楼宇自控系统.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,楼宇自控系统,1,City Palace Building,1984,Connecticut State,Hartford,USA,联合技术建筑系统公司,United Technology Building System Corp,楼内新增计算机、程控交换机、高速通信线路等基础设施,暖通、给排水、消防、保安、供配电、照明、交通等系统均由计算机控制,设备管理自动化,，使用户感到更加舒适、方便、安全和高效,世界上第一幢智能建筑,2,建筑智能化系统,CAS,SCS,OAS,BAS,3,建筑智能化系统的核心,3A+SCS+BMS,BA,大楼自动化系统,Building Automation System,OA,办公自动化系统,Office Automation System,CA,通信自动化系统,Communication Automation System,SCS,综合布线系统,Structure Cabling System,BMS,建筑物管理系统,Building Management System,4,智能建筑定义,GB50314-2006,智能建筑设计标准,以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、,建筑设备管理系统,、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。,5,设计标准要求,建筑设备管理系统,BMS building management system,对建筑设备监控系统和公共安全系统等实施综合管理的系统,3.5,条款 建筑设备管理系统一般规定,不同建筑类型特殊要求,6,验收标准要求,GB 50339,智能建筑工程质量验收规范,建筑设备自动化系统,BAS building automation system,将建筑物或建筑群内的空调与通风、变配电、照明、给排水、热源与热交换、冷冻和冷却及电梯和自动扶梯等系统，以集中监视、控制和管理为目的构成的综合系统。,要求：标准第六章,7,其他相关规范要求,上海市工程建设规范,智能建筑施工及验收规范,（,DG/TJ08-601-2009,）,涉及,BA,系统施工及验收,上海市工程建设规范,智能建筑工程应用技术规程,（,DG/TJ08-2050-2008,）,涉及深化设计、调试、检测试、运行,8,绿色建筑定义,绿色建筑评价标准,GB/T 50378-2006,在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人员提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。,节地、节水、节材、室内环境、运营管理,建筑智能化系统定位合理，信息网络功能完善。（,5.6.8,办公建筑，一般项）,建筑通风、空调、照明等,设备自动化监控系统,技术合理，系统运行高效。（,5.6.9,办公建筑，一般项）,9,楼宇自动化系统,BAS,BAS,通常包括设备控制与管理自动化（,BA,）、安全自动化（,SA,）、消防自动化（,FA,）。但也有时把安全自动化（,SA,）和消防自动化（,FA,）和设备控制与管理自动化（,BA,）并列，形成所谓的,“,5A”,系统。,10,照明,供配电,温控器,空调,/,冷冻机,给排水,设备,EBI Server,通,信,接,口,楼宇自控系统,BA,11,课程主要内容,楼宇自控系统概述,集散控制系统简介,楼宇自控中的集散控制系统,传感器与执行器基础,主要监控对象及监控原理,工程设计与案例 分析,12,1.,楼宇自控系统概述,楼宇自控系统（,Building Automation System,，,BAS,）又称为建筑设备自动化系统，它是在综合运用自动控制、计算机、通信、传感器等技术的基础上，实现,建筑物设备,的有效控制与管理，保证建筑设施的节能、高效、可靠、安全运行，满足广大使用者的需求。,13,楼宇设备的计算机自动控制是必然趋势,建筑物体量大增，功能的多样性和集成化趋势使得建筑物内部建筑设备的建设和管理日趋复杂。,设备数量庞大，分布区域广，控制工艺不一，联动关系复杂，这为建筑设备的运行操作与管理维护带来了极大的困难。,节能控制的复杂计算、精密空调系统的准确控制以及供配电系统的高实时性控制也都超出人工操作的能力范围。,因此，楼宇设备的计算机自动控制是现代建筑物设备控制的必然趋势。