化工仪表-第三章-测量元件与变换器!!

1、第三章 检测仪表与传感器,一、基本要求 1.掌握仪表精度的意义与测量误差的关系。 2.了解仪表的性能指标。 3.初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法。 4.了解各种流量计的测量原理。重点是差压式流量计及转子流量计。 5.了解各种物位测量方法。初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。,6.掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理。熟悉热电偶温度测量中的冷端温度补偿的作用及方法。 7.了解电动温度变送器的作用及原理。,1. 参数检测 2. 非电量的电测法 3. 准确度 4. 绝对误差 5. 实际相对误差 6. 示值相对误差 7. 引用相对误差 8. 允许误差 9. 指示变差,1

2、0. 精密度 11. 仪表精度等级 12. 精确度 13. 灵敏度 14. 灵敏限 15. 分辨率 16. 线性度 17. 反应时间,二、常用术语,第三章 测量元件与传感器3.1 概 述,一、参数的测量 参数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示和传递的信号的过程。 根据信号的不同，参数检测仪表可以分为：气动检测仪表和电动检测仪表两类。 非电量的电测法： 将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。,二、检测仪表的性能,1. 准确度与误差 准确度：测量值与被测量真值的接近程度； 绝对误差：测量值与被测量真值之差； 相对误差：绝

3、对误差与被测量真值之比； 实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比； 示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比； 引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。 允许误差：最大引用相对误差。,2.指示变差与精密度 变差：外界条件不变，同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正、反行程测量时，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。 变差最大绝对差值/（测量上限值测量下限值） 精确度（简称精度）：仪表精密而准确的程度，表征仪表检测微小参数变化的能力。 仪表精度等级：用允许误差的绝对值表示： 常用仪表等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.

4、5，4.0，5.0等。,3. 灵敏度、灵敏限与分辨力 灵敏度：仪表的指示位移变化量与被测参数变化量之比。 灵敏限：能引起仪表指针发生位移变化的被测参数的最小变化量。 灵敏限的大小应小余仪表允许绝对误差的一半. 分辨力：测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。,二、检测仪表的性能,4. 线性度与反应时间 线性度：表征线性刻度仪表的输入量与输出量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。 f (f /仪器量程)100 反应时间：显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。,三、检测系统的构成,+,-,A/D,PLC,控制,3.2 压力的测量与变送一、压力的表示与单位,压力的表示： 绝对压力

5、单位面积所受到的力 相对压力（表压） 绝对压力与大气压之差 真空度 大气压与绝对压力之差,绝对压力,绝对压力,真空度,表压,标准大气压,压力（压强）的单位,压强（俗称压力）：单位面积所受到的垂直作用力。 工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。,二、压力计的分类与工作原理,工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类： 液柱式压力计 活塞式压力计 弹性式压力计 电气式压力计,1. 液柱式压力计,测量原理：P=h 所以 h=P/ ,2. 活塞式压力计,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,3、弹性式压力计与常用压力表,工作原理：采用弹性元件将压强

6、大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。 根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类： 弹簧管式压力计：工作原理图 薄膜式压力计 波纹管式压力计,4、电气式压力计与信号转换,电气式压力计，实际上是将弹性元件、液柱式压力计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计。 电气式压力计通常两部分组成： 一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参数； 二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。,(一) 电气式压力计一次探头,常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。 常见压力变换器（压力探头）有： 霍尔片式压力变换器 应变式压力变换器； 压电电阻式压力变换器； 电感式压力

7、变换器； 电容式压力变换器,霍尔式压力计一次探头,霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压：UH=RHBI,N,S,电阻应变式压力计一次探头,电线的电阻为：R=L/S 当电线受到拉（应）力作用时，L变大，S变小，R变大。 当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数。,电感式压力计一次探头,磁路的磁阻与铁芯的间隙相关。 所以，当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电感也随之发生变化。从而，可以将位移量转化为电感量。,电容式压力计一次探头,电容器的电容量：C=S/d 当S或d发生变化时，电容

8、量发生变化。,电气压力计前置放大器,传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能进行远距离传送，需要进行初步放大。 电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压方式输出； 电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率方式输出； 电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方式输出。,电气压力计前置放大器,(二) 电气压力计二次仪表,作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。 DDZ 型仪表标准通讯信号为：420mA。 智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能，如：模/数转换与数据通讯，工程单位转换，信号（变化）阻尼，故障诊断等。,三、压力计的选型,选型内容： 1、类型选择 功能：显示、报警、记录、传送（数字

