化工仪表及自动化ppt课件.ppt

化工仪表及自动化 第三章检测仪表与传感器第四节 物位检测仪表 内容提要 物位检测及仪表概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计称重式液罐计量仪 一 概论 几个概念液位 容器中液体介质的高低 料位 容器中固体或颗粒状物质的堆积高度 液位计 测量液位的仪表 料位计 测量料位的仪表 界面计 测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表 按其工作原理分为 直读式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表 二 差压式液位变送器 1 工作原理 利用容器内的液位改变时 由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的 图3 39差压液位变送器原理图 图3 40压力表式液位计 将差压变送器的一端接液相 另一端接气相 设上部空间压力为p 因此 当被测容器是敞口的 气相压力为大气压时 只需将差压变送器的负压室通大气即可 若不需要远传信号 也可以在容器底部安装压力表 如图3 40所示 2 零点迁移问题 图3 41负迁移示意图 在使用差压变送器测量液位时 一般来说 实际应用中 正 负室压力p1 p2分别为 则 无迁移时 H 0 0此时变送器的输出I0 4mAH Hmax P Pmax此时变送器的输出I0 20mA有负迁移时 当H 0 0此时变送器的输出I0 4mAH Hmax时 变送器的输入 P Pmax 此时变送器的输出I0 20mA 迁移弹簧的作用改变变送器的零点 迁移和调零都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应 只不过零点调整量通常较小 而零点迁移量则比较大 迁移同时改变了测量范围的上 下限 相当于测量范围的平移 它不改变量程的大小 图3 42正负迁移示意图 图3 43正迁移示意图 举例 某差压变送器的测量范围为0 5000Pa 当压差由0变化到5000Pa时 变送器的输出将由4mA变化到20mA 这是无迁移的情况 如左图中曲线a所示 负迁移如曲线b所示 正迁移如曲线c所示 正迁移 P2 P0 P P1 P2 图3 43正迁移示意图 3 用法兰式差压变送器测量液位 图3 44法兰式差压变送器测量液位示意图 1 法兰式测量头 2 毛细管 3 变送器 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大 易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀 被堵塞的问题 应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器 如下图所示 法兰式差压变送器测量液位示意图1 法兰式测量头 2 毛细管 3 变送器 法兰式差压变送器按其结构形式分类单法兰式 敞开式容器 与大气接通 双法兰式 封闭式容器 上部空间气压与大气压不等 单法兰式差压变送器 双法兰式差压变送器 小结 1 差压式变送器的工作原理 利用容器内液位改变时 由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作 2 零点迁移问题 相当于测量范围的平移 同时改变了测量范围的上 下限 它不改变量程的大小 三 电容式物位传感器 1 测量原理 两圆筒间的电容量C D外电极的内径 d为内电极的外径 当D和d一定时 电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数 的乘积成比例 将探头插入被测物料中 电极浸入物料中的深度随物位高低变化 引起电容量变化 可检测出物位 通过测量电容量的变化可以用来检测液位 料位和两种不同液体的分界面 2 液位的检测 3 46非导电介质的液位测量 1 内电极 2 外电极 3 绝缘套 4 流通小孔 当液位为零时 仪表调整零点 其零点的电容为 对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示 当液位上升为H时 电容量变为 电容量的变化为 3 料位的检测 用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位 