作者：施仁
出版社：电子工业出版社
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自动化仪表与过程控制(第5版)试读：
前言
本书是“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”，由“电子信息与电气学科教学指导委员会”及“电气工程及其自动化专业教学分指导委员会”推荐出版。
本教材最初是根据全国工科电子类自动控制专业教材编审委员会制订的大纲编写的，1980年国防工业出版社出版的、由西安交通大学施仁、刘文江主编的《工业自动化仪表与过程控制》教材。此后，根据国务院关于高等学校教材出版分工的规定，改由电子工业出版社出版，历经三次修订改版，分别于1984年（第一版）、1991年（第二版）、2003年（第三版）由电子工业出版社作为全国自动控制专业统编教材出版、发行。2006年被正式评为“普通高等教材‘十一五’国家级规划教材”，并作为第四版出版面世。经过几年诸多大专院校的广泛使用，也提出了不少改进意见，这一次根据读者、特别是授课教师的意见，结合近年来工业自动化技术的发展，以及节能环保的控制需求，对内容进行了较大的增删。
本教材的参考教学时数为60学时，上、下篇各约30学时。其主要内容是：上篇为自动化仪表部分，介绍各种检测仪表、调节器、执行器和防爆栅，以及集散控制系统（DCS）与现场总线控制系统（FCS）的工作原理和控制系统集成技术。下篇为过程控制系统部分，介绍对象动态特性建模与测试方法，单回路和串级调节系统的设计和参数整定方法，以及调耦控制、推理控制及预测控制等先进控制技术，最后介绍几种典型自动控制系统在生产过程中的应用实例。
本教材的自动化仪表部分主要以DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表、日本横河公司YS-1000系列数字调节器、CS-3000集散控制系统及基金会现场总线（FF）控制系统为重点，介绍基本单元的工作原理和使用特点。关于仪表的具体构造和调校方法讨论不多，编者认为这些内容放到实验中解决更为合适。本书的过程控制部分主要讨论调节对象动特性测试和数据处理方法，以及控制系统设计和参数整定的一般原理，不具体针对特定的工艺过程。
本课程是电气工程及自动化、自动化专业学生在学完电子技术基础、微机原理、控制理论课程后开设的专业课程。通过学习，学生可以掌握自动化仪表的基本工作原理和使用特点，以及使用这些自动化技术、工具集成自动控制系统的方法。
本教材由施仁编写自动化仪表概述及第1、2、4章，郑辑光编写第3章，刘文江编写第5、6、7、9章，王勇编写第8章，并对第5～9章文字进行了一定的修改整理。为了方便教学、在本版次中由郑辑光、王勇制作了全书的电子教案，欢迎任课老师索取（http：//www.hxedu.com.cn）。
本书在编写过程中参考了各种有关书刊及资料，在些谨向他们表示深切的谢意。由于作者水平有限，书中肯定存在不少缺点和错误，请广大读者批评指正。
编者
2011年4月于西安
上篇 自动化仪表
自动化仪表是工业企业实现自动化的必要手段和技术工具，各种控制方案和算法都必须借助自动化工具才能实现。随着自动化技术的广泛应用，自动化仪表的需求量很大，已形成一个专门的仪表门类。自动化工程师要设计自动控制系统必须掌握各种自动化仪表的工作原理和性能特点，才能合理地选择和正确地使用，组成性能价格比好的控制系统。
半个多世纪以来，自动化仪表经历了从气动液动仪表、电动仪表、电子式模拟仪表、数字智能仪表，到计算机集散控制系统（DCS）等发展阶段，为各行各业的现代化大规模生产提供了强大的支持。近年来，随着网络通信等相关技术的快速发展，自动化仪表正处于一场重大的变革中，以仪表的全数字化、开放化、网络化为特征的现场总线控制系统（FCS）正在迅猛发展。现场总线把从检测端到执行端的所有自动化仪表通过数字通信连接起来，使控制系统网络化，十分有利于工业企业实现高层次的综合自动化。
自动化仪表与控制理论一样，都是自动化工作者的研究内容。自动化技术工具的进步不仅会推动工业企业自动化水平的提高，还会影响控制理论的研究方向和内容。
本篇内容
●
自动化仪表概述
● 检测仪表
● 调节器
● 集散控制系统与现场总线控制系统
● 执行器和防爆栅自动化仪表概述
0.1 自动化仪表及其发展概况
看到“仪表”两个字，人们很容易想到电流表、电压表、示波器等实验室中常用的测试仪器。本课程要讨论的不是这些通用仪表，而是讨论工业自动化中，特别是连续生产过程自动化中必需的一类专门的仪器仪表，称为自动化仪表。其中包括对工艺参数进行测量的检测仪表、根据测量值对给定值的偏差按一定的调节规律发出调节命令的调节仪表，以及根据调节仪表的命令对进出生产装置的物料或能量进行控制的执行器等。这些仪表代替人们对生产过程进行测量、控制、监督和保护，是实现生产过程自动化必不可少的技术工具。
对于没有实践经历的自动控制初学者，往往以为控制工程师的工作是，先画出控制方案图，然后自己动手，设计制作一定的测控装置去实现要求的控制算法。不难想象，如果大家都按自己的思路，为各种系统制作专用的测控装置，其规格品种必将是五花八门、互不兼容的。这对于用户来说，其维护和备品备件将是无法解决的问题。为减少仪表品种，便于互换和维护，人们把自动化仪表的外部功能和联络信号进行规范化，即规定若干通用的标准化功能模块，其内部原理和电路可以不同，但外部功能必须相同，此外，它们之间的互连信号标准必须统一。这些规范促进了自动化仪表向通用化发展，大大方便了用户。这样，对控制工程师来说，主要的工作不是自己去制作仪表，而只要熟悉和精通各种现成的自动化仪表的工作原理和性能特点，以便根据不同的测控要求和应用环境，从大量系列化生产的通用型自动化仪表中，合理地选择和正确地使用它们，组成经济、可靠、性能优良的自动控制系统。自动化工程师的主要工作是“系统集成”。
