07-檢測元件及變送器-電工電子學

1、7 檢測元件及變送器,pinsy@163.com,看-----思-----做看?變送器（傳感器）思?調(diào)節(jié)器（控制器） 做?執(zhí)行器 （閥、變頻器）,主要研究對象,自動控制系統(tǒng)由被控對象、測量元件及變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器等四大部分組成。,在工業(yè)生產(chǎn)中，必須及時準確地檢測出生產(chǎn)過程中的有關(guān)變量，以便正確地指導生產(chǎn)操作，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，保證生產(chǎn)正常進行，保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)。,常見的檢測對象:,溫度 壓力流量

2、 物位,檢測工藝變量，首先由檢測元件(又稱敏感元件或傳感器)直接響應工藝變量，并輸出一個與之成對應關(guān)系的信號，如熱電偶測量溫度時得到與溫度相對應的熱電勢。,檢測元件的輸出再經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準電、氣信號，送往顯示儀表指示或記錄工藝變量；或同時送往調(diào)節(jié)儀表對被控變量進行調(diào)節(jié)。有時，將檢測元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測儀表。,(1)測量值要能正確地反映被測變量的大小，誤差不超過規(guī)定的范圍；(2)測量值必須迅速反映被測變

3、量的變化，即動態(tài)響應比較迅速；(3)檢測儀表在工作環(huán)境條件下，應能長期正常工作，以保證測量值的可靠性。,過程控制對檢測儀表有以下三條基本要求：,儀表按所使用的能源可劃分為電動儀表、氣動儀表和液動儀表。 氣動儀表發(fā)展的較早，氣動儀表的特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，可靠性好，本質(zhì)安全防爆。 電動儀表的特點是信號傳輸與處理特別方便，在過程控制中應用的液動儀表主要是執(zhí)行器類儀表。,7.1.1 　測量誤差測量誤差的概念測量

4、誤差的種類,7.1 測量誤差和測量儀表的性能指標,按測量誤差本身的性質(zhì)和出現(xiàn)的特點，可將測量誤差分為:系統(tǒng)誤差偶然（隨機）誤差,7.1 測量誤差和測量儀表的性能指標_測量誤差,(1)由儀表引入的系統(tǒng)誤差(2)理論(方法)誤差 (3)個人誤差,系統(tǒng)誤差來源：,7.1 測量誤差和測量儀表的性能指標_測量誤差,在相同條件下進行多次重復測量同一待測量時，發(fā)現(xiàn)各測量值之間也有差異，由此而產(chǎn)生的誤差(即各測量值與真值之間的差異)

5、的絕對值與符號是不確定的，這就是偶然誤差，又叫隨機誤差。,偶然(隨機)誤差：,7.1 測量誤差和測量儀表的性能指標_測量誤差,隨機誤差的正態(tài)分布曲線,1.儀表的精度,絕對誤差：相對誤差：儀表的允許最大誤差：,7.1 測量誤差和測量儀表的性能指標_性能指標,我國以及國際上對于測量儀表準確度的劃分是以準確度等級來表示的。準確度等級的定義是“符合一定的計量要求，使誤差保持在規(guī)定的極限以內(nèi)的測量儀表的等別、級別”。,2.非線性誤差3

6、.變差4.靈敏度和靈敏限5.分辨力6.響應時間,溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗中最普遍、最重要的熱工參數(shù)之一。,物體的許多物理現(xiàn)象和化學性質(zhì)都與溫度有關(guān)，大多數(shù)生產(chǎn)過程均是在一定溫度范圍內(nèi)進行的。因此，溫度的測量是保證生產(chǎn)正常進行，確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).,7.2 溫度的檢測及變送,利用物質(zhì)熱脹冷縮的特性測溫利用工作物質(zhì)的壓力隨溫度變化的原理測溫利用熱輻射原理測溫應用熱電效應測溫,

7、7.2.1溫度測量的基本方法,利用物質(zhì)熱脹冷縮的特性測溫,雙金屬片受熱膨脹 螺旋管雙金屬片溫度計,利用工作物質(zhì)的壓力隨溫度變化的原理測溫,應用壓力隨溫度變化來測溫的儀表稱為壓力式溫度計。　　它是根據(jù)處于封閉系統(tǒng)中的液體、氣體或低沸點液體的飽和蒸汽受熱后體積或壓力變化這一原理而制成的。測出相應的壓力，就能知道待測溫度。,利用熱輻射原理測溫,熱輻射是高溫物體以電磁波的形式輻射出能量，其輻射出的熱能與溫度有關(guān)，溫度越高，輻射