由于固体间磨损较大 容易 滞留 可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位 1 金属电极棒 2 容器壁 左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图 电容量变化与料位升降的关系为 图3 47料位检测 优点 电容物位计的传感部分结构简单 使用方便 缺点 需借助较复杂的电子线路 应注意介质浓度 温度变化时 其介电系数也要发生变化这种情况 四 核辐射物位计 射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱 具体关系见式 3 63 3 63 图3 48核辐射物位计示意图 1 辐射源 2 接受器 辐射源1射出强度为I0的射线 接受器2用来检测透过介质后的射线强度I 配以显示仪表就可以指示物位的高低 不同介质吸收射线能力不同 一般来说 固体吸收能力最强 液体次之 气体最弱 当放射源已选定 被测的介质不变时 入射强度及介质对放射线的吸收系数为常数 核辐射物位计特点 适用于高温 高压容器 强腐蚀 剧毒 有爆炸性 黏滞性 易结晶或沸腾状态的介质的物位测量 还可以测量高温融熔金属的液位 可在高温 烟雾等环境下工作 但由于放射线对人体有害 使用范围受到一些限制 五 称重式液罐计量仪 该计量仪既能将液位测得很准 又能反映出罐中真实的质量储量 称重仪根据天平原理设计 杠杆平衡时 由于 3 64 代入 3 64 3 65 如果液罐是均匀截面 3 66 3 67 图3 49称重式液罐计量仪 1 下波纹管 2 上波纹管 3 液相引压管 4 气相引压管 5 砝码 6 丝杠 7 可逆电机 8 编码盘 9 发讯器 式中 如果液罐的横截面积A为常数 得 将式 3 67 代入式 3 65 得 3 68 第五节 温度检测及仪表 一 温度检测方法二 热电偶温度计三 热电阻温度计四 测温元件的安装 一 温度检测方法 温度不能直接测量 只能借助于冷热不同物体之间的热交换 以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量 分类 按测量范围 按用途 高温计 温度计 标准仪表 实用仪表 按工作原理 膨胀式温度计 压力式温度计 热电偶温度计 热电阻温度计和辐射高温计 按测量方式 接触式与非接触式 第五节温度检测及仪表 1 膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的 液体膨胀式温度计 玻璃管温度计固体膨胀式温度计 双金属温度计 玻璃管温度计 第五节温度检测及仪表 双金属温度计感温元件 图3 50双金属片 图3 51双金属温度信号器 1 双金属片 2 调节螺钉 3 绝缘子 4 信号灯 2 压力式温度计 应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计 它是根据在封闭系统中的液体 气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的 并用压力表来测量这种变化 从而测得温度 压力式温度计的构造由以下三部分组成 温包毛细管弹簧管 或盘簧管 温包 直接与被测介质相接触来感受温度变化的元件 毛细管 传递压力变化 弹簧管 一般压力表用的弹性元件 当温包感受到温度变化时 密闭系统内饱和蒸气产生相应的压力 引起弹性元件发生变化 使其自由端产生位移 再由齿轮放大机构把位移变为指示值 这种温度计具有温包体积小 反应速度快 灵敏度高 读数直观等特点 图3 52压力式温度计结构原理图 1 传动机构 2 刻度盘 3 指针 4 弹簧管 5 连杆 6 接头 7 毛细管 8 温包 9 工作物质 3 辐射式温度计 辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表 广泛用于测量高于800摄氏度的温度 二 热电偶温度计 23 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表 图3 53热电偶温度计测温系统示意图 1 热电偶 2 导线 3 测量仪表 热电偶温度计由三部分组成 热电偶 测量仪表 连接热电偶和测量仪表的导线 1 热电偶 图3 54热电偶示意图 1 热电偶 热电偶是工业上常用的测温元件 