第三章過(guò)程檢測(cè)技術(shù)

第三章過(guò)程檢測(cè)技術(shù)第1頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)構(gòu)成回顧：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方塊圖第2頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

本章主要內(nèi)容：3.1概述3.2壓力檢測(cè)3.3流量檢測(cè)3.4物位檢測(cè)3.5溫度檢測(cè)3.8變送器3.9現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展第3頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1概述3.1.0檢測(cè)變送的重要性3.1.1測(cè)量誤差3.1.2儀表性能指標(biāo)3.1.3過(guò)程參數(shù)的一般測(cè)量原理第4頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

在過(guò)程自動(dòng)化中要通過(guò)檢測(cè)元件獲取生產(chǎn)工藝變量，最常見(jiàn)變量是溫度、壓力、流量、物位（四大參數(shù)）。檢測(cè)元件又稱(chēng)為敏感元件、傳感器，它直接響應(yīng)工藝變量，并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與之成對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)。這些輸出信號(hào)包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓等。3.1.0檢測(cè)變送的重要性第5頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

由于檢測(cè)元件的輸出信號(hào)種類(lèi)繁多，且信號(hào)較弱不易察覺(jué)，一般都需要將其經(jīng)過(guò)變送器處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的電氣信號(hào)（如4～20mA或0～10mA直流電流信號(hào),20～100KPa氣壓信號(hào)）送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時(shí)送往控制器對(duì)被控變量進(jìn)行控制。有時(shí)將檢測(cè)元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱(chēng)為檢測(cè)儀表,或者將檢測(cè)元件稱(chēng)為一次儀表，將變送器和顯示裝置稱(chēng)為二次儀表。第6頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三檢測(cè)——實(shí)施正確控制的第一步變送——將檢測(cè)元件輸出的各種信號(hào)、微弱信號(hào)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一(標(biāo)準(zhǔn))的電氣信號(hào)。靜態(tài)：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長(zhǎng)期工作動(dòng)態(tài)：迅速——y(t)迅速反映c(t)的變化過(guò)程控制對(duì)檢測(cè)儀表要求：第7頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1.1檢測(cè)過(guò)程與測(cè)量誤差

檢測(cè)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)就是用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測(cè)量的值。被測(cè)變量傳感器參數(shù)檢測(cè)的基本過(guò)程被測(cè)對(duì)象變送器顯示裝置傳感器又稱(chēng)為檢測(cè)元件或敏感元件，它直接響應(yīng)被測(cè)變量，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)化成一個(gè)與被測(cè)變量成對(duì)應(yīng)關(guān)系的便于傳送的輸出信號(hào)，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。由于傳感器的輸出信號(hào)種類(lèi)很多，而且信號(hào)往往很微弱，一般都需要經(jīng)過(guò)變送環(huán)節(jié)的進(jìn)一步處理，把傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成如0～10mA、4～20mA等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的模擬量信號(hào)或者滿(mǎn)足特定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量信號(hào)，這種檢測(cè)儀表稱(chēng)為變送器。有些時(shí)候，傳感器可以不經(jīng)過(guò)變送環(huán)節(jié)，直接通過(guò)顯示裝置把被測(cè)量顯示出來(lái)。第8頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)量誤差測(cè)量誤差——儀表測(cè)得的測(cè)量值與被測(cè)真值之差由于真值在理論上是無(wú)法真正被獲取的，因此，測(cè)量誤差就是指檢測(cè)儀表（精度較低）和標(biāo)準(zhǔn)表（精度較高）在同一時(shí)刻對(duì)同一被測(cè)變量進(jìn)行測(cè)量所得到的2個(gè)讀數(shù)之差。即：x0——標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)測(cè)量誤差的幾種表示形式：絕對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差標(biāo)稱(chēng)相對(duì)誤差相對(duì)百分誤差第9頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1.3檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)儀表的精確度一臺(tái)測(cè)量范圍0～1000kPa的壓力測(cè)量?jī)x表，其最大絕對(duì)誤差10kPa(在整個(gè)量程范圍內(nèi))，另一臺(tái)測(cè)量范圍0～400kPa的壓力測(cè)量?jī)x表，其最大絕對(duì)誤差5kPa，請(qǐng)問(wèn)哪一臺(tái)壓力檢測(cè)儀表的精度更高？雖然后者的最大絕對(duì)誤差較小，但這并不說(shuō)明后者較前者精度高。在自動(dòng)化儀表中，通常是以最大相對(duì)百分誤差來(lái)衡量?jī)x表的精確度，定義儀表的精度等級(jí)。

