《检测仪表》PPT课件.ppt

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1、温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。温度检测方法,一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。有接触式测温通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。非接触式测温通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。,1.1 温度检测仪表,一、接触式测温仪表有：1、膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。有液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。,玻璃管温度计,电接点式玻璃管温度计,固体膨胀式温度计：用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。若将双金

2、属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。,双金属片常用来做温度报警或控制,随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。,如图是一双金属温控器。,继电器,原理:封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。,2、压力式温度计利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。,用压力表指示温度。,3、热电偶温度计 根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路时，若两个接点温度不同，回路中便出现毫伏级的热电势，这电势可准确反映温度。

3、4、热电阻温度计 利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。5、半导体温度计 利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性，通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。,红外线测温计,光学高温计,1、辐射式温度计 通过测量物体热辐射功率来测量温度。2、红外式温度计 通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。,二、非接触式测温的具体方法有：,1.1.2 热电偶热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV）。特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量5001600之间的温度。1.1.2.1 热电偶的测温原理将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接

4、点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。,1、接触电势 当不同导体A、B接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。其大小取决于两种材料的种类和接触点的温度。,NA(t)、NB(t)自由电子密度；e 单位电荷,2、温差电势 对于同一金属A（或B），其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为温差电势。热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。,3、回路总电势 热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成：EAB（t，t0）=e A

5、B（t）-e AB（t0）此计算式中，有的常数很难确定，无法实用。实际中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结论：对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。当冷端温度固定时，E（t，t0）是热端温度 t 的单值函数。,1.1.2.2 热电偶的基本定律,1、均质导体定律 由一种均质导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何，以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。因此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成。其截面和长度不限。,2、中间导体定律 在热电偶回路中接入另一种中间导体后，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响。,因为热电

6、偶在使用时，总要将热电偶回路打开，接入测量仪表，即插入第三种导体。,有 EABC(t，t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)当 t=t0 时 有 eAB(t0)+eBC(t0)+eCA(t0)=0 即 eBC(t0)+e CA(t0)=e AB(t0)则 EABC(t，t0)=e AB(t)e AB(t0),设将热电偶AB一端打开，接入第三种导体C,由此可知，只要接入第三种导体的两个连接点温度相等，它的接入对回路电势毫无影响。这一结论可以推广至接入多种导体。,3、中间温度定律 一支热电偶在两接点温度为t、t0 时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t、ta和ta、t0时

7、的热电势之代数和。即 E AB(t，to)=E AB(t,0)E AB(to,0)据此，只要给出冷端为0时的热电势关系EAB(t,0)，便可求出冷端任意温度时的热电势。,热电偶的构造 热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等。,1.1.2.4 热电偶类型,理论上任何两种导体或半导体都可以组成热电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电势分度表。,几种常用的标

8、准型热电偶简介,铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵，但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量1100以上的高温。,镍铬镍硅（K）线性度最好 镍铬康铜（E）灵敏度最高 铜康铜（T）价格最便宜,不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特性关系不同。,1.1.2.5 热电偶冷端温度补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。所以使用时，需保持热电偶冷端温度恒定。但热电偶的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的替代品来延长热电偶，称为补偿导线。

9、,根据中间温度定律，补偿导线和热电偶相连后，其总的热电势等于两支热电偶产生的热电势的代数和。E(t,t0)=E偶(t,t n)E补(t n,t0),用补偿导线延长热电偶的必须条件是：补偿导线的热电特性在低温段与所配热电偶相同。因此，不同的热电偶配不同的补偿导线。,E(t,t0),*使用补偿导线只是将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方，而标准热电势要求冷端温度为零度，为此还要采取进一步的补偿措施。1查表法（计算法）如果某介质的温度为t，用热电偶进行测量，其冷端温度为t0，测得的热电势为EAB（t,t0）。根据中间温度定律，有 EAB（t,0）EAB（t,t0）EAB（t0,0）得出标准热电势E

10、AB（t,0），再查分度表就可得出被测温度。,例 用K型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t0）36.122mV，而自由端的温度t030，求被测的实际温度。解 由分度表可以查得 E（30，0）1.203mV则 E（t，0）E（t，30）+E（30，0）36.122+1.20337.325mV 再查分度表可以查得37.325mV 对应的温度为900。计算法适用于实验或临时测温。,镍铬镍硅热电偶分度表（简表）分度号 K t0=0，E/mV,幻灯片 24返回,2、仪表零点调整法 如果热电偶冷端温度比较稳定，与之相接的显示仪表又可以调整零点，那么在测试前，将仪表指针就调整到冷端温度处，再开