8、出的熱能越大，輻射式高溫計就是根據(jù)這一原理制成的。 現(xiàn)在，巳廣泛地被用來測量高于800度的溫度。,熱的傳遞有傳導、對流和輻射三種形式。,應用熱電效應測溫,當兩種自由電子密度不同的金屬A和金屬B密切接觸時，按經(jīng)典電子理論，金屬中的自由電子如容器中的氣體分子一樣，將在金屬中進行擴散。,熱電偶測溫的原理,當A、B兩種材料固定后，如果一個接觸點的溫度為已知，另一接觸點的溫度，亦即待測溫度，就可算出。這就是熱電偶測溫原理。,依據(jù)金屬導體或

9、半導體的電阻值隨溫度變化而改變的性質(zhì)，來測量溫度。,熱電阻測溫的原理(聲控),熱電偶溫度計由三部分組成：熱電偶測量儀表導線,7.2.2 熱電偶溫度計,熱電偶溫度計的組成,熱電現(xiàn)象,在實際應用時，由于熱電偶的冷端與熱端離得很近，若冷端又暴露在空氣中，容易受到待測溫度和周圍環(huán)境溫度的影響，因而冷端溫度無法保持恒定。,為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定，我們用補償導線將冷端延長出來，使它遠離熱端，且放入溫度恒定的地方。,補償導線作用,熱電

10、偶的組成,冷端溫度補償,計算方法冰浴法機械調(diào)0法補償電橋法,冰浴法,熱電偶的補償電橋,補償熱電偶法,熱電偶溫度計適用于測量500度以上的較高溫度，對于在300度以下中、低溫區(qū)，使用熱電偶測溫就不恰當。 熱電阻溫度計測量范圍在-200—500度。適用于測量液體、氣體、蒸汽及固體表面的溫度。,7.2.3 熱電阻溫度計,DDZ—III型電動溫度變送器,DDZ—II型電動溫度變送器,,7.2.4 溫度變送器,D

11、DZ—II型電動溫度變送器,可將熱電偶、熱電阻的檢測信號轉(zhuǎn)換成標準的0—10mA的直流電流信號,DDZ—III型電動溫度變送器,DDZ—III型電動溫度變送器的輸出為4-20mA直流電流、l-5V直流電壓信號。,安裝測溫點選擇（如管道應有一定深度、迎向、中心位置）接線盒的出線孔方向注意隔離（檢測元件與熱輻射、安裝孔封閉）,7.2.5 測溫元件的安裝和使用,使用熱電偶：冷端溫度補償、接線正確、配套儀表配套等熱電阻：連接導線阻

12、值需恒定、采用三線制、配套等。,工業(yè)上常用的模擬式顯示儀表是自動平衡式指示記錄儀表，有：,7.2.6 溫度顯示儀表,自動電子電位差計　　　　　自動平衡電橋,1. 電子電位差計（熱電偶）,電子電位差計是用來測量直流電壓信號的，凡是能轉(zhuǎn)換成毫伏級直流電壓信號的工藝變量都能用它來測量。 在以電動單元組合儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，與溫度、流量、壓力、差壓、成分等變送器配套后，可以顯示這些被控變量。也可以與熱電偶組成溫度檢測系統(tǒng)來顯

13、示溫度，或與其他成分發(fā)送器組成成分檢測系統(tǒng)顯示成分。,自動電子電位差計的組成,2 .自動電子平衡電橋（熱電阻）,自動電子平衡電橋是由測量橋路、放大器、可逆電機、同步電機等主要部分組成。它與電子電位差計相比、除了感溫元件和測量橋路，其他組成部分幾乎完全相問，甚至整個儀表的外殼，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及大部分零件都是通用的。因此工業(yè)上通常把電子電位差計和電子自動平衡電橋統(tǒng)稱為自動平衡顯示儀表.,數(shù)字式顯示儀表,數(shù)字式顯示儀表是由傳感器將待測變量如壓力、

14、物位、流量、溫度等轉(zhuǎn)換成相對應的物理量，一般為電信號，再經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)成數(shù)字信號(脈沖信號)，由數(shù)字電路處理后直接以數(shù)字形式顯示被測結(jié)果。,自動平衡顯示儀表是模擬式顯示儀表。,模擬量－數(shù)字量的整量化示意圖,附：K熱電偶分度,例. 現(xiàn)用一只分度號為K的熱電偶測量某爐溫，已知熱電偶冷端溫度為20℃，顯示儀表（本身不帶冷端溫度補償裝置）讀數(shù)為400℃，（1）若沒有進行冷端溫度補償，試求實際爐溫為多少？（2）若利用補償電橋（0℃時平

15、衡）進行了冷端溫度補償，實際爐溫又為多少？為什么？解：由K熱電偶的分度表可知，E(400,0)=16.395mV, E(20,0)=0.798 mV.設實際溫度為T℃。若沒有進行冷端溫度補償，則輸入顯示儀表的電勢為熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢，即 E入=Ek(T,20)=Ek(T,0)-Ek(20,0)由顯示儀表讀數(shù)為400℃可知，E入=Ek(400,0),于是 Ek(T,0)-

