计算机控制系统中的检测设备和执行机构.ppt
2023/10/18,计算机控制技术,1,第2章 计算机控制系统中的检测设备和执行机构,2023/10/18,计算机控制技术,2,传感器和变送器过程控制中常用的执行器运动控制中常用的执行机构,第2章计算机控制系统中的检测设备和执行机构,2023/10/18,计算机控制技术,3,2023/10/18,计算机控制技术,4,传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的输出信号有多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号形式由传感器原理确定。变送器在控制系统中起着至关重要的作用，它将工艺变量(如温度、压力、流量、液位、成份等)和电、气信号(如电流、电压、频率、气压信号等)转换成统一的标准信号。,2023/10/18,计算机控制技术,5,2.1 传感器和变送器,主要内容：信号传输及供电的四线制与两线制 压力检测及变送温度检测和变送流量检测及变送物位检测及变送其它检测仪表和装置,2023/10/18,计算机控制技术,6,2.1.1 信号传输及供电的四线制与两线制,变送器安装在现场，它的气源或电源从控制室送来，而输出信号送到控制室。气动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号。电动模拟式变送器采用二线制或四线制传输电源和输出信号。,2023/10/18,计算机控制技术,7,二线制：仪表的信号传输与供电共用两根导线,四线制：仪表的信号传输与供电用四根导线,2023/10/18,计算机控制技术,8,智能式变送器,智能式变送器采用双向全数字量传输信号，即现场总线通讯方式；目前广泛采用一种过渡方式，即在一条通讯电缆中同时传输420mA电流信号和数字信号，这种方式称为HART协议通讯方式。智能式变送器的电源也由通信电缆传输。,2023/10/18,计算机控制技术,9,HART协议,HART(Highway Addressable Remote Transducer)通信协议是数字式仪表实现数字通信的一种协议，具有HART通信协议的变送器可以在一条电缆上同时传输420mADC的模拟信号和数字信号。HART通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：物理层、数据链路层、应用层而制定的。物理层规定了信号的传输方法和传输介质；数据链路层规定了数据帧的格式和数据通讯规程；应用层规定了通讯命令的内容。,2023/10/18,计算机控制技术,10,压力检测及变送,压力检测的主要方法和分类电容式差压变送器智能型差压变送器,2023/10/18,计算机控制技术,11,大气压力-用气压计测定的压力,随大气条件和地点而变化.确定为标准状态的大气压力参考值等于是101325Pa。相对压力或表压-相对于大气压力测定的压力。负压-负的相对压力，因此它低于大气压力过压-正的相对压力。差压-两个压力的差值。绝对压力-相对于真空（0压）测量的压力,几种压力表述形式,2023/10/18,计算机控制技术,12,压力检测的主要方法和分类,按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为以下几类：液注式压力检测：依据流体静力学原理弹性式压力检测：依据弹性形变原理负荷式压力检测：依据静力平衡原理电气式压力检测：利用敏感元件其它压力检测方法：弹性振动、压磁式,2023/10/18,计算机控制技术,13,U形管压力计(根据流体静力学原理),2023/10/18,计算机控制技术,14,弹簧管压力计(弹性元件受力变形原理),1.金属弹簧管2.指针3-连杆4.扇型齿轮5.弹簧6-底座7.测压接头8.小齿轮9.外壳,2023/10/18,计算机控制技术,15,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，是目前工业上普遍使用的一种变送器,2023/10/18,计算机控制技术,16,电容式差压变送器结构框图,2023/10/18,计算机控制技术,17,测量部分的作用是通过电容式压力传感器及相关电路把被测差压p成比例的转换成为差动电流信号Id。差动电容的相对变化量再通过电容/电流转换电路比例的转换成差动电流信号Id，经放大后转换成4-20mA输出电流。,2023/10/18,计算机控制技术,18,智能型压力变送器,智能型压力或差压变送器就是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。智能型变送器的特点是可进行远程通信。其精确度高，使用与维护方便。通过编制各种程序，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式报警等多种功能，因而提高了变送器的精确度，简化了调整、校准与维护过程，促使变送器与计算机、控制系统直接对话。