第三章-檢測(cè)儀表與傳感器課件

—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—1第三章

測(cè)量元件與變換器§3.1

概述一、參數(shù)的測(cè)量參數(shù)檢測(cè)：將被測(cè)參數(shù)經(jīng)過一次或多次能量的

交換，獲得一種便于顯示和傳遞的信號(hào)的過程。根據(jù)信號(hào)的不同，參數(shù)檢測(cè)儀表可以分為氣動(dòng)

檢測(cè)儀表和電動(dòng)檢測(cè)儀表兩類。非電量的電測(cè)法：–

將非電量工藝參數(shù)，如壓力、溫度、流量、物位等，轉(zhuǎn)換為電流、電壓等電路參數(shù)（信號(hào)）的檢測(cè)方法?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—2二、檢測(cè)儀表的性能準(zhǔn)確度與誤差準(zhǔn)確度：測(cè)量值與被測(cè)量真值的接近程度；絕對(duì)誤差：測(cè)量值與被測(cè)量真值之差；相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值之比；實(shí)際相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值之比；示值相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與儀表指示值之比；引用相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與儀表滿刻度值之比。允許誤差：最大引用相對(duì)誤差。—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—3二、檢測(cè)儀表的性能指示變差與精密度指示變差：同一儀表對(duì)相同的被測(cè)參數(shù)進(jìn)行正、 反行程測(cè)量時(shí)，其顯示值的差異。精密度（簡(jiǎn)稱精度）：儀表檢測(cè)微小參數(shù)變化的能力。儀表精度等級(jí)：用允許誤差的絕對(duì)值表示：常用儀表等級(jí)有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等，精確度：儀表精密而準(zhǔn)確的程度?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—4二、檢測(cè)儀表的性能靈敏度、靈敏限與分辨率靈敏度：儀表的指示位移變化量與被測(cè)參數(shù)變化量之比。靈敏限：能引起儀表指針發(fā)生位移變化的被測(cè)參數(shù)的最小變化量。分辨率：測(cè)試儀表數(shù)字顯示器的最末位數(shù)字間隔所代表的被測(cè)參數(shù)變化量。—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—二、檢測(cè)儀表的性能線性度與反應(yīng)時(shí)間線性度：測(cè)量?jī)x表在全量程范圍內(nèi)實(shí)際校準(zhǔn)值與理論對(duì)應(yīng)值的吻合程度。反應(yīng)時(shí)間：顯示值變化相對(duì)于實(shí)際值變化的滯后時(shí)間。被測(cè)變量5儀表顯示值—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—三、檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成被測(cè)參數(shù)敏感元件信號(hào)變換信號(hào)傳輸信號(hào)測(cè)量顯示記錄控制+-A/DPLC6—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—§3.2

壓力的測(cè)量與變送一、壓力的表示與單位壓力的表示：絕對(duì)壓力單位面積所受到的力相對(duì)壓力（表壓）絕對(duì)壓力與大氣壓之差真空度大氣壓與絕對(duì)壓力之差絕對(duì)壓力7絕對(duì)壓力真空度表壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—壓力（壓強(qiáng)）的單位壓強(qiáng)（俗稱壓力）：?jiǎn)挝幻娣e所受到的垂直作用力。工程上的“壓力”與力學(xué)中的“壓力”不表示同一個(gè)概念。帕

PaN/m2毫米汞柱mm兆帕

MPa106N/m2水柱m工程大氣壓10mH2O巴dyn/cm2物理大氣壓20oC海平面psilb/in28—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—9二、壓力計(jì)的分類與工作原理工業(yè)壓力計(jì)通常按敏感元件的類型進(jìn)行分類：液柱式壓力計(jì)活塞式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì)—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—1.

液柱式壓力計(jì)測(cè)量原理：P=h

所以

h=P/

10—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—2.

