一、測量控制系統(tǒng)的組成
在自動控制回路中主要由輸入傳感器、調(diào)節(jié)儀、輸出執(zhí)行裝置與被控對象四個(gè)部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。
控制原理圖
現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量?環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量調(diào)節(jié)和被控設(shè)備也就可以確定了。測量控制結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。
在儀表的使用過程中要充分了解輸入傳感器技術(shù)規(guī)格特性，才能更好的應(yīng)用儀表。選擇合理的輸入模塊才能更好的應(yīng)用儀表。如：I4模塊應(yīng)用在二線制變送器，同時(shí)饋電24VDC；如：I2模塊應(yīng)用在頻率輸入，饋電12VDC；J0模塊熱電阻；J1模塊熱電偶等。
二、儀表常用輸入規(guī)格
以AI-808儀表為例一臺儀表可以兼容常規(guī)所有輸入規(guī)格入下：
熱電偶：K、S、R、E、J、T、B、N 熱電阻：Cu50、Pt100
線性電壓：0－5V、1－5V、0－1V、0－100mV、0－20mV等
線性電流（需外接分流電阻）：0－10mA、0－20mA、4－20mA等
擴(kuò)充規(guī)格：在保留上述輸入規(guī)格基礎(chǔ)上，允許用戶指定一種額外輸入規(guī)格（按特殊分度表輸入）
●測量范圍：
熱電偶：K(-50－+1300℃)、S(-50－+1700℃)、R(-50－+1650℃)、T(-200－+350℃)
E(0－800℃)、J(0－1000℃)、B(0－1800℃)、N(0－1300℃)
熱電阻：Cu50(-50－+150℃) 、Pt100(-200－+600℃)
線性輸入：-1999－+9999由用戶定義
●測量精度：0.2級（熱電阻、線性電壓、線性電流及熱電偶輸入且采用銅電阻補(bǔ)償或冰點(diǎn)補(bǔ)償冷端時(shí)） 0.2%FS±2.0℃（熱電偶輸入且采用儀表內(nèi)部元件測溫補(bǔ)償冷端時(shí)）
●響應(yīng)時(shí)間：≤0.5秒（設(shè)置數(shù)字濾波參數(shù)dL=0時(shí)）
注：儀表對B分度號熱電偶在0－600℃范圍時(shí)可進(jìn)行測量，但測量精度無法達(dá)到0.2級，在600－1800℃范圍可保證0.2級測量精度。
在確定傳感器型號后在儀表參數(shù)表設(shè)定傳感器代號就能正常顯示測量數(shù)據(jù)。表格如下：
代號 傳感器輸入類型 代號 傳感器輸入類型
0 K 20 Cu50
1 S 21 Pt100
2 R 22 0~75mV 電壓輸入
3 T 26 0~80歐 電阻輸入
4 E 27 0~400歐 電阻輸入
5 J 28 0~20mV 電壓輸入
6 B 29 0~100mV 電壓輸入
7 N 30 0~60mV 電壓輸入
8 WRe3-WRe25 31 0~1V
9 WRe5-WRe26 32 0.2~1V
10 客戶自定義 33 1~5V 電壓輸入
12 F2 輻射高溫溫度計(jì) 34 0~5V 電壓輸入
Sn=10時(shí)，采用外部分度號擴(kuò)展，用戶可以自輸入非線性輸入表格。
三、輸入信號類型
第一類、溫度傳感器
1、熱電偶與熱電阻一樣都是溫度傳感器，但是他和熱電阻的區(qū)別主要在于：
1.1 信號的性質(zhì)，熱電阻本身是電阻，溫度的變化，使電阻產(chǎn)生正的或者是負(fù)的阻值變化；而熱偶，是產(chǎn)生感應(yīng)電壓的變化，他隨溫度的改變而改變。
1.2 兩種傳感器檢測的溫度范圍不一樣，熱電阻一般檢測－200～800度溫度范圍；熱偶可檢測0-2300度的溫度范圍（甚至更高）所以，前者是低溫檢測，后者是高溫檢測。熱電阻是阻值隨溫度的變化而變化，而熱電偶輸出是毫伏信號。熱電阻測量范圍0到幾百攝氏度，精度要比電偶的高，電偶測溫范圍可達(dá)一千多度。電偶測溫反應(yīng)時(shí)間要比電阻的快。
1.3 從材料上分，熱阻是一種金屬材料，具有溫度敏感變化的金屬材料，熱偶是雙金屬材料，既兩種不同的金屬，由于溫度的變化，在兩個(gè)不同金屬絲的兩端產(chǎn)生電勢差。
