检测与仪表.doc

§6.5 过程检测仪表简介
一、概述
给定值

被控参数 被控介质
图6.5.1 控制系统框图
调节器
变送器
执行器
控制对象
过程检测仪表是过程控制仪表与装置的一部分。由控制仪表和控制对象组成的过程控制系统框图如图6.5.1所示，控制仪表包括变送器、调节器和执行器等。其中的变送器就是过程检测仪表，用于对被控参数的检测。下面的介绍，对于所有的控制仪表都是适用的。
控制仪表可按能源形式、信号形式和结构形式分类。
⑴ 按能源形式分类
可分为气动、电动、液动等几类。工业上通常使用的是气动仪表和电动仪表。
⑵ 按信号形式分类
可分为模拟式和数字式两大类。模拟式仪表的传输信号为连续变化的模拟量。数字式仪表的传输信号为断续变化的数字量，同时也包括模拟量信号。
⑶ 按结构形式分类
可分为基地式仪表、单元组合式仪表等。
基地式仪表是以指示、记录仪表为主体，附加控制机构而组成。它不仅能对某个参数进行指示或记录，还具有控制功能。基地式仪表通常结构比较简单，常用于单机自动化系统。
单元组合式仪表使用灵活、通用性强，广泛用于各种生产过程的自动化系统。按照国家标准，我国生产的电动单元组合仪表用DDZ（“电”、“单”、“组”三字的第一个拼音字母）表示，气动单元组合仪表用QDZ（“气”、“单”、“组”三字的第一个拼音字母）表示。下面的介绍以电动单元组合仪表即DDZ型仪表为主。
我国生产的DDZ型仪表经历了DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ型、DDZ-Ⅲ型三个发展阶段，经过不断改进，其性能已日臻完善。以后又在此基础上推出了新型数字化的DDZ-S型系列仪表。这个系列仪表将模拟技术与数字技术相结合，并以数字技术为主，是一种比较先进的控制仪表。DDZ-S型系列仪表的信号制与DDZ-Ⅲ型仪表是兼容的。
二、信号制
信号制（或称信号标准）是指在成套仪表系列中，仪表之间采用何种统一的联络信号来进行信号传输的问题。采用统一的联络信号，不仅可以使同一系列的各类仪表组成系统，而且还可以通过各种转换器，将不同系列的仪表连接起来混合使用，从而扩大了仪表的使用范围。此外，由于各种参数被转换为统一信号，因此，各类仪表同工业控制机等先进技术工具配合使用，也比较方便。
DDZ型仪表常用的联络信号有模拟信号、数字信号、频率信号等。主要介绍模拟信号制。
模拟信号制主要采用直流形式，交流形式基本已被淘汰。直流形式的主要优点是：不受线路中的电容、电感及负载性质的影响，不存在相移问题等。
从信号取值范围来看，下限值可以从零开始，也可以从某一确定的数值开始；上限值可以较低，也可以较高。取值范围的确定，应从仪表的性能和经济性作全面考虑。信号下限从零开始，便于模拟量的加、减、乘、除、开方等数学运算和使用通用刻度的指示、记录仪表。信号下限从某一确定值开始，即有一个活零点，将电气零点与机械零点（即线路的信号地等各种地线）分开，便于检验信号传输线有否断线以及仪表是否断电，并为现场变送器实现两线制提供了可能性。
不同的仪表系列，所取信号的上、下限值是不同的。DDZ-Ⅱ型仪表采用0～10mA直流电流作为统一联络信号；DDZ-Ⅲ型仪表则采用4～20mA直流电流和1～5V直流电压作为统一联络信号。目前，国际电工委员会（IEC）已决定将电流信号4～20mA（DC）和电压信号1～5V（DC）确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。
DDZ-S型系列仪表的信号制与DDZ-Ⅲ型仪表是兼容的。
三、信号传输方式
Ri
Rcm/2
Ir Ii
I0 R0 Ri
Rcm/2

