第3讲过程测量仪表

1、第第3 3讲过程测量仪表讲过程测量仪表 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表2 第三讲第三讲 过程检测仪表过程检测仪表 n3.1 检测仪表的基础知识检测仪表的基础知识 u组成、接线方式组成、接线方式 u测量误差、信号处理测量误差、信号处理 n3.2 常见被控量检测仪表常见被控量检测仪表 u压力、温度、流量、物位、成分等检测压力、温度、流量、物位、成分等检测 n3.3 仪表技术的发展仪表技术的发展 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表3 第三讲第三讲 过程检测仪表过程检测仪表 n检测仪表是过程控制的检测仪表是过程控制的“眼睛眼睛”； n许多过程控制系统不能长期使用的主要原因就许多过程控制系统不能长期

2、使用的主要原因就 在于传感器故障！在于传感器故障！ 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表4 3.1 检测仪表组成及功能检测仪表组成及功能 n3.1.1 检测仪表组成及功能检测仪表组成及功能 u（一）功能：用于确定被控变量的当前值（一）功能：用于确定被控变量的当前值 u（二）组成：（二）组成： n传感器（传感器（sensorsensor）：检测仪表中的首要部件，直接与被测）：检测仪表中的首要部件，直接与被测 量发生联系（但不一定直接接触）。感受被测参数的变化，量发生联系（但不一定直接接触）。感受被测参数的变化， 并产生相应的并产生相应的电或非电量信号电或非电量信号 ，也称为一次仪表，也称为一次仪表

3、 。 n变送器（变送器（transmittertransmitter）：）：将传感器送来的检测信号进行将传感器送来的检测信号进行 转换、放大、整形、滤波等处理后，调制成相应的标准信转换、放大、整形、滤波等处理后，调制成相应的标准信 号，并输出给控制器或进行模拟、数字显示，也称为二次号，并输出给控制器或进行模拟、数字显示，也称为二次 仪表仪表 。有时也将传感器和变送电路统称为传感器。有时也将传感器和变送电路统称为传感器。 非标信号非标信号标准信号标准信号 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表5 3.1.1 检测仪表组成及功能检测仪表组成及功能 n（三）对检测仪表的要求（三）对检测仪表的要求 u高准

4、确性：传感器的输出信号与被测参数成严格的高准确性：传感器的输出信号与被测参数成严格的 对应关系。对应关系。 u高稳定性：不受时间或环境温度变化等因素的影响。高稳定性：不受时间或环境温度变化等因素的影响。 u高灵敏度：被测参数微小变化时，输出量变化明显。高灵敏度：被测参数微小变化时，输出量变化明显。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表6 3.1.2 信号标准及接线方式信号标准及接线方式 n（一）信号标准（一）信号标准 u电动仪表：电动仪表：4-20mA，DC（远距离）；（远距离）；1-5V，DC （柜内传输）（柜内传输） u气动仪表：气动仪表：20-100KPa u除变送器外，控制器和执行器的信

5、号标准也如此！除变送器外，控制器和执行器的信号标准也如此！ 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表7 3.1.2 变送器的信号及接线方式变送器的信号及接线方式 n（二）接线方式（二）接线方式 u1、电流二线制和四线制、电流二线制和四线制 u2、电阻三线制、电阻三线制 u3、现场总线方式、现场总线方式 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表8 3.1.2 变送器的信号及接线方式变送器的信号及接线方式 n1、电流二线制和四线制、电流二线制和四线制 u二线制线路简单，节省电缆；二线制线路简单，节省电缆； u四线制仪表的工作电源可为直流，也可为交流。四线制仪表的工作电源可为直流，也可为交流。 第第3讲过程测量

6、仪表讲过程测量仪表9 3.1.2 变送器的信号及接线方式变送器的信号及接线方式 n2、电阻三线制、电阻三线制 u若仅采用两根导线将热电阻接入电桥，将会由于远若仅采用两根导线将热电阻接入电桥，将会由于远 距离连接导线的电阻而引入误差。距离连接导线的电阻而引入误差。为防止由于远距为防止由于远距 离接线而造成桥臂不平衡，工程中大量采用三线制离接线而造成桥臂不平衡，工程中大量采用三线制。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表10 3.1.2 变送器的信号及接线方式变送器的信号及接线方式 n3、现场总线方式、现场总线方式 u以以HART为例，在一条电缆上同时传输直流为例，在一条电缆上同时传输直流4 20m

7、A的模拟信号和数字信号。的模拟信号和数字信号。 u在直流在直流420mA基础上叠加幅值为基础上叠加幅值为0.5mA的正弦的正弦 调制波作为数字信号，调制波作为数字信号，1200Hz频率代表逻辑频率代表逻辑“1”， 2200Hz频率代表逻辑频率代表逻辑“0”。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表11 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（一）误差的基本概念（一）误差的基本概念 u测量误差：测量值与真值之间存在的差别。测量误差：测量值与真值之间存在的差别。 u真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理 想的概念，一般是无法得到的。想

