第3章 检测仪表与传感器.ppt

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1、1,第3章 检测仪表与传感器,3.1 概念及仪表的性能指标 控制仪表与装置分为： （1）能源形式：电动、气动、液动和机械式等几类，工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表。 （2）信号类型：模拟式和数字式。 （3）结构形式：单元组合式控制仪表、基地式控制仪表、集散型计算机控制系统以及现场总线控制系统。,2,3.1 概念及仪表的性能指标,准确度：测量值与被测量真值的接近程度； 绝对误差：测量值与被测量真值之差； 相对误差：绝对误差与被测量真值之比； 实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比； 示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比； 引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。 允许误差：最大引用相

2、对误差。 变差：同一仪表对相同的被测参数进行正、 反行程测量时，其显示值的差异。,3,3.1 概念及仪表的性能指标,精密度（简称精度）：仪表检测微小参数变化的能力。 仪表精度等级：用允许误差的绝对值表示： 常用仪表等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等， 精确度：仪表精密而准确的程度。 灵敏度：仪表的指示位移变化量与被测参数变化量之比。 灵敏限：能引起仪表指针发生位移变化的被测参数的最小变化量。 分辨率：测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。 线性度：测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论对应值的吻合

3、程度。 反应时间：显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。,4,3.2 压力检测及仪表,3.2.1 压力单位及测压仪表,压力的表示： P绝对压力 单位面积所受到的力 P相对压力（表压） 绝对压力与大气压之差 P真空度 大气压与绝对压力之差,标准大气压,P绝对压力,P真空度,P表压,P绝对压力,5,3.2.1压力单位及测压仪表,表3.1 各种压力单位换算表,6,3.2.1 压力单位及测压仪表,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 弹性式压力计 电气式压力计 活塞式压力计,7,3.2.2 弹性式压力计,常用的有弹簧管式弹性元件,薄膜式弹性元件,波纹管式弹性元件。测量原

4、理为根据各种弹性元件在被测压力的作用下，产生弹性变形的原理。目前，工业生产应用最广泛的一种压力指示仪表。 特点：简单可靠，读数清晰，便宜耐用，测量范围广。,弹簧管压力表,带远传膜片的差压变送器,8,3.2.3 电气式压力计,测量原理：通过机械或电气元件将被测压力信号转换成电信号（电压，电流，频率等）。 特点：测量范围广，可以远举例传送信号，在工业生产中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。 常有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、力矩平衡式压力传感器、电容式压力变送器。,9,3.2.3 电气式压力计,例1 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

5、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。,10,3.2.3 电气式压力计,例2 智能型压力或差压变送器 它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。它具有性能稳定,可靠性好,测量精度高,具有温度、静压的自动补偿功能,具有数字、模拟两种输出方式,可以远程通讯,测量范围较宽的特点.,11,3.2.4 压力计的选用和安装,1、类型选择(必须满足生产工艺的要求) 功能：显示、报警、记录、传送（数

6、字、模拟）； 介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等； 如：氨气表防腐，氧气表禁油。 环境条件：温度、震动、电磁场等。 2、仪表测量范围的选择 工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。盘面大小应方便安装和观察。 3、精度等级：根据工艺需要确定。 根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,12,3.3 流量检测及仪表,3.3.1 概念,流量(瞬时流量)通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量；在某一段时间内流过流体的总和为累积流量。,体积流量,以体

7、积表示的瞬时流量用 qv 表示，单位为 m3/s 以体积表示的累积流量用 Qv 表示，单位为 m3,质量流量,以质量表示的瞬时流量用 qm 表示，单位为 kg/s 以质量表示的累积流量用 Qm 表示，单位为 kg,一般用来测量瞬时流量的仪表称为流量计，测量流体总量的仪表称为计量表。,13,速度式流量计是根据流体力学原理，通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。常用仪表有差压式流量计、转子流量计、靶式流量计、电磁流量计、涡轮流量计等 容积式流量剂是指单位时间内排出流体的固定容积的数目。常用仪表有椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、活塞式流量 2. 质量流量计的计量可压缩流体的质量通过量。常用仪表有微动质

8、量流量计。,14,由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后，会产生一定的压降。根据流速和压降的关系可以推导出下列方程： 通过测量孔板前 后压差即可计算 出流速和流量。,p1,p2,3.3.2 差压式流量计,15,3.3.3 转子流量计,转子流量计主要由两个部分组成： 一是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明玻璃制成） 二是放在锥形管内可自由运动的转子，被测流体由锥形管下端进入，流经转子与锥形管之间的环隙，再从上端流出。,16,转子的平衡计算关系式：,式中：V为转子的体积；t和f分别为转子和流体的密度；g为重力加速度；P为转子前后的压差；A为转子的最大截面积,转子和锥形管间的环隙面积相当于节流

