第2章_参数检测.ppt

南华大学核科学技术学院南华大学核科学技术学院 颜颜 拥拥 军军 主讲主讲2012.2 过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表 Process Control system and instruments 第第2 2章章 过程参数检测与变送过程参数检测与变送1 1）了解参数检测的意义、检测仪表的基本构成及仪表的统一）了解参数检测的意义、检测仪表的基本构成及仪表的统一信号标准；信号标准；2 2）了解检测误差的概念、熟悉仪表的性能以及零点迁移与量）了解检测误差的概念、熟悉仪表的性能以及零点迁移与量程调整的确定与计算；程调整的确定与计算；3 3）熟悉变送器的构成原理、信号传输与接线方式；）熟悉变送器的构成原理、信号传输与接线方式；4 4）了解温度检测方法、熟悉温度变速器的工资原理、掌握其）了解温度检测方法、熟悉温度变速器的工资原理、掌握其使用方法；使用方法；5 5）掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与使用方法，掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与使用方法，熟悉压力变送器的工作原理及使用特点；熟悉压力变送器的工作原理及使用特点；6 6）熟悉智能式变送器的特点及硬件构成；）熟悉智能式变送器的特点及硬件构成；7 7）熟悉成分检测仪表的工作原理及适用范围）熟悉成分检测仪表的工作原理及适用范围。本章要点本章要点本章要点本章要点2.1 2.1 参数检测与变送参数检测与变送概述概述检测的重要意义检测的重要意义2.1.1 2.1.1 检测仪表检测仪表1.传感器传感器 国标国标GB7665-87规定：规定：“能感受规定的被测量能感受规定的被测量 并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成通常由敏感元件和转换元件组成”。2.变送器变送器 将输出信号变成统一标准信号的传感器。将输出信号变成统一标准信号的传感器。统一标准信号即各仪表之间的通信协议：统一标准信号即各仪表之间的通信协议：010mA、02V、20100kPa;420mA、15V数字信号。数字信号。组成框图组成框图图图21绝对误差不能说明检测精度，如。绝对误差不能说明检测精度，如。绝对误差不能说明检测精度，如。绝对误差不能说明检测精度，如。2.1.2 2.1.2 检测误差检测误差检测误差检测误差 （3 3）相对误差）相对误差）相对误差）相对误差（或标称相对误差（或标称相对误差（或标称相对误差（或标称相对误差 ）1.1.检测误差的描述检测误差的描述检测误差的描述检测误差的描述 检测误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值检测误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值检测误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值检测误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值之间的差值，它反映了仪表的检测精度之间的差值，它反映了仪表的检测精度之间的差值，它反映了仪表的检测精度之间的差值，它反映了仪表的检测精度（1 1 1 1）真值）真值）真值）真值 即被测物理量的真实（或客观）取值。即被测物理量的真实（或客观）取值。即被测物理量的真实（或客观）取值。即被测物理量的真实（或客观）取值。在当前现行的在当前现行的在当前现行的在当前现行的检测体系中，是将检测体系中，是将检测体系中，是将检测体系中，是将“认定设备认定设备认定设备认定设备”的检测结果作为真值。的检测结果作为真值。的检测结果作为真值。的检测结果作为真值。通常，各国（或国际组织）将其法定计量机构的专用设备作为认定设备，它的检通常，各国（或国际组织）将其法定计量机构的专用设备作为认定设备，它的检通常，各国（或国际组织）将其法定计量机构的专用设备作为认定设备，它的检通常，各国（或国际组织）将其法定计量机构的专用设备作为认定设备，它的检测精度在这个国家（或国际组织）内被认为是最高的。显而易见，用这种方法确测精度在这个国家（或国际组织）内被认为是最高的。显而易见，用这种方法确测精度在这个国家（或国际组织）内被认为是最高的。显而易见，用这种方法确测精度在这个国家（或国际组织）内被认为是最高的。