9、、模拟） 介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；如：氨气表防腐，氧气表禁油。 环境条件：温度、震动、电磁场等。 2、量程与盘面大小； 工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。 盘面大小应方便安装和观察。 3、精度等级：根据工艺需要确定。,四、压力计的安装,安装事项： 取压位置：由工艺条件确定； 尽量避免涡流影响； 避免流速影响； 避免导压管产生压差。 隔离： 温度隔离：采用铜管散热； 腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）； 脏污隔离：采用空气包。,常见压力传感器外形,工业压力变送器,数字压力变送器,通用压力变送器,隔离压力变送器,高温压力变送器,隔离压差变送器,常见压力传感器外形

10、,隔膜压力变送器,隔离液位变送器,微压变送器,电容压力变送器,绝压变送器,双膜压差变送器,常见压力传感器外形,微型探针压力计,OEM压力芯片,OEM血压计,本安压力变送器,湿式压力变送器,暖风空调压力计,3.3 流量的测量与变送,按测量途径分类： 速度式流量计 通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。 容积式流量计 采用固定溶积空间逐次衡量过流容积。 质量流量计 - 计量可压缩流体的质量通过量。 电磁式流量计 - 测量导电介质的流量。 声、光、热学流量计 -超声波、激光、X射线、核磁共振,流量测量方法与流量仪表的分类,1. 流量测量方法 (1)利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号来反映流量

11、的差压式流量测量法； (2)通过直接测量流体流速来得出流量的速度式流量测量法； (3)利用标准小容积来连续测量流量的容积式测量； (4)以测量流体质量流量为目的的质量流量测量法。,2. 流量仪表的分类,速度式流量计：通过测量过流速度，用过流面积换算成流量 容积式流量计：采用固定容积逐次衡量过流容积 质量流量计：计量可压缩流体的质量通过量。,一、速度式流量计,根据测速方法可以分为以下几类： 压差流量计 转子流量计 电磁流量计 超声波流量计 涡轮流量计 堰式流量计,1. 压差流量计,组成：节流装置 + 压差计 测量原理：由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后，会产生一定的压降。根据流速和压降的

12、关系可以推导出下列方程： 通过测量孔板前 后压差即可计算 出流速和流量。,p2,流体流经节流件时 压力和流速变化情况,=,测量原理及流量方程,截面1和2上流体的静压力；,截面1和2上流束直径；,截面1和2上流体的平均流速；,、,截面1和2上流体的密度,、,求出：,体积流量,质量流量,对于可压缩流体，考虑到节流过程中流体密度的变化而引入流束膨胀系数 进行修正采用节流件前的流体密度 ，由此流量公式可更一般的表示为：,流体必须是牛顿流体，在物理学和热力学上 是均匀的、单相的，或者可认为是单相的流体 。 b. 流体必须充满管道和节流装置且连续流动，流经节流件前流动应达到充分紊流，流束平行于管道轴线且无

13、旋转，流经节流件时不发生相变。 c. 流动是稳定的或随时间缓变的。,（2）节流装置 标准节流装置的适用条件,1-节流元件 2-引压管路 3-三阀组 4-差压计,节流式流量计组成, 标准节流元件的结构形式,a. 标准孔板,标准孔板是一块具有与管道同心圆形开孔的圆板，迎流一侧是有锐利直角入口边缘的圆筒形孔，顺流的出口呈扩散的锥形。 结构简单，加工方便，价格便宜。 压力损失较大，测量精度较低，只适用于洁净流体介质，测量大管径高温高压介质时，孔板易变形。,标准孔板,b. 标准喷嘴,标准喷嘴是一种以管道轴线为中心线的旋转对 称体，主要由入口圆弧收缩部分与出口圆筒形喉部组成，有ISAl932喷嘴和长径喷嘴

14、两种型式。,ISA1932喷嘴,长径喷嘴,c. 文丘里管 有两种标准型式：经典文丘里管与文丘里喷嘴。 文丘里管压力损失最低，有较高的测量精度，对流体中的悬浮物不敏感，可用于污脏流体介质的流量测量，在大管径流量测量方面应用的较多。但尺寸大、笨重，加工困难，成本高，一般用在有特殊要求的场合。,节流装置的取压方式 根据节流装置取压口位置，取压方式可分为：理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压等五种。,节流装置的取压方式,角接取压装置,法兰取压装置,目前广泛采用的是角接取压法，其次是法兰取压法。角接取压法比较简便，容易实现环室取压，测量精度较高。法兰取压法结构较简单，容易装配，计算也方便，但