自动化仪表作为一类专门的仪表，最早出现于20世纪40年代，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表组合在一起的多功能自动化仪表。此后，随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展，人们发现多功能仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制成若干种能独立完成一定功能的标准单元，各单元间以标准联络信号相互联系，这样，仪表的性能容易提高。在使用中可以根据需要，选择一定的单元，积木式地把仪表组合起来，构成各种复杂程度不同的控制系统。这种积木式的仪表就称为单元组合式仪表。显然，将多功能仪表分解为若干基本单元的做法，无论对仪表厂的大量生产，还是对用户的选用和维护都是有利的。尽管近年来随着自动化仪表由模拟技术向数字技术的发展，仪表的功能结构又重新由单功能向多功能转变，但这种按功能划分标准单元的思路在仪表内部还是被充分地肯定下来。
自动化仪表除了有上述不同的功能结构外，还可根据能源的种类，分为电动、气动等仪表。其中气动仪表的出现比电动仪表早，而且价格便宜，结构简单，特别对石油、化工等易燃易爆的生产现场，具有本质性的安全防爆性能，因而在相当长的一段时间里，一直处于优势地位。但从20世纪60年代起，由于电动仪表的晶体管化和集成电路化，控制功能日益完备，在使用低电压、小电流时，可在电路上及结构上采取严密措施，限制进入易燃易爆场所的能量，从而保证在生产现场不会发生足以引起燃烧或爆炸的“危险火花”。这样，限制电动仪表在易燃易爆场所使用的一个主要障碍被扫除，电信号比气压信号在传送和处理上的优越性就能得到充分的发挥。大家知道，气压信号传递速度慢，传输距离短，管线安装不便。相比之下，电信号传输、放大、变换、测量都比气压信号方便得多，特别是电动仪表容易和计算机配合使用，实现生产过程的全盘自动化。因此，电动仪表取得了压倒性的优势。
0.2 电动单元组合仪表及其控制系统的组成
我国生产的电动单元组合仪表，到目前为止已有了四代产品，它们分别为：20世纪60年代中期生产的以电子管和磁放大器为主要放大元件的DDZ—Ⅰ型仪表；70年代初开始生产的以晶体管作为主要放大元件的DDZ—Ⅱ型仪表；80年代初开始生产的以线性集成电路为主要放大元件、具有安全火花防爆性能的DDZ—Ⅲ型仪表；以及80年代后期开始生产的以微处理器为核心的数字式智能仪表DDZ—S。这里的“DDZ”是电（Dian）、单（Dan）、组（Zu）三字的汉语拼音文字中第一个字母的组合。这四代产品虽然电路形式和信号标准不同，性能指标和单元划分的方法也不完全一样，但它们实现的控制功能和基本的设计思想是相同的，只要掌握其中一种，其他产品便不难分析。
图0-1是使用电动单元组合式仪表构成简单调节系统的例子，从中可以看到单元划分的原则和各单元的功能。图中，被调量一般是非电的工艺参数，如温度、压力等，必须经过一定的检测元件，将其变换为易于传送和显示的物理量。检测元件还称为敏感元件、传感器、换能器、一次仪表等。被称为换能器的理由是工艺参数在检测元件上进行了能量形式的转换，例如，在使用热电偶测温时，热电偶将温度（热能）转换成了电压（电能）。被称为一次仪表的理由是这些检测元件安装在生产第一线，直接与工艺介质相接触，取得第一次的测量信号。图0-1 用电动单元组合式仪表构成的调节系统
由于检测元件输出的能量很小，一般不能直接驱动显示和调节仪表，必须经过放大或再一次的能量转换，才能将检测元件输出的微弱信号变换为能远距离传送的统一标准信号。图0-1中，起上述作用的环节就是变送单元，或称变送器，它有若干不同的类型，与相应的检测元件相配合。
由变送单元输出的统一标准信号，一方面送到显示单元供记录或指示，同时送到调节单元与给定值进行比较。给定值可以由专门的给定单元取得，也可由调节单元内部取得。目前，多数调节单元内部都有设定给定值的装置。调节单元又称调节器，它按比较得出的偏差，以一定的调节规律，如比例、微分、积分等运算关系发出调节信号，通过执行单元改变阀门的开度，控制进入调节对象的工艺介质流量，达到自动调节的目的。
除了图0-1中表示的几种基本单元外，在电动单元组合式仪表中，还有实现物理量转换的转换单元，进行加、减、乘、除、乘方、开方等运算的计算单元，以及为保证安全防爆所需的安全单元等。其中，转换单元也是常用的单元，由于目前电动执行器无论在结构、性能、价格及安全方面都不如气动执行器，所以大部分使用电动仪表构成的调节系统中，其执行器却仍然使用气动的。这样，就必须使用电-气转换器，将电动调节仪表输出的电信号转换为气压信号，以推动气动调节阀实现自动调节。安全单元是安全火花型防爆仪表所特有的一种单元，它的作用是在易燃易爆的生产现场周围筑起一道安全栅栏，从电路上对危险场所的线路采取隔离措施，防止高能量电路与现场线路之间的直接接触；同时通过电压、电流的双重限制电路，严格保证进入危险场所的能量在安全范围以内，因而是实现安全火花防爆的关键环节。
如前所述，使用单元组合仪表必须有统一的联络信号。我国电动单元组合仪表中存在两种标准信号制度，在DDZ—Ⅰ型和DDZ—Ⅱ型仪表中采用0～10mA直流电流作为标准信号，而在DDZ—Ⅲ型和DDZ[1]—S型仪表中，采用国际上统一的4～20mA直流电流作为标准信号。这两种标准都以直流电流作为联络信号。采用直流信号的优点是传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在相移问题，可不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。采用电流制的优点首先可以不受传输线及负载电阻变化的影响，适于信号的远距离传送；其次由于电动单元组合仪表很多是采用力平衡原理构成的，使用电流信号可直接与磁场作用产生正比于信号的机械力。此外，对于要求电压输入的仪表和元件，只要在电流回路中串联电阻便可得到电压信号，故使用比较灵活。
