仪表自动化-第三章检测仪表与传感器1.ppt

第三章检测仪表与变送器 简单控制系统构成回顾 简单控制系统的方块图 本章主要内容 3 1概述 3 2压力检测 3 3流量检测 3 4物位检测 3 5温度检测 3 6成分分析 3 1概述 3 1 0检测变送的重要性 3 1 1测量误差 3 1 2仪表性能指标 3 1 3过程参数的一般测量原理 在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量 最常见变量是温度 压力 流量 物位 四大参数 检测元件又称为敏感元件 传感器 它直接响应工艺变量 并转化成一个与之成对应关系的输出信号 这些输出信号包括位移 电压 电流 电阻 频率 气压等 3 1 0检测变送的重要性 由于检测元件的输出信号种类繁多 且信号较弱不易察觉 一般都需要将其经过变送器处理 转换成标准统一的电气信号 如4 20mA或0 10mA直流电流信号 20 100KPa气压信号 送往显示仪表 指示或记录工艺变量 或同时送往控制器对被控变量进行控制 有时将检测元件 变送器及显示装置统称为检测仪表 或者将检测元件称为一次仪表 将变送器和显示装置称为二次仪表 检测 实施正确控制的第一步 变送 将检测元件输出的各种信号 微弱信号转化成统一 标准 的电气信号 静态 正确 y t 正确反映c t 的值可靠 长期工作 动态 迅速 y t 迅速反映c t 的变化 过程控制对检测仪表要求 3 1 1检测过程与测量误差 检测过程 参数检测就是用专门的技术工具 依靠能量的变换 实验和计算找到被测量的值 传感器又称为检测元件或敏感元件 它直接响应被测变量 经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号 如mV V mA Hz 位移 力等等 由于传感器的输出信号种类很多 而且信号往往很微弱 一般都需要经过变送环节的进一步处理 把传感器的输出转换成如0 10mA 4 20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号 这种检测仪表称为变送器 有些时候 传感器可以不经过变送环节 直接通过显示装置把被测量显示出来 测量误差 测量误差 仪表测得的测量值与被测真值之差 由于真值在理论上是无法真正被获取的 因此 测量误差就是指检测仪表 精度较低 和标准表 精度较高 在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差 即 x0 标准表读数 测量误差的几种表示形式 绝对误差 实际相对误差 标称相对误差 相对百分误差 3 1 3检测仪表的主要性能指标 仪表的精确度 一台测量范围0 1000kPa的压力测量仪表 其最大绝对误差10kPa 在整个量程范围内 另一台测量范围0 400kPa的压力测量仪表 其最大绝对误差5kPa 请问哪一台压力检测仪表的精度更高 虽然后者的最大绝对误差较小 但这并不说明后者较前者精度高 在自动化仪表中 通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度 定义仪表的精度等级 由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的 因此在工业上通常将绝对误差中的最大值 即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示 称为最大相对百分误差 仪表的精度等级 精确度等级 是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差 3 1 3检测仪表的主要性能指标 仪表的精确度等级 仪表的精度等级 精确度等级 是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差 把仪表允许的最大相对百分误差去掉 号和 号 便可以用来确定仪表的精度等级 目前 按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有 0 005 0 02 0 05 0 1 0 2 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 所谓的0 5级仪表 表示该仪表允许的最大相对百分误差为 0 5 以此类推 精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上 1 5 仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 精度等级数值越小 表示仪表的精确度越高 精度等级数值小于等于0 05的仪表通常用来作为标准表 而工业用表的精度等级数值一般大于等于0 5 检测仪表的主要性能指标 非线性误差 在通常情况下 总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系 测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度 通常非线性误差用实际测得的输入 输出特性曲线 也称为校准曲线 与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示 检测仪表的主要性能指标 变差 在外界条件不变的情况下 使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程 即逐渐由小到大和逐渐由大到小 测量时 对应于同一被测值的仪表输出可能不等 二者之差的绝对值即为变差 变差的大小 根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示 检测仪表的主要性能指标 灵敏度和分辨力 灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度 它是指仪表输出变化量和输入变化量之比 即 灵敏度 y x 分辨力又称为灵敏限 是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量 它也是灵敏度的一种反映 对数字式仪表来说 分辨力就是数字显示仪表变化一个LSB 二进制最低有效位 时输入的最小变化量 检测仪表的主要性能指标 动态误差 相对百分误差 非线性误差 变差都是稳态 静态 误差 动态误差是指检测系统受外扰动作用后 被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异 引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的 衡量各种运动惯性的大小 以及能量传递的快慢常采用时间常数T和传递滞后时间 纯滞后时间 两个参数表示 这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数T和纯滞后时间 的数学含义是一致的 它们的存在会降低检测过程的动态性能 其中纯滞后时间 的不利影响会远远超过时间常数T的影响 3 1 3过程参数的一般检测原理 参数检测离不开敏感元件 传感器 敏感元件是按照一定的原理把被测变量的信息转换成另一种可进行进一步处理或表示的信息 这个转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应 守恒定律 守恒定律是自然界最基本的定律 它包括能量守恒 动量守恒等等 例如 孔板流量计 转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变化 能量守恒 来测量流体的流速 场的定律 如静电场 电磁场的感应定律 动力场的运动定律等等 典型例子 电容传感器 两平行板间物质的介电常数 S 平行板面积 d 两平行板之间的距离 如果把一个极板固定 把另一个极板与可产生位移的敏感元件相连 即可将敏感元件的位移转换成电容量的大小 过程参数的一般检测原理 热电效应 把两种不同的导体或者半导体连接成闭合的回路 如果将两个接点分别放置于不同的温度 则该回路内部会产生热电势 这种现象称为热电效应 利用导体的热电效应 可将两种不同的导体制成热电偶用于温度检测 这也是一种工业上普遍使用的温度检测方法之一 电阻的热效应 电阻的热效应是指金属导体的电阻值随温度变化而发生变化的现象 通常 电阻值和温度之间可以建立如下的简化关系式 Rt为温度t时的电阻值 Rt0为温度t0时的电阻值 为温度系数 可见 温度的变化可以导致电阻体的电阻发生变化 因此只要设法测量出电阻值的变化就可以达到测量温度的目的 这也是另一种工业上普遍使用的温度检测方法 过程参数的一般检测原理 压电效应 当某些材料受压发生机械形变时 在两个相对的面上会产生异号电荷 这种在没有外电场存在 由于形变引起的电现象称为压电效应 可见 利用压电效应可进行力 压力的测量 应变效应和压阻效应 利用金属导体和半导体材料制成的电阻体 其阻值R可以表示成 当电阻体材料的电阻率 长度或者截面积发生变化 可引起电阻体电阻值发生变化电阻体的电阻值变化归结为两个因素 一是由尺寸变化引起的 如l A 称为应变效应 二是由电阻率变化引起的 称为压阻效应 对于金属材料 以前者为主 对于半导体材料 以后者为主 利用材料的应变效应和压阻效应制成的敏感元件可用于压力等参数的测量 检测系统的构成 被测参数 敏感元件 信号变换 信号传输 信号测量 显示 记录 控制 A D PLC 压力的表示方法检测方法的分类液柱式压力检测弹性式压力检测电气式压力检测智能式压力变送器压力检测仪表的选用和安装 3 2压力检测 三种压力表示方法 绝对压力pa表压力p负压或真空度ph 3 2 1压力的表示方法 绝对压力是指物体所受的实际压力 表压是指一般压力表所测得的压力 它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差 即 真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差 有时也称为负压 即 由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中 本身就承受着大气压力 因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小 一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度 除特殊说明之外 以后所提及的压力均指表压 3 2 2压力检测方法的分类 目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多 根据敏感元件和转换原理的不同 一般分为四类 1 液柱式压力检测一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量 2 弹性式压力检测它是根据弹性元件受力变形的原理 将被测压力转换成位移进行测量的 常用的弹性元件有弹簧管 膜片和波纹管等 3 电气式压力检测它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表 如电阻 电荷量等 4 活塞式压力检测它是根据液压机液体传送压力的原理 将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量 活塞式压力计的测量精度较高 允许误差可以小到0 05 0 02 它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定 3 2 3液柱式压力检测 