安徽工业大学检测仪表考试重点小抄无放缩.pdf

By huanghao 1 1 控制系统发展的几个阶段控制系统发展的几个阶段 仪表控制系统 数字直接控制系统 DDC 分布式控制系统 DCS 现场总线控系统 FCS 2 重复性重复性 复现性定义复现性定义 重复性重复性 在相同测量条件下 对同一被测量进行多次连续测量时 所得结果之间的一致 程度 衡量仪表不受随机干扰的能力 复现性复现性 在改变了的测量条件下 同一被测量的测量结果之间的一致性 所谓不同的测量条件包括 不同的地点 不同的仪器 不同的人员等 要求 同等级别 3 系统误差系统误差 随机误差随机误差 粗大误差粗大误差 系统误差系统误差 由于某种因素的影响使测量值差生有规律的误差 其特性是测量值的大小 符号按一定规律变化 随机误差随机误差 由外界影响量的随机时空变化造成的 他无法排除和修正 其大小和符号是 随机性的 导致了重复测量中的分散性 只能得到随机误差的估计值 这种产生影响的 因素称之为随机效应 粗大误差粗大误差 由机器产生故障 操作者的失误或重大的外界干扰所引起的测量值得偏差 这种测量值一般称为坏值 4 敏感元件敏感元件 转换元件转换元件 变送器概念变送器概念 敏感元件敏感元件 能够灵敏地感受被测变量并作出响应的元件 转换元件转换元件 传感器传感器 能够将对被测变量变化转换为易于传送的物理量的元件 变送器变送器 能输出标准信号的传感器 智能变送器智能变送器 除标准模拟传输信号外 还带有 HART 通信协议接口或数字总线接口的变 送器 5 检测仪表精度等级计算检测仪表精度等级计算 精度等级精度等级 仪表最大引用误差去掉 后的数字经过圆整后即可得到仪表的精度等级数 1 By huanghao 2 0 0 T A T eT TdT 1 5 1 6 2 2 5 3 4 5 6 例例 1 某台测温仪表的测温范围为 200 一 700 校验该表时得到的最大绝对误差为十 4 试确定该仪表的精度等级 如果将该仪表的 去掉 号与 号 其数值为 0 8 由于国家规定的精度等级中没 有 0 8 级仪表 同时 该仪表的误差超过了 0 5 级仪表所允许的最大误差 所以 这台测 温仪表的精度等级为 1 0 级 例例 2 某台测温仪表的测温范围为 0 一 1000 根据工艺要求 温度指示值的误差不允 许超过 7 试问应如何选择仪表的精度等级才能满足工艺要求 如果将仪表的允许误差去掉 号与 号 其数值介于 0 5 1 0 之间 如果选择精 度等级为 1 0 级的仪表 其允许的误差为 1 0 超过了工艺上允许的数值 故应选择 0 5 级仪表才能满足工艺要求 6 热电偶测温定律热电偶测温定律 测温计算测温计算 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一 它通过将两种不同材料的导体或半导体 A 和 B 焊接起来 构成一个闭合回路 当导体 A 和 B 的两个接触点之间存在温差时 两者 之间便产生电动势 并在回路中形成热电流 因此 可将温度的变化转变成热电势或热 电流的变化 热电势热电势 接触电势接触电势 温差电势温差电势 接触电势接触电势 温差电势温差电势 特别注意特别注意 热电势是热电势是 T 和和 T0 的温度函数的差的温度函数的差 而不是温差的函数而不是温差的函数 热电热电势势的非线的非线性性 4 1000 8 700200 7 1000 7 10000 允 ln A AB B NkT eT eN T0 0 0 0 AB0ABA0AB0B0 0 E e lnln T AT AT BA T BTBT T TeTeT TeTT T N kTNkT dt eNeN 0 AB0ABAB0 00 0 E TT BABA T TeTdteTdt f Tf T By huanghao 