過程參數(shù)的檢測與變送

關(guān)于過程參數(shù)的檢測與變送2.1參數(shù)檢測與變送概述檢測的重要意義2.1.1檢測儀表1.傳感器國標《GB7665-87》規(guī)定：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。2.變送器將輸出信號變成統(tǒng)一標準信號的傳感器。統(tǒng)一標準信號即各儀表之間的通信協(xié)議：0～10mA、0～2V、20～100kPa;4~20mA、1～5V→數(shù)字信號。

組成框圖（圖2－1）第2頁,共49頁，2024年2月25日，星期天

2.1.2檢測誤差

（3）相對誤差（或標稱相對誤差）

1.檢測誤差的描述檢測誤差是指檢測儀表的測量值與被測物理量的真值之間的差值，它反映了儀表的檢測精度

（1）真值即被測物理量的真實（或客觀）取值。在當前現(xiàn)行的檢測體系中，是將“認定設(shè)備”的檢測結(jié)果作為真值。（2）絕對誤差儀表的實測值與“真值”之差記為△＝

絕對誤差不能說明檢測精度（4）引用誤差記為

（5）基本誤差

使用標準:220V±5％、（50±2）Hz、（20±5）℃、65％±5％

通常，各國（或國際組織）將其法定計量機構(gòu)的專用設(shè)備作為認定設(shè)備，它的檢測精度在這個國家（或國際組織）內(nèi)被認為是最高的。顯而易見，用這種方法確定的“真值”稱為“約定真值”。第3頁,共49頁，2024年2月25日，星期天

（6）附加誤差（溫度附加、頻率附加、電源電壓附加）

2.檢測誤差的規(guī)律性（1）系統(tǒng)誤差對同一被測參數(shù)進行多次重復測量時，按一定規(guī)律出現(xiàn)的誤差?？朔到y(tǒng)誤差的辦法：負反饋結(jié)構(gòu)

（2）隨機誤差或統(tǒng)計誤差：統(tǒng)計計算、濾波消除

（3）粗大誤差（疏忽誤差）：剔除2.1.3檢測儀表的基本特性1.儀表的固有特性及性能指標（1）精確度及其等級1）不能用絕對誤差或相對誤差表示?2）用最大引用誤差度量？（量程、最大絕對誤差）度量辦法：去掉最大引用誤差中的“±”和“％”表示：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5。第4頁,共49頁，2024年2月25日，星期天（2）非線性誤差圖示（2－2）計算：（3）變差：正、反行程測量時的最大差值與量程之比的百分數(shù)計算：（4）靈敏度與分辨力計算

分辨力又稱靈敏限：儀表輸出能響應和分辨輸入的最小變化量，數(shù)字顯示儀表變化一個二進制最低有效位時輸入的最小變化量（5）漂移時漂與溫漂（6）動態(tài)誤差第5頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.檢測儀表的工作特性適應參數(shù)測量和系統(tǒng)運行的需要具有的輸入/輸出特性（1）理想工作特性：（2）零點調(diào)整與遷移使輸入下限值為零的過程稱為零點調(diào)整，否則為零點遷移。第6頁,共49頁，2024年2月25日，星期天零點遷移前后的輸入/輸出特性(3)

量程調(diào)整量程是指與檢測儀表規(guī)定的輸出范圍相對應的輸入范圍量程調(diào)整是指在零點不變時將輸出上限值與輸入上限值相對應量程調(diào)整前后的輸入/輸出特性第7頁,共49頁，2024年2月25日，星期天實例某測溫儀表的量程為0～500℃，輸出信號為4～20mA

，現(xiàn)欲測量200～1000℃應如何調(diào)整？2.1.4變送器的構(gòu)成原理1.模擬式變送器的構(gòu)成（圖2－9）1）原理說明2)

