过程控制电子档第二章2.2过程变量的检测.ppt

过程控制 第二章,第二章 过程建模和过程检测控制仪表,2.1过程建模2.2过程变量的检测2.3变送器2.4调节器2.5执行器2.6其他常用的单元仪表,2.2 过程变量的检测,2.2.1 概述2.2.2 温度检测2.2.3 压力检测2.2.4 流量检测2.2.5 物位检测2.2.6 其他参数的检测,过程控制 第二章,过程控制 第二章,过程变量检测-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。,概述,过程变量的检测与变送是实现过程变量显示和过程控制的前提，是过程控制工程的重要组成部分。,为了能在过程控制中正确选用合适的检测仪表，下面我们对检测的一些基本概念作简单介绍.,过程控制 第二章,一.测量误差,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。,1.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。相对误差-指绝对误差与真值或测量值之百分比。常见有下面三种表示方式：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。标称相对误差-是指绝对误差与仪表示值之百分比。引用相对误差-是指绝对误差与仪表的量程之百分比。,2.系统误差、随机误差与疏忽误差,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。,3.基本误差、附加误差和允许误差,过程控制 第二章,二.检测仪表的性能指标,1.精度等级,使用仪表前首先必须知道仪表的精度等级，以便估计测量结果与真实值的差距。,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。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0.54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。例：一台测温仪的工作范围为50550，工艺要求测量时绝对误差不超过6，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？,其中x1、x2为正、反测量的示值，变差产生的原因是由于仪表中弹性元件、磁化元件；机械结构中的间隙、摩擦等原因所致。,过程控制 第二章,2.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x之比来表示，即,灵敏限仪表能感受到并发生动作的被测量的最小值。,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，所得仪表两示值之间的差值。,3.变差（回差）,过程控制 第二章,三.仪表的选用,实现生产过程的自动化，不但需要有正确的控制方案，而且还需要正确合理地选用自动化仪表。仪表的选用应该从生产实际出发，结合过程的特点，根据工艺过程的实际需要来考虑。要综合考虑精度、功能、测量范围、适用场合、经济性等诸多因素，具体选用在后续章节中结合实例讨论。,注意：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。,有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0-100和100-300，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2，试确定这两台仪表的精度等级。,解 这两台仪表的最大引用误差分别为,一台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级为1级。,过程控制 第二章,2.2.2 温度检测,二.热电偶,三.热电阻,四.其它测温元件,一.概述,过程控制 第二章,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。,一.概述,测温方法（按测量体与被测介质接触与否）,1.接触式测温,原理：,特点：,简单、可靠、精度高,缺点：,滞后现象、产生化学反应、测量体受耐高温材料限制,过程控制 第二章,2.非接触式测温,原理：,特点：,温度上限原则上不受限制、测温快、可测量运动体的温度,缺点：,物体的辐射率、距离、烟尘、水汽等因素影响，精度较低,被测介质的辐射热来判断温度,常用温度计的种类及适用温度见下页图,过程控制 第二章,常用温度计的种类及适用温度见下图,过程控制 第二章,二.热电偶温度计,（一）.测温原理,t,t0,热电效应为基础,热电动势主要是由接触电动势组成的,+,-,扩散作用,电场作用,NANB,电动势的大小取决于接触点的温度和 A、B的材料,当两个接触点的温度不同时，便产生两个不同的接触电动势EAB(t)、EAB(t0),回路总电动势E(t，t0)=EAB(t)-EAB(t0),当热电偶材料一定时，E(t，t0)成为温度t0和t的函数差即E(t，t0)=f（t）-f(t0),如果使冷端温度t0固定，对于一定材料的热电偶，E(t，t0)=f（t）-C=(t),在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种材料的 导线两端温度相同，第三种材料导线的引入不 会影响热电偶的总热电动势。