11、始测量。此法比较简单，但由于冷端温度（室温）也有波动，所以只能在测温要求不太高的场合下应用。,3、冰浴法 把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中，然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持冷端为0。这种方法多数用于热电偶的检定。,补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。,*4、补偿电桥法,*5半导体PN結补偿法 利用半导体PN結电压随温度升高而降低的特性自动补偿热电偶的冷端温度引起的误差。图中半导体三极管基极结电压V be随温度升高而降低。将V be放大后即可输出。,只要保持三极管集电极电流 Ic 恒定，冷端补偿电压e0 即与冷端温度成正比。,Vbe

12、,由于热电偶安装位置的温度通常较高，过高的环境温度对检测电路的工作不利。有时需要用导线将热电偶的冷端延长！,热电阻 对于500以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。金属热电阻 金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值随温度升高而增大。具有正温度系数。,温度系数,工业中用得最多的是铂电阻和铜电阻，也有镍电阻、铟电阻、锰电阻及碳电阻等用于低温及超低温测量。,电阻温度系数大，电阻率大；在测温范围内物理化学性能稳定；温度特性的线性度好。,作为工业用热电阻的材料要求：,电阻温度关系：R t=R0(1+At+Bt2)铂电阻有两种分度号：Pt

13、10,Pt100,1.铂电阻 铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为-259+630 间的基准器，但线性度稍差，常用于-200+500 温度测量。,2.铜电阻 铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于-50+100 温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50，Cu100。电阻温度关系：R t=R0(1+t)(-50150),普通热电阻结构,热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是，以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电感。此外，还有薄膜型热电阻。,3.热电阻的三线制接法 电阻测温信号通过电桥转换成电压时

14、，热电阻的接线如用两线接法，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，必须用三线接法。题目：热电阻的两线制接法、三线制接法、四线制接法？它们各自的优缺点。,电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻必须用三线制接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。,1.1.4 热敏电阻 半导体材料的电阻值具有负温度系数，可以作温度传感元件，特点是：,电阻率大电阻体积小，响应快；温度系数大灵敏度高；非线性严重影响精度。温度特性分散互换性差,1.1.5 温度变送器 检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。,数字控制

15、系统的信号标准有：FF协议、HART协议等,模拟控制系统的信号标准是：型：010mA、010V III型：420mA、15V,模拟式温度变送器,模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但结构基本相同。,E1,下面具体分析各环节的工作原理。1输入电路 热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥电路。电桥的功能是实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调整。,Ei=Et+VRcu VR4,冷端补偿设计：VRcut0=E(t0,0),Ei=Et+VRcuVR4=Et+VRcut0+VRcu0 VR4,调R4实现量程调整。,冷端补偿：VRcut0=E(t0,0)

16、,VRcut0t 0度时Rcu上压降增量,VRcu0 0度时Rcu上压降，,标准热电势,零点调整,大幅度的零点调整叫零点迁移。实用价值是：有些工艺的参数变化范围很小，例如，某设备的温度总在5001000之间变化。如果仪表测量范围在0 1800之间，则500以下、1000以上的测量区域属于浪费。因为变送器的输出范围是一定的。可通过零点迁移，配合量程调整，使仪表的测量范围在5001000之间，可提高测量精度。,Ei=Et+VRcut0+VRcu0 VR4,零点调整,图2.26 温度变送器的零点迁移和量程调整,RP1为零点迁移电位器，RP2为量程迁移电位器，改变RP2，可改变反馈电压Vf的分压比，即

17、改变反馈强度，因而改变整个变送器的量程。,差动输入：,实际输入电路,Et+VRCU IC2+VRP1+VRP2 IC2-,调RP1、RP2互相影响。,2、放大电路 由于热电偶输出的热电势为毫伏级信号，放大电路必须是高增益低漂移的运放，同时还要采取抗干扰措施。因为测量元件和连接导线在现场很容易引入干扰。例如用热电偶测量电炉温度时：,3、反馈电路 在反馈电路中需要完成量程调整和非线性校正两个功能。量程调整实质上是调整放大电路的闭环放大倍数，通过调节反馈电阻的大小就可实现。而非线性校正则需要一个校正网络来实现。,实际反馈电路,电源变送器的供电电源是+24V。为了提高变送器的抗共模干扰能力和有利于安全