由于儀表的絕對(duì)誤差在測(cè)量范圍內(nèi)的各點(diǎn)上是不相同的，因此在工業(yè)上通常將絕對(duì)誤差中的最大值，即把最大絕對(duì)誤差折合成測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)表示，稱(chēng)為最大相對(duì)百分誤差:儀表的精度等級(jí)（精確度等級(jí)）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對(duì)百分誤差。

第10頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1.3檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆儀表的精度等級(jí)（精確度等級(jí)）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對(duì)百分誤差。把儀表允許的最大相對(duì)百分誤差去掉“±”號(hào)和“％”號(hào)，便可以用來(lái)確定儀表的精度等級(jí)。目前，按照國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的儀表精度等級(jí)有：

0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所謂的0.5級(jí)儀表，表示該儀表允許的最大相對(duì)百分誤差為±0.5％，以此類(lèi)推。精度等級(jí)一般用一定的符號(hào)形式表示在儀表面板上：1.51.0儀表的精度等級(jí)是衡量?jī)x表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一。精度等級(jí)數(shù)值越小，表示儀表的精確度越高。精度等級(jí)數(shù)值小于等于0.05的儀表通常用來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)表，而工業(yè)用表的精度等級(jí)數(shù)值一般大于等于0.5。第11頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)非線(xiàn)性誤差在通常情況下，總是希望測(cè)量?jī)x表的輸出量和輸入量之間呈線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)量?jī)x表的非線(xiàn)性誤差就是用來(lái)表征儀表的輸出量和輸入量的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系與理論直線(xiàn)的吻合程度。通常非線(xiàn)性誤差用實(shí)際測(cè)得的輸入－輸出特性曲線(xiàn)（也稱(chēng)為校準(zhǔn)曲線(xiàn)）與理論直線(xiàn)的之間的最大偏差和測(cè)量?jī)x表量程之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示：被測(cè)變量?jī)x表輸出理論實(shí)際第12頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)變差在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對(duì)被測(cè)變量在全量程范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即逐漸由小到大和逐漸由大到小）測(cè)量時(shí)，對(duì)應(yīng)于同一被測(cè)值的儀表輸出可能不等，二者之差的絕對(duì)值即為變差。變差的大小，根據(jù)在同一被測(cè)值下正反特性間儀表輸出的最大絕對(duì)誤差和測(cè)量?jī)x表量程之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示：被測(cè)變量?jī)x表輸出下行程上行程第13頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)靈敏度和分辨力靈敏度是表征檢測(cè)儀表對(duì)被測(cè)量變化的靈敏程度，它是指儀表輸出變化量和輸入變化量之比，即

靈敏度＝Δy/Δx

分辨力又稱(chēng)為靈敏限，是儀表輸出能響應(yīng)和分辨的最小輸入變化量，它也是靈敏度的一種反映。對(duì)數(shù)字式儀表來(lái)說(shuō)，分辨力就是數(shù)字顯示儀表變化一個(gè)LSB（二進(jìn)制最低有效位）時(shí)輸入的最小變化量。

第14頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)誤差相對(duì)百分誤差、非線(xiàn)性誤差、變差都是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）誤差。動(dòng)態(tài)誤差是指檢測(cè)系統(tǒng)受外擾動(dòng)作用后，被測(cè)變量處于變動(dòng)狀態(tài)下儀表示值與參數(shù)實(shí)際值之間的差異。引起該誤差的原因是由于檢測(cè)元件和檢測(cè)系統(tǒng)中各種運(yùn)動(dòng)慣性以及能量形式轉(zhuǎn)換需要時(shí)間所造成的。衡量各種運(yùn)動(dòng)慣性的大小，以及能量傳遞的快慢常采用時(shí)間常數(shù)T和傳遞滯后時(shí)間（純滯后時(shí)間）τ兩個(gè)參數(shù)表示（這兩個(gè)參數(shù)的含義與上一章中對(duì)象數(shù)學(xué)模型中的時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間τ的數(shù)學(xué)含義是一致的）它們的存在會(huì)降低檢測(cè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能，其中純滯后時(shí)間τ的不利影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)時(shí)間常數(shù)T的影響。

