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1、 過程特性及其數(shù)學模型 熱工儀表第三章 測量元件與變換器 3.1 概述 一、參數(shù)的測量 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。 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。 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。 過程特性及其數(shù)學模型 二、檢測儀表的性能 1. 準確度與誤差 準確度 ：測量值與被測量真值的接近程度； 絕對誤差 ：測量值與被測量真值之差； 相對誤差 ：絕對誤差與被測量真值之比；
2、 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。 允許誤差：最大引用相對誤差。 過程特性及其數(shù)學模型 二、檢測儀表的性能 2.指示變差與精密度 指示變差 ：同一儀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。 精密度 （簡稱 精度 ）：儀表檢測微小參數(shù)變化 的能力。 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.
3、0， 5.0等， 精確度 ：儀表精密而準確的程度。 過程特性及其數(shù)學模型 二、檢測儀表的性能 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 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 的被測參數(shù) 的最小變化量。 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。 過程特性及其數(shù)學模型 二、檢測儀表的性能 4. 線性度與反應時間 線性度 ：測量儀表在 全量程范圍內(nèi)實際校 準值與理論對應值的 吻合程度。 反應時間 ：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 過程特性及其數(shù)學
4、模型 三、檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 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/D PLC 過程特性及其數(shù)學模型 3.2 壓力的測量與變送 一、壓力的表示與單位 壓力的表示： 絕對壓力 單位面積所受到的力 相對壓力（表壓） 絕對壓力與大氣壓之差 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 標準大氣壓 過程特性及其數(shù)學模型 壓力（壓強）的單位 壓強（俗稱壓力）：單位面積所受到的 垂直作用力。 工程上的 “ 壓力 ” 與力學中的 “ 壓力
5、” 不表示同一個概念。 帕 Pa N/m2 毫米汞柱 mm 兆帕 MPa 106N/m2 水柱 m 工程大氣壓 10mH2O 巴 dyn/cm2 物理大氣壓 20C海平面 psi lb/in2 過程特性及其數(shù)學模型 二、壓力計的分類與工作原理 工業(yè)壓力計通常按敏感元件的類型進行分類： 液柱式壓力計 活塞式壓力計 彈性式壓力計 電氣式壓力計 過程特性及其數(shù)學模型 1. 液柱式壓力計 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 過程特性及其數(shù)學模型 2. 活塞式壓力計 測量原理： P=G/S 所以
6、 G=PS 精確度高 常用作標準儀表， 檢驗其它壓力計 過程特性及其數(shù)學模型 3、彈性式壓力計與常用壓力表 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。 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 過程特性及其數(shù)學模型 4、電氣式壓力計與信號轉(zhuǎn)換 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。 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)；
7、二次儀表：將微弱電參數(shù)轉(zhuǎn)換為標準電信號。 過程特性及其數(shù)學模型 電氣式壓力計一次探頭 常用電參數(shù)有： 電阻 、 電感 、 電容 、 電 壓 等。 常見壓力變換器（壓力探頭）有： 應變式壓力變換器 ； 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 。 過程特性及其數(shù)學模型 電阻應變式壓力計一次探頭 電線的電阻為： R=L/S 當電線受到拉（應）力作用時， L變大， S變小， R變大。 當粘一組串聯(lián)平行細導線（電阻應變片） 的金屬（彈性元件）因壓力變化而發(fā)生 微小變形（應變）時，細導線的電阻隨 之發(fā)生變化。從而，將壓力參
8、數(shù)轉(zhuǎn)化為 電阻參數(shù)。 壓力 變化 彈性 變形 電阻 變化 過程特性及其數(shù)學模型 電感式壓力計一次探頭 磁路的磁阻與鐵芯的間隙相關。所以， 當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。 過程特性及其數(shù)學模型 電容式壓力計一次探頭 電容器的電容量： C=S/d 當 S或 d發(fā)生變化時， 電容量發(fā)生變化。 過程特性及其數(shù)學模型 霍爾式壓力計一次探頭 霍爾半導體在垂直電流和磁場的作用下， 會產(chǎn)生側(cè)向電壓： UH=RHBI N S 過程特性及其數(shù)學模型 電氣壓力計前置放大器 傳感元件的參量變化通常是非常微弱的，不能