活塞式壓力計(jì)測(cè)量原理：P=G/S所以

G=P?S精確度高常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗(yàn)其它壓力計(jì)11—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—123、彈性式壓力計(jì)與常用壓力表工作原理：采用彈性元件將壓強(qiáng)大小轉(zhuǎn)換為位移量，再通過機(jī)械傳動(dòng)和放大，推動(dòng)指針偏移。根據(jù)敏感元件形式的不同可以分為以下3類：彈簧管式壓力計(jì)薄膜式壓力計(jì)波紋管式壓力計(jì)—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—134、電氣式壓力計(jì)與信號(hào)轉(zhuǎn)換電氣式壓力計(jì)，實(shí)際上是將彈性元件、液柱式壓力計(jì)所產(chǎn)生的微小位移或活塞式壓力計(jì)所產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的一類壓力計(jì)。電氣式壓力計(jì)通常兩部分組成：一次儀表（壓力探頭）：將壓力轉(zhuǎn)換為微弱電參數(shù)；二次儀表：將微弱電參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—14電氣式壓力計(jì)一次探頭常用電參數(shù)有：電阻、電感、電容、電壓等。常見壓力變換器（壓力探頭）有：應(yīng)變式壓力變換器；壓電電阻式壓力變換器；電感式壓力變換器；電容式壓力變換器；霍爾片式壓力變換器?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—電阻應(yīng)變式壓力計(jì)一次探頭電線的電阻為：R=

L/S當(dāng)電線受到拉（應(yīng)）力作用時(shí)，L變大，S變小，R變大。當(dāng)粘一組串聯(lián)平行細(xì)導(dǎo)線（電阻應(yīng)變片）的金屬（彈性元件）因壓力變化而發(fā)生

微小變形（應(yīng)變）時(shí)，細(xì)導(dǎo)線的電阻隨

之發(fā)生變化。從而，將壓力參數(shù)轉(zhuǎn)化為

電阻參數(shù)。壓力變化彈性變形電阻變化15—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—電感式壓力計(jì)一次探頭磁路的磁阻與鐵芯的間隙相關(guān)。所以，當(dāng)銜鐵或鐵芯的位置發(fā)生變化時(shí)，其電感也隨之發(fā)生變化。從而，可以將位移量轉(zhuǎn)化為電感量。16—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—電容式壓力計(jì)一次探頭電容器的電容量：C=

S/d當(dāng)S或d發(fā)生變化時(shí)，電容量發(fā)生變化。17—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—霍爾式壓力計(jì)一次探頭霍爾半導(dǎo)體在垂直電流和磁場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生側(cè)向電壓：UH=RHBIN18S—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—19電氣壓力計(jì)前置放大器傳感元件的參量變化通常是非常微弱的，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，需要進(jìn)行初步放大。電阻和電容傳感器一般采用電橋放大，以電壓方式輸出；電感式傳感器一般采用振蕩電路放大，以頻率方式輸出；電壓傳感器一般采用直流放大器，以電壓或電流方式輸出。—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—電氣壓力計(jì)前置放大器20—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—21電氣壓力計(jì)二次儀表作用：將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)通訊信號(hào)。DDZⅢ型儀表標(biāo)準(zhǔn)通訊信號(hào)為：4~20mA。智能型壓力傳感器在二次儀表中另外附

加一些功能，如：模/數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)通訊，工程單位轉(zhuǎn)換，信號(hào)（變化）阻尼，故

障診斷等。—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—22三、壓力計(jì)的選型選型內(nèi)容：類型選擇功能：顯示、報(bào)警、記錄、傳送（數(shù)字、模擬）；介質(zhì)條件：溫度、腐蝕性、粘度、臟污程度等； 如：氨氣表防腐，氧氣表禁油。環(huán)境條件：溫度、震動(dòng)、電磁場(chǎng)等。量程與盤面大小；工作壓力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。盤面大小應(yīng)方便安裝和觀察。精度等級(jí)：根據(jù)工藝需要確定?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—常見壓力傳感器外形工業(yè)壓力變送器數(shù)字壓力變送器通用壓力變送器隔離壓力變送器高溫壓力變送器隔離壓差變送器隔離液位變送器微壓變送器電容壓力變送器隔膜壓力變送器絕壓變送器雙膜壓差變送器微型探針壓力計(jì)暖風(fēng)空調(diào)壓力計(jì)濕式壓力變送器本安壓力變送器OEM血壓計(jì)OEM壓力芯片23—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—24三、壓力計(jì)的安裝安裝事項(xiàng)：取壓位置：由工藝條件確定；盡量避免渦流影響；避免流速影響；避免導(dǎo)壓管產(chǎn)生壓差。隔離：溫度隔離：采用銅管散熱；腐蝕性隔離：采用隔離箱（凝液管）；臟污隔離：采用空氣包。—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—§3.3

流量的測(cè)量與變送按測(cè)量途徑分類：速度式流量計(jì)通過測(cè)量過流速度，用過流面積換算成流量。容積式流量計(jì)采用固定溶劑空間逐次衡量過流容積。質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量可壓縮流體的質(zhì)量通過量。25—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—一、速度式流量計(jì)根據(jù)測(cè)速方法可以分為以下幾類：壓差流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)電磁流量計(jì)超聲波流量計(jì)渦輪流量計(jì)堰式流量計(jì)26—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—1.

