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1、1第三讲 过程检测仪表3.1 检测仪表的基础知识组成、接线方式测量误差、信号处理安全防爆3.2 常见被控量检测仪表压力、温度、流量、物位、成分等检测3.3 仪表技术的发展第1页/共93页2第三讲 过程检测仪表检测仪表是过程控制的“眼睛”；许多过程控制系统不能长期使用的主要原因就在于传感器故障！第2页/共93页33.1 检测仪表组成及功能检测仪表组成及功能（一）功能：用于确定被控变量的当前值（二）组成：传感器（sensor）：检测仪表中的首要部件，直接与被测量发生联系（但不一定直接接触）。感受被测参数的变化，并产生相应的电或非电量信号，也称为一次仪表。变送器（transmitter）：将传感器送
2、来的检测信号进行转换、放大、整形、滤波等处理后，调制成相应的标准信号，并输出给控制器或进行模拟、数字显示，也称为二次仪表。有时也将传感器和变送电路统称为传感器。非标信号标准信号第3页/共93页4检测仪表组成及功能（三）对检测仪表的要求高准确性：传感器的输出信号与被测参数成严格的对应关系。高稳定性：不受时间或环境温度变化等因素的影响。高灵敏度：被测参数微小变化时，输出量变化明显。第4页/共93页5信号标准及接线方式（一）信号标准电动仪表：4-20mA，DC（远距离）；1-5V，DC（柜内传输）气动仪表：20-100KPa除变送器外，控制器和执行器的信号标准也如此！第5页/共93页6变送器的信号及
3、接线方式（二）接线方式1、电流二线制和四线制 2、电阻三线制3、现场总线方式第6页/共93页7变送器的信号及接线方式1、电流二线制和四线制 二线制线路简单，节省电缆；四线制仪表的工作电源可为直流，也可为交流。第7页/共93页8变送器的信号及接线方式2、电阻三线制 若仅采用两根导线将热电阻接入电桥，将会由于远距离连接导线的电阻而引入误差。为防止由于远距离接线而造成桥臂不平衡，工程中大量采用三线制。第8页/共93页9变送器的信号及接线方式3、现场总线方式 以HART为例，在一条电缆上同时传输直流420mA的模拟信号和数字信号。在直流420mA基础上叠加幅值为0.5mA的正弦调制波作为数字信号，12
4、00Hz频率代表逻辑“1”，2200Hz频率代表逻辑“0”。第9页/共93页10检测仪表的误差及处理（一）误差的基本概念 测量误差：测量值与真值之间存在的差别。真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。第10页/共93页11检测仪表的误差及处理（一）误差的基本概念 约定真值一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。相对真值指当高一级标准器的误差仅为低一级的1/3以下时，可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。第11页/共93页12检测仪
5、表的误差及处理（一）误差的基本概念 绝对误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之差。仪表的绝对误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。绝对误差；绝对误差；M M 仪表读数；仪表读数；A A 约定真值或相对真值。约定真值或相对真值。第12页/共93页13检测仪表的误差及处理（一）误差的基本概念 相对误差仪表的绝对误差与（约定或相对）真值的百分比。引用误差绝对误差与仪表量程的百分比：第13页/共93页14检测仪表的误差及处理（一）误差的基本概念 仪表精度等级（1）又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。（2）我国仪表精度等级有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.
