第三章 过程参数检测与变送.docx

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第三章过程参数检测与变送

第三章过程参数检测与变送

⏹本章提要

1.过程参数检测与变送的基本概念

2.温度检测与变送

3.压力检测与变送

4.流量检测仪表

5.液位检测仪表

6.成分分析仪表

⏹授课内容

第一节基本概念、概述

1.过程参数检测基本概念

✧过程参数检测-----指连续生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等参数的检测。

（P50）

✧检测仪表-----将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。

✧一次仪表-----一般为将被测量转换为便于计量的物理量所使用的仪表，即为检测元件。

✧二次仪表-----将测得的信号变送转换为可计量的标准电气信号并显示的仪表。

即包括变送器和显示装置。

2.测量过程与测量误差

✧测量过程-----利用一个已知的单位量（即标准量）与被测的同类量进行比较的过程。

✧测量误差-----在测量过程中测量结果与被测量的真值之间会有一定的差值。

它反映了测量结果的可靠程度。

Ø测量误差的分类：

●绝对误差与相对误差

✧绝对误差-----指测量结果与被测量的真值之差。

通常把检定中高一等级的计量标准所测得的量值作为真值（实际值）。

✧相对误差-----指绝对误差与真值或测量值之百分比。

常见有如下三种表示方式：

①实际相对误差-----是指绝对误差与被测量的真值（实际值）之百分比。

②标称相对误差-----是指绝对误差与仪表示值之百分比。

②引用相对误差-----是指绝对误差与仪表的量程之百分比。

●系统误差、随机误差和疏忽误差。

✧系统误差-----指测量仪表本身或其他原因（如零点没有调整好等）引起的有规律的误差。

✧随机误差-----指在测量中所出现的没有一定规律的误差。

✧疏忽误差-----指观察人员误读或不正确使用仪器与测试方案等人为因素所引起的误差。

●基本误差、附加误差和允许误差

基本误差-----指仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差。

附加误差-----指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差。

允许误差-----指仪表的示值或性能不允许超过某个误差范围。

3.检测仪表的性能指标

Ø仪表精度（仪表准确度）

仪表精度-----

仪表精度是根据国家规定的允许误差大小分成几个等级的。

某一类仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的百分比误差的最大值。

我国过程检测控制仪表的精度等级有0.005、0.02、0.1、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。

