化工自动化及仪表电子教案 第二章 过程参数的检测与仪表.DOC

第二章 过程参数的检测与仪表教学要求：掌握检测仪表的基本性能指标（精度等级、变差、灵敏度等） 掌握压力的检测方法 （液柱测压法、弹性变形法、电测压法）学会正确选用压力计 掌握应用静压原理测量液位和差压变送器测量液位时的零点迁移 差压式流量计测量原理，常用节流元件，转子流量计结构、测量原理掌握容积式流量计（腰轮流量计）结构、工作原理、使用场合 掌握应用热电效应测温原理掌握补偿导线的选用 掌握冷端温度补偿的四种方法；了解热电偶结构，分类重 点：弹性变形法、电测压法压力计选用 应用差压变送器测量液位的零点迁移问题补偿导线的选用和冷端温度补偿难 点：确定精度等级，压电式测量原理应用差压变送器测量液位的零点迁移问题第三导体定理电桥补偿法2.1 概述 一、检测过程及误差 1 检测过程 检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换，最后得到便于测量的信号形式，然后与相应的测量单位进行比较，由指针位移或数字形式显示出来。检测误差误差-测量值和真实值之间的差值误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因，根据误差的性质及产生的原因，误差分为三类。（1）系统误差 -在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化特点：有一定规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素，引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。误差产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。 （2）疏忽误差 -明显地歪曲测量结果的误差，又称粗差，特点：无任何规律可循。误差产生的原因：引起的原因主要是由于操作者的粗心（如读错、算错数据等）、不正确操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙测试等原因所造成的。 （3）随机误差 -在相同条件下多次重复测量同一量时，误差的大小、符号均为无规律变化，又称偶然误差。 特点：变化难以预测，无法修正误差产生的原因：随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的各种随机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结果。随机误差在多次测量的总体上服从一定统计规律，可利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。二、检测仪表的基本技术性能指标1精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。（1） 绝对误差绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，即 实际上通常采用多次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约定真值。则绝对误差可用下式表示： （2）引用误差把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即 （3）精度等级按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。例1 有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0100和100300，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2，试确定这两台仪表的精度等级。解 这两台仪表的最大引用误差分别为 去掉最大引用误差的“%”号，其数值分别为2和1，由于国家规定的精度等级中没有2级仪表，同时该仪表的误差超过了1级仪表所允许的最大误差，所以这台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级正好为1级。由此可见，两台测量范围不同的仪表，即使它们的绝对误差相等，它们的精度等级也不相同，测量范围大的仪表精度等级比测量范围小的高。例2 某台测温仪表的工作范围为0500，工艺要求测温时测量误差不超过4，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？解 根据工艺要求，仪表的最大引用误差为 去掉最大引用误差的“”号和“%”号，其数值为0.8，介于0.51.0之间，若选择精度等级为1.0级的仪表，其最大绝对误差为5，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级的仪表才能满足要求。小结：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。