3 结论结论 热电势的大小只与两种导体材料 A B 及冷热端温度有关 与热电极的形状 大小 长短 以及两导体接触面积无关 均质导体定律均质导体定律 由同一种均质导体组成的闭合回路 不论导体的截面积和长度如何 也 不论各处的温度分布如何 都不产生热电势 中间导体定律中间导体定律 A B 构成的热电偶回路接入第三种导体 C 只要中间导体两端温度相同 那么中间接入的导体对热电偶回路的总热电势没有影响 连接导体定律连接导体定律 在热电偶回路中 如果热电极 A B 分别和连接导体 A B 相连 其接点 温度分别为 T TC 和 T0 则回路的总热电势等于热电偶的热电势和连接导体的热电势的 代数和 即 中间温度定律中间温度定律 热电偶 A B 在接点温度为 T T0 时的热电势等于热电偶 A B 在接点 温度为 T TC 和 TC T0 的热电势的代数和 即 例 用镍铬 镍硅 K 型 热电偶测量某一温度 若冷端温度为 25 测得的热电势为 20 54mV 求测量端的实际温度 反之 若已知测量端实际温度为 800 其它条件同 上 则测得的热电势应为多少 00 ABB ACABCA BC ET T TET TET T 00 ABABCABC ET TET TET T By huanghao 4 7 热电阻测量接线热电阻测量接线 材料要求材料要求 分度号分度号 电阻的热效应电阻的热效应 利用金属电阻随温度变化的规律进行测量 测温范围测温范围 200 850 材料要求材料要求 1 电阻温度系数要大 2 电阻率尽可能大 热容量要小 3 测量范围内 应具有稳定的物理和化学性能 电阻与温度的关系最好接近于线性 应有良好的可加工性 且价格便宜 4 骨架材料的体膨胀系数要小 机械强度和绝缘性能良好 耐高温腐蚀 云母 石英 陶瓷 玻璃和塑料等 分度号分度号 1 铂电阻 测温范围 200 850 C Rt R0 1 At Bt2 当 t 200 0 C Rt R0 1 At Bt2 Ct3 t 100 当 t 0 850 C 温度升高 阻值增加 分度号分度号 Pt10 Pt100 2 铜电阻 线性好 价格地 但体积大 热响应慢 测温范围 50 150 C Rt R0 1 t 近似线性 分度号分度号 Cu50 Cu100 测量接线测量接线 三线制和四线制三线制和四线制 1 三线制三线制 为了减小引线电阻的影响 引线可采用三根 其中两根引线来自热电阻的 一个引出端 另一根引线接至热电阻的另一个引出端 三根引线分别接到变送器或显示 仪表输入电路的电桥的电源和两个桥臂 这种引线方式称为三线制 1 0 0 0 1 1 1 0 0 R R By huanghao 5 电桥平衡时 因此 2 四线制四线制 如果采用恒流源和直流电位差及来测量电阻阻值时 就要求采用四线制接 法 即在热电阻两端各引出两根导线 其中两根和恒流源连接 另外两根线和电位差计 相连 此时 Rt U I 在电流回路中 导线电阻 r 引起的压降 rI 不在测量回路范围内 在测量电压回路中虽然有导线电阻 r 但并无电流 因为电位差计在测量时不取电流 因此 四根导线电阻对测量均没有影响 注意注意 导线必须从热电阻感温体的根部引出 流过热电阻的电流应小于 6mA 与电桥或电位差计配合使用时 要注意共模 电压对测量的影响 8 零点调整零点调整 零点迁移零点迁移 量程量程调整的概念调整的概念 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 使输出信号下限值 ymin 与测量范围的下限值 xmin 相对应 xmin 0 时 称为零点调整 xmin 0 时 称为零点迁移 231t Rr RRr R 312 311 222 t Rr RrRR RR Rrr RRR By huanghao 6 