,14,BA,系统发展历史,自动控制技术应用的一个分支，随着自动控制技术的不断进步与完善而日趋成熟。,20,世纪,80,年代，美国,Honeywell,公司首次将其,DELTA-1000,型集散控制系统应用于建筑物设备的控制与管理，建筑物设备开始从单机独立控制走向多组设备联动群控，同时控制功能向现场分散，管理功能由计算机工作站集中实现。,目前，,BA,系统集综合优化控制、在线故障诊断、全局信息管理和总体运行协调等高层次应用为一体的集散控制方式，已将信息、,控制、管理,、决策有机地融合在一起。,15,广义,BA,系统与狭义,BA,系统,广义,BA,系统,智能建筑“,3A”,中的,BA,系统，涵盖了建筑物中所有机电设备和设施的监控内容。,狭义,BA,系统,仅包括由各设备厂商或系统承包商利用,DDC,控制器或,PLC,控制器对其进行监控和管理的电力供应与管理、照明控制管理和环境控制与管理以及电梯运行监控等系统。,若无特别注明，,BA,系统通常表示为狭义,BA,系统，也称楼宇自控系统，建筑设备管理系统，设备监控系统等。,16,BA,系统控制对象与系统功能（广义）,17,BA,系统（狭义）,照明,供配电,温控器,空调,/,冷冻机,给排水,电梯设备,EBI Server,通,信,接,口,18,BA,系统的功能,设备运行监控：,是楼宇自控系统的首要和基本功能。,节能控制与管理,：节能降耗是全球环境保护和可持续发展的首要手段。,BA,系统通过冷热源群控、最优起停、焓值控制、变频控制等手段可以有效节约建筑设备运行能耗。,设备信息管理：,随着数据分析等信息技术的发展，,BA,系统开始由单纯的自动控制功能，向自动控制、信息管理一体化发展。数据有效存储、分析，为今后建筑设备改造及在线故障诊断提供依据。,19,2.,集散控制系统,DCS Distributed Control System,是以多台微处理器为基础的集中分散型控制系统。集散系统在传统的过程控制系统中引入计算机技术，利用软件组成各种功能模块，代替过去常规仪表功能，实现生产过程参数的控制，并用屏幕显示，应用通信联网技术组成系统。,DCS,特点是现场由控制站进行分散控制，实时数据通过电缆传输送达控制室的操作站，实现集中监控管理，分散控制，将控制功能、负荷和危险分散化。,20,集中控制系统的不足,可靠性：,整个系统的控制、管理依赖于中央控制站，一旦中央控制站崩溃，整个系统将陷入瘫痪。,运算负荷：,全部控制运算功能由中央站控制主机完成，对控制主机中断优先级、分时多任务操作等控制都提出了极高的要求，同时控制主机的运算处理能力限制了整个控制系统的规模和实时响应能力。,网络负荷：,所有现场采集的数据都要通过网络系统传送给控制主机进行处理，然后由控制主机发出命令指挥现场执行机构的动作，信息传输线路长、网络传输数据量大，当系统监控点数较多时实时响应能力差。,21,集散控制系统的优点,通过分散控制功能，使得整个系统运算负荷、网络数据通信和故障影响范围均得到分散，同时控制功能直接在现场得以实现，也增强了系统的实时响应性。,集散控制系统的主要特性是集中管理和分散控制，它是利用计算机、网络技术对整个系统进行集中监视、操作、管理和分散控制的技术。,22,DCS,逻辑结构图,分支型结构，垂直分成,3,层，每层横向分成若干子集。,从功能分散上看，纵向分散意味着不同层次的设备具有不同的功能，如实时监视、实时控制、过程管理等；横向分散意味着同级设备之间具有类似的功能。,23,集散控制系统的发展,第一代,DCS,，从,1975,年到,80,年代初为,DCS,的发展期。实现,DCS,信息集中、控制分散。硬件大多采用,16,位微处理器，主从通信。,第二代,DCS 80,年代至,90,年代初为第二代,DCS,时期。硬件采用,32,位微处理器，普遍应用局部网络技术，软件进步。,第三代,DCS,开始采用现场总线技术，它是一种开放式实时网络系统，是控制界的热点，也是自动化领域的一项新技术。,第三代集散控制系统的主要改变是在网络方面，向上能与以太网连接（或者通过网关与其他网络联系），构成综合管理系统；向下支持现场总线，使得过程控制或现场的智能变送器、执行器和本地控制器之间实现可靠的实时数据通信，实现分布式控制。