一般工业用表为0.5～4级精度。

在选用仪表的精度等级时，应根据实际需要求定，不能只追求高精度等级。

Ø变差

✧变差-----在外界条件不变的情况下，用同一仪表对同一个量进行正、反行程（即逐渐由小到大或逐渐由大到小）测量时，所得仪表两不值之间的差值。

其中x1、x2为正、反测量的示值

造成交差的原因很多。

通常要求：

变差<仪表精度等级所允许的误差。

Ø灵敏度与灵敏限

✧灵敏度-----表示测量仪表对被测参数变化的灵敏程度。

通常用仪表的输出变化量，如指针的线位移或角位移与引起此位移的被测参数变化量之比来表示，即

注意：

提高仪表的灵敏度可采用增加放大部分的放大倍数来实现。

不过仪表的性能主要取决于仪表的基本误差。

✧灵敏限-----指引起仪表示值发生变化的可测参数的最小变化量。

通常其值应不大于仪表允许误差的一半。

第二节温度检测与变送

1.有关温度及温度检测的概述

✧温度------是表示物体冷热程度的物理参数。

Ø测量温度的方法：

（从测量体与被测介质接触与否来分）

●接触式测量（即通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度）；

●非接触式测量（即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度）。

日前工业上常用温度计及其测温原理、测温范围，使用场合等见下表。

Ø各测量温度方法的特点：

●接触式测温：

简单、可靠、测量精度较高。

但由于要达到热平衡，因而产生了滞后。

而且可能与被测介质产生化学反应。

不能应用于很高温度的测量。

●非接触式测温：

其测温范围很广，其测温上限原则上不受限制；测温速度比较快，而且可以对运动体进行测量，但一般测温误差较大。

电的测温仪表精度高，信号又便于传输。

因此热电偶和热电阻在工业生产和科学研究领域得到了广泛应用。

2.热电偶温度计

Ø热电偶温度计测温原理：

热电偶的测温原理：

是利用热电偶的热电效应来测量温度的。

✧热电效应-----将任意两种不同的导体A、B组成一个闭合回路（由图3-l、3-2所示），只要其连接点l、2温度不同，在回路中就产生热电动势的现象。

从物理上看，热电偶回路产生的热电动势主要是由接触电势组成的。

当两种不同导体A、B接触时，由于导体两边的自由电子密度不同，在交界面上便产生电子的互相扩散。

扩散达到平衡时，在A、B两个导体间的电位差称为接触电动势，其值决定于两种导体的材料种类和接触点的温度。

回路中的总电势为：

，可见当

时，

，即存在热电动势。

且有性质：

在热电偶回路中接入第三种导体时，只要接入第三种导体的两个接点温度相等，回路中总电势值不变。

热电偶的这种性质在使用上有着重要的意义，它使我们可以方便地在热电偶中接入所需的测量仪表和导线来测量温度。

由热电偶测温原理可知，测温关键要使冷端温度恒定或相等（使用补偿导线给以解决）。

为了消除冷端温度变化（即冷端温度不为0度时，因为仪表的分度表是在冷端温度为0度的条件下得到的）对测量精度的影响，可采用冷端温度补偿。

Ø冷端温度补偿（常用方法）

●补偿电桥法

电桥在0℃时处于平衡状态。

当冷端温度升高时，补偿电阻器

也随着增大，可以使得

的大小不随冷端温度而变化。

●计算校正法（微机测温常用）

利用补偿导线使热电偶冷端延伸到了温度相对恒定的地方，但只要冷端温度不为0度，则必须对指示值进行校正。

其中

为所测得的热电势；

可在测的

后查表得出电势；

为校正后的热电势，经查表可得出实际温度

。

举例：

见书[例3-1]

Ø工业常用热电偶外型结构形式：

●普通型热电偶，主要由热电极、绝缘管、保护套管、接线盒、接线端子组成；

●铠装热电偶；

●多点式热电偶；

此外，还有隔爆热电偶、表面热电偶、抽气热电偶等，适用于各种特殊场合。

Ø热电偶分类

●标准热电偶：

S、B、K三种

●非标准热电偶：

Ø常用热电偶选用

几种工业常用热电偶的测温范围和使用特点列于表3—3中。

（注意适用场合和使用温度范围）

3.热电阻温度计

Ø测温原理：

是基于金属导体或半导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。

因此只要测出感温元件热电阻的阻值变化，就可测得被测温度。

Ø结构组成：

一般包括电阻体、绝缘子、保护套管和接线盒等部分。

Ø特点：

测量精度高，在测量500

以下温度时，它的输出信号比热电偶大得多，性能稳定，灵敏度高，可在1K—1000

范围内测温。

另外热电阻温度计的输出是电信号，便于远传，同时又不需要冷端温度补偿。

所以在中低温（—200—650

）测量中得到了广泛的应用。

Ø热电阻分类

●铂电阻：

物理、化学性质稳定，测温精度高。

●铜电阻：

价格便宜，电阻与温度呈线性关系。

在—50～150

测温范围内稳定性好，在测量精度要求不很高、温度较低的场合广泛应用。

●半导体热敏电阻：

将一些金属氧化物按一定比例混合、压制和烧结而成。

它的体积小，因此热惯性小，适用于快速测温，灵敏度高；但非线性严重，互换性差，测温范围较窄（-50～300

）。

4.温度检测仪表的选用

Ø温度检测仪表的选择原则

●必须满足生产工艺要求。

根据测温范围和精度等级确定仪表量程及其精度等级。

●必须注意仪表的工作环境。

还要注意仪表的安装与正确使用。

5.DDZ-Ⅲ型温度变送器

✧变送器-----一种将被测的过程参数（如温度、压力等）变换成标准统一信号的仪表。

ØDDZ仪表（电动单元组合仪表：

DDZ仪表有两大系列，即DDZ-Ⅱ型（以晶体管分立元件为基础采用0～10mADC标准统一信号）和DDZ-Ⅲ型（以集成电路为基础采用4～20mADC或l～5VDC标准统一信号）。

