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过程测量仪表第一章 概述第一节 测量方法测量：用实验的方法或专门的设备，将被测物理量与该变量的已知测量单位（标准量）进行比较以求得二者比值，进而求得被测物理量的量值。被测变量量值与测量单位的关系：比值 测量的目的是希望能正确地反映被测参数的真实值。测量方法：测量方法就是实现被测变量与其单位比较的方法。 按测量方法分类： 直接测量：将被测变量与标准量（测量单位）直接进行比较或用预先按标准量定度好的仪器直接得出测量值的方法。间接测量：对几个与被测变量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过函数关系式求得被测变量的结果。 按接触方式分类：接触式测量：在测量过程中测量的敏感元件直接与被测介质接触，得到测量结果的方法。非接触式测量：在测量过程中测量仪表的任何部分都不与被测介质接触便可得到测量结果的方法。测量仪表的组成测量仪表基本上是由检测（传感）元件、传送放大和显示三个基本部分组成。检测元件感受被测变量的变化，并将它变换成便于测量的位移、电量或其他物理量信号；传送放大是对检测信号进行转换、放大，以推动后级显示部分；显示部分将测量结果以指示、记录或图像的形式显示出来。各部分往往是由若干个环节按一定方式连接而成。开环结构：开环结构仪表的特点是前一个环节的输出是后一个环节的输人，首尾衔接成一串，信号从仪表的输人端到其输出端经过各个环节全部沿着一个方向传递。 闭环结构：在某几个串联环节上又并联了一个反馈环节。闭环式仪表也称反馈式仪表。 传递系数：对于闭环结构的仪表，只要保证传递系数足够大，则闭环结构仪表的特性仅取决于反馈环节及检测元件的传递系数。第二节 仪表的性能指标仪表的性能指标是评价仪表性能好坏、质量优劣的主要依据，也是正确地选择仪表和使用仪表以进行准确测量所必需具备和了解的知识。仪表的性能指标很多，概括起来不外乎技术、经济及使用方面的指标。 仪表技术方面的指标：基本误差、精度等级、回差、灵敏度、反应时间等。 仪表经济方面的指标：功耗、价格、使用寿命等。 仪表使用方面的指标：操作维修是否方便、能否安全可靠运行以及抗干扰与防护能力的强弱、重量体积的大小、自动化程度的高低等。 在未加说明的情况下，有关性能指标一般指仪表在规定的正常工作条件下而言。正常工作条件即电源电压、频率、温度、压力、湿度、振动、外界磁场、安装位置等等，应符合仪表出厂时的规定要求。测量误差 误差：某一量值的给出值与客观真实值之差。测量误差：测量值与真实值之间始终存在着的一定的差值。误差分类：测量误差按其产生的原因不同，可以分为三类。系统误差：在同一条件下，多次测量同一被测参数时，测量结果的误差大小与符号均保持不变或在条件变化时按某一确定规律变化的误差。系统误差大小体现了测量结果偏离真实值的程度，即决定测量结果的准确程度。系统误差可通过对测量结果引入适当的修正值而加以消除。随机误差：在相同条件下，对某一参数进行重复测量时，测量结果的误差大小与符号均不固定，且无一定规律的误差。可以取多次测量结果的算术平均值作为最终的测量结果，以算术平均值均方根误差的23倍作为随机误差的置信区间，相应的概率作为置信概率，可减小误差对测量结果的影响。随机误差的大小表明对同一测量值多次重复测量结果的分散程度，即决定测量结果的精密度。疏忽误差：产生的主要原因是由于工作人员在读取或记录测量数据时的疏忽大意所造成的。测量结果显著偏离被测实际值的误差，没有任何规律可循。带有这类误差的测量结果毫无意义。应加强责任感，细心工作，避免发生这类误差。仪表的性能指标仪表的性能指是评价仪表性能好坏、质量优劣的主要依据，也是正确地选择仪表和使用仪表以进行准确测量所必需具备和了解的知识。绝对误差和相对误差绝对误差：仪表的测量值与真实值之间的代数差。 绝对误差=测量值-真实值 绝对误差不是测量误差的绝对值。相对误差：测量值的绝对误差与其真实值之百分比称为相对误差。 相对误差可反映测量值在某一点上的准确度，而不能全面反映仪表在整个测量范围内的准确度。 引用误差：测量值的绝对误差与测量仪表的量程之比的百分数。 仪表的量程： 测量范围 工业上一般采用引用误差来衡量仪表的准确度。 最大引用误差：当被测变量平稳地增加或减少时，仪表测量范围内各点绝对误差的最大值与量程.之比的百分数。 最大引用误差是仪表基本误差的主要形式，常称为仪表的基本误差，可以比较确切地反映仪表的测量精度。回差（变差）：在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某一变量进行正、反行程（被测参数由小到大和由大到小）测量时，所得仪表示值之间的差值，称为回差的绝对值。 ：仪表的正、反行程最大绝对误差值。