,24,楼宇集散控制系统图,现场总线,A,控制总线,可编程接口模块,室内温度传感器,室内温度传感器,室内温度传感器,吊顶空调控制器,LonMark,区域控制器,A,区域控制器,B,现场总线,B,LonTalk,标准通讯系统接口,非标准通讯系统接口,VAV,控制器,FCU,控制器,现场控制器,现场控制器,现场控制器,带触摸屏控制器,NT,工作站,A,NT,工作站,B,ETHERNET,100M bps,78.8Kbps,78.8Kbps,LL,网桥,LL,网桥,LonTalk,78.8Kbps,数据服务器,A,数据服务器,B,吊顶空调控制器,就地控制,中央管理,25,3.,楼宇自控中的集散控制系统,集散控制系统是工业生产过程控制需求的产物，首先在工控领域得到成功应用，然后逐渐应用于楼宇控制。,为适应楼宇控制的特点，集散控制系统的许多备份、冗余措施在楼宇控制中都取消了，系统结构及控制器、工作站的功能也有不同程度的简化和削弱，但整体系统的组成和构架相同的。,因此有人称楼宇控制系统为“一种低成本的集散控制系统”。,26,楼宇自控系统的典型网络结构,楼宇自控系统采用集散控制系统的网络结构，工程建设中具体采用哪种网络结构应视系统规模的大小以及所采用的产品而定。,楼宇自控系统的网络结构通常采用总线方式，系统结构可以通过总线层次加以区别。,27,工作站通过相应接口直接与现场控制设备相连,实际上是一种单层网络结构，现场设备通过现场控制网络相互连接，工作站通过通信适配器直接接入现场控制网络。适用于监控点数较少、且分布比较集中的小型楼宇自控系统。,28,典型的两层网络构架的楼宇自控系统,采用典型的集散控制系统两层网络构架，适用于绝大多数楼宇控制系统。上层网络与现场控制总线两层网络满足不同的设备通信需求，两层网络之间通过通信控制器连接。这种网络结构是许多现场总线产品厂商,主推的网络构架,。,29,通信控制器作用,功能简单的只是起到协议转换的作用，在采用这种产品的网络中不同现场控制总线之间设备的通信仍要通过工作站进行中转；,功能复杂的可以实现路由选择、数据存储、程序处理等功能，甚至可以直接控制输入输出模块起到,DDC,的作用，而成为一个区域控制器，如美国,Johnson Controls,的网络控制单元（,NCU,）。,有些公司（如,TAC,）甚至将,Web,服务器功能集成到区域控制器，这样用户甚至不用选配工作站，通过任意一台安装有标准网络浏览器（如,IE,）的,PC,即可实现所有监控任务。,30,三层网络结构的楼宇自控系统,网络结构在以太网等上层网路与现场控制总线之间又增加了一层中间层控制网络，这层网络在通信速率、抗干扰能力等方面的性能都介于以太网等上层网路与底层现场控制总线之间。通过这层网络实现大型通用功能现场控制设备之间的互连。,监控点分散，联动功能复杂场合。,31,现场控制器（,DDC,）输入输出点数,产品设计及工程选型时考虑的主要问题。,目前市场上流行的,DDC,点数从十几点到几百点不同。,在工程中，有些场合监控点比较集中，如冷冻机房的监控，适合采用一些大点数的,DDC,；,有些场合监控点相对分散，如,VAV,末端的监控，适合采用一些小点数的,DDC,。,厂商在设计,DDC,时，从经济性的角度考虑，所选用的处理器、存储器也会根据此,DDC,点数的多少有所不同，一般点数较少的,DDC,功能也相对较弱，点数较多的,DDC,功能和处理能力也较强。,32,监控点相对分散、联动功能复杂系统解决方案,在一些诸如,VAV,末端的控制中，虽然末端设备的基本控制要求较低，但作为整个系统的联动控制，如风管静压控制，单个末端状态的变化都会引起其他各监控状态的变化，这些联动控制相当复杂。在这类末端分布范围较广，而联动控制复杂的系统监控中，无论单独采用小点数,DDC,还是大点数,DDC,都存在许多问题，三层网络结构的楼宇自控系统就可以体现出其优势。,33,以太网为基础的两层网络构架,以太网在,BA,系统开始应用于现场控制领域。各大厂商先后推出以太网控制器，这种网络结构利用高速以太网分流现场控制总线的数据通信量，具有结构简单、通信速率快、布线工作量小（上层可直接利用综合布线系统）等特点，是目前楼宇自控系统网络结构的主流发展方向。,34,楼宇自控系统的现场控制站,名称：,Process Interface Unit,（过程接口单元）、基本控制器（,Basic Controller,）、多功能控制器（,Multifunction Controller,）、,DDC,功能：现场控制站作为系统的控制级，主要完成各种现场楼宇机电设备运行过程信号的采集、处理及控制，作为控制和操作同时进行。,统称：现场控制节点,35,现场控制器组成,智能传感器（控制器）,36,现场控制器结构,中央处理单元,输入输出通道,AI,、,AO,、,DI,、,DO,安装时还要考虑：机柜、电源、安装导轨、线槽、导线、连接器、辅助继电设备等。