计算机控制系统中常用的设备

2021-4-22 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 2021-4-22 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 3 调节器执行器对象测量变送x (t) e (t) u (t) q (t) y (t)z (t) 2021-4-22 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 。 2021-4-22 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 2021-4-22 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 。 2021-4-22 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 2021-4-22 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 。 2021-4-22 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 10 2.1.2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 2021-4-22 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 2021-4-22 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 13 U形管压力计(根据流体静力学原理) 2021-4-22 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 2021-4-22 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 16电 容 式 差 压 变 送 器 结 构 框 图 2021-4-22 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 。 2021-4-22 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 19 智能式压力变送器 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 20 2021-4-22 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 2021-4-22 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 2021-4-22 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 24 膨 胀 式 温 度 计 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 25 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 26 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 mV 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 27 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 28 序 号 计 量 器 具 名 称 准 确 度 等 级 测 量 范 围 R-001-304 标 准 组 铂 铑 10-铂 热 电 偶 标 准 组 标 准 组 300 1300 R-002-305 标 准 铂 铑 10-铂 热 电 偶 一 等 300 1300 二 等 300 1300工 作 铂 铑 10-铂 热 电 偶 0级 0 16000级 0 1600 R-003-306 标 准 铂 铑 30-铂 铑 6热 电 偶 一 等 12001600二 等 12001600工 作 用 铂 铑 30-铂 铑 6热 电偶 0级 12001600 R-004-307 工 作 用 镍 铬 -镍 硅 热 电 偶 0级 0 1300 R-005-308 标 准 铜 -康 铜 热 电 偶 2 0级 0 200 工 作 用 铜 -康 铜 热 电 偶 0级 0 200 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 29 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 30 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 31 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 32 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 33 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 34 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 35 电厂专用热电阻和隔爆型热电阻 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 36 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 37 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 38 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 39 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 ； 它 也 可 以 作 为 直 流 毫 伏 转 换 器 来 使 用 ，以 将 其 它 能 够 转 换 成 直 流 毫 伏 信 号 的 工艺 变 量 也 变 成 统 一 的 标 准 信 号 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 40热 电 阻 温 度 变 送 器 结 构 方 框 图 +- 输 出 电 流 Io被 测 温 度 tC 热 电 阻 输 入 电 桥 放 大 电 路反 馈 电 路 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 41 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 42 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 43 文丘利式差压流量计 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 44 文丘利管 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 45 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 46 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 47 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 。 d h Dl11 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 48 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 ， 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 49 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 50 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 51电 磁 流 量 计 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 52 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 53 便携式超声波流量计 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 54 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 55 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 56 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 57 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 58 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 59 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 60 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 pgHpp 1 pp2 gHppp 21 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 61 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 62 2.1.6 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 63 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 64 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 65图 . 光 电 开 关 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 66 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 E kn， 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 67 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 68 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 69 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 70 编 码 器 分 类 表 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 71编 码 器 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 72 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 73 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 74图 2.26 常 见 执 行 器 的 构 成 及 控 制 形 式 调 节 器 伺 服 放 大 器 操 作 器 电 动 执 行 机 构 调 节 阀调 节 器 电 /气 转 换 器 气 动 执 行 机 构 调 节 阀调 节 器 电 /气 阀 门 定 位 器 气 动 执 行 机 构 调 节 阀 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 75 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 0.02-0.1MPa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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 76 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 行 程 标 尺 控制机构气动执行机构 图 . 气 动 执 行 器 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 77 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 78 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 79 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 80 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 81 直通单座调节阀 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 82 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 83 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 84 流量特性 对 不 同 的 阀 芯 形 状 ， 具 有 不 同 的 理 想 流 量 特 性 ： 1-快 开 ； 2-直 线 ； 3-抛 物 线 ； 4-等 百 分 比4321 l/L（ %）Q/Qmax（%） 0432 1 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 85 电/气转换器 电 气 转 换 器 电 气 阀 门 定 位 器 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 86 电气转换器 它 是 基 于 力矩 平 衡 的 工作 原 理 挡板 喷 嘴 永 久 磁 钢 支 点 平 衡 锤波 纹 管气 信 号 输 出气 源 气 阻 电 信 号 输 入气 动 功 率放 大 器 PB 图 . 电 /气 转 换 器 简 化 原 理 图 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 87 电气阀门定位器调 零 弹 簧反 馈 压 板 阀 杆反 馈 拉 杆反 馈 轴 气 动执 行 器气 动 功 率放 大 器输 入 绕 组气 阻气 源 调 量 程 支 点支 点挡 板 反 馈 弹 簧平 衡 锤永 久 磁 钢喷 嘴 杠 杆20-100KPa反 馈 弹簧140KPa 图 . 电 /气 阀 门 定 位 器 原 理 图原 理 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 88 智能型电/气阀门定位器 调 节 阀被 控 介 质 膜 头 阀 B阀 A气 源 排 气进 气阀 位反 馈 杆电 位 计 电 气 阀 门 定 位 器微 电 脑 控 制 电 路输 入 信 号以 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 89 电动执行器 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 90 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 91 电 动 执 行 器 主 要 由 伺 服 放 大 器 和 执 行 机 构 组成 ， 如 下 图 ： 0-900-10mA或4-20mAI iI f mA 执 行 机 构放 大 器 减 速 器位 置 发 送 器伺 服 电 机电 动 操 作 器伺 服 放 大 器电 动 执 行 机 构 方 框 图 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 92 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 93 公 司 名 称 阀 门 执 行 器 产 品 及 类 型 总 线 类 型 推 出 年 代EIM美 国 MOV1224（ 电 动 执 行 器 ） Modbus 1985Keystone美 国 Electrical Actuators（ 电 动 执 行 器 ） Modbus 1985Rotork英 国 PakscanIIE（ 智 能 电 动 执 行 器 ） Modbus 1986Limitorque美 国 DDC100TM（ 电 动 执 行 器 ） BITBUS Modbus 1989AUMA美 国 Matic（ 电 动 执 行 器 ） Profibus 1991Siemens德 国 SIPART PS2（ 阀 门 定 位 器 ） HART 1995Valtek美 国 Starpac（ 智 能 调 节 器 ） HART 1996Masoneilan美 国 Smart Valve Positioner（ 阀 门 定 位 器 ） HART 1996Neles美 国 ND800（ 调 节 阀 ） HART 1997 Jordan美 国 Electric Actuators（ 电 动 执 行 器 ） HART 1998ElsagBailey德 国 Contract（ 电 动 执 行 器 ） HART 1998FisherRosmount美 国 DVC5000f Series Digital（ 调 节 阀 ） FF 1998Flowserve美 国 Logix14XX（ 阀 门 定 位 器 ） FF 1999BUSwitch（ 离 散 型 调 节 阀 ） FF 1999Yokogawa日 本 YVP（ 阀 门 定 位 器 ） FF 1999Yamatake日 本 SVP3000AlphaplusAVP303（ 阀 门 定 位 器 ） FF 1999Rotork英 国 FF01 Network Interface（ 电 动 执 行 器 ） FF 2000 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 94 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 95 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 96 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 。 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 97 伺 服 电 机 伺 服 放 大 器 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 98 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 2021-4-22 计 算 机 控 制 技 术 99 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