由两种不同材料的导体A和B焊接而成 焊接一端插入被测介质中 感受到被测温度 称为热电偶的工作端 热端 另一端与导线连接 称为冷端 自由端 导体A B称为热电极 1 热电现象 图3 56接触电势形成的过程电子密度不同 扩散运动 产生静电场 称为扩散运动的阻力 图3 57热电偶原理及电路图 左图闭合回路中总的热电势 或 注脚A表示正极金属 注脚B表示负极金属 如果下标次序改为BA 则热电势前面的符号亦应相应的改变 总热电势等于热电偶两接点热电势的代数和 当A B材料固定后 热电势是接点温度t t0的函数差 和热电偶的长短及直径无关 注意 如果组成热电偶回路的两种导体材料相同 则无论两接点温度如何 闭合回路的总热电势为零 如果热电偶两接点温度相同 尽管两导体材料不同 闭合回路的总热电势也为零 热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外 还与热电极的材料有关 也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的 2 插入第三种导线的问题 利用热电偶测量温度时 必须要用某些仪表来测量热电势的数值 见下图 图3 58热电偶测温系统连接图 图 a 总的热电势 3 72 由于 3 75 3 74 将式 3 73 式 3 74 代入式 3 72 3 73 说明 在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响 不过必须保证引入线两端的温度相同 故 得 3 76 图 b 总的热电势 3 常用热电偶的种类 工业上对热电极材料的要求 温度每增加 时所能产生的热电势要大 而且热电势与温度应尽可能成线性关系 物理稳定性要高 化学稳定性要高 材料组织要均匀 要有韧性 便于加工成丝 复现性好 便于成批生产 而且在应用上也可保证良好的互换性 1 铂铑30 铂铑6热电偶 正极 铂铑合金 用70 铂 30 铑冶炼而成 负极 铂铑合金 用94 铂 6 铑冶炼而成 测量温度 长期可到1600 短期可达1800 特点 1 材料性能稳定 测量精度高 2 还原性气体中易被侵蚀 在高温还原性气体中如气体中含CO H2等易被侵蚀 适用于氧化性和中性介质3 低温热电势极小 冷端温度在40 以下可不加补偿 4 成本高 2 铂铑10 铂热电偶 正极 铂铑合金丝 用90 铂和10 铑冶炼而成 负极 纯铂丝 测量温度 长期 1300 短期 1600 特点 1 材料性能稳定 测量准确度较高 可做成标准热电偶或基准热电偶 用途 实验室或校验其它热电偶 2 测量温度较高 一般用来测量1000 以上高温 3 在高温还原性气体中 如气体中含CO H2等 易被侵蚀 适用于氧化性和中性介质4 材料属贵金属 成本较高 5 热电势较弱 镍铬 镍硅 镍铝 热电偶 正极 镍铬合金 用88 4 89 7 镍 9 10 铬 0 6 硅 0 3 锰 0 4 0 7 钴冶炼而成 负极 镍硅合金 用95 7 97 镍 2 3 硅 0 4 0 7 钴冶炼而成 测量温度 长期1000 短期1300 特点 a 价格比较便宜 在工业上广泛应用 b 高温下抗氧化能力强 在还原性气体和含有SO2 H2S等气体中易被侵蚀 c 复现性好 镍铬 考铜热电偶 正极 镍铬合金负极 考铜合金 用56 铜 44 镍冶炼而成 测量温度 长期600 短期800 特点 a 气体硫化物对热电偶有腐蚀作用 考铜易氧化变质 适于在还原性或中性介质中使用 b 在常用热电偶中它产生的热电势最大 c 价格比较便宜 工业上广泛应用 4 热电偶的结构 普通型热电偶 图3 59热电偶的结构 热电极绝缘管保护套管接线盒 1 普通型装配式结构2 柔性安装型铠装结构 热电偶结构 表3 5常用绝缘子材料 表3 6常用保护套管 31 铠装热电偶 由金属套管 绝缘材料 氧化镁粉 热电偶丝一起经过复合拉伸成型 然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构 优点 反应速度快 使用方便 可弯曲 气密性好 不怕振 耐高压等 表面型热电偶 专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶 优点 反应速度极快 热惯性极小 快速热电偶 测量高温熔融物体一种专用热电偶 热电偶的结构形式可根据它的用途和安装位置来确定 在热电偶选型时 