8、的概念，一般是无法得到的。 u在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表12 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（一）误差的基本概念（一）误差的基本概念 u约定真值约定真值 一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实 际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的 测量值之平均值作为约定真值。测量值之平均值作为约定真值。 u相对真值相对真值 指当高一级标准器的误差仅为低一级的指当高一级标准器的误差仅为

9、低一级的1/3以下时，以下时， 可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对 真值。真值。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表13 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（一）误差的基本概念（一）误差的基本概念 u绝对误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之绝对误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之 差。差。 u仪表的绝对误差只能是读数与约定真值或相对真值仪表的绝对误差只能是读数与约定真值或相对真值 之差。之差。 AM 绝对误差；绝对误差； M M 仪表读数；仪表读数； A A 约定真值或相对真值。约定真值或相对真值。 第第3讲过

10、程测量仪表讲过程测量仪表14 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（一）误差的基本概念（一）误差的基本概念 u相对误差相对误差 仪表的绝对误差与（约定或相对）真值的百分比。仪表的绝对误差与（约定或相对）真值的百分比。 u引用误差引用误差 绝对误差与仪表量程的百分比：绝对误差与仪表量程的百分比： %100 X m %100 A 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表15 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（一）误差的基本概念（一）误差的基本概念 u仪表精度等级仪表精度等级 （1 1）又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差）又称准确度级，是按国家统一规定的允

11、许误差 大小划分成的等级。大小划分成的等级。 （2 2）我国仪表精度等级有：）我国仪表精度等级有：0.005、0.02、0.05、0.1、 0.2、0.35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。级数等。级数 越小，精度（准确度）就越高。越小，精度（准确度）就越高。 （3 3）工业控制用仪表多在）工业控制用仪表多在0.14.0级，控制用仪表对级，控制用仪表对 精度要求较计量用仪表低。精度要求较计量用仪表低。 （4 4）仪表的精度等级应视工艺需求而定，）仪表的精度等级应视工艺需求而定，不能片面不能片面 追求高精度追求高精度。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表16 3.1.3 检测仪

12、表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（一）误差的基本概念（一）误差的基本概念 例例1 1：某压力表刻度某压力表刻度0100kPa，在，在50kPa处测量值处测量值 为为49.5kPa，求在，求在50kPa处仪表示值的绝对误差、相处仪表示值的绝对误差、相 对误差和引用误差？对误差和引用误差？ u仪表的绝对误差：仪表的绝对误差： u仪表的相对误差：仪表的相对误差： u仪表的引用误差：仪表的引用误差： kPa5 . 05 .4950 %1%100 50 5 .0 %5 . 0%100 100 5 . 0 m 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表17 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处

13、理 n（二）测量信号的处理（二）测量信号的处理 u过程控制系统中，测量信号往往带有过程控制系统中，测量信号往往带有噪声；噪声； u除传感器本身需考虑抗干扰处理外，还可以采用软除传感器本身需考虑抗干扰处理外，还可以采用软 件进行数字滤波处理。件进行数字滤波处理。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表18 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（二）测量信号的处理（二）测量信号的处理 u数字滤波即程序滤波，通过计算机软件（运算与判数字滤波即程序滤波，通过计算机软件（运算与判 断）滤去干扰信号，提高信号的真实性。断）滤去干扰信号，提高信号的真实性。 u在计算机中常采用数字滤波消除低频

14、干扰。在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰。 u常用的数字滤波有如下几种：常用的数字滤波有如下几种： 1.1.算术平均值滤波算术平均值滤波 2.2.程序判断滤波程序判断滤波 3.3.中位值法滤波中位值法滤波 4.4.一阶惯性滤波一阶惯性滤波 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表19 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（二）测量信号的处理（二）测量信号的处理 1.1.算术平均值滤波算术平均值滤波 u又称为递推平均滤波，对周期性等幅振荡的干扰有又称为递推平均滤波，对周期性等幅振荡的干扰有 较明显的滤波效果。较明显的滤波效果。 n i i iX n Y 1 1 第第3讲过程测量仪

15、表讲过程测量仪表20 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（二）测量信号的处理（二）测量信号的处理 2.2.程序判断滤波程序判断滤波 u当当 时，则时，则Xi为输入计算机的采样值。为输入计算机的采样值。 u当当 时，应将时，应将Xi-1采样值作为第采样值作为第i次采样值次采样值 输入计算机。输入计算机。 uB 值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度。值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度。 BXX ii 1 BXX ii 1 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表21 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（二）测量信号的处理（二）测量信号的处理 3.