,37,现场控制器安装,机柜：防尘、防电磁干扰、安装电源及辅助输入输出设备，现场控制器和电源等设备要安装在相应的机柜内。,楼宇自控系统对电源的要求不如工业控制环境那么严格，一般要求现场控制站的电源由中央控制室或操作员站单独拉出，这样现场控制站的电源质量基本与中控站或操作员站设备的电源质量相同，且具有,UPS,保护。,现场控制器主要是,DDC,和,PLC,等设备，集成了,CPU,模块、,I/O,处理模块、存储模块、通信模块等功能模块。不同现场控制器的,CPU,处理能力、,I/O,点数及存储器大小各不相同，按实际控制要求选择。,38,模拟量输入通道,AI,输入控制过程中各种,连续,物理量,如温度、压力、应力、流量以及电流、电压等,毫伏级电压信号,如热电偶、热电阻及应变式传感器的输出,各种温度、压力、位移或各种电量变送器的输出,一般采用,420mA,标准，信号传送距离短、损耗小的场合也有采用,05V,或,010V,电压信号传输。,许多厂商提供的现场控制设备支持将模拟量输入接口与数字量接口通用称为通用输入接口（,UI,）。,39,DDZ-,型变送器两线制结构示意图,如图：符合组合电动仪表固有特性，采用直流集中供电方式，可将差压变送器、,24V,直流电源、,250,电阻串联起来，压差的大小确定所通过的电流大小，并将电阻两端形成的电压，传给下一级仪表，作为下一级仪表的输入。,变送器工作电流,4mA,40,模拟量输出通道,AO,输出,420mA,电流信号，,010mA,与,15V,电压,电动执行机构的行程，调速装置（变频调速器）、阀门的开度等模拟量。,输出通道一般由,D/A,模板、输出端子板与柜内电缆等构成。,输出接口的输出信号一般都可以在电流型和电压型之间转换。可以直接通过软件设置实现，或通过外电路实现，如在,420mA,标准直流电流信号输出端接入一个,500,电阻，电阻的两端就是,DC 210V,电压信号。,41,开关量输入通道,DI,用来输入各种限位（限值）开关、继电器或,阀门连动触点的开、关状态,，输入信号可以是交流电压信号、直流电压信号或干接点。,由于干接点信号性能稳定，不易受干扰，输入输出方便，目前应用最广。,数字量输入接口接收现场各种状态信号，经电平转换、光电转换及去噪等处理后转换为相应的,0,或,1,输入存储单元。,数字量输入接口也可以输入脉冲信号，并利用内部计数器进行计数。,42,开关量输出通道,DO,用于控制电磁阀门、继电器、指示灯、声光报警器等只具有开、关两种状态的设备。,数字量输出接口一般以干接点形式进行输出，要求输出的,0,或,1,对应于干接点的通或断。,右图为利用数字量输出接口控制一盏,24V,直流指示灯的电气原理图。,特别注明：,在工程中当控制对象所需要的电源为,220V,以上或需要通过较大电流时，现场控制器的数字量输出接口一般不能直接接入相应回路，需要借助中间继电器、接触器等设备进行控制。,43,辅助输入输出设备,现场控制设备的模拟量,/,数字量输入、输出接口一般都可以直接输入或输出信号与现场传感器、变送器、执行机构进行通信，输入各种现场状态、参数，输出控制现场设备。,当使用数字量输出端口控制现场,36V,以上电压或大电流回路时，需要借助各种继电器、接触器等辅助设备，以保证现场控制设备的端子不窜入高电压或通过大电流。,通过中间继电器实现数字量输出接口,44,楼宇自控系统管理与控制站,包括一台中央监控站管理服务器和若干个操作员站（分管不同设备子系统的，分散在各监控机房的），工程师站为节约成本一般不单独固定设置。,45,中央监控站功能,中央监控站提供集中监视、远程操作、系统生成、报表处理及诊断等功能。它集中了中央管理服务器、操作员站和工程师站的全部功能。,楼宇自控系统的中央监控站一般包括一台中央管理服务器和若干个操作员站（这些操作员站从功能上可以是分管不同设备子系统的，也可以是相互冗余的；从地域上，可以是集中设置的，也可以是分散在各监控机房的），工程师站为节约成本一般不单独固定设置，而由操作员站实现其功能或利用工程师的计算机临时接入楼宇自控网络进行系统组建和维护。,46,操作员站,作为,“,人机,”,接口的操作站可以设置在总控制仪表室（设备机房）。,典型的操作员站包括大屏幕监视器、监控计算机以及各种输入输出设备等。,它作为操作人员与楼宇自控系统之间的接口，提供了集中显示、打印保存及系统维护、组态等功能。,47,工程师站,工程师站地位功能类似于操作员站，但具有更多编程、调试功能，通常以笔记本电脑、手抄机形式出现。