自動化儀表及過程控制-第三章過程參數(shù)檢測與變送.doc

第三章 過程參數(shù)檢測與變送n 本章提要1. 過程參數(shù)檢測與變送的基本概念2. 溫度檢測與變送3. 壓力檢測與變送4. 流量檢測儀表5. 液位檢測儀表6. 成分分析儀表n 授課內(nèi)容第一節(jié) 基本概念、概述1. 過程參數(shù)檢測基本概念 過程參數(shù)檢測-指連續(xù)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位和成分等參數(shù)的檢測。(P50) 檢測儀表-將檢測元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測儀表。 一次儀表-一般為將被測量轉(zhuǎn)換為便于計量的物理量所使用的儀表，即為檢測元件。 二次儀表-將測得的信號變送轉(zhuǎn)換為可計量的標(biāo)準(zhǔn)電氣信號并顯示的儀表。即包括變送器和顯示裝置。2. 測量過程與測量誤差 測量過程-利用一個已知的單位量(即標(biāo)準(zhǔn)量)與被測的同類量進行比較的過程。 測量誤差-在測量過程中測量結(jié)果與被測量的真值之間會有一定的差值。它反映了測量結(jié)果的可靠程度。 測量誤差的分類：l 絕對誤差與相對誤差 絕對誤差-指測量結(jié)果與被測量的真值之差。通常把檢定中高一等級的計量標(biāo)準(zhǔn)所測得的量值作為真值(實際值)。 相對誤差-指絕對誤差與真值或測量值之百分比。常見有如下三種表示方式： 實際相對誤差-是指絕對誤差與被測量的真值(實際值)之百分比。 標(biāo)稱相對誤差-是指絕對誤差與儀表示值之百分比。 引用相對誤差-是指絕對誤差與儀表的量程之百分比。l 系統(tǒng)誤差、隨機誤差和疏忽誤差。 系統(tǒng)誤差-指測量儀表本身或其他原因(如零點沒有調(diào)整好等)引起的有規(guī)律的誤差。 隨機誤差-指在測量中所出現(xiàn)的沒有一定規(guī)律的誤差。 疏忽誤差-指觀察人員誤讀或不正確使用儀器與測試方案等人為因素所引起的誤差。l 基本誤差、附加誤差和允許誤差基本誤差-指儀表在規(guī)定的正常工作條件下所具有的誤差。附加誤差-指儀表超出規(guī)定的正常工作條件時所增加的誤差。允許誤差-指儀表的示值或性能不允許超過某個誤差范圍。3. 檢測儀表的性能指標(biāo) 儀表精度(儀表準(zhǔn)確度)儀表精度-儀表精度是根據(jù)國家規(guī)定的允許誤差大小分成幾個等級的。某一類儀表的允許誤差是指在規(guī)定的正常情況下允許的百分比誤差的最大值。我國過程檢測控制儀表的精度等級有0.005、0.02、0.1、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4等。一般工業(yè)用表為0.54級精度。 在選用儀表的精度等級時，應(yīng)根據(jù)實際需要求定，不能只追求高精度等級。 變差 變差-在外界條件不變的情況下，用同一儀表對同一個量進行正、反行程(即逐漸由小到大或逐漸由大到小)測量時，所得儀表兩不值之間的差值。 其中x1、x2為正、反測量的示值 造成交差的原因很多。通常要求：變差儀表精度等級所允許的誤差。 靈敏度與靈敏限 靈敏度-表示測量儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。通常用儀表的輸出變化量，如指針的線位移或角位移與引起此位移的被測參數(shù)變化量之比來表示，即 注意：提高儀表的靈敏度可采用增加放大部分的放大倍數(shù)來實現(xiàn)。不過儀表的性能主要取決于儀表的基本誤差。 靈敏限-指引起儀表示值發(fā)生變化的可測參數(shù)的最小變化量。通常其值應(yīng)不大于儀表允許誤差的一半。第二節(jié) 溫度檢測與變送1. 有關(guān)溫度及溫度檢測的概述 溫度-是表示物體冷熱程度的物理參數(shù)。 測量溫度的方法：（從測量體與被測介質(zhì)接觸與否來分）l 接觸式測量（即通過測量體與被測介質(zhì)的接觸來測量物體的溫度）；l 非接觸式測量（即通過接收被測物體發(fā)出的輻射熱來判斷溫度）。日前工業(yè)上常用溫度計及其測溫原理、測溫范圍，使用場合等見下表。 各測量溫度方法的特點：l 接觸式測溫：簡單、可靠、測量精度較高。但由于要達到熱平衡，因而產(chǎn)生了滯后。而且可能與被測介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。不能應(yīng)用于很高溫度的測量。