過程參數(shù)檢測(cè)與變送

1、第三章 過程參數(shù)檢測(cè)與變送n 本章提要1. 過程參數(shù)檢測(cè)與變送的基本概念2. 溫度檢測(cè)與變送3. 壓力檢測(cè)與變送4. 流量檢測(cè)儀表5. 液位檢測(cè)儀表6. 成分分析儀表n 授課內(nèi)容第一節(jié) 基本概念、概述1. 過程參數(shù)檢測(cè)基本概念² 過程參數(shù)檢測(cè)-指連續(xù)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位和成分等參數(shù)的檢測(cè)。(P50)² 檢測(cè)儀表-將檢測(cè)元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測(cè)儀表。² 一次儀表-一般為將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為便于計(jì)量的物理量所使用的儀表，即為檢測(cè)元件。² 二次儀表-將測(cè)得的信號(hào)變送轉(zhuǎn)換為可計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)電氣信號(hào)并顯示的儀表。即包括變送器和顯示裝置。2. 測(cè)量過程與

2、測(cè)量誤差² 測(cè)量過程-利用一個(gè)已知的單位量(即標(biāo)準(zhǔn)量)與被測(cè)的同類量進(jìn)行比較的過程。² 測(cè)量誤差-在測(cè)量過程中測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值之間會(huì)有一定的差值。它反映了測(cè)量結(jié)果的可靠程度。Ø 測(cè)量誤差的分類：l 絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差² 絕對(duì)誤差-指測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值之差。通常把檢定中高一等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)所測(cè)得的量值作為真值(實(shí)際值)。² 相對(duì)誤差-指絕對(duì)誤差與真值或測(cè)量值之百分比。常見有如下三種表示方式： 實(shí)際相對(duì)誤差-是指絕對(duì)誤差與被測(cè)量的真值(實(shí)際值)之百分比。 標(biāo)稱相對(duì)誤差-是指絕對(duì)誤差與儀表示值之百分比。 引用相對(duì)誤差-是指絕對(duì)誤差與儀表的量程

3、之百分比。l 系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和疏忽誤差。² 系統(tǒng)誤差-指測(cè)量?jī)x表本身或其他原因(如零點(diǎn)沒有調(diào)整好等)引起的有規(guī)律的誤差。² 隨機(jī)誤差-指在測(cè)量中所出現(xiàn)的沒有一定規(guī)律的誤差。² 疏忽誤差-指觀察人員誤讀或不正確使用儀器與測(cè)試方案等人為因素所引起的誤差。l 基本誤差、附加誤差和允許誤差基本誤差-指儀表在規(guī)定的正常工作條件下所具有的誤差。附加誤差-指儀表超出規(guī)定的正常工作條件時(shí)所增加的誤差。允許誤差-指儀表的示值或性能不允許超過某個(gè)誤差范圍。3. 檢測(cè)儀表的性能指標(biāo)Ø 儀表精度(儀表準(zhǔn)確度)儀表精度-儀表精度是根據(jù)國家規(guī)定的允許誤差大小分成幾個(gè)等級(jí)的。某一

4、類儀表的允許誤差是指在規(guī)定的正常情況下允許的百分比誤差的最大值。我國過程檢測(cè)控制儀表的精度等級(jí)有0.005、0.02、0.1、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。一般工業(yè)用表為0.54級(jí)精度。 在選用儀表的精度等級(jí)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要求定，不能只追求高精度等級(jí)。Ø 變差² 變差-在外界條件不變的情況下，用同一儀表對(duì)同一個(gè)量進(jìn)行正、反行程(即逐漸由小到大或逐漸由大到小)測(cè)量時(shí)，所得儀表兩不值之間的差值。 其中x1、x2為正、反測(cè)量的示值 造成交差的原因很多。通常要求：變差<儀表精度等級(jí)所允許的誤差。Ø 靈敏度與靈敏限² 靈敏度-表示測(cè)量?jī)x表