16、3.中位值法滤波中位值法滤波 u连续采样三次以上的被测值，从中选择大小居中的连续采样三次以上的被测值，从中选择大小居中的 那个值作为有效的测量信号那个值作为有效的测量信号 u适用场合：对变化速度不太快的参数，去掉其干扰适用场合：对变化速度不太快的参数，去掉其干扰 脉冲。脉冲。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表22 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（二）测量信号的处理（二）测量信号的处理 4.4.一阶惯性滤波一阶惯性滤波 u实质上是通过计算机算法来实现动态的实质上是通过计算机算法来实现动态的RC低通滤低通滤 波波 1 1 )( )( sTsX sY f )1()1()(

17、 )( tytxty 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表23 3.1.3 检测仪表的误差及处理检测仪表的误差及处理 n（二）测量信号的处理（二）测量信号的处理 5.5.数字滤波使用原则数字滤波使用原则 u根据具体情况选择采用。在实际应用中，一般先对根据具体情况选择采用。在实际应用中，一般先对 采样值进行程序判断滤波，然后再应用算术平均滤采样值进行程序判断滤波，然后再应用算术平均滤 波或一阶惯性滤波等方法处理；波或一阶惯性滤波等方法处理； u应保证测量值的实时性（应保证测量值的实时性（Real Time）和真实性。）和真实性。 u对于存在较大干扰的信号，应从干扰抑制上考虑，对于存在较大干扰的信号

18、，应从干扰抑制上考虑， 而不是仅仅滤波！而不是仅仅滤波！ 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表24 3.1.4 测量变送的几个问题测量变送的几个问题 n1、信号滞后问题、信号滞后问题 n2、传输、传输距离距离问题问题 n3、信号抗干扰处理、信号抗干扰处理 n4、传感器的定期维护问题、传感器的定期维护问题 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表25 3.1.4 测量变送的几个问题测量变送的几个问题 n1、信号滞后问题、信号滞后问题 u测量信号滞后问题，主要由测测量信号滞后问题，主要由测 量元件本身的特性和安装位置量元件本身的特性和安装位置 不当等造成。不当等造成。 u多路循环测量时，应保证每路多路循环

19、测量时，应保证每路 信号控制的实时性。信号控制的实时性。 u气动信号在管道传送过程的滞气动信号在管道传送过程的滞 后要特别注意。后要特别注意。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表26 3.1.4 测量变送的几个问题测量变送的几个问题 n 2、传输、传输距离距离问题问题 u电流信号较电压信号抗干扰能电流信号较电压信号抗干扰能 力强，传输距离远；力强，传输距离远； u不同电流信号传输距离视变送不同电流信号传输距离视变送 器带载能力而定，带载能力一器带载能力而定，带载能力一 般在般在250-750250-750之间；之间； u采用通信方式时，信号有时需采用通信方式时，信号有时需 加转换器或中继器（加

20、转换器或中继器（RepeaterRepeater） 以延长传输距离。以延长传输距离。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表27 3.1.4 测量变送的几个问题测量变送的几个问题 n3、信号抗干扰处理、信号抗干扰处理 u干扰分类干扰分类 差模干扰、共模干扰差模干扰、共模干扰 u硬件措施硬件措施 电源隔离、屏蔽接地、双绞线、电源隔离、屏蔽接地、双绞线、RC滤波电路、光滤波电路、光 电隔离、硬件看门狗等等电隔离、硬件看门狗等等 u软件措施软件措施 软件看门狗、数字滤波等等软件看门狗、数字滤波等等 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表28 3.1.4 测量变送的几个问题测量变送的几个问题 n4、传感器的定

21、期维护问题、传感器的定期维护问题 u工业用仪表要定期进行校验工业用仪表要定期进行校验 或标定，校正零点和量程；或标定，校正零点和量程； u可结合过程控制系统软件进可结合过程控制系统软件进 行断线、越限等异常报警。行断线、越限等异常报警。 u要根据具体仪表的使用要求要根据具体仪表的使用要求 定期维护，特别是结构复杂、定期维护，特别是结构复杂、 价格昂贵的关键仪表，如在价格昂贵的关键仪表，如在 线成分分析仪表等。线成分分析仪表等。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表29 3.1.5 安全防爆安全防爆 n在石油、化工等多个行业，在石油、化工等多个行业， 大量存在含有易燃易爆材大量存在含有易燃易爆材

22、料的场合（危险区域），料的场合（危险区域）， 如原油及其衍生物、酒精、如原油及其衍生物、酒精、 天然气、金属屑、粉尘、天然气、金属屑、粉尘、 纤维、飞扬物等等。纤维、飞扬物等等。 n安全防爆是一项综合性技安全防爆是一项综合性技 术，与过程控制关系密切。术，与过程控制关系密切。 n安全防爆意义重大。安全防爆意义重大。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表30 3.1.5 安全防爆安全防爆 n（一）危险区分类（一）危险区分类 类类 别别级别级别说说 明明 气体和蒸汽爆气体和蒸汽爆 炸危险环境炸危险环境 0 0区区 连续地出现爆炸性气体环境，或预计会长期出现或连续地出现爆炸性气体环境，或预计会长期出现

