过程仪表第2章_变送器1.ppt

1 第2章变送器 变送器是自动控制系统中的一个重要组成部分 在各种工业过程自动控制系统中 变送器对温度 压力 液位 流量 成分等物理量进行测量 并转换成统一的标准信号 本章主要内容 概述差压及压力变送器DDZ 型温度变送器流量变送器液位变送器成分分析仪表二线制变送器的电路分析及设计智能压力变送器 2 2 1概述 1 概述 3 过程控制系统由检测变送器 调节器 执行器和被控过程组成 检测变送器将被控参数如温度 压力 流量 液位 PH值以及成分量 状态量等检测出来 并变换成相应的统一标准信号 供系统显示 记录或进行下一步的调整控制作用 在任何系统的自动控制中变送器都是首要环节和重要组成部分 只有获得精确和可靠的被控参数 才能进行准确的数据处理 进而才能获得高质量的控制效果 4 检测变送单元实际上包括两部分内容 首先是将被控参数检测出来 然后变送器将其变换成统一标准信号 由于利用单元组合仪表能方便灵活地组成各种难易程度的过程控制系统 因此 它在过程控制系统中应用极为广泛 单元组合仪表有气动单元组合仪表和电动单元组合仪表两大系列 表2 1是DDZ 型和DDZ 型仪表的性能比较 5 表2 1DDZ 型与DDZ 型仪表的性能比较 6 本章主要介绍DDZ 型变送器及各种微型化 智能化变送器的原理及主要工作特性 从使用的角度来说 变送器量程调整 零点调整和零点迁移的概念是很重要的 量程调整或称满度调整 其目的是使变送器输出信号的上限值 或满度值 与输入测量信号上限值相对应 量程调整相当于改变变送器的灵敏度 即输入输出特性的斜率 见图2 1 图2 1变送器的量程调整 7 变送器零点调整的目的是使其输出信号的下限值与输入信号的下限值相对应 在xmin 0时为零点调整 见图2 2a 将变送器的测量起始点由零点迁移到某一正值或负值 称为零点迁移 在xmin 0时为零点迁移 xmin 0正迁移 xmin 0负迁移 零点迁移有正迁移和负迁移 见图2 2b和图2 2c 图2 2变送器的零点调整与零点迁移a 零点调整b 正零点迁移c 负零点迁移 8 实例某测温仪表的量程为0 500 输出信号为4 20mA 现欲测量200 1000 应如何调整 9 2 变送器的信号 将各种物理量转换成统一的标准信号 标准信号是仪表 不同厂家的仪表 之间的协议 由0 10mA 0 5V 0 10V 4 20mA 1 5V 全数字化双向通信信号 DDZ DDZ 3 变送器的发展 首先是传感器和变送器分离 传感器是借助敏感元件按一定的规律 物理 化学等 将非电物理量形式的信号转换成电信号 变送器是将传感器输出的电信号 微弱的电流 电压等 转换成标准信号 现在是传感器和变送器功能合一 变送器为输出标准信号的传感器 由于微机械加工技术和微电子技术的发展 敏感元件和信号调理电路一体化 构成集成变送器或智能变送器 10 4 变送器的构成原理变送器主要由测量部分 放大器和反馈部分组成 构成原理图如下图所示 变送器的构成原理图 11 2 2差压及压力变送器 差压 压力 变送器作为过程控制系统的检测变送部分 将液体 气体或蒸汽的差压 压力 流量 液位等工艺参数 转换成统一标准信号 作为显示记录仪 运算器和调节器的输入信号 以实现生产过程的连续的检测和自动控制 压力单位 国际单位 Pa KPa MPa工程单位 工程大气压 kgf cm2 标准大气压 atm 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 巴 bar 托 Torr 等 12 以1151型压力变送器为例 美国Rosemount公司开发的产品 综合误差为量程的 0 25 国内上海自动化仪表一厂 西安仪表厂等引进生产 原理框图如图所示 它是将传感器和变送器合二为一 传感器由敏感器和测量电路组成 差动电容差压变送器包括差动电容 测量部分 和转换放大电路两部分组成 差动电容的作用是将压力转换成电容比 转换放大电路的作用就是将电容比提取出来 并转变成DC4 20mA输出 1151型电容式差压变送器是该类变送器的典型产品 差动电容式压力变送器 13 电容式差压变送器组成方框图 14 敏感器结构 测量部分 差动电容式敏感器如下图所示 其核心是由中心可动极板与两侧固定极板构成的 差动球 平面型电容CL和CH 15 结构特点 可承受过压能力强 适合于测量绝对压力很高 而压差很小的场合 即使一侧的压力消失 使膜片贴在壳体上 不再继续变形 而不致破裂 当两侧压力相等 P1 P2时 中心膜片无位移 0 CL CH 150pf 当两侧压力不相等 P1 P2时 P P2 P1 中心膜片的位移 k P k为与膜片尺寸材料有关的系数 