l 非接觸式測溫：其測溫范圍很廣，其測溫上限原則上不受限制；測溫速度比較快，而且可以對運動體進行測量，但一般測溫誤差較大。電的測溫儀表精度高，信號又便于傳輸。因此熱電偶和熱電阻在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2. 熱電偶溫度計 熱電偶溫度計測溫原理：熱電偶的測溫原理：是利用熱電偶的熱電效應(yīng)來測量溫度的。 熱電效應(yīng)-將任意兩種不同的導(dǎo)體A、B組成一個閉合回路(由圖3-l、3-2所示)，只要其連接點l、2溫度不同，在回路中就產(chǎn)生熱電動勢的現(xiàn)象。從物理上看，熱電偶回路產(chǎn)生的熱電動勢主要是由接觸電勢組成的。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體A、B接觸時，由于導(dǎo)體兩邊的自由電子密度不同，在交界面上便產(chǎn)生電子的互相擴散。擴散達到平衡時，在A、B兩個導(dǎo)體間的電位差稱為接觸電動勢，其值決定于兩種導(dǎo)體的材料種類和接觸點的溫度?；芈分械目傠妱轂椋?，可見當(dāng)時，即存在熱電動勢。且有性質(zhì)：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體時，只要接入第三種導(dǎo)體的兩個接點溫度相等，回路中總電勢值不變。熱電偶的這種性質(zhì)在使用上有著重要的意義，它使我們可以方便地在熱電偶中接入所需的測量儀表和導(dǎo)線來測量溫度。由熱電偶測溫原理可知，測溫關(guān)鍵要使冷端溫度恒定或相等（使用補償導(dǎo)線給以解決）。為了消除冷端溫度變化（即冷端溫度不為0度時，因為儀表的分度表是在冷端溫度為0度的條件下得到的）對測量精度的影響，可采用冷端溫度補償。 冷端溫度補償（常用方法）l 補償電橋法電橋在0時處于平衡狀態(tài)。當(dāng)冷端溫度升高時，補償電阻器也隨著增大，可以使得的大小不隨冷端溫度而變化。l 計算校正法（微機測溫常用）利用補償導(dǎo)線使熱電偶冷端延伸到了溫度相對恒定的地方，但只要冷端溫度不為0度，則必須對指示值進行校正。其中為所測得的熱電勢；可在測的后查表得出電勢；為校正后的熱電勢，經(jīng)查表可得出實際溫度。舉例：見書例3-1 工業(yè)常用熱電偶外型結(jié)構(gòu)形式：l 普通型熱電偶，主要由熱電極、絕緣管、保護套管、接線盒、接線端子組成；l 鎧裝熱電偶；l 多點式熱電偶；此外，還有隔爆熱電偶、表面熱電偶、抽氣熱電偶等，適用于各種特殊場合。 熱電偶分類l 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：S、B、K三種l 非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶： 常用熱電偶選用幾種工業(yè)常用熱電偶的測溫范圍和使用特點列于表33中。（注意適用場合和使用溫度范圍）3. 熱電阻溫度計 測溫原理：是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻會隨溫度的變化而變化的特性。因此只要測出感溫元件熱電阻的阻值變化，就可測得被測溫度。 結(jié)構(gòu)組成：一般包括電阻體、絕緣子、保護套管和接線盒等部分。 特點：測量精度高，在測量500以下溫度時，它的輸出信號比熱電偶大得多，性能穩(wěn)定，靈敏度高，可在1K1000范圍內(nèi)測溫。另外熱電阻溫度計的輸出是電信號，便于遠傳，同時又不需要冷端溫度補償。所以在中低溫(200650)測量中得到了廣泛的應(yīng)用。 熱電阻分類l 鉑電阻：物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，測溫精度高。l 銅電阻：價格便宜，電阻與溫度呈線性關(guān)系。在50150測溫范圍內(nèi)穩(wěn)定性好，在測量精度要求不很高、溫度較低的場合廣泛應(yīng)用。l 半導(dǎo)體熱敏電阻：將一些金屬氧化物按一定比例混合、壓制和燒結(jié)而成。它的體積小，因此熱慣性小，適用于快速測溫，靈敏度高；但非線性嚴(yán)重，互換性差，測溫范圍較窄（-50300）。4. 溫度檢測儀表的選用 溫度檢測儀表的選擇原則l 必須滿足生產(chǎn)工藝要求。根據(jù)測溫范圍和精度等級確定儀表量程及其精度等級。l 必須注意儀表的工作環(huán)境。還要注意儀表的安裝與正確使用。5. DDZ-型溫度變送器 變送器-一種將被測的過程參數(shù)(如溫度、壓力等)變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號的儀表。 