計算機控制2課件

第2章

計算機控制系統(tǒng)中的

檢測設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)2023/6/101計算機控制2第2章計算機控制系統(tǒng)中的

檢測設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)傳感器和變送器過程控制中常用的執(zhí)行器運動控制中常用的執(zhí)行機構(gòu)2023/6/102計算機控制22.1傳感器和變送器傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器的輸出信號有多種形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。變送器在控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它將工藝變量(如溫度、壓力、流量、液位、成份等)和電、氣信號(如電流、典壓、頻率、氣壓信號等)轉(zhuǎn)換成該系統(tǒng)統(tǒng)一的標(biāo)準信號。因此，變送器的性能、精度等指標(biāo)對控制系統(tǒng)影響重大。

2023/6/103計算機控制22.1傳感器和變送器主要內(nèi)容：信號傳輸及供電的四線制與兩線制壓力檢測及變送溫度檢測和變送流量檢測及變送物位檢測及變送其它檢測儀表和裝置2023/6/104計算機控制22.1.1信號傳輸及供電的四線制與兩線制變送器安裝在現(xiàn)場，它的氣源或電源從控制室送來，而輸出信號送到控制室。氣動變送器用兩根氣動管線分別傳送氣源和輸出信號。電動模擬式變送器采用二線制或四線制傳輸電源和輸出信號。2023/6/105計算機控制22023/6/106計算機控制2HART協(xié)議智能式變送器采用雙向全數(shù)字量傳輸信號，即現(xiàn)場總線通訊方式；目前廣泛采用一種過渡方式，即在一條通訊電纜中同時傳輸4~20mA電流信號和數(shù)字信號，這種方式稱為HART協(xié)議通訊方式。智能式變送器的電源也由通信電纜傳輸。2023/6/107計算機控制2HART協(xié)議HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)通信協(xié)議是數(shù)字式儀表實現(xiàn)數(shù)字通信的一種協(xié)議，具有HART通信協(xié)議的變送器可以在一條電纜上同時傳輸4~20mADC的模擬信號和數(shù)字信號。HART通信協(xié)議是依照國際標(biāo)準化組織(ISO)的開放式系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，簡化并引用其中三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層而制定的。物理層規(guī)定了信號的傳輸方法和傳輸介質(zhì)；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀的格式和數(shù)據(jù)通訊規(guī)程；應(yīng)用層規(guī)定了通訊命令的內(nèi)容。2023/6/108計算機控制22.1.2壓力檢測及變送壓力檢測的主要方法和分類電容式差壓變送器2023/6/109計算機控制2壓力檢測的主要方法和分類按敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的特性不同，一般分為以下幾類：液注式壓力檢測：依據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度來實現(xiàn)測量的。U型管壓力計、單管壓力計、補償微壓計等。結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但其精度受工作液的毛細管作用、密度及視差等因素的影響。一般用于測量較低壓力、真空度或壓力差。2023/6/1010計算機控制2彈性式壓力檢測：根據(jù)彈性元件受力變形原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移來實現(xiàn)壓力測量。主要有彈簧管、膜片和波紋管等負荷式壓力檢測：利用靜壓平衡原理進行壓力測量。典型儀表：活塞式、浮球式和鐘罩式。普遍用作標(biāo)準儀器對壓力儀表進行標(biāo)定。2023/6/1011計算機控制2電氣式壓力檢測：利用敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量，如電阻、電感、電容、電位差等。具有較好的動態(tài)響應(yīng)，特性量程范圍大，線形好，便于進行壓力的自動控制。其它壓力檢測方法：彈振式壓力計、壓磁式壓力計。2023/6/1012計算機控制2電容式差壓變送器電容式差壓變送器采用差動電容作為檢測元件，是目前工業(yè)上普遍使用的一種變送器2023/6/1013計算機控制22023/6/1014計算機控制2測量部分的作用是通過電容式壓力傳感器及相關(guān)電路把被測差壓?p成比例的轉(zhuǎn)換成為差動電流信號Id。差動電容的相對變化量再通過電容/電流轉(zhuǎn)換電路比例的轉(zhuǎn)換成差動電流信號Id，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成4~20mA輸出電流。2023/6/1015計算機控制2智能式壓力變送器2023/6/1016計算機控制22023/6/1017計算機控制22.1.3溫度檢測和變送測溫方法分類熱電偶熱電阻模擬式溫度變送器智能式溫度變送器2023/6/1018計算機控制2測溫方法分類接觸式測量基于物體的熱交換原理設(shè)計而成。優(yōu)點：較直觀、可靠，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，測量準確度高。缺點：測溫有較大滯后，在接觸過程中易破壞被測對象的溫度場分布，從而造成測量誤差，不能測量移動或太小的物體。測溫上限受到溫度計材料的限制，故所測溫度不能太高。2023/6/1019計算機控制2測溫方法分類接觸式測量主要儀表：基于物體受熱膨脹原理制成的膨脹式溫度檢測儀表；基于密閉容器內(nèi)工作介質(zhì)隨溫度升高而壓力升高的性質(zhì)制成的壓力式溫度檢測儀表；基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變化而變化的熱電阻溫度檢測儀表基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測儀表。2023/6/1020計算機控制2測溫方法分類非接觸測量基于物體的熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系而設(shè)計的。優(yōu)點:測溫范圍廣，測溫過程中不破壞被測對象的溫度場分布；能測量運動物體；測溫響應(yīng)速度快。缺點：所測溫度受物體發(fā)射率、中間介質(zhì)和測溫距離的影響。主要儀表：輻射溫度計、光學(xué)高溫計、光電高溫計、比色溫度計等。其他測量技術(shù)：光纖測溫技術(shù)、集成溫度傳感器測溫技術(shù)等2023/6/1021計算機控制2熱電偶測溫原理熱電偶溫度計利用不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)來測溫的工業(yè)上常用的(已標(biāo)準化)熱電偶有：鉑銠30-鉑銠6熱電偶(分度號為B)、鉑銠10-鉑熱電偶(分度號為S)、鎳鉻-鎳硅(鎳鉻-鎳鋁)熱電偶(分度號為K)等。2023/6/1022計算機控制2熱電阻測溫原理熱電阻溫度計是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)來測量溫度的熱電阻引線的功能是使感溫元件能與外部測量線路相連接。熱電阻引線對測量結(jié)果有較大的影響，現(xiàn)在常用的引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。