16 2 转换放大部分原理框图 差动电容差压变送器的转换放大电路作用是将差动电容相对变化量提取出来 并转换成4 20mA标准的电流输出信号 还要实现0点调整 量程调整 阻尼调整等功能 其中 a 动极板工作半径 T 动极板初始力d0 定 动极板初始距离 选取差动电容的电容之比有 17 电容比调制是在差动电容检测头内完成的 图中未画出 图中解调器 振荡器 振荡控制器相当于电容比 电流转换电路 电流放大器 电流控制器 电流限制器相当于放大和输出限制电路 电流检测器相当于反馈电路 18 电容比调制是在差动电容检测头内完成的 图中未画出 图中包括电容比 电流转换和放大电路两部分 差动电容比由振荡器供电 经解调后 直流信号 输出两个电流信号 差动信号 共模信号 共模信号作为振荡控制器的输入 其输出控制振荡器的输出电压的幅值 从而达到稳频稳幅的要求 差动电流信号Is与电容比成正比 即与 P成正比 Is经电流放大器 零点调整 量程调整 零点迁移 输出电流限幅和过流保护等转换成4 20mA输出电流 即I0 Is P该类差压变送器输出电流与被测差压具有良好的线性关系 是二线制仪表 且具有安全火花性能 可用于易燃易爆的场合 19 20 二 扩散硅压力变送器由于单晶硅具有优良的机械物理性能 滞后蠕变极小 稳定性好 随着微机械制造技术的进步 扩散硅压阻传感器逐年得到广泛的应用 压阻传感器原理 扩散硅压力变送器结构图 应力作用到半导体硅片上 其产生形变 电阻率发生变化 受压电阻率 受拉电阻率 称为压阻效应 整个检测元件由两片研磨后胶合成的硅片组成 在硅杯上制作压阻元件 利用金属丝将压阻元件引接到印制电路板板上 硅杯两面浸在硅油中 硅油与被测介质间有金属隔离膜片分开 被测差压引入测量元件后 通过金属膜片和硅油传递到硅杯上 压阻元件的电阻值发生变化 21 扩散硅压力变送器电原理图 TO 8系列压力传感器在硅片上用离子注入和激光修正法形成4个阻值相等的扩散电阻 连接成惠斯顿电桥形式 如图所示 22 其中RB和RC受压 RA和RD受拉 电桥由电流源I供电 通过MEMS技术在膜片上形成压力室 与取压口相通 另一侧与大气相连 桥路输出电压V0和膜片受压力差成正比 外壳材料有 尼龙 陶瓷 不锈钢等 封装结构有 双列直插式DIP 表面贴装式 印刷电路板等 23 24 2 3DDZ 型温度变送器 温度也是流程工业生产过程中最基本的物理参数之一 控制过程中的化学 物理变化均和温度有关 最常见的检测技术是采用温度传感器 热电偶 热电阻 进行测量 不同的温度范围选用不同的温度传感器 温度变送器将温度 温差以及与温度有关的工艺参数和直流毫伏信号变换成DC4 20mA或DC1 5V的统一标准信号 25 DDZ 型温度变送器的型号有三种 热电偶温度变送器 热电阻温度变送器 直流mV变送器 其结构框图如下图所示 这三类变送器都采用四线制连接方式 在线路结构上都分为量程单元和放大单元两个部分 其中放大单元是三者通用 而量程单元则随品种 测量范围的不同而不同 26 27 一 直流毫伏变送器的量程单元直流毫伏变送器的量程单元由信号输入电路 零点调整桥路和反馈电路等部分组成 直流毫伏变送器量程单元 28 输入回路中Ri1 Ri2和VS1 VS2起限流和限压作用 限制打火能量在安全火花范围内 Ri1 Ri2与Ci还组成低通滤波器 以滤掉输人信号Vi中的交流分量 零点调整电路由Ri3 Ri4 Ri5 Ri6 Ri7和RPi电位器等组成 其中Ri5 Ri7的阻值远远大于其他电阻的阻值 作用是限制支路电流 VTZ和RZ构成恒流源 桥路电压由VTZ和VS3提供 反馈回路由Rf1 Rf2 Rf3和量程调整电位器RPf等组成 其中Rf1为反馈电压源的内阻 其阻值远小于Rf2 Vf来自放大单元的隔离反馈部分 29 热电偶温度变送器量程单元原理图 它包括 输入电路 调0和调量程回路 非线性反馈回路等 二 热电偶温度变送器的量程单元 30 由图可见 该变送器的量程单元与直流毫伏变送器的量程单元基本相同 但是由于热电偶检测元件的特性 存在三点差异 1 热电偶冷端温度的自动补偿 在Ri3桥臂上增加一铜电阻RCu 2 在反馈回路增加了热电偶特性的线性化电路 3 零点调整电位器RPi由桥路的左边移到桥路的右边 1 进行冷端温度校正 当热电偶的被测温度一定而冷端温度升高时 其热电势Vi将减少 为补偿Vi的减少需在桥路输出增加一个适当的值 为此在桥路串接一铜电阻放在冷端附近 冷端铜电阻阻值为 Rcu t0 R0 1 t0 为铜电阻温度系数Rcu具有正的温度系数 其阻值随温度的增加而增加 接于Ri3桥臂便可达到热电偶冷端温度自动补偿的目的 31 2 反馈线性化 