1 3 第2 2 章 过程检测仪表 ♦ ♦ 检测仪表的组成和信号标准 ♦ ♦ 过程检测仪表的接线方式 ♦ ♦ 测量误差和精度等级 ♦ ♦ 常用的数字滤波方法 主要内容 ♦ ♦ 过程控制中的软测量技术 ♦ ♦ 安全防爆的基本概念 ♦ ♦ 温度、压力、流量、物位和成分检测仪表的选型和安装 2 2.1 检测仪表组成及接线方式 • 过程控制的“ 眼睛 ”; • 许多过程控制系统不能长期使用的主要原因就在于 传感器故障 ! 控制器测量变送被控过程 执行器r(t) e(t) u(t) q(t)f(t)y(t)z(t)- 3 2.1 检测仪表组成及接线方式 2.1.1 检测仪表组成 功能 用于确定被控变量的当前值 组成 传感器 变送器 感受被控参数的变化,传送出相应的信号 将检测信号进行处理后,调制成标准信号 被测对象 传感器被测对象变送器 显示装置 4 2.1 检测仪表组成及接线方式 变送器的标准信号 电动信号 气动信号 4-20mA 电流信号(远距离3~5Km ) 1-5V 电压信号(近距离) 20-100kPa 气压信号 注意:控制器和执行器的标准信号与变送器的相同 5 若仅采用两根导线将热电阻接入电桥, 将会由于远距离连接导线的电阻而引入误差。 A传感器现场+—2.1 检测仪表组成及接线方式 2.1.2 过程检测仪表的接线方式 电流二线制、四线制 电流三线制 过程检测仪表4~20mAER L过程检测仪表4~20mAER LA传感器现场+—二线制线路简单,节省电缆 四线制仪表的工作电源可为直流,也可为交流 6 2.1 检测仪表组成及接线方式 现场总线方式 • 现场总线是新近发展的一种 通信协议方式 ; • 以HART 为例,在一条电缆上同时传输直流4 ~20mA 的 模拟信号 和 数字信号 。 在直流4 ~20mA 基础上叠加幅值为 ± ±0.5mA 的正弦调制波作为数字信号。 频移键控( FSK ) 7 2.2 测量误差及处理 2.2.1 测量误差的基本概念 1. 真值 变量本身所具有的真实值,一般无法得到。 约定真值 相对真值 无系统误差情况下,多次测量的平均值。 标准仪表的测量值。 2. 测量误差 测量值与真值之间存在的差别。 绝对误差 相对误差 引用误差 8 2.2 测量误差及处理 仪表 测量值 与被测参数 真实值 之差。 A M    △: : 绝对误差 M: 测量值 A: 约定或相对真值 绝对误差 相对误差 仪表 绝对误差 与 真实值 的百分比。 100%A δ: : 相对误差 △: : 绝对误差 A: 约定或相对真值 引用误差 仪表 绝对误差 与 仪表量程 的百分比。 δ m m : : 引用误差 △: : 绝对误差 X: 仪表的量程 % 100 Xm 9 3. 仪表精度等级 2.2 测量误差及处理  我国仪表精度等级有:0.005 、0.02 、0.05 、0.1 、0.2 、0.35 、0.4、 、0.5 、1.0 、1.5 、2.5 、4.0 等。  级数越小,精度越高;级数越大,精度越低。  仪表的精度等级应视工艺需求而定,不能片面追求高精度。 把仪表允许的最大引用误差去掉 “ ±” 号和 “ % ” 号 ,便可以用来确定仪表的精度等级 。 去掉 “ ±” 号 去掉 “ % ”号 仪表的最大引用误差 仪表的准确度等级 10 2.2 测量误差及处理 某压力表刻度0 ~100kPa ,在50kPa 处测量值为49.5kPa , ( (1 )求在50kPa 处仪表示值的绝对误差、相对误差、引用误差 ( (2 )如果用该仪表进行多次测量,误差分别为-0.45 、0.3 、0.2 、 -0.1kPa ,求该仪表的精度等级? kpa 5 . 0 5 . 49 50    % 1 % 100505 . 0   % 5 . 0 % 1001005 . 0  m相对误差 引用误差 绝对误差 EX1: 误差和精度求解I I 最大引用误差 0.45100% 0.45%100m   精度等级 0.5级 11 2.2 测量误差及处理 某根据控制系统工艺设计要求,需要选择一个量程为 0 ~100kPa 的压力表,压力检测误差小于± ±0.45kPa , 应该选择何种精度等级的压力表? EX2: 误差和精度求解 II 最大引用误差 0.45100% 0.45%100m   精度等级 0.4级 12 2.2 测量误差及处理 2.2.2 测量变送中的几个问题 • 测量元件 安装位置不当 及 测量仪表本身特性 等容易引入 纯滞后 ,应力求避免。 • 测量滞后 问题,主要由 测量元件的惯性 造成,在系统设计中应尽可能选用快速测量元件。 • 多路循环测量时,应保证每路信号控制的 实时性 。 1. 信号滞后问题 13 2.2 测量误差及处理 • 电流信号 较 电压信号 抗干扰能力强,传输距离远; • 不同电流信号 传输距离 视变送器 带载能力 而定,带载能力一般在 250- - 750Ω 之间; • 采用通信方式时,信号有时需加 转换器 或 中继器 以延长传输距离。 2. 传感器信号传输距离问题 14 2.2.3 测量信号的处理 2.2 测量误差及处理 1. 测量信号的滤波处理 • 过程控制系统中,测量信号往往带有 噪声 ; • 关于测量信号的滤波,可以采用 模拟滤波电路 ,还可以采用 软件数字滤波 来消除噪声。 测量信号的处理包括对测量信号进行 线性化处理 和 滤波处理 15 • 数字滤波 即 程序滤波 ,通过计算机软件滤去干扰信号,提高信号的真实性。 • 在计算机中常采用数字滤波消除 低频干扰 。 • 常用的数字滤波有如下几种: – 1. 算术平均值滤波 – 2. 程序判断滤波 – 3. 中位值法滤波 – 4. 一阶惯性滤波 2.2 测量误差及处理 2. 数字滤波 11niiY Xn 16 2.2 测量误差及处理 数字滤波使用时注意的问题: • 根据具体情况选择采用。在实际应用中,一般先对采样值进行 程序判断滤波 ,然后再应用 算术平均滤波 或 一阶惯性滤波 等方法处理; • 应保证测量值的 实时性 和 真实性 。 • 对于存在较大干扰的信号,应从 抑制干扰 角度去考虑,而不是仅仅滤波! 17 2.2 测量误差及处理 • 某换热器的温度控制系统方块图。系统的被控参数为 出口物料温度 ,要求保持在( 200 ± 20 ) ℃ ,控制参数为 加热蒸汽的流量 。 1. 说明图中 R R 、 E E 、 Q Q 、 C C 、 F F 所代表的 专业术语 内容。 2. 说明 Z Z 、 I I 、 P P 的 信号范围 。 3. 气动执行器的 输入、输出 各是什么 物理量 ? 电动控制器电 电-气 气转换器换热器R I Q E P CF测量变送-Z气动执行器EX3: 换热器温度控制系统 18 2.2 测量误差及处理 电动控制器电 电-气 气转换器换热器R I Q E P CF测量变送-Z气动执行器