23、或 频繁出现爆炸性气体的环境区域频繁出现爆炸性气体的环境区域 1 1区区 在正常操作时，预计会周期性地（或偶然的）出现在正常操作时，预计会周期性地（或偶然的）出现 爆炸性气体的环境区域，也可能是短时存在的环境区域爆炸性气体的环境区域，也可能是短时存在的环境区域 2 2区区 在正常操作时，预计不会出现爆炸性气体的环境，在正常操作时，预计不会出现爆炸性气体的环境， 即使出现爆炸性气体，也只是短时间存在的场所即使出现爆炸性气体，也只是短时间存在的场所 粉尘爆炸危险粉尘爆炸危险 环境环境 1010区区 连续地出现爆炸性粉尘混合物，或预计会长期出现连续地出现爆炸性粉尘混合物，或预计会长期出现 或频繁出现

24、爆炸性粉尘混合物的环境区域或频繁出现爆炸性粉尘混合物的环境区域 1111区区 有时会将积留下的粉尘扬起而偶然形成爆炸性粉尘有时会将积留下的粉尘扬起而偶然形成爆炸性粉尘 混合物的环境区域混合物的环境区域 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表31 3.1.5 安全防爆安全防爆 n（二）可燃物的燃点和闪点（二）可燃物的燃点和闪点 u 爆炸的形成，与可燃物的燃点、闪点密爆炸的形成，与可燃物的燃点、闪点密 切有关。切有关。 n燃点指可燃物受热发生自燃的最低温燃点指可燃物受热发生自燃的最低温 度。达到这一温度，可燃物质与空气度。达到这一温度，可燃物质与空气 接触，不需要明火作用，就能自行燃接触，不需要明火作

25、用，就能自行燃 烧。烧。 燃点越低，发生起火的危险性越燃点越低，发生起火的危险性越 大。如汽油的燃点为大。如汽油的燃点为220oC。 n闪点是易燃物或可燃液体挥发出的蒸闪点是易燃物或可燃液体挥发出的蒸 气与空气形成混合物后，遇火源发生气与空气形成混合物后，遇火源发生 燃烧的最低温度。如汽油闪点燃烧的最低温度。如汽油闪点39oC。 u 安装在危险区的电子仪表（传感器、执安装在危险区的电子仪表（传感器、执 行器或控制器），其表面温度必须受限，行器或控制器），其表面温度必须受限， 并避免产生火花。并避免产生火花。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表32 3.1.5 安全防爆安全防爆 n（三）防爆技术

26、（三）防爆技术 u为了确保电子设备在危险场所安全使用，发展了多为了确保电子设备在危险场所安全使用，发展了多 种防爆技术：种防爆技术： n隔爆型（隔爆型（d ） n本安型（本安型（ i ） n正压型（）正压型（） n油浸型（）油浸型（） n充砂型（）充砂型（） u各种防爆技术规范由国家标准强制规定，不同的防各种防爆技术规范由国家标准强制规定，不同的防 爆技术适用于不同的场合。爆技术适用于不同的场合。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表33 3.1.5 安全防爆安全防爆 n1、隔爆型（、隔爆型（d ） u把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭 在一

27、个外壳内；在一个外壳内； u其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙，其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙， 渗透到壳内的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏；渗透到壳内的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏； 并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的 爆炸性环境的点燃，从而达到隔爆目的。爆炸性环境的点燃，从而达到隔爆目的。 u适用于适用于1区和区和2区。区。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表34 3.1.5 安全防爆安全防爆 n2、本安型（、本安型（i ） u设备内部的所有电路在标准规定条件下，产设备内部的所有电路在标准规定条件下，产 生的任何电

28、火花或任何热效应均不能点燃规生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规 定的爆炸性气体。定的爆炸性气体。 u该防爆型式只能应用于弱电设备中（控制器、该防爆型式只能应用于弱电设备中（控制器、 传感器等）。适用于传感器等）。适用于0 0区、区、1 1区和区和2 2区。区。 u安装在安全区（如控制室内）的非防爆型仪安装在安全区（如控制室内）的非防爆型仪 表，需经防爆安全栅与安装在危险区的本安表，需经防爆安全栅与安装在危险区的本安 仪表联接。仪表联接。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表35 3.1.5 安全防爆安全防爆 n（四）防爆安全栅（四）防爆安全栅 u安全栅安装在安全场所，一方面传输信号，另一方面

29、安全栅安装在安全场所，一方面传输信号，另一方面 将流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合物的点将流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合物的点 火能量以下。火能量以下。 u发生故障时，安全栅能将串入到故障仪表的能量限制发生故障时，安全栅能将串入到故障仪表的能量限制 在安全值以内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。在安全值以内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。 防爆防爆 仪表仪表 非防爆非防爆 仪表仪表 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表36 3.1.5 安全防爆安全防爆 n（四）防爆安全栅（四）防爆安全栅 u分为齐纳式安全栅与隔离式安全栅两种。分为齐纳式安全栅与隔离式安全栅两种。 第第

