第3章 检测仪表与传感器-压力

反馈 是控制系统的输出 即被控变量 通过测量变送返回到控制系统的输入端 并与设定值比较的过程 负反馈 反馈的结果使系统的输出减小的反馈类型 e x z正反馈 反馈的结果使系统的输出增加的反馈类型 e x z 10 10 12 12 2 10 正 反 正 正 第三章检测仪表与传感器 第一节测量仪表基本知识第二节压力检测及仪表第三节流量检测及仪表第四节物位检测及仪表第五节温度检测及仪表 一 测量过程与测量误差 1 测量过程 参数检测 专门的技术工具 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 变送器 传感器的输出0 10mA 4 20mA等标准统一信号 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 第一节测量仪表的基本知识 依靠能量的变换 实验和计算 被测量的值 2 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获取 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 二 测量仪表的性能指标 1 测量仪表的准确度 精度 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 在仪表中 通常以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度 精度等级 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 例 仪表的精确度等级 仪表的精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去掉 号 即可确定仪表精度等级 目前 按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有 0 02 0 05 0 1 0 2 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 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 仪表的精确度等级 例1 某压力变送器测量范围为0 400kPa 在校验该变送器时测得的最大绝对误差为 5kPa 请确定该仪表的精度等级 解 先求最大相对百分误差 去掉 和 为1 25 因此该变送器精度等级为1 5级 例2 根据工艺要求选择一测量范围为0 40m3 h的流量计 要求测量误差不超过 0 5m3 h 请确定该仪表的精度等级 解 同样 先求最大相对百分误差 因此该流量计必须选择1 0级的流量计 结论 工艺要求的允许误差 仪表的允许误差 校验所得到的相对百分误差 2 非线性误差 线性度 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 非线性误差用实际测得的输入 输出特性曲线 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 3 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正反行程测量时 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 4 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 5 反应时间 反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标 反应时间长 说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值 那就不宜用来测量变化频繁的参数 仪表的输出信号 即指示值 由开始变化到新稳态值的63 2 所用的时间 可用来表示反应时间 也有用变化到新稳态值的95 所用的时间来表示反应时间的 三 测量系统中的常见信号类型 作用于输入端的被测信号 要转换成便于传输和显示的信号类型 1 位移信号 是一种机械信号 包括直线位移和角位移 如在测量力 压力 质量 振动等物理量时 要先把它们转换成位移量再处理 2 压力信号 包括气压信号和液压信号 工业检测中主要应用气压信号 3 电气信号 有电压信号 电流信号 阻抗信号和频率信号等 传送快 滞后小 可远距离传递 便于和电子计算机联接 4 光信号 包括光通量信号 干涉条纹信号 衍射条纹信号 莫尔条纹信号等 可是连续的 也可是断续 脉冲 式的 四 测量系统中信号的传递形式 从传递信号的连续性的观点来分 1 模拟信号 在时间上是连续变化的 在任何瞬时都可以确定其数值的信号 可以变换为电信号 即是平滑地 连续地变化的电压或电流信号 例如 连续变化的温度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连续变化的电势信号 2 数字信号 是一种以离散形式出现的不连续信号 通常用二进制数 0 和 1 组合的代码序列来表示 数字信号变换成电信号是一连串的窄脉冲和高低电平交替变化的电压信号 3 开关信号 开关信号 用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号 