过程控制系统中的仪器仪表

2,概述,一、测量的基本知识（一）测量过程测量：用专用工具将被测量与基准单位进行比较的过程.测量实质：将被测量经一次或多次信号能量形式的变换和传递，最终获得便于和基准单位比较的信号能量形式，再通过指针位移或数字符号等将比较结果显示出来。（二）测量误差测量误差:测量值与真实值之间的差值。,3,二、检测仪表的基础知识（一）检测仪表的分类1根据敏感元件与被测介质是否接触2按精度等级的不同,3按使用场合不同,4.按被测变量分类,概述,4,4.1检测变送及仪表4.1.1温度检测,一、温度检测的基本概念（一）温度的基本概念温度是表征物体冷热程度的物理量。它反映了物体分子作无规则热运动平均动能的大小。温度测量不能直接测量，只能间接测量。温度测量的方法（1）冷热不同的物体之间的热交换（2）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的测量。,5,一、温度检测的基本概念,（二）测温仪表的分类,1.按测温范围来分,2.按工作原理分,3.按感温元件和被测介质接触与否,6,一、温度检测的基本概念,7,液体膨胀式温度计,酒精式,水银式,膨胀式温度计,8,热电偶温度计,结构：括热电偶、显示仪表、导线热电偶-测温元件；显示仪表-检测热电偶产生的热电势信号，可以采用动圈式仪表，也可以用ER180系列等其他仪表；导线连接热电偶和显示仪表，补偿导线,1热电偶的测温原理（热电效应原理）热电偶：由两种不同材料的导体A和B焊接或绞接而成。导体A、B称为热电极，合称热电偶。,自由端参比端冷端,工作端测量端热端,9,10,二、热电偶温度计,1热电偶的测温原理（热电效应原理）热电效应：将热电偶的工作端插入需要测量温度的生产设备中，冷端置于生产设备的外面，当两端所处的温度不同时（如热端为t，冷端为t0），在热电偶回路内就会产生热电势，我们把这种物理现象称为热电效应。,当冷端温度t0不变、两种热电极材料一定时，EAB(t0)=C为常数,则：,EAB（t，t0）=EAB（t）-C=f（t）,EAB(t)指热电偶工作端温度t，冷端温度为0时的热电势,EAB(t0)指热电偶工作端温度t0，冷端温度为0时的热电势,11,结论：（1）保持冷端温度不变时，用表测出热电势EAB(t,t0)就可得知测温度。（2）产生热电势的充要条件：A、B导体材料不同，两接触点温度不同。注意：1）EAB(t,t0)f(t-t0),是温度函数的差，非温度差的函数2）常用分度表在T0=0时列出的3）接触电势差电势（一般情况下）故热电势的极性取决于接触电势极性。,二、热电偶温度计,12,二、热电偶温度计,正极含铑30%,负极含铑6%,13,【例】用一只镍铬-镍硅热电偶（分度号为K）测量炉温，已知热电偶工作端温度为800，自由端温度为25，求热电偶产生的热电势E（800，25）。,二、热电偶温度计,解：由附录可以查得：E(800,0)=33.277mVE(25,0)=1.000mVE(800,25)=E(800,0)E(25,0)=32.277mV,14,2.热电偶的基本定律（1）均质导体定律即：由一种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论其截面及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。即热电偶必须采用两种不同材料作为电极（2）中间导体定律在热电偶回路中，只要接入的中间导体(可多种)两端温度相同，则对热电偶回路的总电势无影响。EAB（T，T0）EAB（T，Ta）EAB（Ta，T0）（3）中间温度定律在热电偶回路中，接入第三种导体C，只要这第三种导体两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。,二、热电偶温度计,15,二、热电偶温度计,连接热电偶与补偿导线用,3热电偶的结构组成：热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒,16,二、热电偶温度计,17,温度变送器的作用：将热电偶或热电阻输出的电势值或电阻值转换成统一标准信号，再送给其他单元组合仪表进行指示、记录或控制。温度变送器种类：常用的有DDZ-型温度变送器、智能型温度变送器等等。DDZ-型温度变送器为安全火花型防爆仪表分两大类（架装型和现场安装型）、三个品种（热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器）。每个品种都有量程单元和放大单元两个部分，分别制在二块印刷线路板上。