自动化和工业机器人中的测量元件

控制的概念可以追溯到希腊人的时代，当时希腊人建立了不同类型的机制，例如：水钟，油灯等。以及一种用于打开和关闭当时最流行的寺庙之一（Ktesibios）的门的机制，它产生了一种奇特的风，人们认为这是奥林匹亚众神创造的一种权力行为。

认识到自己的能力有限的人，创造了允许他扩展做事方式的设备，创造了可以控制某些变量的设备，这些变量被认为是在各种工业过程中应用的必要条件。

自动化和工业机器人中的测量元素-1

有人认为，在本世纪初新技术的显着发展的支持下，可以借助机器人来代替“人类的工作”，因为“更多的技术”，“更高的质量，更低的成本，因此价格也更低”。

在最近的几十年中，“欧洲工业将大部分预算用于机械和机器人技术”，并且“据估计，未来几年，欧洲和美国的机器人数量将大大增加”。

至于机器人，其“功能和多功能性”有望“继续扩展”，其价格将下降。

根据专家的预测，从长远来看，机器人进行的活动数量将达到经济所有部门的80％。

传感器引导的农业生产计划，基因工程，分子农场，具有语音识别功能的计算机操作员，ATM，通信系统，虚拟办公室的办公自动化，仅展示了一些从生产部门和领域来看，新技术的进步有多远。

技术的好处：低成本，更快的流程，增强的竞争力和效率，对社会产生了影响，应予以分析。

在最明显的工业化地区，就业率将受到直接影响。

测量元件

在任何自动控制系统中，必须测量要控制的变量。

除了要控制的变量之外，通常还可以测量其他变量，以便您更好地了解过程中发生的情况。

过程的大小（压力，流体，温度，pH，湿度，速度等）的测量是通过主要元素进行的，在大多数情况下，主要元素会将它们转换为其他物种的大小（气压，电势，机械位移等），但易于测量或远程传输。

产生这种变量转换的仪器称为换能器。在测量的幅度值和传感器的输出之间存在模拟关系。

在某些情况下，无法直接测量要控制的数量。然后，我们诉诸第一个依赖的另一个量级。例如，在回火炉中，经常需要保持的量是钢的回火量。快速，精确和连续测量回火的困难需要借助烤箱温度控制。

自动控制器

自动控制器将输出信号与参考值（所需值）进行比较，确定误差，并产生一个控制信号，试图将误差减小到零或更小。

静态和动态特性

为了研究过程的自动化，有趣的是在没有时间变化的情况下（即在平衡条件下）知道输入变量和输出变量（操纵变量和受控变量）之间的关系。在平衡条件下，变量之间的关系是静态特性。因此，在下图所示的过程中，每个输入成本Q1在达到平衡后对应于特定水平h。

关系h = f（Q1）表示过程的静态特性之一。

在表示静态特性的关系中，可变时间不会输入。

在最简单的情况下，可以通过对物理定律和过程常数的全面了解来建立动态特性。

除了测量系统的动态特性，以下属性也非常重要：

• 精度：表示测量系统指示的值与数量的实际值之间的一致程度。它由偏差表示，表示为最大值的百分比。知道精度的最好方法是确定整个测量范围内的误差曲线线性度：这意味着将输出与输入变量相关的函数是线性函数（用斜线表示） 。线性度的偏差表示为百分比。输出信号和输入信号。对于相同的输入信号，输出越大，灵敏度越高。

压力测量

在必须处理流体的连续过程中，压力测量非常重要

测量压力的主要元素包括以下主要类别：

• 液体压力表波纹管图各种类型的真空计压电或压电电阻元件带有电容检测器的应变笼磁阻元件

在工业控制中，三个略有不同的压力概念引起了人们的兴趣。通常测量表压，表示安装现场的绝对压力与大气压之间的差。

有时需要测量绝对压力，尤其是在测量低于大气压的压力时。

当涉及流量测量时，在通风系统等中，压差的测量也很常见。

下图说明了这些概念：

其中一些类型只是指示符，对自动控制不感兴趣。下图仅显示指示器压力计的示意性操作。

在其他类型的压力表上，输出变量是机械运动。它们适用于作用于气动控制器中的信号变送器或输入仪表。

浮子量规在图R中示意性地显示。浮子运动与压力差成正比。它们通过机械系统和带有防水包装的轴，或者在某些情况下，通过扭力管传输到国外。它可以用于高达600 in。的水压差测量和高达5000 psi的静压测量。

