過程檢測(cè)儀表教學(xué)課件PPT.ppt

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1、1 3 第 2章 過程檢測(cè)儀表 檢測(cè)儀表的組成和信號(hào)標(biāo)準(zhǔn) 過程檢測(cè)儀表的接線方式 測(cè)量誤差和精度等級(jí) 常用的數(shù)字濾波方法 主要內(nèi)容 過程控制中的軟測(cè)量技術(shù) 安全防爆的基本概念 溫度、壓力、流量、物位和成分檢測(cè)儀表的選型和安裝 2 2.1 檢測(cè)儀表組成及接線方式 過程控制的“ 眼睛 ”； 許多過程控制系統(tǒng)不能長期使用的主要原 因就在于 傳感器故障 ！ 控 制 器 測(cè) 量 變 送 被 控 過 程執(zhí) 行 器 r ( t ) e ( t ) u ( t ) q ( t ) f ( t ) y ( t ) z ( t ) - 3 2.1 檢測(cè)儀表組成及接線方式

2、 2.1.1 檢測(cè)儀表組成 功能 用于確定被控變量的當(dāng)前值 組成 傳感器 變送器 感受被控參數(shù)的變化，傳送出相應(yīng)的信號(hào) 將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理后，調(diào)制成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 被 測(cè) 對(duì) 象 傳 感 器 被 測(cè) 對(duì) 象 變 送 器 顯 示 裝 置 4 2.1 檢測(cè)儀表組成及接線方式 變送器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 電動(dòng)信號(hào) 氣動(dòng)信號(hào) 4-20mA電流信號(hào)（遠(yuǎn)距離 35Km） 1-5V電壓信號(hào)（近距離） 20-100kPa氣壓信號(hào) 注意：控制器和執(zhí)行器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與變送器的相同 5 若僅采用兩根導(dǎo)線將熱電阻接入電橋， 將會(huì)由于遠(yuǎn)距離連接導(dǎo)線的電阻而引入誤差。 A 傳 感 器 現(xiàn) 場(chǎng) + 2

3、.1 檢測(cè)儀表組成及接線方式 2.1.2 過程檢測(cè)儀表的接線方式 電流二線制、四線制 電流三線制 過 程 檢 測(cè) 儀 表 4 2 0 m A E R L 過 程 檢 測(cè) 儀 表 4 2 0 m A E R L A 傳 感 器 現(xiàn) 場(chǎng) + 二線制線路簡單，節(jié)省電纜 四線制儀表的工作電源可為直流， 也可為交流 6 2.1 檢測(cè)儀表組成及接線方式 現(xiàn)場(chǎng)總線方式 現(xiàn)場(chǎng)總線是新近發(fā)展的一種 通信協(xié)議方式 ； 以 HART為例，在一條電纜上同時(shí)傳輸直流 4 20mA的 模擬信號(hào) 和 數(shù)字信號(hào) 。 在直流 4 20mA基礎(chǔ)上疊加幅值為 0.5mA的正弦調(diào)制波作為數(shù)字信號(hào)。頻

4、移鍵控（ FSK） 7 2.2 測(cè)量誤差及處理 2.2.1 測(cè)量誤差的基本概念 1.真值 變量本身所具有的真實(shí)值，一般無法得到。 約定真值 相對(duì)真值 無系統(tǒng)誤差情況下，多次測(cè)量的平均值。 標(biāo)準(zhǔn)儀表的測(cè)量值。 2.測(cè)量誤差 測(cè)量值與真值之間存在的差別。 絕對(duì)誤差 相對(duì)誤差 引用誤差 8 2.2 測(cè)量誤差及處理 儀表 測(cè)量值 與被測(cè)參數(shù) 真實(shí)值 之差。 AM :絕對(duì)誤差 M:測(cè)量值 A:約定或相對(duì)真值 絕對(duì)誤差 相對(duì)誤差 儀表 絕對(duì)誤差 與 真實(shí)值 的百分比。 100%A :相對(duì)誤差 :絕對(duì)誤差 A:約定或相對(duì)真值 引用誤差 儀表 絕對(duì)誤差 與 儀表量

5、程 的百分比。 m:引用誤差 :絕對(duì)誤差 X:儀表的量程 %100 Xm 9 3.儀表精度等級(jí) 2.2 測(cè)量誤差及處理 我國儀表精度等級(jí)有： 0.005、 0.02、 0.05、 0.1、 0.2、 0.35、 0.4、 0.5、 1.0、 1.5、 2.5、 4.0等。 級(jí)數(shù)越小，精度越高；級(jí)數(shù)越大，精度越低。 儀表的精度等級(jí)應(yīng)視工藝需求而定，不能片面追求高精度。 把儀表允許的最大引用誤差去掉 “ ”號(hào)和 “ ” 號(hào) ， 便可以用來確定儀表的精度等級(jí) 。 去掉 “ ”號(hào) 去掉 “ ” 號(hào) 儀表的最大引用誤差 儀表的準(zhǔn)確度等級(jí) 10 2.2 測(cè)量誤差及處理

