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计算机控制技术
第5章 计算机控制系统中常用的设备
在计算机控制系统中，为了正确的指导生产操作、保证生产安全、保证产品质量和实现生产过程自动化，一项必不可少的工作是准确而及时的检测出生产过程中的各个有关参数，例如压力、流量、物位、温度、机械量及成分等。用于将这些参数转换为一定的便于传送的信号（例如电信号或气压信号）的仪表通常称为传感器。当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。无论是模拟式仪表构成的系统，还是由计算机控制装置构成的系统，传感器和变送器都是不可缺少的环节。
执行器在计算机控制系统中的作用是接受来自计算机的控制信号，由执行机构将其转换成相应的角位移或直线位移，去操纵调节机构（调节阀），改变控制量，使被控变量符合预期的工艺要求，因此，执行器也是计算机控制系统中的一个重要的部分。
5.1 传感器和变送器
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。通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换援建指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。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、精度等对控制系统影响重大。本节将主要介绍有关压力、温度、流量、物位、成份等参数的检测方法、检测仪表及相应的传感器或变送器。
5.1.1 信号传输及供电的四线制与两线制
变送器是现场仪表，在传统的DDZ控制系统以及DCS控制系统中，电源及大多计算、调节、控制和显示仪表都安装在距现场有一段距离的控制室，要将变送器采集的现场信号送入控制室，必须对变送器考虑信号传输及供电的问题。对此目前广泛采用的是四线制和两线制方式。
四线制指仪表的信号传输与供电用四根导线，其中两根作为电源线，另两根作为信号线。
两线制指仪表的信号传输与供电共用两根导线，即这两根导线既从控制室向变送器传送电源，变送器又通过这两根导线向控制室传送现场检测到的信号。两线制变送器的应用已十分流行，它与非两线制仪表相比，节省了导线，有利于抗干扰及防爆。
基于HART协议的仪表仍采用两线制，它在两根导线上增加第三项功能：传输计算机易于接收的数字控制信号。
5.1.2 压力、压差测量
工业生产中许多生产工艺过程经常要求在一定的压力或一定的压力变化范围内进行，这就需要测量和控制压力，以保证工艺过程的正常进行。其次，压力测量或控制可以防止生产设备因过压而引起破坏或爆炸，这是安全生产所必须的。再有，通过测量压力和压差可间接测量其它物理量，如温度、液位、流量、密度与成分量等
1. 压力检测的主要方法和分类
压力检测的方法很多，按敏感元件和转换原理的特性不同，一般分为以下几类：
① 液注式压力检测。它是根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量的。利用这种方法测量压力的仪器主要有U型管压力计、单管压力计、斜管微压计、补偿微压计和自动液柱式压力计等。这类压力计结构简单、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，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。
② 弹性式压力检测。它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量的，常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。
③ 负荷式压力检测。它是基于静力平衡原理进行压力测量的，典型仪表主要有活塞式、浮球式和钟罩式三大类。它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行标定。
④ 电气式压力检测。它是利用敏感元件将被测压力转换成各种掂量，如电阻、电感、电容、电位差等。该方法具有较好的动态响应，特性量程范围大，线性好，便于进行压力的自动控制。