DDZ儀表(電動單元組合儀表：DDZ儀表有兩大系列，即DDZ-型（以晶體管分立元件為基礎(chǔ)采用010mADC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號）和DDZ-型（以集成電路為基礎(chǔ)采用420mADC或l5VDC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號）。 溫度變送器作用：將溫度或mVDC信號變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號，其輸出給顯示儀表或調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對溫度的顯示或自動控制。 變送器的量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移的概念 量程調(diào)整（滿度調(diào)整）-目的是使變送器的輸出信號的上限值(型變送器為20mADC)與測量范圍的上限值相對應(yīng)，即提高測量精度。量程調(diào)整相當(dāng)于改變變送器的輸入輸出特性的斜率，如圖35所示。 零點調(diào)整和零點遷移-其目的都是使變送器輸出信號的下限值。(即標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號下限值)與測量范圍的下限值相對應(yīng)。在0時為零點調(diào)整；在時為零點遷移。正遷移、負遷移。意義：工程應(yīng)用中變送器進行零點遷移與量程調(diào)整可以提高其靈敏度。（舉例） DDZ型溫度變送器主要特點、優(yōu)點：l 采用了線性集成電路，提高了儀表的可靠性，穩(wěn)定性及各項技術(shù)性能。l 采用了線性化電路，使變送器的輸出信號和被測溫度呈線性關(guān)系。l 采取了安全火花防爆措施，可用于危險場所中的溫度或直流毫伏測量。 型溫度變送器的種類：l 熱電偶溫度變送器：輸入熱電勢毫伏信號l 熱電阻溫度變送器：輸入熱電阻信號給輸入回路l 直流毫伏溫度變送器：輸入直流毫伏信號這三種溫度變送器在線路結(jié)構(gòu)上都由放大單元和量程單元組成。 DDZ型溫度變送器結(jié)構(gòu)（見下圖）量程單元：作用是實現(xiàn)熱電偶冷端溫度補償、整機調(diào)零和調(diào)量程。放大和輸出單元：作用是將量程單元輸出的直流毫伏信號進行電壓及功率放大，然后整流輸出電流、電壓信號（420mADC或l5VDC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號）。 DDZ型溫度變送器工作原理熱電偶的熱電勢與調(diào)零調(diào)量程回路的信號和非線性反饋回路的信號進行綜合后，輸入放大單元進行處理，變送器輸出為420mADC或l5VDC標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號。型溫度變送器的輸出電流或電壓信號與被測溫度是成線性關(guān)系的，即熱電勢與成線性關(guān)系。 DDZ型溫度變送器的各部分結(jié)構(gòu)及功能：（略）第三節(jié) 壓力檢測與變送1. 有關(guān)壓力的概述在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會遇到壓力和真空度的檢測問題。例：一些化學(xué)反應(yīng)過程、涉及生產(chǎn)安全的鍋爐壓力等。 壓力定義及壓力單位 壓力-為垂直均勻地作用于單位面積上的力。壓力單位：l 國際單位制（SI）-帕（Pa），l 工程大氣壓-atl 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓-atml 毫米汞柱-mmHgl 毫米水柱-mmH2O 壓力的表示方法壓力有三種表示方法：絕對壓力、表壓、負壓或真空度。絕對壓力-指介質(zhì)所受的實際壓力。表壓-指高于大氣壓的絕對壓力與大氣壓力之差，即。負壓或真空度-指大氣壓與低于大氣壓的絕對壓力之差，即2. 壓力的檢測方法l 彈性力平衡方法：基于彈性元件的彈性變形特性進行測量。壓力計有：彈簧管壓力計、波紋管壓力計、膜式壓力計等。l 重力平衡方法：基于流體靜力學(xué)理論，有活塞式和液柱式l 物性測量方法：基于在壓力作用下測壓元件的某些物理特征發(fā)生變化的原理，有電壓式壓力計、振頻式壓力計等。3. 