輸入/輸出關(guān)系理想線性特性第8頁,共49頁，2024年2月25日，星期天

2.數(shù)字式變送器的構(gòu)成原理（基于CPU的硬件電路、系統(tǒng)程序和功能模塊的軟件）（1）數(shù)字式變送器的硬件構(gòu)成（圖2－10）（2）軟件構(gòu)成系統(tǒng)程序：硬件管理，其基本功能為模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通訊、自檢；功能模塊：組態(tài)功能。2.1.5變送器的信號傳輸方式1.四線制和二線制方式（圖2－11）二線制滿足的條件：第9頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.HART（HighwayAddressableTransduce)協(xié)議傳輸方式圖2－12模擬信號和基于頻移鍵控（FSK)的疊加傳輸速率為1200bit/s第10頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.2溫度的檢測與變送2.2.1溫度檢測方法一、接觸式測溫1、熱電阻及其測溫原理基于熱－阻效應，測溫元件測溫原理測溫范圍/℃主要特點熱電偶熱電效應0～1600測溫范圍廣，測量精度高，便于遠距離、多點、集中檢測和自動控制，應用廣泛；需進行冷端溫度補償，低溫測量精度低。鉑電阻熱阻效應－200～600測溫范圍廣，測量精度高，便于遠距離、多點、集中檢測和自動控制，應用廣泛；不能測高溫。銅電阻－50～150半導體熱敏電阻－50～150靈敏度高，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；互換性較差，測量范圍有一定限制。常用測溫元件1)

金屬熱電阻的測溫,計算：熱電阻名稱分度號0℃時阻值(Ω)測溫范圍（℃）特點銅電阻Cu5050±0.05－50～150線性好，價格低，適用于無腐蝕性介質(zhì)Cu100100±0.1鉑電阻Pt5050±0.003-200～500精度高，價格貴，適用于中性和氧化性介質(zhì)，但線性度差Pt100100±0.006常用熱電阻第11頁,共49頁，2024年2月25日，星期天工業(yè)常用熱電阻的分度表附表A附表A-1鉑熱電阻（分度號Pt100）分度表（，）溫度/℃00102030405060708090

電阻值Ω－200－100－018．4960．25100．0－56．1996．06－52．1192．16－48．0088．22－43．3784．27－39．7180．31－35．5376．32－31．3272．33－27．0268．33－22．8064．300100200300400500600700800100．00138．50175．84212．02247．04280．90313．59345．13375．51103．90142．29179．51215．57250．48284．22316．80348．22378．48107．79146．06183．17219．12253．90287．53319．99351．30381．45111．67149．82186．32222．65257．32290．83323．18354．37384．40115．54153．58190．45226．17260．72294．11326．35357．42387．34119．40157．31194．07229．67264．11297．39329．51360．47390．26123．24161．04197．69233．17267．49300．65332．66363．50－127．07164．76201．29236．65270．86303．91335．79366．52－130．89168．46204．88240．13274．22307．15338．92369．53－134．70172．16208．45243．59277．56310．38342．03372．52－第12頁,共49頁，2024年2月25日，星期天附表A-2銅熱電阻（分度號Cu50)分度表（R0=50.00Ωα＝0。004280）溫度/℃00102030405060708090

電阻值Ω

－0

＋050.0050.0047.8552.1445.7054.2843.5556.4241.4058.5639.2460.70-62.84-64.98-67.12-69.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13----2)

半導體熱敏電阻的測溫計算：溫度系數(shù)：溫度變化1℃時電阻值的相對變化量。計算：負溫度系數(shù)：NTC型；正溫度系數(shù)：PTC型；臨界：CRT型第13頁,共49頁，2024年2月25日，星期天熱敏電阻的溫度特性（圖2－13）優(yōu)點：溫度系數(shù)大；缺點：互換性差，非線性嚴重，測溫范圍低：－50～300℃。適用于家電和汽車的測溫。

（2）熱電阻的接線方式（圖2－14）a)

用于測量精度不高的場合b)電橋平衡，與導線電阻無關(guān)C）用于高精度的溫度測量，如用內(nèi)阻很高的電子電位差計測量第14頁,共49頁，2024年2月25日，星期天NTC的應用設(shè)計電子溫度計、電子萬年歷、電子鐘溫度顯示、電子禮品；冷暖設(shè)備、加熱恒溫電器；汽車電子溫度測控電路；溫度傳感器、溫度儀表；醫(yī)療電子設(shè)備、電子盥洗設(shè)備；手機電池及充電電器。PTC的應用設(shè)計用恒溫加熱PTC熱敏電阻的恒溫加熱原理特性，