⑤ 其它压力检测方法，如弹性振动式压力计、压磁式压力计。弹性振动式压力计是利用弹性元件受压后其固有震动频率发生变化这一原理制成的，其本质是将被测压力转换成频率信号加以输出，所以抗干扰性强。压磁式压力计是利用铁磁材料在压力作用下会改变其磁导率的物理现象而制成的，可用于测量频率高达1000Hz的脉动压力。
2. 电容式差压变送器
电容式差压变送器主要由两部分构成：测量部分与转换电路。测量部分由检测机构将压力差转换为微小的位移δ，然后通过特种方法将δ转换为某种中间变量。转换电路再将中间变量转换为标准信号输出。检测机构由δ室实现，如图5.1所示。
其外壳用高强度金属制成，在其上浇注玻璃刚体，将刚体相对两侧研磨出约0.1mm的光滑弧面，弧面镀以金属模作为差动电容的固定极板。将一片测压敏感膜夹入其间作为可动极板。膜片两侧空腔内充以体积不可压缩的硅油，通过引油孔将隔离膜片上的压力传输到感压膜片，则在固定极板与感压膜片之间形成电容CH与CL。当高低压侧的输入压力p2与p1不同时，压力差（Δp=p2-p1）使感压膜片产生形变，有中心位移δ。由材料力学可知，δ与Δp成正比，有δ=kΔp。感压膜片的厚度不同，量程范围也不同。
由平板电容器原理可得： ， （5.1）
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（5.2）
式中，ε为电容的介电常数，A为极板面积，d为极板间距。由（5.2）可知，只要由电路获得这个差动电容变化的比值，即可测出压力差。该比值即为电容式压力变送器的中间变量。
随着集成电路的广泛应用，其性能不断提高，成本大幅度降低，使得微处理器在各个领域中的应用十分普遍。智能型压力或差压变送器就是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。例如，用带有温度补偿的电容传感器与微处理器相结合，构成精度为0.1级的压力或差压变送器，其量程范围为100:1，时间常数在0—36s间可调，通过手持通讯器，可对1500m之间的现场变送器进行工作参数的设定、量程调整以及向变送器加入信息数据。
智能型变送器的特点是可进行远程通信。利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。通过编制各种程序，使变送器具有自修正、自补偿、自诊断及错误方式报警等多种功能，因而提高了变送器的精确度，简化了调整、校准与维护过程，促使变送器与计算机、控制系统直接对话。
5.1.3 温度检测及变送器
温度是各种工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控制等都直接与温度参数有关，因此实现准确的温度测量具有十分重要的意义。
1. 测温方法分类
根据测量方法，可将温度测量划分为接触式测温和非接触式测温两大类。
接触式测温。接触式测温是基于物体的热交换原理设计而成的。其优点是：较直观、可靠；系统结构相对简单；测量准确高。其缺点是：测温时有较大的滞后（因为要进行充分的热交换），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；不能测量移动的或太小的物体；测温上限受到温度计材质的限制，故所测温度不能太高接触式测温仪表主要有：基于物体受热膨胀原理制成的膨胀式温度监测仪表；基于密闭容积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值随温度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。
非接触式测温。非接触式测温是基于物体的热辐射特性与温度之间的对应关系设计而成的。其优点是：测温范围广（理论上没有上限限制）；测温过程中不破坏被测对象的温度场分布；能测运动的物体；测温响应速度快。缺点是：所测温度受物体发射率、中间介质和测量距离等的影响。目前应用较广的非接触式测温仪表有：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。
其它测温技术，如光纤测温技术、集成温度传感器测温技术等。
2. 热电偶测温原理及热电偶温度变送器
A
B
T0
T
图5.2 热电偶回路