在反馈电路中需要完成量程调整和非线性校正两个功能 量程调整实质上是调整放大电路的闭环放大倍数 通过调节反馈电阻的大小就可实现 而非线性校正则需要一个校正网络来实现 32 折线逼近法线性化原理a 折线逼近原理b 电路原理图 下图是采用4段折线逼近热电偶的特性原理图 33 1 当Vf电压使运放输出Vc Vf1时 对应变送器的零点 即I0 4mA或V0 1V 当Vf增加 Vf1 Vc Vf2时 VS1 VS3均截止 电阻网络取决于Rf17 Rf18 Rf7和Rf8 此时折线斜率为 1 当Vf继续增加 Vf2 Vc Vf3时 VS1导通 而VS2 VS3均截止 将Rf9并联到支路1 此时折线斜率为 2 以此类推 当Vf继续增加 达到Vf3 Vc Vf4和Vf4 Vc Vf5时 VS2和VS3相继导通 相继支路3和支路4的电阻并联到电阻网络中去 此时 折线斜率为 3和 4 从而用4段折线逼近热电偶的非线性特性 由上述原理可见 折线的拐点取决于基准电压之值 折线的斜率取决于电阻网络的电阻值 34 35 三 热电阻温度变送器的量程单元 热电阻温度变送器量程单元原理图 36 图中 Rt为测温电阻 热电阻与桥路之间的连接采用三线制 引线电阻r1 r2 r3 1 VS1 VS4为限压稳压管 起安全火花防爆作用 RPi为零点调整电位器 RPf为量程调整电位器 VZ为供桥电压 Ri2 Ri5且Ri2 Ri5的阻值远大于其他桥臂电阻阻值 故其起到恒定桥臂电流的作用 Rf4支路引进正反馈电流I1 对热电阻的非线性进行线性化 37 热电阻的特性及其线性化曲线a 热电阻的特性b 线性化曲线 38 四 温度变送器的放大单元 电压放大器 功率放大器 包括四部分 前置放大器 功率放大器 隔离输出电路 DC AC DC变换器 1 前置 电压 放大器2 功率放大器 39 隔离输出与隔离反馈电路 3 隔离输出电路 40 4 DC AC DC电源变换器 41 五 微型化温度变送器 1 AD590构成的温度变送器 微型温度变送器原理图a 温度检测元件b 变送器原理电路 42 2 TMP17构成温度变送器 TMP17构成微型温度变送器a TMP17引脚功能b 原理电路 43 3 TMP35系列构成微型温度变送器 TMP35构成微型温度变送器a TO 92封装b 原理电路 44 TMP35系列构成频率输出型微型温度变送器 45 4 TMP01系列构成温度变送器 TMP01构成温度变送器a 引脚功能b 原理电路 46 2 4流量变送器2 4 1概述流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量 也就是所谓的瞬时流量 在某一段时间内流过流体的总和 称为总量或累积流量 体积流量以体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 47 标态下的体积流量 由于气体是可压缩的 流体的体积会受工况的影响 为了便于比较 工程上通常把工作状态下测得的体积流量换算成标准状态 温度为20 压力为一个标准大气压 下的体积流量 标准状态下的体积流量用qvn表示 单位为Nm3 s 流量测量仪表也称为流量计 它通常由一次仪表和二次仪表组成 一次仪表亦称为传感器 二次仪表称为显示装置或变送器 流量测量仪表的种类繁多 各适用于不同场合 其分类见表2 2 48 表2 2流量仪表的分类 49 差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件 流体通过阻力件时将产生差压 此差压与流体流量之间有确定的数值关系 通过测量差压值便可求得流体流量 并转换成电信号输出 因此 差压式流量计由产生差压的装置和差压计两部分组成 其结构简单 可靠 见右图 节流式流量计的组成 2 4 2差压式流量计 50 差压式流量计也称为节流式流量计 它是目前工业生产过程中流量测量最成熟 最常用的方法之一 如果在管道中安置一个固定的阻力件 它的中间开一个比管道截面小的孔 当流体流过该阻力件时 由于流体流束的收缩而使流速加快 静压力降低 其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差 压差的大小与流体流速的大小有关 流速愈大 差压也愈大 因此只要测出差压就可以推算出流速 进而可以计算出流体的流量 把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程 其中的阻力件称为节流件 作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种 标准节流件包括孔板 喷嘴和文丘里管 孔板 喷嘴 