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1、过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型2012第三章 测量元件与变换器3.1 概述一、参数的测量l参数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示和传递的信号的过程。l根据信号的不同，参数检测仪表可以分为气动检测仪表和电动检测仪表两类。l非电量的电测法：将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型二、检测仪表的性能1.准确度与误差l准确度：测量值与被测量真值的接近程度；l绝对误差：测量值与被测量真值之差；l相对误差：绝对误差与被测量真值之比；实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比；示值相对误
2、差：绝对误差与仪表指示值之比；引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。l允许误差：最大引用相对误差。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型二、检测仪表的性能2.指示变差与精密度l指示变差：同一仪表对相同的被测参数进行正、反行程测量时，其显示值的差异。l精密度（简称精度）：仪表检测微小参数变化的能力。l仪表精度等级：用允许误差的绝对值表示：常用仪表等级有：，等，精确度：仪表精密而准确的程度。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型二、检测仪表的性能3.灵敏度、灵敏限与分辨率l灵敏度：仪表的指示位移变化量与被测参数变化量之比。l灵敏限：能引起仪表指针发生位移变化的被测参数的最小变化量。l分辨率
3、：测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型二、检测仪表的性能4.线性度与反应时间l线性度：测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论对应值的吻合程度。l反应时间：显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。被测变量仪表显示值过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型三、检测系统的构成被测参数敏感元件信号变换信号传输信号测量显示记录控制+-A/DPLC过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型3.2 压力的测量与变送一、压力的表示与单位压力的表示：l绝对压力单位面积所受到的力l相对压力（表压）绝对压力与大气压之差l真空度大气压与绝对压力之差绝对压力绝对
4、压力真空度表压标准大气压过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型压力（压强）的单位l压强（俗称压力）：单位面积所受到的垂直作用力。l工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。帕 PaN/m2毫米汞柱mm兆帕 MPa106N/m2水柱m工程大气压10mH2O巴dyn/cm2物理大气压 20C海平面psilb/in2过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型二、压力计的分类与工作原理工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类：l液柱式压力计l活塞式压力计l弹性式压力计l电气式压力计过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型1.液柱式压力计测量原理：P=h 所以 h=P/过程特性及其数学模型过程特
5、性及其数学模型2.活塞式压力计l测量原理：P=G/S 所以 G=PSl精确度高l常用作标准仪表，检验其它压力计过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型3、弹性式压力计与常用压力表l工作原理：采用弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。l根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：弹簧管式压力计薄膜式压力计波纹管式压力计过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型4、电气式压力计与信号转换l电气式压力计，实际上是将弹性元件、液柱式压力计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计。l电气式压力计通常两部分组成：一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参
6、数；二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型电气式压力计一次探头l常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。l常见压力变换器（压力探头）有：应变式压力变换器；压电电阻式压力变换器；电感式压力变换器；电容式压力变换器；霍尔片式压力变换器。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型电阻应变式压力计一次探头l电线的电阻为：R=L/Sl当电线受到拉（应）力作用时，L变大，S变小，R变大。l当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数。压力变化弹性变形电阻变化过程特性
7、及其数学模型过程特性及其数学模型电感式压力计一次探头l磁路的磁阻与铁芯的间隙相关。所以，当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电感也随之发生变化。从而，可以将位移量转化为电感量。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型电容式压力计一次探头l电容器的电容量：C=S/dl当S或d发生变化时，电容量发生变化。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型霍尔式压力计一次探头l霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压：UH=RHBINS过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型电气压力计前置放大器l传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能进行远距离传送，需要进行初步放大。v电阻和电容传感器一般采用电桥放大
8、，以电压方式输出；v电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率方式输出；v电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方式输出。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型电气压力计前置放大器过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型电气压力计二次仪表l作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。lDDZ 型仪表标准通讯信号为：420mA。l智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能，如：模/数转换与数据通讯，工程单位转换，信号（变化）阻尼，故障诊断等。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型三、压力计的选型l选型内容：类型选择l功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；l介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏
9、污程度等；如：氨气表防腐，氧气表禁油。l环境条件：温度、震动、电磁场等。量程与盘面大小；l工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。l盘面大小应方便安装和观察。精度等级：根据工艺需要确定。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型常见压力传感器外形 工业压力变送器数字压力变送器通用压力变送器隔离压力变送器高温压力变送器隔离压差变送器隔离液位变送器微压变送器电容压力变送器隔膜压力变送器绝压变送器双膜压差变送器微型探针压力计暖风空调压力计湿式压力变送器本安压力变送器OEM血压计OEM压力芯片过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型三、压力计的安装l安装事项：取压位置：由工艺条件确定；l尽
10、量避免涡流影响；l避免流速影响；l避免导压管产生压差。隔离：l温度隔离：采用铜管散热；l腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）；l脏污隔离：采用空气包。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型3.3 流量的测量与变送按测量途径分类：l速度式流量计通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。l容积式流量计采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积。l质量流量计计量可压缩流体的质量通过量。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型一、速度式流量计l根据测速方法可以分为以下几类：压差流量计转子流量计电磁流量计超声波流量计涡轮流量计堰式流量计过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型1.压差流量计l由流体力学知识可知，流体通
