1、2021-7-15計算機控制技術1第2章 計算機控制系統中的檢測設備和執行機構2021-7-15計算機控制技術2 傳感器和變送器傳感器和變送器 過程控制中常用的執行器過程控制中常用的執行器 運動控制中常用的執行機構運動控制中常用的執行機構第2章計算機控制系統中的檢測設備和執行機構2021-7-15計算機控制技術3調節器執行器對象測量變送x (t)e (t)u (t)q (t)y (t)z (t)2021-7-15計算機控制技術4 傳感器傳感器是能感受規定的被測量并按照一定規律是能感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器的轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器的輸出信

2、號有多種形式，如電壓、電流、頻率、輸出信號有多種形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，輸出信號形式由傳感器原理確定。脈沖等，輸出信號形式由傳感器原理確定。 變送器變送器在控制系統中起著至關重要的作用，它在控制系統中起著至關重要的作用，它將工藝變量將工藝變量( (如溫度、壓力、流量、液位、成如溫度、壓力、流量、液位、成份等份等) )和電、氣信號和電、氣信號( (如電流、電壓、頻率、氣如電流、電壓、頻率、氣壓信號等壓信號等) )轉換成統一的標準信號。轉換成統一的標準信號。2021-7-15計算機控制技術52.1 傳感器和變送器主要內容：主要內容： 信號傳輸及供電的四線制與兩線制信號傳輸及供電的四線制與

3、兩線制 壓力檢測及變送壓力檢測及變送 溫度檢測和變送溫度檢測和變送 流量檢測及變送流量檢測及變送 物位檢測及變送物位檢測及變送 其它檢測儀表和裝置其它檢測儀表和裝置2021-7-15計算機控制技術62.1.1 信號傳輸及供電的四線制與信號傳輸及供電的四線制與兩線制兩線制 變送器變送器安裝在現場，它的氣源或電源從安裝在現場，它的氣源或電源從控制室送來，而輸出信號送到控制室?？刂剖宜蛠恚敵鲂盘査偷娇刂剖?。氣動變送器用兩根氣動管線分別傳送氣氣動變送器用兩根氣動管線分別傳送氣源和輸出信號。源和輸出信號。 電動模擬式變送器電動模擬式變送器采用二線制或四線制采用二線制或四線制傳輸電源和輸出信號。傳輸電

4、源和輸出信號。 2021-7-15計算機控制技術7 二線制：二線制：儀表的信號傳輸與供電共用兩根導線 四線制：四線制：儀表的信號傳輸與供電用四根導線 2021-7-15計算機控制技術8智能式變送器 智能式變送器智能式變送器采用雙向全數字量傳輸信采用雙向全數字量傳輸信號，即現場總線通訊方式；目前廣泛采號，即現場總線通訊方式；目前廣泛采用一種過渡方式，即在一條通訊電纜中用一種過渡方式，即在一條通訊電纜中同時傳輸同時傳輸420mA電流信號和數字信號，電流信號和數字信號，這種方式稱為這種方式稱為HART協議通訊方式協議通訊方式。智。智能式變送器的電源也由通信電纜傳輸。能式變送器的電源也由通信電纜傳輸。

5、2021-7-15計算機控制技術9HART協議 HART(Highway Addressable Remote Transducer)通信協議是數字式儀表實現數字通信的一種協議，通信協議是數字式儀表實現數字通信的一種協議，具有具有HART通信協議的變送器可以在一條電纜上通信協議的變送器可以在一條電纜上同時傳輸同時傳輸420mADC的模擬信號和數字信號。的模擬信號和數字信號。 HART通信協議是依照國際標準化組織通信協議是依照國際標準化組織(ISO)的的開放式系統互連開放式系統互連(OSI)參考模型，簡化并引用其參考模型，簡化并引用其中三層：物理層、數據鏈路層、應用層而制定的。中三層：物理層、數

6、據鏈路層、應用層而制定的。物理層規定了信號的傳輸方法和傳輸介質；數據物理層規定了信號的傳輸方法和傳輸介質；數據鏈路層規定了數據幀的格式和數據通訊規程；應鏈路層規定了數據幀的格式和數據通訊規程；應用層規定了通訊命令的內容。用層規定了通訊命令的內容。2021-7-15計算機控制技術102.1.2壓力檢測及變送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智能型差壓變送器2021-7-15計算機控制技術11 大氣壓力大氣壓力-用氣壓計測定的壓力用氣壓計測定的壓力, ,隨大氣條件和地點而變隨大氣條件和地點而變化化. .確定為確定為 標準狀態標準狀態 的大氣壓力參考值等于是的大氣壓力參考值等于是

7、101325Pa101325Pa。 相對壓力或表壓相對壓力或表壓-相對于大氣壓力測定的壓力。相對于大氣壓力測定的壓力。 負壓負壓-負的相對壓力，因此它低于大氣壓力負的相對壓力，因此它低于大氣壓力 過壓過壓-正的相對壓力。正的相對壓力。 差壓差壓-兩個壓力的差值。兩個壓力的差值。 絕對壓力絕對壓力-相對于真空（相對于真空（0 0壓）測量的壓力壓）測量的壓力幾種壓力表述形式2021-7-15計算機控制技術12壓力檢測的主要方法和分類按敏感元件和轉換原理的特性不同，一般分為以下幾類： 液注式壓力檢測液注式壓力檢測 ：依據流體靜力學原理：依據流體靜力學原理 彈性式壓力檢測彈性式壓力檢測 ：依據彈性形變