要注意三个方面 热电极的材料 保护套管的结构 材料及耐压强度 保护套管的插入深度 补偿导线的选用 图3 61补偿导线接线图 采用一种专用导线 将热电偶的冷端延伸出来 这既能保证热电偶冷端温度保持不变 又经济 它也是由两种不同性质的金属材料制成 在一定温度范围内 0 100 与所连接的热电偶具有相同的热电特性 其材料又是廉价金属 见左图 在使用热电偶补偿导线时 要注意型号相配 表3 7常用热电偶的补偿导线 热电偶补偿导线使用长度 因为热电偶的信号很低 为微伏级 如果使用的距离过长 信号的衰减和环境中强电的干扰偶合 足可以使热电偶的信号失真 造成测量和控制温度不准确 在控制中严重时会产生温度波动 根据经验 通常使用热电偶补偿导线的长度控制在15米内比较好 如果超过15米 建议使用温度变送器进行传送信号 温度变送器是将温度对应的电势值转换成直流电流传送 抗干扰强 问题引出 3 冷端温度补偿 热电偶的分度表所表征的是冷端温度为0 时的热电势 温度关系 与热电偶配套使用的显示仪表就是根据这一关系进行刻度的 解决方法 0 恒温法 冷端温度修正法 校正仪表零点法 补偿电桥法 1 冷端温度保持为 的方法 图3 61热电偶冷端温度保持 的方法 把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中 放入装有冰水混合物的容器中 实验室 2 冷端温度修正方法 在实际生产中 冷端温度往往不是0 而是某一温度t1 这就引起测量误差 因此 必须对冷端温度进行修正 举例 某一设备的实际温度为t 其冷端温度为t1 这时测得的热电势为E t t1 为求得实际t的温度 可利用下式进行修正 即 因为 由此可知 冷端温度的修正方法是把测得的热电势E t t1 加上热端为室温t 冷端为0 时的热电偶的热电势E t1 0 才能得到实际温度下的热电势E t 0 用计算的方法来修正冷端温度 是指冷端温度内恒定值时对测温的影响 该方法只适用于实验室或临时测温 在连续测量中显然是不实用的 注意 举例 例6用镍铬 铜镍热电偶测量某加热炉的温度 测得的热电势E t t1 66982 V 而自由端的温度t1 30 求被测的实际温度 解由附录三可以查得 则 再查附录三可以查得68783 V对应的温度为900 由于热电偶所产生的热电势与温度之间的关系都是非线性的 当然各种热电偶的非线性程度不同 因此在自由端的温度不为零时 将所测得热电势对应的温度值加上自由端的温度 并不等于实际的被测温度 譬如在上例中 测得的热电势为66982 V 由附录三可查得对应温度为876 6 如果再加上自由端温度30 则为906 6 这与实际被测温度有一定误差 其实际热电势与温度之间的非线性程度越严重 则误差就越大 3 校正仪表零点法 若采用测温元件为热电偶时 要使测温时指示值不偏低 可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上 注意 只能在测温要求不太高的场合下应用 3 校正仪表零点法 应用领域 如果冷端不是0 但十分稳定 如恒温车间或有空调的场所 实质 在测量结果中人为地加一个恒定值 因为冷端温度稳定不变 电动势EAB t1 0 是常数 利用指示仪表上调整零点的办法 加大某个适当的值而实现补偿 例 用动圈仪表配合热电偶测温时 如果把仪表的机械零点调到室温t1的刻度上 在热电动势为零时 指针指示的温度值并不是0 而是t1 而热电偶的冷端温度已是t1 则只有当热端温度t t1时 才能使EAB t t1 0 这样 指示值就和热端的实际温度一致了 这种办法非常简便 而且一劳永逸 只要冷端温度总保持在t1不变 指示值就永远正确 4 补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电势 来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值 由于电桥是在20 时平衡的 所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20 处 如果补偿电桥是在0 时平衡设计的 DDZ 型温度变送器中的补偿电桥 则仪表零位应调在0 处 注意 图3 62具有补偿电桥的热电偶测温线路 5 补偿热电偶法 图3 63补偿热电偶连接线路 在实际生产中 为了节省补偿导线和投资费用 常用多支热电偶而配用一台测温仪表 七 测温