Ø温度变送器作用：

将温度或mVDC信号变换成标准统一信号，其输出给显示仪表或调节器实现对温度的显示或自动控制。

Ø变送器的量程调整、零点调整和零点迁移的概念

✧量程调整（满度调整）-----目的是使变送器的输出信号的上限值

（Ⅲ型变送器为20mADC）与测量范围的上限值

相对应，即提高测量精度。

量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，如图3—5所示。

✧零点调整和零点迁移-----其目的都是使变送器输出信号的下限值

。

（即标准统一信号下限值）与测量范围的下限值

相对应。

在

＝0时为零点调整；在

时为零点迁移。

正迁移、负迁移。

意义：

工程应用中变送器进行零点迁移与量程调整可以提高其灵敏度。

（举例）

ØDDZ—Ⅲ型温度变送器主要特点、优点：

●采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性，稳定性及各项技术性能。

●采用了线性化电路，使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系。

●采取了安全火花防爆措施，可用于危险场所中的温度或直流毫伏测量。

ØⅢ型温度变送器的种类：

●热电偶温度变送器：

输入热电势毫伏信号

●热电阻温度变送器：

输入热电阻信号给输入回路

●直流毫伏温度变送器：

输入直流毫伏信号

这三种温度变送器在线路结构上都由放大单元和量程单元组成。

ØDDZ—Ⅲ型温度变送器结构（见下图）

量程单元：

作用是实现热电偶冷端温度补偿、整机调零和调量程。

放大和输出单元：

作用是将量程单元输出的直流毫伏信号进行电压及功率放大，然后整流输出电流、电压信号（4～20mADC或l～5VDC标准统一信号）。

ØDDZ—Ⅲ型温度变送器工作原理

热电偶的热电势

与调零调量程回路的信号

和非线性反馈回路的信号

进行综合后，输入放大单元进行处理，变送器输出为4～20mADC或l～5VDC标准统一信号。

Ⅲ型温度变送器的输出电流或电压信号与被测温度是成线性关系的，即热电势

与

成线性关系。

ØDDZ—Ⅲ型温度变送器的各部分结构及功能：

（略）

第三节压力检测与变送

1.有关压力的概述

在生产过程中，经常会遇到压力和真空度的检测问题。

例：

一些化学反应过程、涉及生产安全的锅炉压力等。

Ø压力定义及压力单位

✧压力-----为垂直均匀地作用于单位面积上的力。

压力单位：

●国际单位制（SI）---帕（Pa），

●工程大气压---at

●标准大气压---atm

●毫米汞柱---mmHg

●毫米水柱---mmH2O

Ø压力的表示方法

压力有三种表示方法：

绝对压力、表压、负压或真空度。

绝对压力-----指介质所受的实际压力。

表压-----指高于大气压的绝对压力与大气压力之差，即

。

负压或真空度-----指大气压与低于大气压的绝对压力之差，即

2.压力的检测方法

●弹性力平衡方法：

基于弹性元件的弹性变形特性进行测量。

压力计有：

弹簧管压力计、波纹管压力计、膜式压力计等。

●重力平衡方法：

基于流体静力学理论，有活塞式和液柱式

●物性测量方法：

基于在压力作用下测压元件的某些物理特征发生变化的原理，有电压式压力计、振频式压力计等。

3.常用压力计

Ø弹性式压力计

●测压原理：

各种弹性元件在被测介质压力作用下会产生弹性变形。

●特点及适用场合：

结构简单，价格便宜、测压范围宽，测量精度也比较高，在生产过程中获得了最广泛的应用。

Ø电气式压力计

●测压原理：

把压力转换为电阻、电容、电感或电势等电量，从而实现压力的间接测量。

●特点及适用场合：

反应较快，测量范围较广、精度可达0.2％，便于远距离传送。

所以在生产过程中可以实现压力自动检测、自动控制和报警，适用于测量压力变化快、脉动压力、高真空和超高压的场合。

●应变片式压力计

原理：

利用电阻应变片将被测压力转换为电阻值的变化：

再通过桥式电路获得mV级的电量输出，然后由二次仪表显示或记录。

K---应变系数或灵敏度系数，它表示金属丝导体产生应变时的电阻相对变化量。

测量电桥

●霍尔片式压力计

原理：