（p36证明）,过程控制 第二章,E(t，t0)=(t),若两接点温度相同，尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路 内的总热电动势也为零。,热电偶回路内的总热电动势与A、B材料的中间温度无关，只 与接触点温度有关。,说明：若组成热电偶回路的两种导体相同。则无论两接点温度如 何，回路的总热电动势为零。,补偿导线：保证热电偶冷端温度不变，使得电动势E与温度 呈单值关系；它的作用是把热电偶参考端移至离热 源较远及环境温度较恒定的地方。,过程控制 第二章,(三)热电偶的补偿导线,(二)热电偶回路,过程控制 第二章,(四)热电偶的冷端温度补偿,必须注意的是：补偿导线只起延长电极的作用，将其冷端延伸到 温度比较稳定的地方。但是热电偶冷端暴露在大 气中，受环境温度波动的影响较大。由国家规定的分度表（热电动势与温度t的关系）是规定冷端温度t0=0C时制定的。,冷端恒温法：冷端放在恒温装置中，该法多用于实验室。,补偿电桥法：利用不平衡电桥产生 的热电势补偿热电偶 因冷端温度的变化而 引起的热电动势的变化。,冷端温度补偿：保证冷端温度不变或者使t0的温度为0C。,过程控制 第二章,利用补偿导线或冷端温度补偿使热电偶冷端温度相对恒定，但只要冷端温度不为0度，则必须对指示值进行校正，因为与热电偶配套使用的仪表都是根据标准的分度表进行刻度的，因此当冷端温度不为0时，为求得真实温度，可利用下式进行修正。,证明：由热电偶回路热电势平衡方程 冷端 t=t0 时，E(t,t0)=E(t)-E(t0)冷端 t=tn 时,E(t,tn)=E(t)-E(tn)两式相减得E(t,t0)E(t,tn)E(tn)-E(t0)E(tn,t0)在t0=0 时（分度表条件），E(t,0)E(t,tn)E(tn,0),E(t,0)E(t,tn)E(tn,0),计算校正法,过程控制 第二章,1.热电极 工作部分 2.保护套管 保护热电偶不直接与恶劣、特殊环境接触 3.绝缘子或绝缘套管 防止电极与电极、套管短路 4.接线盒,(五)热电偶的外形结构,为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。,过程控制 第二章,手柄式,补偿导线式,无固定装置式,固定螺纹式,活动法兰式,过程控制 第二章,（七）、热电偶材料和常用热电偶 1、热电偶材料 常用的热电偶材料有铜、铁、铂铑合金和镍铬合金等。2、常用的热电偶（p38）,（六）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；热电性质稳定；化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；具有较好的延展性，易于加工；复现性好，便于批量生产和互换。不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。,过程控制 第二章,1.精度高2.测量范围宽：-200OC1800OC3.响应时间快4.稳定性、复现性较好5.在小范围内，热电动势与温度基本呈单值、线性关系,(八)热电偶的特点,铂电阻：物理、化学性质稳定，测温精度高。铜电阻：价格便宜，电阻与温度几乎呈线性关系。在-50150 C测温范围内稳定性好，超过100C易被氧化。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，测温范围较窄（-50300 C）,过程控制 第二章,（一）.测温原理,三.热电阻温度计,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。,（二）.特点,在测量150以下温度时，它的输出信号比热电偶大得多。测量精度高，性能稳定；同时又不需要冷端温度补偿。所以在中低温（-270900 C)测量中得到了广泛的应用。,（三）.工业热电阻种类,）。,过程控制 第二章,（三）.热电阻阻值与温度的关系,b.铜电阻：,a.铂电阻：,过程控制 第二章,（四）热电阻的接法,过程控制 第二章,（五）热电阻的结构外形,过程控制 第二章,结构组成：一般包括电阻体、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分。,过程控制 第二章,d.安装时要求仪表与介质充分接触；注意使用现场的工作环境，合理 选择仪表的精度和量程，正确选择安装位置，采用正确安装方法 等保证仪表正常工作。,（六）热电阻热电偶的选择与安装使用,a.热电偶用于较高温度测量，500度以下用热电阻；,b.热电偶使用时注意正确使用补偿导线的类型并注意配套连接,c.热电阻测温应该注意三线制接线方法；也可以 采用四线制接法。,过程控制 第二章,四.其它测温元件,一、膨胀式温度计,双金属温度计 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,玻璃温度计,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,过程控制 第二章,二、压力式温度计,利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。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）。,过程控制 第二章,（三）红外线测温仪（非接触式测温）,由于不同温度的物体都有不同的红外辐射，而红外测温就是通过对物体红外辐射的测量来确定物体的温度。,过程控制 第二章,温度测量仪表的掌握要点：1.工业上通常采用的测温方法有哪些？