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1 3 第2章过程检测仪表 检测仪表的组成和信号标准 过程检测仪表的接线方式 测量误差和精度等级 常用的数字滤波方法 主要内容 过程控制中的软测量技术 安全防爆的基本概念 温度 压力 流量 物位和成分检测仪表的选型和安装 2 2 1检测仪表组成及接线方式 过程控制的 眼睛 许多过程控制系统不能长期使用的主要原因就在于传感器故障 3 2 1检测仪表组成及接线方式 2 1 1检测仪表组成 功能 用于确定被控变量的当前值 组成 传感器 变送器 感受被控参数的变化 传送出相应的信号 将检测信号进行处理后 调制成标准信号 4 2 1检测仪表组成及接线方式 变送器的标准信号 电动信号 气动信号 4 20mA电流信号 远距离3 5Km 1 5V电压信号 近距离 20 100kPa气压信号 注意 控制器和执行器的标准信号与变送器的相同 5 若仅采用两根导线将热电阻接入电桥 将会由于远距离连接导线的电阻而引入误差 2 1检测仪表组成及接线方式 2 1 2过程检测仪表的接线方式 电流二线制 四线制 电流三线制 二线制线路简单 节省电缆 四线制仪表的工作电源可为直流 也可为交流 6 2 1检测仪表组成及接线方式 现场总线方式 现场总线是新近发展的一种通信协议方式 以HART为例 在一条电缆上同时传输直流4 20mA的模拟信号和数字信号 在直流4 20mA基础上叠加幅值为 0 5mA的正弦调制波作为数字信号 频移键控 FSK 7 2 2测量误差及处理 2 2 1测量误差的基本概念 1 真值 变量本身所具有的真实值 一般无法得到 约定真值 相对真值 无系统误差情况下 多次测量的平均值 标准仪表的测量值 2 测量误差 测量值与真值之间存在的差别 绝对误差 相对误差 引用误差 8 2 2测量误差及处理 仪表测量值与被测参数真实值之差 绝对误差M 测量值A 约定或相对真值 绝对误差 相对误差 仪表绝对误差与真实值的百分比 相对误差 绝对误差A 约定或相对真值 引用误差 仪表绝对误差与仪表量程的百分比 m 引用误差 绝对误差X 仪表的量程 9 3 仪表精度等级 2 2测量误差及处理 我国仪表精度等级有 0 005 0 02 0 05 0 1 0 2 0 35 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 级数越小 精度越高 级数越大 精度越低 仪表的精度等级应视工艺需求而定 不能片面追求高精度 把仪表允许的最大引用误差去掉 号和 号 便可以用来确定仪表的精度等级 去掉 号 去掉 号 仪表的最大引用误差 仪表的准确度等级 10 2 2测量误差及处理 某压力表刻度0 100kPa 在50kPa处测量值为49 5kPa 1 求在50kPa处仪表示值的绝对误差 相对误差 引用误差 2 如果用该仪表进行多次测量 误差分别为 0 45 0 3 0 2 0 1kPa 求该仪表的精度等级 相对误差 引用误差 绝对误差 EX1 误差和精度求解I 最大引用误差 精度等级 11 2 2测量误差及处理 某根据控制系统工艺设计要求 需要选择一个量程为0 100kPa的压力表 压力检测误差小于 0 45kPa 应该选择何种精度等级的压力表 EX2 误差和精度求解II 最大引用误差 精度等级 12 2 2测量误差及处理 2 2 2测量变送中的几个问题 测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等容易引入纯滞后 应力求避免 测量滞后问题 主要由测量元件的惯性造成 在系统设计中应尽可能选用快速测量元件 多路循环测量时 应保证每路信号控制的实时性 1 信号滞后问题 13 2 2测量误差及处理 电流信号较电压信号抗干扰能力强 传输距离远 不同电流信号传输距离视变送器带载能力而定 带载能力一般在250 750 之间 采用通信方式时 信号有时需加转换器或中继器以延长传输距离 2 传感器信号传输距离问题 14 2 2 3测量信号的处理 2 2测量误差及处理 1 测量信号的滤波处理 过程控制系统中 