化工自动化及仪表第三章1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第三章 检测仪表与传感器,3.1,概述,3.2,压力检测及仪表,3.3,流量检测及仪表,3.4,物位检测及仪表,3.5,温度检测及仪表,3.6,现代检测技术与传感器的发展,1,3.2,压力检测及仪表,在工业生产过程中，特别是在化工、炼油等生产过程中，压力是重要的操作参数之一。经常会遇到压力和真空度的测量，其中包括比大气压力高很多的高压、超高压和比大气压力低很多的真空度的测量。,如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。,此外，压力测量的意义还不局限于它自身，有些其他参数的测量，如物位、流量等往往是通过测量压力或差压来进行的，即测出了压力或差压，便可确定物位或流量。,2,3.2,压力检测及仪表,2,弹性式压力计,3,3,压力单位及测压仪表,3,1,电气式压力计,4,智能型压力变送器,3,5,压力计的选用及安装,3,压力单位及测压仪表,压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，故可用下式表示：,p,表示压力，,F,表示垂直作用力，,S,表示受力面积。,根据国际单位制,(,代号为,SI),规定。压力的单位为帕斯卡，简称帕（,Pa,），,1,帕为,1,牛顿每平方米，即，,工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”等。,1Pa,1N/m,2,4,压力单位及测压仪表（续）,5,压力单位及测压仪表（续）,压力的表示,绝对压力,单位面积所受到全部,压力,相对压力（表压）,绝对压力与大气压之差,p,表压,=p,绝对,-p,大气,真空度（负压）,大气压与绝对压力之差,p,真空,=p,大气,-p,绝对,绝对压力,绝对压力,真空度,表压,标准大气压,6,压力单位及测压仪表（续）,因为各种工艺设备和测量仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力。所以，工程上经常用表压或真空度来表示压力的大小。以后所提到的压力，除特别说明外，均指表压或真空度。,7,压力单位及测压仪表（续）,测量压力的仪表种类很多，按其转换原理可大致分为以下四种：,1,液柱式压力计,液柱式压力表是根据静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来测量压力的。这类仪表包括,U,型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。,2,弹性式压力计,弹性式压力表是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成元件的位移来测量压力的。常见的有弹簧管压力表、波纹管压力表、膜片（或膜盒）式压力表。,8,压力单位及测压仪表（续）,3,活塞式压力计,活塞式压力计是利用流体静力学中的液压传递原理，将被测压力转换成活塞上所加珐码的重量进行压力测量的。这类测压仪表的测量精度很高，允许误差可小到,0.05,0.2%,，所以普遍用作标准压力发生器或标准仪器对其他压力表或压力传感器进行校验和标定。,9,压力单位及测压仪表（续）,4,压力传感器和压力变送器（电气式压力计）,压力传感器和压力变送器是利用物体某些物理特性，通过不同的转换元件将被测压力转换成各种电量信号，并根据这些信号的变化来间接测量压力。根据转换元件的不同，压力传感器和压力变送器可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、压电式、霍尔片式等多种形式。,10,压力单位及测压仪表（续）,测量原理：,P=hg,所以,h=P/g,液柱式压力计,11,压力单位及测压仪表（续）,活塞式压力计,测量原理：,P=G/S,所以,G=PS,精确度高,常用作标准仪表，检验其它压力计,12,弹性式压力计,工作原理：是利用弹性元件在被测压力作用下产生弹性变形的原理来度量被测压力的。当弹性元件受压力作用时会产生变形，于是输出位移或力；再把位移或力通过一定的元件转换成电量信号。,弹性元件的特点：构造简单，价格便宜，测压范围宽，被测压力低至几帕，高达数千兆帕都可使用，测量精度也较高，在目前的测压仪表中广泛应用。,若增加附加装置，如记录机构、电气变换装置、控制元件等，则可以实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等。,13,弹性式压力计（续）,1,弹性元件,弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。它不仅是弹性式压力计的测压元件，也经常用来作为气动单元组合仪表的基本组成元件。,14,P,弹簧管式弹性元件,P,膜片式弹性元件,弹性式压力计（续）,波纹管弹性元件,根据敏感元件形式的不同可以分为,3,类。,15,弹性式压力计（续）,(1),弹簧管式弹性元件,测量元件是一个弯成圆弧形的空心管子。其截面一般为扁圆形或椭圆形，管子自由端封闭，作为位移输出端，弹簧管的另一端固定，作为被测压力的输入端，当被测压力从输入端通入后，由于椭圆形截面在压力,P,的作用下将趋于圆形，因而弯成弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形。其自由端产生位移。从而将压力变化转换成位移量。压力越大，位移量越大。,16,弹性式压力计（续）,(2),薄膜式弹性元件：薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。,膜片：单膜片测压元件主要用于低压的测量，一般使用金属膜片，也有橡胶膜片。,膜片式压力计的优点是：可测微压和粘滞性介质压力。,17,弹性式压力计（续）,膜盒：广泛应用于测量差压。,硬芯：用于实现输出机械位移或力,硅油：用于传递压力和对膜片起过载保护作用,18,弹性式压力计（续）,(3),波纹管式弹性元件,在波纹管中引入压力时，其自由端产生伸缩变形，可以得到较大的线位移，但压力,位移特性的线性不如弹簧管。,19,弹性式压力计（续）,20,弹性式压力计（续）,2,弹簧管压力表,弹簧管压力计结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，应用十分广泛。,按其所使用的测压元件不同，可有单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。