18、防爆，放大器需要在电路上与电源隔离。,为此，24V直流电源经调制解调后，获得9V的直流电压供给运算放大器。,4、DDZ-III型热电偶温度变送器的实际线路（简图）,近年来，已推出小型固态化温度变送器和一体化温度变送器，它将传感元件与测量电路一体化，电路高度集成，自带冷端补偿功能，24VDC供电。,智能温度变送器 智能变送器是采用微处理器技术的现场型仪表。可输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线通信网络与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。,总结 温度检测与变送-分类,压力：均匀垂直作用在单位面积上的力。,绝对压力P:物体所承受的实际压力,绝对真空 Po=0,环

19、境大气压力Patm,真空度：大气压力与低于大气压时的绝对压力之差。Pv-Patm0,表压力：高于大气压力时绝对压力与大气压之差。Pg-Patm0,高压侧-“正压”侧,低压侧-“负压”侧,1.2 压力检测与变送-概念,帕斯卡：-1N力垂直作用在1m2面积上所形成的压力。,工程大气压：,1.2 压力检测与变送-概念,(1)弹性式压力检测,原理：根据弹性元件在弹性限度内受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量。,要求：结构简单、低廉、精度高、有效测量范围广（0.98Pa-100MPa）、能远距离传送信号。,薄膜式弹簧管式波纹管式,微压和低压的测量。,高压、中压或真空度测量。,1.2 压力检测与

20、变送-分类,弹簧管式,薄膜式,波纹管式,1.2 压力检测与变送-分类,(1)弹性式压力检测,被测压力为负压时，截面变扁，a变大，b变小；,不锈钢、磷青铜的弹簧管刚性大，用来测高温；黄铜的弹簧管刚性小，可用以测低压；测量范围：0-0.006Mpa，0-1000Mpa,A端与被测压力介质导通，B封闭为自由端。弹簧管内空，呈椭圆形。,被测压力为正压时，弹簧管截面椭圆变为圆形，a减小，b增大，自由端产生位移，位移与压力呈正比。,原始 越大，b越短，同样压力下的角位移 越大，仪表灵敏度越高。,1.2 压力检测与变送-分类,(1)弹性式压力检测-单弹簧管,(2)电气式压力检测,原理：将被测压力的变化转换为

21、电阻、电感、电容等电气量变化，实现压力间接测量。,特点：反应迅速、易于远距离传送。耐高温、耐腐蚀、耐冲击。适用于快速变化，脉动电压及超高压场合。,1.2 压力检测与变送-分类,压电式:利用晶体的压电效应。电阻式:将被测压力转换为电阻的变化量.,1.2 压力检测与变送-压力变送器,1.2 压力检测与变送-压力变送器,压力、负压、绝对压力、差压,1.被测压力种类：,温度、粘度、腐蚀性、易燃、易爆,2.被测介质物理、化学性质：,被测介质状态：,气体、液体、固体、气固、气液、固液,就地记录、指示；远传；校验标准,3.测压目的：,1.2 压力检测与变送-压力表选型,4.测压变化范围，确定量程：,为保证弹

22、性元件在弹性范围内，量程必须留有余地；,稳定时，最大压力值不超过满量程的2/3；,波动较大时，最大压力值不超过满量程的1/2；,最小压力值不低于满量程的1/3；,瞬时流量：单位时间内流过管道横截面的流体数量。,体积流量：流体数量用体积表示 qv=vA（l/h）,质量流量:流体数量用体积表示 qm=vA(kg/h),管道中某一截面的流速,截面积,流体密度,积累流量:某一时间段内流过管道横截面的流体总和。,流量计,计量表,1.3 流量检测与变送-概念,1.3 流量检测与变送-分类,体积流量检测法,质量流量检测法,容积法:单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地测量，以排出流体固定容积数来计算流

23、量。,速度法:流体平均流速乘以管道截面积,直接法,间接法:体积流量乘以流体的密度自动计算得到,原理：通过测量流体经过固定小容积的次数来计量流量。,1.3 流量检测与变送-容积式流量计,原理：利用体积流量与转速的关系，将转速转化为电脉冲数，确定流量。,(1)叶轮式,(2)涡轮式,涡轮叶片永磁铁脉冲流量。水轮发电机组,叶轮齿轮减速器指针；水表；精度在2级左右。,1.3 流量检测与变送-速度式流量计,流体以v1流动，静压力为p1,流经孔板后，在A点流速达到最大 v2，静压力最小p2,到B点流速恢复到v3，但静压力存在损失，为p3,流经孔板流量越大，孔板前后静压差越大。,1.3 流量检测与变送-差压式