仪表的回差不能超出仪表精度等级所限定的允许误差。 灵敏度及分辨率 灵敏度：反映了仪表示值变化对被测变量变化的灵敏程度。一般用于模拟量仪表。 仪表的输出变化量：指针的线位移或角位移。通常规定仪表标尺刻度上的最小分格值不能小于仪表允许的绝对误差值。分辨力：数字式仪表的分辨力是指仪表在最低量程上最末一位数字改变一个字所表示的物理量。分辨率是指数字仪表显示的最小数值与最大数值之比。精确度及其等级精确度（精度）：是精密度和准确度的综合。表示正常使用条件下所得结果的可靠程度。一般用允许引用误差作为确定精度的尺度。 允许引用误差（允许误差）：是仪表出厂时所规定的引用误差的最大允许值。它是根据仪表的最大引用误差、与国家规定的精度等级综合后所确定的。 允许误差去掉“”号与“”号，其数值即为仪表的精度。精度等级：是按国家统一规定的允许误差大小而划分的。某一等级仪表的允许误差是指在正常情况下，国家规定这类仪表所允许具有的最大引用误差。 目前，我国规定生产的仪表精度等级有：0. 005；0. 02；0. 05；0.1；0.2；0.25；0.4；0.5；1.0；1.5；2.5等。精度等级精度无论哪种仪表，凡属于同一等级的仪表均应满足它所规定的全部精度要求。例1 例2根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应大于或至少等于仪表校验结果所得的最大引用误差； 精度（允许误差）最大引用误差（校验）根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于或至多等于工艺上所允许的最大引用误差。 精度（允许误差）最大引用误差（工艺）数字仪表的精度表示方法 ：测量误差 ：被测变量的读数 ：被测变量的满度值 ：系数，取决于仪表内部的基准电源和测量线路的传递系数不稳定等因素。 ：系数，取决于数字仪表的量化误差、零漂和噪声等因素。 相对误差：仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一，它反映了仪表的准确度和精密度。其数值越小，表示仪表的精度等级越高。仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标注在仪表面板或铭牌上。反应时间：用来表示测量仪表能不能尽快反应出被测变量变化的性能指标。 可用仪表的输出由开始变化到达到新稳态值的63. 2所用的时间来表示反应时间；也可用变化到新稳态值的95所用的时间来表示反应时间的。 可靠性 有效度：是衡量仪表可靠性的综合指标。 有效度的数值越接近于I，仪表工作越可靠。第二章 压力测量及变送第一节 引言压力压力是工业生产中的重要参数，在生产过程中，对液体、蒸汽和气体压力的检测是保证工艺要求、设备和人身安全并使设备经济运行的必要条件。压力：指均匀而垂直地作用于单位面积上的力 （压强） P：压力 F：均匀垂直作用力 A：受力面积。压力单位：Pa （帕、帕斯卡） 根据国际单位制（SI）和我国法定计量单位的规定。千帕： 兆帕：吉帕： 压力的表示方法：在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。绝对压力：以绝对压力零线作为起点计算的压力。以绝对真空为基础。表压是绝对压力和大气压力之差，工程上所用的压力指示值，大多为表压。 排除了大气压力的因素 大气自重产生的压力负压或真空度：是大气压力与绝对压力之差。当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。 因为各种工艺设备和测量仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力。所以，工程上经常用表压或真空度来表示压力的大小。测压仪表压力测量仪表简称压力计或压力表。它根据工艺生产过程的不同要求，可以有指示、记录和带远传变送、报警、调节装置等。测量压力或真空度的仪表很多，按其转换原理的不同，大致可以分三大类：n 液柱式压力计 U形管压力计n 弹性式压力计n 电气式压力计 压力电量第二节 弹性式压力计弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形，通过测量该变形即可测得压力的大小。弹性压力计结构简单，牢固可靠，价格低廉，测量范围宽，精度可达0.1级，若与适当的传感元件相配合，可将弹性变形所引起的位移量转换成电信号，便可实现压力的远传、记录、控制、报警等功能。因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。弹性元件：是弹性式压力计感测元件和气动仪表的基本组成元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不同。