工大過(guò)程控制-08講

12.2.4成分分析儀表2.2.4成分分析儀表在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，要確定各種物質(zhì)的成分及其性質(zhì)，就必須對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，例如化學(xué)成分、化學(xué)性質(zhì)、濃度、粘度等。用來(lái)測(cè)量物質(zhì)成分與含量及其某些物理特性的儀表統(tǒng)稱為分析儀表。能自動(dòng)監(jiān)視與測(cè)量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中物料成分或性質(zhì)的分析儀表叫流程分析儀表，或稱工業(yè)自動(dòng)分析儀器。22.2.4成分分析儀表隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的反應(yīng)速度愈來(lái)愈快，依靠人工取樣化驗(yàn)分析已不能滿足生產(chǎn)需要。如果能通過(guò)流程分析儀表及時(shí)得到各種物質(zhì)的成分及其性質(zhì)，根據(jù)分析信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量控制，就可以取得最佳的控制質(zhì)量。例如，加熱爐的燃燒過(guò)程，若能根據(jù)分析煙道氣的含氧量來(lái)控制空氣供給量，則可獲得最佳的熱效率，從而可節(jié)省能源消耗。32.2.4成分分析儀表紅外線氣體分析儀

1.基本原理紅外線是一種不可見光，它是一種電磁波，其波長(zhǎng)為0.76～1000μm。紅外線氣體分析儀主要利用1～25μm之間的一段紅外光譜。各種氣體的分子本身都具有特定的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，只有當(dāng)紅外線光譜的頻率和氣體分子本身的特定頻率相同時(shí)，這種氣體分子才能吸收紅外光譜輻射能，并部分地轉(zhuǎn)化為熱能，從而利用測(cè)溫元件來(lái)測(cè)量紅外輻射能的大小。這就是利用紅外線進(jìn)行氣體成分分析的原理。42.2.4成分分析儀表紅外線通過(guò)物質(zhì)前、后能量的變化(即被吸收的程度)與待分析組分的濃度有關(guān)，它們之間的定量關(guān)系遵循Bell定律，即式中I－透射光強(qiáng)度(輻射強(qiáng)度)；

I0－入射光強(qiáng)度(輻射強(qiáng)度)；

k0－待測(cè)組分的吸收系數(shù)；

c－待測(cè)組分的濃度；

L－光通過(guò)待測(cè)組分的長(zhǎng)度。52.2.4成分分析儀表當(dāng)I0、L一定時(shí)，對(duì)某種氣體k又是一確定的常數(shù)時(shí)，則紅外線通過(guò)待測(cè)組分后的透光強(qiáng)度I與待測(cè)組分濃度c成單值函數(shù)關(guān)系。I與c關(guān)系圖為了保證I與c成線性關(guān)系，當(dāng)被測(cè)氣體確定后k即確定，這時(shí)只能使cl的值較小。因此當(dāng)被測(cè)氣體的濃度c較大時(shí)，應(yīng)選用較短的測(cè)量(分析)氣室；當(dāng)c較小時(shí)(如微量分析)，應(yīng)選用較長(zhǎng)的測(cè)量(分析)氣室。62.2.4成分分析儀表2.紅外線氣體分析儀的工作原理原理圖1－光源2－反射鏡3－分析室4－參比室5－切光片6－同步電機(jī)

7、8－干擾濾光室9－檢測(cè)接收室10－電容接收室11－放大器12－記錄儀表72.2.4成分分析儀表待測(cè)組分氣體N2氣體干擾氣體待測(cè)組分氣體待測(cè)組分紅外線光譜能量大待測(cè)組分紅外線光譜能量小左右吸收能量不同，產(chǎn)生壓力差－動(dòng)片位移－電容量變－放大－記錄82.2.5過(guò)程參數(shù)的采集2.2.5過(guò)程參數(shù)的采集1.概述工業(yè)過(guò)程中，除了需要控制的參數(shù)外，還有許多重要的參數(shù)需要受到關(guān)注。這些參數(shù)中有些對(duì)工業(yè)過(guò)程的正常運(yùn)行有重要作用，只是因?yàn)闉榱撕?jiǎn)化控制系統(tǒng)，或是由于實(shí)現(xiàn)上的困難而沒(méi)有被選為被控參數(shù)。有些參數(shù)雖然與生產(chǎn)工藝沒(méi)有直接關(guān)系，但與過(guò)程的安全運(yùn)行或環(huán)境保護(hù)有重大關(guān)系。這些參數(shù)必須在生產(chǎn)過(guò)程中不斷受到監(jiān)視，其中的某些還要被記錄和打印保存，作為分析生產(chǎn)過(guò)程或事故的依據(jù)。92.2.5過(guò)程參數(shù)的采集與被控參數(shù)相比，這類參數(shù)的數(shù)量往往要大得多。因此在過(guò)程控制系統(tǒng)中，獲取這類參數(shù)值也是一個(gè)重要的任務(wù)。它們和被控參數(shù)一起，構(gòu)成了工業(yè)過(guò)程的全部參數(shù)。通常把獲取過(guò)程參數(shù)稱作數(shù)據(jù)采集，而把集中完成多點(diǎn)采集、處理、顯示和記錄的裝置稱為數(shù)據(jù)采集裝置或系統(tǒng)。102.數(shù)據(jù)采集裝置的組成各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的參數(shù)值經(jīng)測(cè)量和變送，成為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)；再由多路開關(guān)切換，逐點(diǎn)送到A／D變換器；變換后的數(shù)字信號(hào)被送交CPU處理，并將處理結(jié)果以指定形式輸出。數(shù)據(jù)采集裝置的組成2.2.5過(guò)程參數(shù)的采集112.2.5過(guò)程參數(shù)的采集A.信號(hào)的變送與采樣過(guò)程參數(shù)多數(shù)是非電量，即使是電量也有強(qiáng)電弱電、直流交流之分，很不統(tǒng)一。測(cè)量變送器的任務(wù)就是對(duì)各種參數(shù)(溫度、壓力、流量等)進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流信號(hào)。變送后的多路信號(hào)經(jīng)多路模擬開關(guān)輪流切換到A／D變換電路。模擬開關(guān)在這里起分時(shí)采樣的作用，它將過(guò)程數(shù)據(jù)逐路分時(shí)送入CPU處理。122.2.5過(guò)程參數(shù)的采集

