測量元件與變換器

1、一、參數(shù)的測量l參數(shù)檢測：將被測參數(shù)經(jīng)過一次或多次能量的交換，獲得一種便于顯示和傳遞的信號的過程。l根據(jù)信號的不同，參數(shù)檢測儀表可以分為氣動檢測儀表和電動檢測儀表兩類。l非電量的電測法：將非電量工藝參數(shù)，如壓力、溫度、流量、物位等，轉(zhuǎn)換為電流、電壓等電路參數(shù)（信號）的檢測方法。1. 準(zhǔn)確度與誤差l準(zhǔn)確度：測量值與被測量真值的接近程度；l絕對誤差：測量值與被測量真值之差；l相對誤差：絕對誤差與被測量真值之比；實際相對誤差：絕對誤差與被測量真值之比；示值相對誤差：絕對誤差與儀表指示值之比；引用相對誤差：絕對誤差與儀表滿刻度值之比。l允許誤差：最大引用相對誤差。2.指示變差與精密度l指示變差：同一儀

2、表對相同的被測參數(shù)進行正、 反行程測量時，其顯示值的差異。l精密度（簡稱精度）：儀表檢測微小參數(shù)變化的能力。l儀表精度等級：用允許誤差的絕對值表示： 常用儀表等級有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等，精確度：儀表精密而準(zhǔn)確的程度。3. 靈敏度、靈敏限與分辨率l靈敏度：儀表的指示位移變化量與被測參數(shù)變化量之比。l靈敏限：能引起儀表指針發(fā)生位移變化的被測參數(shù)的最小變化量。l分辨率：測試儀表數(shù)字顯示器的最末位數(shù)字間隔所代表的被測參數(shù)變化量。4. 線性度與反應(yīng)時間l線性度：測量儀表在全量程范圍內(nèi)實際校準(zhǔn)值與理論對應(yīng)值的吻合程度。l

3、反應(yīng)時間：顯示值變化相對于實際值變化的滯后時間。被測變量儀表顯示值被測參數(shù)敏感元件信號變換信號傳輸信號測量顯示記錄控制+-A/DPLC壓力的表示：l絕對壓力單位面積所受到的力l相對壓力（表壓）絕對壓力與大氣壓之差l真空度大氣壓與絕對壓力之差絕對壓力絕對壓力真空度表壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓l壓強（俗稱壓力）：單位面積所受到的垂直作用力。l工程上的“壓力”與力學(xué)中的“壓力”不表示同一個概念。帕 PaN/m2毫米汞柱mm兆帕 MPa106N/m2水柱m工程大氣壓10mH2O巴dyn/cm2物理大氣壓 20C海平面psilb/in2工業(yè)壓力計通常按敏感元件的類型進行分類：l液柱式壓力計l活塞式壓力計l彈性式壓力計

4、l電氣式壓力計測量原理：P=h 所以 h=P/ 單管壓力計U型管壓力計斜管壓力計l測量原理： P=G/S 所以 G=PSl精確度高l常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗其它壓力計l工作原理：采用彈性元件將壓強大小轉(zhuǎn)換為位移量，再通過機械傳動和放大，推動指針偏移。l根據(jù)敏感元件形式的不同可以分為以下3類：彈簧管式壓力計薄膜式壓力計波紋管式壓力計l電氣式壓力計，實際上是將彈性元件、液柱式壓力計所產(chǎn)生的微小位移或活塞式壓力計所產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的一類壓力計。l電氣式壓力計通常兩部分組成：一次儀表（壓力探頭）：將壓力轉(zhuǎn)換為微弱電參數(shù)；二次儀表：將微弱電參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號。l常用電參數(shù)有：電阻、電感、電容、電壓

5、等。l常見壓力變換器（壓力探頭）有：應(yīng)變式壓力變換器；壓電電阻式壓力變換器；電感式壓力變換器；電容式壓力變換器；霍爾片式壓力變換器。l電線的電阻為：R=L/Sl當(dāng)電線受到拉（應(yīng)）力作用時，L變大，S變小，R變大。l當(dāng)粘一組串聯(lián)平行細導(dǎo)線（電阻應(yīng)變片）的金屬（彈性元件）因壓力變化而發(fā)生微小變形（應(yīng)變）時，細導(dǎo)線的電阻隨之發(fā)生變化。從而，將壓力參數(shù)轉(zhuǎn)化為電阻參數(shù)。壓力變化彈性變形電阻變化l磁路的磁阻與鐵芯的間隙相關(guān)。所以，當(dāng)銜鐵或鐵芯的位置發(fā)生變化時，其電感也隨之發(fā)生變化。從而，可以將位移量轉(zhuǎn)化為電感量。l電容器的電容量：C=S/dl當(dāng)S或d發(fā)生變化時，電容量發(fā)生變化。l霍爾半導(dǎo)體在垂直電流和磁場