测量信号往往带有噪声 关于测量信号的滤波 可以采用模拟滤波电路 还可以采用软件数字滤波来消除噪声 测量信号的处理包括对测量信号进行线性化处理和滤波处理 15 数字滤波即程序滤波 通过计算机软件滤去干扰信号 提高信号的真实性 在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰 常用的数字滤波有如下几种 1 算术平均值滤波2 程序判断滤波3 中位值法滤波4 一阶惯性滤波 2 2测量误差及处理 2 数字滤波 16 2 2测量误差及处理 数字滤波使用时注意的问题 根据具体情况选择采用 在实际应用中 一般先对采样值进行程序判断滤波 然后再应用算术平均滤波或一阶惯性滤波等方法处理 应保证测量值的实时性和真实性 对于存在较大干扰的信号 应从抑制干扰角度去考虑 而不是仅仅滤波 17 2 2测量误差及处理 某换热器的温度控制系统方块图 系统的被控参数为出口物料温度 要求保持在 200 20 控制参数为加热蒸汽的流量 1 说明图中R E Q C F所代表的专业术语内容 2 说明Z I P的信号范围 3 气动执行器的输入 输出各是什么物理量 EX3 换热器温度控制系统 18 2 2测量误差及处理 1 R为给定值 E为偏差 E R Z Q为控制变量 C为被控变量 F为干扰变量 2 Z的信号范围为4 20mADC I的信号范围也为4 20mADC P的信号范围为20 100kPa 3 气动执行器的输入信号为20 100kPa的气压信号 输出信号为加热蒸汽的流量 19 2 3安全防爆基础 2 3 1危险场所划分 在石油 化工等多个行业 大量存在含有易燃材料的场合 危险区域 如原油及其衍生物 酒精 天然气等 易燃材料与空气混合成为具有火灾或爆炸危险的混合物 一旦产生电火花具有点燃混合物的能量 则产生火灾或爆炸 安全防爆是一项综合性技术 与过程控制关系密切 20 2 3安全防爆基础 1 危险区分类表 根据国际电工委员会 IEC 和相应的国标和行标 根据可燃物质的形态 形成爆炸混合物的频度和爆炸混合物的持续时间 将危险区分为三类八级 2 燃点和闪点 可燃物受热发生自燃的最低温度 达到这一温度 可燃物质与空气接触 不需要明火作用 就能自行燃烧 如汽油的燃点为220 燃点 闪点 易燃物或可燃液体挥发出的蒸气与空气形成混合物 遇火源发生燃烧的最低温度 如汽油闪点39 21 2 3安全防爆基础 为了确保电子设备在危险场所安全使用 发展了多种防爆技术 隔爆型 d 本安型 i 增安型 e 正压型 p 油浸型 o 充砂型 q 各种防爆技术规范由国家标准强制规定 不同的防爆技术适用于不同的场合 3 防爆技术 22 4 仪器防爆标志 2 3安全防爆基础 Ex 防爆仪表d 隔爆型 B 指工厂用仪表 指煤矿用仪表 A 丙烷等 B 乙烯等 和 C 氢气 乙炔等 T6 85 根据自燃温度T将易燃性气体或蒸汽混合物分为450 300 200 135 100 和85 六组 EX4 Exd BT6 仪表类型和功能 23 2 3安全防爆基础 2 3 2防爆安全栅 安全栅安装在安全场所 作为控制室仪表和现场仪表的关联设备 一方面传输信号 另一方面限制进入危险场所设备的能量 分为齐纳式安全栅与隔离式安全栅两种 加油站打手机会引起爆炸吗 24 2 4温度检测 测量方式 热电偶 热电阻 集成式 选型和安装 25 2 4温度检测 工业过程中常用温标为摄氏 但美国采用华氏 换算关系 2 4 1接触式与非接触式测温 接触式和非接触式常用测量元件 热电偶热电阻半导体热敏电阻集成温度传感器 26 2 4温度检测 1 接触式测温 测温方法 膨胀式 基于物体受热体积膨胀性质 热电阻式 基于导体或半导体电阻随温度变化的性质 热电偶式 基于热电效应 特点 简单 可靠 精度高 测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应 受到耐高温材料的限制 测温上限有界 27 2 4温度检测 2 非接触式测温 测温方法 利用物体辐射能随温度变化的特性 如红外式测温 特点 不破坏被测介质的温度场 测温上限原则上不受限制 可测运动体温度 如轧钢过程中钢板表面温度 