发送仪表 Ri

接收仪表
图6.5.2 电流信号传输
↑
信号传输指的是电流信号和电压信号的传输。电流信号传输时，仪表是串联连接的；电压信号传输时，仪表是并联连接的。
1．电流信号传输
如图6.5.2所示，一台发送仪表的输出电流同时传输给n台接收仪表，所有这些仪表应当串接在一起。DDZ-Ⅱ型仪表即属于这种传输方式。图中，R0为发送仪表的输出电阻，Rcm和Ri分别为连接导线的电阻和接收仪表的输入电阻。Rcm和所有的Ri组成了发送仪表的负载电阻。
由于发送仪表的输出电阻R0不可能为无限大，因此，当负载电阻变化时，发送仪表的输出电流也将发生变化，从而引起传输误差。电流信号的传输误差ε可表示为
（6.5.1）
为保证传输误差ε在允许范围之内，应满足R0>>Rcm＋nRi，因此有
（6.5.2）
由式（6.5.2）可见，为减小传输误差，要求发送仪表的输出电阻R0足够大，而接收仪表的输入电阻Ri和连接导线的电阻Rcm应尽量地小一些。
实际上，发送仪表的输出电阻R0均很大，相当于一个恒流源。连接导线在一定长度内时，仍能保证信号的传输精度。因此，电流信号适于远距离传输。此外，对于要求电压输入的仪表，可在电流回路中串入一个电阻（通常都是精度较高的标准电阻），从电阻两端引出电压供给接收仪表。可见，电流信号传输的应用也比较灵活。
电流信号传输也有不足之处。由于接收仪表是串联工作的，因此当一台仪表出故障时，将影响其它仪表的正常工作。而且，各台接收仪表通常均应浮空工作。若要使各台接收仪表都有自己的接地点，就需要在仪表的输入、输出之间采取直流隔离措施（主要有电磁隔离和光电隔离两大类，而光电隔离的线性度较差，目前很少使用），这就对仪表的设计和应用在技术上提出了更高的要求。
2．电压信号传输
如图6.5.3所示，一台发送仪表的输出电压同时传输给n台接收仪表，所有这些仪表应当并接在一起。DDZ-Ⅲ型仪表即可采取这种传输方式。
由于发送仪表的输出电阻R0不可能为0，同时接收仪表的输入电阻Ri不可能为无限大，因此，发送信号电压V0将在发送仪表的输出电阻R0和连接导线的电阻Rcm上产生一部分电压降Vr，从而造成传输误差。电压信号的传输误差ε可表示为

（6.5.3）
为保证传输误差ε在允许范围之内，应满足（Ri/n）>> R0＋Rcm，因此有
（6.5.4）
Ri
Rcm/2

R0 Ii
V0 Rcm/2 Ri

发送仪表
Ri

接收仪表
图6.5.3 电压信号传输
由式（6.5.4）可见，为减小传输误差，要求发送仪表的输出电阻R0和连接导线的电阻Rcm尽量地小，而接收仪表的输入电阻Ri应尽量地大一些。
由于接收仪表是并联工作的，因此，增加或取消某个仪表（例如，当一台仪表出故障时，直接将它取消即可），将不会影响其它仪表的正常工作。而且，各台接收仪表也可以设置公共的接地点，因此在设计安装上比较简单。但是，并联连接的各台接收仪表的输入电阻都较高，易于引入干扰，因此，电压信号不适于远距离传输。
3．变送器与控制室仪表间的信号传输
变送器是现场仪表，其输出信号送至控制室中，而它的供电又来自控制室。变送器的信号传送和供电方式通常有以下两种。
⑴ 四线制传输
如图6.5.4所示，供电电源和输出信号各用两根导线传输。图中的变送器称为四线制变送器。DDZ-Ⅱ型仪表即属于这种传输方式。由于电源和信号分别传送，因此对电流信号的零点和元器件的功耗均无严格要求。在这种传输方式中，如果变送器的一个输出端与电源装置的负端相连，就变成了三线制传输。
⑵ 两线制传输
现场 控制室 现场 控制室
图6.5.4 四线制传输 图6.5.5 两线制传输
变送器
接收仪表
电源装置
变送器
接收仪表
电源装置
如图6.5.5所示，变送器与控制室之间仅用两根导线传输。这两根导线既是电源线，又是信号线。图中的变送器称为两线制变送器。DDZ-Ⅲ型仪表即属于这种传输方式。
采用两线制变送器，不仅可以节省大量电缆线和安装费用，而且有利于安全防爆。因此，这种变送器得到了较快的发展。
要实现两线制变送器，必须采用活零点的电流信号。由于电源线和信号线公用，所以电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件能正常工作。因此，信号电流的下限值不能过低。国际统一电流信号采用4～20mA（DC），为制作两线制变送器创造了条件。

习题（§6.5）：
1．过程测量仪表采用哪几种信号进行联络？
2．电压信号传输和电流信号传输各有什么特点？各使用在哪种场合？
3．说明现场仪表与控制室仪表之间的信号传输及供电方式。
4．0～10mA的直流电流信号能否用于两线制传输方式？为什么？
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