2.热电偶和热电阻测温的原理分别是什么，各有什么特点？3.热电偶测温为什么要进行冷端温度补偿？4.热电阻测温为什么通常采用三线制接法？5.会查用热电偶分度表6.补偿导线和冷端温度补偿的目的分别是什么？,2.2.3 压力检测,过程控制 第二章,二.液柱式压力表,三.活塞式压力表,五.电气式压力表,一.概述,四.弹性式压力表,六.压力仪表的选用,过程控制 第二章,一.概述,压力是保证工艺要求、生产设备和人身安全及生产过程正常运行的一个必要条件。而且温度、流量、液位等往往也通过压力来间接测量，所以压力检测在生产过程自动化中具有特殊重要的地位。,工程上所说的压力就是物理学中的压强，即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-kgf/cm2标准大气压-atm毫米汞柱-mmHg毫米水柱-mmH2O单位之间的换算关系见教材p47 表2-12,（二）.压力定义及压力单位,（一）、压力检测,过程控制 第二章,压力有三种表示方法：绝对压力、表压、负压或真空度。,负压或真空度Pv-指大气压与低于大气压的绝对压力之差，即Patm-Pabs,（三）.压力的表示方法,表压Pg-指高于大气压的绝对压力与大气压力之差，即Pabs-Patm,绝对压力Pabs-指介质所受的实际压力。以绝对压力零线 作起点计算的压力。,过程控制 第二章,（四）.压力表的种类,工业压力表通常按敏感元件的类型进行分类：液柱式压力表活塞式压力表弹性式压力表电气式压力表,过程控制 第二章,根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱的高度来测量的。,二.液柱式压力表,过程控制 第二章,三.活塞式压力表,根据液压机传递压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量。,测量原理：G=PS 所以P=G/S精确度高常用作标准仪表，检验其它压力计,过程控制 第二章,四.弹性式压力表,根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成为位移，再通过机械传动和放大，推动指针偏移来测量的，如：弹簧管压力表、膜片、波纹管式压力表。,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。,弹簧管式压力表动画,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。电阻丝应变片是用0.025mm的具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的电阻值，电阻丝排列成网状，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接有引出导线，线栅上面粘贴有保护层。,过程控制 第二章,五.电气式压力表,将被测压力转换成电势、电容、电阻等电量的变化间接测量压力。,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。,（一）.应变片式压力计,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。,过程控制 第二章,单根电线的电阻为：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。,（二）.霍尔片式压力计,选择的主要依据：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。选择的主要方面：仪表量程的选择：对于弹性式压力表，为了保证弹性元件在弹性 形变范围内可靠工作，确定量程时要留有余地：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）；被测压力最小值不低于量程的1/3。我国出厂的压力表有统一的量程系列，1.0kPa，1.6kPa，2.5kPa,4.0kPa，6.0kPa以及它们的10n倍数（n为整数）。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0.5级以上）。,过程控制 第二章,六.压力仪表的选用,例题：一压力容器在正常工作时压力变化范围为0.40.6MPa,要求使用弹性压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程与精度等级。,过程控制 第二章,过程控制 第二章,2.2.3 流量检测,二.差压流量计,三.其它流量计,一.概述,过程控制 第二章,一.概述,流量是现代工业生产过程自动化的重要过程参数之一，常用测量和控制流量来确定物料的配比与消耗量。,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。,（一）、流量的三种表示方法：体积流量qv-单位时间内通过管道某一截面的物料体积（m3/h）重量流量qG-单位的间内通过管道某一截面物料的重量（kgf/h）（N/h）质量流量qm-单位时间内通过管道某一截面物料的质量（kg/h）三者关系：qm=qv qG=gqm=gqv=qv 流体重度,速度式流量计根据流体力学，通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。包括差压流量计、转子流量计、涡轮流量计等。容积式流量计采用单位时间所内排出固定容积的量来计算流体总量。精度较高。