《檢測(cè)儀表與傳感器》PPT課件.ppt

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1、2012第三章 測(cè)量元件與變換器3.1 概述,一、參數(shù)的測(cè)量 參數(shù)檢測(cè)：將被測(cè)參數(shù)經(jīng)過(guò)一次或多次能量的交換，獲得一種便于顯示和傳遞的信號(hào)的過(guò)程。 根據(jù)信號(hào)的不同，參數(shù)檢測(cè)儀表可以分為氣動(dòng)檢測(cè)儀表和電動(dòng)檢測(cè)儀表兩類。 非電量的電測(cè)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(hào)）的檢測(cè)方法。,二、檢測(cè)儀表的性能,1. 準(zhǔn)確度與誤差 準(zhǔn)確度：測(cè)量值與被測(cè)量真值的接近程度； 絕對(duì)誤差：測(cè)量值與被測(cè)量真值之差； 相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值之比； 實(shí)際相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值之比； 示值相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與儀表指示值之比； 引用相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與儀表滿刻度

2、值之比。 允許誤差：最大引用相對(duì)誤差。,二、檢測(cè)儀表的性能,2.指示變差與精密度 指示變差：同一儀表對(duì)相同的被測(cè)參數(shù)進(jìn)行正、 反行程測(cè)量時(shí)，其顯示值的差異。 精密度（簡(jiǎn)稱精度）：儀表檢測(cè)微小參數(shù)變化的能力。 儀表精度等級(jí)：用允許誤差的絕對(duì)值表示： 常用儀表等級(jí)有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等， 精確度：儀表精密而準(zhǔn)確的程度。,二、檢測(cè)儀表的性能,3. 靈敏度、靈敏限與分辨率 靈敏度：儀表的指示位移變化量與被測(cè)參數(shù)變化量之比。 靈敏限：能引起儀表指針發(fā)生位移變化的被測(cè)參數(shù)的最小變化量。 分辨率：測(cè)試儀表數(shù)字

3、顯示器的最末位數(shù)字間隔所代表的被測(cè)參數(shù)變化量。,二、檢測(cè)儀表的性能,4. 線性度與反應(yīng)時(shí)間 線性度：測(cè)量?jī)x表在全量程范圍內(nèi)實(shí)際校準(zhǔn)值與理論對(duì)應(yīng)值的吻合程度。 反應(yīng)時(shí)間：顯示值變化相對(duì)于實(shí)際值變化的滯后時(shí)間。,,,,,,,被測(cè)變量,儀表顯示值,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/D,,,,PLC,,,,,3.2 壓力的測(cè)量與變送一、壓力的表示與單位,壓力的表示： 絕對(duì)壓力 單位面積所受到的力 相對(duì)壓力（表壓） 絕對(duì)壓力與大氣壓之差 真空度 大氣壓與絕對(duì)

4、壓力之差,,,,,,,,,絕對(duì)壓力,絕對(duì)壓力,,真空度,表壓,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,壓力（壓強(qiáng)）的單位,壓強(qiáng)（俗稱壓力）：?jiǎn)挝幻娣e所受到的垂直作用力。 工程上的“壓力”與力學(xué)中的“壓力”不表示同一個(gè)概念。,二、壓力計(jì)的分類與工作原理,工業(yè)壓力計(jì)通常按敏感元件的類型進(jìn)行分類： 液柱式壓力計(jì) 活塞式壓力計(jì) 彈性式壓力計(jì) 電氣式壓力計(jì),1. 液柱式壓力計(jì),測(cè)量原理：P=h 所以 h=P/ ,2. 活塞式壓力計(jì),測(cè)量原理： P=G/S 所以 G=PS 精確度高 常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗(yàn)其它壓力計(jì),,,,,,,,,,,3、彈性式壓力計(jì)與常用壓力表,工作原理：采用彈性元件將壓強(qiáng)大小轉(zhuǎn)換為位移量，再通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)

5、和放大，推動(dòng)指針偏移。 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(jì) 薄膜式壓力計(jì) 波紋管式壓力計(jì),4、電氣式壓力計(jì)與信號(hào)轉(zhuǎn)換,電氣式壓力計(jì)，實(shí)際上是將彈性元件、液柱式壓力計(jì)所產(chǎn)生的微小位移或活塞式壓力計(jì)所產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的一類壓力計(jì)。 電氣式壓力計(jì)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(hào)。,電氣式壓力計(jì)一次探頭,常用電參數(shù)有：電阻、電感、電容、電壓等。 常見(jiàn)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。,電阻應(yīng)變式壓力計(jì)一次

