第3章-常見過程測控儀表

１.了解過程測控儀表的組成，掌握過程測控儀表信號的標準。２.了解測量誤差的基本概念，掌握常用數(shù)字濾波的方法。３.了解安全場所的劃分和儀表防爆的基本知識。４.了解物位、成分等檢測儀表的工作原理與使用。５.了解過程控制中軟測量技術(shù)的基本概念。６.掌握過程測控儀表的幾種接線方式，以及相互之間的區(qū)別。７.掌握熱電偶、熱電阻等溫度檢測儀表的使用，以及溫度檢測儀表的選型和安裝。８.掌握常用壓力、流量等檢測儀表的工作原理以及選型和安裝。學(xué)習(xí)目標第3章常見過程測控儀表§３—１測控儀表組成及接線方式一、過程檢測儀表的組成第3章常見過程測控儀表二、過程檢測儀表的接線方式１.電流二線制和四線制第3章常見過程測控儀表２.電阻三線制第3章常見過程測控儀表３.現(xiàn)場總線方式第3章常見過程測控儀表§３—２測量誤差及處理一、測量誤差的基本概念２.誤差被測變量本身所具有的真實值，稱為真值，它是一個理想的概念，一般是無法得到的。１.真值絕對誤差是指儀表輸出信號所代表的被測值與被測參數(shù)真值之差。式中Δ———被測值的絕對誤差值；Ｍ———約定真值或相對真值。Δ＝Ｍ－Ａ第3章常見過程測控儀表儀表絕對誤差的求法是用精確度高的標準儀表和實用測量儀表，在相同的條件下，對同一參數(shù)進行測量，然后進行數(shù)據(jù)比較，這項工作就叫作儀表的校驗。絕對誤差與約定真值的百分比，定義為儀表的相對誤差，即:δ＝Δ/Ａ×100％絕對誤差與儀表量程的百分比，稱為儀表的引用誤差，即:δｍ＝Δ/Ｘ×100％式中δｍ———儀表引用誤差；Δ———儀表的絕對誤差；Ｘ———儀表的量程，即儀表測量范圍的上限值與下限值之差。第3章常見過程測控儀表例３—２—１某壓力表刻度0

~100kPa，在50kPa處計量檢定值為49.5kPa，求在50kPa處儀表的絕對誤差、相對誤差和引用誤差。第3章常見過程測控儀表３.精度等級精度等級又稱準確度級，是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小劃分成的等級，我國生產(chǎn)的儀表，其精度等級有0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。級數(shù)越小，精度（準確度）就越高。第3章常見過程測控儀表二、測量變送中的幾個問題１.純滯后問題２.測量滯后問題３.信號傳送滯后問題第3章常見過程測控儀表三、測量信號的處理測量信號的處理包括對測量信號進行線性化處理和濾波處理等。數(shù)字濾波是一種程序濾波，即利用計算機自身能夠進行運算與判斷的特點，通過計算機軟件濾去干擾信號，以提高信號的真實性。采用數(shù)字濾波可以消除低頻干擾。１.算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波又稱為遞推平均濾波，它對周期性等幅振蕩的干擾有較明顯的濾波效果。其公式為：第3章常見過程測控儀表２.程序判斷濾波當|Ｘｉ-Ｘｉ-１

|

<Ｂ時，則Ｘｉ為輸入計算機的采樣值；當|Ｘｉ-Ｘｉ-１

|≥Ｂ時，則將Ｘｉ-１采樣值作為第ｉ次采樣值輸入計算機。其中，Ｘｉ-１為上次采樣值；Ｘｉ為本次采樣值；Ｂ為閾值；Ｂ值的選擇主要取決于對象被測參數(shù)的變化速度。第3章常見過程測控儀表３.中位值法濾波連續(xù)采樣三次以上的值，從中選擇大小居中的那個值作為有效的測量信號。４.一階慣性濾波實質(zhì)上是通過計算機的算法來實現(xiàn)動態(tài)的ＲＣ低通濾波。其傳遞函數(shù)為：式中Ｙ（ｓ）