第15頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1.3過(guò)程參數(shù)的一般檢測(cè)原理參數(shù)檢測(cè)離不開(kāi)敏感元件（傳感器），敏感元件是按照一定的原理把被測(cè)變量的信息轉(zhuǎn)換成另一種可進(jìn)行進(jìn)一步處理或表示的信息。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程一般都是利用諸多的自然規(guī)律和基礎(chǔ)效應(yīng):守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、動(dòng)量守恒等等。例如：孔板流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等就是根據(jù)流體的動(dòng)能和靜壓能之間的變化(能量守恒)來(lái)測(cè)量流體的流速。場(chǎng)的定律如靜電場(chǎng)、電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律、動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律等等。典型例子：電容傳感器。dεε——兩平行板間物質(zhì)的介電常數(shù)，S——平行板面積，d——兩平行板之間的距離。如果把一個(gè)極板固定，把另一個(gè)極板與可產(chǎn)生位移的敏感元件相連，即可將敏感元件的位移轉(zhuǎn)換成電容量的大小。第16頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三過(guò)程參數(shù)的一般檢測(cè)原理熱電效應(yīng)把兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體連接成閉合的回路，如果將兩個(gè)接點(diǎn)分別放置于不同的溫度，則該回路內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，t0tAB利用導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，可將兩種不同的導(dǎo)體制成熱電偶用于溫度檢測(cè)，這也是一種工業(yè)上普遍使用的溫度檢測(cè)方法之一。電阻的熱效應(yīng)電阻的熱效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。通常，電阻值和溫度之間可以建立如下的簡(jiǎn)化關(guān)系式Rt為溫度t時(shí)的電阻值，Rt0為溫度t0時(shí)的電阻值，α為溫度系數(shù)?？梢?jiàn)，溫度的變化可以導(dǎo)致電阻體的電阻發(fā)生變化，因此只要設(shè)法測(cè)量出電阻值的變化就可以達(dá)到測(cè)量溫度的目的，這也是另一種工業(yè)上普遍使用的溫度檢測(cè)方法。第17頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三過(guò)程參數(shù)的一般檢測(cè)原理壓電效應(yīng)當(dāng)某些材料受壓發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，在兩個(gè)相對(duì)的面上會(huì)產(chǎn)生異號(hào)電荷。這種在沒(méi)有外電場(chǎng)存在，由于形變引起的電現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)?？梢?jiàn)，利用壓電效應(yīng)可進(jìn)行力、壓力的測(cè)量。應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)利用金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料制成的電阻體，其阻值R可以表示成當(dāng)電阻體材料的電阻率、長(zhǎng)度或者截面積發(fā)生變化，可引起電阻體電阻值發(fā)生變化電阻體的電阻值變化歸結(jié)為兩個(gè)因素：一是由尺寸變化引起的（如l、A），稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)；二是由電阻率變化引起的，稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。對(duì)于金屬材料，以前者為主；對(duì)于半導(dǎo)體材料，以后者為主。利用材料的應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)制成的敏感元件可用于壓力等參數(shù)的測(cè)量。第18頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成被測(cè)參數(shù)敏感元件信號(hào)變換信號(hào)傳輸信號(hào)測(cè)量顯示記錄控制+-A/DPLC第19頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三壓力的表示方法檢測(cè)方法的分類(lèi)液柱式壓力檢測(cè)彈性式壓力檢測(cè)電氣式壓力檢測(cè)智能式壓力變送器壓力檢測(cè)儀表的選用和安裝3.2壓力檢測(cè)第20頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三種壓力表示方法絕對(duì)壓力pa表壓力p負(fù)壓或真空度ph3.2.1壓力的表示方法pa絕對(duì)壓力零線(xiàn)pphpa大氣壓p01.01325×105Pa絕對(duì)壓力是指物體所受的實(shí)際壓力。

表壓是指一般壓力表所測(cè)得的壓力，它是高于大氣壓力的絕對(duì)壓力與大氣壓力之差，即

真空度是指大氣壓與低于大氣壓的絕對(duì)壓力之差，有時(shí)也稱(chēng)為負(fù)壓，即由于各種工藝設(shè)備和檢測(cè)儀表通常是處于大氣之中，本身就承受著大氣壓力，因此工程上通常采用表壓或者真空度來(lái)表示壓力的大小，一般的壓力檢測(cè)儀表所指示的壓力也是表壓或者真空度。除特殊說(shuō)明之外，以后所提及的壓力均指表壓。

第21頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2.2壓力檢測(cè)方法的分類(lèi)目前工業(yè)上常用的壓力檢測(cè)方法和壓力檢測(cè)儀表很多，根據(jù)敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的不同，一般分為四類(lèi)：(1)液柱式壓力檢測(cè)

一般采用充有水或水銀等液體的玻璃U形管或單管進(jìn)行測(cè)量。(2)彈性式壓力檢測(cè)

它是根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成位移進(jìn)行測(cè)量的。常用的彈性元件有彈簧管、膜片和波紋管等。(3)電氣式壓力檢測(cè)

它是利用敏感元件將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換成各種電量進(jìn)行測(cè)量的儀表，如電阻、電荷量等。(4)活塞式壓力檢測(cè)