液柱式压力检测是以液体静力学原理为基础的 它们一般采用水银或水为工作液 用U型管进行测量 常用于较低压力 负压或压力差的检测 特点 直观 可靠 准确度较高等 但U形管只能测量较低的压力或差压 为了便于读数 U形管一般是用玻璃做成 易破损 另外它只能进行现场指示 用U形管进行压力检测 其误差来源主要有 温度误差 由使用环境温度的变化引起的测量误差 它主要包括两个方面 一是标尺长度随温度的变化 要求U形管材料的温度系数极小 二是工作液密度随温度的变化 例如水 当温度从10 变到20 时 其密度从999 8kg m3减小到998 3kg m3 相对变化量为0 15 安装误差 当U形管安装不垂直时将会产生安装误差 例如若倾斜5 读数误差约0 38 测量原理 P G S所以G P S精确度高常用作标准仪表 检验其它压力计 3 2 4活塞式压力计 3 2 5弹性式压力检测 弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法 膜片受压力作用产生位移 可直接带动传动机构指示 但是膜片的位移较小 灵敏度低 指示精度不高 一般为2 5级 膜片更多的是和其他转换元件合起来使用 通过膜片和转换元件把压力转换成电信号 波纹管的位移相对较大 一般可在其顶端安装传动机构 带动指针直接读数 其特点是灵敏高 特别是在低压区 常用于检测较低的压力 1 0 106Pa 但波纹管迟滞误差较大 精度一般只能达到1 5级 弹簧管结构简单 使用方便 价格低廉 它使用范围广 测量范围宽 可以测量负压 微压 低压 中压和高压 因此应用十分广泛 根据制造的要求 仪表精度最高可达0 15级 弹簧管和弹簧管压力表 弹簧管是横截面呈非圆形 椭圆形或扁圆形 弯成圆弧状 中心角常为270 的空心管子 管子的一端为封闭 另一端为开口 闭口端作为自由端 开口端作为固定端 被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔 由于弹簧管的非圆横截面 使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩 其结果使弹簧管的自由端产生位移 同时改变其中心角 位移量 中心角改变量 和所加压力有如下的函数关系 式中 0为弹簧管中心角的初始角 为受压后中心角的改变量 R为弹簧管弯曲圆弧的外半径 h为管壁厚度 a b为弹簧管椭圆形截面的长 短半轴 1 弹簧管2 拉杆3 扇形齿轮4 中心齿轮5 指针6 面板7 游丝8 调节螺钉9 接头图3 18弹簧管压力表 弹簧管自由端B的位移量一般很小 需要通过放大机构才能指示出来 为了加大弹簧管自由端的位移量 也可采用多圈弹簧管 其原理与单圈弹簧管相似 单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表 也有电接点输出的弹簧管压力表 弹簧管压力表结构简单 使用方便 价格低廉 测量范围宽 可以测量负压 微压 低压 中压和高压 一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1 5级或2 5级 但根据制造的要求 其精度等级最高可达0 15级 膜盒式差压变送器 工作原理 力矩平衡 检测元件 膜盒或膜片 杠杆系统则有单杠杆 双杠杆和矢量机构 膜盒式差压变送器构成 P 测量部分 Fi 杠杆系统 M 放大器 反馈部分 Ff Io DDZ III型差压变送器 检测部分 P 输入力Fi 杠杆系统 力的传递和力矩比较 生成位移信号 位移检测放大器 位移 输出Io 电磁反馈装置 输出 反馈力Ff 1 变送器的输出电流I0和输入信号 P之间呈线性关系 2 调整调零弹簧可以使变送器输出电流I0在输入信号范围下限时为4mA 3 改变tg 或Kf可以调整变送器的量程 4 零点和量程要反复调整 电容式差压变送器 电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件主要包括测量部件和转换放大电路两部分 差压电容膜盒 电容 电流转换电路 调零 零迁电路 电流放大器 反馈电路 p C Ii If Iz Io 测量部分 转换放大部分 P 0Ci1 Ci2 15pF P 0Ci1的电容量减小Ci2的电容量增大 差动电容测量原理 电容式差压变送器测量原理 电容式压力变送器 目前在工业生产中应用非常广泛 其输出信号也是标准4 20mADC电流信号 电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化 然后进行测量的 电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板 在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片 作为电容的中央动极板 在测量膜片两侧的空腔中充满硅油 电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片 当差压过大并超过允许测量范围时 测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上 因此不易损坏 与力矩平衡式相比 电容式没有杠杆传动机构 因而尺寸紧凑 密封性与抗振性好 测量精度相应提高 可达0 2级 3 2 6电气式压力检测 应变片压力 差压变送器 利用金属或半导体材料制成的电阻体的阻值可表示为 当电阻体受外力作用时 电阻体的长度 截面积或电阻率会发生变化 即其阻值也会发生变化 这种因尺寸变化引起阻值变化称为应变效应 应变片多以金属材料为主 一般和弹性元件一起使用 应变筒的上端与外壳固定在一起 下端与不锈钢密封膜片3紧密接触 应变片r1和r2用胶合剂贴紧在应变筒的外壁 与筒体之间不发生相对滑动 r1沿应变筒轴向贴放 作为测量片 