30、3讲过程测量仪表讲过程测量仪表37 3.1.5 安全防爆安全防爆 n1、齐纳式安全栅、齐纳式安全栅 u基于齐纳二极管反向击穿特性原理。由限压电路、基于齐纳二极管反向击穿特性原理。由限压电路、 限流电路和熔断器三部分组成。限流电路和熔断器三部分组成。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表38 3.1.5 安全防爆安全防爆 n1、齐纳式安全栅、齐纳式安全栅 u优点：采用的器件非常少，体积小，价格便宜优点：采用的器件非常少，体积小，价格便宜; u缺点：齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必缺点：齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必 须小于须小于1；对供电电源电压要求高。；对供电电源电压要求高。 第第

31、3讲过程测量仪表讲过程测量仪表39 3.1.5 安全防爆安全防爆 n2、隔离式安全栅、隔离式安全栅 u变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供 电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离，电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离， 同时通过电子电路（限能器）限制进入危险场所的同时通过电子电路（限能器）限制进入危险场所的 能量。能量。 u变压器隔离式安全栅分为检测端安全栅（输入式安变压器隔离式安全栅分为检测端安全栅（输入式安 全栅）和操作端安全栅（输出式安全栅）两种。全栅）和操作端安全栅（输出式安全栅）两种。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表4

32、0 3.1.5 安全防爆安全防爆 n2、隔离式安全栅、隔离式安全栅 与齐纳式安全栅相比，具有如下突出优点：与齐纳式安全栅相比，具有如下突出优点： u隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均通过隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均通过 变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离。变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离。 u通用性强，可以在危险区或安全区认为合适的任何通用性强，可以在危险区或安全区认为合适的任何 一方接地；一方接地； u隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强信号的隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强信号的 抗干扰能力。抗干扰能力。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表41 进液

33、进液 出料量出料量 气动气动 执行器执行器 差压式差压式 液位变送器液位变送器 V 420 mA 15 V Q 出出 Q进 进 L P气 气 420 mA 420 mA V I I 操作端操作端 安全栅安全栅 I 显示显示 仪表仪表 危险场所危险场所: : 现场现场 非危险场所非危险场所: : 控制室控制室 P 液位液位 检测端检测端 安全栅安全栅 24V DC 24V DC 24V DC 控控 制制 器器 V30V DC I1000 ），而冷端在室温范围，），而冷端在室温范围， 可以忽略冷端的影响，即无需补偿。可以忽略冷端的影响，即无需补偿。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表52 1、热电

34、偶（、热电偶（Thermocouple） n热电偶冷端温度对被测温度的影响热电偶冷端温度对被测温度的影响 用分度号为用分度号为K K的镍铬的镍铬- -镍硅热电偶测量温度，镍硅热电偶测量温度， 在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示 值为值为500500，而这时冷端温度为，而这时冷端温度为6060。 试问：（试问：（1 1）实际温度应为多少？）实际温度应为多少？ （2 2）如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在）如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在 2020，此时显示仪表的指示值应为多少？，此时显示仪表的指示值应为多少？ 已知：已知： mVE6

35、4.20)60,500( mVE436. 2)0 ,60( mVE076.23)0 ,557( mVE798. 0)0 ,20( mVE278.22)0 ,538( 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表53 1、热电偶（、热电偶（Thermocouple） n热电偶冷端温度对被测温度的影响热电偶冷端温度对被测温度的影响 u显示仪表指示值为显示仪表指示值为500时，查表可得此时显示仪表时，查表可得此时显示仪表 的实际输入电势为的实际输入电势为20.64mV，即，即 u冷端温度为冷端温度为60产生的电势：产生的电势： u由由23.076mV查表可得：查表可得：t=557。即实际温度为。即实际温度为

36、557。 mVEtE O 436. 2)0 ,60()0 ,( mVttE O 64.20),( mVtEttEtE076.23436. 264.20)0 ,(),()0 ,( 00 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表54 1、热电偶（、热电偶（Thermocouple） n热电偶冷端温度对被测温度的影响热电偶冷端温度对被测温度的影响 u例例1： u当热端为当热端为557，冷端为，冷端为20时，由于时，由于E（20，0） =0.798mV,故有：故有： u查表可得显示仪表指示值应为查表可得显示仪表指示值应为538.4。 mVtEtEttE278.22798. 0076.23)0 ,()0 ,(

37、),( 00 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表55 1、热电偶（、热电偶（Thermocouple） n基本为定型生产，有标准化分度表。基本为定型生产，有标准化分度表。 n常用热电偶常用热电偶型号型号 u铂铑铂铑30-铂铑铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号 B）；测温范围）；测温范围300-1600。 u铂铑铂铑10-铂电偶（分度号铂电偶（分度号S）；测温范围）；测温范围0-1300。 u镍铬镍铬-镍硅（镍铬镍硅（镍铬-镍铝，分度号镍铝，分度号K）热电偶；测温）热电偶；测温 范围范围-50-1000。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表56 2、热电阻（、