6、 某壓力表刻度 0 100kPa，在 50kPa處測(cè)量值為 49.5kPa， （ 1）求在 50kPa處儀表示值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差 （ 2）如果用該儀表進(jìn)行多次測(cè)量，誤差分別為 -0.45、 0.3、 0.2、 -0.1kPa，求該儀表的精度等級(jí)？ k pa5.05.4950 %1%10050 5.0 %5.0%100100 5.0 m 相對(duì)誤差 引用誤差 絕對(duì)誤差 EX1: 誤差和精度求解 I 最大引用誤差 0.45 10 0% 0. 45 % 100m 精度等級(jí) 0.5級(jí) 11 2.2 測(cè)量誤差及處理 某根據(jù)控制系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)要求，需要選擇一個(gè)

7、量程為 0 100kPa的壓力表，壓力檢測(cè)誤差小于 0.45kPa ， 應(yīng)該選擇何種精度等級(jí)的壓力表？ EX2: 誤差和精度求解 II 最大引用誤差 0.45 100% 0.45%100m 精度等級(jí) 0.4級(jí) 12 2.2 測(cè)量誤差及處理 2.2.2 測(cè)量變送中的幾個(gè)問題 測(cè)量元件 安裝位置不當(dāng) 及 測(cè)量儀 表本身特性 等容易引入 純滯后 ， 應(yīng)力求避免。 測(cè)量滯后 問題，主要由 測(cè)量元件 的慣性 造成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡 可能選用快速測(cè)量元件。 多路循環(huán)測(cè)量時(shí)，應(yīng)保證每路信 號(hào)控制的 實(shí)時(shí)性 。 1.信號(hào)滯后問題 13 2.2 測(cè)量誤差及處理 電流信號(hào) 較

8、 電壓信號(hào) 抗干擾 能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)； 不同電流信號(hào) 傳輸距離 視變 送器 帶載能力 而定，帶載能 力一般在 250-750之間； 采用通信方式時(shí)，信號(hào)有時(shí) 需加 轉(zhuǎn)換器 或 中繼器 以延長 傳輸距離。 2.傳感器信號(hào)傳輸距離問題 14 2.2.3 測(cè)量信號(hào)的處理 2.2 測(cè)量誤差及處理 1.測(cè)量信號(hào)的濾波處理 過程控制系統(tǒng)中，測(cè)量信 號(hào)往往帶有 噪聲 ； 關(guān)于測(cè)量信號(hào)的濾波，可 以采用 模擬濾波電路 ，還 可以采用 軟件數(shù)字濾波 來 消除噪聲。 測(cè)量信號(hào)的處理包括對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行 線性化處理 和 濾波處理 15 數(shù)字濾波 即 程序?yàn)V波 ，通過計(jì)算機(jī)軟件濾去干擾

9、信號(hào)， 提高信號(hào)的真實(shí)性。 在計(jì)算機(jī)中常采用數(shù)字濾波消除 低頻干擾 。 常用的數(shù)字濾波有如下幾種： 1.算術(shù)平均值濾波 2.程序判斷濾波 3.中位值法濾波 4.一階慣性濾波 2.2 測(cè)量誤差及處理 2.數(shù)字濾波 1 1 n i i YXn 16 2.2 測(cè)量誤差及處理 數(shù)字濾波使用時(shí)注意的問題： 根據(jù)具體情況選擇采用。在實(shí)際應(yīng)用中，一般先對(duì)采樣 值進(jìn)行 程序判斷濾波 ，然后再應(yīng)用 算術(shù)平均濾波 或 一階 慣性濾波 等方法處理； 應(yīng)保證測(cè)量值的 實(shí)時(shí)性 和 真實(shí)性 。 對(duì)于存在較大干擾的信號(hào)，應(yīng)從 抑制干擾 角度去考慮， 而不是僅僅濾波！

10、 17 2.2 測(cè)量誤差及處理 某換熱器的溫度控制系統(tǒng)方塊圖。系統(tǒng)的被控參數(shù) 為 出口物料溫度 ，要求保持在（ 200 20） ，控 制參數(shù)為 加熱蒸汽的流量 。 1.說明圖中 R、 E、 Q、 C、 F所代表的 專業(yè)術(shù)語 內(nèi)容。 2.說明 Z、 I、 P的 信號(hào)范圍 。 3.氣動(dòng)執(zhí)行器的 輸入、輸出 各是什么 物理量 ？ 電 動(dòng) 控 制 器 電 - 氣 轉(zhuǎn) 換 器 換 熱 器 R I QE P C F 測(cè) 量 變 送 - Z 氣 動(dòng) 執(zhí) 行 器 EX3: 換熱器溫度控制系統(tǒng) 18 2.2 測(cè)量誤差及處理 電 動(dòng) 控 制 器 電 - 氣 轉(zhuǎn) 換 器 換 熱 器 R I