弹簧管式弹性元件 单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管，它的截面积做成扁圆形或椭圆形。当通入压力后，它的自由端会产生位移。这种单圈弹簧管自由端位移量较小，测量压力较高。a.多圈弹簧管可增加自由端位移量 b.薄膜式弹性元件膜片式弹性元件：是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片（平膜片或波纹膜片），在压力作用下能产生变形。c.膜盒：两张金属膜片沿周口对焊起来成一薄壁盒，内充液体（例如硅油）。d.波纹管式弹性元件 波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体。这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量或气动仪表的基本元件。e.波登管，是横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管。当管的固定端通入有一定压力的流体时，管内外的压力差(管外一般为大气压力)迫使管截面趋于圆形，这种变形导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移。不同材料的波登管适用于不同的被测压力和被测流体介质。当压力低于20MPa时,一般采用磷铜；压力高于20MPa时，可采用不锈钢或高强度合金钢。波登管横截面的纵横直径比愈大，灵敏度愈高。弹簧管压力表 弹簧管的测压原理 作为压力一位移转换元件的弹簧管，当它的固定端A通入被测压力后，由于椭圆形截面在压力p的作用下将趋向圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之向外挺直扩张变形，变形其弹簧管的自由端由B移到B。输入压力与弹簧管自由端的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反应压力p的大小，这就是弹簧管压力表的基本测量原理。 弹簧管压力表的结构原理 弹簧管压力表的刻度标尺是线性的，这是由于自由端的位移与被测压力间有正比关系。两级放大： 拉杆扇形齿轮中心齿轮 改变调整螺钉的位置（即改变机械转动的放大系数），可以实现压力表一定范围量程的调整。游丝用来克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差。 Y系列弹簧管压力表Y系列压力表适用测量无爆炸，不结晶，不凝固，对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、气体或蒸汽的压力。型号命名： 电接点压力表 电接点压力表能简便地实现在压力超出给定范围时，及时发出报警信号，提醒操作人员注意，以便采取相应措施。另外还可通过中间继电器实现某种连锁控制，以防止严重事故发生。 第三节 压力、差压变送器变送器的任务是把各种非电量的工艺参数（如压力、流量、温度、液位等），变换成统一标准信号，然后根据系统的需要，传送到有关仪表进行控制、显示或记录。 变送： 量程：420mA传感器：将非电量被测参数按确定的函数关系转换成电量。传感器变送器力平衡式压力变送器 压力变送器的作用是连续测量生产过程中各种液体、蒸汽和气体压力，并把这一压力成比例地转换成统一的标准信号，以实现压力的显示和控制。 力平衡式压力变送器测量部分的测压敏感元件根据所产生测量力的范围而定。 波纹管式 波纹管是用来测量低压力（02.5 MPa）的敏感元件，一般采用黄铜或不锈钢制成的波纹管。弹簧管式测量中、高压（2.510MPa,1060MPa）的敏感元件一般采用铬钒钢制成的弹簧管。 双波纹管真空补偿式双波纹管真空补偿式，用来测量绝对压力。测量部分结构：由安装在同一轴线上有效面积相同的两个不锈钢波纹管组成，波纹管1为测量波纹管，波纹管2为补偿波纹管，预先抽成真空，然后密封。 ：待测压力 ：大气压力 测量波纹管底部产生的推力： 补偿波纹管底部产生的轴向压缩力： 作用在主杠杆上的合力： 与大气压力无关，待测压力为绝对压力。 力平衡式电动差压变送器 力平衡式电动差压变送器DBC力平衡式电动差压变送器采用了420 mA DC的信号制。 通过双杠杆将差压变化转换为位移二线制变送器：电源及信号传递共用二根线。DDZ- 矢量机构：，主要由矢量横杆和形支撑板组成。 矢量机构把主杠杆的水平方向的力，分解为垂直方向的力和矢量角方向的力。统一信号：420 mA DC 力平衡时， 测量杠杆系统重新处于力平衡状态，输出电流。 ：变送器结构常数。在力平衡条件下，对应于一定的矢量角和反馈动圈匝数W，变送器输出电流与被测差压成线性关系。