9、 進行遠距離傳送，需要進行初步放大。 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。 過程特性及其數(shù)學模型 電氣壓力計前置放大器 供橋 電壓 輸出 電壓 輸出 頻率 輸出 電壓輸入 電壓 過程特性及其數(shù)學模型 電氣壓力計二次儀表 作用：將傳感器信號轉(zhuǎn)換為標準通訊信 號。 DDZ 型儀表標準通訊信號為： 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 /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。 過程
10、特性及其數(shù)學模型 三、壓力計的選型 選型內(nèi)容： 類型選擇 功能：顯示、報警、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、電磁場等。 量程與盤面大小； 工作壓力不小于 1/3量程，不大于 2/3（ 1/2）量程。 盤面大小應方便安裝和觀察。 精度等級：根據(jù)工藝需要確定。 過程特性及其數(shù)學模型 常見壓力傳感器外形 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
11、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 過程特性及其數(shù)學模型 三、壓力計的安裝 安裝事項： 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：采用隔離箱（凝液管）； 臟污隔離：采用空氣包。 過程特性及其數(shù)學模型 3.3 流量的測量與變送 按測量途徑分類： 速度式流量計 通過測量過流速度，用過流面積換算成流 量。 容積式流量計 采用固定溶劑空間逐次衡量過流
12、容積。 質(zhì)量流量計 計量 可壓縮流體 的質(zhì)量通過量。 過程特性及其數(shù)學模型 一、速度式流量計 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 過程特性及其數(shù)學模型 1. 壓差流量計 由流體力學知識可知，流體通過孔板 節(jié)流裝置后，會產(chǎn)生一定的壓降。根 據(jù)流速和壓降的關系可以推導出下列 方程： 通過測量孔板前 后壓差即可計算 出流速和流量。 pFQ 2 p1 p2 過程特性及其數(shù)學模型 2. 轉(zhuǎn)子流量計 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
13、差與流速有關； 流速取決于轉(zhuǎn)子的位置。 由轉(zhuǎn)子高度可直接讀取通 過的流量； 測量轉(zhuǎn)子位置可進一步獲 得相應的電氣信號。 A gV hQ f ft 2 過程特性及其數(shù)學模型 3. 電磁流量計 當流道兩側(cè)有磁場 作用時，導電流體 在流動過程中切割 磁力線，產(chǎn)生感應 電動勢： Ex=BDv10-12 所以有： Q=K Ex EX1 EX2 過程特性及其數(shù)學模型 3. 電磁流量計 電磁流量計由兩部分組成： 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。 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，并輸出相應的電流
14、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。 過程特性及其數(shù)學模型 4. 超聲波流量計 多普勒效應：當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。 超聲波流量計的特點： 非接觸式測量； 流體中需要有散射粒子： 微泡或顆粒 。 粒入散 vfff d 2s i nc os 2 過程特性及其數(shù)學模型 二、容積式流量計 容積式流量計主要包括兩類： 齒輪式流量計 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，
15、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。 活塞式流量計 利用活塞的每一次往復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 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 。 過程特性及其數(shù)學模型 三、質(zhì)量流量計 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。 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 質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)比較復雜，只用于壓力 變化較大的 可壓縮流體 。 過程特性及其數(shù)學模型 3.4 物位的測量與變送 物位：
16、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。 過程特性及其數(shù)學模型 物位計的分類 直讀式物位計 浮力式物位計 壓差式物位計 電磁式物位計 核輻射式物位計 超聲波物位計 光電式物位計 過程特性及其數(shù)學模型 一、直讀式物位計 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。 過程特性及其數(shù)學模型 二、浮力式物位計 利用浮子高度隨液面或液體界面變化而 變化的原理工作。 過程特性及其數(shù)學模型 三、壓差式物位計 利用物料內(nèi)靜壓力與物料深度或堆積高 度