,一般不单独配置,48,典型楼宇自控系统举例,霍尼韦尔（,Honeywell,）公司,西门子（,SIEMENS,）楼宇科技公司,江森自控（,Johnson Controls,）公司,施耐德（,Schneider electric tac,）电气,TAC,公司,49,霍尼韦尔（,Honeywell,）公司,建筑智能系统部产品包括楼宇自控（,BA,）系统、火灾报警消防控制（,FA,）系统和安保（,SA,）系统。,EBI,系统是一套基于客户机,/,服务器结构的控制网络软件，用于完成网络组建、网络数据传送、网络管理和系统集成。,EBI,平台除了服务器软件、客户机软件、开放系统接口软件以外，还有,6,个并列的应用软件系统，涉及建筑设备监控、火灾报警、安全防范、视频监控、能源管理等方方面面的系统监控管理，这些系统能够通过以太网实现数据交换、联动控制和信息集成。,楼宇自控产品主要有,XL8000,系列,BACnet,控制器，,XL5000,系列控制器及各类末端设备，包括风阀执行器、电动阀门、电动阀门执行器、电动蝶阀、各类传感器等。,50,Honeywell,的,ComfortPoint,系统,100M,10100M,9.678.6K,51,西门子（,SIEMENS,）楼宇科技公司,Apogee,控制管理系统是用于楼宇设备的集散控制系统，每个,DDC,控制器均有,CPU,处理器进行数据处理，独立工作，不受中央或其他控制器故障的影响，从而提高了整个集控管理系统的可靠性。,安装,Windows 2000/XP,计算机工作站为监控平台，可连接楼宇级网络（,BLN,），每条楼宇级网络可连接,DDC,控制器，而每个,DDC,又可通过楼层级网络（,FLN,）连接扩展点模块或终端设备控制器。,实现建筑物内的暖通空调、变配电、给排水、冷暖源、照明、电梯扶梯及其他各类系统机电设备管理自动化、智能化、安全化、节能化，同时为大楼内的工作人员和其他租户提供最为舒适、便利和高效率的环境。,52,SIEMENS Apogee,系统结构,管理级网络,100M,楼宇级网络,115kbit/s,楼层级网络,38.4kbit/s,53,SIEMENS Apogee,（,2,层网络,）,54,江森自控（,Johnson Controls,）公司,1985,年在美国成立，其楼宇自控系统,Metasys,采用开放式结构，可以根据用户需求集成不同厂商的软、硬件产品，满足整个楼宇自控系统的优化需求。,Metasys,系统采用分布式结构、模块化设计，具有高效、可靠、运行稳定等特点。,Metasys,集成支持目前楼宇自动化及信息产业中绝大多数的标准，因此其在系统集成、数据交换、数据库整合等方面也具备了相当的灵活性与互操作性。,Metasys,系统的模块化结构由一个或多个现场控制器、网络控制器和操作站组成，系统可以不断满足受控设备扩展的需要，无论是现场控制器或是网络控制器都可以根据项目的需求不断扩展。,55,Johnson Controls Metasys ADS,系统结构图,网络控制引擎,现场总线,56,Metasys,系统组成,操作员站：主要由带鼠标及彩色显示器的计算机和打印机组成，运行图形,ADS,系统软件和实时监控操作软件，是管理整个系统及实施操作的主要人机界面。,网络控制引擎,NAE,：和操作站共同构成系统的管理层，其功能主要是实现网络匹配和信息传递，具有总线控制，,I/O,控制功能，操作站以高速通信方式与下一级智能网络控制单元进行信息交换。,现场控制器（,DDC,）：主要功能是接收安装于各种机电设备内的传感器、检测器的信息，按,DDC,内部预先设置的参数和执行程序自动实施对相应机电设备的监控。智能网络控制单元与,DDC,之间可以通过,N2,总线,RS-485,方式或,LON,方式通信。,57,施耐德电气,TAC,公司,TAC,（,Schneider electric tac,）是一家专注于楼宇自控、安全防范产品以及能源解决方案的瑞典公司，具有超过,80,年行业历史。,2003,年，,TAC,加入法国施耐德电气集团，并先后收购了安德沃自控（,Andover Control,）、英维思楼宇系统（,Invensys Building System,）、派尔高（,Pelco,）等多家楼宇自控及安全防范产品公司。目前业务已涵盖了完整的楼宇自控、门禁控制、视频监控、入侵防范及末端产品线。,TAC Vista,是施耐德电气,TAC,旗下的,LonWorks,楼宇自控解决方案。此系统最大的特点在于其,Building IT,设计理念。