例如 用水银触点温度计来检测温度的变化时 可利用水银触点的 断开 与 闭合 来判断温度是否达到给定值 在自动检测技术中 利用开关式传感器 如干簧管 电触点式传感器 可以将模拟信号变换成开关信号 五 测量仪表的分类 1 按仪表使用的能源分类 1 电动仪表 便于远传 集控 联机 复杂 干扰 2 气动仪表 简单 可靠 抗干扰 传递慢 短 2 按信息的获得 传递 反映和处理的过程分类 1 检测仪表 获取 转换 2 显示仪表 3 集中控制装置 4 控制仪表 运算 5 执行器 操作3 按仪表的组成形式分类 1 基地式仪表 适于现场检测 控制 2 单元组合仪表 灵活性高 4 根据所测参数的不同 1 压力测量仪表 2 流量测量仪表 3 物位 液位 测量仪表 4 温度测量仪表 5 物质成分分析仪表及物性检测仪表等 5 按表达示数的方式不同指示型 记录型 讯号型 远传指示型 累积型等 6 按精度等级及使用场合的不同实用仪表 范型仪表和标准仪表 分别用在现场 实验室 标定室 例题分析例 某台测温仪表的测温范围为200 1000oC 工艺上要求测温误差不能大于 5oC 试确定应选仪表的准确度等级 解 工艺上允许的相对百分误差为 允 5 1000 200 100 0 625 要求所选仪表 不能大于工艺上 允 才能保证测温误差不大于 5oC 所以所选仪表的准确度等级应为0 5级 仪表的准确度等级越高 能使测温误差越小 但为了不增加投资费用 不宜选用过高准确度的仪表 第二节压力检测及仪表 压力 气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力 化工生产中 通常遇到压力和真空度的测量 若压力不符合要求 影响生产效率 产品质量 还会造成严重生产事故 化学反应中 压力既影响物料平衡关系 也影响化学反应速度 还用于其它参数的测量 所以 压力的测量与控制 对保证生产过程正常进行 达到高产 优质 低消耗和安全是十分重要的 压力单位及测压仪表 垂直作用在单位面积上的力称压力 在国际单位制 SI 和我国法定计量单位中 压力的单位是 帕斯卡 简称 帕 符号为 Pa 即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa 压力单位及测压仪表 过去采用的压力单位 工程大气压力 kgf cm2 毫米汞柱 mmHg 毫米水柱 mmH2O 物理大气压 atm 巴 bar PSI 等均应改成法定计量单位帕 1kgf cm2 0 9807 105Pa1mmH2O 0 9807 10Pa1mmHg 1 332 102Pa1atm 1 01325 105Pa1bar 105Pa1PSI 6 89 103Pa 三种压力表示方法 绝对压力pa表压力p负压 真空度ph 压力单位及测压仪表 绝对压力是指物体所受的实际压力 表压是指压力表所测得的压力 绝对压力 大气压力 即 真空度 指大气压 低于大气压的绝对压力 也称负压 即 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或真空度 压力检测仪表的分类 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 弹性式压力检测根据弹性元件受力变形的位移进行测量 弹簧管 膜片 波纹管 3 电气式压力检测利用敏感元件将被测压力转换成电量进行测量的 电势 电阻 4 活塞式压力检测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 测量精度很高 允许误差可以小到0 05 0 02 标准仪表 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 例如水 温度从10 变到20 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 安装不垂直将产生安装误差 例如若倾斜5 读数误差约0 38 一 液柱式压力检测 以液体静力学原理为基础 常用于较低压力 负压或压差的检测 特点 直观 可靠 准确度较高 U形管只能测量较低的压力或差压 易破损 只能进行现场指示 一 液柱式压力检测 被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟 风道各段压力 通风空调系统各段压力的测量 P P1 P2 g h1 h2 提高工作液密度将增加压力的测量范围 但灵敏度要降低 一 液柱式压力检测 单管压力计 由于U形管压力计需两次读取液面 为使用方便 设计出一次读取液面高度的单管压力计 一 液柱式压力检测 斜管压力计主要用于测量微小压力 负压和压差 将单管液柱压力计的测量管倾斜放置 这样可以提高灵敏度 减少读数相对误差 倾斜角度越小 l越长 测量灵敏度就越高 但不可太小 否则液柱易冲散 这种倾斜管液柱式压力计可以测量到0 98Pa的微压 为了进一步提高微压计的精确度 应选用密度小的酒精作为工作液体 二 弹性式压力计 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 膜片的位移较小 灵敏度低 2 5级 波纹管 位移相对较大 可在顶端安装传动机构 带动指针直接读数 特点是灵敏高 低压区 用于检测 1MPa的较低的压力 弹簧管 结构简单 使用方便 价格低廉 测量范围宽 可以测量负压 