过程控制参数检测与变送 - 图文

3 过程控制参数检测与变送

3.1 过程参数检测与变送概述

在工业生产中，为了正确地指导生产，确保生产过程安全、稳定，使生产过程实现最优化，必须及时、准确的掌握描述生产过程特性的各种参数。因此，要想对过程参数实行有效的控制，首先要对他们进行有效的检测，而如何实现有效的检测，则由检测仪表来完成。

检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，它可以实现对温度、压力、流量、物位等过程参数的实时、可靠检测。检测仪表的检测精度直接影响系统的控制精度，而检测仪表的基本特性和各项性能指标又是衡量检测精度的基本要素。因此，掌握检测仪表的基本特性和构成原理，分析和计算检测仪表的性能指标等是正确使用检测仪表，更好地完成检测任务的重要前提。

3.1.1 基本概念

过程参数检测仪表通常由敏感元件和变送单元组成，如图3-1所示，敏感元件直接感受被测参数变化，并将其转换为相应的物理量提供给变送单元，经变送单元转化为标准信号输出。

图3-1 过程参数检测仪表结构

敏感元件，也称传感器，是与人的感觉器官相对应的元件，按照国家标准GB7665-1987的规定，定义传感器为“能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件与转换元件组成”。它利用物理或化学敏感的部件或材料，直接与被测过程发生联系，感受被测参数的变化，并按照一定的规律将其转换为可用输出信号（一般是电信号，即电压、电流、电阻、电感、电容等）。传感器通常具有以下基本特性：独立，即被测物理量不会受到传感器的影响；敏感，即被测参数的微小变化就可以引起传感器输出信号

的明显变化；稳定，即传感器的输出信号与被测参数之间是稳定的单值比例关系。 变送单元，也称变送器。在过程控制系统中，它常常和传感器组合在一起，共同完成对温度、压力、物位、流量等被控参数的检测并转换为统一标准的输出信号。该标准输出信号一方面被送往显示记录仪进行显示记录，另一方面则送往控制器实现对被控参数的控制。所以从某种意义上，变送器是将输出信号变成统一标准信号的传感器。这里所说的统一标准信号主要包括标准电动信号（如DDZ-Ⅱ型电动组合仪表采用的DC 0～10mA和DC 0～20V标准；DDZ-Ⅲ型电动组合仪表采用的DC 4～20mA和DC 1～5V标准）和标准气动信号（如QDZ型气动组合仪表采用的0.02～0.1MPa标准）等。预计在今后相当一段时间内，电动模拟式变送器的设计、生产与使用可能还会按此标准进行。但同时我们还要看到，由于计算机网络与通信技术的迅速发展，数字通信被延伸到现场，传统的4～20mA模拟信号的通信方式将逐步被双向数字式的通信方式所取代。可看出，信号的数字化与功能不仅是变送器发展的必然趋势，也是其他自动化仪表发展的必然趋势。

3.1.2 自动化单元仪表工作特性

自动化单元仪表，即检测仪表的工作特性是指能适应参数测量和系统运行的需要而具有的输入/输出特性，它可以通过零点调整与迁移以及量程调整而改变。 （1）自动化单元仪表工作特性

自动化单元仪表的理想工作特性为图3-2所示的线性特性。

图3-2 仪表的理想工作特性

图中，??max和??min分别为被测参数的上限值和下限值，??max和??min分别为检测仪表输出信号的上限值和下限值。对于模拟式变送器，??max和??min为统一标准信号的上限值和下限值；对于智能变送器，??max和??min为输出的数字信号范围的上限值和下限值。由图3-2可得仪表输出的一般表达式为

??=??

?????min

max

???min

??max???min +??min （3-1）

式中，??为仪表的输入信号；??为对应于??时仪表的输出信号。 （2）零点调整与迁移

所谓检测仪表的零点是指被测参数的下限值??min，或者说对应仪表输出下限值??min的被测参数最大值。在仪表中，让??min= 0的过程称为“零点调整”；是??min≠ 0的过程称为“零点迁移”。就是说，零点调整是仪表的测量下限值为零，而零点迁移则是把测量的下限值由零迁移到某一数值（正值或负值）。当将测量的下限值由零变为某一正值时，称为正迁移；反过来，将测量的下限值由零变为某一负值时，称为负迁移。图3-3为某仪表零点迁移前后的输入/输出特性。

图3-3 零点迁移前后的输入/输出特性 a)未迁移 b)正迁移 c）负迁移

（3）量程调整

量程是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入范围。量程调整是指自零点不变的情况下将仪表的输出信号上限值??max与被测参数的上限值??max相对应。图3-4位即为某仪表量程调整前后的输入/输出特性。

图3-4 量程调整前后的输入/输出特性

由此可见，量程调整相当于改变了仪表的输入/输出特性的斜率，也是改变了仪表的输出信号??与输入信号??之间的比例关系。

具有零点迁移，量程调整功能的仪表使它的使用范围得到了扩大，并增加了他的适应性和灵活性。但是，在什么条件下可以进行零点迁移和量程调整，迁移量与调整量有多大，这就需要结合具体仪表的结构和性能而决定，并不是没有约束的。

3.1.3 误差概念与表述

在测量过程中，由于所选仪表精度和检测技术水平限制、实验手段不完善、环境中各种干扰的存在，会导致仪表测量值与真实值之间存在一定的差值，这就是误差的概念。任何测量过程都存在误差。通过研究测量误差，一方面有利于制造测量更精确的仪表；另一方面可以指导仪表的合理选择和使用。

测量误差按照表达方式不同，可以划分为绝对误差和相对误差。 1． 绝对误差

绝对误差是指测量值与被测参数真值之间的差值，即

Δ??=???A (3-2) 式中Δ??——绝对误差； ?? ——测量值；

A ——被测参数的真值。

对于一个自动化单元仪表而言，在其量程范围内，各点读数的绝对误差是指各点的仪表实际读数与真值之差。由于任何仪表是不可能绝对精确的，所以被测参数的真值是无法通过测量得到的。于是，真值一般采用约定真值来替代。例如，法定计量机构的设备检测值作为工业应用级检测仪表的约定真值。

在各读数的绝对误差基础上，可以得到该仪表的最大绝对误差Δ??max为 Δ??max=max?(???A) (3-3) 2.相对误差

绝对误差不能确切地反映测量值偏离真值程度的大小，为此引入相对误差。相对误差是指绝对误差与真值的百分比。根据所引用的约定真值不同，相对误差由以下三种表示方法： （1） 实际相对误差

实际相对误差是绝对误差Δ??与被测参数的真值A的百分比，即

δA=（2） 示值相对误差

示值相对误差是绝对误差Δ??与被测参数的测量值（即示值）??的百分比值，即

δ??=（3） 引用相对误差

引用相对误差是绝对误差Δ??与量程范围的百分比值，即 δB=

Δ??B??Δ??AΔ??A

×100% （3-4）

×100% （3-5）

×100% (3-6)

若仪表测量下限为零，则引用相对误差为绝对误差与仪表测量上限的百分比。

测量误差按照其性质的不同，亦可以划分为系统误差、随机误差、和粗大误差。 1.系统误差

系统误差是指对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。例如，仪表的组成元件不可靠、定位标准及刻度的不准确、零值误差（如零点漂移）、测量方法不当等引起的误差均属于系统误差。

系统误差可以通过实验的方法或引入修正值的方法来修正；或者重新调整仪表来消除系统误差；或者通过求多次测量的平均值来消除。

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