9、式流量计的节流孔面积，但它是变化的，并与转子高度h成近似的线性关系，因此，转子流量计的流量公式可以表示为：,式中：为仪表常数；h为转子浮起的高度。,17,3.3.4 椭圆齿轮流量计,工作原理: 转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。在V一定的情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量 。,18,3.3.5 质量流量计,间接式质量流量计 分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量。 直接式质量流量计 利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差 特点: 能够直接测量质量流量，不受温度、压力、粘度和密度等因素的影响；无可动的机械部件，可

10、靠性高，维修容易；适用范围广；对流体的流速分布不敏感，安装时仪表前后不需要直管段。 但质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体。,19,3.4 物位检测及仪表,3.4.1 基本概念及分类 物位： (1)液位：容器中液体表面的高低； (2)料位：容器中固体的堆积高度； (3)界面：两相物质的交界面。 物位计分类: 直读式物位计,浮力式物位计,压差式物位计,电磁式物位计,核辐射式物位计,超声波物位计,光电式物位计,热导式物位仪,20,3.4.2 差压式液位变送器,差压式液位变送器是利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成正比的关系进行测量。,H,p1,p2,21,3.4.3电容式物位计

11、,圆柱形电容器的电容量：,电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为：,电容量的变化量与充料高度成正比r的，测量电容量变化即可知料位的变化。,22,3.5 温度检测及仪表,3.5.1 温度的检测方法 温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；温度决定一些反应能否进行和反应方向；温度决定一些反应的进程程度；温度显示反应的能量变化。但温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，其物理性质随温度变化而进行的。,23,3.5.2 热电偶温度计,一 工作原理 热电偶工作原理：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各

12、为 t 及 t0 的热源中，则在该回路内就会产生热电势。,t 端称为工作端(假定该端置于热源中)，又称测量端或热端 t0端称为自由瑞，又称参考端或冷端 不同导体或半导体的组合称为热电偶，每根单独的导体或半导体称为热电极,24,3.5.2 热电偶温度计,闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成：,式中A表示正电极，B表示负电极，由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，故热电偶的电势可表示为：,结论： 1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零； 2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电

13、势也为零 3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。,25,3.5.2 热电偶温度计,二 插入第三种导线的问题,如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和:,当tt0时，有,得,同理可证，在热电偶中接入第四种、第五种导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。

14、,26,3.5.2 热电偶温度计,三 热电偶冷端温度的补偿 热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：冰浴法、计算修正法、电桥补偿法。,热电偶的导线补偿：指用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内；,+,-,补偿导线,测量电路,热电偶,注： （1）补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用； （2）补偿导线的材质不同，接线时应特别注意不能接错。,27,冷端温度补偿 将冷端浸泡在恒温的冰水中；采用电路差减法消除冷端热电势。,t,tc,热电偶,补偿导线,毫伏计,0恒温装置,28,3.5.3 热电阻温度计,适用范围:中低温度 工作原理:热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变

15、化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。 工业热电阻主要有铜式和铂式两种材质。,式中， 为温度t时对应的电阻值 为温度t0(通常t00)时对应的电阻值 为温度系数。,金属热电阻的电阻值和温度一般的近似关系式：,29,3.5.4温度变送器,DDZ-III型温度变送器,分为热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两种,热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出,热电阻温度变送器：把电阻信号转换为标准电流输出,最终要求：变送器输出电流Io应与被测温度t成线性对应关系,热电偶温度变送器应主要要解决：冷端温度补偿和线性化处理两个内容,热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号，输入回路

16、即是冷端温度自动补偿桥路，其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势，因此补偿电桥上的参数与热电偶分度号有关，热电偶温度变送器使用时要注意分度号的匹配。,热电阻温度变送器应主要要解决：克服引线电阻的影响和线性化处理两个内容,（1）采用三线制输入方式；（2）线性化处理电路,30,3.5.4温度变送器,一体化温度变送器,分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种,热电偶温度变送器：把mV信号转换为标准电流输出,热电阻温度变送器：把电阻信号转换为标准电流输出,一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内,变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输

17、出为统一标准信号420mA。 这种变送器具有体积小、重量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。,由于一体化温度变送器直接安装在现场，但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作温度在20+80范围内，超过这一范围，电子器件的性能会发生变化，变送器将不能正常工作，因此在使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。,一体化温度变送器品种较多，其变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成，常用的变送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。,31,3.5.4 温度变送器,智能式温度变送器 采用HART协议通信方式或采用现场总线通信方式。 SMART公司的TT302温度变送器是一种符合FF通信协议的现场总线智能仪表，它可以与各种热电阻或热电偶配合使用测量温度，具有量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、重量轻以及安装维护方便等优点。,32,3.6 现代检测技术与传感器的发展,(1)新材料,新功能的开发及新加工技术的应用; (2)多维,多功能化的传感器; (3)微型化,集成化,数值化和智能化; (4)新型网络传感器的发展.,33,休 息,