在这两种信号制度里，零信号和满幅度信号电流大小的选择是这样考虑的：在DDZ—Ⅲ型和DDZ—S型仪表中，以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号。这种称为“活零点”的安排，有利于识别仪表断电、断线等故障，且为现场变送器实现两线制提供了可能性。所谓两线制变送器就是将供电的电源线与信号的传输线合并起来，一共只用两根导线。为便于理解这种两线制变送器的组成原理，图0-2给出了一个简单的示意图。图中，被测压力P经弹性波纹管转变为电位器RP的滑动触头位移，产生正比于压力P的电1压V，该电压经运算放大器A和晶体管VT组成的电流负反馈电路，把1V转变为晶体管的输出电流I，它在0～16mA间随被测压力P作正比12变化。此外，图中还可看到，为了给仪表内的检测和放大电路供电，用了一个4mA的恒流电路，它把内部耗电稳定在一个固定的数值上。图中，稳压管VD除用来稳定内部电路的供电电压外，还调剂内部电z路的供电电流。这样，上述两部分电流合计，流过该仪表的总电流在4～20mA间变化，实现了电源线和信号线的合并。图0-2 两线制变送器的组成原理
使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险能量的通道。由于活零点的表示法具有上述优点，受到普遍的欢迎和广泛的应用。
在上述信号标准里，从安全防爆、减少损耗、节省能量考虑，信号电流的满度值希望选取得小一些。但太小也有困难，因为对于力平衡式仪表，电流小了，产生的电磁力也小，不易保证这些仪表的精度。此外，在采用活零点的仪表中，降低满幅度电流的数值，必然同时降低起点电流的数值。起点电流太小将给两线制仪表带来困难，因为它将要求降低整个仪表在零信号时消耗的总电流。而在目前的元器件水平下，起点电流比4mA再小有时将发生困难。因此，目前国际上采用4～20mA作为标准信号。
0.3 仪表的基本技术指标
自动化仪表和其他仪表一样，在保证可靠工作的前提下，有如下一些衡量其性能优劣的基本指标。
1.精确度
任何仪表都有一定的误差。因此，使用仪表时必须先知道该仪表的精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距，即估计测量值的误差大小。
模拟式仪表的精确度一般不宜用绝对误差（测量值与真实值的差）和相对误差（绝对误差与该点的真实值之比）来表示，因为前者不能体现对不同量程仪表的合理要求，后者很容易引起任何仪表都不能相信的误解。例如，对一只满量程为100mA的电流表，在测量零电流时，由于机械摩擦使表针的显示偏离零位而得到0.2mA的读数，若按上述相对误差的算法，那么该点的相对误差即为无穷大，似乎这个仪表是完全不能使用的；但在工程人员看来，出现这样的测量误差是很容易理解的，根本不值得大惊小怪，它可能还是一只比较精密的仪表呢！
模拟式仪表的合理精确度，应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来衡量，这种比值称为相对（于满量程的）百分误差。例如，某温度计的刻度由-50～+150℃，即其测量范围为200℃，若在这个测量范围内，最大测量误差不超过3℃，则其相对百分误差δ为
仪表工业规定，去掉上式中相对百分误差的“%”，称为仪表的精确度。它划分成若干等级，如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级等。上述温度计的精确度即为1.5级。
仪表的误差还根据使用条件分为基本误差和附加误差两种。基本误差是指仪表在正常工作条件下的最大相对百分误差。若仪表不在规定的正常条件下工作，例如，因周围温度、电源电压等偏高或偏低而引起的额外误差，称为附加误差。仪表的精确度等级是根据其基本误差确定的。
2.灵敏度和灵敏限
灵敏度表示测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此输出的被测参数变化量之比表示，即
式中，Δa为仪表指示装置的直线位移或角位移；Δx为被测参数的变化值。
仪表的灵敏度可用增加放大系统的放大倍数来提高。但是，单纯提高仪表的灵敏度并不一定能提高仪表的精确度，例如，把一个电流表的指针接得很长，虽然可把直线位移的灵敏度提高，但其读数的精确度并不一定提高。相反，可能由于平衡状况变坏而精确度反而下降。为了防止这种虚假灵敏度，常规定仪表读数标尺的分格值不能小于仪表允许误差的绝对值。
仪表的灵敏限，是指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值。
3.变差
在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测参量进行反复测量（正行程和反行程）时，所产生的最大差值与测量范围之比称为变差。造成变差的原因很多，例如，传动机构间存在的间隙和摩擦力、弹性元件的弹性滞后等。在设计和制造仪表时，必须尽量减小变差的数值。一个仪表的变差越小，其输出的重复性和稳定性越好。
仪表除静态误差外，在输入量随时间变化时，由于仪表内部的惯性和滞后，还存在动态误差。对自动化仪表来说，因为它工作在调节系统的闭环之中，其动态特性不仅影响自身的输出，还直接影响整个调节系统的调节质量。例如，在一个调节系统中，若检测仪表的惯性比调节对象的惯性还大，那么不仅系统的调节速度被减慢，而且在过渡过程中检测仪表不能及时反映真实的情况，被调量可能存在很大的冲击和波动，但检测仪表的指示却很平稳，这种虚假的现象会给生产造成严重的损失。因此，在选用自动化仪表时，必须对其动态特性予以充分的重视，根据需要，尽量减小仪表的惯性和滞后，使之快速和准确地响应输入量的变化。
复习思考题
0-1 自动化仪表是指哪一类仪表?什么叫单元组合式仪表?
0-2 DDZ—Ⅱ型与DDZ—Ⅲ型仪表的电压、电流信号传输标准是什么?在现场与控制室之间采用直流电流传输信号有什么好处?