15、精度较角接取压法低些。,（3）差压计 差压计与节流装置配套组成节流式流量计。 差压计经导压管与节流装置连接，接受被测流体流过节流装置时所产生的差压信号，并根据生产的要求，以不同信号形式把差压信号传递给显示仪表，从而实现对流量参数的显示、记录和自动控制。 差压计的种类很多，凡可测量差压的仪表均可作为节流式流量计中的差压计使用。 目前工业生产中大多数采用差压变送器。它们可将测得的差压信号转换为0.02-0.1 MPa的气压信号和4-20mA的直流电流信号。,（4）差压式流量计的测量误差,被测流体工作状态变动 节流装置安装不正确 孔板入口边缘的磨损 导压管安装不准确 压差计安装或使用不正确,2. 转

16、子流量计（浮子流量计）,垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡。 压差与流速有关； 流速取决于转子的位置。 由转子高度可直接读取通过的流量； 测量转子位置可进一步获得相应的电气信号。,转子流量计结构,玻璃管转子流量计 主要由玻璃锥形管、转子和支撑结构组成。转子根据不同的测量范围及不同介质(气体或液体)可分别采用不同材料制成不同形状。流量示值刻在锥形管上 .,金属管转子流量计 金属管转子流量计的锥形管采用金属材料制成，其流量检测原理与玻璃管转子流量计相同。金属管转子流量计有就地指示型和电气信号远传型两种.,转子流量计的刻度换算 转子流量计是一种非通用性仪表，出厂时其刻度需单独标定。

17、仪表厂在工业标准状态下，以空气标定测量气体流量的仪表；以水标定测量液体流量的仪表。若被测介质不是水或空气，则流量计的指示值与实际流量值之间存在差别，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行刻度修正。,液体介质,气体介质,电远传式转子流量计工作原理,3. 电磁流量计,当流道两侧有磁场作用时，导电流体在流动过程中切割磁力线，产生感应电动势： Ex=BDv 10-12 所以有： Q=K Ex,EX1,EX2,电磁流量计由两部分组成： 电磁流量变换器 - 由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。 二次仪表 - 作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱电势信号进行放大，并输出相

18、应的电流信号。 - 组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率放大、霍尔反馈（克服电源波动）、电源等。,3. 电磁流量计 (1)测量原理和结构 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，测量原理如图所示。 当被测导电流体在磁场中沿垂直于磁力线方向流动而切割磁力线时，在对称安装在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，此电势与流速成正比。,流体流量方程为：,B为磁感应强度 D 管道内径 u流体平均流速 E感应电势,(2)电磁流量计的特点及应用 优点：压力损失小，适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；可以用来测量腐蚀性介质的流量；流量测量范围大；流量计的管径小到1mm，大到2m以上；测量精度为

19、0.5-1.5级；电磁流量计的输出与流量呈线性关系；反应迅速，可以测量脉动流量。 缺点：被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；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。,4. 超声波流量计,多普勒效应：当一束波射向移动的物质并产生散射时，其散射波的频率会产生变化（频移），且频率变化量与物质的运动速度成正比。 超声波流量计的特点： 非接触式测量； 流体中需要有散射粒子：微泡或颗粒。,二、容积式流量计,容积式流量计主要包括两类： 齿轮式流量计 一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间，齿轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过量

20、与齿轮转数成正比。 活塞式流量计 利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。 计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输送流体 最大特点是：对被测流体的粘度不敏感，常用于测量重油等粘稠流体。,椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计工作原理：,2. 腰轮流量计 腰轮流量计又称罗茨流量计，其工作原理与椭圆齿轮流量计相同，结构也很相似，只是转子的形状略有不同。腰轮流量计的转子是一对不带齿的腰形轮，在转动过程中两腰轮不直接接触而保持微小的间隙，依靠套在壳体外的与腰轮同轴上的啮合齿轮来完成驱动。,腰轮流量计,3. 伺服式容积流量计 在流量计工作时，腰轮由伺服电机通过传动齿轮带动，伺服电机转动的快慢，随流体入出口压力

21、差的大小而改变。 导压管将入出口压力引至差压变送器以测量入出口压差的变化，当入出口压差大于零时，差压变送器输出信号经放大后驱动伺服电机带动腰轮加快旋转，使流量计排出较大流量的流体，从而使压差趋近于零。这种近于无压差的流量计，使泄漏量减小到最低限度，因而可以实现小流量的高精度测量，而且测量误差几乎不受流体压力、粘度和密度的影响。,伺服式腰轮流量计工作原理,三、质量流量计,间接式质量流量计 分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量。 直接式质量流量计 利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差 质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体。,间接式质量流量计 一般是采用体积流