2023/6/1023計算機控制2智能式溫度變送器圖.

智能溫度變送器TT302構(gòu)成框圖2023/6/1024計算機控制2模擬式溫度變送器以DDZ-Ⅲ型為例，它可以和熱電阻或熱電偶配合使用，將溫度信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準信號；它也可以作為直流毫伏轉(zhuǎn)換器來使用，也將其它能夠轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號的工藝變量也變成統(tǒng)一的標(biāo)準信號2023/6/1025計算機控制2模擬式溫度變送器圖.

模擬式溫度變送器原理框圖2023/6/1026計算機控制22023/6/1027計算機控制22.1.4流量檢測及變送流量檢測原理有很多，有許多分類方法：按測量的單位分：質(zhì)量流量計與體積流量計；按測量流體運動的原理分：容積式、速度式、動量式和質(zhì)量流量式；按測量方法分：直接測量式和間接測量式。2023/6/1028計算機控制2渦街流量計渦街流量計又稱為漩渦流量計，是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來測量流體流量的儀表。2023/6/1029計算機控制2電磁式流量計電磁流量計是基于電磁感應(yīng)原理來測量流量的儀表，它能測量具有一定電導(dǎo)率的液體的體積流量。由于它測量的準確度不受被測液體的粘度、密度、溫度以及電導(dǎo)率(在允許最低限以上)變化的影響，測量管中沒有任何阻礙被測液體流動的部件，所以幾乎沒有壓力損失。適當(dāng)選用測量管中絕緣內(nèi)襯和測量電極的材料，就可以測量各種腐蝕性(酸、堿、鹽)溶液的流量，尤其是在測量含有固體顆粒的溶液如泥漿、紙漿、礦漿或纖維液體的流量時，更顯示出其優(yōu)越性。2023/6/1030計算機控制2電磁流量計用于測量導(dǎo)電液體的體積流量，也適用于含或不含懸浮顆粒物的液體，或淤泥、漿料等粘稠的介質(zhì)。質(zhì)量流量計、超聲波流量計、孔板流量計2023/6/1031計算機控制2系列電磁流量計