5、對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的靈敏程度。通常用儀表的輸出變化量，如指針的線位移或角位移與引起此位移的被測(cè)參數(shù)變化量之比來表示，即 注意：提高儀表的靈敏度可采用增加放大部分的放大倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。不過儀表的性能主要取決于儀表的基本誤差。² 靈敏限-指引起儀表示值發(fā)生變化的可測(cè)參數(shù)的最小變化量。通常其值應(yīng)不大于儀表允許誤差的一半。第二節(jié) 溫度檢測(cè)與變送1. 有關(guān)溫度及溫度檢測(cè)的概述² 溫度-是表示物體冷熱程度的物理參數(shù)。Ø 測(cè)量溫度的方法：（從測(cè)量體與被測(cè)介質(zhì)接觸與否來分）l 接觸式測(cè)量（即通過測(cè)量體與被測(cè)介質(zhì)的接觸來測(cè)量物體的溫度）；l 非接觸式測(cè)量（即通過接收被測(cè)物體發(fā)出的輻射熱來判

6、斷溫度）。日前工業(yè)上常用溫度計(jì)及其測(cè)溫原理、測(cè)溫范圍，使用場(chǎng)合等見下表。Ø 各測(cè)量溫度方法的特點(diǎn)：l 接觸式測(cè)溫：簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度較高。但由于要達(dá)到熱平衡，因而產(chǎn)生了滯后。而且可能與被測(cè)介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。不能應(yīng)用于很高溫度的測(cè)量。l 非接觸式測(cè)溫：其測(cè)溫范圍很廣，其測(cè)溫上限原則上不受限制；測(cè)溫速度比較快，而且可以對(duì)運(yùn)動(dòng)體進(jìn)行測(cè)量，但一般測(cè)溫誤差較大。電的測(cè)溫儀表精度高，信號(hào)又便于傳輸。因此熱電偶和熱電阻在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2. 熱電偶溫度計(jì)Ø 熱電偶溫度計(jì)測(cè)溫原理：熱電偶的測(cè)溫原理：是利用熱電偶的熱電效應(yīng)來測(cè)量溫度的。² 熱電效應(yīng)-將任意兩

7、種不同的導(dǎo)體A、B組成一個(gè)閉合回路(由圖3-l、3-2所示)，只要其連接點(diǎn)l、2溫度不同，在回路中就產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。從物理上看，熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)主要是由接觸電勢(shì)組成的。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體A、B接觸時(shí)，由于導(dǎo)體兩邊的自由電子密度不同，在交界面上便產(chǎn)生電子的互相擴(kuò)散。擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，在A、B兩個(gè)導(dǎo)體間的電位差稱為接觸電動(dòng)勢(shì)，其值決定于兩種導(dǎo)體的材料種類和接觸點(diǎn)的溫度?；芈分械目傠妱?shì)為：，可見當(dāng)時(shí)，即存在熱電動(dòng)勢(shì)。且有性質(zhì)：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要接入第三種導(dǎo)體的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相等，回路中總電勢(shì)值不變。熱電偶的這種性質(zhì)在使用上有著重要的意義，它使我們可以方便地在熱電偶中接入所需的測(cè)

8、量?jī)x表和導(dǎo)線來測(cè)量溫度。由熱電偶測(cè)溫原理可知，測(cè)溫關(guān)鍵要使冷端溫度恒定或相等（使用補(bǔ)償導(dǎo)線給以解決）。為了消除冷端溫度變化（即冷端溫度不為0度時(shí)，因?yàn)閮x表的分度表是在冷端溫度為0度的條件下得到的）對(duì)測(cè)量精度的影響，可采用冷端溫度補(bǔ)償。Ø 冷端溫度補(bǔ)償（常用方法）l 補(bǔ)償電橋法電橋在0時(shí)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，補(bǔ)償電阻器也隨著增大，可以使得的大小不隨冷端溫度而變化。l 計(jì)算校正法（微機(jī)測(cè)溫常用）利用補(bǔ)償導(dǎo)線使熱電偶冷端延伸到了溫度相對(duì)恒定的地方，但只要冷端溫度不為0度，則必須對(duì)指示值進(jìn)行校正。其中為所測(cè)得的熱電勢(shì)；可在測(cè)的后查表得出電勢(shì)；為校正后的熱電勢(shì)，經(jīng)查表可得出實(shí)際溫度。