16、E(20,0) =E(400,0)即E(T,0)=E(400,0)+E(20,0)=16.395+0.798=17.193mV查K熱電偶的分度表可知，對應的實際溫度T=418.9℃,(2)設實際溫度為T℃。 若進行了冷端溫度補償，則輸入顯示儀表的電勢為熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢Ek(T,20)加上補償電橋的輸出電勢E補，即E入=Ek(T,20)+E補補償電橋的輸出電勢為E補=E(20,0)由顯示儀表讀數(shù)為400℃可知

17、，E入=E(400,0),于是E(T,20)+E(20,0) =E(400,0)即E(T,0)=E(400,0)因此，對應的實際溫度T=400℃,例：用分度號為K的熱電偶進行測溫，誤用了分度號為E的補償導線接配在型號為K的電子電位差計（本身帶冷端溫度補償20 ℃ ）上。已知電子電位差計讀數(shù)為650℃，問被測實際值為多少？(室溫40 ℃) 解：由電子電位差計的讀數(shù)為650℃

18、 可知，輸入電子電位差計的電勢為E入=EK(650,20）設被測實際值為T，由外接線路可知，E入=EK(T,40)+EE(40,20), EK(T,40)+EE(40,20)=EK(650,20)即EK(T,0）=EK(40,0）-EE(40,20）+EK(650,20）

19、 =1.611-1.227+26.224=26.608mV查K熱電偶的分度表可得，T=640.2℃,壓力的表示方法：表壓：真空度或負壓：,7.3 壓力測量及變送,1、液柱式壓力計,根據(jù)流體靜力學原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量的。結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。但其精度受工作液的毛細管作用、密度及視差等因素的影響，測量范圍較窄。一般用來測量較低壓力或真空度。,7.3 壓力測量及變送—1、測壓儀表（非電氣）,2、彈性式壓力計,

20、將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進行測量的。結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、讀數(shù)清晰、價格低廉、測量范圍廣以及有足夠的精度等優(yōu)點如彈簧管壓力計、波紋管壓力計及膜式壓力計等。,彈性元件,2、彈簧管壓力表,9通入被測壓力，自由端B向右上方位移，2使3作逆時針偏轉(zhuǎn)，中心齒輪4順時針偏轉(zhuǎn)，指針5順時針偏轉(zhuǎn)，面板6上的刻度標尺上指示出被測壓力的大小。,電接點信號壓力表,經(jīng)檢測元件得到的壓力信號、再經(jīng)過壓力變送器轉(zhuǎn)換成標準的統(tǒng)一信號。,,,早期大位移式

21、 20世紀50年代力平衡式差壓變送器 70年代中期位移式變送器 90年代后期新型變送器,7.3 壓力測量及變送—2、壓力變送器（電氣）,,,擴散硅壓力變送器電容薄膜式壓力變送器陶瓷厚膜式壓力變送器陶瓷電容壓力變送器智能型壓力變送器,7.3 壓力測量及變送—2、壓力變送器（電氣）,擴散硅壓力變送器,可以測量316鋼承載的任何液、氣態(tài)介質(zhì)。 擴散硅壓變在低溫零度以下，高溫85℃以上難以正常使用，也不適

22、用20Mpa以上的高壓。,1.消氣劑 2.真空腔 3.極板引出線 4排氣管 5.固定極板 6.檢測膜片(虛線為撓曲后的位置)7.檢測孔,利用彈性薄膜在壓差作用下產(chǎn)生壓變引起電容變化的原理制成，它是由檢測部分和轉(zhuǎn)換電路組成 。,高靈敏度差壓測量，零點穩(wěn)定，動態(tài)響應特性好，適應性強，于低真空壓力的測量。,電容薄膜式壓力變送器,1988年問世，性能優(yōu)良，工作溫度范圍寬、蠕變小、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)勢，應用領(lǐng)域逐年擴大，用其芯片組裝的遠傳壓力

23、表液位計已在國內(nèi)石化、冶金、發(fā)電行業(yè)大量推廣應用，但由于最小量程僅為0.1MPa,難以滿足微小壓力測量的需求，使其應用受到一定限制。,陶瓷厚膜式壓力變送器,1、2.電極 3.引腳 4.陶瓷基座 5.密封玻璃 6.陶瓷膜片,采用無中介液的干式陶瓷電容傳感器，從而獲得很高的技術(shù)性能。,陶瓷電容壓力變送器,(1)自補償功能如非線性、溫度誤差、響應時間、噪聲和交叉感應等。 (2)自診斷功能如在接通電源時進行自檢，在工作中實現(xiàn)運行檢查。 (