它是根據(jù)液壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量來(lái)進(jìn)行測(cè)量?；钊綁毫τ?jì)的測(cè)量精度較高，允許誤差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)壓力檢測(cè)儀表進(jìn)行檢定。

第22頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2.3液柱式壓力檢測(cè)液柱式壓力檢測(cè)是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的，它們一般采用水銀或水為工作液，用U型管進(jìn)行測(cè)量，常用于較低壓力、負(fù)壓或壓力差的檢測(cè)。p1p2p1p2h(a)(b)特點(diǎn)：直觀(guān)、可靠、準(zhǔn)確度較高等，但U形管只能測(cè)量較低的壓力或差壓，為了便于讀數(shù)，U形管一般是用玻璃做成，易破損，另外它只能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指示。用U形管進(jìn)行壓力檢測(cè)，其誤差來(lái)源主要有：①溫度誤差——由使用環(huán)境溫度的變化引起的測(cè)量誤差。它主要包括兩個(gè)方面：一是標(biāo)尺長(zhǎng)度隨溫度的變化（要求U形管材料的溫度系數(shù)極?。?；二是工作液密度隨溫度的變化。例如水，當(dāng)溫度從10℃變到20℃時(shí)，其密度從999.8kg/m3減小到998.3kg/m3，相對(duì)變化量為0.15％。②安裝誤差——當(dāng)U形管安裝不垂直時(shí)將會(huì)產(chǎn)生安裝誤差。例如若傾斜5°，讀數(shù)誤差約0.38％。第23頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三液柱式壓力計(jì)測(cè)量原理：P=h所以h=P/第24頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)量原理：

P=G/S

所以G=P?S精確度高常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗(yàn)其它壓力計(jì)3.2.4活塞式壓力計(jì)第25頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2.5彈性式壓力檢測(cè)彈性式壓力檢測(cè)是用彈性元件把壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件位移的一種檢測(cè)方法。平薄膜波紋膜波紋管單圈彈簧管多圈彈簧管膜片受壓力作用產(chǎn)生位移，可直接帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指示。但是膜片的位移較小，靈敏度低，指示精度不高，一般為2.5級(jí)。膜片更多的是和其他轉(zhuǎn)換元件合起來(lái)使用，通過(guò)膜片和轉(zhuǎn)換元件把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；波紋管的位移相對(duì)較大，一般可在其頂端安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)指針直接讀數(shù)。其特點(diǎn)是靈敏高（特別是在低壓區(qū)），常用于檢測(cè)較低的壓力（1.0～106Pa），但波紋管遲滯誤差較大，精度一般只能達(dá)到1.5級(jí)；彈簧管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，它使用范圍廣，測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓，因此應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)制造的要求，儀表精度最高可達(dá)0.15級(jí)。第26頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——彈簧管和彈簧管壓力表彈簧管是橫截面呈非圓形（橢圓形或扁圓形），彎成圓弧狀（中心角常為270°）的空心管子。管子的一端為封閉，另一端為開(kāi)口。閉口端作為自由端，開(kāi)口端作為固定端。被測(cè)壓力介質(zhì)從開(kāi)口端進(jìn)入并充滿(mǎn)彈簧管的整個(gè)內(nèi)腔，由于彈簧管的非圓橫截面，使它有變成圓形并伴有伸直的趨勢(shì)而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時(shí)改變其中心角。位移量（中心角改變量）和所加壓力有如下的函數(shù)關(guān)系：式中θ0為彈簧管中心角的初始角；Δθ為受壓后中心角的改變量；R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h為管壁厚度；a、b為彈簧管橢圓形截面的長(zhǎng)、短半軸。第27頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1－彈簧管2－拉桿3－扇形齒輪4－中心齒輪5－指針6－－面板7－游絲8－調(diào)節(jié)螺釘9－接頭圖3-18彈簧管壓力表彈簧管自由端B的位移量一般很小，需要通過(guò)放大機(jī)構(gòu)才能指示出來(lái),為了加大彈簧管自由端的位移量，也可采用多圈彈簧管，其原理與單圈彈簧管相似。單圈彈簧管壓力表是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用最普遍的就地指示式壓力檢測(cè)儀表（也有電接點(diǎn)輸出的彈簧管壓力表）彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍寬，可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓一般的工業(yè)用彈簧管壓力表的精度等級(jí)為1.5級(jí)或2.5級(jí)，但根據(jù)制造的要求，其精度等級(jí)最高可達(dá)0.15級(jí)。第28頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——膜盒式差壓變送器工作原理：力矩平衡檢測(cè)元件——膜盒或膜片