———濾波器輸出的拉普拉斯變換；Ｘ（ｓ）

———濾波器輸入的拉普拉斯變換；Ｔｆ———濾波器的時間常數(shù)，ｓ。第3章常見過程測控儀表§３—３安全防爆基礎(chǔ)一、危險場所劃分表３—３—１危險區(qū)分類說明類別氣體和蒸汽爆炸危險環(huán)境粉塵爆炸危險環(huán)境火災(zāi)危險環(huán)境級別０區(qū)1區(qū)2區(qū)10區(qū)11區(qū)21區(qū)22區(qū)23區(qū)第3章常見過程測控儀表１.隔爆型隔爆型防爆形式是把設(shè)備可能點燃爆炸性氣體混合物的部件全部封閉在一個外殼內(nèi)，其外殼能夠承受通過外殼接合面或結(jié)構(gòu)間隙滲透到外殼內(nèi)部的任何可燃性混合物在內(nèi)部引起的爆炸而不被損壞，并且不會引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性環(huán)境的點燃，從而達到隔爆目的。隔爆型設(shè)備適用于１、２區(qū)場所。２.本安型本安型防爆形式是設(shè)備內(nèi)部的所有電路都是在標準規(guī)定條件（包括正常工作和規(guī)定的故障條件）下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的本質(zhì)安全電路。該防爆形式只能應(yīng)用于弱電設(shè)備中，該類型設(shè)備適用于０、１或２區(qū)。第3章常見過程測控儀表二、防爆安全柵１.齊納式安全柵齊納式安全柵是通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實現(xiàn)能量限制作用，使得在本安防爆系統(tǒng)中，不論現(xiàn)場本安儀表發(fā)生何種故障，都能保證傳輸?shù)浆F(xiàn)場（危險區(qū)）的能量處于一個安全范圍內(nèi)（不會點燃規(guī)定的分級、分組爆炸性氣體的混合物），從而保證現(xiàn)場安全。２.隔離式安全柵隔離式安全柵分輸入式安全柵（從現(xiàn)場到控制室）和輸出式安全柵（從控制室到現(xiàn)場）兩種。

第3章常見過程測控儀表§３—４溫度測量溫度是表征物體冷熱程度的一個物理量，反映了物體內(nèi)部分子運動平均動能的大小。溫標有華氏、攝氏及開氏溫標（熱力學(xué)溫標）。華氏溫標與攝氏溫標之間的換算公式為：第3章常見過程測控儀表一、接觸式與非接觸式測溫接觸式測溫方法主要包括基于物體受熱體積膨脹的膨脹式溫度檢測儀表，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的熱電阻式溫度檢測儀表，基于熱電效應(yīng)的熱電偶式溫度檢測儀表等。非接觸式測溫方法利用的是物體的熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系。第3章常見過程測控儀表二、熱電偶熱電偶是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器，分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指按國家規(guī)定定型生產(chǎn)、有標準化分度表和允許誤差的熱電偶。而非標準化熱電偶主要用于特殊場合的測溫。工業(yè)上常用的標準熱電偶有如下幾種：鉑銠10—鉑熱電偶（分度號Ｓ），鉑銠30—鉑銠6熱電偶（也稱雙鉑銠熱電偶，分度號Ｂ）和鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶（分度號Ｋ）等。第3章常見過程測控儀表１.熱電偶的主要特性我國從1988年起，熱電偶全部按ＩＥＣ國際標準生產(chǎn)，并指定Ｓ、Ｂ、Ｋ、Ｔ、Ｅ、Ｊ等標準化熱電偶為中國統(tǒng)一設(shè)計型號。２.熱電偶的冷端補償由熱電偶測溫原理可知，只有當其冷端溫度保持不變時，熱電動勢才是被測溫度的單值函數(shù)，即：Ｅ(ｔ，０)＝Ｅ(ｔ，ｔ０)＋Ｅ(ｔ０，０)第3章常見過程測控儀表例３—４—１用分度號為Ｋ的鎳鉻—鎳硅熱電偶測量溫度，在沒有采取冷端溫度補償?shù)那闆r下，顯示儀表指示值為500℃，而這時冷端溫度為60℃，實際溫度應(yīng)為多少？如果熱端溫度不變，設(shè)法使冷端溫度保持在20℃，此時顯示儀表的指示值應(yīng)為多少？第3章常見過程測控儀表三、熱電阻金屬熱電阻的電阻值和溫度之間的關(guān)系一般可以近似表示為：Ｒｔ＝Ｒ0