2、熱電偶的基本構(gòu)造及如何選型：
2.1 測溫?zé)犭娕际抢脙煞N金屬之間的熱電現(xiàn)象來測溫的。在兩種不同金屬導(dǎo)體焊成的閉合回路中，若兩焊接端的溫度不同時(shí)，就會產(chǎn)生熱電勢。這種由兩種金屬導(dǎo)體組成的回路就稱為熱電偶。實(shí)用的熱電偶只焊接一端，此焊接的一端稱為熱端（工作端），另一端不焊接而是接入測量儀表，稱為冷端（自由端）。當(dāng)熱電偶冷端和熱端的溫度不同時(shí)，就會產(chǎn)生熱電勢，其值與組成熱電偶的材料性質(zhì)、冷端和熱端的溫差大小有關(guān)、而與熱電極的長度、直徑無關(guān)。
2.2 測量精度和溫度測量范圍的選擇。使用溫度在1300~1800℃，要求精度又比較高時(shí)，一般選用B型熱電偶；要求精度不高，氣氛又允許可用鎢錸熱電偶，高于1800℃一般選用鎢錸熱電偶；使用溫度在1000~1300℃要求精度又比較高可用S型熱電偶和N型熱電偶；在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶，低于400℃一般用E型熱電偶；250℃下以及負(fù)溫測量一般用T型電偶，在低溫時(shí)T型熱電偶穩(wěn)定而且精度高。
2.3 儀表對B分度號熱電偶在0－600℃范圍時(shí)可進(jìn)行測量，但測量精度無法達(dá)到0.2級，在600－1800℃范圍可保證0.2級測量精度。
2.4 熱電阻與熱電偶的特殊用途：用2支PT100鉑電阻可用于干濕球溫濕度測量；溫差測量將2支熱電偶反并聯(lián)測量溫度差，應(yīng)用在空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)出水溫差測量。
3、熱電阻的基本構(gòu)造及如何選型
鉑熱電阻是利用鉑絲的電阻值隨著溫度的變化而變化這一基本原理設(shè)計(jì)和制作的，按0℃時(shí)的電阻R℃100歐姆（分度號為PT100）等，PT100測溫范圍均為-200~800℃。感溫元件骨架的材質(zhì)也是決定鉑熱電阻PT100使用溫區(qū)的主要因素，常見的感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們是由鉑絲分別繞在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經(jīng)過復(fù)雜的工藝加工而成。由于骨架材料本身的性能不同，陶瓷元件適用于850℃以下溫區(qū)，玻璃元件適用于550℃以下溫區(qū)。近年來市場上出現(xiàn)了大量的厚膜和薄膜鉑熱電阻PT100 感溫元件，厚膜鉑熱電阻PT100元件是用鉑漿料印刷在玻璃或陶瓷底板上，薄膜鉑熱電阻PT100元件是用鉑漿料濺射在玻璃或陶瓷底板上，再經(jīng)光刻加工而成，這種感溫元件僅適用于-70~500℃溫區(qū)。
第二類、二線制變送器及線性電流輸入信號
1、應(yīng)用類型
將物理測量信號或普通電信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號輸出一般分0～20mA、4～20mA、0～5V、1～5V等作為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器、紅外溫度變送器等信號的輸出。
模塊選擇：電流模塊I4；
2、變送器量程范圍的確定
測量物理量的變送器量程范圍的選擇要求是大于常用量程的1/3為好，特別是壓力測量，因?yàn)閴毫Σ▌哟?，會造成超量程損壞變送器，影響正常儀表顯示。
3、信號范圍定義及量程擴(kuò)展
二線制變送器的信號是大家已經(jīng)很熟悉的DC 4-20mA直流電流信號。該DC 4-20mA直流電流信號抗噪訊能力很強(qiáng)，即使在有電力設(shè)備的環(huán)境下都可以保證信號的穩(wěn)定傳送。
信號回路上是4-20mA的電流信號。二線制變送器利用輸入信號0%對應(yīng)4mA的直流電流動作。信號為100%時(shí)，變送器就在4mA上加上16mA將回路的信號控制在20mA。在實(shí)際應(yīng)用中傳感器輸入信號和4-20mA的輸出信號成正比。
對應(yīng)線性輸入信號還需輸入信號量程，有下限刻度值DIL與上限刻度值DIH來定義，所需顯示的刻度數(shù)據(jù)。