杠桿系統(tǒng)則有單杠桿、雙杠桿和矢量機(jī)構(gòu)

膜盒式差壓變送器構(gòu)成

△P測(cè)量部分Fi杠桿系統(tǒng)△M放大器反饋部分FfIo第29頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DDZ-III型差壓變送器

檢測(cè)部分:ΔP→輸入力Fi

杠桿系統(tǒng):力的傳遞和力矩比較，生成位移信號(hào)

位移檢測(cè)放大器:位移→輸出Io電磁反饋裝置:輸出→反饋力Ff△P膜盒Fi杠桿系統(tǒng)△M位移檢測(cè)放大器電磁反饋機(jī)構(gòu)FfIo第30頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.變送器的輸出電流I0和輸入信號(hào)ΔP之間呈線(xiàn)性關(guān)系

2.調(diào)整調(diào)零彈簧可以使變送器輸出電流I0在輸入信號(hào)范圍下限時(shí)為4mA。

3.改變tgθ或Kf可以調(diào)整變送器的量程4.零點(diǎn)和量程要反復(fù)調(diào)整IomAΔPminΔPmax420ΔP第31頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——電容式差壓變送器電容式差壓變送器采用差動(dòng)電容作為檢測(cè)元件主要包括測(cè)量部件和轉(zhuǎn)換放大電路兩部分：

差壓電容膜盒電容-電流轉(zhuǎn)換電路調(diào)零、零遷電路電流放大器反饋電路ΔpΔCIiIf＋＋I(xiàn)z－Io測(cè)量部分轉(zhuǎn)換放大部分第32頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三ΔP=0Ci1=Ci2=15pF

ΔP＞0Ci1的電容量減小

Ci2的電容量增大

——差動(dòng)電容測(cè)量原理電容式差壓變送器測(cè)量原理第33頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電容式壓力變送器，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其輸出信號(hào)也是標(biāo)準(zhǔn)4～20mADC電流信號(hào)。電容式壓力變送器是先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測(cè)量的。電容式差壓變送器的原理圖可見(jiàn)傳感器有左右固定極板，在兩個(gè)固定極板之間是彈性材料制成的測(cè)量膜片，作為電容的中央動(dòng)極板，在測(cè)量膜片兩側(cè)的空腔中充滿(mǎn)硅油。電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過(guò)大并超過(guò)允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.2級(jí)。第34頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2.6電氣式壓力檢測(cè)——應(yīng)變片壓力/差壓變送器利用金屬或半導(dǎo)體材料制成的電阻體的阻值可表示為：

當(dāng)電阻體受外力作用時(shí)，電阻體的長(zhǎng)度、截面積或電阻率會(huì)發(fā)生變化，即其阻值也會(huì)發(fā)生變化。這種因尺寸變化引起阻值變化稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變片多以金屬材料為主，一般和彈性元件一起使用。r1r2123P(a)傳感器1－外殼2－彈性筒3－膜片應(yīng)變筒的上端與外殼固定在一起，下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，應(yīng)變片r1和r2用膠合劑貼緊在應(yīng)變筒的外壁，與筒體之間不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。r1沿應(yīng)變筒軸向貼放，作為測(cè)量片；r2沿徑向貼放，作為溫度補(bǔ)償片。

圖中應(yīng)變片r1、r2的靜態(tài)性能完全相同。當(dāng)膜片受到外力作用時(shí)，彈性筒軸向受壓，使應(yīng)變片r1產(chǎn)生軸向應(yīng)變，阻值變??；而應(yīng)變片r2受到軸向壓縮，引起徑向拉伸，阻值變大。實(shí)際上，r2的變化量比r1的變化量要小，r2的主要作用是溫度補(bǔ)償。

第35頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三是應(yīng)變片阻值變化量的測(cè)量電橋，圖中R3和R4是兩個(gè)阻值相等的精密固定電阻。UiE－＋＋－r1r2R3R4AB(b)測(cè)量電橋不受壓時(shí)r1=r2=r0R3=R4=r若應(yīng)變片受壓，則：r1=r0+Δr1；r2=r0+Δr2(Δr1≠Δr2)由此可見(jiàn)，由壓力作用時(shí)，r1和r2一減一增，使電橋由較大的輸出；當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，r1、r2同時(shí)增減，不影響電橋的平衡。如果儀表能把電橋輸出電壓Ui進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，則該儀表即可稱(chēng)為應(yīng)變式壓力變送器。

