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1、2020/9/12,計算機控制技術(shù),1,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),2020/9/12,計算機控制技術(shù),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),2020/9/12,計算機控制技術(shù),3,2.1 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

2、成該系統(tǒng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),4,2.1 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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),5,2.1.1 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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),6,2020/9/12,計算機控制技術(shù)

3、,7,HART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420mA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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),8,HART協(xié)議,HART(Highway Addressable Remote Transducer)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420mADC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(zhǔn)化組織(ISO)的開放式系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，簡化并引用其

4、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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),9,2.1.2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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),10,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(xì)管作用、密度及視差等因素的影響。 一般用于測量較

5、低壓力、真空度或壓力差。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),11,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(fù)荷式壓力檢測 ： 利用靜壓平衡原理進(jìn)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(zhǔn)儀器對壓力儀表進(jìn)行標(biāo)定。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),12,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(jìn)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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),1

6、3,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),14,2020/9/12,計算機控制技術(shù),15,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420mA輸出電流。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),16,智能式壓力變送器,2020/9/12,計算機控制技術(shù),17,2020/9/12,計算機控制技術(shù),18,2.1.3 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

7、送器 智能式溫度變送器,2020/9/12,計算機控制技術(shù),19,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(zhǔn)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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),20,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

8、熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測儀表。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),21,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),22,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(zhǔn)化)熱電偶有：鉑銠30-鉑銠6熱電偶(分度號為B)、鉑銠

9、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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),23,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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),24,智能式溫度變送器,圖 . 智能溫度變送器TT302構(gòu)成框圖,2020/9/12,計算機控制技術(shù),25,模擬式溫度變送器,以DDZ-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(zhǔn)信號； 它也可以作為直

10、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(zhǔn)信號,2020/9/12,計算機控制技術(shù),26,模擬式溫度變送器,圖 . 模擬式溫度變送器原理框圖,2020/9/12,計算機控制技術(shù),27,2020/9/12,計算機控制技術(shù),28,2.1.4 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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),29,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

11、。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),30,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(zhǔn)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 。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),31,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

12、、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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),32,系列電磁流量計,2020/9/12,計算機控制技術(shù),33,2.1.5 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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),34,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),35,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(zhǔn)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

13、，由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的,p,2020/9/12,計算機控制技術(shù),36,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),37,2.1.6 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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),38,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(hù)、行程控制等應(yīng)用,圖 . 行程開關(guān),圖 . 接近開關(guān),

14、2020/9/12,計算機控制技術(shù),39,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),40,圖 . 光電開關(guān),2020/9/12,計算機控制技術(shù),41,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

15、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(yán)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(zhǔn)的電壓或電流信號 。輸出特性隨負(fù)載性質(zhì)變化而變化。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),42,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(jìn)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(jìn)行測量，并給出相應(yīng)的電學(xué)量輸出。

16、 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),2020/9/12,計算機控制技術(shù),43,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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),44,2.2 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

17、將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),45,執(zhí)行器有各種不同的分類方法，其分類如下： 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0.020.1MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號，仍然可用氣動執(zhí)行器。 按動作極性分類 分為正作用執(zhí)行器和反作用執(zhí)行器。 按動作行程分類 分為角行程執(zhí)行器和直行程執(zhí)行器。 按動作特性分類 分為

18、比例式執(zhí)行器和積分式執(zhí)行器。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),46,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),47,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),48,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

19、與角行程閥芯,2020/9/12,計算機控制技術(shù),49,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),50,電動執(zhí)行器,2020/9/12,計算機控制技術(shù),51,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420mA或010mA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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),52,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,2020/9/12,

20、計算機控制技術(shù),53,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,2020/9/12,計算機控制技術(shù),54,2.3 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(jìn)電機 電磁閥和液壓閥,2020/9/12,計算機控制技術(shù),55,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

21、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。,2020/9/12,計算機控制技術(shù),56,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： 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； 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； 當(dāng)

22、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； 控制功率要小，啟動轉(zhuǎn)矩應(yīng)大； 機電時間常數(shù)要小，始動電壓要低。當(dāng)控制信號變化時，反應(yīng)應(yīng)快速靈敏,2020/9/12,計算機控制技術(shù),57,步進(jìn)電機,步進(jìn)電機又稱為脈沖電機，是計算機控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。其功用是將脈沖電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，即給一個脈沖信號，電動機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步， 步進(jìn)電動機的角位移量或線位移量s與脈沖數(shù)k成正比；它的轉(zhuǎn)速n，或線速度v與脈沖頻率f成正比 它不需要變換能直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，很適合采用計算機控制，被廣泛的應(yīng)用于簡易數(shù)控機床、送料機構(gòu)、儀器儀表等領(lǐng)域。,2

23、020/9/12,計算機控制技術(shù),58,液壓閥,液壓閥的種類很多，按不同的分類方法可有許多種類型。 按功能分，液壓閥可分為： 壓力控制閥 如溢流閥、減壓閥、順序閥等。 方向控制閥 如單向閥、電磁換向閥、電液換向閥等。 流量控制閥 如節(jié)流閥、調(diào)速閥、溢流節(jié)流閥、分流閥等。 按液壓系統(tǒng)的壓力分，所使用的液壓閥可分為節(jié)流閥、分流閥等。 低壓閥 其允許使用壓強6Mpa； 中壓閥 其允許使用壓強16Mpa； 高壓閥 其允許使用壓強16Mpa； 按閥的工作方式分，液壓閥可分為開關(guān)型和模擬量兩種。開關(guān)型液壓閥工作在開和關(guān)兩種工作狀態(tài)，通過控制電磁鐵的通斷來實現(xiàn)。模擬量閥連續(xù)控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量的變化，如比例閥、伺服閥，它是通過對比例電磁鐵輸入連續(xù)變化的模擬量信號來實現(xiàn)的,2020/9/12,計算機控制技術(shù),59,第2章 結(jié)束,THE End,