壓差流量計(jì)由流體力學(xué)知識(shí)可知，流體通過孔板節(jié)流裝置后，會(huì)產(chǎn)生一定的壓降。根據(jù)流速和壓降的關(guān)系可以推導(dǎo)出下列方程：通過測(cè)量孔板前后壓差即可計(jì)算出流速和流量。p1

p227—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—2.

轉(zhuǎn)子流量計(jì)垂直流道中的金屬轉(zhuǎn)子在壓差力和重力的共同作用下平衡。壓差與流速有關(guān)；流速取決于轉(zhuǎn)子的位置。由轉(zhuǎn)子高度可直接讀取通過的流量；測(cè)量轉(zhuǎn)子位置可進(jìn)一步獲得相應(yīng)的電氣信號(hào)。28—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—3.

電磁流量計(jì)當(dāng)流道兩側(cè)有磁場(chǎng)作用時(shí)，導(dǎo)電流體在流動(dòng)過程中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：Ex=BDv

10-12所以有：Q=K

ExE29X1EX2—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—303.

電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)由兩部分組成：電磁流量變換器由帶激磁線圈的絕緣測(cè)量管產(chǎn)生電勢(shì)信號(hào)。二次儀表作用：提供激磁電源，將變換器輸出的微弱

電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行放大，并輸出相應(yīng)的電流信號(hào)。組成：前置放大、主放大、相敏檢波、功率

放大、霍爾反饋（克服電源波動(dòng)）、電源等?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—4.

超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量；流體中需要有散射粒子：微泡或顆粒。

31多普勒效應(yīng)：當(dāng)一束波射向移動(dòng)的物質(zhì)并產(chǎn)生

散射時(shí)，其散射波的頻率會(huì)產(chǎn)生變化（頻移），且頻率變化量與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度成正比。

—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—32二、容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)主要包括兩類：齒輪式流量計(jì)一對(duì)緊密嚙合的齒輪與殼體之間形成固定的間隙空間，齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，有固定流體通過間隙輸送通過。流體通過量與齒輪轉(zhuǎn)數(shù)成正比?；钊搅髁坑?jì)利用活塞的每一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)輸送定量的流體。計(jì)量泵：用外力推動(dòng)容積式流量計(jì)即可定量輸送流體容積式流量計(jì)的最大特點(diǎn)是對(duì)被測(cè)流體的粘度不敏感，常用于測(cè)量重油等粘稠流體?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—33三、質(zhì)量流量計(jì)間接式質(zhì)量流量計(jì)分別測(cè)量體積流量和密度再用乘法計(jì)算出質(zhì)量流量。直接式質(zhì)量流量計(jì)利用科氏力的作用使彎曲的彈性管道兩側(cè)產(chǎn)生震動(dòng)相位差質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只用于壓力變化較大的可壓縮流體?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—34§3.4

物位的測(cè)量與變送物位：液位：容器中液體表面的高低；料位：容器中固體的堆積高度；界面：兩相物質(zhì)的交界面?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—35物位計(jì)的分類直讀式物位計(jì)浮力式物位計(jì)壓差式物位計(jì)電磁式物位計(jì)核輻射式物位計(jì)超聲波物位計(jì)光電式物位計(jì)—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—一、直讀式物位計(jì)用帶有刻度的透明物質(zhì)（如玻璃、有機(jī)玻璃）作為容器壁的一部分或連通管，可以直接顯示容器內(nèi)液位的高低。36—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—二、浮力式物位計(jì)利用浮子高度隨液面或液體界面變化而變化的原理工作。37—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—三、壓差式物位計(jì)利用物料內(nèi)靜壓力與物料深度或堆積高度成正比的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。液體密閉容器38液體敞開容器固體稱重倉(cāng)—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—四、電容式物位計(jì)圓柱形電容器的電容量的表達(dá)式為：電極間充入高度為H的介質(zhì)前后電容量的變化值為：由此可見，電容量的變化量與充料高度成正比。測(cè)量電容量變化即可知料位的變化。39—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—四、電容式物位計(jì)電容（繩）式料位計(jì)電容式液位計(jì)主要用于測(cè)量不導(dǎo)電流體40—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—五、電極式物位計(jì)利用物料的

