材料加工測試技術-05-測控儀表.

1、材料加工測試技術材料加工測試技術材料加工測試技術材料加工測試技術 張占領張占領河南科技大學材料學院河南科技大學材料學院材料加工測試技術材料加工測試技術第五章第五章 測控儀表測控儀表材料加工測試技術材料加工測試技術5.1.1 材料測試的測控儀表材料測試的測控儀表 本章說的本章說的“儀表儀表”，不是指實驗室內通用的電壓表、電流表、，不是指實驗室內通用的電壓表、電流表、示波器之類，也不包括材料測試及新材料制備中用到的特殊、專示波器之類，也不包括材料測試及新材料制備中用到的特殊、專門的儀器儀表或裝置門的儀器儀表或裝置。 儀表：儀表：指在過指在過程中對相關參數(shù)進行測量、控制所用到的儀器、程中對相關參數(shù)進

2、行測量、控制所用到的儀器、儀表和裝置儀表和裝置(統(tǒng)稱儀表統(tǒng)稱儀表)。具有通用的規(guī)格，應用中僅需合理選用和。具有通用的規(guī)格，應用中僅需合理選用和整定即可整定即可。 分類：分類：檢測儀表、控制儀表、顯示儀表和記錄儀表等檢測儀表、控制儀表、顯示儀表和記錄儀表等。1）檢測儀表）檢測儀表 在傳感器在傳感器(敏感元件敏感元件)基礎上，配以適當?shù)臏y量電路，使變換出的基礎上，配以適當?shù)臏y量電路，使變換出的信號直接作測量、顯示或供控制使用的裝置信號直接作測量、顯示或供控制使用的裝置。 依據(jù)被檢測參數(shù)性質分為：依據(jù)被檢測參數(shù)性質分為：過程量過程量(溫度、壓力、流量、料位等溫度、壓力、流量、料位等)檢測儀表、檢測儀

3、表、機械量機械量(長度、厚度、角度、位移、轉速、長度、厚度、角度、位移、轉速、振動、力振動、力、轉矩等轉矩等)檢測儀表、檢測儀表、物性與成分物性與成分分析儀表等分析儀表等。5.1 5.1 概述概述材料加工測試技術材料加工測試技術2）顯示和記錄儀表）顯示和記錄儀表 顯示儀表：顯示儀表：將被測參數(shù)變換成易于識別的方式、并表現(xiàn)出來的將被測參數(shù)變換成易于識別的方式、并表現(xiàn)出來的裝置，也可表示控制和操作的結果。表示方式有指針、位移、光裝置，也可表示控制和操作的結果。表示方式有指針、位移、光柱、數(shù)碼、圖形圖像等，表示的度量和被測量值呈一定函數(shù)關系。柱、數(shù)碼、圖形圖像等，表示的度量和被測量值呈一定函數(shù)關系。

4、 記錄儀表：記錄儀表：實時記錄或保存儀表測量值的裝置，有紙、無紙。實時記錄或保存儀表測量值的裝置，有紙、無紙。3）控制儀表：把來自檢測儀表的信號量值與設定值作比較或綜合，）控制儀表：把來自檢測儀表的信號量值與設定值作比較或綜合，再按預定規(guī)律處理后發(fā)出調控信號，操作執(zhí)行器。再按預定規(guī)律處理后發(fā)出調控信號，操作執(zhí)行器。 按處理過程中的核心運算處理方式分：按處理過程中的核心運算處理方式分： 模擬式：模擬式：比例比例P(proportional)，微分，微分D(differential)，積分，積分I(integral)，及其組合。，及其組合。 數(shù)字式：數(shù)字式：PID數(shù)字化，可編程調節(jié)器，可編程控制器

5、數(shù)字化，可編程調節(jié)器，可編程控制器PLC，等。，等。4）執(zhí)行器：由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成，）執(zhí)行器：由執(zhí)行機構和調節(jié)機構組成，執(zhí)行機構執(zhí)行機構是根據(jù)控制儀是根據(jù)控制儀表發(fā)出的操作指令產(chǎn)生推力或位移的裝置表發(fā)出的操作指令產(chǎn)生推力或位移的裝置(如伺服電動機、氣動薄如伺服電動機、氣動薄膜或活塞等膜或活塞等)，調節(jié)機構調節(jié)機構(通稱為閥通稱為閥)受執(zhí)行機構操縱去改變操作變受執(zhí)行機構操縱去改變操作變量量(如電動閥、氣動閥等如電動閥、氣動閥等)。5.1 5.1 概述概述材料加工測試技術材料加工測試技術5.1.2 我國測控儀表的概況我國測控儀表的概況 按所用能源分：氣動，液動，電動按所用能源分：氣動，液動，