8、原理：依據彈性形變原理 負荷式壓力檢測負荷式壓力檢測 ：依據靜力平衡原理：依據靜力平衡原理 電氣式壓力檢測電氣式壓力檢測 ：利用敏感元件：利用敏感元件 其它壓力檢測方法其它壓力檢測方法 ：彈性振動、壓磁式：彈性振動、壓磁式2021-7-15計算機控制技術13U形管壓力計(根據流體靜力學原理)2021-7-15計算機控制技術14彈簧管壓力計(彈性元件受力變形原理) 1.1.金屬彈簧管金屬彈簧管 2.2.指針指針 3-3-連桿連桿 4.4.扇型齒輪扇型齒輪 5.5.彈簧彈簧 6-6-底座底座 7.7.測壓接頭測壓接頭 8.8.小齒輪小齒輪 9.9.外殼外殼 2021-7-15計算機控制技術15電容

9、式差壓變送器 電容式差壓變電容式差壓變送器采用送器采用差動差動電容電容作為檢測作為檢測元件，是目前元件，是目前工業上普遍使工業上普遍使用的一種變送用的一種變送器器 2021-7-15計算機控制技術16電容式差壓變送器結構框圖2021-7-15計算機控制技術17 測量部分的作用是通過測量部分的作用是通過電容式壓力傳感器及相電容式壓力傳感器及相關電路把被測差壓關電路把被測差壓p p成成比例的轉換成為差動電比例的轉換成為差動電流信號流信號I Id d。 差動電容的相對變化量差動電容的相對變化量再通過電容再通過電容/ /電流轉換電電流轉換電路比例的轉換成差動電路比例的轉換成差動電流信號流信號I Id

10、d，經放大后轉，經放大后轉換成換成4-20mA4-20mA輸出電流。輸出電流。 2021-7-15計算機控制技術18智能型壓力變送器 智能型壓力或差壓變送器就是在普通壓力或差壓智能型壓力或差壓變送器就是在普通壓力或差壓傳感器的基礎上增加傳感器的基礎上增加微處理器微處理器電路而形成的智能電路而形成的智能檢測儀表檢測儀表 。 智能型變送器的特點是可進行智能型變送器的特點是可進行遠程通信遠程通信。其精確。其精確度高，使用與維護方便。通過編制各種程序，使度高，使用與維護方便。通過編制各種程序，使變送器具有變送器具有自修正、自補償、自診斷自修正、自補償、自診斷及錯誤方式及錯誤方式報警等多種功能，因而提高

11、了變送器的精確度，報警等多種功能，因而提高了變送器的精確度，簡化了調整、校準與維護過程，促使變送器與計簡化了調整、校準與維護過程，促使變送器與計算機、控制系統直接對話。算機、控制系統直接對話。 2021-7-15計算機控制技術19智能式壓力變送器2021-7-15計算機控制技術202021-7-15計算機控制技術212.1.3 溫度檢測和變送溫度檢測和變送 熱電偶熱電偶 熱電阻熱電阻 模擬式溫度變送器模擬式溫度變送器 智能式溫度變送器智能式溫度變送器2021-7-15計算機控制技術22測溫方法的分類 接觸式測溫接觸式測溫 基于熱交換原理基于熱交換原理 非接觸式測溫非接觸式測溫 基于熱輻射原理基

12、于熱輻射原理2021-7-15計算機控制技術23溫度計的分類和形式 膨脹式溫度計膨脹式溫度計 輻射式溫度計輻射式溫度計 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 熱電阻溫度計熱電阻溫度計2021-7-15計算機控制技術24 膨脹式溫度計膨脹式溫度計2021-7-15計算機控制技術25 膨脹式溫度計膨脹式溫度計2021-7-15計算機控制技術26輻射式溫度計 物體受熱后，有物體受熱后，有一部分熱能轉化一部分熱能轉化成輻射能，以電成輻射能，以電磁波形式向四周磁波形式向四周輻射。輻射。 若物體能將落在若物體能將落在其上的熱輻射全其上的熱輻射全部吸收稱為絕對部吸收稱為絕對黑體黑體 普朗克定律建立普朗克定律建立輻射強度

13、和溫度輻射強度和溫度的內在聯系的內在聯系 2021-7-15計算機控制技術27熱電偶測溫原理 熱電偶溫度計利用不同導體或半導體的熱電偶溫度計利用不同導體或半導體的熱電效應熱電效應來測溫的來測溫的 兩種不同的導體材料（兩種不同的導體材料（或半導體）或半導體）A A，B B組成的閉合回路。相接觸時，存在組成的閉合回路。相接觸時，存在電子電子的遷移的遷移，達到平衡時，在接觸的兩端形，達到平衡時，在接觸的兩端形成成電勢電勢mV2021-7-15計算機控制技術28熱電偶測溫原理 工業上常用的工業上常用的( (已標已標準化準化) )熱電偶有：鉑熱電偶有：鉑銠銠30-30-鉑銠鉑銠6 6熱電偶熱電偶( (分