图中显示了环规的示意图。在这种情况下，旋转角度取决于压力差。环的运动可以用作仪器或控制器的输入。为了完成对液体压力计的快速参考，图R''说明了钟形压力计所基于的原理。

它们适用于测量较小的压差。例如，它用于测量燃烧室中的压力-

在此设备中，有一个刻度，该刻度被划分为多个元素大小的元素，形成一个网格，一个传感器固定在机器的可移动托架上，将每条线转换为电脉冲，从而生成位移的模拟或数字指示。

1. 绝对：

与热电偶相比，它们用于获得更高的精度，或者用于测量较小的温度偏差（约0.02°C）。当测量的温度接近室温时，电阻是必不可少的。工业电阻温度计的最大误差接近0.5％。

该方法利用了电导体的电阻随温度的变化。它使用的物质是铂金属线（它们最常用于精度和耐腐蚀性），铜或镍，银等。

测温电阻金属丝缠绕在通常为陶瓷的绝缘支架上。在外部，电阻器由各种物质（金属，陶瓷，玻璃等）的测温表保护。

流量测量

流量测量有许多基本方法。有些是相当普遍的，有些则适用于有限的情况。

出于分类目的，主要流量测量元素可以分为以下主要组：

1. 压差计旋转流量计（流量计和涡轮机）电磁流量计变面积流量计排放流量计质量流量计固体流量计涡街流量计超声波流量计

本文仅涉及行业中最重要的流量计类型。

差压表

普遍用于流体流量测量的压差流量测量元件基于流体力学的通用定理（伯努利定理）。

P ₁ + pgh ₁ + pv ₁ ² = P ₂ + pgh ₂ + pv ₂ ²

• 二

使不可压缩流体的流量“ q”与压差相关的一般表达式如下：

q = KÖ（P ₁ -P ₂）

哪里：

q：流体流量

k：支出系数

P ₁：压力1

P ₂：压力2

尽管在这方面理论上取得了巨大的进步，但是所讨论现象的复杂性使得为了计算压差元素，我们使用实验数据和凭经验确定的表格。这是达到可接受精度的唯一方法。

压差元件是插入被测流体循环的管道中的各种类型的限制或约束。限制中发生的压降是流量的度量。

在各种类型的限制中，最常用的是：

1. 孔文氏管Dall管

孔数：

这是最常用的限制类型。它具有圆形板的形状，插入两个法兰之间的管中，并在孔中开出了计算得出的尺寸。孔口材料必须能够抵抗流体的化学和机械腐蚀。各种类型的不锈钢被广泛使用。

文丘里管：

它们比漏洞更复杂。文丘里管比孔板具有更高的精度，此外，压降得到了很大程度的恢复。另一个优点是，随着时间的推移，我们在指示方面具有更大的一致性，即具有更大的可重复性。

文丘里管特别推荐用于悬浮固体的液体。文丘里管的唯一缺点是成本高。

暗管：

该管产生的永久压力损失约为15％，比文丘里管便宜。

旋转仪表（仪表和涡轮）

当需要高精度测量流体量（0.1％至1％）时，可使用各种型号的计数器（摆动活塞，突变盘，齿轮齿转子，气体计数器等）。家用燃气表和水表是这种类型的。

涡轮流量计比文丘里管孔允许更高的压力，管子允许进行液体流量测量。从物理上讲，与其他类型的主要元件相比，涡轮流量计的尺寸非常小。主要器官是测量液体平均速度的涡轮机。

在安装在仪表内部底部的线圈中，其芯为永磁体，在涡轮机每个叶片的通道中都产生了脉冲。这些脉冲被放大并转换为矩形脉冲。电子脉冲计数器允许数字显示流量和液体量。在广泛的测量范围内，涡轮流量计的精度通常优于0.5％。

电磁流量计

此类仪表是唯一不会对液体流动造成阻碍的仪表。他们引入的压降等于相同尺寸的自由管的压降。因此，它们是测量粘性液体或悬浮固体中流量的理想主要元素。唯一的条件是液体的电导率高于既定的最小值。

