检测仪表与传感器.ppt

第一节概述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,第3章检测仪表与传感器,第一节概述,一、测量过程,检测元件（测量元件或敏感元件）：直接响应被测参数，把它转换成适合测量的信号能量形式（与被测参数有对应关系），如mV、mA、Hz、位移、力等。传感器：对检测元件输出的信号能量作进一步转换，使其成为便于传送和更加适合测量的信号能量形式，如电压信号、电流信号、气压信号等。若传感器的输出是统一的标准信号时，通常称为变送器。标准信号：物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号，如010mA（DC）、420mA（DC）、15V（DC）、20100kPa（空气压力）有时，检测元件输出信号可不经过传感器（变送器），而直接通过显示装置把被测参数显示出来。,参数检测：利用专门的技术工具（检测仪表），将被测参数经过一次或多次信号能量转换，使其成为一种便于测量的信号能量形式，并由显示装置（指针位移或数字形式）显示出来。,二、测量误差,测量误差仪表测得的测量值与被测真值之差,由于真值是无法获取的理论值，因此，测量误差常指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测参数进行测量所得到的2个读数之差。即：,在仪表量程范围内各点读数的绝对误差、相对误差、相对百分误差是不相同的！,三、仪表的性能指标,1、精确度（精度）,一台测量范围01000kPa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0400kPa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？,虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者比前者精度高。因为仪表的精确度不仅与绝对误差有关，而且还与仪表的量程（测量范围）有关。在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。,仪表的最大相对百分误差：将最大绝对误差折合成仪表测量范围的百分数表示,仪表的允许误差：仪表在规定的正常情况下所允许的最大相对百分误差,目前，国产仪表常用的精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所谓0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5，以此类推。,仪表的精度等级（精确度等级）：去掉允中的“”号和“”号，便为仪表的精度等级,例：某压力变送器测量范围为0400kPa，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：校验所得，仪表的最大相对百分误差,去掉“”和“%”，该变送器的精度等级应为1.25级，但国家规定的精度等级中没有1.25级，因而应取低一级的精度，即1.5级,根据校验数据来确定仪表精度等级：仪表的允许误差校验所得到的最大相对百分误差,若选择1.5级仪表，则其允许误差（允许的最大相对百分误差）为1.5%，显然不能满足工艺要求；若选择1.0级仪表，则其允许误差（允许的最大相对百分误差）为1.0%，能满足工艺要求。,例：根据工艺要求选择一测量范围为040m3/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：工艺要求，仪表的最大相对百分误差,根据工艺要求来选择仪表精度等级：工艺要求的最大相对百分误差仪表的允许误差,在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测参数在全量程范围内进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。,2、变差,原因：传动机构间存在间隙和摩擦力、弹性元件的弹性滞后等,应允,线性度表示线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。,5、线性度（非线性误差）,线性度通常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：,当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。反应时间用来衡量仪表能否尽快反应出被测参数变化的品质指标，它就是仪表指示值变化相对于被测量实际值变化的滞后时间（反映仪表动态特性的好坏）,6、反应时间,四、工业仪表的分类,（一）按仪表使用的能源分类：,电动仪表、气动仪表、液动仪表（不常用）,（二）按仪表的功能分类：,（三）按仪表的组成形式分类：,基地式仪表：将测量、显示、控制等部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。适用于现场就地检测与控制单元组合仪表：将测量及其变送、显示、控制等部分，分别制成能独立工作的单元仪表（变送单元、显示单元、控制单元）同类型的单元组合仪表之间以统一的标准信号相联系！,第二节压力检测及仪表,一、压力的表示、单位及测压仪表,1MPa=106Pa，1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O,工程上通常采用表压或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真空度。除特殊说明外，以后所提及的压力均指表压或真空度！,压力单位：,压力的表示方法：,式中p压力，Pa；F均匀垂直作用力，N；S受力面积，m2,压力检测仪表的分类：（根据敏感元件和转换原理的不同）,液柱式压力计：根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来进行测量。（U型管、单管、斜管；以水或水银为工作液，常用于测量较低压力、负压或压力差）弹性式压力计：根据弹性元件受力变形原理，将被测压力转换成位移来进行测量。（常用弹性元件有弹簧管、薄膜和波纹管等。）电气式压力计：通过机械和电气元件，将被测压力转换成电信号来进行测量。（压力传感器、压力变送器）活塞式压力计：根据液压机液体传送压力原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量。（精度高，常用作标准压力表）,二、弹性式压力计,根据弹性元件受力变形原理，将被测压力转换成位移来进行测量,p,弹簧管式弹性元件,单圈弹簧管是一根弯成圆弧状（中心角常为270）的空心金属管子，其横截面呈椭圆形或扁圆形。,管子的一端为封闭，另一端为开口。封闭端作为自由端，开口端作为固定端。,被测压力从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔。弹簧管的非圆横截面在压力作用下，将趋于圆形，并伴有弹簧管向外伸直的趋势，其结果使弹簧管的自由端产生位移，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（正比关系）：,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,弹簧管压力表,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结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压除普通弹簧管压力表外，还要耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等一般工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但其精度等级最高可达0.15级,电接点信号压力表,三、电气式压力计,通过机械和电气元件，将被测压力转换成电信号来进行测量,压力传感器的作用：将压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出电信号：电压、电阻、电流、电容、电感等常见压力传感器：霍尔片式、应变片式、压阻式压力传感器力矩平衡式、电容式压力变送器标准信号：物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号，如010mA(DC)、420mA(DC)、20100kPa(空气压力),霍尔片式压力传感器,霍尔片：半导体材料制成的薄片霍尔效应：把一块霍尔元件置于均匀磁场中，并使霍尔片与磁感应强度B的方向垂直，在沿着霍尔片的左右两个纵向端面上通入恒定的控制电流I，则会在霍尔片的两个横向端面之间形成电位差UH。此电位差称为霍尔电势。信号转换：压力位移电势,霍尔片式压力传感器1弹簧管2磁钢3霍尔片,霍尔效应,应变片式压力传感器,电阻应变效应：当电阻体受外力作用时，电阻体的长度、截面积会发生变化，进而阻值发生变化。这种因尺寸变化引起阻值变化的效应称为电阻应变效应电阻应变片：敏感栅（直径为0.025mm左右的合金电阻丝）；基底（绝缘）；覆盖层（保护）,R,R,r1沿轴向贴放，作为测量片r2沿径向贴放，作为温度补偿片Pr1而r2，且r1r2r2的主要作用是温度补偿,R3=R4r1=r2（P=0）,电容式压力/差压变送器,极板间绝缘介质的介电常数，F/mA两平行板覆盖的面积，m2d两平行板之间的距离，mC电容量，F,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，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油测量原理：将压力的变化转换成电容量的变化，来进行测量的过载能力强目前工业应用非常广泛，其输出信号是标准420mADC电流信号,P=0C1=C2P=P1P20C1而C2，C=C2-C1,电容式差压变送器1隔离膜片2，7固定电极3硅油4测量膜片5玻璃层6底座8引线,常见压力传感器外形,选用安装,其它仪表也基本适用,四、压力计的选用和安装,压力计的选用,仪表类型的选择工艺要求现场/远传指示、自动记录、信号报警、数字/模拟介质性质温度、粘度、脏污程度、腐蚀性、易燃易爆性（氨用压力表、禁油氧气压力表、抗硫压力表、氢气压力表）现场环境温度、湿度、电磁场、有无振动、有无腐蚀性（爆炸性较强的环境，若用电气压力仪表，应选防爆型；特高温或特低温的环境，应选温度系数小的敏感元件）仪表量程的确定“化工自控设计技术规定”测定稳定压力时，最大工作压力应不超过满量程的2/3；测定脉动压力时，最大工作压力应不超过满量程的1/2；测定高压压力时，最大工作压力应不超过满量程的3/5；同时，被测压力的最小值应不低于满量程的1/3仪表精度等级的选择根据工艺所允许的最大测量误差来确定，但应坚持节约的原则,在选用仪表量程时，应采用相应国家规程或标准中的数值！,有一台空压机的缓冲罐，其工作压力变化范围为13.516MPa，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：,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040MPa。,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,最大引用误差,所以选择测量范围为040Mpa，精度等级为1.5级的YX-150型电接点压力表。,压力计的安装,分三种情况介绍：,一般压力检测仪表的安装特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）差压变送器的安装,无论选用何种压力仪表，在安装过程中都应注意以下几点：压力仪表必须经检验合格后才能安装压力仪表的连接处，应根据被测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，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰压力仪表应垂直安装。一般情况下，安装高度应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于一般人的头部测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正导压管粗细合适，一般内径为610mm，长度尽可能短，否则会引起测量迟缓导压管水平安装时，应保证1：101：20的倾斜度，以便排出积存之液体或气体压力仪表与取压口之间应安装切断阀（近取压口），以便维修取压点应选在被测介质直线流动的管段部分，并使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与管线内壁应保持平齐测量液体压力时，取压点应在管道下部；测量气体压力时，取压点应在管道上部,一般压力检测仪表的安装,测量高温（60以上）流体介质（如蒸汽）的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的凝液管，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。如图(a)、(b),测量高压流体介质的压力时，压力仪表表壳应安装朝向墙壁或者无人通过之处，以防发生意外测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还可加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来，如图(c)、(d),测量特殊介质时的压力测量仪表安装,测量波动剧烈的压力（如泵、压缩机的出口压力）时，应在压力仪表之前加装针形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器，如图(e),测量粘性大或易结晶的介质压力时，应在取压装置上安装隔离罐，使罐内和导压管内充满隔离液，必要时可采取保温措施，如图(f),测量含尘介质压力时，最好在取压装置后安装一个除尘器，如图(g)。,总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵和防尘等措施,三个方面的内容：取压点的选择导压管的安装变送器本身的安装,差压变送器的安装,差压变送器取压点的选择,液体、气体、蒸汽？,被测介质为液体时，取压点应位于管道下半部，与管道水平线成045，目的是保证导压管内没有气泡，两根导压管内液柱产生的附加压力可以相互抵消；问：能否从底部引出？为什么？被测介质为气体时，取压点应位于管道上半部，与管道垂直中心线成045，目的是保证导压管中不积聚和滞留液体；被测介质为蒸汽时，取压点应位于管道上半部，与管道水平线成045。最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根导压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同,差压变送器导压管的安装,导压管应按最短距离敷设导压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径一般不小于导压管外径的10倍导压管的管路最好保持垂直（测量液体：垂直向下；测量气体：垂直向上），或者至少保