化工仪表及自动化课件.ppt

化工仪表及自动化,第三章 检测仪表与传感器,2,内容提要,概述测量过程与测量误差仪表的性能指标工业仪表的分类压力检测及仪表压力单位及测压仪表弹性式压力计电气式压力计智能型压力变送器压力计的选用及安装,3,内容提要,流量检测及仪表概述差压式流量计转子流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计漩涡流量计质量流量计,4,内容提要,物位检测及仪表概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计称重式液罐计量仪温度检测及仪表温度检测方法热电偶温度计热电阻温度计电动温度变送器,5,内容提要,一体化温度变送器智能式温度变送器测温元件的安装现代检测技术与传感器的发展软测量技术的发展现代传感器技术的发展,6,第一节 概述,用来检测压力,流量,物位及温度等参数的技术工具称为检测仪表。 用来将这些参数转换为一定的便于传送的（电或气）信号的仪表通常称为传感器。 当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。,7,第一节 概述,一、测量过程与测量误差,测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。,测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。,8,第一节 概述,绝对误差,xi：仪表指示值, xt：被测量的真值,由于真值无法得到,x：被校表的读数值，x0 ：标准表的读数值,相对误差,9,第一节 概述,二、仪表的性能指标,1. 精确度（简称精度）,说明：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值max。,相对百分误差,10,第一节 概述,仪表的允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“”号及“”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。,允许误差,根据仪表的使用要求，规定一个在正常情况下允许的最大误差，称为允许误差。,11,第一节 概述,举例,例1某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表时得到的最大绝对误差为4，试确定该仪表的精度等级。,解 该仪表的相对百分误差为,如果将该仪表的去掉“”号与“”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。,12,第一节 概述,例2某台测温仪表的测温范围为1000。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？,解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为,如果将仪表的允许误差去掉“”号与“”号，其数值介于0.51.0之间，如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为1.0，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。,13,例3：某被测温度信号在7080范围内变化，工艺要求测量误差不超过1，现有两台温度测量仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围是0100，另一台仪表的测量范围是0200，试问这两台仪表能否满足上述测量要求。,解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：|max|7010.7 测量范围为0100的仪表的最大允许绝对误差为：|max|11000.50.5 测量范围为0200的仪表的最大允许绝对误差为：|max|22000.51.0 根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为0.5级，但只有测量范围是0100的温度测量仪表才满足本题的测量要求。,14,第一节 概述,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。,精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。,仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。,举例,1.5,1.0,如：,15,第一节 概述,根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。,小结,16,第一节 概述,2.变差,变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）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。,图3-1 测量仪表的变差,必须注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则，应及时检修。,17,3.灵敏度与灵敏限,仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即,式中，S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。,仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。,注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。,18,第一节 概述,4.分辨力,对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。,不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。如，某表最低量程是01.0000V，五位数字显示，末位一个数字的等效电压为10V（.00001V）当数字仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率。分辨率与仪表的有效数字位数有关。如一台仪表的有效数字位数为三位，其分辨率便为千分之一。（.001）,19,第一节 概述,5.线性度,线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。,图3-2 线性度示意图,式中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。,20,6.反应时间,反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。,如果仪表尚未显示出被测值时，参数就变化了，则仪表就始终指示不出参数的瞬时值。故仪表反应时间的长短反映了仪表动态特性的好坏。,仪表的反应时间有不同的表示方法,当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2（95）所用的时间，可用来表示反应时间。,21,第一节 概述,三、工业仪表的分类,1. 按仪表使用的能源分类,气动仪表、电动仪表、液动仪表,以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。,一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。,优点,缺点,常用,22,第一节 概述,2. 按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类,检测仪表,作用是获取信息，并进行适当的转换。,显示仪表,作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。,集中控制装置,包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。,控制仪表,可以根据需要对输入信号进行各种运算。,执行器,可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。,23,第一节 概述,图3-3 各类仪表的作用,上述各种仪表在信息传递过程中的关系如下：,24,第一节 概述,3. 按仪表的组成形式分类,基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。,分为基地式仪表和单元组合仪表,25,第一节 概述,化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。,注意,单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。,26,第二节 压力检测及仪表,一、压力单位及测量仪表,压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。,压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）,为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。,27,表3-1 各种压力单位换算表,28,在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。