0-3 什么叫两线制变送器?它与传统的四线制变送器相比有什么优点?试举例画出两线制变送器的基本结构，说明其必要的组成部分。
0-4 什么是仪表的精确度?试问一台量程为-100～+100℃、精确度为0.5级的测量仪表，在量程范围内的最大误差为多少?[1]：① 1973年4月国际电工委员会（IEC）通过的标准规定，过程控制系统的模拟信号为直流电流4～20mA，电压信号为直流1～5V，我国的DDZ—Ⅲ型仪表规定，现场传输信号用4～20mA（直流），控制室内各仪表间的联络信号用1～5V（直流）。
第1章 检测仪表
各种不同的工业企业在实现自动化时需要检测的工艺参数种类很多。例如，在热工过程中，最常遇到的是温度、压力、流量和物位4种参数的检测问题；在化工过程中，除上述四大参数外，还需要进行成分分析和某些物理化学性质如密度、黏度、酸度等的测量；在冶金、钢铁、机械工业中，则又需对某些机械参数如重量、力、加速度、位移、厚度等进行检测；在电厂中还有频率、相位、功率因数等电工量需要测定等。显然，要把所有的工艺参数检测方法都讨论是不可能的，下面只对几种比较有普遍性的工艺参数进行示例性的讨论。通过一些典型例子，说明目前采用的主要检测手段和达到的技术水平，介绍组成检测仪表的基本原则和保证可靠工作的一般方法。希望读者在学习了这些有限的例子后，能举一反三，为掌握其他检测仪表打下基础。
1.1 温度检测仪表
温度是工业生产中最基本的工艺参数之一，任何化学反应或物理变化的进程都与温度密切相关，因此温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务之一。1.1.1 测量温度的主要方法
测量温度的方法虽然很多，但从感受温度的途径来分，有以下两大类：一类是接触式的，即通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度；另一类是非接触的，即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。
目前常见的接触式测温仪表有如下几种。
1.膨胀式温度计
利用固体或液体热胀冷缩的特性测量温度。例如，常见的体温表便是液体膨胀式温度计；利用固体膨胀的，有根据热胀冷缩而使长度变化做成的杆式温度计和利用双金属片受热产生弯曲变形的双金属温度计。
2.压力式温度计
压力式温度计是根据密封在固定容器内的液体或气体，当温度变化时压力发生变化的特性，将温度的测量转化为压力的测量。它主要由两部分组成：一是温包，由盛液体或气体的感温固定容器构成；二是反映压力变化的弹性元件。
3.热电偶温度计
根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路时，若两个接点温度不同，回路中便出现毫伏级的热电动势，该电动势可准确反映温度。
4.电阻式温度计
利用金属或半导体的电阻随温度变化的特性，将温度的测量转化为对电阻的测量。
非接触式测温仪表是根据物体发出的热辐射测量物体温度。常见的有根据物体在高温时的发光亮度测定温度的光学高温计，以及将热辐射能量聚焦于感温元件上，再根据全频段辐射能的强弱测定温度的全辐射温度计。
非接触测温方法的优点是测量上限不受感温元件耐热程度的限制，因而最高可测温度原则上没有限制。事实上，目前对1800℃以上的高温，辐射温度计是唯一可用的测温仪表。近年来红外线测温技术的发展，使辐射测温方法由可见光向红外线扩展，对700℃以下不发射可见光的物体也能应用，使非接触测温下限向常温扩展，可用于低到0℃左右的温度测量。由于非接触测温仪表不需要与被测物体进行传导热交换，因此不会因测温而改变原来的温度场，而且测温速度快，可对运动物体进行测量。其缺点是对不同物体进行测量时，由于各种物体的辐射能力不同，必须根据物体不同的吸收系数对读数进行修正，一般误差较大。
综观以上各种测温仪表，机械式的大多只能做就地指示，辐射式的精度较差，只有电的测温仪表精度较高，信号又便于远传和处理。因此热电偶与电阻式两种测温仪表得到了最广泛的应用。1.1.2 热电偶
热电偶的原理可用图1-1来说明。当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。
从物理上看，这一热电动势包括接触电动势和温差电动势两部分，但主要是由接触电动势组成的。当两种不同导体A、B接触时，由于两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散。若A中自由电子密度大于B中的密度，那么在开始接触的瞬间，从A向B扩散的电子数目将比B向A扩散的多，使A失去较多的电子而带正电荷，相反，B带负电荷。致使在A、B接触处产生电场，以阻碍电子在B中的进一步积累，最后达到平衡。平衡时，在A、B两导体间的电位差称为接触电动势，其数值决定于两种材料的种类和接触点的温度。
图1-1表示的热电偶回路中，在温度不同的两个接点上，分别存在两个数值不同的接触电动势e（T）及e（T），回路中的总电ABAB0动势为
式中，e的下标表示电动势的方向，e表示由A到B的电动势。AB
对一定的热电偶材料，若将一端温度T维持恒定（这个接点称为0自由端或冷端），而将另一端插在需要测温的地方，则热电动势E为测温端温度T（这个接点又称为工作端或热端）的单值函数，用电表或仪器测定此热电动势的数值，便可确定被测温度T。
在实际使用热电偶测温时，总要在热电偶回路中插入测量仪表和使用各种导线进行连接，也就是说总要在热电偶回路中插入其他种类的导体。下面研究插入另一种导体是否影响热电动势E的数值。在图1-2中，除热电偶两种材料A、B外，又插入第三种导体C组成闭合回路，设A、B的接触点温度为T，A、C和B、C两处接触点的温度为T，0则回路中总电动势为图1-1 热电偶的原理图1-2 热电偶回路中插入第三种导体的情形