11、 QE P C F 測(cè) 量 變 送 - Z 氣 動(dòng) 執(zhí) 行 器 1.R為給定值， E為偏差（ E=R-Z）， Q為控制變量， C為被控變量， F為干擾變量。 2.Z的信號(hào)范圍為 4 20mA DC， I的信號(hào)范圍也為 4 20mA DC， P的信號(hào)范圍為 20 100kPa。 3.氣動(dòng)執(zhí)行器的輸入信號(hào)為 20 100kPa的氣壓信號(hào)， 輸出信號(hào)為加熱蒸汽的流量。 19 2.3 安全防爆基礎(chǔ) 2.3.1 危險(xiǎn)場(chǎng)所劃分 在石油、化工等多個(gè)行業(yè)，大量 存在含有 易燃材料 的場(chǎng)合（ 危險(xiǎn) 區(qū)域 ），如原油及其衍生物、酒 精、天然氣等。 易燃材料 與 空氣混合 成為具有火 災(zāi)

12、或爆炸危險(xiǎn)的混合物，一旦產(chǎn) 生 電火花 具有點(diǎn)燃混合物的能量 ，則產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。 安全防爆是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，與 過程控制 關(guān)系密切。 20 2.3 安全防爆基礎(chǔ) 1.危險(xiǎn)區(qū)分類表 根據(jù)國際電工委員會(huì)（ IEC）和相應(yīng)的國標(biāo)和行標(biāo)，根 據(jù) 可燃物質(zhì)的形態(tài) 、 形成爆炸混合物的頻度 和 爆炸混 合物的持續(xù)時(shí)間 ，將危險(xiǎn)區(qū)分為 三類八級(jí) 。 2.燃點(diǎn)和閃點(diǎn) 可燃物受熱發(fā)生 自燃的最低溫度 。達(dá)到這一溫度，可燃物 質(zhì)與空氣接觸，不需要明火作用，就能自行燃燒。 如汽油 的燃點(diǎn)為 220 。 燃點(diǎn) 閃點(diǎn) 易燃物或可燃液體揮發(fā)出的蒸氣與空氣形成 混合物，遇火源發(fā)生燃燒的最低溫度 。如汽

13、油閃點(diǎn) 39 。 21 2.3 安全防爆基礎(chǔ) 為了確保電子設(shè)備在危險(xiǎn)場(chǎng)所安全使用，發(fā)展了 多種防爆技術(shù)： 隔爆型（ d） 本安型（ i） 增安型（ e） 正壓型（ p） 油浸型（ o） 充砂型（ q） 各種防爆技術(shù)規(guī)范由國家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制規(guī)定，不同的 防爆技術(shù)適用于不同的場(chǎng)合。 3.防爆技術(shù) 22 4.儀器防爆標(biāo)志 2.3 安全防爆基礎(chǔ) Ex： 防爆儀表 d： 隔爆型 B： 指工廠用儀表 ; 指煤礦用儀表 A（丙烷等） B（乙烯等） 和 C （氫氣、乙炔等） T6： 85 根據(jù)自燃溫度 T將易燃性氣體或蒸汽混合 物分為 450

14、 、 300 、 200 、 135 、 100 和 85 六組。 EX4: (Exd BT6) 儀表類型和功能 23 2.3 安全防爆基礎(chǔ) 2.3.2 防爆安全柵 安全柵安裝在安全場(chǎng)所，作 為 控制室儀表 和 現(xiàn)場(chǎng)儀表 的 關(guān)聯(lián)設(shè)備。 一方面 傳輸信號(hào) ，另一方面 限制 進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所設(shè)備的 能 量 。 分為 齊納式安全柵 與 隔離式 安全柵 兩種。 加油站打手機(jī)會(huì)引起爆炸嗎？ 24 2.4 溫度檢測(cè) 測(cè)量方式 熱電偶 熱電阻 集成式 選型和安裝 25 2.4 溫度檢測(cè) 工業(yè)過程中常用溫標(biāo)為 攝氏 ，但美國采用 華氏 ， 換算關(guān)系 ： 2.4

15、.1 接觸式與非接觸式測(cè)溫 接觸式 和 非接觸式 常用測(cè)量元件： 熱電偶 熱電阻 半導(dǎo)體熱敏電阻 集成溫度傳感器 009( ) ( ) 32 5t F t C 26 2.4 溫度檢測(cè) 1.接觸式測(cè)溫 測(cè)溫方法： 膨脹式 ，基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)； 熱電阻式 ，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的性質(zhì)； 熱電偶式 ，基于熱電效應(yīng)。 特點(diǎn)： 簡單、可靠、精度高 ； 測(cè)溫元件有時(shí)可能 破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度場(chǎng) 或 與被測(cè)介質(zhì)發(fā) 生化學(xué)反應(yīng) ； 受到耐高溫材料的限制，測(cè)溫 上限有界 。 27 2.4 溫度檢測(cè) 2.非接觸式測(cè)溫 測(cè)溫方法：