2023/6/1032計算機控制22.1.5物位檢測及變送物位儀表的分類差壓式液位變送器電容式物位傳感器2023/6/1033計算機控制2分類直讀式物位測量儀表浮力式物位測量儀表靜壓式物位測量儀表電磁式物位測量儀表核輻射式物位儀表聲波式物位測量儀表光學(xué)式物位測量儀表2023/6/1034計算機控制2差壓式液位變送器利用差壓或壓力變送器可以很方便的測量液位，且能輸出標(biāo)準的電流或氣壓信號。差壓式液位變送器是利用容器內(nèi)的液位改變時，由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的p2023/6/1035計算機控制2電容式物位傳感器在電容器的極板之間，充以不同介質(zhì)時，電容量的大小也有所不同因此可通過測量電容量的變化來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面2023/6/1036計算機控制22.1.6其它檢測儀表和裝置接近開關(guān)、光電開關(guān)測速發(fā)電機光電編碼器測厚儀表2023/6/1037計算機控制2行程開關(guān)、接近開關(guān)行程開關(guān)、接近開關(guān)主要將機械位移變?yōu)殡娦盘?，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，廣泛的應(yīng)用在機電一體化的設(shè)備上，作為電路自動切換、限位保護、行程控制等應(yīng)用圖.行程開關(guān)圖.接近開關(guān)2023/6/1038計算機控制2光電開關(guān)光電開關(guān)也是一種常用的開關(guān)型檢測元件。它有投光器、受光器和電源組成，投光器常用發(fā)光二極管，受光器常用光敏二極管或光敏三極管。其工作原理是使投光器和受光器相對，當(dāng)被測物體擋住從投光器發(fā)射出的光線時，受光器就輸出相應(yīng)的控制信號。光電開關(guān)按檢測方式可分為反射式、對射式兩種類型2023/6/1039計算機控制2圖.光電開關(guān)2023/6/1040計算機控制2測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種專門用來測量轉(zhuǎn)速的微型電機，其本質(zhì)是一種微型發(fā)電機。有直流和交流兩種。直流測速發(fā)電機輸出電壓和轉(zhuǎn)速有較好的線性關(guān)系，并且電流的極性反映出轉(zhuǎn)動的方向，應(yīng)用方便。由于直流測速發(fā)電機有電刷、換向器等接觸裝置，使它的可靠性變差，精度也受到影響。交流測速發(fā)電機的輸出頻率與轉(zhuǎn)速嚴格對應(yīng)，輸出信號可經(jīng)放大整形變換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準的電壓或電流信號。輸出特性隨負載性質(zhì)變化而變化。2023/6/1041計算機控制2光電編碼器光電編碼器作為一種傳感器具有精度高、耗能低、非接觸無磨損、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。尤其是它以數(shù)字量輸出，具有與計算機容易聯(lián)機的優(yōu)點。編碼器的應(yīng)用對象，就其所測量的物理量的性質(zhì)，它可對運動機械的直線位移、角位移、速度、相位等進行測量，也可間接地對能變換成這些量的，例如溫度壓力、流量等物理量進行測量，并給出相應(yīng)的電學(xué)量輸出。在自動化系統(tǒng)中，它可作為敏感檢測元件組成自動檢測系統(tǒng)，也可作為檢測反饋元件，組成閉環(huán)或半閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)2023/6/1042計算機控制2測厚儀表厚度測量屬于長度測量范疇，但它是一種特殊的長度測量。目前常用的厚度測量一般屬于運動物體厚度的連續(xù)測量，而對于非連續(xù)測量則多用一般簡單機械式測量儀按檢測方式分為接觸式和非接觸式兩大類；按其變換原理分為射線式、電渦流式、微波式、激光式、電容式、電感式等。2023/6/1043計算機控制22.2過程控制中常用的執(zhí)行器執(zhí)行器在過程計算機控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它的作用是接收控制器送來的控制信號，改變被控介質(zhì)的流量，從而將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。2023/6/1044計算機控制2執(zhí)行器有各種不同的分類方法，其分類如下：①按動力能源分類分為氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器、液動執(zhí)行器。氣動執(zhí)行器利用壓縮空氣作為能源，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆，而且價格較低；它可以方便的與氣動儀表配套使用，即使是采用電動儀表或計算機控制時，只要經(jīng)過電/氣轉(zhuǎn)換器或電/氣閥門定位器，將電信號轉(zhuǎn)換為0.02~0.1MPa的標(biāo)準氣壓信號，仍然可用氣動執(zhí)行器。②按動作極性分類分為正作用執(zhí)行器和反作用執(zhí)行器。③按動作行程分類分為角行程執(zhí)行器和直行程執(zhí)行器。④按動作特性分類分為比例式執(zhí)行器和積分式執(zhí)行器。2023/6/1045計算機控制2氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器又稱為氣動調(diào)節(jié)閥，由氣動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥(控制機構(gòu))組成。執(zhí)行器上有標(biāo)尺，用以指示執(zhí)行器的動作行程圖.

