,结论：工艺要求得允许误差 仪表的允许误差 校验所得到的相对百分误差,检测仪表的主要性能指标,仪表的精确度等级,例3：某被测温度信号在7080范围内变化，工艺要求测量误差不超过1，现有两台温度测量仪表，精度等级均为0.5级
6、，其中一台仪表的测量范围是0100，另一台仪表的测量范围是0200，试问这两台仪表能否满足上述测量要求。,解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：|max|7010.7测量范围为0100的仪表的最大允许绝对误差为：|max|11000.50.5测量范围为0200的仪表的最大允许绝对误差为：|max|22000.51.0根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为0.5级，但只有测量范围是0100的温度测量仪表才满足本题的测量要求。,检测仪表的主要性能指标,非线性误差,在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对
7、应关系与理论直线的吻合程度。,通常非线性误差用实际测得的输入输出特性曲线（也称为校准曲线）与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,检测仪表的主要性能指标,变 差,在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。 变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示 ：,检测仪表的主要性能指标,灵敏度和分辨力,灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输出变化量和输入变化量之比，即,灵敏度y/x,
8、分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入的最小变化量。,检测仪表的主要性能指标,动态误差,相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。 动态误差是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。 衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常采用时间常数T和传递滞后时间（纯滞后时间）两个参数表示（这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数T
9、和纯滞后时间的数学含义是一致的）它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间的不利影响会远远超过时间常数T的影响。,3.1.2 过程参数的一般检测原理,参数检测离不开敏感元件（传感器），敏感元件是按照一定的原理把被测变量的信息转换成另一种可进行进一步处理或表示的信息。 这个转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应:,守恒定律,守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、动量守恒等等。 例如：孔板流量计、转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变化(能量守恒)来测量流体的流速。,场的定律,如静电场、电磁场的感应定律、动力场的运动定律等等。典型例子：电容传感器。,两平行板间物质的介
10、电常数，S平行板面积，d两平行板之间的距离。如果把一个极板固定，把另一个极板与可产生位移的敏感元件相连，即可将敏感元件的位移转换成电容量的大小。,过程参数的一般检测原理,热电效应,把两种不同的导体或者半导体连接成闭合的回路，如果将两个接点分别放置于不同的温度，则该回路内部会产生热电势，这种现象称为热电效应，,利用导体的热电效应，可将两种不同的导体制成热电偶用于温度检测，这也是一种工业上普遍使用的温度检测方法之一。,电阻的热效应,电阻的热效应是指金属导体的电阻值随温度变化而发生变化的现象。通常，电阻值和温度之间可以建立如下的简化关系式,Rt为温度t时的电阻值，Rt0为温度t0时的电阻值，为温度系
11、数。 可见，温度的变化可以导致电阻体的电阻发生变化，因此只要设法测量出电阻值的变化就可以达到测量温度的目的，这也是另一种工业上普遍使用的温度检测方法。,过程参数的一般检测原理,压电效应,当某些材料受压发生机械形变时，在两个相对的面上会产生异号电荷。这种在没有外电场存在，由于形变引起的电现象称为压电效应。 可见，利用压电效应可进行力、压力的测量。,应变效应和压阻效应,利用金属导体和半导体材料制成的电阻体，其阻值R可以表示成,当电阻体材料的电阻率、长度或者截面积发生变化，可引起电阻体电阻值发生变化 电阻体的电阻值变化归结为两个因素：一是由尺寸变化引起的（如 l、A），称为应变效应；二是由电阻率变化
12、引起的，称为压阻效应。 对于金属材料，以前者为主；对于半导体材料，以后者为主。 利用材料的应变效应和压阻效应制成的敏感元件可用于压力等参数的测量。,3.1.3 变送器的基本特性和构成原理,传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下，把被测变量转化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号，如电压、电流、电阻、频率、位移、力等等。 但由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往十分微弱并伴有非线性，因此，除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外，多数情况下都要利用变送器来把传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号，送到显示装置以指针、数字、曲线等形式把被测量显示出来，或者同时送到