,2023/10/18,计算机控制技术,19,智能式压力变送器,2023/10/18,计算机控制技术,20,2023/10/18,计算机控制技术,21,2.1.3 温度检测和变送,热电偶热电阻模拟式温度变送器智能式温度变送器,2023/10/18,计算机控制技术,22,测温方法的分类,接触式测温 基于热交换原理非接触式测温 基于热辐射原理,2023/10/18,计算机控制技术,23,温度计的分类和形式,膨胀式温度计辐射式温度计热电偶温度计热电阻温度计,2023/10/18,计算机控制技术,24,膨胀式温度计,2023/10/18,计算机控制技术,25,膨胀式温度计,2023/10/18,计算机控制技术,26,辐射式温度计,物体受热后，有一部分热能转化成辐射能，以电磁波形式向四周辐射。若物体能将落在其上的热辐射全部吸收称为绝对黑体普朗克定律建立辐射强度和温度的内在联系,2023/10/18,计算机控制技术,27,热电偶测温原理,热电偶温度计利用不同导体或半导体的热电效应来测温的 两种不同的导体材料（或半导体）A，B组成的闭合回路。相接触时，存在电子的迁移，达到平衡时，在接触的两端形成电势,2023/10/18,计算机控制技术,28,热电偶测温原理,工业上常用的(已标准化)热电偶有：铂铑30-铂铑6热电偶(分度号位B)、铂铑10-铂热电偶(分度号为S)、镍铬-镍硅(镍铬-镍铝)热电偶(分度号位K)等。,2023/10/18,计算机控制技术,29,2023/10/18,计算机控制技术,30,热电偶冷端温度补偿,热电偶的热电势是两个接点温度的函数表,只有当冷端温度不变（一般取0度）时,热电势才是热端温度的单值函数。实际应用中,热电偶冷端所处环境温度总有波动,从而使测量得不到正确结果,必须采取补偿措施.冷端温度补偿办法有以下几种:1.冰浴法 2.冷端温度修正法 3.校正仪表零点法 4.补偿法,2023/10/18,计算机控制技术,31,热电阻测温原理,热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的若忽略物体的长度和截面随温度的变化,则在参比温度t0下的电阻值Rt0和电阻温度系数a已知,可以通过测量此物体的电阻来反映其温度.Rt=Rt01+a(t-t0)热电阻引线的功能是使感温元件能与外部测量线路相连接。热电阻引线对测量结果有较大的影响，现在常用的引线方式有两线制、三线制和四线制三种。,2023/10/18,计算机控制技术,32,两线制：在热电阻感温元件两端各连一根导线的引线形式为两线制。这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。因此两线制适用于引线不长，测温准确度要求较低的场合。三线制：在热电阻感温元件一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线方式称为三线制。这种引线形式可以较好的消除引线电阻的影响，测量准确度高于两线制。工业热电阻通常采用三线制接法。四线制：在热电阻感温元件两端各连接两根引线的接法称为四线制。这种方式主要用于高精度温度检测。其中两根引线为热电阻提供恒流源I，在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位差计进行测量。因此它能完全消除引线电阻对测量的影响，且在连接导线阻值相同时，还可以消除连接导线的影响。,2023/10/18,计算机控制技术,33,工业常用热电阻,在我国,标准化的热电阻现有铂的和铜的两种铂热电阻用于摄氏度范围内测温，铜热电阻因在高温下易氧化而适用于摄氏度范围内测温。前者稳定性好，准确度高；后者价格便宜，电阻与温度关系的线性度较好。,2023/10/18,计算机控制技术,34,分度号,根据IEC规定,铂电阻有Pt10和Pt100两种分度号铜热电阻按WZC标准,代号有Cu50和Cu100两种。,IEC：国际电工委员会（International Electro Technical Commission），成立于1906年成月，是世界上成立最早的专门国际标准化机构,2023/10/18,计算机控制技术,35,2023/10/18,计算机控制技术,36,电厂专用热电阻和隔爆型热电阻,2023/10/18,计算机控制技术,37,套管式热电阻,套管式热电阻作为温度测量和控制的传感器与显示仪表配套，以直接测量和控制生产过程中气体，液体和蒸汽的温度。不仅用于发电厂管道测温，同时也用于其他工业部门的测温。,2023/10/18,计算机控制技术,38,装配式热电阻,工业用铂电阻作为温度测量的传感器，通常用来和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。,2023/10/18,计算机控制技术,39,耐腐型、耐磨型热电阻,但在某些特殊场合，如化工厂、冶炼厂、火电厂等，用普通热电偶，热电阻就极易损坏。因此，在这些场合必须采用特殊材料及机构的热电偶热电阻。