16、 利用物體 輻射能 隨 溫度 變化的特性，如紅外式測(cè)溫。 特點(diǎn)： 不破壞 被測(cè)介質(zhì)的 溫度場(chǎng) ，測(cè)溫 上限 原則上 不受限制 ； 可測(cè) 運(yùn)動(dòng)體溫度 ，如軋鋼過程中鋼板表面溫度； 易受被測(cè) 物體熱輻射率 及 環(huán)境因素 （物體與儀表間的距離 、煙塵和水汽等）的影響。 詳細(xì)的測(cè)溫儀表分類參照表 2-2 28 2.4 溫度檢測(cè) 2.4.2 熱電偶 其 熱電動(dòng)勢(shì) 與 溫度 在小范 圍內(nèi)基本上呈 單值、線性 關(guān)系 ； 穩(wěn)定性 好； 測(cè)溫范圍寬 ，高溫?zé)犭娕?測(cè)溫上限可達(dá) 2800 ； 精度 較高。 特點(diǎn) 29 2.4 溫度檢測(cè) 1.工作原理 A B B

17、A 熱電偶示意圖 A B t t0 熱電偶 由 兩種不同材料的導(dǎo)體 A和 B焊接而成 。 每根單獨(dú)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為 熱電極 t 端 稱為 工作端 ，又稱 測(cè)量端 或 熱端 t0端 稱為 自由瑞 ，又稱 參考端 或 冷端 組成 30 2.4 溫度檢測(cè) 熱電偶： 系統(tǒng)中的測(cè)溫元件 檢測(cè)儀表： 檢測(cè)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)信號(hào) 導(dǎo)線： 用來連接熱電偶與檢測(cè)儀表 t t0 A B C C 毫伏計(jì) 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)示意圖 熱電效應(yīng) 熱電勢(shì)產(chǎn)生 不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成 兩接點(diǎn)的溫度不同 形成閉合的回路 31 2.4 溫度檢測(cè) 溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系 EAB(t， t0) =

18、EAB(t， 0) - EAB(t0， 0) 電子密度不同 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 兩種金屬接觸 接觸電勢(shì) eAB（ t） 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 EAB(t， 0)：工作端溫度為 t，自由端溫度為 0 時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì) EAB (t0， 0)：工作端溫度為 t0，自由端溫度為 0 時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì) 32 2.4 溫度檢測(cè) 基本為定型生產(chǎn)，有 標(biāo)準(zhǔn)化分度表 。 常用型號(hào)： 鉑銠 30-鉑銠 6熱電偶 （也稱雙鉑銠熱電偶，分度號(hào) B）； 測(cè)溫范圍 300-1600 。 鉑銠 10-鉑電偶 （分度號(hào) S）；測(cè)溫范圍 0-1300 。 鎳鉻 -鎳硅熱電偶 （分度號(hào) K）；測(cè)溫范圍 -50-1000

19、。 2.常用熱電偶型號(hào) 33 2.4 溫度檢測(cè) 3.熱電偶冷端補(bǔ)償 將冷端溫度保持為 0 ，或者進(jìn)行一定的 修正 等 對(duì)熱電偶冷端溫度的處理。 EAB(t， t0) = EAB(t， 0) - EAB(t0， 0) 冷端溫度補(bǔ)償 1.冷端溫度不恒定 2.冷端溫度高于 0 34 2.4 溫度檢測(cè) 冷端溫度 補(bǔ)償 冰點(diǎn)槽法 修正法 溫度修正 熱電勢(shì)修正 自動(dòng)補(bǔ)償法 冷端補(bǔ)償電橋法 pn結(jié)補(bǔ)償法 導(dǎo)線補(bǔ)償法 35 2.4 溫度檢測(cè) 2.4.3 熱電阻 工作原理 ：利用某些導(dǎo)體或半 導(dǎo)體的 電阻值 隨 溫度 的變化而 改變的性質(zhì)來測(cè)定溫度 。 特點(diǎn)

20、：性能穩(wěn)定 、 測(cè)量精度高 ， 一般可在 -270 900 范圍 內(nèi)使用 。 適用性 ：在 中 、 低溫區(qū) ， 用熱 電阻比用熱電偶做為測(cè)溫元件 時(shí)的測(cè)量精確度更高； 36 2.4 溫度檢測(cè) 工業(yè)熱電阻的材料要求： 電阻隨溫度的變化呈 線性關(guān)系 ； 電阻溫度系數(shù)大 ； 電阻率大 ； 熱容量小 ； 在測(cè)溫范圍內(nèi)具有 穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能 。 熱電阻的材料主要有 鉑、銅 和鎳。 )(1 00 ttRR t 37 2.4 溫度檢測(cè) 包括 正溫度系數(shù) PTC、 負(fù)溫度系 數(shù) NTC和 臨界溫度電阻 CTR 連續(xù)測(cè)溫 中主要采用負(fù)溫度系 數(shù) NTC；而