6、的作用下，會產(chǎn)生側(cè)向電壓：UH=RHBINSl傳感元件的參量變化通常是非常微弱的，不能進行遠距離傳送，需要進行初步放大。v電阻和電容傳感器一般采用電橋放大，以電壓方式輸出；v電感式傳感器一般采用振蕩電路放大，以頻率方式輸出；v電壓傳感器一般采用直流放大器，以電壓或電流方式輸出。供橋電壓輸出電壓輸出頻率輸出電壓輸入電壓l作用：將傳感器信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)通訊信號。lDDZ 型儀表標(biāo)準(zhǔn)通訊信號為：420mA。l智能型壓力傳感器在二次儀表中另外附加一些功能，如：模/數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)通訊，工程單位轉(zhuǎn)換，信號（變化）阻尼，故障診斷等。l選型內(nèi)容：類型選擇l功能：顯示、報警、記錄、傳送（數(shù)字、模擬）；l介質(zhì)條件：溫

7、度、腐蝕性、粘度、臟污程度等； 如：氨氣表防腐，氧氣表禁油。l環(huán)境條件：溫度、震動、電磁場等。量程與盤面大??；l工作壓力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。l盤面大小應(yīng)方便安裝和觀察。精度等級：根據(jù)工藝需要確定。 工業(yè)壓力變送器數(shù)字壓力變送器通用壓力變送器隔離壓力變送器高溫壓力變送器隔離壓差變送器隔離液位變送器微壓變送器電容壓力變送器隔膜壓力變送器絕壓變送器雙膜壓差變送器微型探針壓力計暖風(fēng)空調(diào)壓力計濕式壓力變送器本安壓力變送器OEM血壓計OEM壓力芯片l安裝事項：取壓位置：由工藝條件確定；l盡量避免渦流影響；l避免流速影響；l避免導(dǎo)壓管產(chǎn)生壓差。隔離：l溫度隔離：采用銅管散熱；l腐蝕

8、性隔離：采用隔離箱（凝液管）；l臟污隔離：采用空氣包。按測量途徑分類：l速度式流量計通過測量過流速度，用過流面積換算成流量。l容積式流量計采用固定溶劑空間逐次衡量過流容積。l質(zhì)量流量計計量可壓縮流體的質(zhì)量通過量。l根據(jù)測速方法可以分為以下幾類：壓差流量計轉(zhuǎn)子流量計電磁流量計超聲波流量計渦輪流量計堰式流量計l由流體力學(xué)知識可知，流體通過孔板節(jié)流裝置后，會產(chǎn)生一定的壓降。根據(jù)流速和壓降的關(guān)系可以推導(dǎo)出下列方程：l通過測量孔板前后壓差即可計算出流速和流量。pFQ2p1p2l垂直流道中的金屬轉(zhuǎn)子在壓差力和重力的共同作用下平衡。壓差與流速有關(guān)；流速取決于轉(zhuǎn)子的位置。l由轉(zhuǎn)子高度可直接讀取通過的流量；l測

9、量轉(zhuǎn)子位置可進一步獲得相應(yīng)的電氣信號。AgVhQfft2l當(dāng)流道兩側(cè)有磁場作用時，導(dǎo)電流體在流動過程中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢：Ex=BDv10-12所以有： Q=K ExEX1EX2電磁流量計由兩部分組成：l電磁流量變換器由帶激磁線圈的絕緣測量管產(chǎn)生電勢信號。l二次儀表作用：提供激磁電源，將變換器輸出的微弱電勢信號進行放大，并輸出相應(yīng)的電流信號。組成：前置放大、主放大、相敏檢波、功率放大、霍爾反饋（克服電源波動）、電源等。l多普勒效應(yīng)：當(dāng)一束波射向移動的物質(zhì)并產(chǎn)生散射時，其散射波的頻率會產(chǎn)生變化（頻移），且頻率變化量與物質(zhì)的運動速度成正比。l超聲波流量計的特點：非接觸式測量；流體中需要有散

10、射粒子：微泡或顆粒。粒入散vfffd2sincos2l容積式流量計主要包括兩類：齒輪式流量計l一對緊密嚙合的齒輪與殼體之間形成固定的間隙空間，齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，有固定流體通過間隙輸送通過。流體通過量與齒輪轉(zhuǎn)數(shù)成正比?；钊搅髁坑媗利用活塞的每一次往復(fù)運動輸送定量的流體。計量泵：用外力推動容積式流量計即可定量輸送流體l容積式流量計的最大特點是對被測流體的粘度不敏感，常用于測量重油等粘稠流體。l間接式質(zhì)量流量計分別測量體積流量和密度再用乘法計算出質(zhì)量流量。l直接式質(zhì)量流量計利用科氏力的作用使彎曲的彈性管道兩側(cè)產(chǎn)生震動相位差v質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只用于壓力變化較大的可壓縮流體。l物位：液位：容器中