高压 1000MPa 应用十分广泛 精度最高可达0 15级 弹性元件结构和特点 弹簧管和弹簧管压力表 弹簧管横截面呈椭圆形或扁圆形 弯成圆弧状 中心角常为270 的空心管子 管子的一端为封闭作为自由端 另一端为开口作为固定端 被测压力介质从开口端进入 使自由端产生位移 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 位移量一般很小 需要通过放大机构 为了加大位移量 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 弹簧管压力表结构简单 使用方便 价格低廉 测量范围宽 负压 高压 1000MPa 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 三 电气式压力计 电气式压力计 压力 电信号 传输显示 测量范围广 7 10 5Pa 500MPa 误差0 2 远传 联机 1 霍尔片式压力传感器2 应变片式压力传感器3 压阻式压力传感器4 力矩平衡式压力传感器5 电容式压力传感器 5种类型 根据霍尔效应制成 将压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势 从而实现压力的测量 Z轴 磁感应强度为B的恒磁场Y轴 加一外电场 电子在霍尔片中运动 逆Y轴 在霍尔片的X轴方向上出现电位差 这电位差称为霍尔电势 这种现象为 霍尔效应 1 霍尔片式压力传感器 霍尔电势的大小与半导体材料 所通过的电流I 磁感应强度B以及霍尔片的几何尺寸等因素有关 表示为 UH RHBI 霍尔元件 弹簧管 霍尔片式弹簧管压力传感器 霍尔电势与被测压力成比例 利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制 1 霍尔片式压力传感器 压力 位移 电势 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 其长度 截面积或电阻率会发生变化 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 l s 电阻应变片多以金属材料为主 一般和弹性元件一起使用 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 r1 r2的静态性能完全相同 膜片受到外力 r1产生轴向应变 阻值变小 r2受到径向拉伸 阻值变大 r2的变化量比r1的变化量要小 2 应变片式压力传感器 应变片r1 r2 两个阻值相等的精密固定阻R3 R4 不受压时r1 r2 r0R3 R4 r 受压 则 r1 r0 r1 r2 r0 r2 r1 r2 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 如果把Ui转换为标准信号输出 即为应变式压力变送器 结论 应变片式压力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 应变片式压力检测仪表仍有比较明显的温漂和时漂 因此 该表较多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 应用 气动压力监测 气象观察室控制 汽车刹车系统监测 军用和商用航行器 3 压阻式压力传感器 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明显 1 负压室2 正压室3 硅杯4 引线5 单晶硅片 压力变化时 单晶硅产生应变 使扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化 再由桥式电路获得相应的电压输出信号 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 测量部分 惠斯顿电桥 不受压时 Ri1 Ri4 RRi2 Ri3 R 测量部分 电压转换 受压时 Ri1 Ri4 r1 Ri2 Ri3 r2 受压时 流经两桥臂的电流始终相等 TO 8封装型压阻式压力传感器 MB16系列硅压阻式压力传感器 产品特点 测量范围 0 5kPa 60MPa材料 316L不锈钢隔离膜片恒压供电 10 15VDC恒流供电 1 5mA 4mA工作方式 表压 绝压 密封压综合精度 0 1 FS 0 3 FS 0 5 FS级可选零点温度飘移 0 02 FS 灵敏度温度飘移 0 02 FS 过载压力 200 FS 压阻式压力传感器结论 主要优点是体积小 结构简单 核心 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 具有良好的动态响应 迟滞小 可测量几千赫兹乃至更高的脉动压力 应用十分广泛的一类压力传感器 缺点 扩散电阻存在温度效应 易受环境温度的影响 4 力矩平衡式压力变送器 是一种典型的自平衡检测仪表 利用负反馈的工作原理 测量精度0 5级 1 测量元件 膜盒 膜片 2 轴封膜片3 主杠杆4 矢量机构5 量程调整螺钉6 连杆7 副杠杆8 检测片 衔铁 9 差动变压器10 反馈动圈11 放大器12 调零弹簧13 永久磁钢 主杠杆 副杠杆平衡 当变送器结构及电磁特性确定后 K为一常数 说明当矢量机构的 确定后 变送器的输出电流I0与输入压力P成对应关系 1 2 3 