弱信号检测技术课件第四章过程参数检测技术

第四章 过程参数检测技术第一节 压力的检测第二节 物位的检测第三节 温度的检测第四节 流量的检测第五节 物质成分的检测第六节 机械量的检测1第三章 过程参数检测技术第一节 压力的检测一、压力检测方法及分类重力平衡方法机械力平衡方法： 将压力转换成集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力间接测量压力弹性力平衡方法： 利用弹性元件的弹性变形特性进行测量物性测量方法液柱式压力计：上限 0.1 0.2MPa,精度 0.15负荷式压力计：范围宽，精度高， 0.01电测式压力计：将被测压力直接转换为各种电量测量其他新型压力计：集成压力计、光纤压力计 2二、常用压力检测仪表1、弹性压力计弹性元件是仪表的核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用的形式要根据测量要求选择和设计；变换放大机构的作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构如指针与刻度标尺，用于给出压力示值；调整机构是用于调整仪表的零点和量程。弹性膜片波纹管弹簧管弹簧管压力计：测压范围： 105 109Pa,精度 0.1波纹管差压计：弹性测压计：电位器式、霍尔元件式32、力平衡式压力计采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，它感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器将信号放大并输出电流 (或电压 )信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构，使之产生反馈力；当反馈力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出与被测压力或压差相对应的信号。 43、压力传感器能够检测压力值并提供远传信号的装置称为压力传感器应变式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力传感器压电式压力传感器振频式压力传感器集成式压力传感器光纤式压力传感器5三、压力检测实例 1基于光纤的压力检测6三、压力检测实例 2压电式压力传感器根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。由引线 1、壳体 2、基座 3、压电晶片 4、受压膜片 5及导电片 6组成。当膜片 5受到压力 P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为 123456p压电式测压传感器原理图F 作用于压电片上的力；d11 压电系数；P 压强， ；S 膜片的有效面积。 7测压传感器的输入量为压力 P， 如果传感器只由一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：电荷灵敏度 电压灵敏度 根据（ 5.4-42）式，电荷灵敏度可表示为因为 ，所以电压灵敏度也可表示为式中 U0 压电片输出电压；C0 压电片等效电容。 8案例： 电子称 原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。三、压力检测实例 39第二节 物位的检测一、物位定义及分类1、物位的定义“物位 ” 指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下的定义。(1)液位 指设备和容器中液体介质表面的高低。(2)料位 指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。(3)界位 指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液 液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液 固相界面。液 液、液 固相界面的位置简称界位。物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。102、物位检测仪表分类按测量方式：连续测量和定点测量 按工作原理：直读式、压力式、浮力式、机械式、电气式等。(1)直读式： 采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指不。主要用于液位检测和压力较低的场合。(2)静压式： 基于流体静力学原理，适用于液位检测。容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。(3)浮力式：基于阿基米德定律，适用于液位检测。漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而检测液位。(4)机械接触式： 通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。这类仪表有重锤式、旋冀式和音叉式等。(5)电气式：将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知物位。(6)其他物位检测方法如声学式、射线式、光纤式、激光式等11二、常用物位检测仪表1、浮子式液位检测仪表作为检测元件的浮子漂浮在液面上，浮子随着液面的变化而上下移动，其所受浮力的大小保持一定，检测浮子所在位置可知液面高低。浮子的形状常见有圆盘形、圆柱形和球形等，其结构根据使用条件和使用要求设计。