[１＋α（ｔ－ｔ0）]式中Ｒt——溫度ｔ時對應(yīng)的電阻值；Ｒ0——溫度ｔ0

(通常ｔ0＝０℃)時對應(yīng)的電阻值；

α——溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱電阻（也稱熱敏電阻）的阻值與溫度之間的關(guān)系一般可以近似表示為：Ｒt

＝ＡｅＢ/ｔ式中Ｒt——熱敏電阻在溫度ｔ時對應(yīng)的電阻值；Ａ、Ｂ——取決于半導(dǎo)體材料和結(jié)構(gòu)的常數(shù)。第3章常見過程測控儀表四、集成式溫度傳感器第3章常見過程測控儀表五、接觸式測溫元件的選型與安裝１.接觸式測溫元件的選型(１)儀表的精度等級應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝對參數(shù)允許偏差值的大小確定。(２)儀表選型應(yīng)力求操作方便、運行可靠、經(jīng)濟合理等。(３)溫度儀表的測量上限應(yīng)選得比實際使用的最高溫度略高一些。(４)一般優(yōu)先選用熱電偶測溫，只在測溫范圍低于150℃時才選用熱電阻。(５)熱電偶、補償導(dǎo)線及顯示儀表的分度號要一致。(６)保護套管的耐壓等級應(yīng)不低于所在管線或設(shè)備的耐壓等級，材料應(yīng)根據(jù)最高使用溫度及被測介質(zhì)的特性來選擇。第3章常見過程測控儀表２.接觸式測溫元件的安裝(１)在測量管道內(nèi)流動介質(zhì)溫度時，應(yīng)保證傳感器與介質(zhì)充分接觸，要求傳感器與被測介質(zhì)成逆流狀態(tài)安裝，至少呈正交式安裝，切勿與被測介質(zhì)形成順流狀態(tài)。傳感器的感溫點應(yīng)處于管道中流速最大的地方。(２)為了減小測量誤差，應(yīng)盡可能增大傳感器的插入深度。溫度計應(yīng)斜插或在管道彎頭處插入。(３)當測溫管道過細（直徑小于80mm）