热电偶温度计利用材料的热电效应。如图5.2所示，将两种不同的导体或半导体A和B接成闭合回路，接点置于各为T及T0温度场中，设T>T0，则在该回路中会产生热电动势：接触电势与温差电势，分别为eAB(T)、eAB(T0)、eA(T,T0)、和eB(T,T0)，它们与T及T0有关，与两种导体材料的特性有关。可以导出回路总电势：

即， （5.3）
式中，k为波尔兹曼常数，e为电荷单位，N为各材料电子密度。在实际应用中，保持冷端温度T0不变，则总热电势EAB(T,T0)只是温度的单值函数：
（5.4）
为使T0恒定，且因经济的考虑，常采用补偿导线（或称延伸导线）将冷端温度变化较大的地方延伸到温度变化较小或恒定的地方。
工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为0ºC的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的。因此利用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0ºC，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做就称为热电偶的冷端温度补偿，一般采用的方法有：冷端温度保持为0ºC的方法冷端温度修正法、校正仪表零点法、补偿电桥法及补偿热电偶法。
工业上常用的（已标准化）热电偶有：铂铑30-铂铑6热电偶（分度号位B）、铂铑10-铂热电偶（分度号为S）、镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶（分度号位K）等。
热电偶温度变送器与热电偶配套使用，将温度转换成4—20mA和1—5V的统一标准信号。热电偶温度变送器的结构大体上可以分为三大部分：输入桥路、放大电路及反馈电路。如图5.3所示。
图5.3 热电偶温度变送器结构方框图
+

-
Et
输出电流
Io
被测温度
tºC
热电偶
输入电桥
放大电路
反馈电路

输入电桥是热电偶温度变送器的输入回路，起热电偶冷端温度补偿、零点调整的作用；反馈电路中加入线性化电路对热电偶的非线性给予修正，以使变送器的输出信号直接与被测温度呈线性关系，以便于和计算机配合，方便显示及控制；放大电路将热电偶产生的热电势进行多级放大，最终转化成具有一定负载能力的电流输出信号，同时通过电流互感器实现输入回路和输出回路的隔离。
3. 热电阻测温原理及热电阻温度变送器
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。其电阻值与温度关系如下式：
（5.5） （5.6）
式中 Rt——温度为tºC时的电阻值；
Rt0——温度为t0（通常为0ºC）时的电阻值；
α——电阻温度系数；

Δt ——温度的变化值；
ΔRt——电阻值的变化量。
可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻值的变化，就可以达到温度测量的目的。
虽然导体或半导体材料的电阻值对温度的变化都有一定的依赖关系，但是它们并不都能作为测温用的热电阻。作为热电阻的材料一般要求是：有尽可能大且稳定的电阻温度系数；电阻率大；在电阻的使用温度范围内，其化学和物理性能稳定，有良好的复制性；电阻随温度变化要有单值函数关系，最好呈线性关系；材料价格便宜，有较高的性能价格比。目前应用最广泛的是铂电阻（WZP和铜电阻（WZC）。
热电阻引线的功能是使感温元件能与外部测量线路相连接。热电阻引线对测量结果有较大的影响，现在常用的引线方式有两线制、三线制和四线制三种：
（1）两线制。在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形式为两线制。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。因此两线制适用于引线不长，测温准确度要求较低的场合。
（2）三线制。在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线方式称为三线制。这种引线形式可以较好的消除引线电阻的影响，测量准确度高于两线制，所以应用较广。工业热电阻通常采用三线制接法，尤其是在测温范围窄、电线厂、架设铜导线途中温度发生变化等情况下，必须采用三线制接法。