24、3)微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信的功能，構(gòu)成閉環(huán)工作系統(tǒng)。 (4)信息存儲和記憶功能。 (5)數(shù)字量輸出。,智能型壓力變送器,壓力表的選用,確定儀表量程選擇壓力表上限應留有充分的余地。一般在被測壓力穩(wěn)定的情況下，最大工作壓力不應超過儀表上限值的2/3；測量脈動壓力時，最大工作壓力不應超過儀表上限值的1/2；測量高壓時，最大工作壓力不應超過儀表上限值的1/3 一般被測壓力的最小值不低于儀表量程的1/3 選取儀表精度在滿

25、足生產(chǎn)要求的情況下盡可能選用精度較低，經(jīng)濟實用的壓力表儀表類型的選擇選擇壓力表時要考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)；還要考慮現(xiàn)場環(huán)境條件 ，例如高溫、潮濕、振動、電磁干擾及現(xiàn)場安裝條件等；還必須滿足工藝生產(chǎn)提出的耍求，如是否需要遠傳，自動記錄或報警,7.3 壓力測量及變送—3、壓力計的選用和安裝,上述數(shù)據(jù)與選型規(guī)范中的數(shù)據(jù)基本一致的。1、“變送器上限值”指變送器設置量程的上限值2、測量高壓是特殊工況（一般是指大于4MPa），按照化工儀

26、表選型設計規(guī)范HG/T20507-2000，一般不超過1/2，或者按照石化儀表選型設計規(guī)范SH3005-1999，一般不超過3/5。,參考：1、化工儀表選型設計規(guī)范HG/T20507-2000壓力儀表選型：    1 測量穩(wěn)定壓力時，正常操作壓力值應在儀表測量范圍上限值的1/3~2/3      2 測量脈動壓力（如泵、壓縮機和風機等出口處壓力）時，正常操作壓力值應

27、在儀表測量范圍上限值的1/3~1/2      3 測量高、中壓力（大于4MPa）時，正常操作壓力值不應超過儀表測量范圍上限值的1/2,2、石化儀表選型設計規(guī)范SH3005-1999壓力儀表選型：    1 測量穩(wěn)定壓力時，正常操作壓力應為量程的1/3~2/3      2 測量脈動壓力時，正常操作壓力應為量程的1/3~1/2

28、      3 測量壓力大于4MPa時，正常操作壓力應為量程的1/3~3/5,壓力表的安裝,測壓點的選擇導壓管的鋪設壓力表的安裝密封及其他注意事項,向數(shù)字化、智能化、多功能化、網(wǎng)絡化發(fā)展是流量傳感器將來發(fā)展的必然趨勢。 流量：指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體的體積(或質(zhì)量)，它是瞬時值。質(zhì)量流量qm體積流量qv總量,7.4 流量的檢測及變送,測量流量的方法,速度式容積式

29、質(zhì)量式,,差壓式流量計,差壓式流量計的使用,（1）管道中流體的工作狀態(tài)必須符合設計要求。（2） 正確安裝節(jié)流裝置。 （3） 合理使用節(jié)流裝置。（4） 正確安裝導壓管。,,結(jié)構(gòu)和原理： 　　 轉(zhuǎn)子流量計測量主體由一根自下向上擴大的垂直錐管和一只可以沿錐管鈾向上下自由移動的轉(zhuǎn)子組成。,,,轉(zhuǎn)子流量計,電遠傳式轉(zhuǎn)子流量計 （流量變送部分）,電遠傳式轉(zhuǎn)子流量計（電動顯示部分）,根據(jù)渦輪的旋轉(zhuǎn)速度隨流量變化來測量流量的。,渦輪流量計

30、,導電液體在磁場中作垂直于磁場方向的流動，導體切割磁力線則產(chǎn)生感生電動勢E，感生電動勢的大小與流速成正比,電磁流量計,應用流體力學中的卡門渦街原理來測量流體流量，即用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來測出流量。,渦街的頻率f與流體的平均速度v及漩渦的寬度d的關(guān)系：,漩渦流量計,橢圓齒輪流量計,,間接式質(zhì)量流量計直接式質(zhì)量流量計,質(zhì)量流量計,量熱式質(zhì)量流量計,液位、料位、界位的總稱。液位 指設備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。 料位 指設

31、備和容器中所儲存的塊狀、顆?；蚍勰罟腆w物料的堆積高度。 界位 指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其重度不同而形成分界面，為液—液相界面；容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面，為液—固相界面。液—液、液—固相界面的位置簡稱界位。,7.5 物位的檢測及變送,物位儀表種類,直讀式 靜壓式浮力式 機械接觸式電氣式 聲學式射線式 光學式,通過測量物位，可知容器中所存儲物料的體積或質(zhì)量；監(jiān)視或控制