38、热电阻（RTD） n在中、低温区，热电偶输出在中、低温区，热电偶输出 的热电动势很小；的热电动势很小； n而在中、低温区，用热电阻而在中、低温区，用热电阻 比用热电偶做为测温元件时比用热电偶做为测温元件时 的测量精确度更高；的测量精确度更高； n热电阻特点：性能稳定、测热电阻特点：性能稳定、测 量精度高，一般可在量精度高，一般可在-270 900范围内使用（推荐在范围内使用（推荐在 150以下时选用）。以下时选用）。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表57 2、热电阻（、热电阻（RTD） n工业热电阻的材料要求：工业热电阻的材料要求： u电阻随温度的变化呈线性关系；电阻随温度的变化呈线性关系；

39、 u电阻温度系数大；电阻温度系数大； u电阻率大；电阻率大； u热容量小；热容量小； u在测温范围内具有稳定的物理和化学性能。在测温范围内具有稳定的物理和化学性能。 n热电阻的材料主要有铂、铜等。热电阻的材料主要有铂、铜等。 )(1 00 ttRR t 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表58 2、热电阻（、热电阻（RTD） n不同热电阻特点及分度号不同热电阻特点及分度号 u铂在氧化介质或高温时，物理、化学性质稳定。分铂在氧化介质或高温时，物理、化学性质稳定。分 度号有度号有Pt100、Pt10。测温范围。测温范围-200-850。 u铜在铜在-50-150稳定性好，超过稳定性好，超过100易被

40、氧化。分易被氧化。分 度号有度号有Cu50、Cu100。测温范围。测温范围-50-150。 u镍在我国含量少，不常用。分度号有镍在我国含量少，不常用。分度号有Ni100、Ni300 和和Ni500。测温范围。测温范围-60-180。 u三种热电阻中，铂（特别是三种热电阻中，铂（特别是Pt100）使用最广）使用最广 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表59 3、半导体热敏电阻（、半导体热敏电阻（Thermistor） n包括正温度系数包括正温度系数PTC、 负温度系数负温度系数NTC和临界和临界 温度电阻温度电阻CTR 三类。三类。 n连续测温中主要采用负连续测温中主要采用负 温度系数温度系数NT

41、C；而；而PTC 和和CTR一般用于制作位一般用于制作位 式作用温度开关。式作用温度开关。 n热容量小，响应快；但热容量小，响应快；但 互换性差，热电特性非互换性差，热电特性非 线性大。测温范围线性大。测温范围-50- 300。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表60 （三）热电偶、热电阻的选型（三）热电偶、热电阻的选型 n根据工艺要求的测温范围和使用要求确定相应根据工艺要求的测温范围和使用要求确定相应 分度号的热电偶、热电阻。分度号的热电偶、热电阻。 n优先选择一体化热电偶或热电阻（优先选择一体化热电偶或热电阻（1501500 0C C）温）温 度变送器，直接输出标准信号。度变送器，直接输出

42、标准信号。 n根据环境条件选用不同型式的接线盒。潮湿或根据环境条件选用不同型式的接线盒。潮湿或 露天场所选用防溅式、防水式；易燃易爆场合露天场所选用防溅式、防水式；易燃易爆场合 注意防爆。注意防爆。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表61 （四）测温元件管道安装原则（四）测温元件管道安装原则 n测量流动介质（管道内）温度测量流动介质（管道内）温度 时，感温点应处于管道中流速时，感温点应处于管道中流速 最大的地方，应保证传感器与最大的地方，应保证传感器与 介质充分接触。介质充分接触。 n传感器与被测介质成逆流状态传感器与被测介质成逆流状态 （至少呈正交式），斜装或在（至少呈正交式），斜装或在 管

43、道弯头处安装。管道弯头处安装。 n当测温管道过细（直径小于当测温管道过细（直径小于80 ）时，安装测温元件需加装）时，安装测温元件需加装 扩充管。扩充管。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表62 3.2.2 压力检测压力检测 n（一）（一）压力的基本概念压力的基本概念 u过程控制中的压力即压强。过程控制中的压力即压强。 u压力的单位有帕（压力的单位有帕（Pa）、兆帕（）、兆帕（MPa）、巴（）、巴（barbar） 等。国内用户常用等。国内用户常用“公斤公斤”，应注意用户习惯。，应注意用户习惯。 Pa10807. 9bar9807. 01 1 9678. 0 4 公公斤斤 个个工工程程大大气气压

44、压个个标标准准大大气气压压 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表63 3.2.2 压力检测压力检测 n（一）（一）压力的基本概念压力的基本概念 u压力的表示方式有三种：压力的表示方式有三种： u绝对压力绝对压力PaPa，物体所承受的，物体所承受的 实际压力，其零点为绝对真实际压力，其零点为绝对真 空。空。 u表压力表压力P P，指高于大气压力指高于大气压力 时的绝对压力与大气压力之时的绝对压力与大气压力之 差。差。 u真空度（负压）真空度（负压） PhPh，大气大气 压力与低于大气压力时的绝压力与低于大气压力时的绝 对压力之差。对压力之差。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表64 3.2.2 压