易受被测物体热辐射率及环境因素 物体与仪表间的距离 烟尘和水汽等 的影响 详细的测温仪表分类参照表2 2 28 2 4温度检测 2 4 2热电偶 其热电动势与温度在小范围内基本上呈单值 线性关系 稳定性好 测温范围宽 高温热电偶测温上限可达2800 精度较高 特点 29 2 4温度检测 1 工作原理 热电偶由两种不同材料的导体A和B焊接而成 每根单独的导体或半导体称为热电极 t端称为工作端 又称测量端或热端t0端称为自由瑞 又称参考端或冷端 组成 30 2 4温度检测 热电偶 系统中的测温元件 检测仪表 检测热电偶产生的热电势信号 导线 用来连接热电偶与检测仪表 热电效应 热电势产生 不同的导体或半导体组成 两接点的温度不同 形成闭合的回路 31 2 4温度检测 温度与热电势的关系 EAB t t0 EAB t 0 EAB t0 0 电子密度不同 扩散运动 两种金属接触 接触电势eAB t 达到动态平衡 EAB t 0 工作端温度为t 自由端温度为0 时产生的热电势 EAB t0 0 工作端温度为t0 自由端温度为0 时产生的热电势 32 2 4温度检测 基本为定型生产 有标准化分度表 常用型号 铂铑30 铂铑6热电偶 也称双铂铑热电偶 分度号B 测温范围300 1600 铂铑10 铂电偶 分度号S 测温范围0 1300 镍铬 镍硅热电偶 分度号K 测温范围 50 1000 2 常用热电偶型号 33 2 4温度检测 3 热电偶冷端补偿 将冷端温度保持为0 或者进行一定的修正等对热电偶冷端温度的处理 EAB t t0 EAB t 0 EAB t0 0 冷端温度补偿 1 冷端温度不恒定 2 冷端温度高于0 34 2 4温度检测 冷端温度补偿 冰点槽法 修正法 温度修正 热电势修正 自动补偿法 冷端补偿电桥法 pn结补偿法 导线补偿法 35 2 4温度检测 2 4 3热电阻 工作原理 利用某些导体或半导体的电阻值随温度的变化而改变的性质来测定温度 特点 性能稳定 测量精度高 一般可在 270 900 范围内使用 适用性 在中 低温区 用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高 36 2 4温度检测 工业热电阻的材料要求 电阻随温度的变化呈线性关系 电阻温度系数大 电阻率大 热容量小 在测温范围内具有稳定的物理和化学性能 热电阻的材料主要有铂 铜和镍 37 2 4温度检测 包括正温度系数PTC 负温度系数NTC和临界温度电阻CTR连续测温中主要采用负温度系数NTC 而PTC和CTR一般用于制作位式作用温度开关 热容量小 响应快 但互换性差 热电特性非线性大 测温范围 50 300 热敏电阻 38 2 4温度检测 2 4 4集成式温度传感器 利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器 特点 体积小热惯性小 反应快测温精度高稳定性好价格低分为电压型和电流型两种 电压型温度系数约10mV 电流型温度系数约1 A K 39 2 4温度检测 AD590是常用的电流型集成式温度传感器供电电压 直流 4 30V 测温范围 55 150 温度系数 1 A K可进行长距离传输 100m 40 2 4温度检测 2 4 5接触式测温元件的选型与安装 根据工艺要求的测温范围和使用要求确定相应分度号的热电偶 热电阻 优先选择一体化热电偶或热电阻温度变送器 直接输出标准信号 根据环境条件选用不同型式的接线盒 潮湿或露天场所选用防溅式 防水式 易燃易爆场合注意防爆 选型 41 2 4温度检测 测量流动介质温度时 应保证传感器与介质充分接触 与被测介质成逆流状态 至少呈正交式 安装 感温点应处于管道中流速最大的地方 尽可能增大传感器的插入深度 温度计应斜插或在管道弯头处插入 当测温管道过细 直径小于80 时 安装测温元件需加装扩充管 安装 42 2 5压力检测 压力概念 弹性式 应变片式 压阻式 选型和安装 43 2 5压力检测 绝对压力Pa 物体所承受的实际压力 其零点为绝对真空 表压力P 指高于大气压力时的绝对压力与大气压力之差 真空度 负压 Ph 