6、35、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。级数越小，精度（准确度）就越高。（3）工业控制用仪表多在0.14.0级，控制用仪表对精度要求较计量用仪表低。（4）仪表的精度等级应视工艺需求而定，不能片面追求高精度。第14页/共93页15检测仪表的误差及处理（一）误差的基本概念 例1：某压力表刻度0100kPa，在50kPa处测量值为49.5kPa，求在50kPa处仪表示值的绝对误差、相对误差和引用误差？仪表的绝对误差：仪表的相对误差：仪表的引用误差：第15页/共93页16检测仪表的误差及处理（二）测量信号的处理过程控制系统中，测量信号往往带有噪声；除传感器本身需考虑抗干扰处理外，还可以
7、采用软件进行数字滤波处理。第16页/共93页17检测仪表的误差及处理（二）测量信号的处理数字滤波即程序滤波，通过计算机软件（运算与判断）滤去干扰信号，提高信号的真实性。在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰。常用的数字滤波有如下几种：1.算术平均值滤波2.程序判断滤波3.中位值法滤波4.一阶惯性滤波第17页/共93页18检测仪表的误差及处理（二）测量信号的处理1.算术平均值滤波又称为递推平均滤波，对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。第18页/共93页19检测仪表的误差及处理（二）测量信号的处理2.程序判断滤波当 时，则Xi为输入计算机的采样值。当 时，应将Xi-1采样值作为第i次采样值输入
8、计算机。B 值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度。第19页/共93页20检测仪表的误差及处理（二）测量信号的处理3.中位值法滤波连续采样三次以上的被测值，从中选择大小居中的那个值作为有效的测量信号适用场合：对变化速度不太快的参数，去掉其干扰脉冲。第20页/共93页21检测仪表的误差及处理（二）测量信号的处理4.一阶惯性滤波实质上是通过计算机算法来实现动态的RC低通滤波第21页/共93页22检测仪表的误差及处理（二）测量信号的处理5.数字滤波使用原则根据具体情况选择采用。在实际应用中，一般先对采样值进行程序判断滤波，然后再应用算术平均滤波或一阶惯性滤波等方法处理；应保证测量值的实时性（Re
9、al Time）和真实性。对于存在较大干扰的信号，应从干扰抑制上考虑，而不是仅仅滤波！第22页/共93页23测量变送的几个问题1、信号滞后问题2、传输距离问题3、信号抗干扰处理4、传感器的定期维护问题第23页/共93页24测量变送的几个问题1、信号滞后问题测量信号滞后问题，主要由测量元件本身的特性和安装位置不当等造成。多路循环测量时，应保证每路信号控制的实时性。气动信号在管道传送过程的滞后要特别注意。第24页/共93页25测量变送的几个问题 2、传输距离问题电流信号较电压信号抗干扰能力强，传输距离远；不同电流信号传输距离视变送器带载能力而定，带载能力一般在250-750之间；采用通信方式时，信
10、号有时需加转换器或中继器（Repeater）以延长传输距离。第25页/共93页26测量变送的几个问题3、信号抗干扰处理干扰分类差模干扰、共模干扰硬件措施电源隔离、屏蔽接地、双绞线、RC滤波电路、光电隔离、硬件看门狗等等软件措施软件看门狗、数字滤波等等第26页/共93页27测量变送的几个问题4、传感器的定期维护问题工业用仪表要定期进行校验或标定，校正零点和量程；可结合过程控制系统软件进行断线、越限等异常报警。要根据具体仪表的使用要求定期维护，特别是结构复杂、价格昂贵的关键仪表，如在线成分分析仪表等。第27页/共93页28安全防爆在石油、化工等多个行业，大量存在含有易燃易爆材料的场合（危险区域），
11、如原油及其衍生物、酒精、天然气、金属屑、粉尘、纤维、飞扬物等等。安全防爆是一项综合性技术，与过程控制关系密切。安全防爆意义重大。第28页/共93页29安全防爆（一）危险区分类类类 别别级别级别说说 明明气体和蒸汽爆气体和蒸汽爆炸危险环境炸危险环境0 0区区 连续地出现爆炸性气体环境，或预计会长期出现或连续地出现爆炸性气体环境，或预计会长期出现或频繁出现爆炸性气体的环境区域频繁出现爆炸性气体的环境区域1 1区区 在正常操作时，预计会周期性地（或偶然的）出现在正常操作时，预计会周期性地（或偶然的）出现爆炸性气体的环境区域，也可能是短时存在的环境区域爆炸性气体的环境区域，也可能是短时存在的环境区域2
12、 2区区 在正常操作时，预计不会出现爆炸性气体的环境，在正常操作时，预计不会出现爆炸性气体的环境，即使出现爆炸性气体，也只是短时间存在的场所即使出现爆炸性气体，也只是短时间存在的场所粉尘爆炸危险粉尘爆炸危险环境环境1010区区 连续地出现爆炸性粉尘混合物，或预计会长期出现连续地出现爆炸性粉尘混合物，或预计会长期出现或频繁出现爆炸性粉尘混合物的环境区域或频繁出现爆炸性粉尘混合物的环境区域1111区区 有时会将积留下的粉尘扬起而偶然形成爆炸性粉尘有时会将积留下的粉尘扬起而偶然形成爆炸性粉尘混合物的环境区域混合物的环境区域第29页/共93页30安全防爆（二）可燃物的燃点和闪点 爆炸的形成，与可燃物的