特点：量程单元各不相同，放大单元可以共用。,四、温度变送器,18,一、压力检测仪表的分类,按照其转换原理不同(P45表32),4.1.2压力测量,19,二、单圈弹簧管压力表,1特点：测压范围宽，测量精度较高、仪表刻度均匀、坚固耐用，所以应用非常广泛。它主要用于现场的压力指示。2.组成：,1-弹簧管；2-拉杆；3-调整螺钉；4-扇形齿轮；5-指针；6-中心齿轮；7-游丝；8-面板；9-接头,20,2组成：单圈弹簧管、传动放大机构、指示机构和表壳。（1）单圈弹簧管1是弯成圆弧形的金属管子，截面为扁圆或椭圆形，自由端封闭。当通入被测压力后，截面有变圆的趋势，迫使自由端产生位移。（2）传动放大机构包括拉杆2、扇形齿轮4、中心齿轮6、调整螺钉3及游丝7。（3）指示机构包括指针5、刻度盘8（4）表壳包括壳座、盖圈、表玻璃等3原理：P弹簧管自由端位移拉杆直线位移扇形齿轮逆转角中心齿轮顺转指针顺转压力值由于自由端的位移与被测压力呈线性关系，所以弹簧管压力表的刻度标尺为均匀分度。,21,22,上图弹簧管,下图压力表机心,23,三、压力（差压）变送器,（一）变送器概述1.变送器作用：将被测变量转换为统一标准信号，送给指示仪、记录仪、控制器或计算机控制系统，从而实现对被测变量的自动检测和控制。如DDZ-型压力变送器：是用来将液体、气体或蒸汽的压力转换成420mADC标准电信号的仪表。2.种类,微位移式差压变送器,24,（二）电容式差压变送器,1.结构：,测量部件,转换放大电路,1-隔离膜片；2，7-固定弧形电极3-硅油；4-测量膜片；5-玻璃层；6-底座,25,26,3特点：精度很高，引用误差不超过量程的0.25。能经受振动和冲击，其可靠性和稳定性较高。体积小、重量轻，零点、量程调整方便。4.两线制连接：变送器有两根输出导线，在输出反映被测压力大小的420mADC电流信号的同时，也为变送器传递所需的24VDC电源，即变送器与控制室仪表之间只有两根导线，故称两线制连接,2原理：,27,4.1.3流量检测及仪表,一、流量检测的基本概念1、流量：单位时间内流过管道某截面流体的量，包括体积流量和质量流量瞬时流量：瞬时流量一般简称流量，指的是单位时间内流过管道某截面流体的数量。累计流量：累计流量指的是在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，称为总量。2、单位体积流量单位:m3/s,工程上通常采用:m3/h,l/min.质量流量的单位:Kg/s或Kg/h.流体总量单位分别为:m3,KgT(吨).,3、体积流量与质量流量的关系为：4、流量检测仪表的分类：见P64表3-7差压式、转子式、容积式、速度式、靶式、电磁、漩涡式,28,二、差压式流量计,1测量原理：基于流体流动的节流原理，它是利用流体流经节流装置时产生的静压差来实现流量测量的。2差压式流量计的构成：节流装置（包括节流元件和取压装置）导压管差压计或差压变送器显示仪表,29,节流式流量计,1-夹持件2节流件3针型阀4支撑杆5导压管6差压变送器7防冻式隔离器8法兰9螺栓10管道,30,（一）节流元件的测量原理,1节流元件（1）节流元件：设置在管道中使流体产生局部收缩的元件。（2）节流元件有：孔板喷嘴文丘利管,31,（一）节流元件的测量原理,当流体流经节流装置时，由于流通面积突然变小，流束被迫局部收缩，流速加快，动能增加。在节流元件前后产生了静压差。压差值与流体的流量关系：流量系数，由实验确定；膨胀校正系数，查阅手册；对于不可压缩液体可取=1；F0节流装置的开孔截面积，m2；节流装置前的流体密度，kg/m3；p节流装置前后的压差，Pa。,流束的压缩与收缩现象,32,（一）节流元件的测量原理,节流：流束的压缩与收缩现象,动能+静压能P1,动能+静压能,动能+静压能P2,总能=动能+静压能保持不变,返回,33,（一）节流元件的测量原理,34,流量与差压之间具有开方关系，为指示方便，希望送给显示仪表的信号与流量成线性，所以常在差压变送器后增加一个开方器，使IO与流量Q变成线性关系后，再送显示仪表进行显示。在要求较高的情况下，都要对差压式流量计进行温度和压力补偿。,（三）压差检测,35,三、转子流量计,特点：压力损失小检测范围大（量程比10：1）结构简单使用方便可以测量液体或气体的流量，适宜在小于200mm的垂直安装的小管径上测量测量精度1%2%。流体的流向应由下而上,不得接反.,36,（一）基本结构,37,38,（三）金属管式转子流量计,可做成透明玻璃管直读式但当介质不透明或为高温高压时，就必须采用金属管（非导磁材）转子流量计，测量转子的位量，并实现远传。