2020/9/12,計算機控制技術,1,第2章 計算機控制系統(tǒng)中的檢測設備和執(zhí)行機構,2020/9/12,計算機控制技術,2,第2章計算機控制系統(tǒng)中的檢測設備和執(zhí)行機構,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,2020/9/12,計算機控制技術,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)轉換成該系統(tǒng)統(tǒng)一的標準信號。因此，變送器的性能、精度等指標對控制系統(tǒng)影響重大。,2020/9/12,計算機控制技術,4,2.1 傳感器和變送器,主要內容： 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,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,6,2020/9/12,計算機控制技術,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,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；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；應用層規(guī)定了通訊命令的內容。,2020/9/12,計算機控制技術,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,10,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 ： 依據(jù)流體靜力學原理，把被測壓力轉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。 結構簡單、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。,2020/9/12,計算機控制技術,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。 普遍用作標準儀器對壓力儀表進行標定。,2020/9/12,計算機控制技術,12,電氣式壓力檢測 ： 利用敏感元件將被測壓力轉換成各種電量，如電阻、電感、電容、電位差等。 具有較好的動態(tài)響應，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。,2020/9/12,計算機控制技術,13,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,14,2020/9/12,計算機控制技術,15,測量部分的作用是通過電容式壓力傳感器及相關電路把被測差壓p成比例的轉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/電流轉換電路比例的轉換成差動電流信號Id，經(jīng)放大后轉換成420mA輸出電流。,2020/9/12,計算機控制技術,16,智能式壓力變送器,2020/9/12,計算機控制技術,17,2020/9/12,計算機控制技術,18,2.1.3 溫度檢測和變送,測溫方法分類 熱電偶 熱電阻 模擬式溫度變送器 智能式溫度變送器,2020/9/12,計算機控制技術,19,測溫方法分類,接觸式測量 基于物體的熱交換原理設計而成。 優(yōu)點：較直觀、可靠，系統(tǒng)結構相對簡單，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。,2020/9/12,計算機控制技術,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； 基于密閉容器內工作介質隨溫度升高而壓力升高的性質制成的壓力式溫度檢測儀表； 基于導體或半導體電阻隨溫度變化而變化的熱電阻溫度檢測儀表 基于熱電效應的熱電偶溫度檢測儀表。,2020/9/12,計算機控制技術,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關系而設計的。 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；測溫響應速度快。 缺點：所測溫度受物體發(fā)射率、中間介質和測溫距離的影響。 主要儀表：輻射溫度計、光學高溫計、光電高溫計、比色溫度計等。 其他測量技術：光纖測溫技術、集成溫度傳感器測溫技術等,2020/9/12,計算機控制技術,22,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效應來測溫的 工業(yè)上常用的(已標準化)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。,2020/9/12,計算機控制技術,23,熱電阻測溫原理,熱電阻溫度計是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化的性質來測量溫度的 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,24,智能式溫度變送器,圖 . 智能溫度變送器TT302構成框圖,2020/9/12,計算機控制技術,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，將溫度信號轉換成統(tǒng)一標準信號； 它也可以作為直流毫伏轉換器來使用，也將其它能夠轉換成直流毫伏信號的工藝變量也變成統(tǒng)一的標準信號,2020/9/12,計算機控制技術,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,27,2020/9/12,計算機控制技術,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,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。,2020/9/12,計算機控制技術,30,電磁式流量計,電磁流量計是基于電磁感應原理來測量流量的儀表，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。 適當選用測量管中絕緣內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,31,電磁流量計用于測量導電液體的體積流量，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。 質量流量計、超聲波流量計、孔板流量計,2020/9/12,計算機控制技術,32,系列電磁流量計,2020/9/12,計算機控制技術,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,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 光學式物位測量儀表,2020/9/12,計算機控制技術,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，且能輸出標準的電流或氣壓信號。 