量程调整量程调整 量程是指被测参数测量范围的上限值 xmax 减去测量范围的下限值 xmin 量程 或满度 调整的目的 是使变送器的输出信号上限值 ymax 与测量范围的上限值 xmax 相对应 相当于改变输入输出特性的斜率 量程调整通常通过改变反馈系数 F 的大小来 实现 也有些变送器还可以通过改变转换系数 D 来调整量程 零点迁移例题零点迁移例题 例 如图所示 用差压变送器检测液位 已知 液 面的变化范围为 0 3m 如果当地重力加速度为 求差压变送器的量程和迁移量 解 当液位在 0 3m 变化时 差压的变化量为 根据差压变送器量程系列 可选差变的量程为 40KPa 当 H 0 时 有 所以 负迁移 迁移量 37 24KPa 迁移后该差变的测量范围为 37 24 2 76KPa 如为 型表 I 20mA 时 H 40 3 0 35 28 3 4m 即实际可测液位为 3 4m 如要求 H 3 0m 时差变输出满刻度 则可在负迁移后进行量程 调节 使 P 37 24 35 28 1 96KPa 时 差变输出达 20mA 9 几种几种非接触式测温联系和区别非接触式测温联系和区别 区别区别 全辐射测温法全辐射测温法 测出物体在整个波长范围内能量 并以其辐射率 T 校正后得到被测物体 0 1 K yDxz KF 1200 3 1 kg m950 3 2 kg m 1 h 1 0m 5 0 2 h m 2 9 8gm s max 3 0 12009 835280HgPa 21 5 01 09509 837240 a PhhgP By huanghao 7 温度 亮度法亮度法 测出物体某一波长上的辐射能量 并以其辐射率 T 校正后得到被测物体温度 比色法比色法 测出物体在两个特定波长段下的光谱辐射强度之比来实现测温 联系联系 无论何种方法 温度计均由光学系统 检测元件 转换电路 信号处理部分构成 10 辐射测温原理辐射测温原理 测温原理测温原理 利用物体处于绝对零度之上时 其辐射能量随其温度而变化的原理 理论上 测量上限无限制 分类分类 光学高温计 光电高温计 辐射温度计 比色温度计 特点特点 不干扰被测对象的温度场 不受被测对象的腐蚀和毒化 不必与被测对象同温 测量上限不受限制 不必与被测对象达到热平衡 动态特性好 但测量准确性受环境及 对象性质影响较大 11 压力计标定压力计标定 可能就是压力计的校验可能就是压力计的校验 例 某台往复式压缩机的出口压力范围为25 28MPa 测量误差不得大于1MPa 工艺上 要求就地观察 并能高低限报警 试正确选用一台压力表 指出型号 精度与测量范围 解解 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大 所以选择仪表的上限值为 P1 Pmax 2 28 2 56MPa 根据就地观察及能进行高低限报警的要求 由本章附录一 可查得选用 YX 150 型 电接点压力表 测量范围为 0 一 60MPa 由于 25 60 1 3 改被测压力的最小值小低于满量程的 1 3 另外 根据测量误差的要求 可算得允许误差为 1 60 100 1 67 所以 精度等级为 1 5 级的仪表完全可以满足误差要求 至此 可以确定 选择的压力表为 YX 150 型电接点压力表 精 度等级为 1 5 级 By huanghao 8 12 霍尔传感器原理霍尔传感器原理 霍尔电势霍尔电势 UH RH B I RH 霍尔常数 与霍尔片材料 几何形状有关 霍尔式压力传感器是基于霍尔效应将被测压力转换成电动势输出的一种磁传感器 具有 结构简单 体积小 频率响应宽 动态范围大 使用寿命长 易集成化等特点 广泛应 用于自动化测量控制领域 霍尔电势与控制电流 I 和磁感应强度 B 成正比 且当 B 的方向改变时 霍尔电势的 