,弹簧管材料根据压力高低及被测介质的性质不同而不同。耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。,一般弹簧管压力计的测压范围为,-105+109 Pa,；精确度最高可达,0.1,。,21,弹性式压力计（续）,弹簧管式压力计,22,弹簧管,弹性式压力计（续）,23,弹性式压力计（续）,将普通弹簧管压力计稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。,24,电气式压力计,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。,这种仪表的测量范围较广，分别可测,710-5 Pa,至,5102,MPa,的压力，允许误差可至,0.05,。,由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。,25,电气式压力计（续）,电气式压力计一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。,一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参数；,二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。,26,电气式压力计（续）,压力传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。,常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。,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。,27,电气式压力计（续）,1,霍尔片式压力传感器,测压原理：利用霍尔片式传感器（根据半导体材料的霍尔效应的原理）实现压力,-,位移,-,霍尔电势的转换。,半导体薄片置于磁感应强度为,B,的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流,I,流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,E,H,，这种现象称为霍尔效应。,28,电气式压力计（续）,磁感应强度,B,为零时的,情况,29,电气式压力计（续）,作用在半导体薄片上的磁场强度,B,越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势,EH,可用下式表示：,EH,=,K,H,IB,磁感应强度,B,较大时的情况,电气式压力计（续）,30,电气式压力计（续）,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片,c,、,d,方向的端面之间建立起霍尔电势。,c,d,a,b,31,电气式压力计（续）,霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高,B,和,I,值可增大霍尔电势,E,H,。但两者都有一定限度，一般,I,为,320mA,，,B,约为几千高斯，所得的霍尔电势,E,H,约为几十毫伏数量级。,如果选定了霍尔元件，并使电流保持恒定，则在非均匀磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所受到的磁感应强度也将不同，这样就可得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移,电势的线性转换。,32,弹簧管,霍尔片,K,霍尔式压力传感器输出系数,自由端霍尔元件的位移量,磁钢,电气式压力计（续）,霍尔片式压力传感器,33,电气式压力计（续）,2,应变片式压力传感器,应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片,(,金属丝或金属箔,),和半导体应变片两类。,被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩应变时，其阻值减小；当应变片产生拉伸应变时，其阻值增加。,应变片阻值的变化，再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。,34,电气式压力计（续）,箔式应变片的外形,35,电气式压力计（续）,半导体应变片外形,金属丝式应变片的内部结构,36,电气式压力计（续）,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,37,电气式压力计（续）,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,荷重传感器原理演示,38,电气式压力计（续）,应变片,r1,和,r2,与两个固定电阻,r3,和,r4,组成桥式电路，如图,311(b),所示。由于,r1,和,r2,的阻值变化而使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压,U,作为传感器的输出信号，在桥路供给直流稳压电源最大为,10V,时，可得最大,U,为,5mV,的输出。,39,电气式压力计（续）,测量转换电路,电桥平衡的条件：,电桥电阻都发生改变后：,40,电气式压力计（续）,全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。,单臂电桥,41,电气式压力计（续）,R,1,、,R,2,为应变片，,R,3,、,R,4,为固定电阻。应变,片,R,1,、,R,2,感受到的应变,1,2,以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压,U,o,成倍地增大,。,双臂电桥,42,电气式压力计（续）,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片,R,1,R,4,产生的电阻增量（或感受到的应变,1,4,）正负号相间，就可以使输出电压,U,o,成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。,四臂全桥,43,电气式压力计（续）,当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。