所谓,Building IT,就是将,IT,的技术、理念充分应用于楼宇自控，从而实现开放、友好、集成与安全。,58,施耐德电气,TAC Vista,系统结构,59,4.,传感器与执行器基础,检测仪表控制系统,温度检测,压力检测,流量监测,物位检测,执行器,60,检测仪表控制系统组成,检测单元,直接测量：温度、压力、流量、液位、成份；间接测量,变送单元 测量信号转换与传输,15V DC,、,420mA DC,模拟信号和数字信号,显示单元 数字、曲线、图像,调节单元,实现,PID,（比例、积分、微分）调节,执行单元,气动、液动、,电动,61,温度测量,温度：国际单位制（,SI,）,7,个基本物理量之一，重要参数。,m Kg s A mol cd,测温原理,通过温度敏感元件与被测对象热交换，测量相关物理量，确定被测对象的温度。,测温方式,接触式,：传热和对流，有热接触，精度高，破坏被测对象热平衡，存在置入误差，对测温元件要求高。,非接触式：接受热辐射，响应快，对被测对象干扰小，可测高温、运动对象，适应强电磁干扰、强腐蚀。,62,热电阻式传感器,金属热电阻,半导体热敏电阻,热电阻式传感器的应用,基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性。,优点：信号可以远传、灵敏度高、无参比温度。,金属热电阻稳定性好、准确度高，可作为基准仪表。,缺点：电源激励、自热现象，影响精度。,63,金属热电阻,作为热电阻的材料要求：,电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；,电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；,热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；,在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；,电阻与温度的关系最好接近于线性；,应有良好的可加工性，且价格便宜。,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒,使用最广泛的热电阻材料是铂和铜,64,常用热电阻,铂热电阻,主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。,铜热电阻,测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为,50,150,。,65,铂热电阻,目前最好材料,长时间稳定的复现性可达,10,-4,K,，是目前测温复现性最好的一种温度计。,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W,（,100,）越高，表示铂丝纯度越高，,国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，,W,（,100,）,1.3925,目前技术水平已达到,W,（,100,）,1.3930,，相当于,99.9995%,工业用铂电阻的纯度,W,（,100,）为,1.387,1.390,。,66,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下,:,当温度,t,在,0,t,650,时：,国内统一设计的工业用标准铂电阻，,W,（,100,）,1.391,，,R,0,分为,10,、,100,、,1000,，分度号分别为,Pt10,、,Pt100,，,Pt1000,并给出其分度表（给出阻值和温度的关系）,当温度,t,在,200,t,0,时：,67,铜热电阻,应用：测量精度要求不高且温度较低的场合,测量范围：,50,150,优点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。,缺点：易于氧化，一般只用于,150,以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。,68,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,工业上使用的标准化铜热电阻的,R,0,按国内统一设计取,50,和,100,两种，分度号分别为,Cu50,和,Cu100,，相应的分度表可查阅相关资料。