化工仪表及自动化第3章1和课件.ppt

化工仪表及自动化,第三章 检测仪表与传感器,概述压力检测及仪表流量检测及仪表物位检测及仪表温度检测及仪表现代检测技术与传感器的发展显示仪表,3.检测仪表与传感器,主要内容,基本要求,1.掌握仪表精度的意义及与测量误差的关系。2.了解仪表的性能指标。3.初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法。4.了解各种流量计的测量原理。重点是差压式流量计及转子流量计。5.了解各种液位测量方法。初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。6.掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理。熟悉热电偶温度测量中得到冷端温度补偿的作用及方法。7.了解电动温度变送器的作用及原理。了解智能变送器的基本原理与主要构成。,检测技术在工业生产领域的应用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.,3.1 概述,3.1 概述,用来检测流量、压力、温度等参数的技术工具称为检测仪表。它是控制信息的源头，是信号变换、加工、处理、存储的基础，在控制系统中处于十分重要的地位。有时将检测元件、变送器和显示仪表统称为检测仪表。用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号的仪表通常称为传感器。当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。,一、测量过程与测量误差,测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。,测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。,3.1 概述,产生的原因：所使用的测量工具本身不够准确，观测者的主观性和周围环境的影响等,绝对误差,xi：仪表指示值,xt：被测量的真值,由于真值无法得到,x：被校表的读数值，x0：标准表的读数值,相对误差,3.1 概述,二、仪表的性能指标,1.精确度（简称精度）,说明：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值max。,相对百分误差,允许误差,3.1 概述,仪表的允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“”号及“”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。,小结,3.1 概述,举例,例1某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表时得到的最大绝对误差为4，试确定该仪表的精度等级。,解 该仪表的相对百分误差为,如果将该仪表的去掉“”号与“”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。,3.1 概述,例2某台测温仪表的测温范围为1000。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？,解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为,如果将仪表的允许误差去掉“”号与“”号，其数值介于0.51.0之间，如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为1.0，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。,3.1 概述,3.1 概述,总结,根据仪表校验数据确定仪表精度等级时，仪表允许误差 仪表校验所得的相对百分误差 根据工艺要求选择仪表精度等级时，仪表允许误差 工艺上允许的最大相对百分误差,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。,精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。,仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。,举例,1.5,1.0,如：,3.1 概述,2.变差,变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。,图3-1 测量仪表的变差,3.1 概述,注意,仪表变差不能超出仪表的允许误差,3.灵敏度与灵敏限,仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即,式中，S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。,仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。,注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。,3.1 概述,4.分辨力,对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。,不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。,3.1 概述,5.线性度,线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。,图3-2 线性度示意图,式中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。,3.1 概述,6.反应时间,反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。,仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。,仪表的反应时间有不同的表示方法,当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。,仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2（95）所用的时间，可用来表示反应时间。,3.1 概述,三、工业仪表的分类,1.按仪表使用的能源分类,气动仪表、电动仪表、液动仪表,以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。,一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。,优点,缺点,常用,3.1 概述,2.按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类,检测仪表,作用是获取信息，并进行适当的转换。,显示仪表,作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。,集中控制装置,包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。,控制仪表,可以根据需要对输入信号进行各种运算。,执行器,可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。,3.1 概述,图3-3 各类仪表的作用,3.1 概述,3.按仪表的组成形式分类,基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。优点：比较适于在现场做就地检测和控制缺点：不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。,分为基地式仪表和单元组合仪表,3.1 概述,化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。,注意,单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。,3.1 概述,一、压力单位及测压仪表二、弹性式压力计三、电气式压力计四、智能型压力变送器五、压力计的选用及安装,3.2 压力检测及仪表,主要内容,一、压力单位及测量仪表,压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。,压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）,3.2 压力检测及仪表,重要的操作参数之一,在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。,图3-4绝对压力、表压、负压（真空度）的关系,3.2 压力检测及仪表,工程上所用的压力指示值，大多为表压,大气压力：大气自重产生的压力表压：以大气压作为基准绝压：以绝对真空为基准真空度：低于大气压的压力,3.2 压力检测及仪表,测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。,液柱式压力计是将被测压力转化为液柱的高度来进行测量的一种仪表；弹性式压力计是利用测量弹性敏感元件在压力作用下产生的弹性变形的大小来测量压力的一种仪表；电气式压力计是将被测压力转化为电量（电压、电流、电阻等）进行测量的仪器；活塞式压力计是将被测压力转化为活塞上所加平衡砝码的质量进行测量的仪器，一般用作校验仪器。,1.液柱式压力计,它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。,按其结构形式的不同,有U形管压力计、单管压力计等,优点,这类压力计结构简单、使用方便,缺点,其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。,3.2 压力检测及仪表,3.2 压力检测及仪表,U形管压力计,单管压力计,微压计,2.弹性式压力计,它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。,3.电气式压力计,它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。,3.2 压力检测及仪表,4.活塞式压力计,它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。,优点,缺点,测量精度很高，允许误差可小到0.05%0.02%。,结构较复杂，价格较贵。,3.2 压力检测及仪表,一般用于校验。,二、弹性式压力计,原理,以弹性元件受压后产生的反作用力与被测压力平衡。弹性元件的变形为被测压力的函数，通过测量变形就可以间接测得压力的大小。,优点,具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。,可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。