結(jié)論：應(yīng)變片式壓檢測(cè)儀表具有較大的測(cè)量范圍，被測(cè)壓力可達(dá)幾百M(fèi)Pa，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能，適用于快速變化的壓力測(cè)量。但是，盡管測(cè)量電橋具有一定的溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，?yīng)變片式壓力檢測(cè)儀表仍有比較明顯的溫漂和時(shí)漂，因此，這種壓力檢測(cè)儀表較多地用于一般要求的動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)，測(cè)量精度一般在0.5～1.0％左右。

第36頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——霍爾壓力變送器（YSH型）ZYX壓力變化——位移變化——霍爾電勢(shì)VH變化。Z方向，有恒定的非均勻的磁場(chǎng)BY方向，有恒定的電流I通過(guò)由于受電磁力的作用，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡發(fā)生偏移，造成霍爾片的一個(gè)端面電子積累，另一端面正電荷過(guò)剩，這樣在X方向上形成一個(gè)電位差（VH），這一電位差稱(chēng)為霍爾電勢(shì)。這一物理現(xiàn)象稱(chēng)為“霍爾效應(yīng)”。VH=KH×IB/d×f(L/b)=RH×BI——VH與B、I均有關(guān)VH:霍爾電勢(shì)，d:霍爾片的厚度，b:霍爾片的電流通入端寬度L：霍爾片的電勢(shì)導(dǎo)出端的長(zhǎng)度，f(L/b)：霍爾片的形狀系數(shù)RH：霍爾常數(shù)，RH=KH/d×f(L/b)，單位：mV/mA(千高斯)I：3-20mAB:幾千高斯VH：幾十mV導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比半導(dǎo)體小得多，因而霍爾片用半導(dǎo)體做比較多?；魻柶c彈簧管自由端連在一起，壓力變化，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，霍爾片在非均勻磁場(chǎng)中的位置改變（相當(dāng)于B會(huì)改變），進(jìn)而VH改變。這樣就實(shí)現(xiàn)了把壓力轉(zhuǎn)變成位移再轉(zhuǎn)變成VH的變化。ZYX第37頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——?dú)鈩?dòng)壓力變送器（QBY型）80年代前，在電動(dòng)儀表的防爆性能還不是很好的時(shí)候，在易燃易爆的工業(yè)企業(yè)中大多出于安全因素選用氣動(dòng)儀表。但80年代中后期，由于電動(dòng)儀表的防火、防爆性能達(dá)到要求，所以電動(dòng)儀表得到更廣泛的應(yīng)用。特別是由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)儀表與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)更方便，因此PNEUMATIC儀表的應(yīng)用范圍正在變小。氣動(dòng)儀表的幾個(gè)缺點(diǎn)：*精度不能做得很高；*與計(jì)算機(jī)不能直接連接；*要有提供氣源的裝置（DEVICE）；*不能做成智能儀表。第38頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣動(dòng)壓力變送器的主要元件：氣阻（可變、固定）、氣容（可變、固定）。它們組合在一起，可形成比例氣路、積分氣路、微分氣路。P3R2P2R1P1比例：若P3=0（大氣壓），則：P2 =P1×R2/（R1+R2）+P3×R1/（R1+R2）=P1×R2/（R1+R2）=Kp×P1CP2RP1積分：M=（P1-P2）/R，M=C×dP2/dtRC×dP2/dt+P2=P1令T=RC則：T×dP2/dt+P2=P1所以：P2=P1（1-e-t/T）P2_+CRP1微分：P2=P1-P1/（RCS+1）第39頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——壓阻式（擴(kuò)散硅）壓力/差壓變送器

因電阻率變化引起阻值變化稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)比較明顯。用作壓阻式傳感器的基片材料主要為硅片和鍺片，由于單晶硅材料純、功耗小、滯后和蠕變極小、機(jī)械穩(wěn)定性好，而且傳感器的制造工藝和硅集成電路工藝有很好的兼容性，以擴(kuò)散硅壓阻傳感器作為檢測(cè)元件的壓力檢測(cè)儀表得到了廣泛的使用。

p2p1硅杯圖3-30壓阻式傳感器示意圖正壓側(cè)隔離膜片引出線(xiàn)負(fù)壓側(cè)隔離膜片硅油第40頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)量部分——擴(kuò)散硅壓阻傳感器——把被測(cè)差壓ΔP成比例地轉(zhuǎn)換為不平衡電壓US

1.負(fù)壓室2.正壓室3.硅杯4.引線(xiàn)5.硅片Ri1Ri2Ri3Ri4第41頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)量部分——惠斯頓電橋Ri1Ri2Ri3Ri4Ri1Ri2Ri3Ri4IS不受壓時(shí)：Ri1＝Ri2＝Ri3＝Ri4＝R第42頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)量部分——電壓轉(zhuǎn)換Ri1Ri2Ri3Ri4IS受壓時(shí)：△Ri1＝△Ri4＝r1