9、舉例：見書例3-1Ø 工業(yè)常用熱電偶外型結(jié)構(gòu)形式：l 普通型熱電偶，主要由熱電極、絕緣管、保護(hù)套管、接線盒、接線端子組成；l 鎧裝熱電偶；l 多點(diǎn)式熱電偶；此外，還有隔爆熱電偶、表面熱電偶、抽氣熱電偶等，適用于各種特殊場(chǎng)合。Ø 熱電偶分類l 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：S、B、K三種l 非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：Ø 常用熱電偶選用幾種工業(yè)常用熱電偶的測(cè)溫范圍和使用特點(diǎn)列于表33中。（注意適用場(chǎng)合和使用溫度范圍）3. 熱電阻溫度計(jì)Ø 測(cè)溫原理：是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻會(huì)隨溫度的變化而變化的特性。因此只要測(cè)出感溫元件熱電阻的阻值變化，就可測(cè)得被測(cè)溫度。Ø 結(jié)構(gòu)組成：一般包

10、括電阻體、絕緣子、保護(hù)套管和接線盒等部分。Ø 特點(diǎn)：測(cè)量精度高，在測(cè)量500以下溫度時(shí)，它的輸出信號(hào)比熱電偶大得多，性能穩(wěn)定，靈敏度高，可在1K1000范圍內(nèi)測(cè)溫。另外熱電阻溫度計(jì)的輸出是電信號(hào)，便于遠(yuǎn)傳，同時(shí)又不需要冷端溫度補(bǔ)償。所以在中低溫(200650)測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。Ø 熱電阻分類l 鉑電阻：物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，測(cè)溫精度高。l 銅電阻：價(jià)格便宜，電阻與溫度呈線性關(guān)系。在50150測(cè)溫范圍內(nèi)穩(wěn)定性好，在測(cè)量精度要求不很高、溫度較低的場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。l 半導(dǎo)體熱敏電阻：將一些金屬氧化物按一定比例混合、壓制和燒結(jié)而成。它的體積小，因此熱慣性小，適用于快速測(cè)溫，靈敏度

11、高；但非線性嚴(yán)重，互換性差，測(cè)溫范圍較窄（-50300）。4. 溫度檢測(cè)儀表的選用Ø 溫度檢測(cè)儀表的選擇原則l 必須滿足生產(chǎn)工藝要求。根據(jù)測(cè)溫范圍和精度等級(jí)確定儀表量程及其精度等級(jí)。l 必須注意儀表的工作環(huán)境。還要注意儀表的安裝與正確使用。5. DDZ-型溫度變送器² 變送器-一種將被測(cè)的過程參數(shù)(如溫度、壓力等)變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)的儀表。Ø DDZ儀表(電動(dòng)單元組合儀表：DDZ儀表有兩大系列，即DDZ-型（以晶體管分立元件為基礎(chǔ)采用010mADC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)）和DDZ-型（以集成電路為基礎(chǔ)采用420mADC或l5VDC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)）。Ø 溫度變送器作用

12、：將溫度或mVDC信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)，其輸出給顯示儀表或調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示或自動(dòng)控制。Ø 變送器的量程調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移的概念² 量程調(diào)整（滿度調(diào)整）-目的是使變送器的輸出信號(hào)的上限值(型變送器為20mADC)與測(cè)量范圍的上限值相對(duì)應(yīng)，即提高測(cè)量精度。量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器的輸入輸出特性的斜率，如圖35所示。² 零點(diǎn)調(diào)整和零點(diǎn)遷移-其目的都是使變送器輸出信號(hào)的下限值。(即標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)下限值)與測(cè)量范圍的下限值相對(duì)應(yīng)。在0時(shí)為零點(diǎn)調(diào)整；在時(shí)為零點(diǎn)遷移。正遷移、負(fù)遷移。意義：工程應(yīng)用中變送器進(jìn)行零點(diǎn)遷移與量程調(diào)整可以提高其靈敏度。（舉例）Ø