,3.2 压力检测及仪表,应用最广泛的测压仪表,1.弹性元件,弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。,图3-5 弹性元件示意图,弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示。,3.2 压力检测及仪表,测量高压,微压与低压,用的最多的为弹簧管压力计,2.弹簧管压力表,分类,使用的测压元件 单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。,用途 普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。,3.2 压力检测及仪表,由弹簧管压力感受元件和放大指示机构两部分组成。,3.2 压力检测及仪表,组成：(1)弹簧管：扁平、中空，横截面为椭圆形，一端固 定，一端为自由端，弧度为270度，铜、合金铜、钢 作用：感受压力信号，并转换为位移信号。（2）齿轮、杠杆传动机构 作用：传递放大（两级放大），改变调整螺钉的位 移，可调量程。（3）游丝：克服齿轮间的间隙，减少变差（4）指针及表盘：指示,基本测量原理,单圈弹簧管是一根弯成270圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。,注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。,3.2 压力检测及仪表,压力弹簧管位移 一级放大（扇形齿轮）二级放大（中心齿轮）指示,3.2 压力检测及仪表,弹簧压力表,1弹簧管；2 拉杆；3 扇形齿轮；4 中心齿轮；5 指针；6 面板；7 游丝；8 调整螺丝；9 接头,3.2 压力检测及仪表,三、电气式压力计,定义,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。,3.2 压力检测及仪表,图3-8 电气式压力计组成方框图,组 成,一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。,3.2 压力检测及仪表,压力传感器：将压力信号检测出来，并转换成电信号输出。压力变送器：将传感器的输出信号进行变换，实现放大、远距离传送、线性化处理或转变成规定的统一信号。,3.2 压力检测及仪表,几种常见的传感器或变送器：霍尔片式压力传感器、应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力变送器,1.霍尔片式压力传感器,霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。,图3-9 霍尔效应,霍尔电势可用下式表示,式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。,3.2 压力检测及仪表,注意,霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为320mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。,导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。,3.2 压力检测及仪表,将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图3-10所示。,图3-10 霍尔片式压力传感器,1弹簧管；2 磁钢；3 霍尔片,当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。,利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。,3.2 压力检测及仪表,2.应变片压力传感器,应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。,图3-11 应变片压力传感器示意图,1应变筒；2外壳；3密封膜片,3.2 压力检测及仪表,3.压阻式压力传感器,压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,工作原理,3.2 压力检测及仪表,3.2 压力检测及仪表,图3-12 压阻式压力传感器,1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6等效电阻,特点,精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；,便于实现显示数字化；,可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。,3.2 压力检测及仪表,3.2 压力检测及仪表,从原理上讲，应变式压力传感器是外界的压力引起应变材料的几何形状发生改变，进而导致材料的电阻发生变化。压阻式压力传感器通常是半导体压敏材料。半导体压阻式传感器在受到外力后，自身的几何形状几乎没有什么改变，而是其晶格参数发生改变，最终引起材料的电阻率发生改变。两种材料虽然都对外力变化呈现出电阻变化，原理不同。应变式材料对外力的敏感度远远低于半导体压阻材料，后者的灵敏度是前者的约100倍；应变材料特性受温度影响较小，而半导体压阻材料对温度敏感。,区别,4.电容式压力变送器,电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的420mA（DC）电流信号。,工作原理,图3-14 电容式差压变送器原理图,1隔离膜片；2，7固定电极；3硅油；4测量膜片；5玻璃层；6底座；8引线,先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。,3.2 压力检测及仪表,电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。,小结,3.2 压力检测及仪表,四、智能型压力变送器,智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。,可进行远程通信,利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。,特点,3.2 压力检测及仪表,图3-16 手持通信器的连接示意图,3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。,（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断,3.2 压力检测及仪表,五、压力计的选用及安装,1.压力计的选用,压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。,仪表类型的选用,仪表精度级的选取,仪表测量范围的确定,3.2 压力检测及仪表,仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求量程范围的确定应注意：测量稳定压力时，P量=P测1.5；测量脉动压力时，P量=P测2.0；测量高压压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的3/5；被测压力最小值不应低于仪表满量程的1/3。仪表精度级的选取：在满足工艺要求的前提下，尽可能选用精度较价廉耐用的仪表（求出允许误差，往高精度靠)。,3.2 压力检测及仪表,重要前提,举例,例3 某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为,3.2 压力检测及仪表,根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。,由于，故被测压力的最小值不低于满量程的 1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为,3.2 压力检测及仪表,所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,2.如果某反应器最大压力为0.6MPa，允许最大绝对误差为0.02MPa。现用一台测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为01.0MPa，准确度为1.5级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。,解：对于测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为 1.61.5%=0.024(MPa)因此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值,所以是不合格的。对于测量范围为01.0MPa，准确度亦为1.5级的压力表,允许的最大绝对误差为 1.01.5%=0.015(MPa)因为此数值小于工艺上允许的最大绝对误差,故符合对测量准确度的要求,可以采用。说明选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值是不适宜的。,1.压力计的安装,（1）测压点的选择应能反映被测压力的真实大小。,要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。,3.2 压力检测及仪表,（2）导压管铺设,导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如超过50m，应选用能远距离传送的压力计。导压管水平安装时应保证有1:101:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。,3.2 压力检测及仪表,（3）压力计的安装,压力计应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动和高温影响。,3.2 压力检测及仪表,侧管道静压应该避开压力扰动处，保证测量引压管路内为单相流体。开孔：压力稳定处，不要有阀、弯头等阻力件方位：液体在管道下方45度区域取压，气体在管道上方另外测高粘度腐蚀性易结晶介质时加隔离罐，灌隔离液。,测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触图3-17（a）；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，右图（b）表示了被测介质密度2大于和小于隔离液密度1的两种情况。,图3-17 压力计安装示意图,压力计；切断阀门；凝液管；取压容器,3.2 压力检测及仪表,压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按pHg进行修正。式中H为高度差，为导压管中介质的密度，g为重力加速度。为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。,3.2 压力检测及仪表,第一部分结束,