若各接点温度都相同，即T=T，则由热力学第二定律可推断，0此时总电动势E必为零。因为此时如果有电动势E存在，必有电流流动，使回路中某一部分加热。在没有外界做功的条件下，这种热量自动由温度低处流向高处的现象是不可能发生的。
因此可写出
代入式（1-2）得
这仍然是式（1-1）的结果。由此可知，只要接入第三种导体的两个连接点温度相等，它的接入对回路电动势毫无影响。这一结论在使用上有着重要的意义。据此，我们可放心地在温度相同的电路中插入各种仪表和导线进行测量。
下面讨论热电偶的材料。原则上说，随便两种不同的导体焊在一起，都会出现热电动势。这并不是说所有热电偶都具有实用价值，能被大量采用的材料必须在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电动势要大，且与温度接近线性关系。
为统一各国生产的热电偶种类及其特性，以便互换和替代，国际电工委员会（IEC）于1977年制定了热电偶的国际标准，规定了标准的热电动势—温度特性分度表。此前，我国长期按前苏联的国家标准生产热电偶，IEC标准推出后，我国决定按国际标准生产，并制定了相应的我国国家标准，从1986年起，在生产和使用中全面贯彻新的国家标准。表1-1列出了几种常用的我国标准型热电偶的材料、分度号及主要特性。表1-1 几种常用的我国标准型热电偶的材料、分度号及主要特性
表1-1中，铂及其合金属于贵重金属，其组成的热电偶价格很贵。它的优点是热电动势非常稳定，故主要用作标准热电偶及测量1100℃以上的高温。在普通金属热电偶中，镍铬—镍硅的电动势温度关系线性度最好，镍铬—康铜的灵敏度最高，铜—康铜的价格最便宜。除表中所列出的常用热电偶外，我国还能生产许多新型热电偶，如可用来测量2800℃的钨铼超高温热电偶，以及测-270℃的金铁—镍铬低温热电偶等。
热电偶测温的误差，在低温段为1～2.5℃，高温段相对误差为0.25%～1%。例如，Ⅰ级铂铑10—铂热电偶在0～1100℃间的允许误差为±1℃，温度高于1100℃时约为±0.4%T（℃）。使用热电偶时必须十分注意其适用条件，在有害的气氛环境下，热电特性会急剧变化，产生很大的测量误差。图1-3给出了几种常用的热电偶特性。图1-3 几种常用热电偶的特性（冷端温度为0℃）
为了延长热电偶的使用寿命，常在热电偶丝外面套上金属或石英、陶瓷等制成的保护套管，以隔离有害气体和物质对热电偶的损害。但加套管后，热电偶测温的滞后性加大。根据结构的不同，一般热电偶的时间常数为1.5～4分钟。特殊结构的小惯性热电偶的时间常数约为几秒，快速薄膜热电偶的时间常数则为毫秒级。
热电偶的热电动势大小不仅与测量端温度有关，还决定于自由端（冷端）的温度。所以，使用热电偶时常需保持冷端温度恒定，例如将冷端置于冰瓶内，由冰水混合物保证0℃的稳定温度。在工业测量仪表中，通常在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势，自动补偿冷端温度的变化，以保证测量精度。考虑到冷端恒温器或电动势补偿装置通常离测量点较远，在使用较贵的热电偶时，如果全用热偶丝从测量点引至恒温器，代价将太高。为了节约，工业上选用在较低温度下（100℃以下）与所用热电偶的热-电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的替代品，称为补偿导线，其接法如图1-4所示。这样，热偶丝只要引至温度100℃以下的地方，其余的长度可用廉价的补偿导线来延伸。例如，贵金属铂铑—铂热电偶，可用铜（正极）和铜镍合金（负极）作补偿导线，将冷端延伸到离测点较远的地方。工业上，各种补偿导线有规定的显著颜色可供辨认，使用时要注意正负极性不能接错。图1-4 补偿导线的使用1.1.3 热电阻
测量低于150℃的温度时，由于热电偶的电动势较小，常使用金属电阻感温元件（简称热电阻）测量温度。热电阻不像热电偶那样需要冷端温度补偿，测量精度也比较高，在-200～+500℃的温度范围内，获得极为广泛的应用。
热电阻测温仪表是根据金属导体的电阻随温度变化的特性进行测-3温的。例如，铜的电阻温度系数为4.28×10/℃，当温度由0℃上升到100℃时，铜电阻的阻值约增大42.8%。因此对确定的电阻，只要精确地测定其阻值的变化，便可知道温度的高低。
适合用作电阻感温元件的材料应满足如下要求：电阻温度系数大，电阻与温度的关系线性度较好，在测温范围内物理化学性能稳定。目前用得最多的是铂和铜两种材料，其特性如图1-5所示。在低温及超低温测量中则使用铟电阻、锰电阻及碳电阻等。图1-5 铂电阻及铜电阻的特性
铂电阻的特点是精度高，性能稳定可靠，被国际组织规定为-259～+630℃间的基准器，在工业上则广泛用于-200～+500℃间的温度测量。铂电阻的缺点是其电阻与温度的关系不太线性，在0～850℃之间，其阻值与温度关系可表示为
式中，R，R分别为T（℃）及0（℃）时的电阻值；A，B为常T0-3-72数，A=3.908×10/℃，B=-5.802×10/℃。
铜电阻的优点是价格便宜，电阻与温度关系的线性度较好；但温度稍高便容易氧化，多用于-50～+100℃间的温度测量。
电阻感温元件根据用途不同，做成各种形状和尺寸，其基本结构都是把很细的电阻缠绕在棒形或平板形的骨架上，骨架由陶瓷或云母等制成。温度变化时，电阻丝在骨架上要求不受应力的影响，以保持特性的稳定。在电阻丝外面一般都有保护层或保护套管。为了减小测温的时间滞后，电阻体要导热良好，并尽量减小热容量。目前国产的电阻感温元件，热惯性大的，时间常数为4分钟左右，热惯性小的约为几秒。图1-6 三线热电阻在测量电桥中的接法