45、力检测压力检测 n（二）常用压力检测方法（二）常用压力检测方法 u1. 应变片式压力检测应变片式压力检测 u2.2.扩散硅压力传感器，使用最广。扩散硅压力传感器，使用最广。 u3.3.电容式差压电容式差压变送器变送器 u其他方法：弹性式、液柱式等，多用于就地其他方法：弹性式、液柱式等，多用于就地 指示，不便远传。指示，不便远传。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表65 3.2.2 压力检测压力检测 n1、应变片式压力检测、应变片式压力检测 u基于应变片（电阻体）受力变形，阻值发生变化的基于应变片（电阻体）受力变形，阻值发生变化的 原理。原理。 u测量范围宽，可达数百测量范围宽，可达数百MPa，

46、多用于固体压力测量。，多用于固体压力测量。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表66 3.2.2 压力检测压力检测 n2、扩散硅式压力传感器扩散硅式压力传感器 u在半导体材料的基片上在半导体材料的基片上 （硅片或锗片）利用集成（硅片或锗片）利用集成 电路工艺制成扩散电阻，电路工艺制成扩散电阻， 受外力作用时，扩散电阻受外力作用时，扩散电阻 的电阻率变化而导致阻值的电阻率变化而导致阻值 改变。改变。 u主要优点：体积小，结构主要优点：体积小，结构 简单，良好的动态响应，简单，良好的动态响应， 易集成，价格便宜。易集成，价格便宜。 u应用广泛，约占液体、气应用广泛，约占液体、气 体压力检测的体压力检

47、测的80%以上。以上。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表67 3.2.2 压力检测压力检测 n3、电容式差压、电容式差压变送器变送器 u电容式电容式差压变送器采差压变送器采 用差动用差动电容作为检测电容作为检测 元件元件 u由测量部件、转换电由测量部件、转换电 路、放大电路三部分路、放大电路三部分 组成组成 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表68 3、电容式差压、电容式差压变送器变送器 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表69 3、电容式差压、电容式差压变送器变送器 感压 膜片 电容-电流 转换器 Pi Ci2-Ci1 cc IiIi 放大和输出 限制电路 反馈电路 - If 调零、迁移 电路

48、 I I0I0 (I2-I1) 0 0100 kPa100 kPa 4 420 mA20 mA 差动 电容 S 测量部件测量部件转换电路转换电路 放大电路放大电路 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表70 3.2.2 压力检测压力检测 n（三）（三）压力传感器的安装压力传感器的安装 u测点要选在前后有足够长的直管段上。测点要选在前后有足够长的直管段上。 u取压管端面与管道连接处的内壁应平齐，不应有凸出取压管端面与管道连接处的内壁应平齐，不应有凸出 物或毛刺。物或毛刺。 u引压导管不宜过长，一般不大于引压导管不宜过长，一般不大于50m；引压导管不宜引压导管不宜 过细，一般采用内径为过细，一般采用内

49、径为1015mm的无缝钢管。的无缝钢管。 u测点与压力传感器之间测点与压力传感器之间 应加装闸阀，以备检修应加装闸阀，以备检修 压力传感器时使用，且压力传感器时使用，且 应尽量靠近测点一侧。应尽量靠近测点一侧。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表71 3.2.2 压力检测压力检测 n（三）（三）压力传感器的安装压力传感器的安装 u在测量蒸汽压力时，应加在测量蒸汽压力时，应加 装凝汽管，以防止高温蒸装凝汽管，以防止高温蒸 汽与测压元件直接接触；汽与测压元件直接接触； u对于有腐蚀性的介质，应对于有腐蚀性的介质，应 加装充有中性介质的隔离加装充有中性介质的隔离 罐。罐。 u针对被测介质的不同性质针

50、对被测介质的不同性质 （脏污、结晶、粘稠等），（脏污、结晶、粘稠等）， 应采取相应的防堵等措施，应采取相应的防堵等措施， 并注意日常维护。并注意日常维护。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表72 3.2.3 流量检测流量检测 n（一）流量的基本概念（一）流量的基本概念 u单位时间内流过管道横截面的单位时间内流过管道横截面的 流体数量，称为瞬时流量。流体数量，称为瞬时流量。 n当流体的数量以体积表示时，当流体的数量以体积表示时， 称体积流量。过程控制中使称体积流量。过程控制中使 用很多。用很多。 n当流体的数量以质量表示时，当流体的数量以质量表示时， 称质量流量。称质量流量。 u在某一段时间内流

51、过管道横截在某一段时间内流过管道横截 面的流体总和称为总（流）量面的流体总和称为总（流）量 或累积流量。一般只用于计量或累积流量。一般只用于计量 考核，不参于过程控制。考核，不参于过程控制。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表73 3.2.3 流量检测流量检测 n（二）流量的测量方式（二）流量的测量方式 u1、节流式（差压式）流量计、节流式（差压式）流量计 u2、电磁流量计、电磁流量计 u3 3、旋涡（涡街）流量计、旋涡（涡街）流量计 u4 4、其他流量计、其他流量计 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表74 3.2.3 流量检测流量检测 n1、差压式流量计、差压式流量计 u基于节流变压降原理，