（3）四线制。在热电阻感温元件的两端各连接两根引线的接法称为四线制。这种方式主要用于高精度温度检测。其中两根引线为热电阻提供恒流源I，在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位差计进行测量。因此它能完全消除引线电阻对测量的影响，且在连接导线阻值相同时，还可以消除连接导线的影响。
图5.4 热电偶温度变送器结构方框图
+

-
Ω
输出电流
Io
被测温度
tºC
热电阻
输入电桥
放大电路
反馈电路
热电阻温度变送器与热电阻配套使用，将温度转换成4—20mA和1—5V的统一标准信号。热电组温度变送器的结构大体上也可以分为三大部分：输入桥路、放大电路及反馈电路。如图5.4所示。和热电偶温度变送器比较，放大电路是通用的，只是输入电桥和反馈电路不同。
5.1.4 流量检测
生产过程中大量的气体、液体等流体介质的流量需要准确检测与控制，以保证设备在合理负荷和安全状态下运行。所谓流量大小，指单位时间内流过管道某一段面的流体数量，即瞬时流量。常用体积流量qV（m³/h、l/h）、重量流量qG（kgf/h）和质量流量qM（kg/h）表示。
1．流量测量分类
由于温度、粘度、腐蚀性及导电性等因素影响，难以找到普遍适宜的检测手段。所以流量检测原理有很多，有许多分类方法：
① 按测量的单位分：质量流量计与体积流量计；
② 按测量流体运动的原理分：容积式、速度式、动量式和质量流量式；
③ 按测量方法分：直接测量式和间接测量式。
2. 卡曼涡街流量变送器
在管道轴线上放置于管道轴线向垂直的障碍柱体（不管是圆柱、方柱、还是三角柱），管道中会产生有规律的漩涡序列，如图5.5所示。漩涡成两列而且平行，像街灯一样，故称“涡街”。
每个漩涡间距离为l，两列漩涡间距离为h。实验和研究表明，当h/l=0.281时，涡街将表现出稳定的周期现象，其涡街频率f与管道内障碍柱体两侧介质流速v1之间的关系为：
（5.7）
式中，St为“斯特拉哈尔数”，与障碍物形状和雷诺数有关。当障碍物形状以及管道都确定后，可以导出体积流量qV与频率f成正比，即qV=kf。
当涡街频率稳定时，St对于圆柱、三角柱和方形柱障碍物分别是0.21、0.16、0.17。对于方柱，雷诺数的范围不同，St不是常数（如ReD为5×103—2×104时），但St与雷诺数仍有对应关系，仍可得出体积流量的正确结果。
只要测出涡街的频率f，就能得到流过流量计管道的流体的体积流量。涡街频率有许多种可行的测量方法，其中应力检测法更加成熟并已推出系列化产品。如图5.6所示，为应力检测传感器示意图。传感器安装在障碍物后部的管道上，端部为扁平形状，当受到涡街冲击时产生弯矩，使压电元件出现电荷，由导线将该信号引出至放大整形电路。
涡街流量计以脉冲频率方式输出与被测流量成正比的信号，而且障碍物柱体与传感器的压力损失比孔板截流装置小，表现出简单而优良的特性，因而呈飞速发展的趋势。美国费希尔-罗斯蒙特公司推出的8800型卡曼涡街流量变送器是其中代表。这种变送器又称灵巧型（Smart）涡街流量变送器，它集模拟与数字技术于一体，输出4—20mA标准化模拟信号，又具有数字通讯功能，是向全数字化、现场总线仪表的过渡产品。
3． 电磁式流量计
电磁流量计是基于电磁感应定律工作
的流量计，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、矿浆等流量时，更显示出其优越性。
电磁流量计通常由变送器和转换器两部分组成。被测介质的流量经变送器变换成感应电势后，再经转换器把电势信号转换成统一的0—10mA直流信号作为输出，以便进行指示、记录或与电动单元组合仪表配套使用。
电磁流量计变送部分的原理图如图5.7所示。在一段用非导磁材料制成的管道外面，安装有一对磁极N和S，用以产生磁场。当导电液体流过管道时，因流体切割磁力线而产生了感应电势（根据发电机原理）。此感应电势由与磁极成垂直方向的两个电极引出。当磁感应强度不变，管道直径一定时，这个感应电势的大小仅与流体的流速有关，而与其它因素无关。将这个感应电势经过放大、转换、传送给显示仪表，就能在显示仪表上读出流量来。感应电势的方向由右手定则判断，其大小由下式决定：
（5.8）
式中 Ex——感应电势
Kt——比例系数
B ——磁感应强度
D ——管道直径，即垂直切割磁力线的导体长度
v ——垂直于磁力线方向的液体速度