量程擴(kuò)展：有的線性輸入信號是特殊的量程范圍如電阻變阻器0～75mV的信號，可采用0～100mV輸入規(guī)格，刻度量程按等分?jǐn)U展就可以了。
第三類、電量/功率測量
近年來電量儀表數(shù)字化的迅速發(fā)展，可以將具備有互感器隔離的交流電壓及交流電流信號輸入，給數(shù)字顯示儀表，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示、報(bào)警、變送、通訊功能。實(shí)現(xiàn)了普及應(yīng)用，是指針式儀表的更新?lián)Q代產(chǎn)品。
模塊選擇：電流I7、電壓I8模塊；
具備有互感器隔離的交流電壓及交流電流信號輸入的信號接入專用I7、I8模塊就可測量電流、電壓。
同時(shí)輸入電流/電壓就實(shí)現(xiàn)計(jì)算功率測量儀，具有2個(gè)上限報(bào)警2個(gè)下限報(bào)警、變送、通訊功能。
對于電度量的測量采用AI-601型高性能電流/電壓/功率測量儀配合流量結(jié)算儀就可以按小數(shù)來累積電度量。
如：假定電流互感器為200：5，輸入電壓滿刻度500VAC，因此功率滿刻度為100KW，變送功率電流上限刻度為100定義，變送的電流給流量結(jié)算儀來計(jì)算電度，流量量程范圍按100度/小數(shù)流量來計(jì)算電度數(shù)。
第四類、流量信號輸入
以AI流量積算儀為例：可對物質(zhì)的質(zhì)量、體積、長度進(jìn)行累積計(jì)算，并可進(jìn)行批量控制。
流量輸入信號可為1-5V、0-5V、4-20mA及頻率等，溫度信號可編程輸入為Pt100熱電阻、K、E、J型熱電偶、電壓或電流信號，壓力信號可為各種電壓或電流信號。
輸入模塊選擇：電流I4（供電24V）、頻率I2（供電12V）；
AI-808H流量積算儀具備完整的溫壓補(bǔ)償功能，無需更換不同的儀表或型號，通過編程即可實(shí)現(xiàn)一般氣體、飽和蒸汽、過熱蒸汽及液體的溫壓補(bǔ)償運(yùn)算。采用查表方式對蒸汽進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，具有較高的精度。并可依照用戶要求擴(kuò)充補(bǔ)償公式實(shí)現(xiàn)特殊功能，如對熱量或其他物理量的累積，含水分天然氣累積等。
流量溫壓補(bǔ)償類型：
飽和蒸汽，壓力補(bǔ)償:參數(shù)選擇bC =3；過熱蒸汽，溫度壓力補(bǔ)償：參數(shù)選擇bC =4；
批量控制：
作為批量控制器使用時(shí)，具有獨(dú)立的4位控制累積器及12位總累積器，及專門的顯示模式，功能強(qiáng)大，操作方便。
作為批量控制器用（參數(shù)Act=1-255時(shí)）。做為批量控制器使用時(shí)，有一個(gè)4位累積器專供批量控制用，當(dāng)累積量達(dá)到控制值（SV+FSb）時(shí)，它會使安裝在OUTP位置的繼電器（OP1燈亮）動作，并在繼電器釋放時(shí)自動清零，繼電器保持時(shí)間長短可以設(shè)置，或設(shè)置成無限長（需要外部操作解除）。批量控制時(shí)，儀表CLn、FLJH和FLJL等3個(gè)參數(shù)組成一個(gè)不能清零的12位累積器，可統(tǒng)計(jì)總累積量。
長度累積：
長度信號一般采用【旋轉(zhuǎn)編碼器】。量程FdIH是每小數(shù)70米；要確定頻率Frd量程?是多少；首先要確定轉(zhuǎn)一圈要多少個(gè)脈沖。如有一物體直接125.5mm×3.14＝周長394.07mm，70000mm÷394.1＝177.62×600脈沖÷3600秒≈29.6＝30HZ
流量儀表的參數(shù)設(shè)置：流量頻率信號Frd＝30HZ
流量量程FdIH＝70..00米
流量小數(shù)點(diǎn)FdIP＝0.00
第五類、自由定義雙路輸入/輸出量程
以AI-7021型雙路溫度變送器/信號隔離器模塊為例：是用DIN導(dǎo)軌安裝的智能化的雙路可編程溫度變送器/信號隔離器，輸入信號可以為2路可任意編程的熱電偶、熱電阻及線性電壓（mV），外部并聯(lián)精密電阻可輸入電流信號，輸出為2路相互隔離的標(biāo)準(zhǔn)電流（4~20mA或0~20mA）輸出。設(shè)置參數(shù)還可編輯作為1進(jìn)2出。
