仪表自动化-第三章检测仪表与传感器1

1、控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值简单控制系统构成回顾：简单控制系统构成回顾：简单控制系统的方块图简单控制系统的方块图 本章主要内容：本章主要内容：3.1 概述概述3.2 压力检测压力检测3.3 流量检测流量检测3.4 物位检测物位检测3.5 温度检测温度检测3.6 成分分析成分分析3.1 3.1 概概 述述3.1.0 检测变送的重要性检测变送的重要性3.1.1 测量误差测量误差3.1.2 仪表性能指标仪表性能指标3.1.3 过程参数的一般测量原理过程参数的一般测量原理 在过程自动化中要通过

2、检测元件获取生产工艺变在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见变量是量，最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参温度、压力、流量、物位（四大参数）数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、位移、电压、电流、电阻、频率、气压气压等。等。 3.1.0 3.1.0 检测变送的重要性检测变送的重要性 由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号

3、较弱不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理，察觉，一般都需要将其经过变送器处理，转换成标准统一转换成标准统一的电气信号（如的电气信号（如4 42020mA mA 或或 0 01010mAmA直流电流信号直流电流信号 ,20 ,20100100KPaKPa气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量，气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。或同时送往控制器对被控变量进行控制。有时将检测元件、有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表变送器及显示装置统称为检测仪表, , 或者将检测元件称为或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。一次仪表

4、，将变送器和显示装置称为二次仪表。检测检测实施正确控制的第一步实施正确控制的第一步变送变送将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一统一(标准标准)的电气信号的电气信号。 静态：静态：正确正确y(t)正确反映正确反映c(t)的值的值 可靠可靠长期工作长期工作动态：动态：迅速迅速y(t)迅速反映迅速反映c(t)的变化的变化过程控制对检测仪表要求：过程控制对检测仪表要求：被测变量传感器参数检测的基本过程被测对象变送器显示装置itxx 0ixx 0ixx 1100%tx20100%x3maxmin100%xxmaxmaxmin100%xx最大绝对误差量程1.

5、51.0被测变量仪表输出理论实际maxmax100f测量范围上限测量范围下限被测变量仪表输出下行程上行程maxmax100测量范围上限测量范围下限变差dSCdt0tAB001()ttRRttlRA检测系统的构成被测参数敏感元件信号变换信号传输信号测量显示记录控制+-A/DPLCpa绝对压力零线pphpa大气压p01.01325105Pa0appp0happpp1 p2p1 p2h(a)(b)21pppgh 测量原理： P=G/S 所以 G=PS 精确度高 常用作标准仪表，检验其它压力计xpxpxpxpxpxxxxx 平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管222220)1 (1abbhR

6、EP0P1弹簧管 2拉杆 3扇形齿轮4中心齿轮 5指针 6面板7游丝 8调节螺钉 9接头图3-18 弹簧管压力表工作原理：力矩平衡工作原理：力矩平衡 检测元件检测元件膜盒或膜片膜盒或膜片 杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构 膜盒式差压变送器构成膜盒式差压变送器构成 检测检测部分部分: P 输入力输入力Fi 杠杆系统杠杆系统: 力的传递和力矩比较，生成位移信号力的传递和力矩比较，生成位移信号 位移检测放大器位移检测放大器: 位移位移 输出输出Io电磁反馈装置电磁反馈装置: : 输出输出反馈力反馈力Ff1.变送器的输出电流变送器的输出电流I0和输入信号和输入信

7、号P之间呈线性关系之间呈线性关系 2.调整调零弹簧可以使变送器输出电流调整调零弹簧可以使变送器输出电流I0在输入信号范围下限时在输入信号范围下限时为为4mA 。 3.改变改变tg或或Kf可以调整变送器的量程可以调整变送器的量程 4.零点和量程要反复调整零点和量程要反复调整 zffzffdFKllPKlllltgAI2310Io mAPminPmax420P电容式电容式差压变送器采用差动差压变送器采用差动电容作为检测元件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：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pCIiIfIzIoP

8、=0 Ci1=Ci2=15pF P0 Ci1的电容量减小的电容量减小 Ci2的电容量增大的电容量增大 差动差动电容测量原理电容测量原理电容式压力变送器，目前电容式压力变送器，目前在工业生产中应在工业生产中应用非常广泛用非常广泛，其输出信号也是标准，其输出信号也是标准4 20mADC电流信号。电流信号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。为电容量的变化，然后进行测量的。电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个电容式差压变送器的原理图可见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

9、央动极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，在板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油测量膜片两侧的空腔中充满硅油。电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因此不易损坏，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级级。 r1r