这一点在实际工作中要特别注意。2 灵敏度与灵敏限（1） 灵敏度 灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，即 灵敏限 灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。 3回差在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值 和仪表量程之比的百分数称为回差，也称变差即 回差产生原因：由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。回差越小，仪表的重复性和稳定性越好。应当注意，仪表的回差不能超过仪表引用误差，否则应当检修。2.2 压力检测方法及仪表一、压力检测的基本知识 1压力的概念及单位2 压力的表示方法3二、压力检测方法 根据工业对象的特点，通常有三种检测压力的方法，即液柱测压法，弹性变形法和电测压力法。1 液柱测压法测压原理：是以流体静力学为基础，一般用液柱产生或传递的压力来平衡被测压力的方法进行测量的。2 弹性变形法测压原理：当被测压力作用于弹性元件，弹性元件便产生相应的变形。根据变形的大小，便可测知被测压力的数值。3 电测压力法测压原理：是利用转换元件（如某些机械和电气元件）直接把被测压力变换为电信号来进行测量的。 弹性元件附加一些变换装置，使弹性元件自由端的位移量转换成相应的电信号，如电阻式、电感式、电容式、霍尔片式、应变式、振弦式等 电测压力法可分为两类非弹性元件组成的快速测压元件，主要利用某些物体的某一物理性质与压力有关，如压电式、压阻式、压磁式等。（1） 电容式测压原理 测压原理：是采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量C便可以知道被测压力的大小，从而实现压力-电容转换的。（2） 压电式测压原理测压原理：是根据“压电效应”把被测压力变换为电信号的。（3） 压电效应：当某些晶体受压发生机械变形时（压缩或伸长），在两个相对的面上产生异性电荷，这种没有外电场存在，而由于变形而引起的电现象称为“压电效应”。（4） 应变片式测压原理 测压原理：是通过应变片将被测压力P引起的弹性元件应变量的变化转换为电阻值R的变化，从而完成压力电阻的转换，并远传至桥式电路获得相应的毫伏级电量输出信号，在显示或记录装置上显示出被测压力值。 三、压力检测仪表根据不同的原理及工艺生产过程的不同要求，可以制成不同形式的压力表。弹性式压力表（弹簧管压力表）由于结构简单，价格便宜，使用和维修方便，并且测压范围较宽，因此，在工业过程中得到了十分广泛地应用。电测法压力表测量脉动压力和高真空、超高压等场合时比较合适本节主要介绍在工业生产过程中常见的弹簧管压力表和霍尔式压力表。四、差压（压力）变送器变送器是自动测控系统中的一个重要组成部分。作用：将各种物理量转换成统一的标准信号，如气动单元组合仪表（简称为QDZ仪表）为20100 KPa；电动单元组合仪表（简称为DDZ仪表）中，DDZ-型仪表为010mADC； DDZ-型仪表为420mADC。按工作能源不同，压力变送器和差压变送器都分为气动和电动变送器两大类；按工作原理的不同，又可分为力平衡式变送器和微位移平衡式变送器，如以电容、电感、电阻和弦振频率为传感元件的变送器都属于微位移式变送器。80年代以后，国际上相继推出了各具特色的智能变送器。目前世界上尚未形成统一的现场总线（Field bus）（现场总线是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互连的通信网络）标准，因而各个厂家的智能变送器大多按各自的通讯标准开发，所以相互无操作性，无可互换性。1 力平衡式压力变送器就变送器的杠杆系统来说，力平衡式变送器有单杠杆、双杠杆和矢量机构三种。结构DDZ-型力平衡式电动变送器的结构如P34图2.10所示，主要由四部分组成：测量机构 组成：由高、低压室、膜盒、轴封膜片等部分，作用：是把被测差压转换成作用于主杠杆上的力。杠杆系统 杠杆系统是差压变送器中的机械传动和力矩平衡部分组成：主、副杠杆、调零和零点迁移机构、平衡锤、静压调整及矢量机构等。作用：是把测量机构对主杠杆的输入力所产生的力矩转换成检测片的微小位移。位移检测放大器 组成：差动变送器、低频振荡器、整流滤波及功率放大器等部分组成。作用：是将副杠杆上检测片的微小位移转换成直流信号输出。电磁反馈机构 组成：由反馈线圈、永久磁钢等。作用：将变送器输出电流转换成相应的电磁反馈力，作用于副杠杆上，产生反馈力矩，以便和测量部分产生的输入力矩相平衡。（1） 工作原理2 微位移式变送器微位移式变送器因其传感器元件位移和变形极小而得名。典型的产品有：美国罗斯蒙特（Rosemount）公司研制的1151系列电容式变送器，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司的DST型扩散硅式变送器，日本富士电机公司的FC系列浮动膜盒电容式变送器等。（1）测量部分测量部分包括电容膜盒、高低压室及法兰组件等，作用：将差压、压力等参数转换成与电容有关的参数。 （2）转换部分 转换部分由测量电路和电气壳体组成，其作用是将测量部分所得到的电容比的变化量转换成420mADC标准的电流输出信号，并附有调零、调量程、调迁移量等各种装置。 3 智能差压（压力）变送器智能差压（压力）变送器是一种带微处理器的变送器，对应于被测量差压和压力输出420mADC的模拟信号或数字标准信号。依靠SFC（智能通信器），用户在现场或控制室就可对变送器发送或接受信息来设定各种参数。智能差压（压力）变送器具有远程通讯的功能，不需要把变送器从塔顶或危险的安装地拆下来，减少了维修成本和时间。五、压力检测仪表的选择压力表的选择应根据工艺过程对压力测量的要求，被测介质的性质，现场环境条件等来确定仪表的种类、型号、量程和精度，并确定是否需要带有远传、报警等附加装置。1仪表种类和型号的选择仪表种类和型号的选择应根据工艺要求，介质性质及现场环境等因素来考虑。介质的物理、化学性质（如温度、粘度、脏污程度、腐蚀性、易燃性等）如何；现场环境条件（如温度、湿度、有无振动、有无腐蚀性等）2仪表量程的确定仪表的量程是根据被测压力的大小和保证仪表寿命等方面来考虑的，通常仪表的上下限值应稍大于工艺被测压力的最大值。按“化工自控设计技术规定”。对被测压力较稳定的情况，最大压力值应不超过满量程的2/3；对被测压力波动较大的情况，最大压力值应不超过满量程的1/2。一般为了保证测量的精度，被测压力的最小值也不应低于全量程的1/3。3仪表精度等级的选择精度等级是根据生产所允许的最大测量误差和仪表量程来确定的。2.3物位检测方法及仪表 物位检测的作用：为了确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或进行经济核算；为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常进行。物位检测方法： 应用浮力原理检测物位应用静压原理检测物位应用电学原理检测物位应用超声波反射检测物位应用射线被物体的吸收检测物位一、物位检测方法 1应用浮力原理检测物位利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的。测量原理：当液位变化时，浮标产生相应的位移，而浮标所受到的浮力维持不变，只要检测出浮标的位移就可以知道液位的高低。当液位变化时，浮筒所受到的浮力的发生变化，只要检测出浮力的变化就可以知道液位的高低。 2应用静压原理检测物位差压变送器测量液位时的零点迁移问题（重点）利用差压变送器测量液位时，差压变送器将由液位形成的差压P转换成相应的统一标准电信号输出。然而，由于安装位置条件不同，往往存在着仪表零点迁移问题。 无迁移 特征：差压变送器的正压室取压口正好与容器的最低液位（Hmin=0）处于同一水平位置。作用于变送器正、负压室的差压P与液位高度H的关系为P=Hg。当H =0时，正负压室的差压P=0，变送器输出为I0=4mA当H= Hmax时，差压Pmax =gHmax，变送器的输出信号20 mA， 负迁移 在实际测量中，为了防止容器内的液体和气体进入变送器的取压室而造成导压管线堵塞或腐蚀，以及保持负压室的凝液高度恒定，往往在变送器的正、负压室与取压点之间分别加装隔离罐，并充以密度为2的隔离液。正迁移 当变送器的安装位置与容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置上。在差压变送器的产品手册中，通常注明是否带有迁移装置以及相应的迁移量范围，应根据现场的具体情况予以正确选用。4. 应用超声波反射检测物位 声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同，声速不同的介质的分界面上，传播方向便发生改变，即一部分被反射，一部分折射入相邻介质内。若声波从液体或固体传播到气体时，或相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射。因此，测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声波，经过时间t后，便可接收到从界面反射回来的回波信号。2.4流量检测方法及仪表一、流量检测方法流量是工业生产过程操作与管理的重要依据。在具有流动介质的工艺过程中，物料通过工艺管道在设备之间来往输送和配比，生产过程中的物料平衡和能量平衡等都与流量有着密切的关系。流量指瞬时流量，即单位时间内通过管道某一截面的流动介质的量。用体积流量（单位为m3/s）或质量流量（单位为kg/s）表示。总量为选定的某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和，也可分别用体积总量或质量总量表示。常见的流量检测方法有以下几种：应用容积法检测流量应用动压能和静压能转换的原理检测流量根据能量守恒定理，动压能和静压能在一定条件下可以相互转换，但其总量不变。节流元件两端的静压差的大小与流体的流量有关，将静压差的变化作为测量依据应用改变流通面积的方法检测流量应用流体振荡原理检测流量 应用电磁感应原理检测流量 应用超声波检测流量 应用流体动量矩原理检测流量 质量流量检测方法1.