6、探頭,電線的電阻為：R=L/S 當(dāng)電線受到拉（應(yīng)）力作用時(shí)，L變大，S變小，R變大。 當(dāng)粘一組串聯(lián)平行細(xì)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(shí)，細(xì)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,,,,電感式壓力計(jì)一次探頭,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(shí)，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。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電容式壓力計(jì)一次探頭,電容器的電容量：C=S/d 當(dāng)S或d發(fā)生變化時(shí)，電容量發(fā)生變化。,,,,,,,,,,,,,,,

7、,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式壓力計(jì)一次探頭,霍爾半導(dǎo)體在垂直電流和磁場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生側(cè)向電壓：UH=RHBI,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,S,電氣壓力計(jì)前置放大器,傳感元件的參量變化通常是非常微弱的，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，需要進(jìn)行初步放大。 電阻和電容傳感器一般采用電橋放大，以電壓方式輸出； 電感式傳感器一般采用振蕩電路放大，以頻率方式輸出； 電壓傳感器一般采用直流放大器，以電壓或電流方式輸出。,電氣壓力計(jì)前置放大器,電氣壓力計(jì)二次儀表,作用：將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)通訊信號(hào)。 DDZ 型儀表標(biāo)準(zhǔn)通訊信號(hào)為：420mA。 智能型壓力傳感器在二次儀表中另外附加一些功能，如：模/

8、數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)通訊，工程單位轉(zhuǎn)換，信號(hào)（變化）阻尼，故障診斷等。,三、壓力計(jì)的選型,選型內(nèi)容： 類型選擇 功能：顯示、報(bào)警、記錄、傳送（數(shù)字、模擬）； 介質(zhì)條件：溫度、腐蝕性、粘度、臟污程度等； 如：氨氣表防腐，氧氣表禁油。 環(huán)境條件：溫度、震動(dòng)、電磁場(chǎng)等。 量程與盤面大?。?工作壓力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。 盤面大小應(yīng)方便安裝和觀察。 精度等級(jí)：根據(jù)工藝需要確定。,常見(jiàn)壓力傳感器外形,,,,,,,,,三、壓力計(jì)的安裝,安裝事項(xiàng)： 取壓位置：由工藝條件確定； 盡量避免渦流影響； 避免流速影響； 避免導(dǎo)壓管產(chǎn)生壓差。 隔離： 溫度隔離：采用銅管散熱； 腐蝕性隔離：采用隔

9、離箱（凝液管）； 臟污隔離：采用空氣包。,3.3 流量的測(cè)量與變送,按測(cè)量途徑分類： 速度式流量計(jì) 通過(guò)測(cè)量過(guò)流速度，用過(guò)流面積換算成流量。 容積式流量計(jì) 采用固定溶劑空間逐次衡量過(guò)流容積。 質(zhì)量流量計(jì) 計(jì)量可壓縮流體的質(zhì)量通過(guò)量。,一、速度式流量計(jì),根據(jù)測(cè)速方法可以分為以下幾類： 壓差流量計(jì) 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 電磁流量計(jì) 超聲波流量計(jì) 渦輪流量計(jì) 堰式流量計(jì),1. 壓差流量計(jì),由流體力學(xué)知識(shí)可知，流體通過(guò)孔板節(jié)流裝置后，會(huì)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： 通過(guò)測(cè)量孔板前 后壓差即可計(jì)算 出流速和流量。,,,,,,,,,p1,p2,2. 轉(zhuǎn)子流量計(jì),垂直流道中的金屬轉(zhuǎn)子在壓差

10、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。 由轉(zhuǎn)子高度可直接讀取通過(guò)的流量； 測(cè)量轉(zhuǎn)子位置可進(jìn)一步獲得相應(yīng)的電氣信號(hào)。,,,,,,,,,,,,3. 電磁流量計(jì),當(dāng)流道兩側(cè)有磁場(chǎng)作用時(shí)，導(dǎo)電流體在流動(dòng)過(guò)程中切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： Ex=BDv10-12 所以有： Q=K Ex,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,EX1,EX2,3. 電磁流量計(jì),電磁流量計(jì)由兩部分組成： 電磁流量變換器 由帶激磁線圈的絕緣測(cè)量管產(chǎn)生電勢(shì)信號(hào)。 二次儀表 作用：提供激磁電源，將變換器輸出的微弱電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行放大，并輸出相應(yīng)的電流信號(hào)。 組成：前置放大、主放大、相敏檢波、

