化工仪表第3章1压力检测.ppt
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1、化工仪表及自动化,第三章 检测仪表与传感器,测量过程与测量误差:测量值、真值、绝对误差、相对误差 仪表的指标性能:一、精确度:量程:测量范围上限值与下限值之差。允许误差:正常情况下允许的相对百分误差的最大值。,第一节 概 述,检测仪表的主要性能指标,目前,按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有:0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。所谓的0.5级仪表,表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5,以此类推。精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上:,1.5,精度等级为0.4级的压力表,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精
2、度等级数值越小,表示仪表的精确度越高。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表,而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。,例1:某压力变送器测量范围为0400kPa,在校验该变送器时测得的最大绝对误差为-5kPa,请确定该仪表的精度等级。,解:先求最大相对百分误差,去掉 和%为1.25,因此该变送器精度等级为1.5 级,例2:根据工艺要求选择一测量范围为040m3/h的流量计,要求测量误差不超过0.5 m3/h,请确定该仪表的精度等级。,解:同样,先求最大相对百分误差,因此该流量计必须选择 1.0 级的流量计,结论:工艺要求的允许误差 仪表的允许误差 校验所得到的相对百分误差,
3、检测仪表的主要性能指标,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。,检测仪表的主要性能指标
4、,在外界条件不变的情况下,使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程(即逐渐由小到大和逐渐由大到小)测量时,对应于同一被测值的仪表输出可能不等,二者之差的绝对值即为变差。变差的大小,根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示:,检测仪表的主要性能指标,二、变差,仪表的灵敏度是表征仪表指针的线位移或角位移与引起这个位移的被测参数的变化量的比值,即,灵敏度y/x,仪表的灵敏度-在数值上等于单位被测参数变化量所引起的仪表指针移动的距离或转角。仪表的灵敏限-引起仪表指针发生动作的被测参量的最小变化量。,检测仪表的主要性能指标,三、灵敏度和灵敏限,检测仪表的
5、主要性能指标,四、分辨力,分辨力是数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。它也是灵敏度的一种反映。对数字式仪表来说,分辨力就是数字显示仪表变化一个LSB(二进制最低有效位)时输入的最小变化量。不同量程分辨力是不同的,相应于最低量程的分辨力为该表的最高分辨力,也叫灵敏度。,五、线性度非线性误差,在通常情况下,总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。,通常非线性误差用实际测得的输入输出特性曲线(也称为校准曲线)与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示:,检测仪表的主要性能
6、指标,检测仪表的性能指标,4.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。,仪表反应时间的长短,实际上反映仪表动态特性的好坏。,相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态(静态)误差。动态误差是指检测系统受外扰动作用后,被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。,检测仪表的主要性能指标,补充:动态误差,检测仪表的主要性能指标,衡量各种运动惯性的大小,以及能量传递的快慢常采用时间常数T和传递
7、滞后时间(纯滞后时间)两个参数表示(这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数T和纯滞后时间的数学含义是一致的)。它们的存在会降低检测过程的动态性能,其中纯滞后时间的不利影响远远超过时间常数T的影响。,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、液动仪表液压机构是以液压油为动力源来完成预定运动要求和实现各种机构功能的机构。气动机构是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号的机构。电动机构是将电信号转换成相应的角位移或直线位移去操纵阀门、挡板等控制机构以实现自动控制。,工业仪表的分类,2、按信息的获得、传递、反映和处理的过程分:信息获取的工具,即传感器、变送器、检测仪表
8、。信息显示的工具,即指示仪表、记录仪表、报警器、信号器、打印机、屏幕显示器等。信息传送的工具,即信号输入输出装置、遥测遥信遥控装置、数据通信装置等。信息处理的工具,即调节器、运算器、顺序控制器、批量控制器、工业控制计算机等。信息执行的工具,即电磁阀、气动阀、液动阀、各种电动、气动、液动执行机构等。,3、根据工作原理的不同分,自动化仪表发展趋势逐步实现全数字式的、开放式的控制网络;控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制;控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制;由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置,发展为以微型机构成的数字调节器和自适应
9、调节器;智能控制的技术将得到广泛的应用,例如专家系统、神经网络、模糊控制等;人机界面更友好更完善。,第二节 压力检测及仪表,压力单位及测压仪表弹性式压力计弹性元件弹簧管压力表电气式压力计霍尔式片压力床传感器应变片式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力传感器,内容提要,智能式变送器智能变送器的特点智能变送器的结构原理压力计的选用及安装压力计的选用压力计的安装,概述,在化工生产中,压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。,在工业生产过程中,压力往往是重要的操作参数之一。,压力的检测与控制,对保证生产过程正常进行,达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。,压力检测,合成氨的反应中:,保
10、证反应的进行必须对压力进行控制,常用压力表,压力变送器,其它压力计,第二节 压力检测及仪表,压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。即物理学中的压强,通常用p表示。,压力的单位为帕斯卡,简称帕(Pa),一、压力单位及测压仪表,第二节 压力检测及仪表,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。,表3-1 各种压力单位换算表,第二节 压力检测及仪表,几个压力概念:大气压包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”,符号为B。绝对压力直接作用于容器或物体表面的压力,称为“绝对压力”,绝对压力值以绝对真
11、空作为起点,符号为PABS。表压用压力表、真空表、U形管等仪器测出来的压力叫“表压力”(又叫相对压力),“表压力”以大气压力为起点,符号为Pg。,第二节 压力检测及仪表,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。,第二节 压力检测及仪表,测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同,分为四类。,1.液柱式压力计,它根据流体静力学原理,将被测压力转换成液柱高度进行测量。,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
12、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,2.弹性式压力计,它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。,3.电气式压力计,它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量(如电压、电流、频率等)来进行测量的仪表。,第二节 压力检测及仪表,4.活塞式压力计,它是
13、根据水压机液体传送压力的原理,将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量进行测量。,一般作为标准压力测量仪器,来校验其它类型的压力计。,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,二、弹性式压力计,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。,膜片和膜盒,膜盒,膜片,膜 片 受压力作用产生位移,可直接带动传动机
14、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。,对焊,波纹管-一个周围为波纹状的薄壁金属筒体。,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。,二、弹性式压力计,2、弹簧管压力表,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,单圈弹簧管是弯成270度圆弧的空心金属管;其截面为扁圆形或椭圆
15、形等。,二、弹性式压力计,基本测量原理,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。,基本测量原理,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。,位移量(中心角改变量)和所加压力有如下的函数关系:,式中:0为弹簧管中心角的初始角;为受压后中心角的改变量;R为弹簧管弯曲圆弧的外半径;h为管壁厚度;a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。,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。
16、放大结构包括:拉杆、扇形齿轮、中心齿轮、指针和标尺。,二、弹性式压力计,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。,警惕!,二、弹性式压力计,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
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