17、成正比的關系進行測量。 液體密閉容器 液體敞開容器 固體稱重倉 過程特性及其數(shù)學模型 四、電容式物位計 圓柱形電容器的電容量的表達式為： 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，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。 d D LC ln 2 HKH d D d D L d D DL d D H C ln 2 ln 2 ln 2 ln 2 000 過程特性及其數(shù)學模型 四、電容式物位計 電容式液位計 電容（繩）式料位計 主要用于測量不導電流體 過程特性及其數(shù)學模型 五、電
18、極式物位計 利用物料的 導電性能測 量高低液位。 也可以用于 導電性較弱 的液體和潮 濕固體。 過程特性及其數(shù)學模型 六、核輻射式物位計 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： 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。 HeII 0 過程特性及其數(shù)學模型 七、超聲波物位計 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。 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?。? 過程特性及其數(shù)
19、學模型 3.4 溫度的測量與變送 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； 溫度決定一些反應能否進行和反應方向； 溫度決定一些反應的進程程度； 溫度顯示反應的能量變化。 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。 過程特性及其數(shù)學模型 常用溫度計的種類及適用溫度 C C C C C CC C C C
20、 C C C C C 2000200: 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 過程特性及其數(shù)學模型 一、膨脹式溫度計 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 雙金屬溫度計 不同金屬受熱膨脹不 同，雙
21、金屬片在受熱 情況下發(fā)生彎曲而顯 示溫度 t = t0 t t0 過程特性及其數(shù)學模型 二、壓力式溫度計 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）。 過程特性及其數(shù)學模型 三、輻射式溫度計 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. 光學溫度計：采用光學分頻法，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 別是光學溫
22、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。 過程特性及其數(shù)學模型 四、熱電偶溫度計 1.熱電偶工作原理 不同金屬具有不同的電子密度； 兩種金屬接觸面因為電子的擴散作用而產(chǎn)生 電場 熱電現(xiàn)象； 電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，溫度越高，擴散作 用越強。 + + - - 擴散作用 電場作用 金屬 A 金屬 B 過程特性及其數(shù)學模型 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大，且盡量接近線性 關系； 熱電性質(zhì)穩(wěn)定； 化學穩(wěn)定性好：高溫下抗氧化，抗腐蝕； 具有較好的
23、延展性，易于加工； 復現(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。 過程特性及其數(shù)學模型 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 保護套管 保護 接線盒 過程特性及其數(shù)學模型 4. 熱電偶回路 不同金屬連接在一起 都構(gòu)成熱電偶作用； 熱電偶回路電動勢為 各接點熱電勢的總和； 對于有外接導線的熱 電偶回路，其總電動 勢為熱端與冷端熱電 動勢之差。 A B C C 0 000 00 )()(0
24、 )()( teteE tetete teteteE ABABt CABCAB CABCABt 熱電偶測量的關鍵是如 何保證冷端的溫度 過程特性及其數(shù)學模型 5. 熱電偶的補償 熱電偶的導線補償 用廉價材料將冷端 延伸到溫度相對穩(wěn) 定的控制室內(nèi)； 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。 + - 補償導線 測量電路 熱電 偶 補償導線應與熱電偶的電 極材料配合使用； 補償導線的材質(zhì)不同，接 線時應特別注意不能接錯。 過程特性及其數(shù)學模型 五、熱電阻溫度計 測量原理 利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進行測量；
25、測量金屬在不同溫度下電阻值的變化。 工業(yè)熱電阻溫度計主要有兩種材質(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 過程特性及其數(shù)學模型 六、電動溫度計的二次儀表 功能： 對信號進行放大和轉(zhuǎn)換； 信號的線性化。 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 被測溫度 過程特性及其數(shù)學模型 七、測溫元件的安裝注意事項 1. 確保測溫元件與被測材料有充分的接觸； 2. 保持接線盒清潔干燥； 3. 防止熱量散失； 4. 使用規(guī)定的補償導線，并確保正確接線； 5. 一次儀表與二次儀表間的信號線盡量不 要有接頭； 6. 信號線盡量單獨穿管敷設。 過程特性及其數(shù)學模型 本章習題 P92 1， 3， 4， 9， 21， 41， 48， 60
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