若改变矢量角和反馈动圈匝数W则可改变仪表的量程。位移检测放大器：完成位移一电流转换的任务。它是将差压变送器所测的差压信号，经副杠杆转换成检测片的微小位移,此位移由差动变压器、低频振荡器、功率放大器再转换成变送器的整机输出420 mA的直流电流。位移检测放大器原理框图差动变压器：由衔铁（检测片）、罐形磁芯和四组线圈所构成。下磁芯磁路空气隙长度不变，而上磁芯磁路空气隙长度随测量信号改变。 副边感应电势 随检测片与磁芯的距离而变化。低频放大器由振荡器、整流滤波及功率放大器三部分组成。低频放大器的作用是把差动变压器的输出信号进行整流、滤波、放大成420 mA DC输出。完成了将检测片的微小位移转换成输出电流的任务。电容式差压变送器 电容式差压变送器的敏感元件为差动式电容。将差压的变化转换为电容量的变化。这个变化经传送部分运算放大后，变送器输出与被测差压成线性的420 mA直流信号。 特点：静压误差的问题比较容易解决，比较耐振耐冲击，可靠性、稳定性高。整个差压变送器的精度较高，允许误差不超过量程的士0.25 工作原理：电容式差压变送器由检测部分和传送部分组成，检测部分是将被测的差压经活动电极转换为静电容量变化。传送部分是将静电容的变化量经测量电路转换为电压，再经将电压转换成电流的运算放大器，输出与被测差压成线性的直流电流信号。 检测部分 测量膜盒充以充灌液（硅油），测量膜片（可动电极）和两边弧形固定电极分别形成电容和。被测的差压通过导压管进人变送器的正、负压室，分别加于左右两个隔离膜片上，通过充灌液将压力传送到测量膜片上，在两边压力差的作用下，测量膜片的中心可左右移动0.lmm的距离，从而使和的电容量不再相等，这一静电容量变化经引出线送往传送部分放大，转换为420 mA DC信号输出。差压与差动电容和的关系： 传送部分的任务： 电压、电流 差动电容敏感元件将电容量变化转换为电流变化，经相敏整流后输出： 差动电流：，共模信号： 输出电流： 变送器输出与被测变量的对应关系： 010mA 例：DDZ-电动差压变送器，测量范围：2.510MPa 所测压力：5MPa，输出？第四节 其它压力检测仪表应变式压力传感器物体受压后会产生内应力和产生弹性变形，在弹性限度之内，内应力与变形率（即应变）成正比，因而可以通过测量物体应变来求物体所受的压力。应变式压力变送器就是通过测量粘贴在弹性元件上或者与弹性元件制成一体的应变电阻值的大小来测量受压弹性元件的应变，从而测得弹性元件所感受的压力。作为感压元件的应变片是由金属导体或半导体材料制成的电阻体，它的电阻值R随压力P所产生的应变而变化。应变式压力传感器利用应变片作为转换元件，把被测压力p转换成应变片的电阻值变化，然后经桥式电路得到毫伏级电量输出给显示仪表。 工作原理：轴向贴放应变片 ：径向贴放应变片被测压力为零，测量电桥平衡： 压力作用于不锈钢密封膜片，电桥失衡 具有较好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是利用压阻效应的原理（半导体材料受压时电阻率发生变化）直接将压力转换为电信号。压电电阻效应：当在半导体（例如单晶硅）的晶体结构上加以压力，会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电结构，表现为它的电阻率P的变化。半导体远比金属导体有显著的压电电阻效应，其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。为了减小半导体电阻随温度变化引起的误差，在硅膜片上常扩散4个阻值相等的电阻，以便接成桥式输出电路获得温度补偿。压阻式压力传感器的主要优点：精度高、工作可靠、结构简单、响应速度快。当被测介质对硅膜片有毒害时，使用隔离膜片，通过硅油将被测压力传递给测量元件，可测有腐蚀性介质。振弦式压力传感器 振弦式压力传感器是通过测量元件振弦将被测压力P转换为振弦振动所产生的感应电势的频率值，再由测频电路得到相应的电量信号输出。第五节 压力仪表的选用、安装与校验压力仪表的选用 1.仪表类型的选用 仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。 普通压力表、氨气压力表、氧气压力表 YA-100 YO-50 氧气瓶 2.仪表测量范围的确定 留有余地 平稳压力： ：最大工作压力 ：测量上限值 脉动压力： 在国家规定的标准系列中选取： 01，1.6，2.5，4，6， MPa 3.仪表精度的选取 根据工艺生产上允许的最大绝对误差和选定的仪表量程，计算出仪表允许的最大引用误差，在国家规定的精度等级中确定仪表的精度。 例：稳定0.8MPa 最大误差：0.02MPa ，01.6MPa 例1、例2 压力仪表的安装 压