2路可編程測量輸入回路，支持K、S、E、J、B、N、T、WRe5-WRe26、Pt100、Cu50、0~20mV、0~100mV、0~1V、0.2~1V等多種規(guī)格熱電偶、熱電阻及電壓信號輸入，熱電偶自動冷端補(bǔ)償，并可以自由定義溫度變送輸出的量程。2輸入回路均具備數(shù)字濾波，且濾波強(qiáng)度可以獨(dú)立調(diào)整或取消濾波。
定義信號變送輸出刻度上限：例如通道1需要將0~600℃范圍的溫度變送輸出，則可以設(shè)置SCL1＝0，SCH1=600；通道2變送輸出范圍為0~1000℃，則可設(shè)置SCL2=0，SCH=1000。
特殊任意編程定義：提高變送精度可定義變送傳感器的中間的一段溫度如50～100℃。
第六類、特殊輸入規(guī)格
輸入信號是多種多樣的，對于特殊的信號輸入需要定制，特增設(shè)SN＝10來滿足各種需求。
如非線性輸入：
當(dāng)輸入規(guī)格承非線性時(shí)客戶可自行設(shè)置非線性的特殊規(guī)格（應(yīng)設(shè)置SN=10）
自定義輸入規(guī)格（A 00 =0）：設(shè)置方法如下
A 01 定義輸入類型（當(dāng)表格用于建立特殊輸入規(guī)格時(shí)用到），其數(shù)值定義如下：
A 01=A×1+E×16+G×64
A表示儀表量程：0，20mV(0-80歐)；1，60mV（0-240歐）；2，100mV（0-400歐）；3，1V；4，5V
E=0，表示線性輸入信號時(shí)表格輸出值還需要由dIH/dIL參數(shù)再進(jìn)行定標(biāo)。E=1時(shí)，則表格輸出值就是顯示值。
G表示輸入信號是電阻類還是電壓（電流）類及表示輸入信號是溫度類還是非溫度類，含義如下：
G=0，熱電偶；G=1，熱電阻；G=2，線性電壓（電流）；G=3，線性電阻
如：信號為1-5V電壓輸入，非溫度類，則設(shè)置A01=4×1+0×8+0×16+2×64=132
A 02用于定義輸入信號下限，信號下限×20000/量程，例如1-5V信號輸入，則可設(shè)置A02=1×20000/5=4000。
A 03 表示輸入信號范圍，例如1-5V輸入中，范圍是5-1V=4V，則應(yīng)設(shè)置A03=4×20000/5=16000
A 04表示輸入信號表格間距，A04=A03/曲線段數(shù)，如果只有一段，則A04=A03=16000。
d 00，表示曲線表格起點(diǎn)值，其對應(yīng)為輸入信號為A02時(shí)的輸出值。例可設(shè)置為0。
d 01，表示曲線表格第1段值，其對應(yīng)為輸入信號為A02+A04時(shí)的輸出值，例如可設(shè)置為20000（滿量程）。
d 02-d60，表示曲線表格第2-60段值，如全部應(yīng)用可修正非常復(fù)雜的曲線，如開方、對數(shù)和指數(shù)曲線等。
上例即可構(gòu)成一個(gè)1-5V線性信號輸入的例子，增加曲線段數(shù)即可實(shí)現(xiàn)非線性修正。
例2當(dāng)輸入的是PT100鉑電阻，但是需要2位小數(shù)來精確控制最大顯示范圍99.99℃也可用此方法來解決。數(shù)據(jù)表格如下：
序號 數(shù)據(jù) 序號 數(shù)據(jù) 序號 數(shù)據(jù) 序號 數(shù)據(jù)
A0 0 d00 0 d11 21.73 d21 41.63
A1 2.09 d01 1.97 d12 23.72 d22 43.63
A2 83.38 d02 3.95 d13 25.72 d23 45.62
A3 32.09 d03 5.92 d14 27.69 d24 47.62
A4 0.64 d04 7.9 d15 29.68 d25 49.62
d05 9.87 d16 31.67 d26 51.62
d06 11.85 d17 33.67 d27-d59：均為－0.01
d07 13.82 d18 35.64
d08 15.79 d19 37.64
d09 17.77 d20 39.64
d10 19.77
四、輸入連接導(dǎo)線的接線方式
熱電偶與熱電阻連接儀表有不同的要求：
1、熱電偶的連接方式