方向也随之改变 如果所施加的磁场为交变磁场 则霍尔电势为同频率的交变电势 霍尔电势 UH 与霍尔常数成正比 因金属中自由电子密度都 很大 所以金属不适合制作霍尔元件 霍尔电势与材料厚度成反比 所以霍尔元件大多作成薄片 集成霍尔传感器是利用硅集成电路将霍尔元件和测量线路集成在 一起的传感器 按输出功能分为线性型和开关型 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器 片状霍尔元件固定在弹性元件的自由端 并 处于两对磁场方向相反的磁极组件构成的线性不均匀磁场的间隙中 差动磁场 霍尔元 件被自由端带动在不均匀磁场中移动时 将感受不同的磁场强度 产生的霍尔电势 即 对应于自由端位移 从而给出被测压力值 这种仪表结构简单 灵敏度高 寿命长 可 实现信号远传 但对外部磁场敏感 耐振性差 并且使用时要配专门的二次仪表 13 电电容测量电路容测量电路 电桥电路 二极管双 T 电路 运算放大器式电路 差动脉冲调宽电路 调频电路 谐振 电路 变压器电桥电路变压器电桥电路 当电桥输出端开路或接负载阻抗为无穷大时 输出电压与被测位移呈线性关系 由于电桥输出 By huanghao 9 电压与电源电压成比例 因此要求电源电压波动极小 桥压必须稳定 同时必须后接高 输入阻抗放大器将信号放大后才能测量 二极管式双二极管式双 T 电路电路 用对称方波经二极管D1 D2给待测电容Cx和参比电 容 C0 充电 C0 可为固定值 也可为差动电容之一 正半周向 Cx 充电 负半周向 C0 充电 两者充电极 性相反 其余时间 两电容经电阻 R 和 RL 放电 放电方向相反 若两电容相等 RL 上 电流为 0 则无输出 否 RL 两端将有直流电压 U0 输出 双 T 电路的输出阻抗取决于 R 阻值 一般 R 为 1 100K 所以能够接毫安表显示 输入方波信号应稳幅稳频 由于方波幅值可以较大 输出不必放大 运算放大器电路运算放大器电路 利用运算放大器电路实现单个电容检测传感器电容变化 以 参比电容 C0 作为输入容抗 被测电容 Cx 作为反馈容抗 构 成反相比例运算电路 在运算放大器的开环倍数和输入阻抗 足够大时 注意 负号表示输出交流电压与输入交流电压的相位相反 图示电路中输出不能从 0 开始 为实现零点调整功能 可在图中附加调零电路 在本电路中 参比电容 C0 和输入电压 E 必须精确而稳定 为避免被测电容 Cx 的引线寄生电容对测量造成误差 必须采用等电位屏蔽 差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路 电路由比较器 A1 和 A2 双稳态触发器及电容充 放电回路所组成 C1 C2 为传感器的差动电容 A3 为低通滤波器 0 0 0 1 1 x j CC E UEd j CS By huanghao 10 14 差压式流量计测量方程差压式流量计测量方程 其中 流量系数 C流出系数 节流元件开孔直径与管道直径之比 流束膨胀系数 d节流装置开孔直径 流体密度 节流装置输出的压力差 15 电磁流量计测量原理及特点电磁流量计测量原理及特点 原理原理 电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流量计 用于测量导电液体 如 工业污水 酸 碱 盐等腐蚀性介质 与浆液的体积流量 当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁力线时 就会在管道两边的电极上产生 感应电势 感应电势的大小与磁场的强度 流体的速度和流体垂直切割磁力线的有效长 度成正比 式中 Ex 为感应电势 K 为比例系数 B 为磁场强度 D 为管道直径 v 为垂直于磁力 线的流体流动速度 