13、燃点、闪点密切有关。燃点指可燃物受热发生自燃的最低温度。达到这一温度，可燃物质与空气接触，不需要明火作用，就能自行燃烧。燃点越低，发生起火的危险性越大。如汽油的燃点为220oC。闪点是易燃物或可燃液体挥发出的蒸气与空气形成混合物后，遇火源发生燃烧的最低温度。如汽油闪点39oC。安装在危险区的电子仪表（传感器、执行器或控制器），其表面温度必须受限，并避免产生火花。第30页/共93页31安全防爆（三）防爆技术为了确保电子设备在危险场所安全使用，发展了多种防爆技术：隔爆型（d）本安型（i）正压型（）油浸型（）充砂型（）各种防爆技术规范由国家标准强制规定，不同的防爆技术适用于不同的场合。第31页/共9
14、3页32安全防爆1、隔爆型（d）把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭在一个外壳内；其外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙，渗透到壳内的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏；并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃，从而达到隔爆目的。适用于1区和2区。第32页/共93页33安全防爆2、本安型（i）设备内部的所有电路在标准规定条件下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体。该防爆型式只能应用于弱电设备中（控制器、传感器等）。适用于0区、1区和2区。安装在安全区（如控制室内）的非防爆型仪表，需经防爆安全栅与安装在危险区的本安仪表联接。第33页/共93页34安
15、全防爆（四）防爆安全栅安全栅安装在安全场所，一方面传输信号，另一方面将流入危险场所的能量控制在爆炸性气体或混合物的点火能量以下。发生故障时，安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。防爆防爆仪表仪表非防爆非防爆仪表仪表第34页/共93页35安全防爆（四）防爆安全栅分为齐纳式安全栅与隔离式安全栅两种。第35页/共93页36安全防爆1、齐纳式安全栅基于齐纳二极管反向击穿特性原理。由限压电路、限流电路和熔断器三部分组成。第36页/共93页37安全防爆1、齐纳式安全栅优点：采用的器件非常少，体积小，价格便宜;缺点：齐纳式安全栅必须本安接地，且接地电阻必须小于1
16、；对供电电源电压要求高。第37页/共93页38安全防爆2、隔离式安全栅变压器隔离式安全栅利用变压器或电流互感器将供电电源、信号输入端和信号输出端进行电气隔离，同时通过电子电路（限能器）限制进入危险场所的能量。变压器隔离式安全栅分为检测端安全栅（输入式安全栅）和操作端安全栅（输出式安全栅）两种。第38页/共93页39安全防爆2、隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比，具有如下突出优点：隔离式安全栅的电源、信号输入、信号输出均通过变压器耦合，实现信号的输入、输出完全隔离。通用性强，可以在危险区或安全区认为合适的任何一方接地；隔离式安全栅由于信号完全浮空，大大增强信号的抗干扰能力。第39页/共93页40进液
17、出料量气动执行器差压式液位变送器V420 mA15 VQ出Q进LP气气420 mA420 mAVII操作端安全栅I显示仪表危险场所:现场非危险场所:控制室P液位检测端安全栅24V DC24V DC24V DC控制器V30V DCI1000 ），而冷端在室温范围，可以忽略冷端的影响，即无需补偿。第50页/共93页511、热电偶（Thermocouple）热电偶冷端温度对被测温度的影响 例例1 1：用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60。试问：（1）实际温度应为多少？（2）如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时
18、显示仪表的指示值应为多少？已知：第51页/共93页521、热电偶（Thermocouple）热电偶冷端温度对被测温度的影响 解答：解答：显示仪表指示值为500时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20.64mV，即 冷端温度为60产生的电势：由23.076mV查表可得：t=557。即实际温度为557。第52页/共93页531、热电偶（Thermocouple）热电偶冷端温度对被测温度的影响例1：当热端为557，冷端为20时，由于E（20，0）=0.798mV,故有：查表可得显示仪表指示值应为538.4。第53页/共93页541、热电偶（Thermocouple）基本为定型生产，有标准化分度表