14、度號位分度號位B)B)、鉑銠、鉑銠10-10-鉑熱電偶鉑熱電偶( (分度號分度號為為S)S)、鎳鉻、鎳鉻- -鎳硅鎳硅( (鎳鎳鉻鉻- -鎳鋁鎳鋁) )熱電偶熱電偶( (分分度號位度號位K)K)等。等。2021-7-15計算機控制技術29序號 計 量 器 具 名 稱 準 確 度 等 級 測 量 范 圍 R-001-304 標準組鉑銠10-鉑熱電偶 標準組標準組3001300 R-002-305 標準鉑銠10-鉑熱電偶 一等3001300 二等3001300工作鉑銠10-鉑熱電偶 0級016000級01600 R-003-306 標準鉑銠30-鉑銠6熱電偶 一等12001600二等1200160

15、0工作用鉑銠30-鉑銠6熱電偶 0級12001600 R-004-307 工作用鎳鉻-鎳硅熱電偶 0級01300 R-005-308 標準銅-康銅熱電偶2 0級0200 工作用銅-康銅熱電偶 0級0200 2021-7-15計算機控制技術30熱電偶冷端溫度補償 熱電偶的熱電勢是兩個接點溫度的函數表熱電偶的熱電勢是兩個接點溫度的函數表, , 只只有當有當冷端溫度不變冷端溫度不變（一般?。ㄒ话闳? 0度）時度）時, ,熱電勢才熱電勢才是熱端溫度的單值函數。是熱端溫度的單值函數。 實際應用中實際應用中, ,熱電偶冷端所處環境溫度總有波熱電偶冷端所處環境溫度總有波動動, ,從而使測量得不到正確結果從而

16、使測量得不到正確結果, , 必須采取補必須采取補償措施償措施. . 冷端溫度補償辦法冷端溫度補償辦法有以下幾種有以下幾種: : 1. 1.冰浴法冰浴法 2.2.冷端溫度修正法冷端溫度修正法 3.3.校正儀表零點法校正儀表零點法 4.4.補償法補償法2021-7-15計算機控制技術31熱電阻測溫原理 熱電阻溫度計是利用導體或半導體的熱電阻溫度計是利用導體或半導體的電阻值隨溫電阻值隨溫度變化度變化的性質來測量溫度的的性質來測量溫度的 若忽略物體的長度和截面隨溫度的變化若忽略物體的長度和截面隨溫度的變化, ,則在參則在參比溫度比溫度t t0 0下的電阻值下的電阻值R Rt t0 0和電阻溫度系數和電

17、阻溫度系數a a已知已知, ,可可以通過測量此物體的電阻來反映其溫度以通過測量此物體的電阻來反映其溫度. . R Rt t=R=Rt t0 01+a(t-t1+a(t-t0 0) 熱電阻引線的功能是使感溫元件能與外部測量線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果有較大的影響，路相連接。熱電阻引線對測量結果有較大的影響，現在常用的引線方式有兩線制、三線制和四線制現在常用的引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。三種。 2021-7-15計算機控制技術32 兩線制兩線制：在熱電阻感溫元件兩端各連一根導線的引線形式為兩線制。這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻以及引線

18、電阻的變化會帶來附加誤差。因此兩線制適用于引線不長，測溫準確度要求較低的場合。 三線制三線制：在熱電阻感溫元件一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線方式稱為三線制。這種引線形式可以較好的消除引線電阻的影響，測量準確度高于兩線制。工業熱電阻通常采用三線制接法。 四線制四線制：在熱電阻感溫元件兩端各連接兩根引線的接法稱為四線制。這種方式主要用于高精度溫度檢測。其中兩根引線為熱電阻提供恒流源I，在熱電阻上產生的壓降通過另兩根引線引至電位差計進行測量。因此它能完全消除引線電阻對測量的影響，且在連接導線阻值相同時，還可以消除連接導線的影響。2021-7-15計算機控制技術33工業常用熱電阻 在我

19、國在我國, ,標準化的熱電阻現有鉑的和銅的兩種標準化的熱電阻現有鉑的和銅的兩種 鉑熱電阻用于攝氏度范鉑熱電阻用于攝氏度范圍內測溫，銅熱電阻因在高溫下易氧化而適圍內測溫，銅熱電阻因在高溫下易氧化而適用于攝氏度范圍內測溫。前用于攝氏度范圍內測溫。前者穩定性好，準確度高；后者價格便宜，電者穩定性好，準確度高；后者價格便宜，電阻與溫度關系的線性度較好。阻與溫度關系的線性度較好。 2021-7-15計算機控制技術34分度號 根據根據IECIEC規定規定, ,鉑電阻有鉑電阻有Pt10Pt10和和Pt100Pt100兩種分兩種分度號度號 銅熱電阻按銅熱電阻按WZCWZC標準標準, ,代號有代號有Cu50Cu