11、液體表面的高低；料位：容器中固體的堆積高度；界面：兩相物質(zhì)的交界面。l直讀式物位計l浮力式物位計l壓差式物位計l電磁式物位計l核輻射式物位計l超聲波物位計l光電式物位計l用帶有刻度的透明物質(zhì)（如玻璃、有機玻璃）作為容器壁的一部分或連通管，可以直接顯示容器內(nèi)液位的高低。l利用浮子高度隨液面或液體界面變化而變化的原理工作。l利用物料內(nèi)靜壓力與物料深度或堆積高度成正比的關(guān)系進行測量。液體密閉容器液體敞開容器固體稱重倉l圓柱形電容器的電容量的表達式為：l電極間充入高度為H的介質(zhì)前后電容量的變化值為： 由此可見，電容量的變化量與充料高度成正比。測量電容量變化即可知料位的變化。dDLCln2HKHdDdD

12、LdDDLdDHCln2ln2ln2ln2000電容式液位計電容（繩）式料位計主要用于測量不導(dǎo)電流體l利用物料的導(dǎo)電性能測量高低液位。l也可以用于導(dǎo)電性較弱的液體和潮濕固體。l放射線通過介質(zhì)時，其強度衰減與物質(zhì)的吸收系數(shù)和介質(zhì)層厚度有關(guān)：l目前，工業(yè)上使用的放射線物位計有連續(xù)式和間斷式兩種。HeII0l利用聲波在空氣中傳播速度不變的原理，通過檢測聲波發(fā)射和反射全過程的時間間隔可以計算出物料界面到探頭的距離，從而得到物位的高低。l注意事項：確保反射波能回到探頭；防止物料對聲波的吸收（如表面泡沫漂浮）。l溫度是化工過程中最普遍而重要的操作參數(shù)。所有的過程都是在一定的溫度條件下進行的；溫度決定一些反

13、應(yīng)能否進行和反應(yīng)方向；溫度決定一些反應(yīng)的進程程度；溫度顯示反應(yīng)的能量變化。l溫度不能直接測量。溫度的測量都是通過溫度傳遞到敏感元件后，其物理性質(zhì)隨溫度變化而進行的。CCCCCCCCCCCCCCC2000200:35000:1700900:3200700:2000400:15050:600200:60050:100050:16000:2500:60020:60030:60080:60050:熱電式光電式紅外線比色光輻射熱輻射輻射式非接觸式、銅熱電阻：鉑考銅鎳鉻鎳硅鎳鉻鉑鉑銠熱電偶蒸汽氣體液體壓力式雙金屬玻璃液體膨脹式接觸式溫度計l玻璃液體溫度計利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細管延伸而直接顯示溫度l雙

14、金屬溫度計不同金屬受熱膨脹不同，雙金屬片在受熱情況下發(fā)生彎曲而顯示溫度t = t0t t0l利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進行測量。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)；毛細管：傳遞壓力；彈簧管：顯示壓力（溫度）。l通過特定波長光波的強度或熱輻射強度來確定光源溫度。1.輻射式溫度計：測定熱輻射強度；2.光學(xué)溫度計：采用光學(xué)分頻法，測定不同頻率光波的強度比值；3.比色法：直接通過可見光顏色的對比，確定光源溫度。輻射式溫度計，通常用于測量高溫條件，特別是光學(xué)溫度計和比色溫度計需要利用物體在高溫下發(fā)射的可見光進行檢測。不同金屬具有不同的電子密度；兩種金屬接觸面因為電子的擴散作用而產(chǎn)生電場熱電現(xiàn)象；電

15、子在擴散作用和電場力作用下最終達到平衡；電子的擴散與溫度相關(guān)，溫度越高，擴散作用越強。+-擴散作用電場作用金屬A金屬Bl熱電偶的材質(zhì)要求：單位溫度變化的熱電勢大，且盡量接近線性關(guān)系；熱電性質(zhì)穩(wěn)定；化學(xué)穩(wěn)定性好：高溫下抗氧化，抗腐蝕；具有較好的延展性，易于加工；復(fù)現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn)和互換。l不同材質(zhì)的熱電偶有不同的特性，應(yīng)根據(jù)實際需要選擇測量范圍、放大系數(shù)（以分度值表示）、測量精度、抗腐蝕能力、價格等。l熱電極工作部分l絕緣子防止電極與電極、套管短路l保護套管保護l接線盒l(wèi)不同金屬連接在一起都構(gòu)成熱電偶作用；l熱電偶回路電動勢為各接點熱電勢的總和；l對于有外接導(dǎo)線的熱電偶回路，其總電動勢為熱端與冷端熱電動勢之差。ABCC 000000)()(0)()(teteEteteteteteteEABABtCABCABCABCABtv熱電偶測量的關(guān)鍵是如何保證冷端的溫度l熱電偶的導(dǎo)線補償用廉價材料將冷端延伸到溫度相對穩(wěn)定的控制室內(nèi)；l冷端溫度補償將冷端浸泡在恒溫的冰水中；采用電路差減法消除冷端熱電勢。+ -補償導(dǎo)線測量電路熱電偶v補償導(dǎo)線應(yīng)與熱電偶的電極材料配合使用；v補償導(dǎo)線的材質(zhì)不同，接線時應(yīng)特別注意不能接錯。l測量原理利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進行測量；l測量金屬在不同溫度下電阻值的變化。l工業(yè)熱電阻溫度計主要有兩種材質(zhì)：鉑電阻