可以設(shè)計應用在直發(fā)器、發(fā)夾、發(fā)夾板、離子燙、燙發(fā)、燙發(fā)板、陶瓷燙發(fā)板、發(fā)鉗、卷發(fā)器、電熱梳、負離子燙發(fā)器，恒溫培養(yǎng)箱、電子保溫瓶、保溫箱、保溫杯、電烤箱、輸液寶、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、日用電器、小家電......等等。第15頁,共49頁，2024年2月25日，星期天流體式液體加熱器應用設(shè)計

這是一種流體式液體加熱器，液體從加熱器內(nèi)流過即被加熱到需要的溫度。用PTC元件作為發(fā)熱源，具有升溫速度快、恒溫發(fā)熱、功率自調(diào)整、熱轉(zhuǎn)換率高、抗水垢能力強、即使干燒也不損壞等特點。被廣泛應用于家電行業(yè)各類電熱器具中。

第16頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.熱電偶及其測溫原理（＞500℃）（1）熱電偶的測溫原理：熱電效應（圖2－15）接觸電勢，溫差電勢。三點結(jié)論：1）電極材料相同，總電勢為零；2）冷、熱端溫度相同，總電勢為零；3）電極材料不同，溫度相同，熱電勢不同。（2）熱電勢的檢測與第三導體定律(圖2－16）當，有第三導體定律：只要第三導體兩接點溫度相同，回路中熱電勢不變第17頁,共49頁，2024年2月25日，星期天（3）冷端延伸與等值替換原理為什么要延伸？補償導線的作用？等值替換原理（圖2－17）等值替換的條件：熱電回路的總熱電勢：→因而有依據(jù)則有結(jié)論：將滿足的補償導線代替熱電偶使冷端延伸，不會改變熱電偶的熱電勢補償導線的連接示意圖第18頁,共49頁，2024年2月25日，星期天（4）標準熱電偶及其補償導線標準熱電偶：熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、型號（分度號）按國際標準（IEC)統(tǒng)一規(guī)定。表2－3我國部分標準化熱電偶及其補償導線熱電偶配套的補償導線（絕緣層著色）分度號熱電偶材料①測溫范圍/℃型號②正極材料負極材料長期短期S

鉑銠10

－鉑③0～13001600SC銅（紅）銅鎳（綠）B鉑銠30－鉑銠6

0～16001800BC銅（紅）銅（灰）K鎳鉻－鎳硅－50～10001300KX鎳鉻（紅）鎳硅（黑）T銅－康銅－200～300350TX銅（紅）康銅（白）（5）熱電偶的冷端溫度校正為什么要校正？1）查表法：示例：K型熱偶，測t,冷端溫度測得E(t,30)=21.995mV,E(30,0)=1.203mV,經(jīng)計算：E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=23.198m，反查分度表：t=560℃第19頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2)電橋補償法：利用電橋某橋臂電阻因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的附加電壓補償熱電偶冷端溫度變化引起的熱電勢的變化

(圖2－19及說明）工作原理。。。示例：鉑銠－鉑銠熱偶，0～100℃：6μv/℃，橋臂電流為0.5mA,α＝0.004/℃。全補償?shù)臈l件為：經(jīng)計算：加保護套管：可延長使用壽命；但使慣性滯后↑（1.5～4min).不加為毫秒級接觸式測溫優(yōu)點：精度高、小范圍線性度與穩(wěn)定性好測溫范圍寬（500～2000℃；缺點：高于2000℃時，不能長期使用，對運動物體的測溫，不能使用第20頁,共49頁，2024年2月25日，星期天二非接觸式測溫（輻射式測溫）1.非接觸式測溫及其特點

原理：載熱體→熱能→輻射能→受體溫度↑。特點：無媒介，無上限，測速快，對熱場無干擾，用于運動物體、腐蝕性介質(zhì)的測溫；缺點：測量誤差大、標定難結(jié)構(gòu)復雜、價格貴2.常用元件及共性高溫輻射計、低溫輻射計、光電溫度計；：熱輻射→透鏡（反射鏡）→熱電堆（熱敏電阻、硅光電池）→電信號。（1）.高溫輻射計：光學玻璃透鏡（光波長0.7～1.1μm）與硅光電池(700～2000℃→20mV)組成；誤差：＜1500℃，±0.7%;＞1500℃，

±1%；響應時間＜1毫秒

（2）.