20、50和和Cu100Cu100兩兩種。種。 IECIEC：國際電工委員會（：國際電工委員會（International Electro International Electro Technical CommissionTechnical Commission），成立于），成立于19061906年成月，是世界上年成月，是世界上成立最早的專門國際標準化機構成立最早的專門國際標準化機構 2021-7-15計算機控制技術352021-7-15計算機控制技術36電廠專用熱電阻和隔爆型熱電阻2021-7-15計算機控制技術37套管式熱電阻 套管式熱電阻作為溫度套管式熱電阻作為溫度測量和控制的傳感器與測量和

21、控制的傳感器與顯示儀表配套，以直接顯示儀表配套，以直接測量和控制生產過程中測量和控制生產過程中氣體，液體和蒸汽的溫氣體，液體和蒸汽的溫度。不僅用于發電廠管度。不僅用于發電廠管道測溫，同時也用于其道測溫，同時也用于其他工業部門的測溫。他工業部門的測溫。 2021-7-15計算機控制技術38裝配式熱電阻 工業用鉑電阻工業用鉑電阻作為溫度測量作為溫度測量的傳感器，通的傳感器，通常用來和顯示常用來和顯示儀表、記錄儀儀表、記錄儀表和電子調節表和電子調節器配套使用。器配套使用。 2021-7-15計算機控制技術39耐腐型、耐磨型熱電阻 但在某些特殊場合，但在某些特殊場合，如化工廠、冶煉廠、如化工廠、冶煉廠

22、、火電廠等，用普通熱火電廠等，用普通熱電偶，熱電阻就極易電偶，熱電阻就極易損壞。因此，在這些損壞。因此，在這些場合必須采用特殊材場合必須采用特殊材料及機構的熱電偶熱料及機構的熱電偶熱電阻。電阻。 2021-7-15計算機控制技術40模擬式溫度變送器 以以DDZ-DDZ-型為例，它可以和熱電阻或熱型為例，它可以和熱電阻或熱電偶配合使用，將溫度信號轉換成統一電偶配合使用，將溫度信號轉換成統一標準信號；標準信號； 主要由測量部分和放大部分組成主要由測量部分和放大部分組成 2021-7-15計算機控制技術41熱電阻溫度變送器結構方框圖熱電阻溫度變送器結構方框圖+-輸出電流輸出電流 Io被測溫度被測溫度

23、 t C熱電阻熱電阻輸入電橋輸入電橋放大電路放大電路反饋電路反饋電路2021-7-15計算機控制技術422.1.4 流量檢測及變送流量檢測及變送流量檢測原理有很多，有許多分類方法：流量檢測原理有很多，有許多分類方法： 按按測量單位測量單位分：質量流量計與體積流量計分：質量流量計與體積流量計 按按測量流體運動原理測量流體運動原理分：容積式、速度式、分：容積式、速度式、動量式和質量流量式動量式和質量流量式 按按測量方法測量方法分：直接測量式和間接測量式分：直接測量式和間接測量式2021-7-15計算機控制技術43差壓流量計差壓流量計轉子流量計轉子流量計速度式流量計速度式流量計容積式流量計容積式流量

24、計靶式流量計靶式流量計電磁流量計電磁流量計渦街流量計渦街流量計超聲波流量計超聲波流量計量熱式流量計量熱式流量計質量流量計質量流量計其它流量計其它流量計按測量原理細分2021-7-15計算機控制技術44文丘利式差壓流量計2021-7-15計算機控制技術45文丘利管2021-7-15計算機控制技術46轉子流量計 轉子流量計又稱浮子流量計，是目前工業上或實驗室常用的一種流量計。它是由一根錐形的玻璃管和一個能上下移動的浮子所組成2021-7-15計算機控制技術47渦街流量計 在流體中放置一非線性柱狀物(如圓柱或三角形等),則在某一雷諾數范圍內,在柱狀物的下游就會產生兩列不對稱且又有規律的漩渦。通常稱為

25、卡門渦街。由實驗獲知,三角柱卡門漩渦產生的頻率f與平均流速V,管道直徑D,三角扁平面的寬度d 之間的關系為: f =St/(l-1.25d/D)V/d 2021-7-15計算機控制技術48渦街流量計渦街流量計又稱為漩渦流量計，是利渦街流量計又稱為漩渦流量計，是利用有規則的漩渦剝離現象來測量流體用有規則的漩渦剝離現象來測量流體流量的儀表流量的儀表。 dhDl112021-7-15計算機控制技術49電磁流量計 流體流動時流體流動時,兩電極之間產生感應電勢兩電極之間產生感應電勢E, 設兩電極設兩電極之間距離為之間距離為L。則根據法拉第電磁感應定律。則根據法拉第電磁感應定律: Q = 3.14D2E/