13、DDZ型溫度變送器主要特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)：l 采用了線性集成電路，提高了儀表的可靠性，穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)性能。l 采用了線性化電路，使變送器的輸出信號(hào)和被測(cè)溫度呈線性關(guān)系。l 采取了安全火花防爆措施，可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所中的溫度或直流毫伏測(cè)量。Ø 型溫度變送器的種類：l 熱電偶溫度變送器：輸入熱電勢(shì)毫伏信號(hào)l 熱電阻溫度變送器：輸入熱電阻信號(hào)給輸入回路l 直流毫伏溫度變送器：輸入直流毫伏信號(hào)這三種溫度變送器在線路結(jié)構(gòu)上都由放大單元和量程單元組成。Ø DDZ型溫度變送器結(jié)構(gòu)（見下圖）量程單元：作用是實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、整機(jī)調(diào)零和調(diào)量程。放大和輸出單元：作用是將量程單元輸出的直流毫伏信號(hào)進(jìn)

14、行電壓及功率放大，然后整流輸出電流、電壓信號(hào)（420mADC或l5VDC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)）。Ø DDZ型溫度變送器工作原理熱電偶的熱電勢(shì)與調(diào)零調(diào)量程回路的信號(hào)和非線性反饋回路的信號(hào)進(jìn)行綜合后，輸入放大單元進(jìn)行處理，變送器輸出為420mADC或l5VDC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)。型溫度變送器的輸出電流或電壓信號(hào)與被測(cè)溫度是成線性關(guān)系的，即熱電勢(shì)與成線性關(guān)系。Ø DDZ型溫度變送器的各部分結(jié)構(gòu)及功能：（略）第三節(jié) 壓力檢測(cè)與變送1. 有關(guān)壓力的概述在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到壓力和真空度的檢測(cè)問題。例：一些化學(xué)反應(yīng)過程、涉及生產(chǎn)安全的鍋爐壓力等。Ø 壓力定義及壓力單位² 壓力-

15、為垂直均勻地作用于單位面積上的力。壓力單位：l 國際單位制（SI）-帕（Pa），l 工程大氣壓-atl 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓-atml 毫米汞柱-mmHgl 毫米水柱-mmH2OØ 壓力的表示方法壓力有三種表示方法：絕對(duì)壓力、表壓、負(fù)壓或真空度。絕對(duì)壓力-指介質(zhì)所受的實(shí)際壓力。表壓-指高于大氣壓的絕對(duì)壓力與大氣壓力之差，即。負(fù)壓或真空度-指大氣壓與低于大氣壓的絕對(duì)壓力之差，即2. 壓力的檢測(cè)方法l 彈性力平衡方法：基于彈性元件的彈性變形特性進(jìn)行測(cè)量。壓力計(jì)有：彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)、膜式壓力計(jì)等。l 重力平衡方法：基于流體靜力學(xué)理論，有活塞式和液柱式l 物性測(cè)量方法：基于在壓力作用下測(cè)壓元

16、件的某些物理特征發(fā)生變化的原理，有電壓式壓力計(jì)、振頻式壓力計(jì)等。3. 常用壓力計(jì)Ø 彈性式壓力計(jì)l 測(cè)壓原理：各種彈性元件在被測(cè)介質(zhì)壓力作用下會(huì)產(chǎn)生彈性變形。l 特點(diǎn)及適用場(chǎng)合：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜、測(cè)壓范圍寬，測(cè)量精度也比較高，在生產(chǎn)過程中獲得了最廣泛的應(yīng)用。Ø 電氣式壓力計(jì)l 測(cè)壓原理：把壓力轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感或電勢(shì)等電量，從而實(shí)現(xiàn)壓力的間接測(cè)量。l 特點(diǎn)及適用場(chǎng)合：反應(yīng)較快，測(cè)量范圍較廣、精度可達(dá)0.2，便于遠(yuǎn)距離傳送。所以在生產(chǎn)過程中可以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制和報(bào)警，適用于測(cè)量壓力變化快、脈動(dòng)壓力、高真空和超高壓的場(chǎng)合。l 應(yīng)變片式壓力計(jì)原理：利用電阻應(yīng)變片將