大气压力与低于大气压力时的绝对压力之差 压力基本概念 详细的测压仪表分类参照表2 7 44 2 5压力检测 45 2 5压力检测 2 5 1弹性式压力检测 原理 利用各种弹性元件 在被测介质压力作用下产生弹性变形的原理来测量压力的 弹性元件 被测压力 位移 平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管 46 2 5压力检测 2 5 2应变片式压力检测 1 基本原理 电阻应变原理 压缩应变 拉伸应变 阻值减小 阻值增加 外力作用 S增加 L增加 因尺寸 l s 变化引起阻值变化 2 结构和工作过程 3 信号的转换 4 特点 5 总结 47 2 5压力检测 2 结构和工作过程 r2沿径向贴放 作为温度补偿片 r1沿轴向贴放 作为测量片 膜片受到外力作用 r1产生轴向压缩应变 S增加 r2产生径向拉伸应变 L增加 阻值变小 阻值变大 结论 压力与应变片阻值呈对应关系 48 3 信号的转换 2 5压力检测 不受压时r1 r2 r0r3 r4 r 若应变片受压r1 r0 r1 r2 r0 r2 r1 r2 结论 压力与应变片阻值呈正比关系 最终输出为电压信号 49 4 特点 2 5压力检测 测量范围大 具有良好的动态效应 适用于快速变化的压力测量 具有明显的温漂和时漂 精度不是很高 5 总结 50 2 5压力检测 2 5 3压阻式压力检测 压阻式压力传感器是根据压阻效应造成的 其压力敏感元件是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成的扩散电阻 受到外力作用时 扩散电阻的阻值由于电阻率的变化而变化 51 2 5压力检测 2 5 4压力表的选择与安装 量程的选择 根据被测压力的大小确定仪表量程 对于弹性式压力表测量稳定压力时 最大压力值应不超过满量程的3 4 测量波动压力时 最大压力值应不超过满量程的2 3最低测量压力值应不低于满量程的1 3 精度的选择 根据生产允许的最大测量误差 引用误差 确定仪表的精度等级 一般工业 1 5级或2 5级科研或精密测量 0 05级或0 02级 1 压力表的选择 52 2 5压力检测 使用环境及介质性能的考虑 根据环境条件的恶劣程度 如高温 腐蚀 潮湿 振动等 和被测介质的性能 如温度高低 腐蚀性 易结晶 易燃 易爆等 确定压力表的种类和型号 压力表外形尺寸的选择 现场就地指示的压力表表面直径一般为100mm 在标准较高或照明条件较差的场合选用表面直径为200 250mm的压力表 盘装压力表直径为150mm或用矩形压力表 53 2 5压力检测 有一台空压机的缓冲罐 其工作压力变化范围为13 5 16MPa 工艺要求最大测量误差为0 8MPa 试选一合适的压力表 包括测量范围 精度等级 可供选择量程规格为 0 20 0 30 0 40MPa 解 缓冲罐的压力视为脉动压力 1 仪表量程选择 EX4 压力表的选择 设压力表量程为0 AMPa 根据题意选择量程为0 40MPa 54 2 5压力检测 2 确定精度等级 最大引用误差 精度等级 工艺要求最大测量误差不大于压力示值的 5 如何求解精度等级 思考 55 2 5压力检测 2 压力表的安装 测量高温 60 以上 流体介质的压力时 为防止热介质与弹性元件直接接触 压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器 避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响 如图 a b 测量腐蚀性介质的压力时 除选择具有防腐能力的压力仪表之外 还应加装隔离装置 利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来 如图 c d 56 2 6流量检测 流量概念 仪表分类 浮子式 57 2 6流量检测 单位时间内流过管道横截面的流体数量 称为瞬时流量 当流体的数量以体积表示时 称体积流量 当流体的数量以质量表示时 称质量流量 在某一段时间内流过管道横截面的流体总和称总量或累积流量 一般只用于计量考核 