显而易见，用这种方法确定的定的定的定的“真值真值真值真值”称为称为称为称为“约定真值约定真值约定真值约定真值”。（2 2）绝对误差）绝对误差 仪表的实测值与仪表的实测值与“真值真值”之差之差 记为记为记为记为（4 4）引用误差）引用误差）引用误差）引用误差 记为记为记为记为（5 5）基本误差）基本误差）基本误差）基本误差 指仪表在国家规定的标准条件下使用所出现的误差指仪表在国家规定的标准条件下使用所出现的误差指仪表在国家规定的标准条件下使用所出现的误差指仪表在国家规定的标准条件下使用所出现的误差使用标准使用标准使用标准使用标准:220V5220V5、（、（、（、（502502）HzHz、（、（、（、（205205）、656555（6 6 6 6）附加误差附加误差附加误差附加误差（温度附加、频率附加、电源电压附加）（温度附加、频率附加、电源电压附加）（温度附加、频率附加、电源电压附加）（温度附加、频率附加、电源电压附加）2.2.检测误差的规律性检测误差的规律性（1 1）系统误差）系统误差 对同一被测参数进行多次重复测量时，对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。如。按一定规律出现的误差。如。克服系统误差的办法克服系统误差的办法：负反馈结构？：负反馈结构？（2）随机误差或统计误差）随机误差或统计误差：统计计算、滤波消除：统计计算、滤波消除 （3 3）粗大误差）粗大误差（疏忽误差）：剔除（疏忽误差）：剔除2.1.3 2.1.3 检测仪表的基本特性检测仪表的基本特性1.1.仪表的固有特性及性能指标仪表的固有特性及性能指标（1 1）精确度及其等级精确度及其等级1 1）不能用绝对误差或相对误差表示）不能用绝对误差或相对误差表示?如。如。2）用最大引用误差度量？（量程、最大绝对误差）用最大引用误差度量？（量程、最大绝对误差）度量办法度量办法：去掉最大引用误差中的：去掉最大引用误差中的“”和和“”表示：表示：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5。例例如某台仪表的基本误差为如某台仪表的基本误差为1.0，则，则确确认该认该表的精确度等级符合表的精确度等级符合1.0级级；如果某台仪表的基本误如果某台仪表的基本误差为差为1.3，则该表的精确度等级符合则该表的精确度等级符合1.5级。级。例例1 某台某台测测温温仪仪表的表的测测温范温范围为围为 100700，校校验该验该表表时测时测得全量程内最大得全量程内最大绝对误绝对误差差为为5，试试确定确定该仪该仪表的精度等表的精度等级级。解：解：该仪该仪表的基本表的基本误误差差为为：将将该该表的表的去掉去掉“十十”号与号与“”号，其数号，其数值为值为0.625。由于国家。由于国家规规定的精度等定的精度等级级中没有中没有0.625级仪级仪表，而表，而该仪该仪表的表的误误差超差超过过了了0.5级仪级仪表所允表所允许许的最的最大大绝对误绝对误差。差。故：故：这这台台测测温温仪仪表的精度等表的精度等级为级为1.0级级。例例2 某台某台测压仪测压仪表的表的测压测压范范围为围为 08MPa。根据工。根据工艺艺要求，要求，测压测压示示值值的的误误差不允差不允许许超超过过0.05 MPa，问应问应如何如何选择仪选择仪表的精度等表的精度等级级才能才能满满足以上要求？足以上要求？解：解：根据工根据工艺艺要求，要求，仪仪表的允表的允许许基本基本误误差差为为：去掉去掉“”和和“”号后，号后，0.625介于介于0.51.0之之间间。若若选选精度精度为为1.0级级的的仪仪表，其允表，其允许许的最大的最大绝对误绝对误差差为为0.08 MPa。超。超过过了工了工艺艺允允许许的数的数值值。故：故：应选择应选择0.5级级的表。的表。（2 2）非线性误差非线性误差图示（图示（2 22 2）计算：计算：（3 3）变差：正、反行程测量时的变差：正、反行程测量时的最大差值与量程之比的百分数最大差值与量程之比的百分数计算：计算：（4 4）灵敏度与分辨力 计算 分辨力又称灵敏限：仪表输出能响应和分辨分辨力又称灵敏限：仪表输出能响应和分辨输入的最小变化量，数字显示仪表变化一个输入的最小变化量，数字显示仪表变化一个二进制最低有效位时输入的最小变化量二进制最低有效位时输入的最小变化量（5 5）漂移漂移 时漂与温漂时漂与温漂（6 6）动态误差，原因。参数。动态误差，原因。参数。2.2.