(1)導(dǎo)通電阻和開斷電阻：要求導(dǎo)通電阻小(100Ω以下)，開斷電阻大(109Ω以上)。

(2)通道數(shù)：即可接通的信號(hào)路數(shù)，標(biāo)稱值是4、8或16路。(3)最大輸入電壓：開關(guān)能開斷的最大信號(hào)電壓，標(biāo)稱值為±5V，±10V，或±15V。

(4)切換速度：指轉(zhuǎn)換輸入通道所需的最小時(shí)間，它取決于開關(guān)的通斷狀態(tài)變換所需的時(shí)間，多數(shù)的過(guò)程參數(shù)變化較慢，因此一般的開關(guān)都能滿足切換速度的要求。CC4051和CC4052是常用的集成多路模擬開關(guān)芯片。模擬多路開關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)132.2.5過(guò)程參數(shù)的采集

B.A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器將各通道送來(lái)的模擬電壓信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，送給CPU處理。

(1)逐步逼近式A/D轉(zhuǎn)換：由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器和控制邏輯構(gòu)成。它的工作原理是將通道來(lái)的電壓信號(hào)Ux與片內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓信號(hào)U0相比較，這種比較逐位進(jìn)行，從最高位到最低位。先將寄存器最高位置1，其余低位為0，將這個(gè)數(shù)的D/A輸出U0與Ux比較，若Ux≥U0，則控制邏輯保持最高位為1。

142.2.5過(guò)程參數(shù)的采集若Ux<U0則將最高位變?yōu)?。然后將第二位置1，重復(fù)上述過(guò)程又可得到第二位的值。依此類推直到最低位的值被確定。比較結(jié)束后，寄存器內(nèi)將有一個(gè)與Ux相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。

這種方法轉(zhuǎn)換速度快，一個(gè)N位的轉(zhuǎn)換器只要做N次比較即可完成轉(zhuǎn)換，適用于高速數(shù)據(jù)采集。寄存器位數(shù)N是一個(gè)重要參數(shù)，N越大，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，但精度也越高。

逐位比較A/D轉(zhuǎn)換原理152.2.5過(guò)程參數(shù)的采集

(2)雙積分式A／D轉(zhuǎn)換

雙積分轉(zhuǎn)換過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一次是固定積分時(shí)間上下限，對(duì)輸人信號(hào)進(jìn)行積分，第二次是加反向固定參考電壓，對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，直到第二次積分的值與第一次積分的值相互抵消為止。雙積分A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性強(qiáng)以及有較高的靈敏度。這是因?yàn)閮纱畏e分用的是同一組器件，只要在轉(zhuǎn)換期間內(nèi)R,C和Ts不發(fā)生變化，就可保證精度。同時(shí)由于采用了積分，對(duì)疊加在信號(hào)上的交流干擾有較強(qiáng)的抑制能力。162.2.5過(guò)程參數(shù)的采集雙積分A/D轉(zhuǎn)換原理172.2.5過(guò)程參數(shù)的采集C.數(shù)據(jù)的處理和輸出

經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的通道參數(shù)以數(shù)字形式送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)處理后輸出。計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理包括預(yù)處理和輸出處理兩種。預(yù)處理有濾波、開方和非線性校正等，在參數(shù)設(shè)有專用變送器的條件下，其輸出為標(biāo)準(zhǔn)形式的電信號(hào)，如4～20mA直流電流，故只需要加以濾波來(lái)提高參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。如果沒(méi)有專用變送器，系統(tǒng)直接采集傳感元件的變化，則需要進(jìn)行開方(對(duì)流量)或非線性補(bǔ)償(對(duì)溫度)運(yùn)算，以保證采集數(shù)據(jù)的正確。182.2.5過(guò)程參數(shù)的采集3.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題表征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的基本參數(shù)有數(shù)據(jù)