11、过孔板节流装置后，会产生一定的压降。根据流速和压降的关系可以推导出下列方程：l通过测量孔板前后压差即可计算出流速和流量。p1p2过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型2.转子流量计l垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡。压差与流速有关；流速取决于转子的位置。l由转子高度可直接读取通过的流量；l测量转子位置可进一步获得相应的电气信号。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型3.电磁流量计l当流道两侧有磁场作用时，导电流体在流动过程中切割磁力线，产生感应电动势：Ex=BDv10-12所以有：Q=K ExEX1EX2过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型3.电磁流量计电磁流量计由两
12、部分组成：l电磁流量变换器由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。l二次仪表作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱电势信号进行放大，并输出相应的电流信号。组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率放大、霍尔反馈（克服电源波动）、电源等。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型4.超声波流量计l多普勒效应：当一束波射向移动的物质并产生散射时，其散射波的频率会产生变化（频移），且频率变化量与物质的运动速度成正比。l超声波流量计的特点：非接触式测量；流体中需要有散射粒子：微泡或颗粒。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型二、容积式流量计l容积式流量计主要包括两类：齿轮式流量计l一对紧密啮合的齿轮与壳体之
13、间形成固定的间隙空间，齿轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过量与齿轮转数成正比。活塞式流量计l利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输送流体l容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度不敏感，常用于测量重油等粘稠流体。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型三、质量流量计l间接式质量流量计分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量。l直接式质量流量计利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差v质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型3.4 物位的测量与变送l物位：液位：容器中液
14、体表面的高低；料位：容器中固体的堆积高度；界面：两相物质的交界面。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型物位计的分类l直读式物位计l浮力式物位计l压差式物位计l电磁式物位计l核辐射式物位计l超声波物位计l光电式物位计过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型一、直读式物位计l用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以直接显示容器内液位的高低。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型二、浮力式物位计l利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化的原理工作。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型三、压差式物位计l利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成正比的关系进行测量。液
15、体密闭容器液体敞开容器固体称重仓过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型四、电容式物位计l圆柱形电容器的电容量的表达式为：l电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为：由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。测量电容量变化即可知料位的变化。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型四、电容式物位计电容式液位计电容（绳）式料位计主要用于测量不导电流体过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型五、电极式物位计l利用物料的导电性能测量高低液位。l也可以用于导电性较弱的液体和潮湿固体。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型六、核辐射式物位计l放射线通过介质时，其强度衰减与物质的吸收系数和介质层厚度有
16、关：l目前，工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型七、超声波物位计l利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。l注意事项：确保反射波能回到探头；防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型3.4 温度的测量与变送l温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；温度决定一些反应能否进行和反应方向；温度决定一些反应的进程程度；温度显示反应的能量变化。l温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏
17、感元件后，其物理性质随温度变化而进行的。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型常用温度计的种类及适用温度过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型一、膨胀式温度计l玻璃液体温度计利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度l双金属温度计不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度t=t0t t0过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型二、压力式温度计l利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。温包：传热、容纳膨胀介质；毛细管：传递压力；弹簧管：显示压力（温度）。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型三、辐射式温度计l通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温
18、度。1.辐射式温度计：测定热辐射强度；2.光学温度计：采用光学分频法，测定不同频率光波的强度比值；3.比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型四、热电偶温度计1.热电偶工作原理不同金属具有不同的电子密度；两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场热电现象；电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。+-扩散作用电场作用金属A金属B过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型2.热电偶的材质与选择l热电偶
19、的材质要求：单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；热电性质稳定；化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；具有较好的延展性，易于加工；复现性好，便于批量生产和互换。l不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型3.热电偶的结构l热电极工作部分l绝缘子防止电极与电极、套管短路l保护套管保护l接线盒过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型4.热电偶回路l不同金属连接在一起都构成热电偶作用；l热电偶回路电动势为各接点热电势的总和；l对于有外接导线的热电偶回路，其总电动势为热端与冷端热电动势之
20、差。ABCCv热电偶测量的关键是如何保证冷端的温度过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型5.热电偶的补偿l热电偶的导线补偿用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内；l冷端温度补偿将冷端浸泡在恒温的冰水中；采用电路差减法消除冷端热电势。+-补偿导线测量电路热电偶v补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用；v补偿导线的材质不同，接线时应特别注意不能接错。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型五、热电阻温度计l测量原理利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；l测量金属在不同温度下电阻值的变化。l工业热电阻温度计主要有两种材质：铂电阻：0650C，Pt10，Pt100铜电阻：-50+150C，Cu5
21、0，Cu100l结构：普通型，铠装型，薄膜型过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型六、电动温度计的二次仪表l功能：对信号进行放大和转换；信号的线性化。l组成部分：输入电桥；放大器；反馈电路；电源电路。热电偶或热电阻输入电桥放大电路反馈电路电源电路被测温度过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型七、测温元件的安装注意事项1.确保测温元件与被测材料有充分的接触；2.保持接线盒清洁干燥；3.防止热量散失；4.使用规定的补偿导线，并确保正确接线；5.一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不要有接头；6.信号线尽量单独穿管敷设。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型本章习题lP921，3，4，9，21，41，48，60