检测仪表的工作特性检测仪表的工作特性适应参数测量和系统运行的需要具有的输入适应参数测量和系统运行的需要具有的输入/输出特性输出特性（1 1）理想工作特性：理想工作特性：（2 2）零点调整与迁移零点调整与迁移被测参数的下限值或对应仪表输出被测参数的下限值或对应仪表输出下限值的被测参数最大值；下限值的被测参数最大值；使输入下限值为零的过程称为零使输入下限值为零的过程称为零点调整，否则为零点迁移。点调整，否则为零点迁移。零点迁移前后的输入零点迁移前后的输入/输出特性输出特性(3)(3)量程调整量程调整量程是指与检测仪表规定量程是指与检测仪表规定的输出范围相对应的输入的输出范围相对应的输入范围范围量程调整是指在零点不量程调整是指在零点不变时将输出上限值与输变时将输出上限值与输入上限值相对应入上限值相对应量程调整前后的输入量程调整前后的输入/输出特性输出特性实例实例 某测温仪表的量程为某测温仪表的量程为0 0500500，输出信号为输出信号为4 420mA20mA ，现欲测量现欲测量20020010001000应如何调整？应如何调整？2.1.4 2.1.4 变送器的构成原理变送器的构成原理1.1.模拟式变送器的构成（图模拟式变送器的构成（图2 29 9）1 1）原理说明原理说明2)2)输入输入/输出关系输出关系理想线性特性理想线性特性 2.2.数字式变送器的构成原理（基于数字式变送器的构成原理（基于CPUCPU的硬件电路、的硬件电路、系统程序和功能模块的软件系统程序和功能模块的软件）（1 1）数字式变送器的数字式变送器的硬件构成（图硬件构成（图2 21010）工作过程。工作过程。（2 2）软件构成软件构成系统程序：硬件管理，其基本功能为模系统程序：硬件管理，其基本功能为模/数转换、数据通讯、数转换、数据通讯、自检；功能模块：组态功能。自检；功能模块：组态功能。2.1.5 2.1.5 变送器的信号传输方式变送器的信号传输方式1.1.四线制和二线制方式（图四线制和二线制方式（图2 21111）二线制满足的条件：2.HART2.HART（Highway Addressable Highway Addressable TransducorTransducor)协议传输方式协议传输方式图图2 212 12 模拟信号和基于频移键控（模拟信号和基于频移键控（FSK)FSK)的叠加的叠加传输速率为传输速率为1200bit/s1200bit/s2.2 2.2 温度的检测与变送温度的检测与变送2.2.1 温度检测方法一、接触式测温:通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。1、热电阻热电阻及其测温原理基于热阻效应，测温元件测温原理测温范围/主要特点热电偶热电效应01600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿，低温测量精度低。铂电阻热阻效应200600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。铜电阻50150半导体热敏电阻50150灵敏度高，体积小，结构简单，使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。常用测温元件1)1)金属热电阻的测温金属热电阻的测温,计算：热电阻名称分度号0时阻值()测温范围（）特点铜电阻Cu50500.0550150线性好，价格低，适用于无腐蚀性介质Cu1001000.1铂电阻Pt50500.003-200500精度高，价格贵，适用于中性和氧化性介质，但线性度差Pt1001000.006常用热电阻常用热电阻工业常用热电阻的分度表工业常用热电阻的分度表附表A 附表A-1 铂热电阻（分度号Pt100）分度表（，）温度温度/00102030405060708090 电阻值电阻值 200100018496025100056199606521192164800882243378427397180313553763231327233270268332280643001002003004005006007008001000013850175842120224704280903135934513375511039014229179512155725048284223168034822378481077914606183172191225390287533199935130381451116714982186322226525732290833231835437384401155415358190452261726072294113263535742387341194015731194072296726411297393295136047390261232416104197692331726749300653326636350127071647620129236652708630391335793665213089168462048824013274223071533892369531347017216208452435927756310383420337252附表附表A-2 A-2 铜热电阻（分度号铜热电阻（分度号Cu50)Cu50)分度表（分度表（R0=50.00 R0=50.00 0 0。