21、PTC和 CTR一般用于 制作 位式作用溫度開關(guān) 。 熱容量小，響應(yīng)快；但互換性 差，熱電特性非線性大。測(cè)溫 范圍 -50-300 。 熱敏電阻 38 2.4 溫度檢測(cè) 2.4.4 集成式溫度傳感器 利用 pn結(jié)的伏安特性 與 溫度 之間的關(guān)系研制的 一種固態(tài)傳感器。 特點(diǎn)： 體積小 熱慣性小、反應(yīng)快 測(cè)溫精度高 穩(wěn)定性好 價(jià)格低 分為 電壓型 和 電流型 兩種，電壓型溫度系數(shù)約10mV/ ；電流型溫度系數(shù)約 1 A/K。 39 2.4 溫度檢測(cè) AD590是常用的 電流型 集成 式溫度傳感器 供電電壓 ：直流 +4+30V； 測(cè)溫范圍

22、： -55+150 ； 溫度系數(shù) ： 1A/K 可進(jìn)行 長距離傳輸 (100m) 40 2.4 溫度檢測(cè) 2.4.5 接觸式測(cè)溫元件的選型與安裝 根據(jù)工藝要求的 測(cè)溫范圍 和 使用要求 確定 相應(yīng)分度號(hào) 的熱電偶、熱電阻 。 優(yōu)先選擇 一體化熱電偶 或 熱電阻溫度變送器 ，直接輸 出 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 。 根據(jù)環(huán)境條件選用不同型式的接線盒。潮濕或露天場(chǎng) 所選用 防濺式 、 防水式 ；易燃易爆場(chǎng)合注意 防爆 。 選型 41 2.4 溫度檢測(cè) 測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)溫度時(shí)，應(yīng)保證傳感器與介 質(zhì)充分接觸，與被測(cè)介質(zhì)成 逆流狀態(tài) （至 少呈正交式）安裝。 感溫點(diǎn)應(yīng)處于管道中 流速最

23、大 的地方。 盡可能 增大 傳感器的 插入深度 ，溫度計(jì)應(yīng) 斜插或在管道彎頭處插入。 當(dāng)測(cè)溫管道過細(xì)（直徑小于 80 ）時(shí)，安 裝測(cè)溫元件需 加裝擴(kuò)充管 。 安裝 42 2.5 壓力檢測(cè) 壓力概念 彈性式 應(yīng)變片式 壓阻式 選型和安裝 43 2.5 壓力檢測(cè) 絕對(duì)壓力 Pa，物體所承受的實(shí) 際壓力，其零點(diǎn)為絕對(duì)真空。 表壓力 P， 指高于大氣壓力時(shí) 的絕對(duì)壓力與大氣壓力之差。 真空度 （負(fù)壓） Ph， 大氣壓 力與低于大氣壓力時(shí)的絕對(duì)壓 力之差。 壓力基本概念 詳細(xì)的測(cè)壓儀表分類參照表 2-7 44 工業(yè)壓力變送器 數(shù)字壓力變送器 通用

24、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 隔膜壓力變送器 絕壓變送器 雙膜壓差變送器 微型探針壓力計(jì) 暖風(fēng)空調(diào)壓力計(jì) 濕式壓力變送器 本安壓力變送器 OEM血壓計(jì) OEM壓力芯片 2.5 壓力檢測(cè) 45 2.5 壓力檢測(cè) 2.5.1 彈性式壓力檢測(cè) 原理： 利用各種彈性元件，在被測(cè)介質(zhì)壓力作用下 產(chǎn)生彈性變形的原理來測(cè)量壓力的。 彈性元件 被測(cè)壓力 位移 平薄膜 波紋膜 波紋管 單圈彈簧管 多圈彈簧管 46 2.5 壓力檢測(cè) 2.5.2 應(yīng)變片式壓力檢測(cè) 1.基本原理 S lR 電阻應(yīng)變?cè)? 壓縮應(yīng)變

25、 拉伸應(yīng)變 阻值減小 阻值增加 外力作用 S增加 L增加 因尺寸 (l,s)變化引起阻值變化。 2.結(jié)構(gòu)和工作過程 3.信號(hào)的轉(zhuǎn)換 4.特點(diǎn) 5.總結(jié) 47 2.5 壓力檢測(cè) 2.結(jié)構(gòu)和工作過程 r2沿徑向貼放，作為 溫度補(bǔ)償片 r1沿軸向貼放，作為 測(cè)量片 r1 r2 膜片受到外力作用 r1產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變， S增加 r2產(chǎn)生徑向拉伸應(yīng)變， L增加 阻值變小 阻值變大 結(jié)論 壓力與應(yīng)變片阻值呈對(duì)應(yīng)關(guān)系 1外殼 ； 2 應(yīng)變筒； 3 密封膜片 應(yīng)變片式壓力傳感器 48 3.信號(hào)的轉(zhuǎn)換 2.5 壓力檢測(cè) 不受壓時(shí) r1= r2=r0

26、 r3=r4=r 3 1 3 4 1 2 ( ) U 0 R rUER R r r ， 不受壓時(shí) 若應(yīng)變片受壓 r1= r0+r1； r2= r0+r2 (r1r2) 0 1 2201 1 2 1 2 0 1 0 2 0 1 2 0 1( ) 2 4 2 2 4 r r rrr r r r rU E E E P r r r r r r r r 結(jié)論 壓力與應(yīng)變片阻值呈正比關(guān)系，最終輸出為電壓信號(hào)。 49 4.特點(diǎn) 2.5 壓力檢測(cè) 測(cè)量范圍 大 具有良好的 動(dòng)態(tài)效應(yīng) ，適用于快速變化的壓力測(cè)量 具有明