10、2123P(a)传感器1外壳 2弹性筒 3膜片UiEr1r2R3R4AB(b)测量电桥313412() U0 RrUERRrr ，不受压时0122011212010201201() 24224rrrrrrrrrUEEEPrrrrrrrr 霍尔压力变送器（霍尔压力变送器（YSHYSH型）型）ZYX压力变化压力变化位移变化位移变化霍尔电势霍尔电势VHVH变化。变化。Z Z方向，有恒定的非均匀的磁场方向，有恒定的非均匀的磁场B BY Y方向，有恒定的电流方向，有恒定的电流I I通过通过由于受电磁力的作用，电子运动的轨迹发由于受电磁力的作用，电子运动的轨迹发生偏移，造成霍尔片的一个端面电子积累，另生偏

11、移，造成霍尔片的一个端面电子积累，另一端面正电荷过剩，这样在一端面正电荷过剩，这样在X X方向上形成一个方向上形成一个电位差（电位差（VHVH），这一电位差称为霍尔电势。这一），这一电位差称为霍尔电势。这一物理现象称为物理现象称为“霍尔效应霍尔效应”。VH=KHVH=KHIB/dIB/df(L/b)=RHf(L/b)=RHBIBIVHVH与与B B、I I均有关均有关VH:VH:霍尔电势，霍尔电势，d:d:霍尔片的厚度，霍尔片的厚度，b:b:霍尔片的电流通入端宽度霍尔片的电流通入端宽度L L：霍尔片的电势导出端的长度，：霍尔片的电势导出端的长度，f(L/b)f(L/b)：霍尔片的形状系数：霍尔

12、片的形状系数RHRH：霍尔常数，：霍尔常数，RH=KH/dRH=KH/df(L/b)f(L/b)，单位：，单位：mV/mA(mV/mA(千高斯千高斯) )I I：3-20mA3-20mAB:B:几千高斯几千高斯VHVH：几十：几十mVmV导体的霍尔效应比半导体小得多，因而霍尔片用半导体做比较多。导体的霍尔效应比半导体小得多，因而霍尔片用半导体做比较多。霍尔片与弹簧管自由端连在一起，压力变化，弹簧管自由端产生位移，霍尔片在非均匀霍尔片与弹簧管自由端连在一起，压力变化，弹簧管自由端产生位移，霍尔片在非均匀磁场中的位置改变（相当于磁场中的位置改变（相当于B B会改变），进而会改变），进而VHVH改变

13、。这样就实现了把压力转变成位移再转改变。这样就实现了把压力转变成位移再转变成变成VHVH的变化。的变化。ZYX气动压力变送器的主要元件：气阻（可变、固定）、气容（可变、固定）。它们气动压力变送器的主要元件：气阻（可变、固定）、气容（可变、固定）。它们组合在一起，可形成比例气路、积分气路、微分气路。组合在一起，可形成比例气路、积分气路、微分气路。P3R2P2R1P1比例：比例：若若P3=0P3=0（大气压），则：（大气压），则：P2P2=P1=P1R2/R2/（R1+R2R1+R2）+P3+P3R1/R1/（R1+R2R1+R2）=P1=P1R2/R2/（R1+R2R1+R2）=Kp=KpP1P

14、1CP2RP1积分：积分：M=（P1-P2P1-P2）/R/R，M=C=CdP2/dtdP2/dtRCRCdP2/dt+P2=P1dP2/dt+P2=P1令令T=RCT=RC则：则：T TdP2/dt+P2=P1dP2/dt+P2=P1所以：所以：P2=P1P2=P1（1-e1-e-t/T-t/T）P2_+CRP1微分：微分：P2=P1-P1/P2=P1-P1/（RCS+1RCS+1） 因因电阻率变化引起阻值变化电阻率变化引起阻值变化称为称为压阻效应压阻效应。半导体材料的压阻效应比较明显。半导体材料的压阻效应比较明显。用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后用

15、作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。 p2p1硅杯图3-30 压阻式传感器示意图正压侧隔离膜片引出线负压侧隔离膜片硅油把被测差压把被测差压P成比例地转换为不平衡电压成比例地转换为不平衡电压US 1.负压室负压室 2.正压室正压室 3.硅杯硅杯4.引线引线 5.硅片硅片Ri1Ri2Ri

16、3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4IS不受压时：不受压时：Ri1Ri2Ri3Ri4RRi1Ri2Ri3Ri4IS受压时：受压时：Ri1Ri4r1Ri2Ri3r224()2iiSSRRIU21()2Srr I受压时，流经受压时，流经2桥臂的电流始终相等桥臂的电流始终相等P1K P结论：结论：压阻式压力传感器的主要压阻式压力传感器的主要优点优点是体积小，结构简单，是体积小，结构简单，其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。其核心部分就是一个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变化。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变化。此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高此外，压阻式压力传感器还具有良好的动态响应，迟滞小，可用来测量几千赫兹乃至更高的脉动压力。的脉动压力。因此，这是一种发展比较迅速，应用十分广泛的一类