004280004280）温度温度/00102030405060708090 电阻值 0 050.0050.0047.8552.1445.7054.2843.5556.4241.4058.5639.2460.70-62.84-64.98-67.12-69.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13-2)2)半导体热敏电阻的测温半导体热敏电阻的测温计算：温度系数温度系数：温度变化：温度变化11时电阻值的相对变化量。时电阻值的相对变化量。计算：负温度系数负温度系数：NTCNTC型；正温度系数：型；正温度系数：PTCPTC型；临界：型；临界：CRTCRT型型热敏电阻的温度特性（图热敏电阻的温度特性（图2 21313）三种特性的用途三种特性的用途P28。优点：优点：温度系数大；温度系数大；缺点：缺点：互换性差，非线性严重，互换性差，非线性严重，测温范围低：测温范围低：5050300300。适用于家电和汽车的测温。适用于家电和汽车的测温。（2 2）热电阻的接线方式（图热电阻的接线方式（图2 21414）a)用于测量精度不高的场合用于测量精度不高的场合b)电桥平衡，与导线电阻无关C C）用于高精度的温度测量，如用用于高精度的温度测量，如用内阻很高的电子电位差计测量内阻很高的电子电位差计测量2.2.热电偶及其测温原理热电偶及其测温原理（500500）（1 1）热电偶的测温原理）热电偶的测温原理：热电效应（图：热电效应（图2 21515）接触电势的形成。，温差电势。接触电势的形成。，温差电势。三点结论三点结论：1 1）电极材料相同，总电势为零；）电极材料相同，总电势为零；2 2）冷、热端温度相同，总电势为零；）冷、热端温度相同，总电势为零；3 3）电极）电极材料不同，温度相同，热电势不同材料不同，温度相同，热电势不同。热电偶的测温原理热电偶的测温原理将两种不同的导体或半导体连接成闭合将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。会产生电势。此电势称为热电势。热电势由两部分组成：热电势由两部分组成：接触电势接触电势和和温差电势。温差电势。（2 2）热电势的检测与第三导体定律）热电势的检测与第三导体定律(图图2 21616）当当第三导体定律第三导体定律：只要第三导体两接点温度相同，：只要第三导体两接点温度相同，回路中热电势不变回路中热电势不变有（3 3）冷端延伸与等值替换原理）冷端延伸与等值替换原理为什么要延伸？补偿导线的作用？等值替换原理（图等值替换原理（图2 21717）等值替换的条件：等值替换的条件：热电回路的总热电势：热电回路的总热电势：因而有因而有依据依据则有则有结论：将满足 的补偿导线代替热电偶使冷端延伸，不会改变热电偶的热电势补偿导线的连接示意图补偿导线的连接示意图（4 4）标准热电偶及其补偿导线）标准热电偶及其补偿导线标准热电偶：热电势与温度的关系、允许误差、型号（分度号）按国际标准（IEC)统一规定。表表2 23 3 我国部分标准化热电偶及其补偿导线我国部分标准化热电偶及其补偿导线热电偶配套的补偿导线（绝缘层着色）分度号热电偶材料测温范围/型号正极材料负极材料长期短期S 铂铑10 铂013001600SC铜（红）铜镍（绿）B铂铑30铂铑6 016001800BC铜（红）铜（灰）K镍铬镍硅5010001300KX镍铬（红）镍硅（黑）T铜康铜200300350TX铜（红）康铜（白）（5）热电偶的冷端温度校正为什么要校正？为什么要校正？1）查表法：示例：K型热偶，测t,冷端温度 测得 E(t,30)=21.995mV,E(30,0)=1.203mV,经计算：E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=23.198m，反查分度表：t=5602)2)电桥补偿法：电桥补偿法：利用电桥某利用电桥某桥臂电阻桥臂电阻因环境温度变化产生因环境温度变化产生的附加电压的附加电压补补偿热电偶冷端温度变化引起的热电势的变化偿热电偶冷端温度变化引起的热电势的变化(图图2 21919及说明）及说明）工作原理。