時，安裝測溫元件需加裝擴充管。(４)在安裝熱電偶及熱電阻時，應(yīng)使其接線盒的面蓋朝上。(５)安裝在負壓管道上的溫度計，必須要保證良好的密封性。(６)用熱電偶測量爐膛溫度時，應(yīng)避免與火焰直接接觸；還應(yīng)避免把熱電偶安裝在爐門旁或與熱物體距離過近之處。接線盒不應(yīng)碰到被測介質(zhì)的器壁。第3章常見過程測控儀表§３—５壓力測量所謂壓力是指均勻而垂直作用于單位面積上的力，也就是物理學(xué)中的壓強，用符號Ｐ表示。由于參考點不同，在工程技術(shù)中流體的壓力可分為以下幾種:(１)差壓（又稱壓差）：兩個壓力之間的相對差值。(２)絕對壓力：相對于零壓力（絕對真空）所測得的壓力。(３)表壓力：絕對壓力與當?shù)卮髿鈮褐睢?４)負壓（又稱真空表壓力）：當絕對壓力小于大氣壓時，大氣壓與絕對壓力之差。(５)大氣壓：它是地球表面上的空氣質(zhì)量所產(chǎn)生的壓力，大氣壓隨當?shù)氐暮０胃叨?、緯度和氣象情況變化。第3章常見過程測控儀表壓力的表示方法有三種：絕對壓力ｐａ，表壓力ｐ，負壓或真空度ｐｈ，關(guān)系如圖３—５—１所示。第3章常見過程測控儀表一、彈性式壓力檢測彈性式壓力表是利用各種彈性元件，在被測介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生彈性變形（服從胡克定律）的原理來測量壓力的。第3章常見過程測控儀表二、應(yīng)變片式壓力檢測應(yīng)變片式壓力傳感器使用的敏感元件是應(yīng)變片，它是由金屬導(dǎo)體或者半導(dǎo)體材料制成的電阻體。當應(yīng)變片受到外力作用產(chǎn)生形變（伸長或者收縮）時，其電阻值也將發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)電阻值計算公式：Ｒ＝ρｌ/Ａ可以求得，在應(yīng)變片的測壓范圍內(nèi)，其電阻值的相對變化量為：第3章常見過程測控儀表第3章常見過程測控儀表三、壓阻式壓力檢測壓阻式壓力傳感器是根據(jù)壓阻效應(yīng)制造的，其壓力敏感元件就是在半導(dǎo)體材料的基片上利用集成電路工藝制成的擴散電阻，當受到外力作用時，擴散電阻的阻值由于電阻率的變化而改變。第3章常見過程測控儀表四、壓力表的選擇與安裝１.壓力表的選擇(１)量程的選擇(２)準確度的選擇(３)使用環(huán)境及介質(zhì)性能的考慮(４)壓力表外形尺寸的選擇第3章常見過程測控儀表２.壓力表的安裝(１)測點的選擇和安裝必須保證儀表所測得的是介質(zhì)的靜壓力。(２)安裝地點應(yīng)力求避免振動和高溫的影響。(３)在測量蒸汽壓力時，應(yīng)加裝凝汽管；對于腐蝕性介質(zhì)，應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐；針對被測介質(zhì)的不同性質(zhì)（高溫、低溫、腐蝕、臟污、結(jié)晶和黏稠等），應(yīng)采取相應(yīng)的防高溫、防腐蝕、防凍及防堵等措施。(４)測點與壓力計之間應(yīng)加裝切斷閥門。切斷閥門應(yīng)安裝在靠近測點的地方。(５)在需要進行現(xiàn)場校驗和經(jīng)常沖洗引壓導(dǎo)管的情況下，切斷閥可改用三通開關(guān)。(６)引壓導(dǎo)管不宜過長，以便減小壓力指示的時延，一般長度不大于50m。第3章常見過程測控儀表§３—６流量測量流量通常是指單位時間內(nèi)流經(jīng)管道某截面流體的數(shù)量，也就是所謂的瞬時流量。在某一段時間內(nèi)流過流體的總和，稱為總量或累積流量。瞬時流量和累積流量可以用體積表示，也可以用質(zhì)量表示。(１)體積流量。(２)質(zhì)量流量。(３)標準狀態(tài)下的體積流量。式中ρ———液體的密度。第3章常見過程測控儀表一、容積式流量計容積式流量測量是采用固定的小容積來反復(fù)計量通過流量計的流體體積。容積式流量計的工作原理為：流體通過流量計，就會在流量計進出口之間產(chǎn)生一定的壓力差。流量計的轉(zhuǎn)動部分在這個壓力差作用下將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并將流體由入口排向出口。在這個過程中，流體一次次地充滿流量計的計量空間，然后又不斷地送往出口。在給定流量計條件下，該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)，就可以得到通過流量計的流體體積的累積值。ＶΣ＝ＮＶ第3章常見過程測控儀表第3章常見過程測控儀表二、速度式流量計１.渦輪流量計渦輪流量計是一種速度式流量儀，它利用置于流體中的葉輪旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系，通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來反映通過管道的體積流量大小。第3章常見過程測控儀表２.漩渦（渦街）流量計漩渦流量計是利用流體振動原理來進行流量測量的，即在特定的流動條件下，流體一部分動能產(chǎn)生流體振動，且振動頻率與流體的流速（或流量）有一定關(guān)系。第3章常見過程測控儀表３.電磁流量計電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律進行流量測量的。在管道直徑Ｄ已經(jīng)確定、磁場強度Ｂ維持不變時，流體的體積流量與磁感應(yīng)電動勢呈線性關(guān)系。第3章常見過程測控儀表４.超聲波流量計超聲波在流體中傳播時，會載有流體流速的信息。因此，通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。第3章常見過程測控儀表三、差壓式流量計１.節(jié)流式流量計流體流過阻力件使流束收縮導(dǎo)致壓力變化的過程稱為節(jié)流過程，，其中的阻力件稱為節(jié)流件，并且分標準型和特殊型兩種。標準節(jié)流件包括標準孔板、標準噴嘴和標準文丘里管。第3章常見過程測控儀表(１)節(jié)流原理第3章常見過程測控儀表(２)伯努利方程對于不可壓縮液體，伯努利方程可表示如下：第3章常見過程測控儀表(３)節(jié)流裝置的流量方程第3章常見過程測控儀表２.浮子式流量計浮子流量計的流量公式可以表示為：第3章常見過程測控儀表３.質(zhì)量流量計第3章常見過程測控儀表四、多相流體的流量測量多相流體就是在流體流動中不是單相物質(zhì)，而是有兩種或兩種以上不同相物質(zhì)同時存在并一起運動。兩相流體流量可分為兩種：一種為兩相混合物流量，即兩相流體的總流量；另一種為各相的流量，各相流量之和就等于兩相混合物流量。第3章常見過程測控儀表§３—７物位測量物位是指存放在容器或工業(yè)設(shè)備中物質(zhì)的高度或位置。物位儀種類很多，常用的有直讀式液位計、差壓式物位儀、浮力式液位計、電容式物位儀、超聲波式物位儀和核輻射式物位儀等。此外，還有電觸點式、翻板式和機械葉輪探測式等物位測量儀表。第3章常見過程測控儀表一、浮力式液位測量第3章常見過程測控儀表二、靜壓式液位測量第3章常見過程測控儀表三、電容式物位測量第3章常見過程測控儀表四、超聲波式物位測量(１)超聲波在某種介質(zhì)中以一定的速度傳播，在氣體、液體和固體等不同介質(zhì)中，因聲波被吸收而減弱的程度不同，從而區(qū)別出不同的介質(zhì)。(２)聲波遇到兩相界面時會發(fā)生反射，并且反射角與入射角相等。