在使用热电阻测温时，有一个需要注意的问题，就是电阻体外部的导线电阻是与热电阻串联的，如果导线电阻不确定，测温是无法进行的。因此，不管热电阻和测量仪表之间的距离远近，要使导线电阻符合规定的数值。尽管这样，考虑到导线所处的环境温度变化时，导线电阻仍会变化，使测温产生误差。为此，常使用三根引出线的热电阻，如图1-6所示。这样，在使用平衡电桥对热电阻R进行测量时，t由电阻体引出的三根导线，一根的电阻与电源E串联，不影响桥路的平衡，另外两根的电阻被分别置于电桥的两臂内，它们随环境温度变化对电桥的影响可以大致抵消。1.1.4 半导体热敏电阻
半导体热敏电阻由于感温的灵敏度特别高，在一些精度要求不高的测量和控制装置中得到一定的应用。我们知道，大多数金属材料，当温度每变化1℃时，阻值变化0.4%～0.6%，但热敏电阻可达2%～6%，即其灵敏度比金属电阻高一个数量级。因此使用热敏电阻时，其测量和放大线路十分简单。
热敏电阻元件一般是由镍、钴、锰、铜、铁、铝等多种氧化物按一定的比例混合后，经研磨、成型、烧结成坚固致密的整体，再焊上引线制成的；可做成珠状、杆状、片状等各种形状，尺寸可做得很小，例如，可做成直径只有十分之几毫米的小珠粒，因而热惯性极小，可测量微小物体或某一局部点上的温度。
半导体热敏电阻与金属电阻不同，它的电阻温度系数是负的。在温度升高时，由于半导体材料内部的载流子密度增加，故电阻下降，其电阻温度关系如图1-7所示。可以看到，这是一个非线性关系，可大致表示为如下的对数函数
式中，R与R分别表示T（K）与T（K）时的电阻值；B为常0TT0数，与材料成分及制造方法有关。图1-7 热敏电阻的特性
半导体热敏电阻的电阻温度系数不是常数，约与温度平方2T（K）成反比。
由于热敏电阻的特性曲线不太一致，互换性差，使其在精确测量中的应用受到一定的限制。
目前热敏电阻的使用温度为-50～+300℃。1.1.5 热电偶温度变送器的基本结构
在单元组合式仪表中，热电偶、热电阻等敏感元件输出的信号，需经一定的变换装置转变为标准信号。如在电动单元组合仪表中应变换为4～20mA直流电流信号，以便与调节器等配合工作。这种信号变换装置称为变送单元或变送器。
在电动温度变送器中，根据所用的敏感元件（热电偶或热电阻）及测量参数（测量某点温度或两点间的温差）的不同有几种品种。不过，它们的基本结构是相同的，如图1-8所示，其核心都是一个直流低电平电压（mV）—电流（mA）变换器，大体上都可分为输入电路、放大电路及反馈电路三部分。下面以DDZ—Ⅲ型电动单元组合仪表的热电偶温度变送器为例，对各部分的工作原理进行具体的介绍。图1-8 温度变送器的方块图
1.输入电路
热电偶温度变送器的输入电路主要起热电偶的冷端温度补偿与零点调整的作用，如图1-9所示。由于它形式上是一个电桥，常称为输入电桥。
图1-9桥路的左半边是产生冷端温度补偿电动势的。由铜丝绕制的电阻R安装在热电偶的冷端接点处，当冷端温度变化时，利用铜Cu丝电阻随温度变化的特性，向热电偶补充一个由冷端温度决定的电动势作为补偿。桥路左臂由稳压电源V（约5V）和高电阻R（约10kΩ）Z1建立的恒值电流I流过铜电阻R，在R上产生一个电压，此电压与2CuCu热电动势E串联相加。当冷端温度升高时，热电动势E下降，但由于ttR增值，在R两端的电压增加。只要铜电阻的大小选择适当，便CuCu可得到满意的补偿。例如，对铂铑—铂热电偶，其冷端温度在0～100℃间变化的平均热电动势为6μV/℃，已知铜的电阻温度系数α=0.004/℃，故全补偿的条件可写为图1-9 输入电桥电路
若I=0.5mA，则求得R=3Ω。2Cu
当然，严格地说，热电动势的温度特性是非线性的，而铜电阻的特性却接近线性，两者不可能取得完全的补偿。但实际使用中，由于冷端温度变化范围不大，这样的补偿已经可以满意了。
图1-9桥路的右半边是零点调整（亦称零点迁移）电路。由另一高电阻R确定的恒值电流I流过可变电阻R，在它上面建立的电压与214热电动势E及冷端温度补偿电动势串联。这不仅可以抵消铜电阻上的t起始压降，且可自由地改变桥路输出的零点。调整输出零点的必要性对采用活零点的DDZ—Ⅲ型仪表来说是很容易理解的，因为在DDZ—Ⅲ型仪表中，标准信号是4～20mA，即以满幅度输出的20%代表信号的零值。因此在温度变送器中，当热电动势为零时，应由输入桥路提供满幅度电压的20%，建立输出的起点。
较大幅度的调整零点，即所谓进行零点迁移，不管对DDZ—Ⅲ还是其他系列的变送器都是需要的。有些生产装置的参数变化范围很窄，例如，某点的温度总在500～1000℃间变化，因此希望对500℃以下的温度区域不予指示，而给工作区域以较高的检测灵敏度。此时可通过零点迁移装置，配合灵敏度调节，实现量程压缩。为了说明方便，下面举一个以0～10mA电流为标准信号的变送器例子，如图1-10所示。图1-10（a）为零点不迁移的情况。图1-10（b）为通过零点迁移装置，给热电动势反向加上一个相当于500℃的附加电动势，这样，只有当温度超过500℃时，变送器才有输出；由于灵敏度未变，输入/输出特性只是向右平移，其输出电流0～10mA所对应的温度范围仍为1000℃。图1-10（c）的情况是在零点迁移500℃以后，又把灵敏度提高一倍，这样，变送器不仅反映的起始温度变了，而且量程范围也变成为500～1000℃，在这个温度范围内变送器可得到较高的灵敏度。图1-10 温度变送器的零点迁移
2.放大电路
由于热电偶的电动势数值很小，一般只有十几毫伏或几十毫伏，因此将它变换为高电平输出必须经过多级放大。考虑到热电动势是直流信号，变送器中的放大器必须是高增益和低漂移的直流放大器。其45电压增益一般约需10～10倍，零点漂移必须小于几微伏或几十微伏。变送器的量程愈小，对自身的零点漂移要求愈严格。例如，对一个满量程为3mV的温差变送器，如果自身的零点漂移超过10μV，那么仅这一项误差就超过0.3%，再考虑其他因素，这样的变送器就很难达到0.5级的精度。