13、控制器对其实现控制。,变送器基本的输入输出特性,对于一个检测系统来说，传感器和变送器可以是两个独立的环节，也可以是一个有机的整体。 但是，变送器的输入输出特性通常是指包括敏感元件和变送环节的整体特性，原因：一是人们往往更关心检测系统的输出与被测物理量之间的对应关系，二是敏感元件的某些特性往往需要通过变送环节进行处理和补偿以提高测量精度，例如：线性化处理、环境温度的补偿等等。,变送器基本的输入输出特性,变送器的理想输入输出特性,xmax和xmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值ymax和ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值 对于模拟式变送器：ymax和ymin即为统一标准信号的上限值
14、和下限值 对于智能式变送器：ymax和ymin即为输出数字信号范围的上限值和下限值,模拟变送器的构成原理,测量部分,放大器,反馈部分,x,测量部分 Ki,模拟式变送器的组成 ：,zi,放大器 Ko,y,反馈部分 Kf,zf,+,零点调整 零点迁移,+,z0,关键环节：,当满足KoKf1的条件时,x,Ki,zi,Ko,y,Kf,zf,+,+,z0,变送器的输入输出关系,如果，ymin，ymax 与xmin，xmax ，如何调整？,1.调整Ki、Kf可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点,2.调整z0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移,数字式变送器的构成原理,x,检测元件,A/D转换,CPU
15、,通信电路,数字信号,存储器,一般形式,x,检测元件,A/D转换,CPU,通信电路,FSK信号,存储器,D/A转换,Frequency shift keying,采用HART协议通信方式,数字式变送器软件部分包括:A/D采样程序量程转换程序工程量变换程序滤波程序误差校正程序D/A输出程序 通讯程序辅助功能程序,数字变送器的软件组成,3.1.4 变送器的一些共性问题,零点调整和零点迁移,线性化,变送器信号传输方式,量程调整,量程调整,量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数,使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应
16、,量程调整的方法,改变反馈部分的反馈系数Kf,改变测量部分转换系数Ki,软件实现,模拟式变送器,数字式变送器,Kf ,Ki,量程,量程,零点调整,零点调整的方法模拟变送器：调Z0 数字变送器：软件,使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin=0相对应,x,零点迁移,使变送器的输出信号下限值ymia与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin0时，称为零点迁移,当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移； 当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移,零点调整使变送器的测量起始点为零,零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值:,xmin,xmax,
17、xmin,xmax,零点迁移的方法模拟变送器：调Z0 数字变送器：软件,线性化,原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系,模拟式变送器非线性补偿方法:,1.使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性,2.使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性,数字式变送器非线性补偿方法: 软件实现,变送器信号传输,气动变送器：,电动模拟式变送器：,HART通讯协议方式,数字式变送器：,两根气动管线（气源和信号）,二线制 四线制,双向全数字量传输信号 (现场总线通信方式 ),二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号,二线制,四线制,供电电源和输出信号分别用二根导线传输,电动模拟式变
18、送器信号传输方式,节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰,二线制,二线制优点：,目前大多数变送器均为二线制变送器,数字式变送器信号传输方式,HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种过渡性协议，它采用FSK（键控频移）技术，在420mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通讯能同时进行，即在一条电缆上同时传输420mA的模拟信号和数字信号，互不干扰。我国目前工业现场中420mA标准的模拟仪表仍大量存在，HART协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。,HART通讯协议 :,物理层,数据链路层,应用层,HART通
19、信协议是依照国际标准化组织(ISO)的开放式系统互连(OSI)参考模型，简化并引用其中三层：,这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持 ,于 1 993年成立了HART通信基金会。,物理层规定了信号的传输方法和传输介质,传送速率为1200 bit/s,FSK信号相位连续，均值0，则叠加上的信号对模拟信号没有影响,信号传输：基于Bell 202 通讯标准，采用频移键控FSK方法，在420mA基础上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波作为数字信号,物理层,传输介质:单芯带屏蔽双绞电缆 距离可达3000米多芯带屏蔽双绞电缆 距离可达1500米短距离可使用非屏蔽电缆,