,当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。,图3-4绝对压力、表压、负压（真空度）的关系,29,三种压力表示方法,绝对压力 pa表压力 p负压或真空度 ph,绝对压力是指物体所受的实际压力,表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即,真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即,由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。,第二节 压力检测及仪表,30,目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测 一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)弹性式压力检测 它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。(3)电气式压力检测 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。(4)活塞式压力检测 它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。 活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.050.02，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。,第二节 压力检测及仪表,31,液柱式压力检测是以液体静力学原理为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用U型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。,特点：直观、可靠、准确度较高等，但U形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。,用U形管进行压力检测，其误差来源主要有：温度误差由使用环境温度的变化引起的测量误差。 它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求U形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从10变到20时，其密度从999.8kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15。安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如 若倾斜5，读数误差约0.38。,第二节 压力检测及仪表,32,二、弹性式压力计,定义,弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。,优点,具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。,可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。,33,第二节 压力检测及仪表,1.弹性元件,弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。,图3-5 弹性元件示意图,弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。,34,第二节 压力检测及仪表,1.弹性元件,膜 片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；,35,第二节 压力检测及仪表,1.弹性元件,波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；,36,第二节 压力检测及仪表,1.弹性元件,弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。,37,2.弹簧管压力表,分类,使用的测压元件 单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。,用途 普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。,1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 调整螺丝；9 接头,弹簧压力表,38,基本测量原理,单圈弹簧管是一根弯成270圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。,39,注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。,其过程如下：弹簧管自由端B的位移通过拉杆2 使扇形齿轮3做逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转，在面板6的刻度标尺上显示出被测压力P的数值。由于弹簧的自由端的位移与被测压力之间具有正比关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。,游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮间的传动间隙而产生的仪表变差。改变调整螺钉8的位置，就改变了机械传动的放大系数，从而实现了压力表量程的调整。,40,第二节 压力检测及仪表,在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。,41,第二节 压力检测及仪表,图3-7 电接点信号压力表,1，4 静触点；2 动触点；3 绿灯；5 红灯,压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。,42,第二节 压力检测及仪表,三、电气式压力计,定义,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。,43,第二节 压力检测及仪表,图3-8 电气式压力计组成方框图,组成,一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。,压力传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。,44,第二节 压力检测及仪表,几种常见的传感器或变送器：,1.霍尔片式压力传感器,图3-9 霍尔效应,霍尔片为一半导体材料制成的薄片。在霍尔片的Z轴方向加一磁感应强度为B的恒定磁场，在Y轴方向加一外电场（接入直流稳压电源），便有恒定电流沿Y轴方向通过。电子逆电流方向运动，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一个断面上正电荷过剩，于是在霍尔片的X轴方向上出现电位差，称霍尔电势。这一现象称为霍尔效应。,霍尔效应：,45,第二节 压力检测及仪表,1.霍尔片式压力传感器,霍尔电势表示为,式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。,霍尔电势与磁感应强度B和电流I成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为320mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。,导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。,注意,46,第二节 压力检测及仪表,将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图3-10所示。,图3-10 霍尔片式压力传感器,1弹簧管；2 磁钢；3 霍尔片,当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。,利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。,霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。,47,第二节 压力检测及仪表,2.应变片压力传感器（导体）,应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。,图3-11 应变片压力传感器示意图,1应变筒；2外壳；3密封膜片,48,第二节 压力检测及仪表,2.应变片压力传感器,应变桶1的上端与外壳2固定在一起，下端与不锈钢密封膜片3紧密接触，两片康铜丝应变片r1,r2粘贴在应变桶的外壁。R1沿轴向贴，r2沿径向贴。当被测压力p作用于膜片是应变桶做轴向受压变形时，r1产生压缩应变1，阻值变小； r2产生拉伸应变2，阻值变大。桥路失去平衡，产生不平衡电压U作为传感器的输出信号。,1应变筒；2外壳；3密封膜片r3,r4为固定电阻,49,第二节 压力检测及仪表,2.应变片压力传感器,在桥路供给直流稳压电源最大为10V时，可得到最大U为5mV的输出。传感器的被测压力可达25MPa。由于传感器的固有频率在25000Hz以上，故有较好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。,1应变筒；2外壳；3密封膜片r3,r4为固定电阻,50,第二节 压力检测及仪表,3.