,全桥的温度补偿原理,44,电气式压力计（续）,应变式压力传感器的被测压力可达,25Mpa,。,由于传感器的固有频率在,25000Hz,以上，故有较好的动态性能适用于快速变化的压力测量。传感器的非线性及滞后误差小于额定压力的,1,。,45,电气式压力计（续）,3,压阻式压力传感器,压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成。,利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,46,电气式压力计（续）,扩散硅压力变送器检测部件的原理结构如图,(a),所示。其电阻布置如图,(b),所示、杯内腔承受被测压力,p,，杯的外侧为大气压力。如用来测量差压，则分别接,p1,及,p2,。,47,电气式压力计（续）,扩散硅压力变送器计算：,48,电气式压力计（续）,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片,49,电气式压力计（续）,信号处理电路,固态压力传感器,内部结构,50,电气式压力计（续）,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,小型固态压力传感器,51,电气式压力计（续）,表压压力传感器,p,1,进气管,52,电气式压力计（续）,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。,压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。,压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,53,电气式压力计（续）,54,电气式压力计（续）,4,力矩平衡式压力变送器,力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度,(,一般为,0.5,级,),、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。,55,1,低压室,2,高压室,3,测量元件（膜盒、膜片）,4,轴封膜片,5,主杠杆,6,过载保护片,7,静压调整螺钉,8,矢量机构,9,零点迁移弹簧,10,平衡锤,11,量程调整螺钉,12,检测片（衔铁）,13,差动变压器,14,副杠杆,15,放大器,16,反馈动圈,17,永久磁钢,18,电源,19,负载,20,调零弹簧,测量机构,杠杆机构,检测放大 机构,反馈 机构,电气式压力计（续）,力平衡式压力（差压）变送器,56,主杠杆,矢量机构将,F1,分解成,F2,和,F3,，,副杠杆平衡：,l,1,l,4,l,3,l,0,l,f,l,2,F,1,F,3,F,2,F,f,F,0,H,M,F,i,5,4,8,12,14,电气式压力计（续）,57,电气式压力计（续）,5,电容式压力变送器,20,世纪,70,午代初由美国最先投放市场的电容变送器，是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高、体积小、重量轻、使用方便等一系列优点、目前已成为最受欢迎的压力、差压变达器，其输出信号也是标准的,420mA(DC),电流信号。,电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。,58,电气式压力计（续）,材料技术和微位移测量技术的发展使得位移式开环压力变送器获得重生。,易于超过力平衡变送器的基本精度为,0.5%,的指标。,结构简单，运行可靠，维护方便。,59,采用变电容原理，利用弹性元件受压变形来改变可变电容器的电容量，然后通过测量电容量,C,便可以知道被测压力的大小，从而实现压力,-,电容转换的。,定极板,弹性元件,动极板,被测压力,测量原理,电容器极板间绝缘介质的介电,常数，,F/m,S,电容器两平行板覆盖的面积，,m,2,d,两平行板之间的距离，,m,C,电容量，,F,电气式压力计（续）,60,电气式压力计（续）,传感器部分（差分形式）：,P,1,转换放大单元,P,2,电容式压力传感器,固定电极,可动电极,隔离膜片,填充液（硅油）,61,电气式压力计（续）,当受到外界作用，使中间的活动电极板产生一个微小的位移后，可以算出：,62,电气式压力计（续）,另一种计算方法：,K,1,、,K,2,、,K,3,均为常数,63,电气式压力计（续）,电容式差压变送器外形,64,电气式压力计（续）,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,常见压力传感器外形,65,智能型压力变送器,智能型压力或差压变送器就是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。,3051C,特点：,具有远程通讯的功能,依靠手操通信器，用户可在现场或控制室设定变送器各种参数,使用维护方便,长期稳定工作，每,5,年才需校检一次,3051C,组成：,传感膜头、电子线路板,66,A/D,转换器,温度,传感器,电容,传感器,传感膜头内存,修正系数,膜头信号,微处理器,传感器线性化,重设量程,诊断,工程单位,通信,电子板内存,量程值,变送器组态信息,D/A,转换,数字通信,本机量程和,零点调整,手操器,传感膜头,电子线路板,4,20mA,3051C,型智能差压变送器原理图,智能型压力变送器（续）,67,智能型压力变送器（续）,智能仪表可以通过通讯器进行人机对话，如,3051C,变送器通过,HART,（如,275,型）手操器进行通讯，对仪表组态、测试。智能仪表组态由两部分组成：,一是设定变送器的工作参数，包括零点、量程、线性或平方要输出、阻尼、工程单位等；,二是信息数据，包括仪表位号、说明、信息、日期、法兰类型、排液,/,排气材料、,O,型环材料、远传信息等。,通过人机对话，可以对智能仪表的状态、控制回路测试检查，直接读取数据，查找故障等。,68,智能型压力变送器（续）,3051C,技术性能：,性能优异：精度,0.075%,量程比,100:1,差压：校验量程从,0.5inH2O,至,2000psi,表压：校验量程从,2.5inH2O,至,2000psi,绝对压力：校验量程从,0.167psia,至,4000psia,过程隔离膜片：不锈钢，哈氏合金,CR,，蒙乃尔,R,，钽（仅限,CD,，,CG,）及镀金蒙乃尔,设计小巧、坚固而质轻，易于安装,69,智能型压力变送器（续）,HART275,通信器是一种便携式的终端，它与采用,HART,通信协议的仪表一起使用，对其进行设定，更改和显示，它可监控输入,/,输出值和自诊断结果。