体积流量qv与流速v的关系为：
（5.9）
将式（5.9）代入式（5.8），便得
（5.10）
式中 （5.11）
K称为仪表常数，在磁感应强度B、管道直径D确定不变后，K就是一个常数，这时感应电势的大小与体积流量之间具有线性关系，因而仪表具有均匀刻度。
5.1.5 物位测量
在生产过程中常需要对容器中储存的固体（块料、粉料或颗粒）、液体的储量进行测量，以保证生产工艺正常运行和进行经济核算。这种测量通过检测储物在容器中的积存高度来实现，储物的堆积高度就叫做物位。容器、河道、水库中液体的表面位置（相对于某一指定位置）叫液位；容器、堆场、仓库等所储固体颗粒、粉料等的堆积高度叫料位；同一容器中储存的两种密度不同且互不相溶的液体之间或两种介质之间的分界面位置称为相界面位置。物位的测量就是指以上三种位置的测量，测量固体料位的仪表称为料位计，测量液位的仪表称为液位计，测量相界面位置的仪表称为界面计。
通过物位的测量，可以正确获知容器设备中所储物质的体积或质量；监视或控制容器内的介质物位，使它保持在一定的工艺要求的高度，或对它的上、下限位置进行报警，以及根据物位来连接监视或调节容器中流入与流出物料的平衡。所以，一般测量物位有两种目的，一种是对物位测量的绝对值要求非常准确，借以确定容器或储料库中的原料、辅料、半成品或成品的数量；另一种是对物位测量的相对值要求非常准确，要能迅速准确反映某一特定水准面上的物料相对变化，用以连续控制生产工艺过程，即利用物位仪表进行监视和控制。
1.物位仪表的分类
物位测量方法很多，但无论是哪一种测量方法，一般都可以归结为测量某些物理参数，如测量高度、压力（压差）、电容、γ射线强度和声阻等。物位仪表按所使用的物理原理可分为：
① 直读式物位测量仪表。它可以直接用于被测容器连通的玻璃罐或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的物位测量仪表。
② 浮力式物位测量仪表。利用浮子高度随液位变化而改变或液体对浸沉于液体中的浮子（或称沉筒）的浮力随液位高度而变化的原理来工作。它也是一种应用最早并且应用范围很广的物位测量仪表。
③ 静压式物位测量仪表。它是利用液柱或物料堆积对某定点产生压力，测量改点压力或测量改点与另一参考点的压差而间接测量物位的仪表。
④ 电磁式物位测量仪表。它是将物位的变化转换为电量的变化，进行间接测量物位的仪表。它可以分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式物位仪表等，还有利用压磁效应工作的物位仪表。
⑤ 核辐射式物位仪表。利用核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度而变化的原理而工作的，目前应用较多的是γ射线。
⑥ 声波式物位测量仪表。由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测出物位。所以声波式物位测量仪表可以根据它的工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。
⑦ 光学式物位测量仪表。利用物位对光波的遮断和反射原理工作，它利用的光源可以有普通白炽灯光或激光等。
还有一些其它形式的物位测量仪表，如射流式、称重式、热敏式、音叉式等多种类型，而新原理、新品种仍在不断发展之中。
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。其原理如图5.8所示。
将差压变送器的一端接液相，另一端接气相。设容器上部空间为干燥气体，其压力为p，则

（5.12）
因此可得
（5.13）

式中 H——液位高度
ρ——介质密度
g——重力加速度
p1，p2——分别为差压变送器正、负压室的压力
通常，被测介质的密度是已知的。差压变送器测得的差压与液位高度成正比，这样就把测量液位高度转换成测量差压的问题了。
3. 浮筒式液位计
圆柱形的浮筒沉浸在液体之中，当液面变化时，它被浸没的体积也有变化，浮筒受到的浮力就与原来的不同，所以可通过检测浮力变化来测定液位。
筒是通过弹簧固定在一定位置上的，如图5.9所示，此时弹簧的张力与浮筒在液体中的重量相平衡。
设浮筒重量为W，截面积为A，液体的重度为γ，液面的高度为H，弹簧刚度为c，弹簧的压缩位移为x，则