低溫輻射計：鍺透鏡與半導體熱敏電阻組成；接收2～15μm紅外波；范圍：0～200℃；誤差：±1%；響應時間＜2毫秒，信號需放大。

（3）光電溫度計：光透鏡（光波長0.6～2.7μm

）＋流化鉛光敏電阻；范圍：400

～800℃；誤差：±1%；響應時間＜1.5毫秒,信號需放大。第21頁,共49頁，2024年2月25日，星期天三.測溫儀表的選用1.選用原則1）精度符合誤差要求；2）操作方便、運行可靠、經(jīng)濟合理，統(tǒng)一品種與規(guī)格3）量程略大于實測范圍（90％）；4）高溫：熱電偶；低溫：熱電阻5）保護套管的耐壓等級＞管線或設(shè)備的耐壓等級

選用原則示意圖2.第22頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.2.2典型模擬式溫度變送器一.DDZ-Ⅲ型溫度變送器1.DDZ-Ⅲ型溫度變送器的構(gòu)成及特點(圖2－21）說明:1)輸入回路可實現(xiàn)熱電偶冷端補償、熱電阻三線制引入、零點調(diào)整與遷移、量程調(diào)整；2）反饋回路可實現(xiàn)非線性校正；特點：1）集成運放：可使儀表的精確性、可靠性、穩(wěn)定性及技術(shù)指標符合國標；2）通用模塊與專用模塊相結(jié)合，使用靈活。方便；3）反饋線性化保證輸入/輸出關(guān)系的線性化；4）統(tǒng)一集中供電，二線制接線方式；5）采用安全火花防爆措施第23頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.3壓力的檢測與變送2.3.1壓力的概念及其檢測一.壓力的概念：垂直作用于單位面積上的力（1Pa=1N/mm、換算:P43，表2－4）1.差壓(△P)；2.絕對壓力(Pabs)/大氣壓；3.表壓(Pg)；4.負壓(Pv)

；二.彈性式測壓元件及原理1.彈簧管（波登管）、多圈彈管，角位移→電信號；2.波紋管、波/簧組合→提高線性度；3.膜片與膜盒第24頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.3.2DDZ-Ⅲ型力矩平衡式差壓變送器一.原理圖（2－33）1.測量部分：2.杠桿系統(tǒng)的受力分析（圖2－35）：、結(jié)構(gòu)圖（2－34）第25頁,共49頁，2024年2月25日，星期天3.位移檢測放大器（位移/電流轉(zhuǎn)換器）（1）檢測變壓器、振蕩電路（圖2－36）振蕩器工作過程（圖2－37）（2）放大器：整流濾波與功率放大4.電磁力反饋機構(gòu)第26頁,共49頁，2024年2月25日，星期天5.整機特性（圖2－39）2.3.3電容式差壓變送器（特點、構(gòu)成）第27頁,共49頁，2024年2月25日，星期天算法：2.轉(zhuǎn)換放大電路（圖2－42）1.檢測部件（圖2－41）作用：將輸入差壓線性地轉(zhuǎn)換成兩電容之差與兩電容之和的比值第28頁,共49頁，2024年2月25日，星期天

對流量的測量與控制是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的一項重要任務。圖1水箱液位控制系統(tǒng)流程圖1水箱2壓力變送器3液位調(diào)節(jié)器4調(diào)節(jié)閥2.4流量的檢測與變送2.4.1流量的概念與檢測方法第29頁,共49頁，2024年2月25日，星期天流量的基本概念：瞬時流量（單位時間內(nèi)流過工藝管道某截面的流體數(shù)量）;

累積流量（某段時間內(nèi)流過工藝管道某截面的流體總量）;(1)體積流量：(2)

重量流量：（瞬時）（累積）（瞬時）（累積）體積、重量與質(zhì)量流量2.4.1流量的概念與檢測方法第30頁,共49頁，2024年2月25日，星期天(4)

標準狀態(tài)（20℃、標準大氣壓）下的體積流量：三種流量之關(guān)系：(3)

質(zhì)量流量：（瞬時）（累積）第31頁,共49頁，2024年2月25日，星期天

容積式流量計利用容積法測量流量，即以單位時間內(nèi)所排出流體的固定容積數(shù)目作為依據(jù)來計算流量，如橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、括板流量計和旋轉(zhuǎn)活塞式流量計等。