22、量计和密度计或两个不同类型的体积流量计组合，实现质量流量的测量。常见的组合方式主要有3种。 差压式流量计与密度计的组合,体积流量,质量流量, 体积流量计与密度计的组合, 差压流量计与体积流量计的组合,2. 直接式质量流量计 直接式质量流量计的输出信号直接反映质量流量，有许多种型式。 热式质量流量计,根据传热规律,两点温度差,流体的定压比热,(2)科里奥利质量流量计 简称科氏力流量计,是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。科氏力流量计结构有多种形式，一般由振动管与转换器组成。,科氏力流量计测量原理,3. 流量仪表的主要技术参数,(1)流量范

23、围 指流量计可测的最大流量与最小流量的范围。 (2)量程和量程比 流量范围内最大流量与最小流量值之差称为流量计的量程。最大流量与最小流量的比值称为量程比，亦称流量计的范围度。 (3)允许误差和精度等级 流量仪表在规定的正常工作条件下允许的最大误差，称为该流量仪表的允许误差，一般用最大相对误差和引用误差来表示。,流量仪表的精度等级是根据允许误差的大小来划分的，其精度等级有：0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。,(4)压力损失 压力损失的大小是流量仪表选型的一个重要技术指标。压力损失小，流体能消耗小，输运流体的动力要求小，测量成本低。反之则能耗大，经济效益相应降低

24、。故希望流量计的压力损失愈小愈好。,3.4 物位的测量与变送,物位： 液位：容器中液体表面的高低； 料位：容器中固体的堆积高度； 界面：两种密度不同的介质的分界面。,物位计的分类,直读式物位计 浮力式物位计 压差式物位计 电磁式物位计 核辐射式物位计 超声波物位计 光电式物位计,一、直读式物位计,用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以直接显示容器内液位的高低。,二、浮力式物位计,利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化的原理工作。,三、差压式物位计,1、工作原理：利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成正比的关系进行测量。,液体密闭容器,液体敞开容器,固体称重仓,

25、2、零点迁移问题,无迁移：一般情况下， P = Hg 实际应用中，变送器的正、负压室与取压点之间分别安装有隔离罐。即发生了迁移：（如图3-41所示） P = H1g (h2 h1)2g 则： H=0时， P = (h2 h1)2g 对比无迁移情况，相当于负压室多了一项压力： (h2 h1)2g 。仪表零点发生负迁移，量程不变。 解决方法： 调节仪表安装迁移弹簧。,四、电容式物位计,圆柱形电容器的电容量表达式为： 电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为： 由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。测量电容量变化即可知料位的变化。,四、电容式物位计,电容式液位计,电容（绳）式料位计,主要用于

26、测量不导电流体,五、电极式物位计,利用物料的导电性能测量高低液位。 也可以用于导电性较弱的液体和潮湿固体。,六、核辐射式物位计,放射线通过介质时，其强度衰减与物质的吸收系数和介质层厚度有关： 目前，工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种。,七、超声波物位计,利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。 注意事项： 确保反射波能回到探头； 防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）。,3.4 温度的测量与变送,温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。 所有的过程都是在一定的温度条件下进行的； 温度决定一些反应能否

27、进行和反应方向； 温度决定一些反应的进程程度； 温度显示反应的能量变化。 温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，敏感元件的某一物理量随温度变化而进行测量的。,温度测量的基本原理,测量温度时感受温度的元件叫感温元件。 感温元件是利用物体不同物理性质来反映温度的，常用的物理性质有以下几个方面： 利用物体受热体积膨胀的性质来测温； 利用工作物质的压力随温度变化的原理测温； 利用金属导体的电阻随温度变化而变化的性质 ； 利用热电现象 ； 利用热辐射原理测温。,常用温度计的种类及适用温度,一、膨胀式温度计,玻璃液体温度计 利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度 双金属温度计

28、 不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度,二、压力式温度计,测温原理：封闭系统中的液体、气体或饱和蒸汽，受热后体积膨胀或压力变化的原理。 温包：传热、容纳膨胀介质 毛细管：传递压力 弹簧管：显示压力（温度）,三、辐射式温度计,通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。 辐射式温度计：测定热辐射强度； 光学温度计：采用光学分频法，测定不同频率光波的强度比值； 比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。 辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。,取两根不同材料的金属导线A和B，将其两端焊接在一起，这样就组成了一个闭合回路。如果将其一端加热，使接点1处的温度t高于2处的温度t0，那么在此闭合回路中就有热电势产生，如果在其中串联一个安培表，就能看见有电势显示，这种现象就称为热电现象。,四、热电偶温度计,1. 热电偶工作原理,产生热电现象的原因,不同金属具有不同的电子密度； 两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场热电现象； 电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡； 接触电势差仅与两金属的材料和接触点温度有关，温度越高，扩散作用越强，接触电势差越高。,2. 热电偶的材质与选择,热电偶的材质要求： 单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系； 热电性