6、電動 電動表電動表優(yōu)點優(yōu)點：采用電子技術，能源簡單易得，適于遠傳，方便：采用電子技術，能源簡單易得，適于遠傳，方便與計算機連接，廣泛應用。與計算機連接，廣泛應用。 缺點缺點：產(chǎn)生火花，在有粉塵和可燃氣體的易燃、：產(chǎn)生火花，在有粉塵和可燃氣體的易燃、易爆環(huán)境中有易爆環(huán)境中有危險危險。 兩種類型：隔爆型，低壓、小電流的安全型兩種類型：隔爆型，低壓、小電流的安全型(安全火花型安全火花型)。 發(fā)展歷程：簡單小型發(fā)展歷程：簡單小型復雜大型；孤立分散復雜大型；孤立分散集中綜合。集中綜合。 結構：基地式結構：基地式單元組合式單元組合式組件組裝式組件組裝式計算機測控系統(tǒng)：計算機測控系統(tǒng)：直接數(shù)字系統(tǒng)直接數(shù)字系

7、統(tǒng)(DM)、監(jiān)督系統(tǒng)、監(jiān)督系統(tǒng)(DDC)、監(jiān)督系統(tǒng)、監(jiān)督系統(tǒng)(SCC)、現(xiàn)場總、現(xiàn)場總線系統(tǒng)線系統(tǒng)(FCS)。 模擬模擬數(shù)字化數(shù)字化微機化微機化智能化智能化虛擬化儀表。虛擬化儀表。5.1 5.1 概述概述材料加工測試技術材料加工測試技術1）結構形式）結構形式（1）基地式）基地式 為特定被測量及其量值范圍而設計，將測量、記錄和簡單的調為特定被測量及其量值范圍而設計，將測量、記錄和簡單的調節(jié)功能組合在一起的儀表。用于自動化程度不高、控制分散的場節(jié)功能組合在一起的儀表。用于自動化程度不高、控制分散的場合。用于現(xiàn)場、孤立工作，故稱基地式。合。用于現(xiàn)場、孤立工作，故稱基地式。（2）單元組合式）單元組合式

8、 將儀表分成若干單一功能的單元將儀表分成若干單一功能的單元(如變送、調節(jié)、顯示單元等如變送、調節(jié)、顯示單元等)，各單元遵循統(tǒng)一的信號制式，可方便地按需連接成儀表，靈活構各單元遵循統(tǒng)一的信號制式，可方便地按需連接成儀表，靈活構成系統(tǒng)。成系統(tǒng)。（3）組件組裝式綜合控制裝置）組件組裝式綜合控制裝置 在單元組合式基礎上發(fā)展起來的一種功能分離、結構組件化的在單元組合式基礎上發(fā)展起來的一種功能分離、結構組件化的成套儀表裝置。成套儀表裝置。 以模擬器件為主，兼用模擬技術和數(shù)字技術，有若干功能組件以模擬器件為主，兼用模擬技術和數(shù)字技術，有若干功能組件板，高密度地安插在機柜的組件箱內，在操作顯示盤上利用屏幕板，

9、高密度地安插在機柜的組件箱內，在操作顯示盤上利用屏幕顯示和操作裝置集中顯示和操作。顯示和操作裝置集中顯示和操作。（4）計算機測控系統(tǒng)）計算機測控系統(tǒng) 測量值經(jīng)測量值經(jīng)A/D轉換成數(shù)字轉換成數(shù)字進入計算機運算進入計算機運算輸出輸出5.1 5.1 概述概述材料加工測試技術材料加工測試技術計算機起的作用：計算機起的作用： 一、操作指導一、操作指導 計算機采集參數(shù)量值，并計算處理，結果供操作人員選用。計算機采集參數(shù)量值，并計算處理，結果供操作人員選用。 二、直接負責測量和控制二、直接負責測量和控制 速度快、功能強大，速度快、功能強大，能同時測控幾個、甚至幾十個回路能同時測控幾個、甚至幾十個回路。 三、