27、顯的 溫漂和時(shí)漂 ，精度不是很高 5.總結(jié) 應(yīng)變片 橋式電路 被測(cè)壓力 P 阻值的變化 R 不平衡電壓 U 50 2.5 壓力檢測(cè) 2.5.3 壓阻式壓力檢測(cè) 壓阻式壓力傳感器是根據(jù) 壓阻效應(yīng) 造成的。 其壓力敏感元件是在半導(dǎo) 體材料的基片上利用集成 電路工藝制成的 擴(kuò)散電阻 ，受到外力作用時(shí)，擴(kuò)散 電阻的 阻值 由于 電阻率 的 變化而變化。 51 2.5 壓力檢測(cè) 2.5.4 壓力表的選擇與安裝 量程的選擇 根據(jù) 被測(cè)壓力的大小 確定 儀表量程 。 對(duì)于彈性式壓力表 測(cè)量穩(wěn)定壓力時(shí)，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的 3/4 ； 測(cè)量波動(dòng)壓力時(shí)

28、，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的 2/3 最低測(cè)量壓力值應(yīng)不低于滿量程的 1/3。 精度的選擇 根據(jù)生產(chǎn)允許的最大測(cè)量誤差（引用誤差） 確定儀表的精度等級(jí)。 一般工業(yè)： 1.5級(jí)或 2.5級(jí) 科研或精密測(cè)量： 0.05級(jí)或 0.02級(jí) 1.壓力表的選擇 52 2.5 壓力檢測(cè) 使用環(huán)境及介質(zhì)性能的考慮 根據(jù) 環(huán)境條件的惡劣程度 （如高溫、腐蝕、潮濕、振動(dòng)等）和 被測(cè)介質(zhì)的性能 （ 如溫度高低、腐蝕性、易結(jié)晶、易燃、易爆等）確定壓 力表的種類和型號(hào)。 壓力表外形尺寸的選擇 現(xiàn)場(chǎng) 就地指示 的壓力表表面直 徑一般為 100mm，在 標(biāo)準(zhǔn)較高 或

29、 照明條件較差 的場(chǎng)合選 用表面直徑為 200250mm的壓力表，盤裝壓力表直徑為 150mm或用矩形壓力表。 53 2.5 壓力檢測(cè) 有一臺(tái)空壓機(jī)的緩沖罐，其工作壓力變化范圍為 13.5 16 MPa ，工 藝要求 最大測(cè)量誤差為 0.8 MPa，試選一合適的壓力表（包括測(cè)量范 圍、精度等級(jí)）。可供選擇量程規(guī)格為 (0 20、 0 30、 0 40MPa) 解 緩沖罐的壓力視為脈動(dòng)壓力 m in m a x 33 2P A P (1)儀表量程選擇 EX4: 壓力表的選擇 設(shè)壓力表量程為 0 A MPa m ax 2 3PA m in 1 3PA 4 0 .5 2 4A 根據(jù)題

30、意 選擇量程為 0 40MPa 54 2.5 壓力檢測(cè) (2)確定精度等級(jí) 最大引用誤差 0.8 10 0% 2. 0%40m 精度等級(jí) 1.5級(jí) 工藝要求最大測(cè)量誤差 不大于 壓力示值的 5%， 如何求解精度等級(jí)？ 思考 55 2.5 壓力檢測(cè) 2.壓力表的安裝 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) 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

31、裝置 ， 利用隔離罐中的隔離液將 被測(cè)介 質(zhì) 和 彈性元件 隔離開來 ， 如圖 (c)、 (d) (a) (b) (c) (d) 1 1 2 2 3 3 56 2.6 流量檢測(cè) 流量概念 儀表分類 浮子式 57 2.6 流量檢測(cè) 單位時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的流 體數(shù)量，稱為 瞬時(shí)流量 。 當(dāng)流體的數(shù)量以體積表示時(shí)， 稱 體積流量 。 當(dāng)流體的數(shù)量以質(zhì)量表示時(shí)， 稱 質(zhì)量流量 。 在某一段時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面 的流體總和稱 總量 或 累積流量 。 一般只用于 計(jì)量考核 ，不參于過 程控制。 1.流量的基本概念 58 常見流量傳感器 靶 式 流 量 計(jì) 旋 翼 式

32、 蒸 汽 流 量 計(jì) 氣 體 渦 輪 流 量 計(jì) 金 屬 轉(zhuǎn) 子 流 量 計(jì) 橢 圓 齒 輪 流 量 計(jì) 玻 璃 轉(zhuǎn) 子 流 量 計(jì) 電 磁 流 量 計(jì) 智 能 旋 渦 流 量 計(jì) 防 爆 渦 輪 流 量 計(jì) 59 2.流量儀表的分類 2.6 流量檢測(cè) 容積式流量計(jì) 速度式流量計(jì) 差壓式流量計(jì) 利用 機(jī)械測(cè)量元件 把流體連續(xù)不斷地分隔成 單位體積 并進(jìn)行累加而計(jì)量出 流體總量 。 以測(cè)量管道內(nèi)或明渠中流體的 平均速度 來求得流量。 利用 伯努利方程 的原理測(cè)量流量的儀表， 輸出 差壓信號(hào) 來反映流量的大小。 質(zhì)量式流量計(jì) 測(cè)量流過流體的 質(zhì)量 來求得質(zhì)量流量。 60 2.

