3｜物联网控制｜计算机控制-刘川来胡乃平版｜第2章：计算机控制系统中的检测设备和执行机构-2.1传感器和变送器｜课堂笔记｜ppt

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

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，输出信号的形式由传感器的原理确定。

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、典压、频率、气压信号等)转换成该系统统一的标准信号。因此，变送器的性能、精度等指标对控制系统影响重大。

2.1.1 信号线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。

HART协议

～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4~20mA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。

～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。

2.1.2压力检测及变送

按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为以下几类：

1.压力检测的主要方法和分类

(1)液注式压力检测

-依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。

-U型管压力计、单管压力计、补偿微压计等。

-结构简单、使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响。

-一般用于测量较低压力、真空度或压力差。

(2)弹性式压力检测

-根据弹性元件受力变形原理，将被测压力转换成位移来实现压力测量；

-主要有弹簧管、膜片和波纹管等。

(3)负荷式压力检测

-利用静压平衡原理进行压力测量。

-典型仪表：活塞式、浮球式和钟罩式。

-普遍用作标准仪器对压力仪表进行标定。

(4)电气式压力检测

-利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、电位差等。

-具有较好的动态响应，特性量程范围大，线形好，便于进行压力的自动控制。

(5)其它压力检测方法

-弹振式压力计、压磁式压力计。

2.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。

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。

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3.智能式压力变送器

2.1.3温度检测和变送

1.测温方法分类

(1)接触式测量

基于物体的热交换原理设计而成。

优点：较直观、可靠，系统结构相对简单，测量准确度高。

缺点：测温有较大滞后，在接触过程中易破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差，不能测量移动或太小的物体。测温上限受到温度计材料的限制，故所测温度不能太高。

接触式测量主要仪表：
基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度检测仪表；
基于密闭容器内工作介质随温度升高而压力升高的性质制成的压力式温度检测仪表；
基于导体或半导体电阻随温度变化而变化的热电阻温度检测仪表
基于热电效应的热电偶温度检测仪表

(2)非接触式测量

基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系而设计的。

优点:测温范围广，测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测量运动物体；测温响应速度快。

缺点：所测温度受物体发射率、中间介质和测温距离的影响。

主要仪表：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。

(3)其他测量技术

光纤测温技术、集成温度传感器测温技术等。

2.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。

3.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。

4.模拟式温度变送器

以DDZ-Ⅲ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，也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。

5.智能式温度变送器

2.1.4流量检测及变送

1.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。

2.电磁流量计

～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。

～由于它测量的准确度不受被测液体的粘度、密度、温度以及电导率(在允许最低限以上)变化的影响，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的材料，就可以测量各种腐蚀性(酸、碱、盐)溶液的流量，尤其是在测量含有固体颗粒的溶液如泥浆、纸浆、矿浆或纤维液体的流量时，更显示出其优越性 。

～电磁流量计用于测量导电液体的体积流量，也适用于含或不含悬浮颗粒物的液体，或淤泥、浆料等粘稠的介质。

～质量流量计、超声波流量计、孔板流量计。

2.1.5物位检测及变送

1.分类

2.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。

3.电容式液位变送器

在电容器的极板之间，充以不同介质时，电容量的大小也有所不同，因此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。

2.1.6 其它检测仪表和装置

1.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。

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。其工作原理是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 。

2.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 。

直流测速发电机输出电压和转速有较好的线性关系，并且电流的极性反映出转动的方向，应用方便。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 。输出特性随负载性质变化而变化。

3.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。

4.测厚仪表

厚度测量属于长度测量范畴，但它是一种特殊的长度测量。目前常用的厚度测量一般属于运动物体厚度的连续测量，而对于非连续测量则多用一般简单机械式测量仪。

按检测方式分为接触式和非接触式两大类；按其变换原理分为射线式、电涡流式、微波式、激光式、电容式、电感式等。

(2023年 2月19日 16:52首次发布)