24、流量计,根据贝努利方程与能量守恒定律有：,（不可压缩流体),（截面积变化，引起V变化）,流量与压差成开方关系,（1）不可压缩流体测量,确定流量与压差的关系来取流量,1.3 流量检测与变送-差压式流量计,（2）可压缩流体(如空气、蒸汽、烟气等),为膨胀系数,1,为流量系数，与节流装置，取压方式有关，可查阅设计手册。,注：,1.3 流量检测与变送-差压式流量计,差压流量变送器,开方运算-采用电阻-稳压二极管的组合来分段线性化逼 近非线性函数。,P=f(q)=q2通过差压测得,f()=()=Ir2,1.3 流量检测与变送-差压式流量计,原理：采用恒压变截面原理。适用于200mm,垂直小流量测量。,若

25、F浮FG,则转子上升，流通面积增加，P下降，F浮下降，使 F浮与FG 趋于平衡。,F浮:转子上下侧压力不同P造成上托力；,FG:转子材质高于流体，转子重力等于转子受到浮力,转子位置与被测物理流量对应：,1.3 流量检测与变送-转子式流量计,被测介质的体积流量与浮子在锥管中的高度成近似线性关系，即流量越大，浮子所处的平衡位置越高,原理：漩涡出现的频率测量介质流量。无需加开方电路，便于计算采集。,若h/l=0.281，漩涡产生稳定周期现象，即漩涡频率f稳定。,漩涡列间距,漩涡间距,1.3 流量检测与变送-旋涡式流量计,1.3 流量检测与变送-质量流量计,利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正

26、比的科氏力制成.,压电换能器,出口侧振动信号相位超前于入口侧振动信号相位的规律，二种信号的相位差与流过的质量流量成正比。测量精度高、结构简单，适用于中小尺寸的管道中黏度和密度相对较大的流体的流量检测。,(1)根据被测介质性质和测量目的选型(2)安装：,1.3 流量检测与变送-流量计选型,连通器:利用连通器原理直接测得液位高度，适用于就地测量。,1.4 液位检测与变送-直读式,在设备容器侧壁开窗口或设置旁通管方式，直接显示物位的高度。适用于容器压力不高和只需就地指示场合,利用浮子随液位的升降来反映液位的高度。,1.4 液位检测与变送-浮力式,利用电阻率相差较大的两种介质特性来测量液位。若导通，则

27、采用氖灯显示，表示液位高度。,1.4 夜位检测与变送-电接点式,差压式,静压式,1.4 液位检测与变送-压力式物位计,1.4 液位检测与变送-电容式物位计,电容的变化量与液位高度之间的关系,当电容器的结构尺寸和介质特性一定时，电容变化量与液位高度成正比关系；而且容积中两种介质的介电常数之间差距越大，电容变化量也越大，即物位计的灵敏度越高。,1检测精度,2工作条件,3测量范围,测量范围大：电容式液位计2m以上：差压式液位计,4刻度选择（量程）,1.4 液位检测与变送-物位计选型,成分：在多种物质的混合构成中某一物质所占比率.,成分分析目的：提取某物质比率，以提高产品质量、降低能耗、保证生产安全、

28、防止环境污染。,要求：现场安装，自动取样及分析预处理、信号处理、远传。性能稳定，连续可靠运行。,1.5 成分检测仪表,采用微处理器和先进传感器技术;可以输出数字和模拟信号;精度、稳定性和可靠性高，通过现场总线网络与上位计算机相连。,补充 智能检测仪表-结构,补充 智能检测仪表-流量积算器,对来自流量传感器的脉冲信号或模拟信号进行处理，得到瞬时流量值和累积流量值,补充 智能检测仪表-智能温度变送器,采用HART通信协议的智能温度变送器，在两根输送线上既可以传送4-20mA.DC模拟信号，又可以接收和发送数字信号。,通过传感器完成被测变量的检测，并根据系统要求以标准信号输出测量值或控制值,保证上、下位机按HART通信协议进行正常通信,补充 智能检测仪表-智能温度变送器,温度检测仪表小结,温度测量,热电阻,温度变送器,测量方法,非接触式,接触式,检测仪表的基本技术指标,热电偶,压力检测仪表小结：,流量检测仪表小结,液位检测仪表和成分分析仪表小结,本章总结,