26、(4KLB)= CE/B (7-5) 其中其中 Q 被測流體的流量被測流體的流量 m3/s C 檢驗因數檢驗因數 C = 3.14D2/(4KL) D 管道內徑，管道內徑，L 兩電極距離兩電極距離 E感應電勢感應電勢, B 磁感應強度，磁感應強度，2021-7-15計算機控制技術502021-7-15計算機控制技術51電磁式流量計 電磁流量計是基于電磁流量計是基于電磁感應原理電磁感應原理來測量流量的來測量流量的儀表，它能測量具有一定電導率的液體的體積儀表，它能測量具有一定電導率的液體的體積流量。流量。 測量的準確度不受被測液體粘度、密度、溫度測量的準確度不受被測液體粘度、密度、溫度及電導率變化

27、影響，測量管中沒有任何阻礙被及電導率變化影響，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。測液體流動的部件，所以幾乎沒有壓力損失。 適當選用測量管中絕緣內襯和測量電極材料，適當選用測量管中絕緣內襯和測量電極材料，就可以測量各種腐蝕性溶液的流量，尤其在測就可以測量各種腐蝕性溶液的流量，尤其在測量含有固體顆粒溶液如泥漿、紙漿、礦漿或纖量含有固體顆粒溶液如泥漿、紙漿、礦漿或纖維液體流量時，更顯示出其優越性維液體流量時，更顯示出其優越性 2021-7-15計算機控制技術52電磁流量計電磁流量計2021-7-15計算機控制技術53超聲波流量計 超聲波流量計常用測量方法為傳播速度差法、多

28、普勒超聲波流量計常用測量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法基本原理是測量超聲波脈沖順水法等。傳播速度差法基本原理是測量超聲波脈沖順水流和逆水流時速度之差來反映流體的流速，從而測出流和逆水流時速度之差來反映流體的流速，從而測出流量；多普勒法的基本原理則是應用聲波中的多普勒流量；多普勒法的基本原理則是應用聲波中的多普勒效應測得順水流和逆水流的頻差來反映流體的流速從效應測得順水流和逆水流的頻差來反映流體的流速從而得出流量。而得出流量。 超聲波流量計可用于測量任何液體流量超聲波流量計可用于測量任何液體流量, ,尤其適用于測尤其適用于測量腐蝕性液體量腐蝕性液體, ,高粘度液體和非導電液體的流量

29、。也可高粘度液體和非導電液體的流量。也可用于測量大口徑管道的水流量或各種水渠用于測量大口徑管道的水流量或各種水渠, ,河流河流, ,海水海水的流速和流量。的流速和流量。2021-7-15計算機控制技術54便攜式超聲波流量計2021-7-15計算機控制技術552.1.5 物位檢測及變送物位檢測及變送物位儀表的分類物位儀表的分類差壓式液位變送器差壓式液位變送器電容式物位傳感器電容式物位傳感器2021-7-15計算機控制技術56物位儀表分類物位儀表分類 直讀式物位測量儀表直讀式物位測量儀表 浮力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靜壓式物位測量儀表 電磁式物位測量儀表電磁式物位測量儀

30、表 輻射式物位儀表輻射式物位儀表 聲波式物位測量儀表聲波式物位測量儀表 光學式物位測量儀表光學式物位測量儀表 2021-7-15計算機控制技術57磁性液位控制器 磁性液位控制器 利用磁性浮子隨液位變化升或降，使檢測管內的干簧管開關動作，送出接點信號。 結構簡單，易于安裝維修。 應用廣泛，價格低廉。 2021-7-15計算機控制技術58浮球液位控制器 液位浮動開關 利用重力與浮力的原理設計。主要包括浮標和微動開關，當液位變化，浮標內的開關通、斷。2021-7-15計算機控制技術59浮球液位控制器 浮球液位控制器 由測量和輸出兩部分組成，當液位變化時，浮球隨之上下移動，從而使磁鋼擺動。根據磁性同性

31、相斥原理，使觸點接通或斷開2021-7-15計算機控制技術60頂裝式磁翻柱液位計液位計根據浮力原理和磁性耦合作用研制而成。當液位上升時,翻柱由白色轉為紅、白界位處為容器內介質液位的實際高度，從而實現液位的指示。2021-7-15計算機控制技術61差壓式液位變送器 利用差壓或壓力變利用差壓或壓力變送器可以很方便的送器可以很方便的測量液位，且能輸測量液位，且能輸出標準的電流或氣出標準的電流或氣壓信號。壓信號。 差壓式液位變送器差壓式液位變送器是利用容器內的液是利用容器內的液位改變時，由液柱位改變時，由液柱產生的靜壓也相應產生的靜壓也相應變化的原理而工作變化的原理而工作的的 pgHpp1pp2gHp

32、pp212021-7-15計算機控制技術62電容式物位傳感器 在電容器的極板之在電容器的極板之間，充以不同介質間，充以不同介質時，介電系數不同，時，介電系數不同，電容量的大小也有電容量的大小也有所不同所不同 可通過測量電容量可通過測量電容量的變化來檢測液位、的變化來檢測液位、料位和兩種不同液料位和兩種不同液體的分界面體的分界面 電容量大小與液位電容量大小與液位高度高度H成正比成正比2021-7-15計算機控制技術632.1.6 其它檢測儀表和裝置其它檢測儀表和裝置 接近開關、光電開關接近開關、光電開關 測速發電機測速發電機 光電編碼器光電編碼器 測厚儀表測厚儀表2021-7-15計算機控制技術