（5.14）
这里是以液面刚刚接触浮筒处为液面零点的。若液面升高了ΔH，浮力增加，弹簧压缩变形为Δx，此时平衡式为
（5.15）
上述两式相减得
（5.16）
式（5.16）说明：液位变化是与弹簧变形程度成比例的。通过弹簧后，浮力（液位）的变化线形的转换为浮筒连杆上铁芯的位移，铁芯的位移又由差动变压器转换成比例输出的电压变化ΔU，从而可测量并传送出液位的信号。改变浮筒的尺寸（更换浮筒），可以改变量程。
5.1.6 成分检测
对混合气体的成分及混合物中某些物质的含量或性质进行自动测定，是自动检测仪表的一个重要内容，生产过程中常见的成分自动分析仪表有气体分析器、湿度计、pH计等。借助这一类仪器，可以了解生产过程中的原料、中间产品及最后产品中的性质及其含量，从而直接判断生产过程进行的是否合乎要求。对某些物料的性质及其成分进行质量控制，显然要比其它参数（例如，温度、压力、流量等）直接的多，因而也将更加有效。
1．成分检测仪表分类
按测量原理分析仪器可分为8大类：
a) 电化学式，如工业酸度计、电导仪；
b) 热学式，如热导式气体分析仪；
c) 磁学式，如磁性氧分析仪；
d) 光学式，如吸收式光学分析仪、发射式光学分析仪；
e) 射线式，如X射线分析仪、γ射线分析仪；
f) 电子光学及离子光学式，如质谱仪；
g) 传质式，如色谱仪；
h) 其它。
2. 成分检测仪表构成
成分自动分析仪表是利用各种物质之间存在的差异，把所要检测的成分或物质性质转换成某种电信号，进行非电量的电测。为了保证所测成分或性质与输出信号之间的单值函数关系，一台分析仪器不得不采取各种措施，稳定或排除某些影响因素，这就要求在使用仪表时，必须遵守规定的条件，才能得到满意的效果。另外，由于某些被分析物质的样品取出及处理手续繁多，信号转换程序也较复杂，因而仪表的响应时间通常比较长，滞后也较大。一般来说，成分自动分析仪表由三个部分组成：
i. 检测。检测部分将被测物质的成分或性质的变化转换成电信号。例如，当用玻璃电极测量的pH值时，电极将溶液中的氢离子浓度转化为电动势；又如热导式气体分析器，气体成分的变化被转化成为热敏电阻值变化。
ii. 信号处理。检测送出的电信号一般都很微弱，因此常设有特种的前置放大模块及数据处理装置。
iii. 取样及预处理。为了保证连续自动的供给分析检测系统合格的样品，正确取样并进行预处理十分重要。取样及预处理装置常包括：抽吸器、冷却器、机械夹杂及化学杂质过滤器、转化器、干燥器、稳流器、稳压器、流量指示器等。其选择与安装必须根据工艺流程、样品的物理化学状况及所采用分析仪的特性。一般来说，脏污样品必须净化，气体样品需要干燥，并消除干扰成为的影响。
1. 红外线气体分析仪
红外技术是近代迅速发展的新技术之一，用于气体成分的分析后，成为分析仪表的一个重要分支。因其灵敏度高、选择性好、滞后小而得到了广泛地应用。不仅可在工业上作连续测量，还可用于控制系统对被测成分进行自动控制。
红外线是波长为0.76—420μm之间的电磁波，因其和可见光的红光波段相邻且位于可见光之外，故称为红外线任何物质只要绝对温度不为零，都在不断的向外辐射红外线。各种物质在不同状态下辐射出的红外线的强度和波长是不同的。
各种多原子气体（CO2、CO、CH4等）对红外线都有一定的吸收能力，吸收某些波段的红外线。这些波段称为特征吸收波段。不同的气体具有不同的特征吸收波段。双原子气体（N2、O2、H2、Cl2等）以及惰性气体（He、Ne等）对1—25μm以内的红外线均不吸收，因此，选择性吸收是制造红外线气体分析器的依据。
红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，当射线进入介质被吸收后，其透过的射线强度I按指数规律减弱，由朗伯—贝尔定律确定
（5.17）
式中，I、I0为吸收后和吸收前射线强度， μ为吸收系数，C为介质浓度，l为介质厚度。
图5.10 红外线气体分析仪分类图
红外线气体分析仪的分
类如图5.10所示。实验室型红外线气体分析仪是色散型的，它具有分光系统，可连续改变波长。通过测定介质在各波长处的吸收情况来决定被测介质的成分。目前已很少在工业中应用。非色散型红外线气体分析仪，将光源的谱辐射全部投射到被测样品上，根据样品吸收辐射能的情况，即某些样品在某些波段处具有吸收峰，来判断被测成分的含量。此外，根据投射到仪器检测部分的光束数目，可分为单光束与双光束；根据信号检测方式又可分为直度式与补偿式；在直读式中，根据被测浓度增加输出信号是增大还是减小，又可分为正式与负式。