工作原理。示例：铂铑铂铑热偶，0100：6v/，桥臂电流为0.5mA,0.004/。全补偿的条件为：经计算：经计算：加保护套管：可延长使用寿命；但使惯性滞后加保护套管：可延长使用寿命；但使惯性滞后（1.51.54min).4min).不加为毫秒级不加为毫秒级接触式测温优点：精度高、小范围线性度与稳定性好测温范围宽（接触式测温优点：精度高、小范围线性度与稳定性好测温范围宽（50050020002000；缺点：高于；缺点：高于20002000时，不能长期使用，对运动物体的测温，不时，不能长期使用，对运动物体的测温，不能使用能使用二二 非接触式测温（辐射式测温）非接触式测温（辐射式测温）1.1.非接触式测温及其特点非接触式测温及其特点 原理原理：载热体：载热体热能热能辐射能辐射能受体温度受体温度。特点特点：无媒介，无上限，测速快，对热场无干扰，用于运动物体、腐蚀：无媒介，无上限，测速快，对热场无干扰，用于运动物体、腐蚀 性介质的测温；性介质的测温；缺点缺点：测量误差大、标定难结构复杂、价格贵：测量误差大、标定难结构复杂、价格贵2.常用元件及共性常用元件及共性 高温辐射计、低温辐射计、光电温度计；：热辐射高温辐射计、低温辐射计、光电温度计；：热辐射 透镜（反射透镜（反射 镜）镜）热热电堆（热敏电阻、硅光电池）电堆（热敏电阻、硅光电池）电信号。电信号。（1 1）.高温辐射计：光学玻璃透镜高温辐射计：光学玻璃透镜（光波长（光波长0.70.71.1m1.1m）与硅光电池与硅光电池(700(700200020mV)200020mV)组成；组成；误差：误差：15001500，0.7%;0.7%;15001500，1%1%；响应时间响应时间1 1毫秒毫秒（2 2）.低温辐射计：锗透镜与半导体热敏电阻组成；接收低温辐射计：锗透镜与半导体热敏电阻组成；接收215m红外红外波；范围：波；范围：0200；误差：误差：1%；响应时间响应时间2毫秒，毫秒，信号需放大。信号需放大。（3 3）光电温度计：光透镜（）光电温度计：光透镜（光波长光波长0.60.62.7m2.7m ）流化铅光敏电阻；范）流化铅光敏电阻；范围：围：400400 800800；误差：误差：1%1%；响应时间响应时间1.51.5毫秒毫秒,信号需放大。信号需放大。三三.测温仪表的选用测温仪表的选用1 1.选用原则选用原则1 1）精度符合误差要求；）精度符合误差要求；2 2）操作方便、运行可靠、经济合理，统一品种与规格）操作方便、运行可靠、经济合理，统一品种与规格3 3）量程略大于实测范围）量程略大于实测范围（9090）；4 4）高温：热电偶；低温：热电阻）高温：热电偶；低温：热电阻5 5）保护套管的耐压等级管线或设备的耐压等级）保护套管的耐压等级管线或设备的耐压等级 选选用用原原则则示示意意图图2 2.2.2.2 2.2.2 典型模拟式温度变送器典型模拟式温度变送器一一.DDZ-.DDZ-型温度变送器型温度变送器1.DDZ-型温度变送器的构成及特点型温度变送器的构成及特点(图图221）说明说明:1):1)输入回路可实现热电偶冷端补偿、热电阻三线制引入、零输入回路可实现热电偶冷端补偿、热电阻三线制引入、零点调整与迁移、量程调整；点调整与迁移、量程调整；2 2）反馈回路可实现非线性校正；）反馈回路可实现非线性校正；特点特点：1 1）集成运放：可使仪表的精确性、可靠性、稳定性及技术指标符集成运放：可使仪表的精确性、可靠性、稳定性及技术指标符合国标；合国标；2 2）通用模块与专用模块相结合，使用灵活。方便；通用模块与专用模块相结合，使用灵活。方便；3 3）反馈线反馈线性化保证输入性化保证输入/输出关系的线性化；输出关系的线性化；4 4）统一集中供电，二线制接线方式；统一集中供电，二线制接线方式；5 5）采用安全火花防爆措施采用安全火花防爆措施2.2.量程单元的构成及工作原理量程单元的构成及工作原理（1 1）直流毫伏量程单元（图）直流毫伏量程单元（图2 22222）功能说明功能说明：限流、滤波、：限流、滤波、零迁、反馈、量程调整零迁、反馈、量程调整输入/输出关系(推导过程略）：其中参见式（224）（2 2）热电偶量程单元（图）热电偶量程单元（图2 22323，见下页），见下页）与直流毫伏量程单元的区别：1)需进行冷端温度校正：2)反馈线性化（图224）分段线性化的工作原理：当有当有当有；当。