33、64行程開關、接近開關 行程開關、接近行程開關、接近開關主要將機械開關主要將機械位移變為電信號，位移變為電信號，以實現對系統的以實現對系統的控制，廣泛的應控制，廣泛的應用在機電一體化用在機電一體化的設備上，作為的設備上，作為電路自動切換、電路自動切換、限位保護、行程限位保護、行程控制等應用控制等應用 行程開關接近開關2021-7-15計算機控制技術65光電開關 光電開關也是一種常用的開關型檢測元件。光電開關也是一種常用的開關型檢測元件。它有投光器、受光器和電源組成，投光器它有投光器、受光器和電源組成，投光器常用發光二極管，受光器常用光敏二極管常用發光二極管，受光器常用光敏二極管或光敏三極管或光

34、敏三極管 工作原理工作原理：使投光器和受光器相對，當被：使投光器和受光器相對，當被測物體擋住從投光器發射出的光線時，受測物體擋住從投光器發射出的光線時，受光器就輸出相應的控制信號。光電開關按光器就輸出相應的控制信號。光電開關按檢測方式可分為反射式、對射式兩種類型檢測方式可分為反射式、對射式兩種類型 2021-7-15計算機控制技術66圖 . 光電開關2021-7-15計算機控制技術67測速發電機 tachogenerator 輸出電動勢與轉速成比例的微特電輸出電動勢與轉速成比例的微特電機。測速發電機的繞組和磁路經精機。測速發電機的繞組和磁路經精確設計，其輸出電動勢確設計，其輸出電動勢E E和轉

35、速和轉速n n成成線性關系，即線性關系，即E Eknkn，其中，其中k k是常數。是常數。改變旋轉方向時輸出電動勢的極性改變旋轉方向時輸出電動勢的極性即相應改變。當被測機構與測速發即相應改變。當被測機構與測速發電機同軸聯接時，只要檢測出輸出電機同軸聯接時，只要檢測出輸出電動勢，即能獲得被測機構的轉速，電動勢，即能獲得被測機構的轉速，故又稱速度傳感器。故又稱速度傳感器。2021-7-15計算機控制技術68測速發電機 測速發電機是一種專門用來測量測速發電機是一種專門用來測量轉速轉速的微型電的微型電機，其本質是一種微型發電機。有直流和交流機，其本質是一種微型發電機。有直流和交流兩種兩種 測速發電機廣

36、泛應用于各種速度或位置控制系測速發電機廣泛應用于各種速度或位置控制系統。在自動控制系統中作為檢測速度元件，以統。在自動控制系統中作為檢測速度元件，以調節電動機轉速或通過反饋來提高系統穩定性調節電動機轉速或通過反饋來提高系統穩定性和精度和精度 由于直流測速發電機有電刷、換向器等接觸裝由于直流測速發電機有電刷、換向器等接觸裝置，使它的可靠性變差，精度也受到影響。交置，使它的可靠性變差，精度也受到影響。交流測速發電機的流測速發電機的輸出頻率輸出頻率與與轉速轉速嚴格對應，輸嚴格對應，輸出信號可經放大整形變換電路轉換成標準的電出信號可經放大整形變換電路轉換成標準的電壓或電流信號壓或電流信號 2021-7

37、-15計算機控制技術69光電編碼器 光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器是由光位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過等電子元件

38、組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。的轉速。2021-7-15計算機控制技術70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、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、穩定可靠等優點。非接觸無磨損、穩定可靠等優點。 尤其是它以尤其是它以數字量輸出數字量輸出，具有與計算機容易聯機，具有與計算機容易聯機的優點。的優點。 編碼器的應用對象，就其所測量的物理量的性質，編碼器的應用對象，就其所測量的物理量的性質，它可對運動機械的直線位移、角位移、速度、相它可對運動機械

39、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，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，并給出例如溫度壓力、流量等物理量進行測量，并給出相應的電學量輸出。相應的電學量輸出。 在自動化系統中，它可作為敏感檢測元件組成自在自動化系統中，它可作為敏感檢測元件組成自動檢測系統，也可作為檢測反饋元件，組成閉環動檢測系統，也可作為檢測反饋元件，組成閉環或半閉環的自動控制系統或半閉環的自動控制系統 2021-7-15計算機控制技術71 編碼器分類表2021-7-15計算機控制技術72編碼器 2021-7-15計算機控制技術732021-7-15

40、計算機控制技術742.2 過程控制中常用的執行器過程控制中常用的執行器 執行器是過程計算機控制系統中的一個重執行器是過程計算機控制系統中的一個重要組成部分。要組成部分。 其作用是接收控制器送來的控制信號，改其作用是接收控制器送來的控制信號，改變被控介質的流量，從而將被控變量維持變被控介質的流量，從而將被控變量維持在所要求的數值上或一定的范圍內。在所要求的數值上或一定的范圍內。2021-7-15計算機控制技術75圖2.26 常見執行器的構成及控制形式調節器伺服放大器操作器電動執行機構調節閥調節器電/氣轉換器氣動執行機構調節閥調節器電/氣閥門定位器氣動執行機構調節閥2021-7-15計算機控制技術