r2沿径向贴放 作为温度补偿片 图中应变片r1 r2的静态性能完全相同 当膜片受到外力作用时 弹性筒轴向受压 使应变片r1产生轴向应变 阻值变小 而应变片r2受到轴向压缩 引起径向拉伸 阻值变大 实际上 r2的变化量比r1的变化量要小 r2的主要作用是温度补偿 是应变片阻值变化量的测量电桥 图中R3和R4是两个阻值相等的精密固定电阻 不受压时r1 r2 r0R3 R4 r 若应变片受压 则 r1 r0 r1 r2 r0 r2 r1 r2 由此可见 由压力作用时 r1和r2一减一增 使电桥由较大的输出 当环境温度发生变化时 r1 r2同时增减 不影响电桥的平衡 如果仪表能把电桥输出电压Ui进一步转换为标准信号输出 则该仪表即可称为应变式压力变送器 结论 应变片式压检测仪表具有较大的测量范围 被测压力可达几百MPa 并具有良好的动态性能 适用于快速变化的压力测量 但是 尽管测量电桥具有一定的温度补偿的作用 应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂 因此 这种压力检测仪表较多地用于一般要求的动态压力检测 测量精度一般在0 5 1 0 左右 霍尔压力变送器 YSH型 压力变化 位移变化 霍尔电势VH变化 Z方向 有恒定的非均匀的磁场BY方向 有恒定的电流I通过由于受电磁力的作用 电子运动的轨迹发生偏移 造成霍尔片的一个端面电子积累 另一端面正电荷过剩 这样在X方向上形成一个电位差 VH 这一电位差称为霍尔电势 这一物理现象称为 霍尔效应 VH KH IB d f L b RH BI VH与B I均有关VH 霍尔电势 d 霍尔片的厚度 b 霍尔片的电流通入端宽度L 霍尔片的电势导出端的长度 f L b 霍尔片的形状系数RH 霍尔常数 RH KH d f L b 单位 mV mA 千高斯 I 3 20mAB 几千高斯VH 几十mV导体的霍尔效应比半导体小得多 因而霍尔片用半导体做比较多 霍尔片与弹簧管自由端连在一起 压力变化 弹簧管自由端产生位移 霍尔片在非均匀磁场中的位置改变 相当于B会改变 进而VH改变 这样就实现了把压力转变成位移再转变成VH的变化 气动压力变送器的主要元件 气阻 可变 固定 气容 可变 固定 它们组合在一起 可形成比例气路 积分气路 微分气路 比例 若P3 0 大气压 则 P2 P1 R2 R1 R2 P3 R1 R1 R2 P1 R2 R1 R2 Kp P1 积分 M P1 P2 R M C dP2 dtRC dP2 dt P2 P1令T RC则 T dP2 dt P2 P1所以 P2 P1 1 e t T 微分 P2 P1 P1 RCS 1 压阻式 扩散硅 压力 差压变送器 因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应 半导体材料的压阻效应比较明显 用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片 由于单晶硅材料纯 功耗小 滞后和蠕变极小 机械稳定性好 而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性 以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用 测量部分 扩散硅压阻传感器 把被测差压 P成比例地转换为不平衡电压US 1 负压室2 正压室3 硅杯4 引线5 硅片 测量部分 惠斯顿电桥 不受压时 Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 R 测量部分 电压转换 受压时 Ri1 Ri4 r1 Ri2 Ri3 r2 受压时 流经2桥臂的电流始终相等 结论 压阻式压力传感器的主要优点是体积小 结构简单 其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片 扩散电阻的灵敏系数是金属应变片的几十倍 能直接测量出微小的压力变化 此外 压阻式压力传感器还具有良好的动态响应 迟滞小 可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力 因此 这是一种发展比较迅速 应用十分广泛的一类压力传感器 这种传感器的缺点则是扩散电阻存在温度效应 容易受环境温度的影响 有些厂家在传感器组件中提供了若干校正用的温度补偿电路 甚至把放大转换等电路集成在同一块单晶硅膜片上 从而可以大大提高传感器的基本性能 3 2 7压力检测仪表的选用和安装 选用 安装 其它仪表也基本适应 压力检测仪表的选用 三个方面 选用时应根据生产工艺对压力检测的要求 被测介质的特性 现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程 精度 类型 材质 等 量程 仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围关键 根据被测参数的大小来确定 同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况 对仪表的量程选择必须留有足够的余地 测量稳定压力 最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3 4测量脉动压力 最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2 3测量高压压力 最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3 5最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1 3仪表的量程等级 1 1 6 2 5 4 0 6 0k