氣動執(zhí)行器2023/6/1046計算機控制2氣動執(zhí)行機構(gòu)常見的氣動執(zhí)行機構(gòu)有薄膜式和活塞式兩大類其中薄膜式執(zhí)行機構(gòu)最為常2023/6/1047計算機控制2控制機構(gòu)控制機構(gòu)即調(diào)節(jié)閥，實際上是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件調(diào)節(jié)閥由閥體、閥座、閥芯、閥桿、上下閥蓋等組成。調(diào)節(jié)閥直接與被控介質(zhì)接觸，為適應(yīng)各種使用要求，閥芯、閥體的結(jié)構(gòu)、材料各不相同調(diào)節(jié)閥的閥芯有直行程閥芯與角行程閥芯2023/6/1048計算機控制2電/氣轉(zhuǎn)換器電氣轉(zhuǎn)換器電氣閥門定位器壓縮空氣過濾器2023/6/1049計算機控制2電動執(zhí)行器2023/6/1050計算機控制2電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器和氣動執(zhí)行器一樣，是控制系統(tǒng)中的一個重要部分。它接收來自控制器的4~20mA或0~10mA直流電流信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直行程位移，去操縱閥門、擋板等控制機構(gòu)，以實現(xiàn)自動控制電動執(zhí)行器有直行程、角行程和多轉(zhuǎn)式等類型2023/6/1051計算機控制2電動執(zhí)行器主要由伺服放大器和執(zhí)行機構(gòu)組成，如下圖：圖.

電動執(zhí)行機構(gòu)方框圖2023/6/1052計算機控制2現(xiàn)場總線執(zhí)行器現(xiàn)場總線的智能執(zhí)行器由傳統(tǒng)的執(zhí)行器、含有微處理器的控制器以及可與PC或PLC雙向通信的模件及軟件組成，具有與上位機或控制系統(tǒng)通信的功能智能化和高精度的系統(tǒng)控制功能一體化的結(jié)構(gòu)智能化的通信功能智能化的自診斷功能2023/6/1053計算機控制22.3運動控制中常用的執(zhí)行機構(gòu)直流伺服電機交流伺服電機步進電機電磁閥和液壓閥2023/6/1054計算機控制2直流伺服電機直流伺服電機是控制系統(tǒng)中具有特殊用途的電動機。它的工作原理、基本結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電磁關(guān)系和一般用途的電動機相同。一般分為永磁式和電磁式兩種基本結(jié)構(gòu)類型。電磁式直流伺服電機按勵磁方式不同又分為它勵、并勵、串勵和復(fù)勵四種；永磁式直流伺服電機也可看作是一種它勵式直流電動機。直流伺服電機具有啟動力矩大，調(diào)速范圍廣，機械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好，控制方便等特點。一般把直流電機的電樞電壓作為控制信號，實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)速控制。2023/6/1055計算機控制2交流伺服電機交流伺服電機在自動控制系統(tǒng)中也常被用來作為執(zhí)行元件在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是將控制信號快速地轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的一個執(zhí)行元件，因此，自動控制系統(tǒng)對它主要提出以下幾點要求：①轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向應(yīng)方便地受控制信號的控制，調(diào)速范圍要大；②整個運行范圍內(nèi)的特性應(yīng)具有線性關(guān)系，保證運行的穩(wěn)定性；③當(dāng)控制信號消除時，伺服電動機應(yīng)立即停轉(zhuǎn)，也就是要求伺服電動機無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象；④控制功率要小，啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)大；⑤機