,2023/10/18,计算机控制技术,40,模拟式温度变送器,以DDZ-型为例，它可以和热电阻或热电偶配合使用，将温度信号转换成统一标准信号；主要由测量部分和放大部分组成,2023/10/18,计算机控制技术,41,2023/10/18,计算机控制技术,42,2.1.4 流量检测及变送,流量检测原理有很多，有许多分类方法：按测量单位分：质量流量计与体积流量计按测量流体运动原理分：容积式、速度式、动量式和质量流量式按测量方法分：直接测量式和间接测量式,2023/10/18,计算机控制技术,43,差压流量计转子流量计速度式流量计容积式流量计靶式流量计电磁流量计,涡街流量计超声波流量计量热式流量计质量流量计其它流量计,按测量原理细分,2023/10/18,计算机控制技术,44,文丘利式差压流量计,2023/10/18,计算机控制技术,45,文丘利管,2023/10/18,计算机控制技术,46,转子流量计,转子流量计又称浮子流量计，是目前工业上或实验室常用的一种流量计。它是由一根锥形的玻璃管和一个能上下移动的浮子所组成,2023/10/18,计算机控制技术,47,涡街流量计,在流体中放置一非线性柱状物(如圆柱或三角形等),则在某一雷诺数范围内,在柱状物的下游就会产生两列不对称且又有规律的漩涡。通常称为卡门涡街。由实验获知,三角柱卡门漩涡产生的频率f与平均流速V,管道直径D,三角扁平面的宽度d 之间的关系为:f=St/(l-1.25d/D)V/d,2023/10/18,计算机控制技术,48,涡街流量计,涡街流量计又称为漩涡流量计，是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。,2023/10/18,计算机控制技术,49,电磁流量计,流体流动时,两电极之间产生感应电势E,设两电极之间距离为L。则根据法拉第电磁感应定律:Q=3.14D2E/(4KLB)=CE/B(7-5)其中 Q 被测流体的流量 m3/s C 检验因数 C=3.14D2/(4KL)D 管道内径，L 两电极距离 E感应电势,B 磁感应强度，,2023/10/18,计算机控制技术,50,2023/10/18,计算机控制技术,51,电磁式流量计,电磁流量计是基于电磁感应原理来测量流量的仪表，它能测量具有一定电导率的液体的体积流量。测量的准确度不受被测液体粘度、密度、温度及电导率变化影响，测量管中没有任何阻碍被测液体流动的部件，所以几乎没有压力损失。适当选用测量管中绝缘内衬和测量电极材料，就可以测量各种腐蚀性溶液的流量，尤其在测量含有固体颗粒溶液如泥浆、纸浆、矿浆或纤维液体流量时，更显示出其优越性,2023/10/18,计算机控制技术,52,电磁流量计,2023/10/18,计算机控制技术,53,超声波流量计,超声波流量计常用测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法基本原理是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。超声波流量计可用于测量任何液体流量,尤其适用于测量腐蚀性液体,高粘度液体和非导电液体的流量。也可用于测量大口径管道的水流量或各种水渠,河流,海水的流速和流量。,2023/10/18,计算机控制技术,54,便携式超声波流量计,2023/10/18,计算机控制技术,55,2.1.5 物位检测及变送,物位仪表的分类差压式液位变送器电容式物位传感器,2023/10/18,计算机控制技术,56,物位仪表分类,直读式物位测量仪表浮力式物位测量仪表 静压式物位测量仪表 电磁式物位测量仪表 辐射式物位仪表 声波式物位测量仪表 光学式物位测量仪表,2023/10/18,计算机控制技术,57,磁性液位控制器,磁性液位控制器利用磁性浮子随液位变化升或降，使检测管内的干簧管开关动作，送出接点信号。结构简单，易于安装维修。应用广泛，价格低廉。,2023/10/18,计算机控制技术,58,浮球液位控制器,液位浮动开关利用重力与浮力的原理设计。主要包括浮标和微动开关，当液位变化，浮标内的开关通、断。,2023/10/18,计算机控制技术,59,浮球液位控制器,浮球液位控制器由测量和输出两部分组成，当液位变化时，浮球随之上下移动，从而使磁钢摆动。根据磁性同性相斥原理，使触点接通或断开,2023/10/18,计算机控制技术,60,顶装式磁翻柱液位计,液位计根据浮力原理和磁性耦合作用研制而成。当液位上升时,翻柱由白色转为红、白界位处为容器内介质液位的实际高度，从而实现液位的指示。,2023/10/18,计算机控制技术,61,差压式液位变送器,利用差压或压力变送器可以很方便的测量液位，且能输出标准的电流或气压信号。差压式液位变送器是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的,p,2023/10/18,计算机控制技术,62,电容式物位传感器,在电容器的极板之间，充以不同介质时，介电系数不同，电容量的大小也有所不同可通过测量电容量的变化来检测液位、料位和两种不同液体的分界面电容量大小与液位高度H成正比,2023/10/18,计算机控制技术,63,其它检测仪表和装置,接近开关、光电开关测速发电机光电编码器测厚仪表,2023/10/18,计算机控制技术,64,行程开关、接近开关,行程开关、接近开关主要将机械位移变为电信号，以实现对系统的控制，广泛的应用在机电一体化的设备上，作为电路自动切换、限位保护、行程控制等应用,行程开关,接近开关,2023/10/18,计算机控制技术,65,光电开关,光电开关也是一种常用的开关型检测元件。