如图5.11所示为正式红外线气体分析仪结构框图。吸收室A内是被测组分，B内是对被测组分有干扰的适量气体，N2是不吸收红外辐射的气体。参比光源发出的光束，通过干扰滤光室B后，干扰组分B特征吸收波段的辐射能全部被吸收掉；通过参比室时，由于N2不吸收红外线，因此红外辐射能没有变化。然后这个辐射能进入薄膜电容接收器，在接收器中，A的特征吸收波段的辐射能被接收器的A组分吸收，温度升高，因其体积一定，故接收器下部压力增加。再观察工作光源的光路：工作光源发出的光束，通过干扰滤光室后，B的特征吸收波段的辐射能也被全部吸收掉；通过测量室时，被测气体中的A组分就会吸收A的特征吸收波段的辐射能，A组分浓度越高，吸收的辐射能越多，而被测气体中的B组分此时却没有了B的特征吸收波段的辐射能可供吸收。因此，通过测量室之后的光束，辐射能的变化只与A组分的含量有关。显然，此光束在进入薄膜电容接收器时，其辐射能已经减弱，因此，在接收器上部A组分的温度较低，其压力较下部的小。上部与下部的压力差会改变薄膜电容的值，待测组分的浓度越大，两束光在进入接收器时期辐射能的差别就越大，电容量的变化就越大。
薄膜电容接收器的最大优点是抗干扰组分影响能力强，目前已获得广泛的应用，其结构如图5.12所示。接收器外壳由金属制成，窗口材料是能透过红外线的某些晶体，气室充入与待测组分相同的气体，定片与动片都是金属片，动片为5—10μm厚的铝箔，动定片相距0.05—0.08mm，构成50—100pF的可变电容。当测量光束与参比光束分别进入接收器的两个气室时，由于被测组分的浓度不同，两个气室产生的压力也不同，压差使动片移动，改变了动片与定片之间的距离，从而改变了电容量的大小。
薄膜电容接收器需要调制的信号，对此对光束的调制由切光片的转动实现。切光频率在3—25Hz范围内，使光线按一定频率间断的射入接收器。在电容极间加上一定电压以后，薄膜电容器按此频率重复的充电和放电，充电和放电电流取决于电容量变化的幅度，即待测组分的浓度，此电流经高电阻产生的压降送出。
放大器将高阻信号作阻抗变换、滤波等前置处理，然后放大输出。
5.1.7 其它常用信号类型及其检测
除去上面介绍的传感器和变送器外，工业现场还有大量的其它类型信号在大量的使用，如用于开关信号检测的接近开关、光电开关等，用于速度检测的测速发电机，用于速度或位移检测的旋转编码器及测量物体厚度的测厚仪等等。
图5.13 行程开关
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。
行程开关通过机械力使触点动作，可分为快速动作、非快速动作及微动三种。结构如图5.13所示。
图5.14 接近开关
接近开关是一种无触点电子开关,当被检测的物体接近到一定距离时,不需要接触就能发出开关动作信号。是一种在一定距离内,检测金属有无的传感器,它给出的是开关信号(高电平或低电平),具有一定驱动负载的能力(如继电器等)。如图5.14。其工作原理可分为高频振荡型、差动线圈型和磁吸型。振荡型这种开关一般有感应头、电子振荡器、电子开关电路、电源等几部分组成。它的工作原理是：装在机械运动不见上的铁磁体，在机械运动到位时靠近感应头，使感应头的参数值发生变化，影响振荡器的工作，而使晶体管开关电路导通或关断，从而输出相应的信号。接近开关的特点是非接触动作、不损伤检测对象，因而可靠性高、寿命长，而且可以告诉动作。但它只能检测金属体，而且易受周围金属或外部磁场的影响。接近开关的检测距离有多种不同的规格，可根据实际需要选用。
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。对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。反射式的工作距离被限定在光束的交点附近,以避免背景影响，其中镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三类。放大器分离型是将放大器与传感器分离，并采用专用集成电路和混合安装工艺制成，由于传感器具有超小型和多品种的特点，而放大器的功能较多。因此，该类型采用端子台连接方式，并可交、直流电源通用。具有接通和断开延时功能，可设置亮、暗动切换开关，能控制６种输出状态，兼有接点和电平两种输出方式。放大器内藏型是将放大器与传感器一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，使用直流电源工作。其响应速度快，能检测狭小和高速运动的物体。改变电源极性可转换亮、暗动,并可设置自诊断稳定工作区指示灯。兼有电压和电流两种输出方式，能防止相互干扰，在系