运用霍尔元件的霍尔效应，把被测压力作用下所产生的弹性元件位移转换为电势输出。

霍尔效应-----半导体单晶片沿z轴方向被置于恒定磁场中。

如果在它的y轴方向接入直流稳压电源，并有恒定电流沿y轴方向流过，则在晶体的x轴方向出现电势。

这种现象称为霍尔效应。

所产此的电势称为霍尔电势；单晶片称为霍尔元件或霍尔片。

4.压力检测仪表的选择

Ø压力检测仪表的选择主要包括仪表的型式、量程范围、精度与灵敏度、外形尺寸以及是否需要远传和其他功能，如指示、记录、报警控制等。

Ø选用的主要依据：

●必须满足工艺生产过程的要求，包括量程与精度。

●必须考虑被测介质的性质，如温度高低、工作压力大小、粘度、易燃易爆程度等。

●必须注意仪表安装使用的现场环境条化，如环境温度、电磁场、振动等。

Ø选择的主要方面：

●仪表量程的选择：

测量稳定压力（4/3被测压力最大值）;测量波动较大的压力（3/2被测压力最大值）；保证精度（被测压力最小值不低于量程的1/3）

●仪表精度等级的选择：

应根据生产工艺对压力测量所允许的最大误差来决定。

工业用（选1.5级或2.5级），实验室或校验用（选0.4级及0.25级以上）。

5.DDZ-Ⅲ型差压（压力）变送器

Ø作用：

将被测压力、流量等过程参数变换成4—20mADC输出信号，以便实现集中检测或自动控制。

Ø结构：

由测量和转换两部分组成。

（结构示意见书P74）

Ø工作原理：

Ø杠杆系统受力分析：

（见书P76）

可见：

●变送器的输出电流I0与其输入差压△Pi成比例。

●变送器的量程调整可以通过改变矢量机构的矢量角θ和电磁结构常数Kf来实现。

（式第一项）

●调节调零弹簧的作用力F0即可改变变送器的零点。

第四节流量检测仪表

1.有关流量的概述

✧流量-----指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积，即瞬时流量。

Ø流量的三种表示方法：

●体积流量Q---单位时间内通过管道某一截面的物料体积（m3/h）

●重量流量G---单位的间内通过管道某一截面物料的重量（kgf/h）

●质量流量M---单位时间内通过管道某一截面物料的质量（kg/h）

三者关系：

G=γQ=ρgQ=gM

2.各种主要类型流量计的性能比较与选用

第五节液位检测仪表

1.有关液位检测的概述

✧液位-----指密封容器成开口容器中液面的高低。

2.常用液位检测仪表

Ø浮力式液位计

原理：

根据阿基米德原理工作，即液体对一个物体浮力的大小等于物体所排开液体的重量。

原理图：

类型：

●恒浮力式液位计（在整个测量过程中其浮力维持不变，在工作时浮标随液位面低而变化，如浮标式、浮球式等液位计）；

●变浮力式液位计（它根据浮筒在液体内浸没的深度不同而所受浮力不同来测量液位，如沉筒式液位计）。

Ø静压式液位计

原理：

对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以，测出液体的静压力，即可知道液位高度。

原理图：

Ø电容式液位计

原理：

在平行板电容器之间充以不同介质时，其电容量的大小是不同的。

可以用测量电容量的变化来检测液位或两种不同介质的液位分界面。

原理图：

Ø激光式液位计

原理：

利用液位对光波的遮断和放射原理工作。

优点：

激光光能集中，强度高，而且不易受外来光线干扰，甚至在15000C左右的高温下也能正常工作。

另外，激光光束扩散很小，在定点控制液位时，具有较高的精度。

原理图：

3.液位检测仪表的选用

主要考虑以下几个方面：

●检测精度

●工作条件

●测量范围

●刻度选择

在选择刻度时，最高液位或上限报警点为最大刻度的90％；正常液位为最大刻度的50％；最低液位或下限报警点为最大刻度的10％。

●其他：

容器条件、测量介质的状态、安装条件、安全性、信号输出方式等

第六节成分分析仪表

1.有关成分分析的概述

✧分析仪表-----用来测量化学性质、化学成分、粘度、浓度、密度、重度、比重等这些参数的仪表。

✧流程分析仪表-----能够自动监视与测量工业生产过程中物料成分或性质的分析仪表。

2.常用成分分析仪表

Ø红外线气体分析仪表（略）

Ø气相色谱分析仪表（略）

Ø热磁式氧气分析仪表（略）

Ø氧化锆氧量分析仪表（略）