它有投光器、受光器和电源组成，投光器常用发光二极管，受光器常用光敏二极管或光敏三极管工作原理：使投光器和受光器相对，当被测物体挡住从投光器发射出的光线时，受光器就输出相应的控制信号。光电开关按检测方式可分为反射式、对射式两种类型,2023/10/18,计算机控制技术,66,图.光电开关,2023/10/18,计算机控制技术,67,测速发电机 tachogenerator,输出电动势与转速成比例的微特电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即Ekn，其中k是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。当被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，即能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。,2023/10/18,计算机控制技术,68,测速发电机,测速发电机是一种专门用来测量转速的微型电机，其本质是一种微型发电机。有直流和交流两种 测速发电机广泛应用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度由于直流测速发电机有电刷、换向器等接触装置，使它的可靠性变差，精度也受到影响。交流测速发电机的输出频率与转速严格对应，输出信号可经放大整形变换电路转换成标准的电压或电流信号,2023/10/18,计算机控制技术,69,光电编码器,光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。,2023/10/18,计算机控制技术,70,光电编码器,光电编码器作为一种传感器具有精度高、耗能低、非接触无磨损、稳定可靠等优点。尤其是它以数字量输出，具有与计算机容易联机的优点。编码器的应用对象，就其所测量的物理量的性质，它可对运动机械的直线位移、角位移、速度、相位等进行测量，也可间接地对能变换成这些量的，例如温度压力、流量等物理量进行测量，并给出相应的电学量输出。在自动化系统中，它可作为敏感检测元件组成自动检测系统，也可作为检测反馈元件，组成闭环或半闭环的自动控制系统,2023/10/18,计算机控制技术,71,编码器分类表,2023/10/18,计算机控制技术,72,编码器,2023/10/18,计算机控制技术,73,2023/10/18,计算机控制技术,74,2.2 过程控制中常用的执行器,执行器是过程计算机控制系统中的一个重要组成部分。其作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。,2023/10/18,计算机控制技术,75,2023/10/18,计算机控制技术,76,执行器有各种不同的分类方法：按动力能源分类 分为气动执行器、电动执行器、液动执行器。气动执行器利用压缩空气作为能源，其特点是结构简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆，价格较低；可方便的与气动仪表配套使用，即使是采用电动仪表或计算机控制时，只要经过电/气转换器或电/气阀门定位器，将电信号转换为的标准气压信号，仍可用气动执行器 按动作极性分类 分为正作用、反作用执行器 按动作行程分类 分为角行程、直行程执行器 按动作特性分类 分为比例式、积分式执行器,2023/10/18,计算机控制技术,77,气动执行器,气动执行器又称气动调节阀，由气动执行机构和控制机构组成。执行器上有标尺，用以指示执行器的动作行程,图.气动执行器,2023/10/18,计算机控制技术,78,气动执行机构,常见的气动执行机构有薄膜式和活塞式两大类其中薄膜式执行机构最常见,2023/10/18,计算机控制技术,79,气动薄膜调节阀的组成,气动薄膜调节阀是由上部的薄膜执行机构和下部的调节机构两部分组成,执行机构,调节机构,2023/10/18,计算机控制技术,80,控制机构,控制机构即调节阀，实际上是一个局部阻力可以改变的节流元件 调节阀由阀体、阀座、阀芯、阀杆、上下阀盖等组成。调节阀直接与被控介质接触，为适应各种使用要求，阀芯、阀体的结构、材料各不相同 调节阀的阀芯有直行程阀芯与角行程阀芯,2023/10/18,计算机控制技术,81,2023/10/18,计算机控制技术,82,直通单座调节阀,2023/10/18,计算机控制技术,83,三通调节阀,三通阀可以把一路流体分成两路，或是把两路流体合为一路，它们是在直通单座或双座调节阀的基础上发展起来的，可以代替两个直通阀,2023/10/18,计算机控制技术,84,流量特性,由于调节阀开度变化时，阀前后的压差P也会变，从而流量Q也会变。