10、監(jiān)督運行三、監(jiān)督運行 根據(jù)數(shù)學模型和采集到的工藝參數(shù)，計算出設定值大小，作為控制運根據(jù)數(shù)學模型和采集到的工藝參數(shù)，計算出設定值大小，作為控制運行的模擬控制器的控制目標。行的模擬控制器的控制目標。 四、分散測控、集中操作和管理四、分散測控、集中操作和管理 五、現(xiàn)場總線控制五、現(xiàn)場總線控制 系統(tǒng)使用的現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器均是帶有微處理器的智能儀表，除完成系統(tǒng)使用的現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器均是帶有微處理器的智能儀表，除完成數(shù)據(jù)采集和處理，還能完成基本的控制功能；遵守統(tǒng)一的通信協(xié)議標準，數(shù)據(jù)采集和處理，還能完成基本的控制功能；遵守統(tǒng)一的通信協(xié)議標準，不同廠家的設備亦可互聯(lián)互通信息，設備間滿足互換性、互聯(lián)性。不同廠

11、家的設備亦可互聯(lián)互通信息，設備間滿足互換性、互聯(lián)性。 設備之間及系統(tǒng)間的信息傳送和溝通可做到點對點設備之間及系統(tǒng)間的信息傳送和溝通可做到點對點、一點對多點的數(shù)、一點對多點的數(shù)字通信，具有互可操作性。是一種全數(shù)字、雙向串行、多節(jié)點的開放式字通信，具有互可操作性。是一種全數(shù)字、雙向串行、多節(jié)點的開放式通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)。5.1 5.1 概述概述材料加工測試技術材料加工測試技術2）信號類型）信號類型（1）模擬表）模擬表 早期的機械式測控儀表，利用敏感元件感知被測量。如利用雙金屬片、早期的機械式測控儀表，利用敏感元件感知被測量。如利用雙金屬片、彈性元件的變形推動指針的溫度表彈性元件的變形推動指針的溫度

12、表、稱重表和壓力表；、稱重表和壓力表；或利用非電量電測技術，由傳感器將被測量轉換成連續(xù)的電模擬量，再或利用非電量電測技術，由傳感器將被測量轉換成連續(xù)的電模擬量，再由電壓由電壓(電電流流)表指示，還可用放大器等電子電路對模擬量進行比例、微表指示，還可用放大器等電子電路對模擬量進行比例、微分、積分運算，構成調節(jié)器。分、積分運算，構成調節(jié)器。（2）數(shù)字表）數(shù)字表 早期：在模擬表的顯示環(huán)節(jié)上采用數(shù)字顯示，使顯示更加清晰和形象，早期：在模擬表的顯示環(huán)節(jié)上采用數(shù)字顯示，使顯示更加清晰和形象，也有利于提高測量的準確度。也有利于提高測量的準確度。 成熟：在儀表中引入微處理器，在儀表的運算和處理過程中以數(shù)字為成

13、熟：在儀表中引入微處理器，在儀表的運算和處理過程中以數(shù)字為基礎?；A。 功能：自動量程切換，自校正功能：自動量程切換，自校正(零點和放大倍數(shù)零點和放大倍數(shù))，自補償，自補償(溫度、壓力溫度、壓力等等)，自檢查，自診斷，線性化等。，自檢查，自診斷，線性化等。 智能化：具有人的思維能力、推理并作出決策的能力，由此在外界條智能化：具有人的思維能力、推理并作出決策的能力，由此在外界條件變化時能確定正確行動。件變化時能確定正確行動。5.1 5.1 概述概述材料加工測試技術材料加工測試技術 檢測儀表及變送器：檢測儀表及變送器：為測試和控制提供對象信息的裝置為測試和控制提供對象信息的裝置，測量，測量與控制系

14、統(tǒng)的基礎。與控制系統(tǒng)的基礎。 檢測儀表：檢測儀表：在傳感器在傳感器(敏感元件敏感元件)的基礎上，配以相應的測量電路，的基礎上，配以相應的測量電路，使轉換出的信號直接用作測量、顯示或提供給后續(xù)控制使用的裝使轉換出的信號直接用作測量、顯示或提供給后續(xù)控制使用的裝置。由檢出、置。由檢出、變換和顯示三個環(huán)節(jié)組成變換和顯示三個環(huán)節(jié)組成。 檢出：由傳感器檢出：由傳感器(敏感元件敏感元件)直接感知被測量，將其轉換成適于測直接感知被測量，將其轉換成適于測量的信號形式；量的信號形式； 變換：將信號再變換變換：將信號再變換(變換信號形式、由測量電路實現(xiàn)信號處理變換信號形式、由測量電路實現(xiàn)信號處理等等)，使之適于傳