压阻式压力传感器（半导体）,压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。 采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。 当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,工作原理,51,第二节 压力检测及仪表,图3-12 压阻式压力传感器,1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6等效电阻,特点,精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；,便于实现显示数字化；,可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。,52,第二节 压力检测及仪表,4.力矩平衡式压力变送器,力矩平衡式压力变送器（膜盒式差压变送器）是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为0.5级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。,构成,工作原理：力矩平衡,检测元件膜盒或膜片,杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构,53,DDZ-III型差压变送器,检测部分: P 输入力Fi,杠杆系统: 力的传递和力矩比较，生成位移信号,位移检测放大器: 位移 输出Io,电磁反馈装置: 输出反馈力Ff,RETURN,54,(1) 测量部分,作用：把被测差压P 转换成 作用于主杠杆下端的输入力Fi,A1= A2= A,Fi= A(P1 -P2) = AP,Fi= A1P1 -A2P2,因:,故:,55,(2) 杠杆系统,进行力的传递和力矩比较, 主杠杆,将Fi转换为F1, 矢量机构,将F1转换为F2, 副杠杆,将F2产生的力矩与Ff产生的力矩进行比较，生成位移变化,56, 主杠杆,将Fi转换为F1F1作用于矢量机构上,式中， 、 分别为Fi、F1离支点的距离。,为一比例系数,57, 矢量机构,将输入力F1转换为作用于副杠杆上的力F2,58, 副杠杆,进行力矩的比较,F2产生的力矩,Ff产生的力矩,合力矩,调零力F0产生的力矩,最终的合力矩,式中， 、 分别为F2及电磁反馈力 离支点O2的距离。,第二节 压力检测及仪表,59,(3) 电磁反馈装置,作用：把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff,当分力F2使副杠杆做逆时针转动时，与副杠杆相连的衔铁靠近差动变压器，从而改变差动变压器原、副边绕组的磁组合，使差动变压器副边绕组输出电压改变，经检测放大器放大后转变成直流电流Io，此时电流流过反馈线圈产生电磁反馈力Ff施加于副杠杆的下端，使副杠杆绕支点做顺时针转动。,Ff = KfI0,60,平衡时有,第二节 压力检测及仪表,61,(4) 整机特性,回放,62,63,5.电容式压力变送器,电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的420mA（DC）电流信号。,工作原理,图3-14 电容式差压变送器原理图,1隔离膜片；2，7固定电极；3硅油；4测量膜片；5玻璃层；6底座；8引线,先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。,64,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，作为电容的中央动极板，在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。,1隔离膜片；2，7固定电极；3硅油；4测量膜片；5玻璃层；6底座；8引线,图3-14 电容式差压变送器原理图,65,电容式差压变送器测量原理,2,66,相对变化值 与被测差压P成线性关系，且与灌充液的介电常数无关,67,第二节 压力检测及仪表,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，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。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0.2级。,小结,68,第二节 压力检测及仪表,四、智能型压力变送器,智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。,可进行远程通信,利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。,特点,69,第二节 压力检测及仪表,举例,以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。,图3-15 3051C型智能差压变送器（420mA）方框图,70,第二节 压力检测及仪表,图3-16 手持通信器的连接示意图,3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。,（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断,71,第二节 压力检测及仪表,72,补充：变送器的一些共性问题,（1）量程调整（2）零点调整和零点迁移（3）线性化 （4）变送器信号传输方式,73,量程调整,量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数,使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应,74,零点调整,使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值 xmin=0 相对应,x,75,零点迁移,使变送器的输出信号下限值ymia与测量范围的下限值xmin相对应，在xmin=0时，称为零点调整，在xmin0时，称为零点迁移,当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移,零点调整使变送器的测量起始点为零,零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值,xmin,xmax,xmin,xmax,76,线性化,原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系,模拟式变送器非线性补偿方法:,1.使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性,2.使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性,数字式变送器非线性补偿方法: 软件实现,77,变送器信号传输,气动变送器：,电动模拟式变送器：,HART通讯协议方式,数字式变送器：,两根气动管线（气源和信号）,二线制四线制,双向全数字量传输信号(现场总线通信方式 ),78,二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号,二线制,四线制,供电电源和输出信号分别用二根导线传输,电动模拟式变送器信号传输方式,二线制优点：节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰目前大多数变送器均为二线制变送器,79,三个方面选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。,量程,仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围关键：根据被测参数的大小来确定，同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。 测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3 测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的1/2 测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5 最小工作压力Pimin不低于满量程的1/3 仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。 在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,这只是一个一般经验要求，不是绝对的！,被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/3为宜。（经验要求而已）,1.压力计的选用,五、压力计的选用及安装,第二节 压力检测及仪表,80,仪表精度,根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,解：,由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为 0AMPa ，则,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4%=0.016 MPa这就要求所选仪表的相对百分误差为： 0.016/（1-0）*100%=1.6%按照仪表的精度等级，可选择1.5级的压力表。