除了对增益和零点漂移的要求以外，温度变送器中的放大器还必须具有较强的抗干扰能力，特别是抗共模干扰的能力。因为测量元件和传输线上经常会受到各种电磁干扰，例如，用热电偶测量电炉温度时，热偶丝可能与电热丝靠得很近；在800℃以上的高温下，耐火砖及热电偶瓷套管的绝缘电阻会降得很低。这样，电热丝上的工频交流电便会向热电偶泄漏，使热电偶上出现几伏或几十伏的对地干扰电压，这种在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为共模干扰或纵向干扰。除了这种干扰形式外，在两根信号线之间更经常地存在电磁感应、静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰。由于这种干扰表现为两根信号线之间的电压差，所以也称为线间干扰或横向干扰。
关于差模干扰，由于在一般实验室仪器及电子线路的调试中都会碰到，人们对它是比较熟悉和重视的。它常常导致放大器饱和、灵敏度下降、零点偏移，甚至使放大器不能正常工作。但在温度变送器中，考虑到热电偶信号的变化很慢，可以从频率上把测量信号与干扰区别开来，或者在变送器的输入端用滤波器等加以抑制。
对控制仪表来说，具有特殊性的是，它常受到幅度很大的共模干扰的作用，这一点往往被人们所忽视。其实共模干扰在一定的条件下很容易转化为差模干扰，同样会影响仪表的正常工作。例如，图1-11（a）中，作用在热电偶上的共模干扰e经两根传输线送到变送cm器输入端时，由于线路阻抗Z、Z与变送器输入阻抗Z、Z的分压作1234用，将在A、B两点间形成如下的差模干扰电压：图1-11 变送器受到的共模干扰
由此可知，要使共模干扰不转化为差模干扰，必须使阻抗Z、Z、12Z、Z组成的电桥平衡，即必须满足Z∶Z=Z∶Z。这样的条件并341324不容易实现，因为这些阻抗值都是随使用条件变化的参数，例如，线路阻抗Z、Z除随传输线长短变化外，由于包含冷端温度补偿电路和12零点迁移电路等，常随使用状况而变化。再考虑到共模干扰的频谱很宽（从直流到极高的高频），上述的桥路平衡条件不可能在所有的频率上完全满足。
抑制共模干扰的一个有效办法是把仪表浮空，也就是把变送器内的零线和大地绝缘。采取这种措施后的仪表等效电路如图1-11（b）所示。图中Z表示变送器零线与大地之间的绝缘阻抗。显然，如果Z55→∞，那么共模干扰电压e在阻抗Z、Z上的分压都趋于零，两者cm34之间的压差U必为零，可以有效地抑制共模干扰向差模干扰的转化。AB图1-12所示的方框图就是按这种思想设计的一种变送器方案。考虑到作为变送器负载的调节器、记录仪等常需要接地，图中变送器用隔离变压器分为互相绝缘的前后两部分，其中输入及放大电路部分与检测元件相连，但对地浮空；另一部分检波输出电路与负载相连，可根据需要接地或不接地。工作时，热电动势直流信号先经放大电路放大，然后由变流器变换成交流方波，经输出变压器T以磁通耦合方式传递o给检波输出电路。同样，电源和输出电流反馈也分别通过变压器T和sT送给放大电路。这样，只要这些隔离变压器的绝缘电阻足够大，同f时使通过变压器的信号调制频率足够高，那么，变压器绕组之间以及绕组对地的分布电容就可以做得比较小（在DDZ—Ⅲ型温度变送器中电源和信号调制频率都在10～20kHz左右），因而对直流或50Hz干扰来说，可以认为浮空是相当彻底的，能有效地抑制这一频段的共模干扰向差模干扰的转化。图1-12 变送器的抗干扰措施
3.反馈电路
为了克服放大电路的非线性及增益、负载变化等引起的误差，温度变送器都采用闭环方式构成。这时只要保持输入及反馈环节的参数稳定，在放大电路增益足够高时，其闭环传递函数可保证十分稳定。图1-12中，为了抑制输出变压器T的磁路非线性及输出负载变化引起o的误差，反馈电压取自输出变压器T的副边，并用电流互感器T直接of反馈负载电流的大小作为反馈信号。
考虑到大多数热电偶的特性是非线性的，例如，铂铑—铂热电偶在0～1000℃间电动势与温度关系的非线性约为6%，如果变送器的输入电路和反馈电路都是线性的，变送器的输出将随输入的毫伏信号作线性变化，它与温度的关系却是非线性的。目前工业上使用的大多数温度变送器就是这样的。但在DDZ—Ⅲ型仪表的温度变送器中，为了使输出大小能直接与被测温度成线性关系，以便指示及控制，在变送器的输入或反馈电路中加入线性化电路，对测量元件的非线性给予修正。对热电偶温度变送器来说，因为输入热电动势太小，不宜在输入电路中修正，都在反馈电路中采取措施，使用非线性反馈电路，如图1-13所示。当温度较高，热电偶灵敏度偏高的区域，使负反馈作用强一些，这样以反馈电路的非线性补偿热电偶的非线性，可以获得输出电流I与温度T（℃）的线性关系。当然这种具有线性化机构的变o送器在进行量程变换时，其反馈的非线性特性必须作相应的调整。图1-13 温度变送器的线性化方法1.1.6 DDZ—Ⅲ型热电偶温度变送器的实际线路
因为温度变送器是最常用的工业自动化仪表之一，下面讨论一个实际的例子。图1-14是DDZ—Ⅲ型仪表的一种热电偶温度变送器的简化线路图。其基本结构就是按图1-12的原则安排的。
图1-14中，热电动势E与铜电阻R上的冷端温度补偿电动势相tCu加后，送至运算放大器IC的同相输入端。IC的反相输入端则接受电22位器RP上的零点迁移电压及反馈电压V，这两个电压在量程电位器1fRP上叠加，改变RP触点的位置可以改变反馈电压的分压比，即改12变反馈强度，因而改变整个变送器的量程。不过在这个电路中，当改变RP触点位置时，也同时改变着零点迁移电压的分压比。因此在改2变量程时，零点会被牵连变化，使用时必须注意到这一特点。图1-14 DDZ—Ⅲ型热电偶温度变送器的简化线路图