采用補(bǔ)償導(dǎo)線，通常由補(bǔ)償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護(hù)套、屏蔽層組成。在一定溫度范圍內(nèi)（包括常溫）、具有與所匹配的熱電偶的熱電動勢的標(biāo)稱值相同的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線，用它們連接熱電偶與測量裝置，以補(bǔ)償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。
2、熱電阻的信號連接方式
熱電阻是把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過銅導(dǎo)線連接傳遞到二次儀表上或者其它控制裝置。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，與控制室之間存在一定的距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果會有較大的影響。
目前熱電阻的引線主要有三種方式。
2.1 二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合
2.2 三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的引線電阻。
3、輸入模擬量信號連接儀表有不同的要求
AI儀表的模擬量輸入是采用電壓輸入法，有二種方式連接有源或無源信號：在輔助輸入口MIO口安裝I4模塊直接接入二線制變送器，同時(shí)饋電DC24V；或在主輸入口0～20mA；4～20mA信號并接250Ω電阻變成0～5V；1～5V信號輸入；在儀表熱電偶主輸入口設(shè)置為0～1V或0.2～1V，然后外接100歐或50歐電阻變換即可，等多種規(guī)格。
多種信號輸入的接線：
對于控制調(diào)節(jié)閥伺服電機(jī)接線有多組信號接入，需要有多樣化的改變：
如果是程序儀表通訊口被站用了，在MIO口用作開關(guān)量輸入來控制程序的起/停/暫停時(shí)，當(dāng)儀表應(yīng)用在伺服器直接控制調(diào)節(jié)閥時(shí)反饋信號4～20mA并250Ω電阻變1～5V主輸入口接入，此時(shí)測量信號為線性電流/電壓時(shí)不能用1～5V/0～5V輸入，可用儀表熱電偶主輸入口輸入用0～1V或0.2～1V，然后將4～20mA信號外接100歐或50歐電阻變換即可，這對于熱電偶、熱電阻是不影響的。對于程序儀表還可安裝外部開關(guān)量輸入來控制程序的起/停/暫停，在MIO口已被占用可在通訊口來控制程序的起/停/暫停。
當(dāng)反饋信號是電阻信號，傳感器信號從主輸入輸入，二線制變送器饋電從AUX位安裝V24電源模塊，開關(guān)量輸入來控制程序的起/停/暫停安裝在儀表通訊口。
五、結(jié)束語
各類傳感器二線制變送器的應(yīng)用非常廣泛，不論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防建設(shè)，還是在日常生活、教育事業(yè)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域，處處可見模擬傳感器的身影，在選用時(shí)要考慮傳感器的測量精度問題。精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的可靠性直接影響儀表的顯示準(zhǔn)確性。
在安裝時(shí)要考慮各種信號線的布線干擾問題，特別是信號線與交流動力線同走一個(gè)長的管道中干擾尤甚，會引起通道信號的竄擾；
空間的各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會干擾傳感器的正常工作；此外，現(xiàn)場溫度、濕度的變化可能引起電路參數(shù)發(fā)生變化，腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用，野外的風(fēng)沙、雨淋，甚至鼠咬蟲蛀等都會影響傳感器的可靠性。
影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。
充分了解傳感器的性能才能更好的應(yīng)用儀表。
（轉(zhuǎn)載）