41、76 執行器有各種不同的分類方法：執行器有各種不同的分類方法： 按按動力能源動力能源分類分類 分為分為氣動氣動執行器、執行器、電動電動執行執行器、器、液動液動執行器。氣動執行器利用執行器。氣動執行器利用壓縮空氣壓縮空氣作為作為能源，其特點是結構簡單、動作可靠、平穩、輸能源，其特點是結構簡單、動作可靠、平穩、輸出推力較大、維修方便、防火防爆，價格較低；出推力較大、維修方便、防火防爆，價格較低；可方便的與氣動儀表配套使用，即使是采用電動可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，只要儀表或計算機控制時，只要經過經過電電/ /氣轉換器或電氣轉換器或電/ /氣閥門定位器，將電信號轉換

42、為氣閥門定位器，將電信號轉換為0.02-0.1MPa0.02-0.1MPa的的標準氣壓信號，仍可用氣動執行器標準氣壓信號，仍可用氣動執行器 按動作極性分類按動作極性分類 分為正作用、反作用執行器分為正作用、反作用執行器 按動作行程分類按動作行程分類 分為角行程、直行程執行器分為角行程、直行程執行器 按動作特性分類按動作特性分類 分為比例式、積分式執行器分為比例式、積分式執行器2021-7-15計算機控制技術77氣動執行器氣動執行器 氣動執行器又稱氣動調氣動執行器又稱氣動調節閥，由氣動節閥，由氣動執行機構執行機構和和控制機構控制機構組成。組成。 執行器上有標尺，用以執行器上有標尺，用以指示執行器

43、的動作行程指示執行器的動作行程 行 程 標 尺控制機構氣動執行機構圖 . 氣動執行器2021-7-15計算機控制技術78氣動執行機構 常見的氣動常見的氣動執行機構有執行機構有薄膜式和活薄膜式和活塞式兩大類塞式兩大類 其中薄膜式其中薄膜式執行機構最執行機構最常見常見 2021-7-15計算機控制技術79氣動薄膜調節閥的組成 氣動薄膜調節閥是由上部的薄膜執行機構和下部的調節機構兩部分組成 執行機構執行機構調節機構調節機構2021-7-15計算機控制技術80控制機構 控制機構即調節閥，實際上是一個局部阻控制機構即調節閥，實際上是一個局部阻力可以改變的節流元件力可以改變的節流元件 調節閥由閥體、閥座、

44、閥芯、閥桿、上下調節閥由閥體、閥座、閥芯、閥桿、上下閥蓋等組成。調節閥直接與被控介質接觸，閥蓋等組成。調節閥直接與被控介質接觸，為適應各種使用要求，閥芯、閥體的結構、為適應各種使用要求，閥芯、閥體的結構、材料各不相同材料各不相同 調節閥的閥芯有直行程閥芯與角行程閥芯調節閥的閥芯有直行程閥芯與角行程閥芯 2021-7-15計算機控制技術812021-7-15計算機控制技術82直通單座調節閥2021-7-15計算機控制技術83三通調節閥 三通閥可以把一路流三通閥可以把一路流體分成兩路，或是把體分成兩路，或是把兩路流體合為一路，兩路流體合為一路， 它們是在直通單座或它們是在直通單座或雙座調節閥的基礎

45、上雙座調節閥的基礎上發展起來的，可以代發展起來的，可以代替兩個直通閥替兩個直通閥 2021-7-15計算機控制技術84流量特性 由于調節閥開度變化時，閥前后的壓差由于調節閥開度變化時，閥前后的壓差PP也會變，從而流量也會變，從而流量Q Q也會變。也會變。 為分析方便，稱閥前后的壓差不隨閥的為分析方便，稱閥前后的壓差不隨閥的開度變化的流量特性為開度變化的流量特性為理想流量特性理想流量特性； 閥前后的壓差隨閥的開度變化的流量特閥前后的壓差隨閥的開度變化的流量特性為性為工作流量特性工作流量特性 2021-7-15計算機控制技術85流量特性 對不同的閥芯形狀，具有不同的理想流量特性對不同的閥芯形狀，具

46、有不同的理想流量特性： 1-快開；2-直線；3-拋物線；4-等百分比4321l/L（%）Q/Qmax（%）043212021-7-15計算機控制技術86電/氣轉換器 電氣轉換器 電氣閥門定位器2021-7-15計算機控制技術87電氣轉換器 它是基于力它是基于力矩平衡的工矩平衡的工作原理作原理 擋板噴嘴 永久磁鋼支點 平衡錘波紋管氣信號輸出氣源氣阻電信號輸入氣動功率放大器PB圖 . 電/氣轉換器簡化原理圖2021-7-15計算機控制技術88電氣閥門定位器調零彈簧反饋壓板閥桿反饋拉桿反饋軸氣動執行器氣動功率放大器輸入繞組氣阻氣源調量程支點支點擋板反饋彈簧平衡錘永久磁鋼噴嘴杠桿20-100KPa反饋