17、被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化：再通過橋式電路獲得mV級(jí)的電量輸出，然后由二次儀表顯示或記錄。 K-應(yīng)變系數(shù)或靈敏度系數(shù)，它表示金屬絲導(dǎo)體產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)的電阻相對(duì)變化量。測(cè)量電橋l 霍爾片式壓力計(jì)原理：運(yùn)用霍爾元件的霍爾效應(yīng)，把被測(cè)壓力作用下所產(chǎn)生的彈性元件位移轉(zhuǎn)換為電勢(shì)輸出?；魻栃?yīng)-半導(dǎo)體單晶片沿z軸方向被置于恒定磁場(chǎng)中。如果在它的y軸方向接入直流穩(wěn)壓電源，并有恒定電流沿y軸方向流過，則在晶體的x軸方向出現(xiàn)電勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。所產(chǎn)此的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)；單晶片稱為霍爾元件或霍爾片。4. 壓力檢測(cè)儀表的選擇Ø 壓力檢測(cè)儀表的選擇主要包括儀表的型式、量程范圍、精度與靈敏度、外形尺寸以及

18、是否需要遠(yuǎn)傳和其他功能，如指示、記錄、報(bào)警控制等。Ø 選用的主要依據(jù)：l 必須滿足工藝生產(chǎn)過程的要求，包括量程與精度。l 必須考慮被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)，如溫度高低、工作壓力大小、粘度、易燃易爆程度等。l 必須注意儀表安裝使用的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條化，如環(huán)境溫度、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等。Ø 選擇的主要方面：l 儀表量程的選擇：測(cè)量穩(wěn)定壓力（4/3被測(cè)壓力最大值）; 測(cè)量波動(dòng)較大的壓力（3/2被測(cè)壓力最大值）；保證精度（被測(cè)壓力最小值不低于量程的1/3）l 儀表精度等級(jí)的選擇：應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)壓力測(cè)量所允許的最大誤差來決定。工業(yè)用（選1.5級(jí)或2.5級(jí)），實(shí)驗(yàn)室或校驗(yàn)用（選0.4級(jí)及0.25級(jí)以上）。

19、5. DDZ-型差壓（壓力）變送器Ø 作用：將被測(cè)壓力、流量等過程參數(shù)變換成420mADC輸出信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)集中檢測(cè)或自動(dòng)控制。Ø 結(jié)構(gòu)：由測(cè)量和轉(zhuǎn)換兩部分組成。（結(jié)構(gòu)示意見書P74）Ø 工作原理：Ø 杠桿系統(tǒng)受力分析：（見書P76）可見：l 變送器的輸出電流I0與其輸入差壓Pi成比例。l 變送器的量程調(diào)整可以通過改變矢量機(jī)構(gòu)的矢量角和電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)Kf來實(shí)現(xiàn)。（式第一項(xiàng)）l 調(diào)節(jié)調(diào)零彈簧的作用力F0即可改變變送器的零點(diǎn)。第四節(jié) 流量檢測(cè)儀表1. 有關(guān)流量的概述² 流量-指單位時(shí)間內(nèi)流過管道某一截面的流體的體積，即瞬時(shí)流量。Ø 流量的三種表示方法：l 體積流量Q-單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面的物料體積（m3/h）l 重量流量G-單位的間內(nèi)通過管道某一截面物料的重量（kgf/h）l 質(zhì)量流量M-單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面物料的質(zhì)量（kg/h）三者關(guān)系：G=Q=gQ=gM2. 各種主要類型流量計(jì)的性能比較與選用第五節(jié) 液位檢測(cè)儀表1. 有關(guān)液位檢測(cè)的概述² 液位-指密封容器成開口容器中液面的高低。2. 常用液位檢測(cè)儀表Ø 浮力式液位計(jì)原理：根據(jù)阿基米德原理工作，即液體對(duì)一個(gè)物體浮力的大小等于物體所排開液體的重量。原理圖：類型：l 恒浮力式液位計(jì)（在整個(gè)測(cè)量過程中其浮力維持不變，在工作時(shí)浮標(biāo)隨液位面低