常用壓力計 彈性式壓力計l 測壓原理：各種彈性元件在被測介質(zhì)壓力作用下會產(chǎn)生彈性變形。l 特點及適用場合：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜、測壓范圍寬，測量精度也比較高，在生產(chǎn)過程中獲得了最廣泛的應(yīng)用。 電氣式壓力計l 測壓原理：把壓力轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感或電勢等電量，從而實現(xiàn)壓力的間接測量。l 特點及適用場合：反應(yīng)較快，測量范圍較廣、精度可達0.2，便于遠距離傳送。所以在生產(chǎn)過程中可以實現(xiàn)壓力自動檢測、自動控制和報警，適用于測量壓力變化快、脈動壓力、高真空和超高壓的場合。l 應(yīng)變片式壓力計原理：利用電阻應(yīng)變片將被測壓力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化：再通過橋式電路獲得mV級的電量輸出，然后由二次儀表顯示或記錄。 K-應(yīng)變系數(shù)或靈敏度系數(shù)，它表示金屬絲導(dǎo)體產(chǎn)生應(yīng)變時的電阻相對變化量。測量電橋l 霍爾片式壓力計原理：運用霍爾元件的霍爾效應(yīng)，把被測壓力作用下所產(chǎn)生的彈性元件位移轉(zhuǎn)換為電勢輸出。霍爾效應(yīng)-半導(dǎo)體單晶片沿z軸方向被置于恒定磁場中。如果在它的y軸方向接入直流穩(wěn)壓電源，并有恒定電流沿y軸方向流過，則在晶體的x軸方向出現(xiàn)電勢。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。所產(chǎn)此的電勢稱為霍爾電勢；單晶片稱為霍爾元件或霍爾片。4. 壓力檢測儀表的選擇 壓力檢測儀表的選擇主要包括儀表的型式、量程范圍、精度與靈敏度、外形尺寸以及是否需要遠傳和其他功能，如指示、記錄、報警控制等。 選用的主要依據(jù)：l 必須滿足工藝生產(chǎn)過程的要求，包括量程與精度。l 必須考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)，如溫度高低、工作壓力大小、粘度、易燃易爆程度等。l 必須注意儀表安裝使用的現(xiàn)場環(huán)境條化，如環(huán)境溫度、電磁場、振動等。 選擇的主要方面：l 儀表量程的選擇：測量穩(wěn)定壓力（4/3被測壓力最大值）; 測量波動較大的壓力（3/2被測壓力最大值）；保證精度（被測壓力最小值不低于量程的1/3）l 儀表精度等級的選擇：應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對壓力測量所允許的最大誤差來決定。工業(yè)用（選1.5級或2.5級），實驗室或校驗用（選0.4級及0.25級以上）。5. DDZ-型差壓（壓力）變送器 作用：將被測壓力、流量等過程參數(shù)變換成420mADC輸出信號，以便實現(xiàn)集中檢測或自動控制。 結(jié)構(gòu)：由測量和轉(zhuǎn)換兩部分組成。（結(jié)構(gòu)示意見書P74） 工作原理： 杠桿系統(tǒng)受力分析：（見書P76）可見：l 變送器的輸出電流I0與其輸入差壓Pi成比例。l 變送器的量程調(diào)整可以通過改變矢量機構(gòu)的矢量角和電磁結(jié)構(gòu)常數(shù)Kf來實現(xiàn)。（式第一項）l 調(diào)節(jié)調(diào)零彈簧的作用力F0即可改變變送器的零點。第四節(jié) 流量檢測儀表1. 有關(guān)流量的概述 流量-指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體的體積，即瞬時流量。 流量的三種表示方法：l 體積流量Q-單位時間內(nèi)通過管道某一截面的物料體積（m3/h）l 重量流量G-單位的間內(nèi)通過管道某一截面物料的重量（kgf/h）l 質(zhì)量流量M-單位時間內(nèi)通過管道某一截面物料的質(zhì)量（kg/h）三者關(guān)系：G=Q=gQ=gM2. 各種主要類型流量計的性能比較與選用第五節(jié) 液位檢測儀表1. 有關(guān)液位檢測的概述 液位-指密封容器成開口容器中液面的高低。2. 常用液位檢測儀表 浮力式液位計原理：根據(jù)阿基米德原理工作，即液體對一個物體浮力的大小等于物體所排開液體的重量。原理圖：類型：l 恒浮力式液位計（在整個測量過程中其浮力維持不變，