47、彈簧140KPa 圖 . 電/氣閥門定位器原理圖原理2021-7-15計算機控制技術89智能型電/氣閥門定位器 調 節 閥被 控 介 質膜 頭閥B閥A氣 源排 氣進 氣閥 位反 饋 桿電 位 計電 氣 閥 門 定 位 器微 電 腦 控 制 電 路輸 入 信 號以微處理器為核心以微處理器為核心采用的數字定位技術采用的數字定位技術 先進性在于：控制精先進性在于：控制精度高、能耗低、調整度高、能耗低、調整方便、可任意選擇流方便、可任意選擇流量閥的流量特性、故量閥的流量特性、故障報警、通過接口與障報警、通過接口與其它現場總線用戶實其它現場總線用戶實現通信。現通信。2021-7-15計算機控制技術90電

48、動執行器2021-7-15計算機控制技術91電動執行器 電動執行器和氣動執行器一樣，是控制電動執行器和氣動執行器一樣，是控制系統中的一個重要部分。它接收來自控系統中的一個重要部分。它接收來自控制器的制器的420mA或或010mA直流電流信號，直流電流信號，并將其轉換成相應的并將其轉換成相應的角位移角位移或或直行程位直行程位移移，去操縱閥門、擋板等控制機構，以，去操縱閥門、擋板等控制機構，以實現自動控制實現自動控制 電動執行器有直行程、角行程和多轉式電動執行器有直行程、角行程和多轉式等類型等類型 2021-7-15計算機控制技術92 電動執行器主要由伺服放大器和執行機構組電動執行器主要由伺服放大

49、器和執行機構組成成 ，如下圖：，如下圖：0-900-10mA或4-20mAI iI fmA執行機構放大器減速器位置發送器伺服電機電動操作器伺服放大器電動執行機構方框圖2021-7-15計算機控制技術93現場總線執行器現場總線執行器 符合現場總線的智能執行器由傳統的符合現場總線的智能執行器由傳統的執行執行器器、含有微處理器的、含有微處理器的控制器控制器以及可與以及可與PCPC或或PLCPLC雙向通信的雙向通信的模件模件及軟件組成，具有與上及軟件組成，具有與上位機或控制系統通信的功能位機或控制系統通信的功能 智能化和高精度的系統控制功能智能化和高精度的系統控制功能 一體化的結構一體化的結構 智能化

50、的通信功能智能化的通信功能 智能化的自診斷功能智能化的自診斷功能 2021-7-15計算機控制技術94公司名稱公司名稱閥門執行器產品及類型閥門執行器產品及類型總線類型總線類型推出年代推出年代EIM美國美國MOV1224（電動執行器）（電動執行器）Modbus1985Keystone美國美國Electrical Actuators（電動執行器）（電動執行器）Modbus1985Rotork英國英國PakscanIIE（智能電動執行器）（智能電動執行器）Modbus1986Limitorque美國美國DDC100TM（電動執行器）（電動執行器）BITBUS Modbus1989AUMA美國美國Ma

51、tic（電動執行器）（電動執行器）Profibus1991Siemens德國德國SIPART PS2（閥門定位器）（閥門定位器）HART1995Valtek美國美國Starpac（智能調節器）（智能調節器）HART1996Masoneilan美國美國Smart Valve Positioner（閥門定位器）（閥門定位器）HART1996Neles美國美國ND800（調節閥）（調節閥）HART1997Jordan美國美國Electric Actuators（電動執行器）（電動執行器）HART1998ElsagBailey德國德國Contract（電動執行器）（電動執行器）HART1998Fish

52、erRosmount美國美國DVC5000f Series Digital（調節閥）（調節閥）FF1998Flowserve美國美國Logix14XX（閥門定位器）（閥門定位器）FF1999BUSwitch（離散型調節閥）（離散型調節閥）FF1999Yokogawa日本日本YVP（閥門定位器）（閥門定位器）FF1999Yamatake日本日本SVP3000AlphaplusAVP303（閥門定位器）（閥門定位器）FF1999Rotork英國英國FF01 Network Interface（電動執行器）（電動執行器）FF20002021-7-15計算機控制技術952.3 運動控制中常用的執行機構運動控制中常用的執行機構直流伺服電機直流伺服電機交流伺服電機交流伺服電機步進電機步進電機電磁閥和液壓閥電磁閥和液壓閥2021-7-15計算機控制技術96交流伺服電機 交流伺服電機在自動控制中也常被用來作為執行元件交流伺服電機在自動控制中也常被用來作為執行元件 在自控系統中，伺服電動機是將在自控系統中，伺服電動機是將控制信號控制信號快速地轉換為快速地轉換為轉軸轉動轉軸轉動的一個執行元件，自動控制系統對它主要提出的一個執行元件，自動控制系統對它主要提出