導(dǎo)電性能測(cè)

量高低液位。也可以用于導(dǎo)電性較弱的液體和潮濕固體。41—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—六、核輻射式物位計(jì)放射線通過介質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度衰減與物質(zhì)的吸收系數(shù)和介質(zhì)層厚度有關(guān)：目前，工業(yè)上使用的放射線物位計(jì)有連續(xù)式和間斷式兩種。42—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—七、超聲波物位計(jì)利用聲波在空氣中傳播速度不變的原理，通過檢測(cè)聲波發(fā)射和反射全過程的時(shí)間間隔可以計(jì)算出物料界面到探頭的距離，從而得到物位的高低。注意事項(xiàng)：確保反射波能回到探頭；防止物料對(duì)聲波的吸收（如表面泡沫漂?。?3—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—44§3.4

溫度的測(cè)量與變送溫度是化工過程中最普遍而重要的操作參數(shù)。所有的過程都是在一定的溫度條件下進(jìn)行的；溫度決定一些反應(yīng)能否進(jìn)行和反應(yīng)方向；溫度決定一些反應(yīng)的進(jìn)程程度；溫度顯示反應(yīng)的能量變化。溫度不能直接測(cè)量。溫度的測(cè)量都是通過溫度傳遞到敏感元件后，其物理性質(zhì)隨溫度變化而進(jìn)行的。—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—常用溫度計(jì)的種類及適用溫度45—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—一、膨脹式溫度計(jì)玻璃液體溫度計(jì)利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細(xì)管延伸而直接顯示溫度雙金屬溫度計(jì)不同金屬受熱膨脹不同，雙金屬片在受熱情況下發(fā)生彎曲而顯示溫度t

=

t046t

t0—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—二、壓力式溫度計(jì)利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進(jìn)行測(cè)量。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)；毛細(xì)管：傳遞壓力；彈簧管：顯示壓力（溫度）。47—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—48三、輻射式溫度計(jì)通過特定波長(zhǎng)光波的強(qiáng)度或熱輻射強(qiáng)度來確定光源溫度。輻射式溫度計(jì)：測(cè)定熱輻射強(qiáng)度；光學(xué)溫度計(jì)：采用光學(xué)分頻法，測(cè)定不同頻率光波的強(qiáng)度比值；比色法：直接通過可見光顏色的對(duì)比，確定光源溫度。輻射式溫度計(jì)，通常用于測(cè)量高溫條件，特別是光學(xué)溫度計(jì)和比色溫度計(jì)需要利用物體在高溫下發(fā)射的可見光進(jìn)行檢測(cè)?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—四、熱電偶溫度計(jì)++1.熱電偶工作原理不同金屬具有不同的電子密度；兩種金屬接觸面因?yàn)殡娮拥臄U(kuò)散作用而產(chǎn)生電場(chǎng)—熱電現(xiàn)象；電子在擴(kuò)散作用和電場(chǎng)力作用下最終達(dá)到平衡；電子的擴(kuò)散與溫度相關(guān)，溫度越高，擴(kuò)散作用越強(qiáng)。擴(kuò)散作用電場(chǎng)作用金屬A-金屬B-49—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—502.

熱電偶的材質(zhì)與選擇熱電偶的材質(zhì)要求：?jiǎn)挝粶囟茸兓臒犭妱?shì)大，且盡量接近線性關(guān)系；熱電性質(zhì)穩(wěn)定；化學(xué)穩(wěn)定性好：高溫下抗氧化，抗腐蝕；具有較好的延展性，易于加工；復(fù)現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn)和互換。不同材質(zhì)的熱電偶有不同的特性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇測(cè)量范圍、放大系數(shù)（以分度值表示）、測(cè)量精度、抗腐蝕能力、價(jià)格等?！^程特性及其數(shù)學(xué)模型—3.

熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極工作部分絕緣子防止電極與電極、套管短路保護(hù)套管保護(hù)接線盒51—過程特性及其數(shù)學(xué)模型—4.

熱電偶回路不同金屬連接在一起都構(gòu)成熱電偶作用；熱電偶回路電動(dòng)勢(shì)為

各接點(diǎn)熱電勢(shì)的總和；對(duì)于有外接導(dǎo)線的熱電偶回路，其總