差壓式液位變送器是利用容器內的液位改變時，由液柱產(chǎn)生的靜壓也相應變化的原理而工作的,p,2020/9/12,計算機控制技術,36,電容式物位傳感器,在電容器的極板之間，充以不同介質時，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,37,2.1.6 其它檢測儀表和裝置,接近開關、光電開關 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,38,行程開關、接近開關,行程開關、接近開關主要將機械位移變?yōu)殡娦盘枺詫崿F(xiàn)對系統(tǒng)的控制，廣泛的應用在機電一體化的設備上，作為電路自動切換、限位保護、行程控制等應用,圖 . 行程開關,圖 . 接近開關,2020/9/12,計算機控制技術,39,光電開關,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,2020/9/12,計算機控制技術,40,圖 . 光電開關,2020/9/12,計算機控制技術,41,測速發(fā)電機,測速發(fā)電機是一種專門用來測量轉速的微型電機，其本質是一種微型發(fā)電機。有直流和交流兩種 。 直流測速發(fā)電機輸出電壓和轉速有較好的線性關系，并且電流的極性反映出轉動的方向，應用方便。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速嚴格對應，輸出信號可經(jīng)放大整形變換電路轉換成標準的電壓或電流信號 。輸出特性隨負載性質變化而變化。,2020/9/12,計算機控制技術,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，并給出相應的電學量輸出。 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),2020/9/12,計算機控制技術,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,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。,2020/9/12,計算機控制技術,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，其特點是結構簡單、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/氣轉換器或電/氣閥門定位器，將電信號轉換為0.020.1MPa的標準氣壓信號，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,46,氣動執(zhí)行器,氣動執(zhí)行器又稱為氣動調節(jié)閥，由氣動執(zhí)行機構和調節(jié)閥(控制機構)組成。 執(zhí)行器上有標尺，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,47,氣動執(zhí)行機構,常見的氣動執(zhí)行機構有薄膜式和活塞式兩大類 其中薄膜式執(zhí)行機構最為常,2020/9/12,計算機控制技術,48,控制機構,控制機構即調節(jié)閥，實際上是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件 調節(jié)閥由閥體、閥座、閥芯、閥桿、上下閥蓋等組成。調節(jié)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、材料各不相同 調節(jié)閥的閥芯有直行程閥芯與角行程閥芯,2020/9/12,計算機控制技術,49,電/氣轉換器,電氣轉換器 電氣閥門定位器 壓縮空氣過濾器,2020/9/12,計算機控制技術,50,電動執(zhí)行器,2020/9/12,計算機控制技術,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，并將其轉換成相應的角位移或直行程位移，去操縱閥門、擋板等控制機構，以實現(xiàn)自動控制 電動執(zhí)行器有直行程、角行程和多轉式等類型,2020/9/12,計算機控制技術,52,電動執(zhí)行器主要由伺服放大器和執(zhí)行機構組成 ，如下圖：,圖 . 電動執(zhí)行機構方框圖,2020/9/12,計算機控制技術,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 一體化的結構 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,54,2.3 運動控制中常用的執(zhí)行機構,直流伺服電機 交流伺服電機 步進電機 電磁閥和液壓閥,2020/9/12,計算機控制技術,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、基本結構及內部電磁關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構類型。 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，調速范圍廣，機械特性和調節(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)電動機的轉速控制。,2020/9/12,計算機控制技術,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換為轉軸轉動的一個執(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： 轉速和轉向應方便地受控制信號的控制，調速范圍要大； 整個運行范圍內的特性應具有線性關系，保證運行的穩(wěn)定性； 當控制信號消除時，伺服電動機應立即停轉，也就是要求伺服電動機無“自轉”現(xiàn)象； 控制功率要小，啟動轉矩應大； 機電時間常數(shù)要小，始動電壓要低。當控制信號變化時，反應應快速靈敏,2020/9/12,計算機控制技術,57,步進電機,步進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換成相應的角位移或直線位移，即給一個脈沖信號，電動機就轉動一個角度或前進一步， 步進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)字脈沖信號轉換為角位移，很適合采用計算機控制，被廣泛的應用于簡易數(shù)控機床、送料機構、儀器儀表等領域。,2020/9/12,計算機控制技術,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，液壓閥可分為開關型和模擬量兩種。開關型液壓閥工作在開和關兩種工作狀態(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,59,第2章 結束,THE End,