,A,、,B,、,C,为常数，常取,A,(4.25,4.28)10,-3,/.,铜热电阻,69,热电阻的结构,普通工业用热电阻式温度传感器,70,热电阻的结构,电阻丝采用无感绕法（两线圈电流流向相反，电感互相抵消）绕在绝缘支架上，图,b,所示。,1,电阻体；,2,瓷绝缘套管；,3,不锈钢套管；,4,安装固定件；,5,引线口；,6,接线盒；,7,芯柱；,8,电阻丝；,9,保护膜；,10,引线端,71,小型铂热电阻,72,半导体热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成,由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结,优 点：,热敏电阻的温度系数比金属大（,4,9,倍）,电阻率大，体积小，,热惯性,小，适于测量点温、,表面温度,及快速变化的温度。,结构简单、机械性能好。,缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。,73,热敏电阻特点与类型,正温度系数,(PTC),负温度系数,(NTC),临界温度系数,(CTR),热敏电阻典型特性,只有,NTC,用于测温,74,PTC,热敏电阻,正温度系数,用途：各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件,。,CTR,热敏电阻,临界温度系数,在某个温度上电阻值急剧变化,具有开关特性。,用途：温度开关,NTC,热敏电阻,很高的负电阻温度系数,应用：点温、表面温度、温差、温场等测量,自动控制及电子线路的热补偿线路,热敏电阻分类,75,热敏电阻的结构,构成：热敏探头、引线、壳体,二端和三端器件：,为直热式，即热敏电阻直接由连接的电路获得功率；,四端器件：旁热式,体积达到小型化与超小型化。,76,B,和,值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的电阻温度系数高很多，所以它的灵敏度很高。,热敏电阻的电阻温度系数,热敏电阻在其本身温度变化,1,时，电阻值的相对变化量,77,热敏电阻的线性化,NTC,的几种组合电路及其热电特性,热敏电阻的电阻,-,温度特性呈指数关系，有较大,非线性,，一般,处理,方法是与温度系数小的电阻进行串并联，使其等效电阻在一定温度范围内是线性的。,78,金属热电阻传感器,工业广泛使用，,200,+500,范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达,3.4K,，甚至更低，,1K,左右。高温端可测到,1000,。,温度测量的特点：精度高、适于测低温。,传感器的测量电路：经常使用电桥，精度较高的是自动电桥。,为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。,79,两线制,这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。,两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。,2r/R10,-3,时，,误差才可忽略,不平衡电桥，输出电压正比于,R,t,（温度）,80,三线制,热电阻测温电桥的三线制接法,工业用热电阻一般采用三线制，,消除引线电阻影响，提高测量精度,G,检流计，,R,1,，,R,2,，,R,3,固定电阻，,R,a,零位调节电阻，,R,t,热电阻,81,四线制接法,热电阻测温电桥的四线制接法,精密测量中，采用四线制接法，有效消除线路寄生电势。,调零电位器,82,测温实例,管道内流体温度的测量,接触式测温,测点位置：代表性地点，避免温度死角，避免电磁干扰,插入深度：保证一定插入深度，流速足够大,避免高温管道测点的热损失误差,几种常见测温元件安装方式,83,压力检测,定义：垂直均匀地作用在单位面积上的力，用,p,表示。,即物理学中定义的压强。,1,牛顿力垂直均匀地作用在,1,平方米面积上所形成的压力为,1“,帕斯卡”，简称“帕”，符号为,Pa,。,Pa,帕斯卡为压力法定单位，还用有千帕（,k Pa,）、兆帕（,M Pa,）,其他压力单位有工程大气压、标准大气压、毫米水银柱、毫米水柱等，需进行换算。,84,常用压力检测仪表,弹性压力计,原理：弹性元件在弹性限度内受压变形，其变形大小与外力成比例。,弹性压力计的组成框图,受力变形,位移信号变换,显示,调整仪表零点和量程,85,弹性压力计,测压弹性元件,工作原理：感受液体或气体的压力或压力差，输出位移,1,）弹性膜片：外缘固定，圆形片状，中心位移与压力的关系表示，弹性特性具有良好线性关系。