（1.5和2.5之间）,根据工作压力的要求：,81,仪表类型,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,输出信号类型,只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。,例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强；又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。,82,仪表类型,使用环境,对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合，应选择使用温度适当、温度系数小小的敏感元件以及其他变换元件。,上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,83,第二节 压力检测及仪表,举例,例3 某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为 根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150系列电接点压力表，测量范围为060MPa。,84,第二节 压力检测及仪表,由于 ，故被测压力的最小值不低于满量程的 1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为 所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,练习：课后24题、25题,85,2. 压力检测仪表的安装,分三种情况介绍：,一般压力检测仪表的安装特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等）压力变送器的安装,86,一般压力测量仪表的安装,无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程中都应注意以下几点：压力仪表必须经检验合格后才能安装压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏压力仪表尽可能安装在室温，相对湿度小于80，振动小，灰尘少，没有腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰压力仪表应垂直安装。一般情况下，安装高度应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于一般人的头部测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正导压管的粗细合适，一般为610mm，长度尽可能短，否则会引起测量迟缓取压点要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。,87,测量特殊介质时的压力测量仪表安装,测量高温（60以上）流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。如图(a)、(b),测量高压流体介质的压力时，安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处，以防发生以外。 测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来，如图(c)、(d),88,测量特殊介质时的压力测量仪表安装,测量波动剧烈（如泵、压缩机的出口压力）的压力时，应在压力仪表之前加装针形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器，如图(e),测量粘性大或易结晶的介质压力时，应在取压装置上安装隔离罐，使罐内和导压管内充满隔离液，必要时可采取保温措施，如图(f),测量含尘介质压力时，最好在取压装置后安装一个除尘器，如图(g)。,总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的放热、防腐、防冻、防堵和防尘等措施,89,差压变送器的安装,三个方面的内容： 取压口的选择 引压管的安装 变送器本身的安装,90,差压变送器取压口的选择,液体、气体、蒸汽？,被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道水平线成045角内，目的是保证引压管内没有气泡，两根引压管内液柱产生的附加压力可以相互抵消；,被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成045角内，其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液体。,被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成045角内。最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同。,91,在测量液体介质时，变送器只能安装在取样口之上时，在引压管的管路中应有排气装置，如图(a)所示，这样，即使有少量气泡，也不会对测量精度造成影响。在测量气体介质时，如果差压变送器只能安装在取样口之下时，必须加装如图(b)所致的贮液罐和排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。测量蒸汽时的引压管管路则如图(c)所示。,差压变送器引压管的安装,92,引压管的粗细合适，一般为610mm，长度尽可能短，否则会引起测量迟缓。引压管应按最短距离敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径一般不小于引压管外径的10倍。引压管的管路应保持垂直，或者与水平线之间不小于1:10的倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排除收集物。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。,引压管内径与引压管长度,93,差压变送器本身的安装,差压变送器通常必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组,差压变送器是用来测量差压的，但如果正、负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者关闭时，就会造成差压变送器单向受很大的静压力，有时会使仪表产生附加误差，严重时会使仪表损坏。为了防止差压计单向受很大的静压力，必须正确使用平衡阀。在启用差压变送器时，应先开平衡阀3，使正、负压室连通，受压相同，然后再打开切断阀1、2，最后再关闭平衡阀3，变送器即可投入运行。差压变送器需要停用检修时，应先打开平衡阀3，然后再关闭切断阀1、2。当切断阀1、2关闭，平衡阀3打开时，即可以对仪表进行零点校验。,94,一、概述 二、差压式流量计 三、转子流量计 四、 椭圆齿轮流量计 五、涡轮流量计 六、电磁流量计 七、漩涡流量计 八、质量流量计, ,第三节 流量检测及仪表,95,第三节 流量检测及仪表,一、概述,介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。,流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。,总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。,定义,96,第三节 流量检测及仪表,质量流量M（kg/s）,体积流量Q（ m3/s ）,如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是,流量计：测量流体流量的仪表。,计量表：测量流体总量的仪表。,97,第三节 流量检测及仪表,1.速度式流量计,以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。（差压式、转子式、电磁式、涡轮式等）,2.容积式流量计,以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。（椭圆齿轮式、活塞式）,3.质量流量计,以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。,分类,98,第三节 流量检测及仪表,二、差压式流量计（速度式）,差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。,通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。,99,第三节 流量检测及仪表,1.节流现象与流量基本方程式,（1）节流现象,流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。,节流装置包括节流件和取压装置。,100,节流件：在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。 压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流件。作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。,(a) 标准孔板,