33、6 流量檢測(cè) 容積式流量計(jì) 速度式流量計(jì) 差壓式流量計(jì) 橢圓齒輪流量計(jì) 節(jié)流式流量計(jì) 浮子式流量計(jì) 渦輪流量計(jì) 漩渦流量計(jì) 質(zhì)量式流量計(jì) 電磁流量計(jì) 超聲波流量計(jì) 科氏質(zhì)量流量計(jì) 61 2.6 流量檢測(cè) 2.6.3 浮子式流量計(jì) 1.結(jié)構(gòu) 2.工作過程 3.流量公式 4.特點(diǎn) 5.總結(jié) H 1。是由下往上逐漸擴(kuò)大的錐形管 （通常用透明玻璃制成） 2。是放在錐形管內(nèi)可自由運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。 62 2.6 流量檢測(cè) 2. 工作過程 H0 初始階段： 流量變化： ()tfV g pA Q0 H1 Q1 H0 Q0 Q P H S Q P H1 H1

34、 Q1 結(jié)論 流量與轉(zhuǎn)子的平衡位置高度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系 V 63 2.6 流量檢測(cè) 3.流量公式 2 ( )tf f gVQh A ()tfV g pA 2 f PQh 結(jié)論 流量與浮子高度呈線性關(guān)系 64 2.6 流量檢測(cè) 4.特點(diǎn) 主要適合檢測(cè)中小流量 結(jié)構(gòu)簡單、使用方便 測(cè)量精度易受介質(zhì)密度、粘度、溫度、壓力等影響 5.總結(jié) 壓差不變 被測(cè)流量 Q 節(jié)流面積 的變化 平衡位置高度 H 65 2.7 物位檢測(cè) 物位概念 靜壓式 零點(diǎn)遷移 66 2.7 物位檢測(cè) 1.物位的基本概念 液位 料位 物位 界位 液位計(jì) 界面計(jì)

35、 料位計(jì) 物位儀表 計(jì)量 監(jiān)控 要求對(duì)物位檢測(cè)的 絕對(duì)值 測(cè)得非常精確。 要求對(duì)物位檢測(cè)的 相對(duì)值 測(cè)得非常精確。 意義 67 2.7 物位檢測(cè) 2.物位儀表的分類 液位測(cè)量 界位測(cè)量 物位測(cè)量 浮力式液位測(cè)量 電容式物位測(cè)量 超聲波式物位測(cè)量 雷達(dá)式物位測(cè)量 核輻射式物位計(jì) 多相界面測(cè)量 靜壓式液位測(cè)量 光纖式液位測(cè)量 68 2.7 物位檢測(cè) 2.7.2 靜壓式液位測(cè)量 1.基本原理 2.零點(diǎn)遷移系列問題 差壓式液位計(jì) 是利用容器內(nèi)的 液位改變 時(shí)，由液柱產(chǎn)生的 靜壓 也相應(yīng)變化。 P = PB PA = H g PB = PA+H g

36、 69 2.7 物位檢測(cè) 密度 和 重力加速度 為已知，壓力計(jì)得到的 差壓 與 液位高度 成 正比。測(cè)量 液位高度 的問題轉(zhuǎn)換為測(cè)量 差壓 的問題。 1. 差壓式液位計(jì)的基本測(cè)量原理與哪種測(cè)量方式相同？ 液柱式壓力計(jì) 2. 差壓式液位計(jì)測(cè)量過程中要注意避免哪方面產(chǎn)生的誤差？ 溫度誤差 3. 理論上還可以根據(jù)流體靜力學(xué)原理來測(cè)量哪個(gè)量？ 密度 結(jié)論 思考 70 2.7 物位檢測(cè) 2.零點(diǎn)遷移系列問題 （ 1） . 零點(diǎn)遷移問題產(chǎn)生的原因及具體表現(xiàn)形式？ （ 2） . 如何進(jìn)行零點(diǎn)遷移及遷移彈簧的實(shí)質(zhì)？ （ 4） . 正遷移與負(fù)遷移的異同 ？ （ 3） . 遷移