4 5 5 电容式压力变送器 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 电容式压力变送器是目前最受欢迎的压力 压差变送器 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 电容变化通过转换 放大 输出4 20mA的直流电信号 该结构可以有效地保护测量膜片不易损坏 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 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 在两侧的空腔中充满硅油 6 智能型压力变送器 具有好的总体性能及长期稳定工作能力 所以每五年才需检验一次 是在普通压力 压差传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表 特点是可进行远程通信 测量工业过程流体压力 并将其转化成4 20mADC信号输出 同时通过标准串行接口或现场总线HART协议通信输出 可进行远程参数设定 远程控制 自诊断等功能 亦可采用红外遥控设定参数 人工智能化的管理能使自动化控制系统达到一种新的更高的层次 智能型压力变送器 四 压力计的选用和安装 选用 安装 其它仪表也基本适应 1 压力计的选用 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 量程 测量稳定压力 最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2 3测量脉动压力 最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的1 2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不低于仪表满量程的1 3在选用仪表量程时 应采用相应规程或者标准中的数值 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 根据操作中需要测量的参数的大小来确定 考虑可能的异常超压 对仪表的量程留有足够的余地 这只是一个一般经验要求 不是绝对的 量程 0min 1max 1 3 1 2 3 5 2 3 高压压力 脉动压力 稳定压力 仪表精度 根据生产允许的最大误差来确定 即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差 在选择时应坚持节约的原则 只要测量精度能满足生产的要求 就不必追求用过高精度的仪表 例1 有一压力容器在正常工作时压力范围为0 4 0 6MPa 要求使用弹簧管压力表进行检测 并使测量误差不大于被测压力的 4 试确定该表的量程和精度等级 解 由题意可知 被测对象的压力比较稳定 则 根据工作压力的要求 根据仪表的量程系列 可选用量程范围为0 1 0MPa的弹簧管压力表 由题意 被测压力的允许最大绝对误差为 max 0 6 4 0 024MPa这就要求所选仪表的相对百分误差为 0 024 1 0 100 2 4 按照仪表的精度等级 可选择1 5级的压力表 由于故被测压力最小值不低于满量程的1 3 允许 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 并可就地观察及高低限报警 试选一合适的压力表 包括测量范围 精度等级 例题2 解 空压机的缓冲罐的压力视为脉动压力 根据就地观察及能进行高低报警的要求 可选用YX 150型电接点压力表 测量范围为0 40MPa 检验量程下限 被测压力的最小值不低于满量程的1 3 符合要求 仪表量程选择 最大相对百分误差 所以选择测量范围为0 40Mpa 精度等级为1 5级的YX 150型电接点压力表 仪表类型 正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提 应考虑以下几个方面 仪表的材料 压力检测的特点是压力敏感元件与被测介质直接接触 例如 对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性 敏感元件 氨用压力表则不允许采用铜或铜合金 氧用压力表在结构和材质上与普通压力表相同 但要禁油 上述选型原则也适用于差压 流量 液位等其它检测仪表的选型 输出信号类型 只需观察压力变化 可选如需将压力信号远传 检测快速变化的压力信号 如控制系统要求能进行数字量通信 使用环境 对爆炸性较强的环境 在使用电气压力仪表时 应选择防爆型 对温度特别高或特别低的环境 应选择温度系数小的敏感元件 上述选型原则也适用于差压 流量 液位等其它检测仪表的选型 弹簧管压力表 液柱式压力计等直接指示型 可选电气式压力检测仪表 选电气式压力检测仪表 如压阻式压力传感器 可选用智能式压力检测仪表 2 压力计的安装 分三种情况介绍 1 一般压力检测仪表的安装 2 特殊压力检测仪表的安装 3 压力变送器的安装 1 一般压力测量仪表的安装 无论选用何种压力仪表和何种安装方式 安装应注意以下几点 压力仪表必须经检验合格后才能安装 压力仪表的连接处 应根据压力的高低和被测介质性质 选择适当的材料作为密封垫圈 以防泄漏 压力仪表尽可能安装在室温 相对湿度小于80 振动小 灰尘少 没有腐蚀性物质的地方 对