说明说明：1 1）第四段的斜率是在保持第四段的斜率是在保持第三段反馈强度不变时改变输出第三段反馈强度不变时改变输出电压的降压系数实现的；电压的降压系数实现的；2 2）调节调节分压电阻的电阻值即可获得需要分压电阻的电阻值即可获得需要的击穿电压，即获得折线的转折的击穿电压，即获得折线的转折点；点；3 3）折线的斜率可通过改变各折线的斜率可通过改变各反馈电阻的阻值实现；反馈电阻的阻值实现；4 4）改变转改变转折点和斜率可改变整个折线的形折点和斜率可改变整个折线的形状状。(3)(3)热电阻量程单元（图热电阻量程单元（图2 22626）与热电偶量程单元的区别：与热电偶量程单元的区别：1）用三线制代替了冷端温度补偿；用三线制代替了冷端温度补偿；2）对铂电阻需进行非线性校正，而对铂电阻需进行非线性校正，而铜电阻则无需校正？铜电阻则无需校正？3）采用正反馈方法进行校正。采用正反馈方法进行校正。3.3.放大单元的构成及放大单元的构成及工作原理（图工作原理（图2 22727）构成：直交直变换电路；集成运放；功放电路；输出电路；反馈电路。各部功能：。2.2.3 2.2.3 智能式变送器智能式变送器一一.特点与结构特点与结构（1 1）通用性强。通用性强。（2 2）使用灵活。使用灵活。（3 3）多种补偿校正功能。多种补偿校正功能。（4 4）具有控制功能。具有控制功能。（5）具有通信功能。（6 6）具有自诊断功能具有自诊断功能1.1.特点特点2.2.结构结构（1 1）硬件：微处理器、输入硬件：微处理器、输入/输出电路、人输出电路、人/机界面机界面（2 2）软件：系统程序和用户程序软件：系统程序和用户程序二二.实例（实例（TT302)TT302)1.TT3021.TT302概述。概述。2.2.硬件构成：硬件构成：（图（图2 22828）输入模版、）输入模版、主板、显示器主板、显示器（1 1）输入模版：多路转换器、信号调理电路、输入模版：多路转换器、信号调理电路、A/DA/D转换和隔离；功能。转换和隔离；功能。（2 2）主板：微处理器系统、通信控制器、信号整形、本机调整、和电源；功能。主板：微处理器系统、通信控制器、信号整形、本机调整、和电源；功能。（3 3）显示器：液晶式微功耗数字显示四位半显示器：液晶式微功耗数字显示四位半/五位字母五位字母3.3.软件构成：系统程序、功能模块软件构成：系统程序、功能模块2.3 2.3 压力的检测与变送（意义）压力的检测与变送（意义）2.3.1 2.3.1 压力的概念及其检测压力的概念及其检测一一.压力的概念压力的概念：垂直作用于单位面积上的力（：垂直作用于单位面积上的力（1Pa=1N/mm1Pa=1N/mm、换算换算:P43:P43，表，表2 24 4）1 1.差压差压(P)(P)；2.2.绝对压力绝对压力/大气压；大气压；3 3.表压；表压；4.4.负压；负压；压力关系（图压力关系（图2 22929）二二.弹性式测压元件及原理弹性式测压元件及原理1 1.弹簧管（波登管）、多圈弹管，弹簧管（波登管）、多圈弹管，角位移角位移电信号；电信号；2 2.波纹管、波波纹管、波/簧组合簧组合提高线性度；提高线性度；3 3.膜片与膜盒膜片与膜盒(说明说明)2.3.2 DDZ-2.3.2 DDZ-型力矩平衡式差压型力矩平衡式差压 变送器变送器一一.原理图（原理图（2 23333）1.1.测量部分测量部分：2.2.杠杆系统的受力分析（图杠杆系统的受力分析（图2 23535）：）：、结构图（结构图（2 23434）3.位移检测放大器（位移位移检测放大器（位移/电流转换器）电流转换器）（1）检测变压器、振荡电路检测变压器、振荡电路 （图（图236）振荡器工作过程（图振荡器工作过程（图237）（2 2）放大器：）放大器：整流滤波与功整流滤波与功率放大（图率放大（图2 23838）4.电磁力反馈。电磁力反馈。图图328其他元件作用。其他元件作用。5.整机特性（图整机特性（图239）算法说明。算法说明。2.3.3 2.3.3 电容式差压变送器（特点、构成）电容式差压变送器（特点、构成）1.检测部件（图检测部件（图241）作用作用：将输入差压线性地转换成两电容之差与两：将输入差压线性地转换成两电容之差与两 电容之和的比值电容之和的比值算法算法：2.转换放大电路（图转换放大电路（图242）(1)电容电容/电流转换电流转换与差压与差压/电流转换电流转换 (3)放大电路与量程调整。放大电路与量程调整。（2）振荡器电流稳定电路振荡器电流稳定电路,即使即使为常量（负反馈。）