为分析方便，称阀前后的压差不随阀的开度变化的流量特性为理想流量特性；阀前后的压差随阀的开度变化的流量特性为工作流量特性,2023/10/18,计算机控制技术,85,流量特性,对不同的阀芯形状，具有不同的理想流量特性：,2023/10/18,计算机控制技术,86,电/气转换器,电气转换器 电气阀门定位器,2023/10/18,计算机控制技术,87,电气转换器,它是基于力矩平衡的工作原理,图.电/气转换器简化原理图,2023/10/18,计算机控制技术,88,电气阀门定位器,图.电/气阀门定位器原理图原理,2023/10/18,计算机控制技术,89,智能型电/气阀门定位器,以微处理器为核心采用的数字定位技术 先进性在于：控制精度高、能耗低、调整方便、可任意选择流量阀的流量特性、故障报警、通过接口与其它现场总线用户实现通信。,2023/10/18,计算机控制技术,90,电动执行器,2023/10/18,计算机控制技术,91,电动执行器,电动执行器和气动执行器一样，是控制系统中的一个重要部分。它接收来自控制器的420mA或010mA直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构，以实现自动控制 电动执行器有直行程、角行程和多转式等类型,2023/10/18,计算机控制技术,92,电动执行器主要由伺服放大器和执行机构组成，如下图：,电动执行机构方框图,2023/10/18,计算机控制技术,93,现场总线执行器,符合现场总线的智能执行器由传统的执行器、含有微处理器的控制器以及可与PC或PLC双向通信的模件及软件组成，具有与上位机或控制系统通信的功能 智能化和高精度的系统控制功能 一体化的结构 智能化的通信功能 智能化的自诊断功能,2023/10/18,计算机控制技术,94,2023/10/18,计算机控制技术,95,2.3 运动控制中常用的执行机构,直流伺服电机交流伺服电机步进电机电磁阀和液压阀,2023/10/18,计算机控制技术,96,交流伺服电机,交流伺服电机在自动控制中也常被用来作为执行元件 在自控系统中，伺服电动机是将控制信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件，自动控制系统对它主要提出以下几点要求：转速和转向方便地受控制信号控制，调速范围要大 整个运行范围内特性具有线性关系，运行稳定性 当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，也就是要求伺服电动机无“自转”现象；控制功率要小，启动转矩应大；机电时间常数要小，始动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏,2023/10/18,计算机控制技术,97,直流伺服电机,直流伺服电机是控制系统中具有特殊用途的电动机。它的工作原理、基本结构及内部电磁关系和一般用途的电动机相同。一般分为永磁式和电磁式两种基本结构类型。电磁式直流伺服电机按励磁方式不同又分为它励、并励、串励和复励四种；永磁式直流伺服电机也可看作是一种它励式直流电动机。直流伺服电机具有启动力矩大，调速范围广，机械特性和调节特性线性度好，控制方便等特点。一般把直流电机的电枢电压作为控制信号，实现电动机的转速控制。,2023/10/18,计算机控制技术,98,伺服电机,伺服放大器,2023/10/18,计算机控制技术,99,步进电机,步进电机又称为脉冲电机，是计算机控制系统的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号转换成相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步，步进电动机的角位移量或线位移量s与脉冲数k成正比；它的转速n，或线速度v与脉冲频率f成正比 它不需要变换，能直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用计算机控制，被广泛应用于简易数控机床、送料机构、仪器仪表等领域,2023/10/18,计算机控制技术,100,液压阀,液压阀的种类很多，按不同的分类方法可有许多种类型。按功能分，液压阀可分为：压力控制阀 如溢流阀、减压阀、顺序阀等。方向控制阀 如单向阀、电磁换向阀、电液换向阀等。流量控制阀 如节流阀、调速阀、溢流节流阀、分流阀等。按液压系统压力分，所使用液压阀可分为节流阀、分流阀等。低压阀 其允许使用压强6Mpa；中压阀 其允许使用压强16Mpa；高压阀 其允许使用压强16Mpa；按阀的工作方式分，液压阀可分为开关型和模拟量两种。开关型液压阀工作在开和关两种工作状态，通过控制电磁铁的通断来实现。模拟量阀连续控制液压系统的压力、流量的变化，如比例阀、伺服阀，它是通过对比例电磁铁输入连续变化的模拟量信号来实现的,