,39,四、其他流量计,（一）椭圆齿轮流量计（是容积式流量计）特点：1.测量精度高，可达0.2%2.量程比宽。1013.压损小。4.测量过程与流体的流动状态即无关。5.表前、后直管段长度要求不严。6.安装使用较方便。7.特别适于高粘度流体的测量（如：重油、聚乙烯醇、树脂等）。,40,（一）椭圆齿轮流量计,1结构及工作原理,顺时针转,41,流体通过仪表时，形成压力差P=P1-P2在P作用下：图(a)A主动轮，顺时针转B从动轮，逆时针转动图(b)A主动轮，顺时针转B主动轮，逆时针转动图(c)B主动轮，逆时针转A从动轮，顺时针转,（一）椭圆齿轮流量计,结论：每转一周排出四个月牙形体积流体Q4nV0,42,椭圆齿轮流量计,43,特点：1.测量导管内无可动部件和阻流体，因而压损很小，无机械惯性，故反应十分灵敏。2.可测范围宽，量程比10：1，最高可达100：1。3.可测含有固体颗粒、悬浮物、或酸、碱、盐溶液等具有一定电导率的介质的体积流量，也可测脉动流量，并可双向测量。4.EX=Kqv线性关系，故仪表刻度均匀。5.电磁流量计与介质的物理性质，流动状态无关，故只需用水标定后即可使用，无需修正。,（二）电磁流量计,44,1工作原理及组成,（二）电磁流量计,右手定则:磁力线穿掌心大拇指指向运动方向四指指向动生电动势的方向,45,（二）电磁流量计,将一个直径为D的管道放在一个均匀磁场中，并使之垂直于磁力线方向。当导电液体在管道中流动时，便会切割磁力线。如果在管道两侧各插入一根电极，则可以引出感应电势。流体的体积流量与感应电势的关系为：E感应电势；B磁感应强度；D管道内径。结论：QE,五、流量检测仪表的选用,注：表示适用；表示可以用；表示在一定条件下可以用；表示不适用。,47,第三节物位检测及仪表,一、物位检测的基本概念物位：液位（气-液分界面）液位计界位（液-液分界面）界面计料位（气-固分界面）料位计,按其工作原理不同,表44物位检测仪表分类比较(P108),48,二、差压式液位计,（一）差压式液位计的工作原理根据容器内液位的高度H与液柱上下两端面的静压差成比例的原理而工作的。根据流体静力学原理，A点与B点的压力差p为：所以,零点迁移：为了使液位H=0时，显示仪表的指示为零，对下面两种情况应该调整差压变送器（或其他差压计）的零点迁移装置，使之抵消液位H为零时，差压计指示不为零的那一部分固定差压值，这就是零点迁移。迁移只是改变了仪表的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变仪表的量程。,49,（三）用法兰式差压变送器测量液位,法兰式差压变送器应用：介质有腐蚀有结晶颗粒粘度大易凝固，避免引压管线被腐蚀或堵塞。单法兰：应用于粘度大、易结晶、沉淀、或聚合引起堵塞的场合插入式法兰：应用于介质大量沉淀或结晶析出双法兰：应用于腐蚀性强，无合适隔离液（用氟塑料薄膜防腐）,隔离膜盒,50,三、浮力式液位计,1特点：结构简单、工作可靠、不易受外界环境的影响、维护也方便。与差压式液位计相比，在不少场合可免去隔离、吹洗工作，也不存在导压管内出现汽化或引起密度差等问题，应用广泛。,l-浮筒；2-杠杆；3-扭力管；4-芯轴；5-外壳,51,三、浮力式液位计,2结构及原理：沉筒1:（液位检测元件）用不锈钢制成的空心长圆柱体，被垂直地悬挂于杠杆2的一端，并部分沉浸于被测介质中(不漂浮在液面上)，故称沉筒。杠杆2：右端与扭力管3，芯轴4的始端垂直固定在一起。扭力管3：是一种密封式输出轴，用弹性合金钢制成。芯轴4：末端用来输出角位移。,52,2结构及原理,沉筒,最大角位移：30液位在最高位：20中间位：3.50最低位：50,53,54,四、其他物位检测仪表,（一）电容式物位计1结构：电容式物位传感器、显示器,55,（一）电容式物位计,2原理：大电极半径：R；小电极半径：r,测量线路将电容检变化值测出来，并转换为010mA或420mA的标准直流电流信号输出，就实现了对液位的连续测量。,特点（1）可以测量各种容器、设备中的液位，而且也适用于工业生产过程中各种贮槽、容器、料仓中导电、非导电介质的界位及粉状料位的远距离连续测量。（2）可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现物位的自动检测、记录和控制。,56,（二）超声波物位检测仪表,1.超声波的基本概念、特性。声波的频率为16-20KHz，而超声波的频率在20000Hz以上,具有很强的穿透力，在不同介质中传播速度不同，具有反射和折射现象。超声波的发射和接