放大器IC是一个低漂移高增益运算放大器，它根据加在同相端2和反相端两个输入电压之差工作。为了方便，将这部分电路单独画出如图1-15所示。当热电动势E增大时，IC输出正电压，经复合管t2VT、VT构成的电压-电流转换器，转化为恒流输出I。这个电流a1a21在方波电源的作用下，交替地通过输出变压器T的两个原边绕组，在o副边绕组中感应出与I大小成正比的交变电流。此电流经整流滤波，1即为变送器的直流输出电流I。o
这里使用复合管VT、VT的目的是提高功率放大级的输入阻a1a2抗，减少运算放大器IC的功耗，从而降低其温度漂移。输出端稳压2管VD的作用在于，当电流输出回路断线时，输出电流I仍可通过稳zoo压管形成回路，保证电压输出信号不受影响。图1-15 变送器的功率放大及输出电路
图1-14变送器的反馈回路是由电流互感器T、整流滤波电路，以f及由运算放大器IC构成的非线性函数电路组成的。由于输出变压器1T的副边电流是正负对称的交变电流，串入一个电流互感器T便可以of实现隔离反馈。T的副边电流经检波滤波，在R、C上可得到与输出fff电流I成正比的直流反馈电压V′，该电压经运算放大器IC和多段二of1极管折线逼近电路组成的非线性变换电路转换为电压V后，反馈到运f算放大器IC的反相输入端，实现对热电偶特性的线性化修正。关于2非线性变换电路的具体结构，此处不再详述。
图1-14变送器的电源是由+24V直流电源供给的。为了提高变送器的抗共模干扰能力和有利于安全防爆，放大器需要在电路上与电源隔离。为此，+24V直流电源不直接与放大电路相连，需经直流-交流-直流变换，即先用振荡器把直流电源变为交流，然后通过变压器T，s以交变磁通将能量传递给副边绕组。最后，将副边绕组上的交流电压整流、滤波、稳压，获得±9V的直流电压供给运算放大器。
最后，讨论一下这个变送器采取的安全防爆措施。我们知道，很多化工及石油生产场所，常存在易燃易爆的气体或介质。在使用电动仪表时，如果不采取措施，在电路接通、断开或事故状态时，难免发生火花，引起爆炸或火灾。因此，用于这些易燃易爆场所的电动仪表，必须在结构上或电路上采取安全措施，例如，在DDZ—Ⅰ型和DDZ—Ⅱ型电动单元组合仪表中常在结构上采取隔爆措施，使仪表内可能产生的火花和外界的易燃易爆气体相隔离，以实现防爆。在DDZ—Ⅲ型仪表中，采取的是安全火花防爆措施。它把仪表分为控制室和现场安装两类，将强电部分安装于离危险场所较远的控制室中，而对安装在危险场所的检测仪表及执行器，一方面在线路设计上对其自身能量进行限制，另一方面使用专门的安全保护电路；严格防止外界非安全能量的窜入，从而保证那些电路在任何事故状况下，只可能发生“安全”的火花，即这些火花能量很小，决不会导致燃烧或爆炸。这种安全火花的概念是从实践中总结出来的。大量的实践表明，即使在易燃易爆气体中，也不是任何火花都会引起燃烧和爆炸的。只有在火花能量足以在某一点引起强烈的化学反应，形成燃烧并产生联锁反应时，才会形成爆炸事故。例如，对最易爆炸的氢、乙炔、水煤气等气体，实验证明，在30V的电压下，对纯电阻性电路，电流只要小于70mA，便不会发生爆炸。
图1-14所示的DDZ—Ⅲ型温度变送器是控制室安装仪表，属于安全火花型防爆仪表，在线路上采取了如下安全防爆措施：
① 在热电偶输入端设稳压二极管VD、VD及限流电阻R、zi1zi2i1R，以防止仪表的高能量传递到生产现场。i2
② 变送器的输入端与输出端及电源回路之间通过输出变压器T、电源变压器T及反馈变压器T在电路上进行隔离。为了防止电源osf线或输出线上的高电压通过上述变压器原副边绕组之间短路而窜入输入端，在各变压器的原副边绕组间都设有接地的隔离层。此外，在输出端及电源端还装有大功率二极管VD～VD及熔断器F、F，当s1s6os过高的正向电压或交流电压加到变送器输出端或电源两端时，将在二极管电路中产生大电流，把熔断器烧毁，切断电源，使危险的电压不能加到变送器上。由于这些二极管的功率较大，在熔断器烧毁过程中不会先被损坏。
DDZ—Ⅲ型温度变送器除上面讨论的热电偶温度变送器外，还有热电阻和直流毫伏变送器两个品种。它们的放大电路是完全相同的，只是输入和反馈部分略有不同，这里不作详述。
1.2 压力检测仪表
压力也是工业生产中的重要工艺参数，例如，在化工生产上，压力往往决定化学反应的方向和速率。此外，压力测量的意义还不局限于它自身，有些物理量，如温度、流量、液位等往往通过压力来间接测量。所以压力的测量在自动化中具有特殊的地位。
在具体讨论压力测量方法之前，需要对“压力”这个名词先说明一下。物理上把单位面积上所受的作用力叫做压强，而把某一面积所受力的总和，称为压力。而我国工程上习惯把“压力”理解为单位面积上所受的作用力，显然这和物理学的名词是混淆的。由于工程上这种叫法使用已久，下面只好按这一习惯的名词进行讨论。
生产上，压力的测量常遇到如下三种情况：
① 测量某一点压力与大气压力之差，当这点压力高于大气压力时，此差值称为表压，这种压力计的读数为零时，该点压力即为大气压力；当该点压力低于大气压时，此差值称为负压或真空度；
② 测定某一点的绝对压力；
③ 测量两点间的压力差，这种测量仪表称为差压计。2
工程上，过去常用千克/厘米作为压力单位，称为工程大气压（at），此外，有些场合还使用毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱22（mmHO）、磅/英寸（1b/in）、巴（bar）、标准大气压（atm）2等。1984年，我国政府决定废除这些单位，规定从1991年起，一律使用以国际单位制（SI）为基础的中国法定计量单位。2
在我国法定单位制和国际单位制中，压力单位采用牛顿/米，称2为“帕斯卡”，简称“帕”（Pa）。它与过去使用的千克/厘米之间的换算关系为
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