15、送；，使之適于傳送； 顯示：指示和記錄測量結果。顯示：指示和記錄測量結果。 變送器：變送器：將輸入信號變換成標準信號輸出將輸入信號變換成標準信號輸出(信號形式和數(shù)值范圍信號形式和數(shù)值范圍均符合國際統(tǒng)一標準均符合國際統(tǒng)一標準)，又稱輸出標準信號的特殊傳感器。，又稱輸出標準信號的特殊傳感器。 特點：變換環(huán)節(jié)有放大器、線性化環(huán)節(jié)。特點：變換環(huán)節(jié)有放大器、線性化環(huán)節(jié)。5.2 5.2 檢測儀表及變送器檢測儀表及變送器材料加工測試技術材料加工測試技術5.2.1 檢測儀表構成原理檢測儀表構成原理 檢出環(huán)節(jié)是檢測檢出環(huán)節(jié)是檢測儀表的主要環(huán)節(jié)。儀表的主要環(huán)節(jié)。 直接轉換直接轉換a， 參比轉換參比轉換b， 差功轉

16、換差功轉換c， 反饋式轉換反饋式轉換d。5.2 5.2 檢測儀表及變送器檢測儀表及變送器材料加工測試技術材料加工測試技術5.2.2 變送器變送器1）變送器的構成原理）變送器的構成原理 變送器的作用：變送器的作用：將被測量或電信號變將被測量或電信號變換成標準信號輸出。換成標準信號輸出。（1）線性化環(huán)節(jié)）線性化環(huán)節(jié)一、負反饋環(huán)節(jié)一、負反饋環(huán)節(jié) 圖圖5-2a5.2 5.2 檢測儀表及變送器檢測儀表及變送器材料加工測試技術材料加工測試技術二、二、用用非線性特性的電路非線性特性的電路 在在圖圖5-2b的電路中的電路中安排非線性特性的電安排非線性特性的電路，其特性正好是傳路，其特性正好是傳感器特性的反函數(shù)

17、。感器特性的反函數(shù)。 5.2 5.2 檢測儀表及變送器檢測儀表及變送器材料加工測試技術材料加工測試技術（2）調零、零點遷移和量程調整）調零、零點遷移和量程調整 調零、調零、零點遷移：零點遷移：被測量在下限被測量在下限Xmin時，變送器輸出必須是標時，變送器輸出必須是標準信號的下限準信號的下限Ymin。將線性特性起始點從。將線性特性起始點從a點調到點調到a點。點。 調零：調零：Xmin=0，調節(jié)量小，調節(jié)量?。簣D：圖5-4a中中 ab調到調到ab； 零點遷移：零點遷移：Xmin0，調節(jié)量大，調節(jié)量大：圖：圖5-4b中中 ab調到調到ac； 量程調節(jié)：量程調節(jié)：被測量為上限被測量為上限Xmax時，

18、輸出調整為標準信號的上限時，輸出調整為標準信號的上限Ymax。改變線性特性的斜率，即主要。改變線性特性的斜率，即主要調節(jié)反饋環(huán)節(jié)的調節(jié)反饋環(huán)節(jié)的F（圖（圖5-3）來實現(xiàn)將）來實現(xiàn)將c點調到點調到b點（圖點（圖5-4b）。5.2 5.2 檢測儀表及變送器檢測儀表及變送器材料加工測試技術材料加工測試技術5.2 5.2 檢測儀表及變送器檢測儀表及變送器c0 00 0材料加工測試技術材料加工測試技術5.3.1 顯示、記錄儀表的分類顯示、記錄儀表的分類1）按處理數(shù)據(jù)種類分）按處理數(shù)據(jù)種類分 一、模擬顯示表一、模擬顯示表 以物理模擬方式對被測量實現(xiàn)顯示，利用指針偏轉或以物理模擬方式對被測量實現(xiàn)顯示，利用指

19、針偏轉或移動、光柱長短來表示被測量的連續(xù)變化。直觀方便，精確度不高，抗移動、光柱長短來表示被測量的連續(xù)變化。直觀方便，精確度不高，抗震性差，機械慣性大。震性差，機械慣性大。 二、數(shù)字顯示表二、數(shù)字顯示表 將被測量值的連續(xù)變化變換成斷續(xù)的數(shù)字量，并以此將被測量值的連續(xù)變化變換成斷續(xù)的數(shù)字量，并以此來顯示。準確度高，抗震，反應速度快，缺乏連續(xù)性。來顯示。準確度高，抗震，反應速度快，缺乏連續(xù)性。 三、數(shù)?；旌巷@示表三、數(shù)模混合顯示表 測量電路和數(shù)據(jù)處理微機化，顯示部分模擬方式測量電路和數(shù)據(jù)處理微機化，顯示部分模擬方式連續(xù)變化。連續(xù)變化。 四、微機化的虛擬式儀表四、微機化的虛擬式儀表 顯示部分完全依靠