应用容积法检测流量单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据为了连续地在密闭的管道中测量流体的流量，一般采用容积分界的方法，即由仪表壳体和转子组成流体的计量室，流体经过仪表时，在仪表的入、出口之间产生压力差，此流体压力差对转子产生驱动力矩，转子旋转，将流体一份一份地排出，其排出的流体总量为2. 应用动压能和静压能转换的原理检测流量流体在管道中流动时，具有动能和位能，对于理想的流体，流体在同一管道的任一截面的动能和静压能的总和是不变的，但是若采取一定方式（例如节流），可以造成能量形式的相互转化，然后通过测量静压的变化求出流速和流量。工业中常用的方法是在管道中插入一流通面积较小的节流元件，造成流体通过节流元件时，在节流元件的上、下游之间产生静压差（简称差压），通过测量差压求出流量值。3. 应用改变流通面积的方法检测流量检测原理:在一个由下往上逐渐扩大的锥形管中垂直地放置一阻力件，当流体自下而上流经锥形管与转子之间的环形流通面积时，由于受到流体的冲击，转子便要向上运动。随着转子的上升，转子与锥形管间的环形流通面积增大、流速降低，直到流体作用在转子上的浮力和冲力（阻力）与转子本身重量相平衡时，转子停留在某一高度，维持平衡。当流量增大时，流过环隙的流速v增大，转子所受冲力增大，由于转子在流体中的重力与所受浮力不变，所以转子就上升，造成环隙面积增大，从而流速v减小，冲力也减小，直至达到新的平衡，转子又停浮在一个新的高度上，这样转子在锥形管中停浮的高度与流体的流量大小一一对应。在锥形管外壁上以流量值刻度，则根据转子浮起的高度即可直接显示出被测流量的数值。 流量计的刻度值进行修正（1） 液体流量的修正 修正公式 （2）气体流量的修正 用于测量气体的转子流量计，不仅在被测介质气体密度与空气不同时要进行刻度换算，而且当温度和压力变化时，也须进行刻度换算。刻度换算公式为 2.4.2差压式流量计差压式流量计是基于流体动压能和静压能在一定条件下可以相互转换的原理，利用流体流经节流装置时所产生的静压差来实现流量测量的仪表。差压式流量计主要由节流装置、信号管路和差压计（或差压变送器和显示仪表）组成。QQ321h图2.34 差压式流量计1孔板 2引压管 3差压计2.5温度检测方法及仪表一、温度检测的基本知识 1温度及温度测量依据测温元件与被测物体接触与否，测温方式通常有接触式和非接触式之分。 2温标 目前国际上常用的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。二、温度检测方法 1应用热膨胀原理测温固体膨胀式应用固体受热膨胀测量温度的方法一般是利用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起，构成双金属温度计。液体膨胀式应用液体膨胀测量温度常用的有水银玻璃温度计，其结构简单，使用方便，但结构脆弱易损坏。2应用热电效应测温热电效应-两种不同导体或半导体A与B串接成的闭和回路，如果两个接点出现温差（tt0），在回路中就有电流产生，这种由于温度不同而产生电动势（热电势）的现象。由两种不同材料构成的上述热电变换元件叫热电偶，称A、B二导体为热电极。 图2.40 热电偶（1） 接触电势 两种不同材料的导体接触时产生（2） 温差电势 当同一导体A（或B）两端温度不同，（3） 闭和回路总电势 可见，当导体材料A、B确定后，总电势EAB(t, t0)仅与温度t和t0有关。 如果能使冷端温度t0 固定，则总电势就只与温度t成单值函数关系： 3.应用热电阻原理测温 根据导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化用显示仪表反映出来，从而达到测温目的的。 用铂和铜制成的电阻是工业常用的热电阻，它们被广泛地应用来测量-200+500范围的温度。 三、热电偶温度计热电偶是两种不同材料的导体或半导体焊接或绞接而成，其一端测温时置于被测温场中，称为测量端（亦称热端或工作端）；另一端为参比端（冷端或自由端）。根据热电效应原理，如果热电偶的测量端和参比端的温度不同（如tt0），且参比端温度t0恒定，则热电偶回路中形成的热电势仅与测量端温度t有关。在热电偶回路中接入与热电偶相配套的显示仪表，就构成了最简单的测温系统，如图2.42 所示，显示仪表可直接显示出被测温度的数值。1 有关热电偶回路的几个结论由热电效应基本原理分析，可得如下结论： （1）如果热电偶两电极A、B材料相同，则无论两端温度如何，热电偶回路的总热电势EAB(t, t0)恒为零。 （2）如果热电偶两端温度相同（t=t0），即使两电极A、B材料不同，热电偶回路内的总热电势EAB(t, t0)恒为零。 （3）热电偶的热电势仅与两热电极A、B材料及端点温度t、t0有关，而与热电极的长度、形状、粗细及沿电极的温度分布无关。因此，同种类型的热电偶在一定的允许误差范围内具有互换性。 2热电偶测温时显示仪表的接入在热电偶回路中接入各种仪表、连接导线等物体时，只要保持接入两端温度相同，就能测量原热电偶回路热电势的数值，而