52、由节流件、导压管及差压检基于节流变压降原理，由节流件、导压管及差压检 测仪表组成。测仪表组成。 u最常用的节流件：孔板、喷嘴及文丘利管。最常用的节流件：孔板、喷嘴及文丘利管。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表75 3.2.3 流量检测流量检测 n1、差压式流量计、差压式流量计 u孔板孔板 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表76 3.2.3 流量检测流量检测 n1、差压式流量计、差压式流量计 u喷嘴喷嘴 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表77 3.2.3 流量检测流量检测 n1、差压式流量计、差压式流量计 u文丘利管文丘利管 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表78 1、差压式流量计、差压式流量

53、计 n（1 1）流量测量原理）流量测量原理 u流量与流体流过节流件前流量与流体流过节流件前 后产生压差的平方根成正后产生压差的平方根成正 比例关系比例关系 其中：其中： 为流量系数；为流量系数； 为为 可膨胀性系数；可膨胀性系数； 为节流为节流 件的开孔面积；件的开孔面积； 为流体为流体 密度；密度； 为节流装置前后为节流装置前后 的压差。的压差。 pAq v 2 0 0 A p 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表79 1、差压式流量计、差压式流量计 n（2 2）差压流量计节流件的安装）差压流量计节流件的安装 u务必使节流装置前后保持足够的直管段，使被测介务必使节流装置前后保持足够的直管段，使

54、被测介 质在节流前后保持稳定的流动状态；质在节流前后保持稳定的流动状态； u在节流装置附近不允许安装测温元件或开取样口；在节流装置附近不允许安装测温元件或开取样口； u节流件的开孔与管道的轴线应同心，节流件的端面节流件的开孔与管道的轴线应同心，节流件的端面 与管道的轴线垂直；与管道的轴线垂直； u管道内流体必须充满管道且为单向流动，注意节流管道内流体必须充满管道且为单向流动，注意节流 件的安装方向；件的安装方向； u流体不能含有颗粒、纤维等杂质。流体不能含有颗粒、纤维等杂质。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表80 1、差压式流量计、差压式流量计 n（3 3）差压流量计使用注意）差压流量计使用

55、注意 u开启表时：开启表时： 应打开平衡阀应打开平衡阀2，再开高低，再开高低 截止阀截止阀1、3， 当阀当阀1、3全全 开后，再关阀开后，再关阀2。 u停表时：停表时： 应先打开平衡阀应先打开平衡阀2，再关闭，再关闭 阀阀1、3。 1 3 2 P1P2 Pi P1P2 平衡阀 截止阀 截止阀 I0 Q 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表81 2、电磁流量计电磁流量计 n（1）电磁流量计原理电磁流量计原理 u根据法拉第电磁感应定根据法拉第电磁感应定 律制成，用来测量管道律制成，用来测量管道 中导电性液体体积流量。中导电性液体体积流量。 u电磁流量计的感应电势电磁流量计的感应电势 与流量成线性关系

56、：与流量成线性关系： KQQ D Bk e 4 v D Q 4 2 kBDve 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表82 2、电磁流量计电磁流量计 n（2）电磁流量计特点电磁流量计特点 u测量管道内无节流部件，管道无压损；测量管道内无节流部件，管道无压损； u不堵塞，可测带颗粒、纤维等杂质的导电流体；不堵塞，可测带颗粒、纤维等杂质的导电流体； u维护方便，寿命长；维护方便，寿命长； u没有测量滞后现象。没有测量滞后现象。 u不受流体的温度、不受流体的温度、 压力、密度和粘度压力、密度和粘度 的影响。的影响。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表83 2、电磁流量计电磁流量计 n（3）电磁流量计的安

57、装要求电磁流量计的安装要求 u必须保证被测液体完全充满测必须保证被测液体完全充满测 量导管：量导管： n在水平安装时，应低于管道；在水平安装时，应低于管道； n垂直安装时，液体流动方向垂直安装时，液体流动方向 应从下往上。应从下往上。 u一般要求在变送器前后有长度一般要求在变送器前后有长度 为为3 35 5倍管道直径的直管段；倍管道直径的直管段； u要求安装地点远离强磁场。要求安装地点远离强磁场。 第第3讲过程测量仪表讲过程测量仪表84 3、旋涡（涡街）流量计旋涡（涡街）流量计 n（1）旋涡（涡街）流量计旋涡（涡街）流量计 利用流体自然振荡的原理：利用流体自然振荡的原理： u当流体以足够大的流速流过垂当流体以足够大的流速流过垂 直于流体流向几何尺寸适当的直于流体流向几何尺寸适当的 物体时，则在物体的后面，沿物体时，则在物体的