反射聲強與介質(zhì)的特性阻抗有關(guān)，特性阻抗為聲速和介質(zhì)密度的乘積。當聲波垂直入射時，反射聲強ＩＲ與入射聲強ＩＥ間存在如下關(guān)系：(３)聲波在傳送中，頻率越高，聲波擴散越小，方向性越好；而頻率越低，則衰減越小，傳輸越遠。也可根據(jù)該特點設(shè)計出超聲物位計。第3章常見過程測控儀表第3章常見過程測控儀表五、雷達式物位測量第3章常見過程測控儀表六、核輻射式物位測量核輻射式物位測量主要是利用核輻射式物位計，其原理是利用放射源產(chǎn)生的核輻射線（通常為γ射線）穿過一定厚度的被測介質(zhì)時。射線的投射強度將隨介質(zhì)厚度的增加而呈指數(shù)規(guī)律衰減來測量物位。射線強度的變化規(guī)律表示如下：第3章常見過程測控儀表七、光纖式液位測量可見，只要檢測出是否有差值ΔＰｏ，便可確定光纖是否接觸液面。第3章常見過程測控儀表八、多相界面的測量第3章常見過程測控儀表§３—８成分測量一、熱導(dǎo)式氣體成分測量熱導(dǎo)式氣體成分檢測是根據(jù)混合氣體中待測組分熱導(dǎo)率各不相同的原理進行測量的，當被測氣體待測組分的含量改變時，將會引起總熱導(dǎo)率的變化，通過熱導(dǎo)池轉(zhuǎn)換成電熱絲電阻值的變化，從而間接獲得待測組分的含量。第3章常見過程測控儀表二、紅外式氣體成分測量各種氣體的分子本身都具有特定的振動和轉(zhuǎn)動頻率，只有當紅外線光譜的頻率和氣體分子本身的特定頻率相同時，這種氣體分子才能吸收紅外光譜輻射能，并部分地轉(zhuǎn)化為熱能，從而利用測溫元件來測量紅外輻射能的大小。Bell定律，即：第3章常見過程測控儀表三、氧化鋯氧量成分測量第3章常見過程測控儀表四、氣相色譜成分測量第3章常見過程測控儀表五、工業(yè)電導(dǎo)儀工業(yè)電導(dǎo)儀是以測量溶液濃度的電化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，通過測量溶液的電導(dǎo)而間接求得溶液的濃度。用于分析酸、堿溶液的濃度時，工業(yè)電導(dǎo)儀常稱為濃度計。當電解