为常量（负反馈。）2.3.4 智能式差压变送器（智能式差压变送器（11511151）1.1151的特点的特点1）精度高（精度高（5）、稳定、可靠；）、稳定、可靠；2 2）具有补偿功能具有补偿功能3）具有数字、模拟输出方式；具有数字、模拟输出方式；4 4）具有多种其他功能。具有多种其他功能。2.2.硬件构成及其功能硬件构成及其功能1)1)传感器部分：传感器部分：将差压将差压02.5V;供电电供电电压：压：5V,工作电流：工作电流：0.8mA.2)A/D转换：带有前转换：带有前置放大，置放大，16位，具有自校位，具有自校准功能。准功能。3）CPU:AT89S8252CPU:AT89S8252与与MCS51MCS51兼容兼容;8KB F ROM;8KB F ROM、2KB EPROM2KB EPROM、256B RAM256B RAM、32 32 I/OI/O口线、口线、2 2个个DPTRDPTR、三个、三个1616位定时位定时/计数器、一个全双工串行口及可编程看门计数器、一个全双工串行口及可编程看门狗、振荡器与时钟电路等狗、振荡器与时钟电路等4）HART通信部分：二进制数字信号与通信部分：二进制数字信号与FSK信号之间的转换信号之间的转换HART通信原理图通信原理图（图（图244）HT2012HT2012:调制器、解调器、载调制器、解调器、载波监测电路和时基电路构成；波监测电路和时基电路构成；（数字）（数字）ITXDITXD（调制）（调制）OTXA(FSK)OTXA(FSK)（FSK）IRXAIRXA（解调（解调 ）ORXDORXD（数字）（数字）载波监测：载波监测：420mA上叠有数字信号，上叠有数字信号，OCD为低电平，否则为高电平；为低电平，否则为高电平；时基电路：产生时间基准信号。时基电路：产生时间基准信号。5)AD421:数数/模转换芯片；模转换芯片；电压调整：将电压调整：将24V5V.6)监控电路监控电路：保护：保护CPU状态，状态，即工作不正常时：中断即工作不正常时：中断数据保数据保护护恢复。恢复。3.软件构成：监控程序和通信程序软件构成：监控程序和通信程序A/D采样、非线性补偿、量程转换、采样、非线性补偿、量程转换、线性或开方输出、阻尼及线性或开方输出、阻尼及D/A输出输出2.4 流量的检测与变送流量的检测与变送2.4.1 流量的概念与检测方法流量的概念与检测方法1.流量的基本概念：瞬时流量（流量的基本概念：瞬时流量（单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量）与累积流量（与累积流量（某段时间内流过工艺管道某截面的流体总量）某段时间内流过工艺管道某截面的流体总量）；体积、重量与质；体积、重量与质量流量。量流量。（1）体积体积流量流量 ：(2)重量重量流量：流量：(N/h)(N)(3)质量质量流量：流量：三种流量三种流量之关系：之关系：(4)标准状态（标准状态（20、标准大气压）下的体积流量：、标准大气压）下的体积流量：2.流量的检测方法流量的检测方法 （1）体积流量检测方法：容积法（体积流量检测方法：容积法（单位时间内排出流体的固定体积数单位时间内排出流体的固定体积数）和速度法（和速度法（管道内的平均流速乘以管道面积管道内的平均流速乘以管道面积）；）；（2）质量流量检测法：间接法（质量流量检测法：间接法（体积流量乘以密度体积流量乘以密度）和直接法（）和直接法（仪表直接仪表直接测得测得）。）。（瞬时）（瞬时）（累积）（累积）（瞬时）（瞬时）（累积）（累积）（瞬时）（瞬时）（累积）（累积）2.4.2 2.4.2 典型流量检测仪表典型流量检测仪表1.容积式流量计：标准容积式流量计：标准“计计量空间量空间”、进出口压差、进出口压差椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计(图图246）：2.速度式流量计速度式流量计（1）节流式（差压式）流量计：节流式（差压式）流量计：孔板、挡板、文丘里管孔板、挡板、文丘里管孔板孔板伯努利方程：伯努利方程：流体连续性方程：流体连续性方程：推得推得式中式中为收缩系数为收缩系数进而进而推得推得:分别为流量系数和膨胀系数。分别为流量系数和膨胀系数。简化简化后得：后得：（2）涡街流量计（图涡街流量计（图248）周期稳定，有周期稳定，有当当进而进而有有对圆柱、三角柱、方柱：对圆柱、三角柱、方柱：灵巧型涡街流量灵巧型涡街流量变送器（图变送器（图249）3.