在管道直径 D 已经确定 磁场强度 B 维持不变时 流体的体积流量 与磁感应电势成线性关系 测量须满足条件测量须满足条件 磁场是均匀分布的恒定磁场 被测流体的流速轴对称分布 被测液体是非磁性的 被测液体的电导率均匀且各向同性 特点特点 By huanghao 11 1 优点优点 结构简单 无活动部件及插入管道的阻流件 几乎无附加压损 直管段要求低 电磁流量计的口径范围比其他品种流量仪表宽 对要求低阻力损失的大管径供水管 道最为适合 测量结果不受流体物性及温度 压力 粘度等外界因素的影响 因此只需经水标定 后 就可用来测量其它导电液体的流量 准确度高 约为 0 5 1 5 级 适于导电液体流量的测量 尤其适用于脏污流体 腐蚀性流体及含固体颗粒和悬浮 物的液固两相流体 电磁流量计的输出与流量呈线性关系 设计没有机械惯性 所以反应灵敏 可测量 正反两个方向的流量 也可测量瞬时脉动流量 2 缺点缺点 只能用来测量导电液体的流量 不能用于气体 蒸汽及石油制品的流量 测量受内衬和电气绝缘材料的限制 不能用于测量高温液体 易受电磁干扰影响 流速测量下限有一定限度 工作压力受到限制 结构也比较复杂 成本较高 16 差压式质量流量计测量原理差压式质量流量计测量原理 管道上装有两块结构和尺寸都相同的孔板 A 和 B 分流管道上装有两台相同的定流量泵 差压计接在孔板 A 的入口和孔板 B 的出口处 两台定流量泵压入的流量 q 方向相反 孔 板 A 和 B 前后压差 PA 和 PB 分别为 使 q Q 则 实际应用中有双孔板和四孔板与定量泵组合 两种结构 差压与质量流量成正比 压损较大 测量范围 一般 0 5 250kg h 2 2 Av Bv PKqq PKqq 12 4 BAm PPPPKqq By huanghao 12 17 涡街流量计频率涡街流量计频率检测检测方法方法 涡街流量计基本原理 由于漩涡之间相互影响 漩涡列一般是不稳定的 实验证明 当两列漩涡之间的距离 h 与同列的两个漩涡之间的距离 l 满足 h l 0 281 的关系时 卡门涡街才是稳定的 此时所 产生的单列漩涡的频率 f 和旋涡发生体两侧流体的平均速度 v1 及漩涡发生体的宽度 d 之 间存在关系 v1 漩涡发生体两侧流体的平均流速 m s d 漩涡发生体迎流面最大宽度 m f 单列漩涡的频率 即单位时间内产生的单列漩涡的个数 Hz Sr 斯特罗哈尔数 无量纲 当漩涡发生体几何形状确定时 Sr 只与雷诺数有关 若 管道内流体的雷诺数 Re 能保持在 2 104 至 7 106 范围内 Sr 便近似一个常数 三角 柱 Sr 0 16 圆柱体 Sr 0 20 检测方法检测方法 热敏检测法热敏检测法 电容检测法电容检测法 超声波检测法超声波检测法 电磁检测法电磁检测法 应力检测检测法应力检测检测法 1 热敏检测法热敏检测法 旋涡在圆柱体下游侧产生 出于升力作用 使得圆柱体下方的压力比 上方高一些 圆柱体下方的流体在上下压力差的 作用下 从圆柱体下方导压孔进入空腔 通过隔 板中央部分的小孔 流过铂电阻丝 从上方导压 孔流出 如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的 某温度值 则当流体流过铂电阻丝时 就会带走热量 改变其温度 也即改变其电阻值 当圆柱体上方产生一个旋涡时 则流体从上导压孔进入 由下导压孔流出 又一次通过 铂电阻丝 又改变一次它的电阻值 由此可知 电阻值变化与流动变化相对应 也即与 旋涡的频率相对应 2 电容检测法电容检测法 在三角柱的两侧面内有内充硅油的弹性金属膜片 漩涡压力使两膜片 位于柱体间构成的电容差动变化 优点是耐振性能好 可测高温高压的气体 液体 蒸 d v rSf t 1 By huanghao 13 汽的流量 3 