19、。常用热电偶型号 铂铑30-铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号B）；测温范围300-1600。铂铑10-铂电偶（分度号S）；测温范围0-1300。镍铬-镍硅（镍铬-镍铝，分度号K）热电偶；测温范围-50-1000。第54页/共93页552、热电阻（RTD）在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270900范围内使用（推荐在150以下时选用）。第55页/共93页562、热电阻（RTD）工业热电阻的材料要求：电阻随温度的变化呈线性关系；电阻温度系数大；电阻率大；热容量小；在测温范围内
20、具有稳定的物理和化学性能。热电阻的材料主要有铂、铜等。第56页/共93页572、热电阻（RTD）不同热电阻特点及分度号铂在氧化介质或高温时，物理、化学性质稳定。分度号有Pt100、Pt10。测温范围-200-850。铜在-50-150稳定性好，超过100易被氧化。分度号有Cu50、Cu100。测温范围-50-150。镍在我国含量少，不常用。分度号有Ni100、Ni300和Ni500。测温范围-60-180。三种热电阻中，铂（特别是Pt100）使用最广第57页/共93页583、半导体热敏电阻（Thermistor）包括正温度系数PTC、负温度系数NTC和临界温度电阻CTR 三类。连续测温中主要采
21、用负温度系数NTC；而PTC和CTR一般用于制作位式作用温度开关。热容量小，响应快；但互换性差，热电特性非线性大。测温范围-50-300。第58页/共93页59（三）热电偶、热电阻的选型根据工艺要求的测温范围和使用要求确定相应分度号的热电偶、热电阻。优先选择一体化热电偶或热电阻（1500C）温度变送器，直接输出标准信号。根据环境条件选用不同型式的接线盒。潮湿或露天场所选用防溅式、防水式；易燃易爆场合注意防爆。第59页/共93页60（四）测温元件管道安装原则测量流动介质（管道内）温度时，感温点应处于管道中流速最大的地方，应保证传感器与介质充分接触。传感器与被测介质成逆流状态（至少呈正交式），斜装
22、或在管道弯头处安装。当测温管道过细（直径小于80）时，安装测温元件需加装扩充管。第60页/共93页61压力检测（一）压力的基本概念过程控制中的压力即压强。压力的单位有帕（Pa）、兆帕（MPa）、巴（bar）等。国内用户常用“公斤”，应注意用户习惯。第61页/共93页62压力检测（一）压力的基本概念压力的表示方式有三种：绝对压力Pa，物体所承受的实际压力，其零点为绝对真空。表压力P，指高于大气压力时的绝对压力与大气压力之差。真空度（负压）Ph，大气压力与低于大气压力时的绝对压力之差。第62页/共93页63压力检测（二）常用压力检测方法1.应变片式压力检测2.扩散硅压力传感器，使用最广。3.电容式
23、差压变送器其他方法：弹性式、液柱式等，多用于就地指示，不便远传。第63页/共93页64压力检测1、应变片式压力检测基于应变片（电阻体）受力变形，阻值发生变化的原理。测量范围宽，可达数百MPa，多用于固体压力测量。第64页/共93页65压力检测2、扩散硅式压力传感器在半导体材料的基片上（硅片或锗片）利用集成电路工艺制成扩散电阻，受外力作用时，扩散电阻的电阻率变化而导致阻值改变。主要优点：体积小，结构简单，良好的动态响应，易集成，价格便宜。应用广泛，约占液体、气体压力检测的80%以上。第65页/共93页66压力检测3、电容式差压变送器电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件由测量部件、转换电路、放
24、大电路三部分组成第66页/共93页673、电容式差压变送器第67页/共93页683、电容式差压变送器感压膜片电容-电流转换器PiCi2-Ci1cIi放大和输出限制电路反馈电路-If调零、迁移电路II0(I2-I1)0100 kPa420 mA差动电容S测量部件转换电路放大电路第68页/共93页69压力检测（三）压力传感器的安装测点要选在前后有足够长的直管段上。取压管端面与管道连接处的内壁应平齐，不应有凸出物或毛刺。引压导管不宜过长，一般不大于50m；引压导管不宜过细，一般采用内径为1015mm的无缝钢管。测点与压力传感器之间应加装闸阀，以备检修压力传感器时使用，且应尽量靠近测点一侧。第69页/
25、共93页70压力检测（三）压力传感器的安装在测量蒸汽压力时，应加装凝汽管，以防止高温蒸汽与测压元件直接接触；对于有腐蚀性的介质，应加装充有中性介质的隔离罐。针对被测介质的不同性质（脏污、结晶、粘稠等），应采取相应的防堵等措施，并注意日常维护。第70页/共93页71流量检测（一）流量的基本概念单位时间内流过管道横截面的流体数量，称为瞬时流量。当流体的数量以体积表示时，称体积流量。过程控制中使用很多。当流体的数量以质量表示时，称质量流量。在某一段时间内流过管道横截面的流体总和称为总（流）量或累积流量。一般只用于计量考核，不参于过程控制。第71页/共93页72流量检测（二）流量的测量方式1、节流式（