20、計算機的屏顯，可形象顯顯示部分完全依靠計算機的屏顯，可形象顯示表盤和指針，數(shù)字、圖形甚至動態(tài)曲線和圖像。示表盤和指針，數(shù)字、圖形甚至動態(tài)曲線和圖像。2）按結構形式分）按結構形式分 一、開環(huán)式一、開環(huán)式 圖圖5-6，測量電路是緊隨傳感器測量電路是緊隨傳感器(敏感元件敏感元件)之后將其轉換出之后將其轉換出的電量變換成數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)所能接受的量。的電量變換成數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)所能接受的量。 二、閉環(huán)式二、閉環(huán)式 圖圖5-7,有反饋環(huán)節(jié)有反饋環(huán)節(jié)(后續(xù)測量電路后續(xù)測量電路),特性取決于反饋環(huán)節(jié)。特性取決于反饋環(huán)節(jié)。3）按記錄方式分）按記錄方式分：有紙，無紙。有紙，無紙。5.3 5.3 顯示、記錄儀表顯示、記錄

21、儀表材料加工測試技術材料加工測試技術5.3 5.3 顯示、記錄儀表顯示、記錄儀表材料加工測試技術材料加工測試技術5.3 5.3 顯示、記錄儀表顯示、記錄儀表材料加工測試技術材料加工測試技術5.3.2 常用的模擬式平衡結構顯示儀表常用的模擬式平衡結構顯示儀表 平衡方式有：平衡電橋，電位差計，差動變壓器。平衡方式有：平衡電橋，電位差計，差動變壓器。 最常見的是與熱電阻配用的自動平衡電橋式顯示表，和與熱電最常見的是與熱電阻配用的自動平衡電橋式顯示表，和與熱電偶配用的自動電位差計式顯示表。偶配用的自動電位差計式顯示表。1）自動平衡電橋式顯式儀表）自動平衡電橋式顯式儀表 典型應用：與熱電阻配合顯示被測溫

22、度。典型應用：與熱電阻配合顯示被測溫度。 圖圖5-8a，不平衡，三引出線制電橋，被測量溫度變化使熱電阻，不平衡，三引出線制電橋，被測量溫度變化使熱電阻Rt變化，破壞電橋的平衡，輸出反映被測量溫度。變化，破壞電橋的平衡，輸出反映被測量溫度。 圖圖5-8b，自動平衡電橋式，橋的不平衡輸出送入放大器放大后，自動平衡電橋式，橋的不平衡輸出送入放大器放大后驅動可逆電動機驅動可逆電動機M，推動可調電阻，推動可調電阻RH滑動頭，直至橋恢復平衡?；瑒宇^，直至橋恢復平衡?？烧{電阻動觸頭的位置反映可調電阻動觸頭的位置反映Rt的大小。的大小。5.3 5.3 顯示、記錄儀表顯示、記錄儀表材料加工測試技術材料加工測試技

23、術5.3 5.3 顯示、記錄儀表顯示、記錄儀表材料加工測試技術材料加工測試技術2）自動電位差計式顯示儀表）自動電位差計式顯示儀表 典型應用：與熱電偶配合，顯示熱電偶測量的溫度。典型應用：與熱電偶配合，顯示熱電偶測量的溫度。 電位差計原理：電位差計原理：圖圖5-9(a)，利用平衡法，由儀表調節(jié)出一個電壓利用平衡法，由儀表調節(jié)出一個電壓與被測量電勢與被測量電勢Es相平衡，電阻相平衡，電阻RP0的大小可反映的大小可反映Es的大小。的大小。 自動電位差計：圖自動電位差計：圖5-9(b)，以放大器替代替檢流計以放大器替代替檢流計G，將，將UP0和和Es的差別的差別U送入放大器放大后，驅動可逆電機送入放大器放大后，驅動可逆電機M，推動動觸頭，推動動觸頭P移移動至動至U=0。指針位置就顯示出。指針位置就顯示出Es的大小。若指針亦為記錄筆，會的大小。若指針亦為記錄筆，會在移動的記錄紙上畫出在移動的記錄紙上畫出Es的變化曲線。的變化曲線。5.3 5.3 顯示、記錄儀表顯示、記錄儀表材