不参于过程控制 1 流量的基本概念 58 常见流量传感器 靶式流量计 旋翼式蒸汽流量计 气体涡轮流量计 金属转子流量计 椭圆齿轮流量计 玻璃转子流量计 电磁流量计 智能旋涡流量计 防爆涡轮流量计 59 2 流量仪表的分类 2 6流量检测 容积式流量计 速度式流量计 差压式流量计 利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成单位体积并进行累加而计量出流体总量 以测量管道内或明渠中流体的平均速度来求得流量 利用伯努利方程的原理测量流量的仪表 输出差压信号来反映流量的大小 质量式流量计 测量流过流体的质量来求得质量流量 60 2 6流量检测 容积式流量计 速度式流量计 差压式流量计 椭圆齿轮流量计 节流式流量计 浮子式流量计 涡轮流量计 漩涡流量计 质量式流量计 电磁流量计 超声波流量计 科氏质量流量计 61 2 6流量检测 2 6 3浮子式流量计 1 结构 2 工作过程 3 流量公式 4 特点 5 总结 1 是由下往上逐渐扩大的锥形管 通常用透明玻璃制成 2 是放在锥形管内可自由运动的转子 62 2 6流量检测 2 工作过程 H0 初始阶段 流量变化 Q0 H1 结论 流量与转子的平衡位置高度呈对应关系 63 2 6流量检测 3 流量公式 结论 流量与浮子高度呈线性关系 64 2 6流量检测 4 特点 主要适合检测中小流量 结构简单 使用方便 测量精度易受介质密度 粘度 温度 压力等影响 5 总结 65 2 7物位检测 物位概念 静压式 零点迁移 66 2 7物位检测 1 物位的基本概念 液位 料位 物位 界位 液位计 界面计 料位计 物位仪表 计量监控 要求对物位检测的绝对值测得非常精确 要求对物位检测的相对值测得非常精确 意义 67 2 7物位检测 2 物位仪表的分类 液位测量 界位测量 物位测量 浮力式液位测量 电容式物位测量 超声波式物位测量 雷达式物位测量 核辐射式物位计 多相界面测量 静压式液位测量 光纤式液位测量 68 2 7物位检测 2 7 2静压式液位测量 1 基本原理 2 零点迁移系列问题 差压式液位计是利用容器内的液位改变时 由液柱产生的静压也相应变化 P PB PA H g PB PA H g 69 2 7物位检测 密度和重力加速度为已知 压力计得到的差压与液位高度成正比 测量液位高度的问题转换为测量差压的问题 1 差压式液位计的基本测量原理与哪种测量方式相同 液柱式压力计 2 差压式液位计测量过程中要注意避免哪方面产生的误差 温度误差 3 理论上还可以根据流体静力学原理来测量哪个量 密度 结论 思考 70 2 7物位检测 2 零点迁移系列问题 1 零点迁移问题产生的原因及具体表现形式 2 如何进行零点迁移及迁移弹簧的实质 4 正迁移与负迁移的异同 3 迁移的实质 5 迁移和调零的异同 思考 71 1 零点迁移问题产生的原因及具体表现形式 2 7物位检测 H 0时 P 0 I 4mAH Hmax时 P Pmax I 20mA 变送器输入输出关系为 P H g 无迁移时 72 2 7物位检测 正压室压力 P1 h1 2g H 1g P0 负压室压力 P2 h2 2g P0 压差为 P H 1g h2 h1 2g 形成固定压差 h2 h1 2g 变送器输入输出关系为 有迁移时 H 0时 P h2 h1 2g P 0 I 4mA H Hmax时 P Pmax I 20mA 73 2 7物位检测 2 零点迁移问题的具体表现形式 由于固定压差 h2 h1 2g的作用 液位的零值与满量程与变送器的输出上 下限值无法相对应 即 H 0时 I 4mA H Hmax时 I 20mA 为防止容器内液体和气体进入变送器造成堵塞或腐蚀 在正 负压室及取压点之间分别装有隔离罐 并充以隔离液 1 零点迁移问题产生的原因 74 2 7物位检测 2 如何进行零点迁移及迁移弹簧的实质 在仪表上加一弹簧装置 以抵消固定压差 用来进行迁移的弹簧称为迁移弹簧 1 零点迁移 2 迁移弹簧的实质 1 抵消了固定压差 H 0时 I 4mAH Hmax时 I 20mA 2 改变了变送器的零点 75 2 7物位检测 同时改变了测