容積式流量計

速度式流量計

速度式流量計利用流體力學法測量流量，即以測量流體在管道內(nèi)的流速作為依據(jù)來計算流量，如差壓式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、電磁流量計、渦輪流量計等。(2)質(zhì)量流量檢測法：間接法（體積流量乘以密度）和直接法（儀表直接測得）。2.流量的檢測方法

(1)體積流量檢測法：容積法和速度法；第32頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.4.2典型流量檢測儀表容積式流量計：

工作原理(重點)：當流體通過“計量空間”時，在它的進出口之間產(chǎn)生一定的壓力差，其轉(zhuǎn)動部分在壓力差作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并將流體由入口排向出口。流體一次次充滿“計量空間”，一次次被送往出口。由于“計量空間”的體積是確定的，只要測得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動次數(shù)，就可以得到被測流體體積的累積流量。

圖2典型容積式流量計的工作過程q第33頁,共49頁，2024年2月25日，星期天橢圓齒輪流量計的工作原理：橢圓齒輪流量計的特點：

橢圓齒輪流量計計量精度高，適用于高粘度介質(zhì)流量的測量，但不適用于含有固體顆粒的流體(固體顆粒會將齒輪卡死，以致無法測量流量)。如果被測液體介質(zhì)中夾雜有氣體時，也會引起測量誤差。圖3橢圓齒輪流量計的原理圖第34頁,共49頁，2024年2月25日，星期天橢圓齒輪流量計的安裝：

橢圓齒輪流量計在安裝前應清潔管道。若液體內(nèi)含有固體顆粒，則必須在管道上游加裝過濾器；若含氣體應安裝排氣裝置。安裝時，應使流量計的橢圓齒輪轉(zhuǎn)動軸與地面平行。橢圓齒輪流量計的使用(難點)：

不同型號規(guī)格的橢圓齒輪流量計對最小使用流量有一允許值，只有當實際被測流量大于該下限流量允許值時，測量精度才能得到保證。長期使用后的橢圓齒輪流量計，其內(nèi)部的齒輪會被腐蝕和磨損，從而影響測量精度。橢圓齒輪流量計被測介質(zhì)的溫度，不能過高。否則不僅會增加測量誤差，而且有使齒輪發(fā)生卡死的可能。第35頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.速度式流量計(1)節(jié)流式（差壓式）流量計：孔板、擋板、文丘里管→孔板

差壓式流量計結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠且適合于多種介質(zhì)流量檢測，是應用非常廣泛的一類流量測量儀表。圖4孔板前后流體的流線、流速和壓力分布圖第36頁,共49頁，2024年2月25日，星期天不可壓縮理想流體伯努利方程：流體連續(xù)性方程：

當流體通過節(jié)流裝置的節(jié)流孔時，流束形成局部收縮，流速加快，動能增加，靜壓降低，在節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓差，根據(jù)伯努利方程和流體流動的連續(xù)性原理可得壓差與流量之間的關(guān)系為：

差壓式流量計依據(jù)流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差來實現(xiàn)流量測量。第37頁,共49頁，2024年2月25日，星期天式中μ為收縮系數(shù)推得:修正:分別為流量系數(shù)和膨脹系數(shù)。第38頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2.5物位的檢測與變送（液位、料位、界位）2.5.1物位檢測的主要方法靜壓式測量法壓力式：敞口容器；差壓式：閉口容器電氣式測量法物位變化→電氣參數(shù)：電阻、電容、磁場等變化→與電容式差壓變送器配合→標準信號。3.聲學式測量法；4.射線式測量法。2.5.2典型物位檢測儀表1.差壓式液位計：取壓口與底部同一水平線（圖2－52）；

靜壓式液位計測量時，其正壓室與容器液相相通，負壓室與容器氣相相通。如果差壓計的正壓室取壓口與起始液面在同一水平面上。第39頁,共49頁，2024年2月25日，星期天對于氣動差壓變送器,時，變送器輸入,輸出20kPa；

時，變送器輸入,輸出100kPa。此時，差壓變送器的工作特性稱為無遷移。第40頁,共49頁，2024年2月25日，星期