△Ri2＝△Ri3＝r2受壓時(shí)，流經(jīng)2橋臂的電流始終相等第43頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三結(jié)論：壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其核心部分就是一個(gè)既是彈性元件又是壓敏元件的單晶硅膜片。擴(kuò)散電阻的靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，能直接測(cè)量出微小的壓力變化。此外，壓阻式壓力傳感器還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，遲滯小，可用來(lái)測(cè)量幾千赫茲乃至更高的脈動(dòng)壓力。因此，這是一種發(fā)展比較迅速，應(yīng)用十分廣泛的一類(lèi)壓力傳感器。這種傳感器的缺點(diǎn)則是擴(kuò)散電阻存在溫度效應(yīng)，容易受環(huán)境溫度的影響，有些廠(chǎng)家在傳感器組件中提供了若干校正用的溫度補(bǔ)償電路，甚至把放大轉(zhuǎn)換等電路集成在同一塊單晶硅膜片上，從而可以大大提高傳感器的基本性能。第44頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——壓力檢測(cè)儀表的選用

三個(gè)方面——選用時(shí)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)壓力檢測(cè)的要求、被測(cè)介質(zhì)的特性、現(xiàn)場(chǎng)使用的環(huán)境等條件本著節(jié)約的原則合理地考慮儀表的量程、精度、類(lèi)型（材質(zhì)）等。

⑴量程儀表的量程是指該儀表可按規(guī)定的精確度對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的范圍關(guān)鍵：根據(jù)被測(cè)參數(shù)的大小來(lái)確定，同時(shí)必須考慮到被測(cè)對(duì)象可能發(fā)生的異常超壓情況，對(duì)儀表的量程選擇必須留有足夠的余地。測(cè)量穩(wěn)定壓力：最大工作壓力Pimax不超過(guò)上限值Pmax的3/4

測(cè)量脈動(dòng)壓力：最大工作壓力Pimax不超過(guò)上限值Pmax的2/3

測(cè)量高壓壓力：最大工作壓力Pimax不超過(guò)上限值Pmax的3/5

最小工作壓力Pimin不低于上限值Pmax的1/3

儀表的量程等級(jí)：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它們10n倍。在選用儀表量程時(shí)，應(yīng)采用相應(yīng)規(guī)程或者標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值。

這只是一個(gè)一般經(jīng)驗(yàn)要求，不是絕對(duì)的?。〉?5頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三⑵儀表精度——根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來(lái)確定，即要求實(shí)際被測(cè)壓力允許的最大絕對(duì)誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差?！谶x擇時(shí)應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約的原則，只要測(cè)量精度能滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求，就不必追求用過(guò)高精度的儀表。

例：有一壓力容器在正常工作時(shí)壓力范圍為0.4～0.6MPa，要求使用彈簧管壓力表進(jìn)行檢測(cè)，并使測(cè)量誤差不大于被測(cè)壓力的±4％，試確定該表的量程和精度等級(jí)。解：

由題意可知，被測(cè)對(duì)象的壓力比較穩(wěn)定，設(shè)儀表量程為0～AMPa，則根據(jù)工作壓力的要求：根據(jù)儀表的量程系列，可選用量程范圍為0～1.0MPa的彈簧管壓力表。由題意，被測(cè)壓力的允許最大絕對(duì)誤差為：Δmax=±0.4*4%=±0.016MPa這就要求所選儀表的相對(duì)百分誤差為：0.016/（1-0）*100%=1.6%按照儀表的精度等級(jí)，可選擇1．5級(jí)的壓力表。第46頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三⑶儀表類(lèi)型正確選用儀表類(lèi)型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的前提。主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:儀表的材料壓力檢測(cè)(檢測(cè)儀表)的特點(diǎn)是壓力敏感元件往往要與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，因此在選擇儀表材料的時(shí)候要綜合考慮儀表的工作條件。例如：對(duì)腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)應(yīng)使用像不銹鋼之類(lèi)的彈性元件或敏感元件；氨用壓力表則要求儀表的材料不允許采用銅或銅合金，因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕性極強(qiáng)；又如氧用壓力表在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上可以與普通壓力表完全相同，但要禁油，因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)極易引起爆炸。