,2,）波纹管：壁面具有多个同心环状波纹，一端封闭，封闭端的位移和压力在一定范围内呈线性关系,3,）弹簧管：圆弧状，不等轴截面金属管，自由端位移,86,弹簧管放大图,当被测压力,p,增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动指针角位移。,87,结构简单，使用方便，价格低；测压范围宽，可测量负压、微压、低压、中压和高压，,应,用广泛；精确度可达,0.1,级。,弹簧管压力计,优点：,缺点：,只能就地指示，是现场直读式仪表。,88,弹性测压计信号的远传方式,弹性元件的变形或位移转换为电信号输出，即可实现远距离信号传送。,电位器式：结构简单，线性化好，电位器易磨损，可靠性差。,霍尔元件式：霍尔效应，通电导体在磁场中产生电动势，在不均匀磁场中运动，输出电势对应位移。结构简单，灵敏度高，寿命长，但易受外部磁场干扰。,不均匀磁场,89,S,N,霍尔元件输出的电势正比与磁感应强度，对应于自由端位移，由此得出被测压力值。,特点：,结构简单、灵敏度高，寿命长,。,对外部磁场敏感，耐振性差。,局部放大图见右图,霍尔元件工作原理,霍尔开关,霍尔传感器,90,压力传感器,检测压力值并提供远传信号的装置。,常见形式有,应变式、压阻式、电容式,、压电式、振频式。,应变式压力传感器,原理：基于“应变效应”，导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化,金属材料的,K,值约为,26,，半导体材料,K,值,60180,应变元件可做成丝状、片状和体状,为材料的应变大小,k,为材料的电阻应变系数,91,应变式压力传感器应用,各种电子秤,吊秤,高精度电子汽车衡,92,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,93,几种应变式测量的结构示意,各种应变元件与弹性元件配用，组成应变式压力传感器。多应变片起到测量均衡与补偿作用。,平行双孔梁传感器,94,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,95,压阻式压力传感器,固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化的现象被称为“压阻效应”。,是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新型传感器。,硅平膜片受压变形,96,压阻式压力传感器结构示意图,利用桥式测量电路，桥臂电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系,1,硅平膜片；,2,低压腔；,3,高压腔；,4,硅杯；,5,引线,P1,P2,应力分径向应力,r,和切向应力,t,，与位置有关，适当安排扩散电阻位置，可以组成,差动电桥,。,97,电容式压力传感器,利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，进而实现非电量到电量的转化的器件或装置。,测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。,电容式传感器应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量,。,98,电容式差压变送器,高压侧进气口,低压侧进气口,电子线路位置,内部不锈钢膜片的位置,99,工作原理及类型,S,极板相对覆盖面积；,d,极板间距离；,r,相对介电常数；,0,真空介电常数,d,S,d,、,S,和,中的某一项或几项有变化时，就改变了电容,C,的变化。通过电容量测量可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。,100,两室结构的电容式压力传感器原理,原理：弹性元件的位移转换为电容量的变化,对于差动平板电容器，其电容变,化与板间距离变化的关系为,1,，,4,隔离膜片；,2,，,3,不锈钢基座；,5,玻璃绝缘层；,6,固定电极；,7,弹性膜片；,8,引线,P1,P2,硅油,硅油,101,差动平板电容器工作原理,初始状态：,两侧压力相等，可动极板位于中间。则：,测压状态：,设右侧压力大于左侧，中间可动极板向左移动,d,。则：,102,利用电容差压变送器测量液体的