文丘里管 51 对于标准化的节流件 在设计计算时都有统一标准的规定 要求和计算所需的有关数据及程序 可直接按照标准制造 安装和使用时不必进行标定 特殊节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测 它必须用实验方法单独标定 只介绍标准孔板 a 标准孔板 b 喷嘴 c 文丘里管 节流原理 流动流体的能量有两种形式 静压能和动能 流体由于有压力而具有静压能 又由于有流动速度而具有动能 这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的 52 53 流量方程 根据流体力学中的伯努利方程 可以推导得出节流式流量计的流量方程 也就是差压和流量之间的定量关系式 为流量系数 为可膨胀性系数A0为节流件的开孔面积 为节流装置前的流体密度 P节流装置前后实际测得的压差 原理总结 流体在管道中正常流动 v p 节流件使流体收束 流速增大 压力降低 节流件前后出现 压差 压差 与流量有关 54 流量系数 值主要与节流装置的型式 取压方式 流体的流动状态 如雷诺数 和管道条件等因素有关 因此 是一个影响因素复杂的综合性参数 也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在 雷诺数大于某一数值 界限雷诺数 时 值可认为是一常数 对于标准节流装置 可以从有关手册中查出 对于非标准节流装置 其值要由实验方法确定 可膨胀性系数 用来校正流体的可压缩性 它与节流件前后压力的相对变化量 流体的等熵指数等因素有关 其取值范围小于等于1 对于不可压缩性流体 1 对于可压缩性流体 则 1 应用时可以查阅有关手册而得 55 节流式流量计的使用特点和要求 标准孔板应用广泛 它具有结构简单 安装方便的特点 适用于大流量的测量 孔板测量的压损大 当不允许有较大的管道压损时 便不宜采用 在一般场合下 仍采用孔板为多 标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小 但结构比较复杂 不易加工 标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm 雷诺数在104 105以上的流体 流体应当清洁 充满全部管道 不发生相变 为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态 在节流装置的上 下游必须配置一定长度的直管段 与管径 节流件的开孔面积以及管路上的弯头数都有关系 节流装置经过长时间的使用 会因物理磨损或者化学腐蚀 造成几何形状和尺寸的变化 从而引起测量误差 因此需要及时检查和维修 必要时更换新的节流装置 56 节流式流量计误差产生的原因 实际工况与设计要求不符 如 温度 压力 湿度以及相应的流体重度 粘度 雷诺数等参数数值发生变化 则会造成较大的误差 为了消除这种误差 必须按新工艺重新设计计算 或加以必要的修正 节流装置安装不正确节流装置安装不正确 在安装时 特别要注意节流装置的安装方向 在使用中 要保持节流装置的清洁 如在节流装置处防止有沉淀 结焦 堵塞等现象 节流装置的磨损 应注意日常检查 维修 必要时应换用新的孔板 导压管安装不正确 或有诸塞 渗漏现象 57 节流式流量计误差产生的原因 孔板本身原因 直角边缘不锐利 测量值偏小 d太大 测量值偏小 h太大 测量值偏大 安装不好 孔板弯曲 可大可小 58 2 4 3靶式流量计 在管道中垂直于流动方向安装一圆盘形阻挡件 称之为 靶 流体流经靶时 由于受阻将对靶产生作用力F F与流体流动速度的关系为式中 K为阻力系数 为垂直于流速的靶面积 r为流体重度 v为通过环形面积的流速 g为重力加速度 靶式流量计结构原理 59 可求出体积流量与靶上受力关系为 其中 Ka 流量系数D 管道直径d 靶的直径F 靶上受力r 流体重度 和差压式流量计相似 流量和力是开方关系 可用于较小的雷诺数状态 特别是于高粘度的流体 如重油 沥青等的流量测量 精度为2 3 60 2 4 4转子流量计 在工业生产中经常遇到小流量的测量 因其流体的流速低 这就要求测量仪表有较高的灵敏度 才能保证一定的精度 转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量 测量的流量可小到每小时几升 节流面积不变 流量变化 压差发生变化 压差不变 流量变化 节流面积发生变化 孔板流量计 转子流量计 61 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 当流体流过的时候 