统安装中十分方便。电源内藏型是将放大器、传感器与电源装置一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成。它一般使用交流电源，适用于在生产现场取代接触式行程开关，可直接用于强电控制电路。如图5.15所示。
图5.15 光电开关
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典雅和转速有较好的线性关系，并且直流的极性可以反映出转动的方向，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。它不需要电刷和换向器，结构简单，不产生干扰火化，但是输出特性随负载性质（电阻、电感、电容）变化而变化。
3. 光电编码器
图5.16 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。工业发达的国家，光电编码器已深入产业机械自动化(FA)、商场自动化(SA)、办公室自动化(OA)、家庭自动化(HA)。美国、日本、德国等国都有百万台以上的光电编码器的市场，在长度测量、角度测量、速度测量和相位测量方面应用及其广泛。
表5.1 编码器分类表
随着工业自动化和计算机控制技术的发展，编码器的应用领城也不断扩大，市场上不断涌现出新技术原理、新结构型式的光电编码器。编码器在其工作原理上、结构上及其输出信号上的不同，其品种规格也不同。
（1）按工作原理分类
编码器作为检测传感器件应能对输人的信号(被测物理量)转换成便于显示、传输、放大和比较的信号，以供人们观察或为自控系统所接受，通常是将非电量转变为电学量。进行信号转换的介质可以是电磁波、光波、磁力线等。转换介质不同工作原理也不同。编码器按工作原理分类如表5-1所示。
（2）按输出信号特征分类
根据信号的输出特征，通常分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式光电编码器输出轴转角被分成一系列位置的增量，敏感元件对这些增量响应，每当出现一个单位增量时，敏感元件就向计数器发出一个脉冲，计数器把这些技术脉冲累加起来，并以各种进制的代码形式在输出端给出所需要的输入角度瞬时值的信息，当前，这种光电编码器的用量极大.约占光电编码器总量的80%.这种光电编码器的最大优点是结构简单、价格低廉;缺点是无固定零位，遇到停电等故障所有信息全部丢失，为避免这个缺点，又研制出一种带固定零位的增量式光电编码器。绝对式光电编码器的转角的代码是由一个多圈同心码道的码盘给出的，具有固定零位，对于一个转角位置，只有一个确定的数字代码。其优点是具有固定的零位.角度值的代码单位化，无累计误差，抗干扰能力强，缺点是敏感件多，码盘图案、制造工艺复杂，成本也高。
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。
从20世纪40年代开始，测厚仪已用在生产工艺流程上进行自动检测材料的厚度（包括涂、镀层厚度），也主要用于各种金属与非金属板材的轧制过程。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。
处于交变磁场中的金属，由于电磁感应的作用，在金属内部会产生感应电势并形成许多闭合回路电流，即涡流，涡流测厚仪正是利用涡流来测量厚度。涡流测厚仪分为高频反射式和低频透射式两种，前者的频率为1-104MHz，后者的频率为100Hz-2KHz。
射线式测厚仪按照射线源的种类可分为X射线测厚仪和核辐射线测厚仪两类。按射线与被测板材的作用方式又可分为透射式和反射式两类。X射线测厚仪是基于射线被板材吸收的原理制成。
5.2 执行器与执行机构
执行器在自动控制系统中的一个重要组成部分。它的作用是接收控制器送来的控制信号，改变被控介质的流量，从而将被控