11、功率放大、霍爾反饋（克服電源波動(dòng)）、電源等。,4. 超聲波流量計(jì),多普勒效應(yīng)：當(dāng)一束波射向移動(dòng)的物質(zhì)并產(chǎn)生散射時(shí)，其散射波的頻率會(huì)產(chǎn)生變化（頻移），且頻率變化量與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度成正比。 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)： 非接觸式測(cè)量； 流體中需要有散射粒子：微泡或顆粒。,,,,,,,,二、容積式流量計(jì),容積式流量計(jì)主要包括兩類： 齒輪式流量計(jì) 一對(duì)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(guò)間隙輸送通過(guò)。流體通過(guò)量與齒輪轉(zhuǎn)數(shù)成正比。 活塞式流量計(jì) 利用活塞的每一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)輸送定量的流體。 計(jì)量泵：用外力推動(dòng)容積式流量計(jì)即可定量輸送流體 容積式流量計(jì)的最大特點(diǎn)是對(duì)被測(cè)流體的粘度

12、不敏感，常用于測(cè)量重油等粘稠流體。,三、質(zhì)量流量計(jì),間接式質(zhì)量流量計(jì) 分別測(cè)量體積流量和密度再用乘法計(jì)算出質(zhì)量流量。 直接式質(zhì)量流量計(jì) 利用科氏力的作用使彎曲的彈性管道兩側(cè)產(chǎn)生震動(dòng)相位差 質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只用于壓力變化較大的可壓縮流體。,3.4 物位的測(cè)量與變送,物位： 液位：容器中液體表面的高低； 料位：容器中固體的堆積高度； 界面：兩相物質(zhì)的交界面。,物位計(jì)的分類,直讀式物位計(jì) 浮力式物位計(jì) 壓差式物位計(jì) 電磁式物位計(jì) 核輻射式物位計(jì) 超聲波物位計(jì) 光電式物位計(jì),一、直讀式物位計(jì),用帶有刻度的透明物質(zhì)（如玻璃、有機(jī)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。,,

13、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,二、浮力式物位計(jì),利用浮子高度隨液面或液體界面變化而變化的原理工作。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三、壓差式物位計(jì),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(jìn)行測(cè)量。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,液體密閉容器,液體敞開容器,固體稱重倉(cāng),,四、電容式物位計(jì),圓柱形電容器的電容量的表達(dá)式為： 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(jiàn)，電容量的變化量與充料高度成正比。測(cè)量電容量變化即可知料位的變化。,四、電容式物位計(jì),電容式液位計(jì),電

14、容（繩）式料位計(jì),,,,,,,,,,,,,,,,,,,主要用于測(cè)量不導(dǎo)電流體,五、電極式物位計(jì),利用物料的導(dǎo)電性能測(cè)量高低液位。 也可以用于導(dǎo)電性較弱的液體和潮濕固體。,,,,,,,,,,,,,,六、核輻射式物位計(jì),放射線通過(guò)介質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度衰減與物質(zhì)的吸收系數(shù)和介質(zhì)層厚度有關(guān)： 目前，工業(yè)上使用的放射線物位計(jì)有連續(xù)式和間斷式兩種。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,七、超聲波物位計(jì),利用聲波在空氣中傳播速度不變的原理，通過(guò)檢測(cè)聲波發(fā)射和反射全過(guò)程的時(shí)間間隔可以計(jì)算出物料界面到探頭的距離，從而得到物位的高低。 注意事項(xiàng)： 確保反射波能回到探頭； 防止物料對(duì)聲波的吸收（如表面泡沫

15、漂浮）。,,,,,,,,3.4 溫度的測(cè)量與變送,溫度是化工過(guò)程中最普遍而重要的操作參數(shù)。 所有的過(guò)程都是在一定的溫度條件下進(jìn)行的； 溫度決定一些反應(yīng)能否進(jìn)行和反應(yīng)方向； 溫度決定一些反應(yīng)的進(jìn)程程度； 溫度顯示反應(yīng)的能量變化。 溫度不能直接測(cè)量。溫度的測(cè)量都是通過(guò)溫度傳遞到敏感元件后，其物理性質(zhì)隨溫度變化而進(jìn)行的。,常用溫度計(jì)的種類及適用溫度,一、膨脹式溫度計(jì),玻璃液體溫度計(jì) 利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細(xì)管延伸而直接顯示溫度 雙金屬溫度計(jì) 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 = t0,t t0,二、壓力式溫度