位于锥形管中的转子受到向上的一个力 使其浮起 当这个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力 此时转子就停浮在一定的高度上 若流体流量突然由小变大时 作用在转子上的向上的力就加大 转子上升 环隙增大 即流通面积增大 随着环隙的增大 使流体流速变慢 流体作用在转子上的向上力也就变小 这样 转子在一个新的高度上重新平衡 这样 转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应 62 流量方程 转子的平衡关系 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 流量与转子高度h成线性关系式中的其它参数为常数 式中 为仪表常数 h为转子浮起的高度 63 转子流量计的锥形管一般采用透明材料制成 在锥形管上刻有流量读数 用户只要根据转子高度来读取读数 转子流量计一般只适用于就地指示 对配有电远传装置的转子流量计 也可以把反应流量大小的转子高度h转换为电信号 传送到其它仪表进行显示 记录或控制 流量修正 由于转子流量计在生产的时候 是在工业基准状态 20 0 10133Mpa 下用水或空气进行刻度的 如果工作状态不同 必须对流量指示值按照实际被测介质的密度 温度 压力等参数的具体情况进行修正 64 1 锥形管是玻璃的 直接目视转子的位置 2 在转子内安装磁铁 锥形管外安装磁环随转子上下移动 触发显示 65 3 在转子内安装磁铁 锥形管外安装双霍尔磁场传感器 测出磁场的水平分量和垂直分量 可确定转子位置 4 在转子上方安装一导磁棒 使差动变压器输出随转子位置变化 66 液体流量测量时的修正 如果某转子流量计的转子高度为h 如果介质为20 的水 则流量qv0与h的关系满足 式中 qv0为用水标定时的流量刻度 w为水的密度 如果介质不是20 的水 则流量qvf与h的关系满足 qvf和 f分别为被测介质的实际流量和密度 刻度流量 实际流量 修正系数 如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大 可以近似认为 是常数 则有 67 例 现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量 已知转子的材料为不锈钢 密度7 9g cm3 苯的密度为0 83g cm3 请问流量计读数为3 6L s时 苯的实际流量是多少 解 修正公式 因此 质量流量的修正公式 68 气体流量测量时的修正 假设实际被测气体的密度为 f 因此被测流体流量Qf与指示值Q0的关系是 通常 气体流量需要把它转化成工业基准状态 T0 20 293K P0 1 0133 105Pa 记被测时的压力和温度分别为 Pf Tf 所以被测流体对应标准状态的体积流量为 此时的密度 f还是实际密度 由于测量的困难 也需要把它转化成标态下的密度更为方便 69 于是有修正公式 温度单位是绝对温标 压力为绝对压力 P0 1 0133 105Pa T0 273K 0 空气标准状态密度 1 293kg m3 f0 被测介质标准状态密度Q0 显示流量Qf0 实际流量 标准状态 70 转子流量计的特点 转子流量计主要适合于检测中小管径 较低雷诺数的中小流量 流量计结构简单 使用方便 工作可靠 仪表前直管段长度要求不高 流量计的基本误差约为仪表量程的土2 量程比可达10 1 流量计的测量精度易受被测介质密度 粘度 温度 压力 纯净度 安装质量等的影响 71 2 4 5涡轮流量计 基本工作原理 流体冲击涡轮叶片 使涡轮旋转 涡轮的旋转速度随流量的变化而变化 通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲 流量方程 其中 Q 体积流量f 脉冲信号频率 仪表常数 72 特点和要求 流量与涡轮转速之间成线性关系 量程比一般为1O 1 涡轮流量计的测量精度较高 可达到0 5级以上 反应迅速 可测脉动流量 主要用于中小口径的流量检测 仅适用洁净的被测介质 通常在涡轮前要安装过滤装置 流量计水平安装 前后需一定长度的直管段 一般上游侧和下游侧的直管段长度要求在10D和5D以上 常温下用水标定 当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿 73 2 4 6涡街流量计 基本工作原理 把一个漩涡发生体 非流线型对称物体 垂直插在管道中 当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡 形成涡列 该