包括椭圆齿轮流量计、旋转活塞流量计等。质量流量计计量可压缩流体的质量通过量。一种是通过直接检测与质量流量成比例的参数来实现质量流量的直接测量，另一种是通过检测体积流量与密度计的组合来实现质量流量的间接测量。,过程控制 第二章,流量检测方法多达百种，用于工业生产的有十余种；按测量途径大致分为三大类：,（二）、流量检测方法,高温高压、低温低压场合；高粘度、低粘度、强腐蚀性；层流、紊流、脉动流；范围从每秒数滴到每小时数百吨；管道直径从数毫米到1米以上等,过程控制 第二章,二.差压流量计,差压式流量计使用历史最久、最常用的一种流量计。它是根据节流原理利用流体流经节流装置时产生的压力差来测量流量的。,（一）、节流装置测流量的基本原理,由流体力学，流体在管道中流动时，具有动能和位能，并在一定条件下相互转换，但总能量不变。,如右图，水平管道中垂直安装一块孔板，在节流装置的上下游之间会产生压差，流量越大，压差也越大，流量与压差之间存在一定关系。,过程控制 第二章,不计阻力损失，由伯努力方程，可得,由连续性方程，可得,联立求得,这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟，一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的70。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量都采用这种表计。,过程控制 第二章,过程控制 第二章,三.其它流量计,（一）.涡轮流量计,涡轮流量计的原理：在管道中心安放一个涡轮，当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量,过程控制 第二章,（二）.漩涡流量计,漩涡流量计的原理：在管道中横向设置阻流元件，使流体流过柱状物之后形成两列漩涡，根据漩涡出现的频率来测量流体流量。因为漩涡呈两列平行状，并且左右交替出现，犹如街道两旁的路灯，故有“涡街”之称。,过程控制 第二章,电磁流量计的原理：电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。,（三）.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所以有：q=K Ex,其测量精度和灵敏度都较高。工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。可测最大管径达2m，而且压损极小。但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。电磁流量计造价较高，且信号易受外磁场干扰，影响了在工业管流测量中的广泛应用。为此，产品在不断改进更新，向微机化发展,过程控制 第二章,超声波流量计的原理：基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和原理而设计的。它也是由测流速来反映流量大小的。超声波流量计虽然在70年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，并可与超声波水位计联动进行开口流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。,（三）.超声波流量计,过程控制 第二章,2.2.5 物位检测,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；,过程控制 第二章,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容式物位计超声波物位计,过程控制 第二章,（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。,过程控制 第二章,（二）、浮力式物位计,利用浮子高度随液面变化而变化的原理工作。,过程控制 第二章,（三）、压差式物位计,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。,过程控制 第二章,原理：利用容器里的液位高度产生的静压力随其液位变化而变化的原理进行工作。,对于不可压缩的液体，液位高度与液位的静压力成正比：,静压式液位计,过程控制 第二章,（四）、电容式物位计,如右图所示，两个同轴圆筒极板组成的电容器，在两筒之间充以介电常数为的介质时，则两筒间的电容量为：,金属棒 作为内电极，外面套上一层绝缘套。导电液体和金属容器一起 作为外电极。若忽略液面以上部分的电容量，则,过程控制 第二章,电容式液位计,（一）.测量导电液体时,两个同心圆柱状电极；绝缘容器。被测液体的介电常数为 液面上气体的介电常数为0 当容器内液面发生变化时，两极板间的电容量C就会发生变化。,过程控制 第二章,（二）.测量非导电液体时,气体介质间的电容量C1和液体介质间的C2分别为：,过程控制 第二章,思考？为什么测量导电液体的液位时，液面以上部分的电容量就可以忽略呢？,过程控制 第二章,（五）、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）。,过程控制 第二章,2.2.6 其他参数的检测,成分分析仪表分析仪表-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。常用成分分析仪表红外线气体分析仪表（略）气相色谱分析仪表（略）热磁式氧气分析仪表（略）氧化锆氧量分析仪表（略）,