这些仪表的操作基于电磁感应现象。以垂直于感应磁场的速度运动的电导体是电动势的源头，由以下关系式给出：

e =（B）（l）（v）

其中：e：电动势

B：感应磁场

l：导体长度

v：垂直速度

与液体流量成正比的感应电动势将由电子放大器放大。该措施的困难之一在于由制造设备中存在的磁场感应产生的电动势的低值（毫伏）和电路各部分的出现。

另一个困难与电网电压的变化有关，这会引起磁感应强度的变化。液体电导率的变化也会引入误差。

对于测量悬浮，糊状或腐蚀性固体的液体中的流量非常有用。当前存在电磁主要元件，其电极与液体不具有欧姆接触（电阻），而仅与电容具有欧姆接触（电阻）。

涡流计

它是一种主要的流量元件，具有比孔板更高的精度，没有活动部件，并且操作费用高。压力和温度变化不会影响测量。

由于没有机械零件，因此可靠性很高。该仪器基于对障碍物（涡流产生元件）形成的涡流通过的检测，该障碍物插入到流体的流路中。

旋涡在局部区域是小的涡流。涡流发生器元件沿对角线穿过计量管，并将流量分成两半。

在两个半部中的每个半部中交替形成涡流。确定生成元素的几何形状和轮廓，以便获得以下涡旋特征：

• 稳定性与费用成正比的旋涡数

在广泛的测量范围内，旋涡的数量与费用成正比。因此，在固定的时间间隔内，流量与漩涡数之间存在线性关系。

每当发生涡流时，在发电机元件的顶侧和底侧之间就会产生压差。压力脉冲的连续性由插入在发电元件内部的敏感元件检测。检测器发送的脉冲速率与旋涡数成正比，因此与成本成正比。

该仪器在使用孔板的常见应用中以及在测量带有悬浮或腐蚀性固体的液体时非常成功。

超声波流量计

穿过移动流体的狭窄声波束（在声学或超声波波段）会产生拖曳效应。超声波流量计利用了这种效果。

以最简单的形式，它由一个超声波发射器换能器（TT）和一个接收器换能器（TR）组成。

以脉冲形式发送的超声波在对面的壁上被反射时，会两次通过液体，由于液体的运动会带动超声波，因此整个路径，因此波的衰减取决于液体的速度。体液。

这种类型的仪表，即使在其初始阶段，其精度也要比孔板的精度高，并且不会像电磁仪表那样出现任何障碍。因此，它用于粘性糊状或危险液体（高压，腐蚀性，放射性）。

它需要通过热敏电阻进行自动温度校正，因为声速会根据体内温度而改变。

信号传输

变送器的经典定义告诉我们，它是一种捕获过程中变量并将其远程传输到指示器或控制器仪器的仪器。但实际上，该设备的主要功能是将任何信号转换为适合接收仪器的标准信号，这就是发送器如何从传感器和换能器捕获信号的方式，始终清楚变送器是变送器，但变送器不能是变送器；因为我们已经知道标准信号可以是气动的，其值在3至15 Psi之间，电子信号为4至20 mA或0至5伏

模拟和数字数据传输

模拟传输

• 模拟数据取连续值模拟信号是通过某种方式传播的连续信号。模拟传输是一种传输模拟信号的方式（可能包含模拟数据或数字数据）。模拟传输的问题是信号会随着距离的增加而减弱，因此必须在每个特定的距离使用信号放大器。

数字传输

• 数字量取离散值离散值数字数据通常由表示信号二进制值的一系列电压脉冲表示。数字传输存在信号随距离衰减和失真的问题，因此每个您必须引入一定距离才能引入信号中继器。

最近，数字传输被广泛使用是因为：

数字技术变得便宜得多。

• 通过使用中继器而不是放大器，噪声和其他失真不会累积，数字技术更多地利用了宽带利用率，传输的数据可以被加密，因此具有更高的信息安全性。信号，模拟数据服务（语音，视频等）可以与数字，文本和其他形式集成。

传输干扰

衰减

信号的能量随距离而衰减，因此必须确保信号以足够的能量被接收器电路捕获，此外，噪声必须大大小于原始信号（以保持信号的能量）。使用信号放大器或中继器）。

因为衰减随频率变化，所以模拟信号失真，因此必须使用将初始特性恢复为信号的系统（使用改变电特性或放大更大频率的线圈） 。

延迟失真

因为在引导介质中，信号的传播速度会随频率而变化，所以在同一信号中，某些频率会先于其他频率到达，因此信号的不同频率分量会在不同时间到达接收器。均衡技术用于缓解此问题。

噪声

噪声是在给定信号的发射器和接收器之间插入的任何信号。有不同类型的噪声：导体内部电子的热搅动引起的热噪声；当不同频率共享同一传输介质时产生互调噪声；当传输信号的线路之间存在耦合时，会产生串扰和脉冲噪声这些是影响信号的持续时间短且幅度大的不连续脉冲。