26、差压式）流量计2、电磁流量计3、旋涡（涡街）流量计4、其他流量计第72页/共93页73流量检测1、差压式流量计基于节流变压降原理，由节流件、导压管及差压检测仪表组成。最常用的节流件：孔板、喷嘴及文丘利管。第73页/共93页74流量检测1、差压式流量计孔板第74页/共93页75流量检测1、差压式流量计喷嘴第75页/共93页76流量检测1、差压式流量计文丘利管第76页/共93页771、差压式流量计（1）流量测量原理流量与流体流过节流件前后产生压差的平方根成正比例关系 其中：为流量系数；为可膨胀性系数；为节流件的开孔面积；为流体密度；为节流装置前后的压差。第77页/共93页781、差压式流量计（2）
27、差压流量计节流件的安装务必使节流装置前后保持足够的直管段，使被测介质在节流前后保持稳定的流动状态；在节流装置附近不允许安装测温元件或开取样口；节流件的开孔与管道的轴线应同心，节流件的端面与管道的轴线垂直；管道内流体必须充满管道且为单向流动，注意节流件的安装方向；流体不能含有颗粒、纤维等杂质。第78页/共93页791、差压式流量计（3）差压流量计使用注意开启表时：应打开平衡阀2，再开高低截止阀1、3，当阀1、3全开后，再关阀2。停表时：应先打开平衡阀2，再关闭阀1、3。132P1P2PiP1P2平衡阀截止阀截止阀I0Q第79页/共93页802、电磁流量计（1）电磁流量计原理根据法拉第电磁感应定律
28、制成，用来测量管道中导电性液体体积流量。电磁流量计的感应电势与流量成线性关系：第80页/共93页812、电磁流量计（2）电磁流量计特点测量管道内无节流部件，管道无压损；不堵塞，可测带颗粒、纤维等杂质的导电流体；维护方便，寿命长；没有测量滞后现象。不受流体的温度、压力、密度和粘度的影响。第81页/共93页822、电磁流量计（3）电磁流量计的安装要求必须保证被测液体完全充满测量导管：在水平安装时，应低于管道；垂直安装时，液体流动方向应从下往上。一般要求在变送器前后有长度为35倍管道直径的直管段；要求安装地点远离强磁场。第82页/共93页833、旋涡（涡街）流量计（1）旋涡（涡街）流量计利用流体自然
29、振荡的原理：当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向几何尺寸适当的物体时，则在物体的后面，沿两条平等直线上产生整体排列、转向相反的涡列。涡列的个数，即涡街频率，和流体的速度成正比：第83页/共93页844、其它流量计浮子流量计浮子流量计涡轮流量计涡轮流量计第84页/共93页85（三）流量计的选择注意防堵，测导电液体流量应优先考虑使用电磁流量计。差压、旋涡、转子或涡轮流量计只用于洁净流体的测量。过程控制中，流量检测往往作为复杂过程控制系统的局部回路，如串级控制的内环，对仪表精度要求往往不很严格。质量流量计价格昂贵，在工艺要求允许的情况下优先选择体积式流量计。第85页/共93页86物位检测（一）物位
30、计类型浮力式静压式电容式超声波式雷达式等第86页/共93页87物位检测（二）物位计的选择测量有沉淀液体时，不宜采用静压式，优先选择超声波式或雷达式。电容式物位计，不适用于测量在电极上可能粘附粘稠介质或介电常数变化大的介质。超声波式物位计，不与介质接触，适用范围宽。但应注意被测液体表面不能有泡沫，并注意测量盲区。在灰尘大的场合，还可考虑重锤式等其他物位计。第87页/共93页88成分分析检测工厂中常用的成分自动分析仪表：各种气体分析仪、酸度计（PH计）等。例如：氧化锆式氧量分析仪：分析烟气中的含氧量。红外线气体分析仪：吸收红外线的辐射能，气体温度升高，利用这种转换关系，确定某气体吸收了多少红外线辐
31、射能，从而确定混合物中某气体的含量。可测量CO、CO2、CH4 等。工业酸度计：测定位于被测溶液中的两电极间的电位差反映PH值。第88页/共93页89成分分析检测举例第89页/共93页90成分分析检测在线成份分析仪使用注意事项取样及预处理要保证取出样品的代表性（representative)，为减小测量时滞，取样管线应尽量短。测量滞后问题 力求选用响应速度快的分析仪表和滞后小的取样及预处理系统。分析仪的标定 必须定期标定仪表。第90页/共93页913.3 仪表技术的发展在线分析仪表越来越多软测量（Soft-Sensing）技术的发展，基本思路是基于一些过程变量与过程中其他变量之间的关联性（数学模型），根据一些容易测量的过程变量（辅助变量），推算出一些难于测量或无法测量的过程变量（主导变量）。测量方法创新智能化第91页/共93页92第三讲 小 结3.1 检测仪表的基础知识组成、接线方式测量误差、信号处理安全防爆3.2 常见被控量检测仪表压力、温度、流量、物位、成分等检测3.3 仪表技术的发展第92页/共93页93感谢您的观看。第93页/共93页