直接式质量流量计（科氏流量计）（图直接式质量流量计（科氏流量计）（图250）实验图示说明：实验图示说明：a)水静止、管摆动；水静止、管摆动；b)、c)水流动、管摆动，出水侧水流动、管摆动，出水侧的摆动先于入水侧；出水侧摆动的的摆动先于入水侧；出水侧摆动的相位超前入水侧；相位差相位超前入水侧；相位差质量流质量流量量双弯管型双弯管型（图（图251）：水按箭头）：水按箭头流入、流出；流入、流出；A、B、C三处各按一三处各按一组压电换能器：组压电换能器：A处加交变电压，处加交变电压，B、C检测振动幅度检测振动幅度相位差相位差420mA 质量流量质量流量2.5 2.5 物位的检测与变送（液位、料位、界位）物位的检测与变送（液位、料位、界位）2.5.1 物位检测的主要方法物位检测的主要方法 1.静压式测量法静压式测量法 压力式：敞口容器；压力式：敞口容器；2.差压式：闭口容器差压式：闭口容器2.电气式测量法电气式测量法 物位变化物位变化3.电气参数：电阻、电容、磁场等变化电气参数：电阻、电容、磁场等变化4.与电容式差压变送器配合与电容式差压变送器配合标准信号。标准信号。3.声学式测量法声学式测量法；4.射线式测量法射线式测量法。2.5.2 2.5.2 典型物位检测仪表典型物位检测仪表 1.差压式液位计差压式液位计：取压口与底：取压口与底部同一水平线（图部同一水平线（图252）；）；取压口低于容器底部（图取压口低于容器底部（图253）正迁移正迁移取压口装有隔离罐（图取压口装有隔离罐（图254）（负迁移）（负迁移）2.电容式液位计电容式液位计原理原理：介电常数不同：介电常数不同电容变化电容变化物位物位图图556的说明：的说明：AB为可为可调桥臂，调桥臂，DA为测量桥臂；为测量桥臂；开关开关S检查工作状况；检查工作状况；3.超声波液位计超声波液位计换能器原理换能器原理（压电效应）：交变（压电效应）：交变电场作用下，压电晶体将电能转电场作用下，压电晶体将电能转换成振动称逆压电效应；将振动换成振动称逆压电效应；将振动声波转换成交变电场称正压电效声波转换成交变电场称正压电效应；应；发射器和接收器发射器和接收器电子装置电子装置：产生交变：产生交变电信号、处理电信号电信号、处理电信号缺点及缺点及补偿补偿4.辐射式物位计辐射式物位计 原理：射线强度随介质厚度的增加而衰减原理：射线强度随介质厚度的增加而衰减2.6 2.6 成分的检测与变送成分的检测与变送2.6.1 2.6.1 概述概述 意义：了解原料、产品成分及意义：了解原料、产品成分及性质；直接质量控制对提高质量、降低能耗、性质；直接质量控制对提高质量、降低能耗、防止污染的需要；对易燃、易爆、有毒、腐蚀防止污染的需要；对易燃、易爆、有毒、腐蚀性气体的检测以确保安全尤为重要。性气体的检测以确保安全尤为重要。检测方法检测方法仪表名称仪表名称热学方法热学方法热导式分析仪，热化学式分析仪，差热式分析仪等热导式分析仪，热化学式分析仪，差热式分析仪等磁力方法磁力方法热磁式分析仪，热力机械式分析仪等热磁式分析仪，热力机械式分析仪等光学方法光学方法光电比色分析仪，红外吸收分析仪，紫外吸收分析仪，光干光电比色分析仪，红外吸收分析仪，紫外吸收分析仪，光干涉分析仪，光散射式分析仪，分光光度分析仪，激光分析仪涉分析仪，光散射式分析仪，分光光度分析仪，激光分析仪等等射线方法射线方法X X射线分析仪，电子光学式分析仪，核辐射式分析仪，微波式射线分析仪，电子光学式分析仪，核辐射式分析仪，微波式分析仪等分析仪等电化学方法电化学方法电导式分析仪，电量式分析仪，电位式分析仪，电解式分析电导式分析仪，电量式分析仪，电位式分析仪，电解式分析仪，氧化锆氧量分析仪，溶解氧检测仪等仪，氧化锆氧量分析仪，溶解氧检测仪等色谱分离方法色谱分离方法气相色谱仪，液相色谱仪等气相色谱仪，液相色谱仪等质谱分析方法质谱分析方法静态质谱仪，动态质谱仪等静态质谱仪，动态质谱仪等波谱分析方法波谱分析方法核子共振波谱仪、核子共振波谱仪、电子顺磁波谱仪电子顺磁波谱仪 、共振波谱仪共振波谱仪等等其它方法其它方法晶体振荡分析仪，气敏式分析仪，化学变色分析仪等晶体振荡分析仪，气敏式分析仪，化学变色分析仪等检测方法及仪表检测方法及仪表（表（表25）2.6.2 红外式气体成分检测红外式气体成分检测1.红外式检测原理红外式检测原理根据气体对红外线的强吸收根据气体对红外线的强吸收特性，利用传感元件测量红特性，利用传感元件测量红外辐射能以测量气体成分外辐射能以测量气体成分Bell定律：定律：近似式：近似式：同位素铯137放射源发出的射线穿过结晶器,钢水液位越高,位于另一侧的闪烁计数器接收到的射线强度越低。射线在NaI(TI)晶体内产生光闪烁,光电