通道容量

信道容量称为可以在数据通信信道上传输数据的速率。

数据速率是每秒可以传输数据的速率（以位/秒为单位）

带宽是发射信号的带宽，该带宽受发射机和传输介质的性质（以赫兹为单位）限制。

错误率是发生错误的比率。

对于给定的带宽，建议使用尽可能高的传输速度，但要确保不超过建议的错误率。为此，最大的缺点是噪音。

对于给定的带宽W，最高可能的传输速度为2W，但是如果允许（使用数字信号）在每个周期中对一个以上的位进行编码，则可以传输更多的信息。

奈奎斯特（Nyquist）的公式告诉我们，通过增加信号中的微分电压电平，可以增加传输的信息量。

C = 2W记录₂ M

该技术的问题在于，接收器必须能够区分接收信号中的更多电压电平，这会因噪声而变得困难。

传输速度越高，噪声可能造成的损害越大。

Shannon提出了与信号强度（S），噪声强度（N），信道容量（C）和带宽（W）相关的公式。

C = W log ₂（1 + S / N）

该容量是理论上最大的传输量容量，但实际上它是较小的，因为除了热噪声之外没有其他考虑。

发射器类型

气动变送器：其原理与百叶窗喷嘴系统相符，该百叶窗喷嘴系统由恒定压力不超过25 Psi的管组成，该管通过一个限制器，该限制器将直径减小了约0.1 mm，另一端则减小了直径它变成直径为0.25-0.5 mm的喷嘴，该喷嘴暴露于大气中，从而产生由百叶窗调节的排气，该百叶窗完成了控制泄漏量的任务，该泄漏量与喷嘴和喷嘴之间的距离成比例。

喷嘴-百叶窗的功能是，当百叶窗箔减小或增加到喷嘴的距离时，它将对内部压力产生反比例的影响，该内部压力介于大气压力和供给压力之间，并且等于输出信号。对于完全封闭的喷嘴，发射器的功率等于15 Psi，而完全打开时则等于3 Psi。

为了获得有效的输出，并且由于从系统中获得的空气量很少，因此将放大的先导阀连接到该阀，从而形成两级放大器。

先导阀由一个百叶窗组成，该百叶窗允许两个空气流通过，该空气流通过第一和第二表面之间的压差确定输出，从而克服了试图使阀门保持关闭的弹簧，尽管实际上只有最小的开度确定3 Psi作为最小输出的原因。阀门功能是：

• 增加供应流量或排气流量以实现不到一秒的响应时间压力放大（增益）从4增至5，以获得3-15 Psi的气动信号。

气动变送器具有以下特点：

• 零输出流量时的空气消耗较低，到接收器的输出流量更高，出口压力的死区，力平衡，直接作用。

电子变送器：通常使用力平衡，这种不平衡会导致相对位置变化，从而使位移传感器（例如电感检测器或差动变压器）受到激励。与这些检测器中的任何一个相关的振荡器电路都为磁性单元供电，这就是通过与过程变量的间隔成比例地改变输出电流来补充反馈电路的方式。在标准4-20mA输出上，其精度为0.5-1％。它们以传感器输入范围为特征。

智能变送器：由于内置微处理器，它们能够执行除传输过程信号之外的其他功能。智能发射机还有两种基本模型：

• 电容由一个电容器组成，该电容器由一个分隔板的内部膜片组成，当打开板片时，是因为施加了压力，该膜片充满了油，使板之间的距离变化不超过0.1毫米。然后，该信号被振荡器和解调器放大，后者将模拟信号转换为数字信号，然后由微处理器接收，其半导体特性允许集成一个韦斯顿桥，微处理器将信号线性化并传送到其中4-20mA输出。

智能变送器允许您读取值，配置变送器，更改其测量范围并诊断故障，校准和更改测量范围。一些变送器具有电子元件的自校准，自诊断功能；其精度为0.075％。它监视温度，稳定性，测量范围广，维护成本低，但缺点是速度慢，遇到快速变量时可能会出现问题，并且在通信性能方面它不会提供通用设备，即不能与其他品牌互换。

如何校准变送器：

1）初步检查和调整：

• 观察设备的物理状况，零件的磨损，清洁度和设备的响应；与合适的模式（根据范围和精度）相比，确定设备指示的误差；对零，倍率，角度和其他附加值进行调整推荐的工艺裕度，或允许在两个方向（非极端）中进行初步缩放的调整幅度。这将使角度误差最小化。