37、的實(shí)質(zhì)？ （ 5） . 遷移和調(diào)零的異同 ？ 思考 71 （ 1） . 零點(diǎn)遷移問題產(chǎn)生的原因及具體表現(xiàn)形式？ 2.7 物位檢測(cè) H=0時(shí)： P =0， I=4mA H=Hmax時(shí)： P = Pmax ， I=20mA 變送器輸入輸出關(guān)系為： P = H g 無遷移時(shí) + - 72 2.7 物位檢測(cè) 正壓室壓力： P1= h1 2g + H 1g + P0 負(fù)壓室壓力： P2= h2 2g + P0 壓差為： P=H1g -（ h2 - h1） 2g 形成固定壓差 -（ h2 - h1） 2g 變送器輸入輸出關(guān)系為： 有遷移時(shí) H=0時(shí)，

38、 P = -（ h2 - h1） 2g ， P < 0， I < 4mA。 H=Hmax時(shí)， P < Pmax ， I < 20mA。 73 2.7 物位檢測(cè) 2.零點(diǎn)遷移問題的具體表現(xiàn)形式： 由于 固定壓差（ h2 - h1） 2g 的作用，液位的 零值與 滿量程 與變送器的輸出 上、下限值 無法相對(duì)應(yīng)， 即： H=0時(shí)， I < 4mA； H=Hmax時(shí)， I 0， 稱為 正遷移 。 相同： 都形成了一定的固定壓差，向某一方向產(chǎn)生遷移。 正遷移： 固定壓差大于零，向正方向遷移。 負(fù)遷移： 固定壓差小于零，向負(fù)

39、方向遷移。 不同： 77 2.7 物位檢測(cè) （ 5） 遷移和調(diào)零的異同 相同： 都是使變送器的 輸出起始值 與 被測(cè)量 起始點(diǎn) 相對(duì)應(yīng)。 遷移：調(diào)整量較大 調(diào)零：調(diào)整量較小 不同： 78 2.8 成分測(cè)量 精餾塔系統(tǒng)中塔頂、塔底 餾出物組分濃度 的檢測(cè)和控制。 鍋爐燃燒系統(tǒng)煙道氣中 O、 CO、 CO2 等氣體含量 的檢測(cè)和控制。 制藥過程中 PH值 的檢測(cè)和控制。 啤酒生產(chǎn)過程中 氧含量、濁度 的檢測(cè)和控制等。 工業(yè)生產(chǎn)中的 成分 和 物性 參數(shù)都是最直接的控制指標(biāo)。 高質(zhì)量 、 高效率 人民健康 、 生產(chǎn)安全 1.成分測(cè)量的基本概念 意義 79 2.8

40、成分測(cè)量 2.成分檢測(cè)方法 熱導(dǎo)式氣體成分測(cè)量 氧化鋯氧量成分測(cè)量 氣相色譜成分測(cè)量 濁度檢測(cè) 紅外式氣體成分測(cè)量 電導(dǎo)儀檢測(cè) 酸度檢測(cè) 成分測(cè)量 物性測(cè)量 80 2.8 成分檢測(cè) 2.8.2 紅外式氣體成分測(cè)量 1.工作原理 2.Bell定律 3.應(yīng)用 紅外線是波長范圍 780 106（ nm） 的不可見光 不同的組分對(duì)不同波長的紅外線 具有選擇性吸收特性 81 2.8 成分檢測(cè) 2.Bell定律 k c leII 0 式中： I0為入射光強(qiáng)度； I為透射光強(qiáng)度； l為待測(cè)組分厚度 ； c為待測(cè)組分的濃度 ； k為待

41、測(cè)組分吸收系數(shù) 。 結(jié)論 當(dāng) I0、 l、 k一定時(shí)，紅外線經(jīng)過待測(cè)組分的 透射光強(qiáng)度 I和 待測(cè)組分濃度 c之間成單值函數(shù)關(guān)系。 待測(cè)組分濃度 透射光強(qiáng)度 82 3.應(yīng)用 2.8 成分檢測(cè) 紅外分析儀 吸收峰的位置 吸收峰的強(qiáng)度 組分 濃度 83 2.9 過程控制中的軟測(cè)量技術(shù) 軟測(cè)量（ Soft-Sensing）技術(shù)的發(fā)展，基本思路是 基于一些 過程變量 與過程中 其他變量 之間的關(guān)聯(lián) 性（ 數(shù)學(xué)模型 ） 2.9.1 軟測(cè)量技術(shù) 主導(dǎo)變量 輔助變量 輔助變量選擇 數(shù)據(jù)采集和處理 數(shù)學(xué)模型建立 模型在線校正 84 數(shù)據(jù)獲取 預(yù)處理和 特征提取 訓(xùn)練建模 決策過程 蘋 果 樣 本 預(yù) 測(cè) 樣 本 訓(xùn) 練 樣 本特 征 光 譜 近 紅 外 光 譜 光 譜 儀 數(shù) 學(xué) 模 型 內(nèi) 部 品 質(zhì) 含 量 理 化 方 法 樣 本 集 訓(xùn) 練 評(píng) 價(jià) 指 標(biāo) 2.9 過程控制中的軟測(cè)量技術(shù) EXAMPLE: 蘋果內(nèi)部品質(zhì)的軟測(cè)量