设定恒定电流的输出和调零。,当系统开动或维持操作时，只要把,HART 275,型,HART,通信器接在,420mA,通信信号线上，就可以使用。,70,智能型压力变送器（续）,适用仪表：,ROSEMOUNT1151,，,ROSEMOUNT3051,，,ABB,，,E+H,，,Siemens,，日本富士，,YOKOGAWA,，,EJA(,带,HART,通信协议,),等压力变送器,通信信号的连接：专用线缆，长,1.1m(3.6ft),通信线：长度：,1Km(0.62,英里,),（,0.751.25mm,）,71,压力计的选用及安装,1.,压力计的选用,(1),仪表类型的选用,类型的选择，通常需要考虑以下因素：,被测介质的物理化学性质，如温度高低、粘度大小、脏污程度、腐蚀性，是否易燃易爆、易结晶等。,生产过程对压力测量的要求，如被测压力范围、精确度以及是否需要远传、记录或上下限报警等。,现场环境条件，如高温、腐蚀、潮温、振动、电磁场等。,72,压力计的选用及安装（续）,(2),仪表测量范围的确定 仪表的测量范围是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围，它是根据操作中需要测量的参数的大小来确定的。,在测量压力时，为了延长仪表使用寿命，避免弹性元件因受力过大而损怀，压力计上限值应该高于工艺生产中可能的最大压力值。,73,压力计的选用及安装（续）,根据“化工自控设计技术规定”：,在测量稳定压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的,2/3,；,在测量脉动压力时，最大工作压力不应超过测量上限值的,1/2,；,在测最高压压力时，最大工作压力不应越过测量上限值的,3/5,。,为了保证测量值的准确度，所侧的压力值不能太接近于仪表的下限值，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值不低于仪表满量程的,1/3,为宜。,74,压力计的选用及安装（续）,我国压力仪表测量测量范围的标准系列：,-0.10.06KPa,、,0.15KPa,01,、,1.6,、,2.5,、,4,、,6,、,10 x10nKPa,工业用压力仪表的精度通常在,0.5,级以下,(3),仪表精度级的选取 仪表精度是根据工艺生产上所允许的最大测量误差来确定的。,满足工艺要求的情况下，尽可能选择精度较低、价廉耐用的仪表。,75,压力计的选用及安装（续）,例：某台往复式压缩机的出口压力范围为,2528MPa,，测量误差不得大于,1MPa,。工艺上要求就地观察，并能高低限报警。试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。,解 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为,根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用,YX-150,型电接点压力表，测量范围为,060MPa,。,由于,25/60,1/3,，故被测压力的最小值不低干满量程的,1/3,，这是允许的。,76,压力计的选用及安装（续）,另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为,所以，精度等级为,1.5,级的仪表完全司以满足误差要求。,因此，可以确定，选择的压力表为,YX150,型电接点压力表，测量范围为,060MPa,。精度等级为,1.5,级。,77,压力计的选用及安装（续）,2,压力计的安装,(1),测压点的选择 所选择的测压点应能反映被测压力的真实大小。,要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。,测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。,测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。,78,压力计的选用及安装（续）,(2),导压管铺设,管粗细要合适，一般内径力,610mm,，长度应尽可能短，最长不得超过,50m,，以减少压力指示的迟缓。,导压管水平安装时应保证有,1:101:20,的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。,当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。,取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。,79,压力计的选用及安装（续）,(3),压力计的安装,压力计应安装在易观察和检修的地方。,安装地点应力求避免振动和高温影响。,测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触,见图,3l 7(a),；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，图,317(b),表示了被测介质密度,2,大于或小于隔离液密度,1,的两种情况。,80,压力计的选用及安装（续）,81,压力计的选用及安装（续）,压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。,当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按,gH,进行修正。,为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。,82,压力计的选用及安装（续）,习题,1,：,若选用弹簧管压力表来测量某设备内的压力，已知被测压力为,0.71,106Pa,，要求测量的绝对误差不得超过,0.02,106Pa,，试确定该压力表的测量范围及精度等级。,可供选用的测量范围有,:,00.6,106Pa,01,106Pa,01.6,106Pa,02.5,106Pa,83,压力计的选用及安装（续）,解：,选择量程为,01.6,106Pa,的仪表，当压力变化时，正处于量程的,1/32/3,。,要求仪表的允许误差为,所以应选,1.0,级精度的压力表。,84,85,86,