2）调零：

• 将变量设置为范围的零至10％的低值，或将其放置在第一个代表性的区域中，除了具有零抑制或有效零抑制的设备外，为此，必须根据范围和精度使用适当的机制来模拟变量如果要校准的仪器未指示以上设置的值，则必须调整调零机构（指针，弹簧，变阻器，千分尺螺钉等）。变量零（带有高程或删除）必须在先前的零位调整点之后进行。

3）乘法调整：

• 将该变量设置为较高的70到100％的值，如果仪器未显示该设置值，则必须调整倍增或跨度机制（单臂，杠杆，变阻器或增益）。

4）重复最后两个步骤，直到获得正确的校准值为止

高和低。

5）角度调整：

• 将变量设置为跨度的50％，如果增加的幅度不能表示50％，则根据设备调整角度机制。

6）在这三个点重复最后两个步骤4和5，直到获得正确的校准。

注意：完成此程序后，必须制作校准报告，大约要分四点：相对于实际值的理论值（尽可能准确），同时通过升序和降序来确定是否有磁滞。

压力和温度变送器，用于：

•塑料挤出

• 塑料成型

•工业通用

在热扩散原理下的气体，液位和流量开关的质量流量变送器

气动和电子压力液位变送器。

•用于造纸业

•用于一般工业

液位变送器和开关按

射频原理工作。

信号变送器

•警报

•I / P，P / I转换器

•温度变送器

•数据通信系统

检视问题

1.-需要什么控制系统？

2.-主要元素做什么？

3.-改变换能器过程幅值的仪器名称是什么？

4.-提及至少八个主要元素来测量压力

5.-绝对压力，压差和相对压力之间有什么区别？

6.-波纹管和隔膜的功能是什么？

7.-提及用于测量力的三个设备。

8.-描述使用增量方法测量NC机器中位移的设备。

9.- pH测量中使用的两种电极类型是什么？

10.-提及一些用于物位测量的设备，并告知最常用的设备。

11.-说哪些是最适合自动过程控制的温度测量元件。

12.-为什么将热电偶更多地用作温度测量元件是什么原因？

13.-提及流量测量的主要主要要素。

14.-哪些主要测量元件不会对流体通过造成阻碍？

15.-哪些主要测量元件可以测量流体量？

16.-模拟传输和数字传输有什么区别？

17.-什么是变送器？

18.-自动化中有几种类型的变送器？

作者Ing。IvánEscalona

后勤顾问，移动电话：044 55 18 25 40 61（墨西哥）

工业工程师

[email protected]，[email protected]

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-大学研究：国家理工学院（IPN）的工程与社会及行政科学跨学科专业部门（UPIICSA）

-Patoyac学校中心（在UNAM合并）

产地：墨西哥

参考书目

• 工业自动化技术。

JoséJ. Horta Santos。

编辑。豪华轿车

墨西哥，1982年。

47-102页

• 机器人技术：简介

麦克克洛伊

1号 版。

编辑。豪华轿车

墨西哥，1993年

22-27页

推荐读物

控制系统技术简介（第7版），

Robert N.，PE Bateson，Robert N.Bateson，

学徒厅; 第7版，

706分

控制系统工程

Norman S. Nise

约翰·威利父子公司；第三版

950页

结论

自从它的出现在我们的生活中盛行以来，自动控制就是一个概念，并且由于它的重要性和在工业过程中的应用而将继续如此。

从这个意义上说，知道什么类型的元件或装置也很重要，以便控制变量，例如位移，压力，温度，氢势，速度，重量，流量等。 。

用于测量变量的设备可以节省工作并在某些过程或产品的过程中提供准确性。

一般而言，过程的控制，罐和反应器，料斗等中液体和固体的含量是重要的变量。用于物位测量的设备千差万别，例如超声波和核能是工业上非常复杂的设备。

为了研究过程的自动化，有趣的是要知道输入和输出变量之间的关系，通常在各种工业过程中，必须控制要转换的材料的重量或调整作用力的大小。表演。

我们了解到，对于力的测量，会产生传感器，将这些量转换为更易于测量的其他量。上面提到的变量的测量必须使用直接测量仪器完成，或者使用所谓的传感器，它们是将变量更改为另一个变量以方便测量的元素，在这种情况下，其值没有修改因为它们是等效的，所以仅由于易于测量所述变量而进行改变。

在工业中，必须对变送器的概念进行管理，变送器是一种捕获过程中变量并将其远程传输到指示器或控制器的仪器。但实际上，这是仪器和自动化行业的主要功能，用于对仪器质量进行测试分析。

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