超声波检测法超声波检测法 在漩涡发生体后设置横穿流体的超声波束 流体的漩涡将使超声波 由于介质密度变化而折射或散射 使收到的超声波束周期起伏 经放大得到脉冲信号 4 电磁检测法电磁检测法 旋涡发生体后设置一个信号电极 并使电极处于一个磁感应强度为 B 的永久磁场中 流体旋涡的振动使电极同频率振动 切割磁力线产生 感应电动势 特点 不怕管道振动 刚刚兴起的涡街 频率检测方法 5 应力检测法应力检测法 漩涡发生体内零弯矩断面封装压电检测元件 中性面的一侧为压应力 另一侧为拉应力 两部分的压电电荷极性相反 通过差动方式输入到电荷放大器 两个 信号叠加 放大器输出与漩涡频率成正比的信号 18 流量检流量检测仪表对传感器上下游直管段要求测仪表对传感器上下游直管段要求 一般受流速影响大的流量计要求上下游直管段要有足够的长度 差压式节流装置规定上游侧测量直管段为 10D 下游侧测量直管段为 5D 电磁流量计是速度式流量计 当流线分布不符合设定条件时 将产生测量误差 因此 在电磁流量计前必须有 10D 左右的直管段 以消除各种阻力对流线分布对称性的影响 科里奥利质量流量计对应对迎流流速分布不敏感 因而无上下游直管段要求 补充 涡街流量计上下游必须有足够的直管段 若传感器安装点的上游在同一平面上有二个 90 弯头 则 上游直管段 25D 下游直管段 5D 若传感器安装点的上游在不同平面上 有二个 90 弯头 则 上游直管段 40D 下游直管段 5D 调节阀应安装在传感器的 下游 5D 以外处 若必须安装在传感器的上游 传感器上游直管段应不小于 50D 下游应 有不小于 5D 涡街流量计对振动很敏感 安装场所应尽量避开振动源 By huanghao 14 19 电容式物位传感器特点电容式物位传感器特点 无可动部件 与物料密度无关 需要考虑温度对介电常数的变化的影响 物料 特别是粉料 由于含水量的不同 以及物料的混合比例 密度 导电性等都 极大地影响它的介电常数 导致物位计不能正常工作 并且如果在物位计的绝缘子 上滞留粉料会导致物位计失灵 因此不适合测量粉料 物位对电容器的电容量变化值很小 往往只是几微法至几百微法 易受干扰影响 电容测量比较困难 20 液位连续测液位连续测量仪表量仪表 这个找不到具体的这个找不到具体的 连续测量 物料连续测量 将物位高度变化连续的转换成电信号 此信号 或被直接显示 或被送 到系统其它环节分析处理 参与系统的调节与控制 在连续测量各种不同的物位界面时 测量传感器通常采用以下几种测量原理 压差式 电容式 超声波式 机电式 雷达式 21 热导式热导式气体分析仪测量要求气体分析仪测量要求 根据传热学理论 在温场中的介质传导的热流量 对于不同的介质 导热系数的大小是不同的 固体和液体的导热系数较大 气体的导热 系数较小 气体的导热系数通常与温度有关 当温度升高时 分子运动加剧 导热系数 随之增大 导热系数与温度的关系可近似写成 介质导热系数的温度系 数 混合气体的导热系数由所含组分气体的导热系数共同决定的 对于彼此之间无相互作用 的多组分气体 其导热系数可近似地认为是各组分导热系数按组成含量的加权平均值 即 根据混合气体导热系数与各组分导热系数之间的关系 就可以实现多组 分气体的含量分析 T QSt x 1 0 t n iiim C 1 By huanghao 15 对于多组分的混合气体 如果被测组分的热导率为 1 其余组分为背景组分 并假定它 们的热导率近似等于 2 则 待测组分的导热系数与其余组分的导热系数要有明显的差别 即 1 or 2 差别 越大 测量越灵敏 由于氢气的导热系数是其它气体的好多倍的缘故 所以这方法最适 合用于氢气含量的检测 只要测出混合气体的导热系数 就可以根据两组分的导热系数 求得待测组分的含量 对上式微分 可得 仪器的灵敏度与两个组分导热