16、計(jì),利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進(jìn)行測(cè)量。 溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)； 毛細(xì)管：傳遞壓力； 彈簧管：顯示壓力（溫度）。,,,,,,,,,,,,,,三、輻射式溫度計(jì),通過(guò)特定波長(zhǎng)光波的強(qiáng)度或熱輻射強(qiáng)度來(lái)確定光源溫度。 輻射式溫度計(jì)：測(cè)定熱輻射強(qiáng)度； 光學(xué)溫度計(jì)：采用光學(xué)分頻法，測(cè)定不同頻率光波的強(qiáng)度比值； 比色法：直接通過(guò)可見(jiàn)光顏色的對(duì)比，確定光源溫度。 輻射式溫度計(jì)，通常用于測(cè)量高溫條件，特別是光學(xué)溫度計(jì)和比色溫度計(jì)需要利用物體在高溫下發(fā)射的可見(jiàn)光進(jìn)行檢測(cè)。,四、熱電偶溫度計(jì)1.熱電偶工作原理,不同金屬具有不同的電子密度； 兩種金屬接觸面因?yàn)殡娮拥臄U(kuò)散作用而產(chǎn)生電場(chǎng)熱電現(xiàn)象； 電

17、子在擴(kuò)散作用和電場(chǎng)力作用下最終達(dá)到平衡； 電子的擴(kuò)散與溫度相關(guān)，溫度越高，擴(kuò)散作用越強(qiáng)。,,,,,,,,+ +,- -,擴(kuò)散作用,電場(chǎng)作用,,金屬A,金屬B,2. 熱電偶的材質(zhì)與選擇,熱電偶的材質(zhì)要求： 單位溫度變化的熱電勢(shì)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。 不同材質(zhì)的熱電偶有不同的特性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇 測(cè)量范圍、放大系數(shù)（以分度值表示）、測(cè)量精度、抗腐蝕能力、價(jià)格等。,3. 熱電偶的結(jié)構(gòu),熱電極 工作部分 絕緣子 防止電極與電極、套管短路 保護(hù)套管 保護(hù) 接線盒,,,,,,,,,,,

18、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4. 熱電偶回路,不同金屬連接在一起都構(gòu)成熱電偶作用； 熱電偶回路電動(dòng)勢(shì)為各接點(diǎn)熱電勢(shì)的總和； 對(duì)于有外接導(dǎo)線的熱電偶回路，其總電動(dòng)勢(shì)為熱端與冷端熱電動(dòng)勢(shì)之差。,,,,,,,,,,A,B,C,C,熱電偶測(cè)量的關(guān)鍵是如何保證冷端的溫度,5. 熱電偶的補(bǔ)償,熱電偶的導(dǎo)線補(bǔ)償 用廉價(jià)材料將冷端延伸到溫度相對(duì)穩(wěn)定的控制室內(nèi)； 冷端溫度補(bǔ)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(shì)。,,,,,+,-,,,,,,,,,,,補(bǔ)償導(dǎo)線,,測(cè)量電路,熱電偶,補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)與熱電偶的電極材料配合使用； 補(bǔ)償導(dǎo)線的材質(zhì)不同，接線時(shí)應(yīng)特別注意不能接錯(cuò)。,五、熱電

19、阻溫度計(jì),測(cè)量原理 利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行測(cè)量； 測(cè)量金屬在不同溫度下電阻值的變化。 工業(yè)熱電阻溫度計(jì)主要有兩種材質(zhì)： 鉑電阻：0650C，Pt10，Pt100 銅電阻：-50+150C，Cu50，Cu100 結(jié)構(gòu)：普通型，鎧裝型，薄膜型,六、電動(dòng)溫度計(jì)的二次儀表,功能： 對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)換； 信號(hào)的線性化。 組成部分： 輸入電橋； 放大器； 反饋電路； 電源電路。,熱電偶或熱電阻,輸入電橋,放大電路,反饋電路,,,,,,,,,電源電路,,,,,,被測(cè)溫度,,七、測(cè)溫元件的安裝注意事項(xiàng),確保測(cè)溫元件與被測(cè)材料有充分的接觸； 保持接線盒清潔干燥； 防止熱量散失； 使用規(guī)定的補(bǔ)償導(dǎo)線，并確保正確接線； 一次儀表與二次儀表間的信號(hào)線盡量不要有接頭； 信號(hào)線盡量單獨(dú)穿管敷設(shè)。,本章習(xí)題,P92 1，3，4，9，21，41，48，60,