輸出信號(hào)類(lèi)型只需觀(guān)察壓力變化的，可選如彈簧管壓力表、液柱式壓力計(jì)那樣的直接指示型的儀表；如需將壓力信號(hào)遠(yuǎn)傳到控制室或其他電動(dòng)儀表，則可選用電氣式壓力檢測(cè)儀表或其他具有電信號(hào)輸出的儀表；如果要檢測(cè)快速變化的壓力信號(hào)，則可選用電氣式壓力檢測(cè)儀表，如壓阻式壓力傳感器；如果控制系統(tǒng)要求能進(jìn)行數(shù)字量通信，則可選用智能式壓力檢測(cè)儀表。第47頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三使用環(huán)境對(duì)爆炸性較強(qiáng)的環(huán)境，在使用電氣壓力儀表時(shí)，應(yīng)選擇防爆型壓力儀表；對(duì)于溫度特別高或特別低、環(huán)境溫度變化大的場(chǎng)合，應(yīng)選擇使用溫度適當(dāng)、溫度系數(shù)小小的敏感元件以及其他變換元件。上述選型原則也適用于差壓、流量、液位等其它檢測(cè)儀表的選型第48頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三——壓力檢測(cè)儀表的安裝

分三種情況介紹：一般壓力檢測(cè)儀表的安裝特殊壓力檢測(cè)儀表的安裝（高溫、高壓、腐蝕等）壓力變送器的安裝第49頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一般壓力測(cè)量?jī)x表的安裝無(wú)論選用何種壓力儀表和采用何種安裝方式，在安裝過(guò)程中都應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：壓力儀表必須經(jīng)檢驗(yàn)合格后才能安裝壓力儀表的連接處，應(yīng)根據(jù)被測(cè)壓力的高低和被測(cè)介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧献鳛槊芊鈮|圈，以防泄漏壓力儀表盡可能安裝在室溫，相對(duì)濕度小于80％，振動(dòng)小，灰塵少，沒(méi)有腐蝕性物質(zhì)的地方，對(duì)于電氣式壓力儀表應(yīng)盡可能避免受到電磁干擾壓力儀表應(yīng)垂直安裝。一般情況下，安裝高度應(yīng)與人的視線(xiàn)齊平，對(duì)于高壓壓力儀表，其安裝高度應(yīng)高于一般人的頭部測(cè)量液體或蒸汽介質(zhì)壓力時(shí)，應(yīng)避免液柱產(chǎn)生的誤差，壓力儀表應(yīng)安裝在與取壓口同一水平的位置上，否則必須對(duì)壓力儀表的示值進(jìn)行修正導(dǎo)壓管的粗細(xì)合適，一般為6～10mm，長(zhǎng)度盡可能短，否則會(huì)引起測(cè)量遲緩壓力儀表與取壓口之間應(yīng)安裝切斷閥，以便維修第50頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)量特殊介質(zhì)時(shí)的壓力測(cè)量?jī)x表安裝測(cè)量高溫（60℃以上）流體介質(zhì)的壓力時(shí)，為防止熱介質(zhì)與彈性元件直接接觸，壓力儀表之前應(yīng)加裝U形管或盤(pán)旋管等形式的冷凝器，避免因溫度變化對(duì)測(cè)量精度和彈性元件產(chǎn)生的影響。如圖(a)、(b)

(a)(b)測(cè)量高壓流體介質(zhì)的壓力時(shí)，安裝時(shí)壓力儀表表殼應(yīng)朝向墻壁或者無(wú)人通過(guò)之處，以防發(fā)生以外。測(cè)量腐蝕性介質(zhì)的壓力時(shí)，除選擇具有防腐能力的壓力儀表之外，還應(yīng)加裝隔離裝置，利用隔離罐中的隔離液將被測(cè)介質(zhì)和彈性元件隔離開(kāi)來(lái)，如圖(c)、(d)

(c)(d)112233第51頁(yè)，共57頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)量特殊介質(zhì)時(shí)的壓力測(cè)量?jī)x表安裝測(cè)量波動(dòng)劇烈（如泵、壓縮機(jī)的出口壓力）的壓力時(shí)，應(yīng)在壓力儀表之前加裝針形閥和緩沖器，必要時(shí)還應(yīng)加裝阻尼器，如圖(e)(e)4測(cè)量粘性大或易結(jié)晶的介質(zhì)壓力時(shí)，應(yīng)在取壓裝置上安裝隔離罐，使罐內(nèi)和導(dǎo)壓管內(nèi)充滿(mǎn)隔離液，必要時(shí)可采取保溫措施，如圖(f)(f)蒸汽測(cè)量含塵介質(zhì)壓力時(shí)，最好在取壓裝置后安裝一個(gè)除塵器，如圖(g)。(g)5總之，針對(duì)被測(cè)介質(zhì)的不同性質(zhì)，要采取相應(yīng)的放熱、防腐、防凍