若圆柱形浮子的外直径为 D、 浮子浸入液体的高度为 h、 液体密度为 o则其所受浮力 F为此浮力与浮子的重量减去绳带向上的拉力相平衡。当液位发生变化时，浮子浸入液体的深度将改变，所受浮力亦变化。浮力变化 F与液位变化 H的关系：122、电容式物位计h C1 CC22r12r2hxC= +可见传感器电容量 C与被测液位高度 hx成线性关系。 133、超声式物位计回波反射式超声波物位计原理：利用发射的超声波脉冲将由被测物料的表面反射，测量从发射超声波到接收回波所需的时间，求出从探头到分界面的距离，进而测得物位。设 c为超声波在被测介质中的传播速度， t为从发射超声波到接收回波所需的时间，则测得液位 H:注意：超声波在介质中的传播速度易受介质的温度、成分等变化的影响，是影响物位测量的主要因素，需要进行补偿。通常可在超声换能器附近安装湿度传感器，自动补偿声速因温度变化对物位测量的影响。还可使用校正器，定期校正声速。144、光纤式物位计15三、物位检测实例联合站注水水源井的无线遥控系统 由主控站和各水源井测控箱两大部分组成。主控站以工控机作为主机，对各个水源井的现场状态、数据进行遥测和远程遥控开关机，还可对注水罐、消防罐、净化污水罐的水位和注水主干线的压力进行检测，主控站与各水源井之间由无线电台进行通信，具备打印报表和网络传输功能。水源井测控箱对水源井的压力、流速、流量、液面、电压、电流、功率进行检测，还可对电机的过载、缺相、过热、三相不平衡、逆相进行检测，具有电机软启动和遥控启停功能，由无线电台控制其工作。 工控机显 示 器 打 印 机主控器三个干线压力信号 注水罐 消防罐 污水罐键盘 /鼠标天线16单片机系统压 力 表电压传感器电流传感器流 量 表 电机检测液位传感器电压变送器隔 离 器数字隔离器压力变送器电流变送器液位变送器数 码 电 台电源控制箱电机控制器水泵电机水泵电机手控开关水源井各部件框图 17第三节 温度的检测一、测温原理及方法温度测量方式有接触式和非接触式测温两大类。采用接触式测温时，依靠传热和对流进行热交换，二者需要良好的热接触，以获得较高的测量精度。但是它往往会破坏被测对象的热平衡，存在置人误差。由于测量环境特点，对温度敏感元件的结构和性能要求较高。采用非接触式测温方法，是通过热辐射进行热交换，或温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度。特点是测温响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。温度测量原理是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。18常用温度检测方法19二、 接触式测温热电偶测温热电阻测温热敏电阻光纤温度传感器液晶温度传感器分布温度传感器双金属温度传感器集成温度传感器 20三 、 非接触式测温在工业生产中，有些场合是利用非接触式温度传感器测量温度，其优点：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。近年来，这种温度传感器在国外发展迅猛。l 辐射高温计 是发展得较早的一类非接触式温度传感器，常用来测量 1000 以上高温。它可分为四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2光谱高温计 前苏联研制的 YCII 型自动测温通用光谱高温计、其测量范围为 400 6000 ，它是采用电子化自动跟踪系统，保证有足够准确的精度进行自动测量。 213超声波温度传感器 特点是响应快（约为 10ms左右），方向性强。目前国外已有可测到 5000的产品。4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。据报导，美、日、英等国均在致力于将其应用到科研工程，如 NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度 ,精度为 1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达 8000 ，是专门用于核聚变研究的。瑞士 Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开（ K） 的高温。22四 、 设计实例温控系统电气接口：、电源： AC220V， 50Hz、加热控制部分（选用固态继电器）： 开始加热 35 停止加热加热器电气接口： 1000， AC220V， 50Hz、散热控制部分（选用固态继电器）： 50 开始散热 40 停止散热加热器电气接口： 200， AC220V， 50Hz4、 对外接线方式：8芯接线柱， AC220V， 10A； 主用 3对（ AC220V电源输入、 AC220V加热输出、 AC220V散热输出），备用一对。 4 mm 固定孔 4个线路板尺寸示意图15mm150mm120mm15mm15mm15mm8芯接线柱23第四节 流量的检测qv=vAF如果介质的密度为 ， 那么质量流量： qm=qv流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上 dAF速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为 qv=vAF整个截面上的流量 qv为一、流量的概念AF为流通截面面积24流量计分类25二、体积流量检测方法是直接根据排出体积进行流量累计的仪表，它利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例对被测流体进行连续的检测。容积式流量计可计量各种液体和气体的累积流量，由于这种流量计可以精密测量体积量，所以其类型包括从小型的家用煤气表到大容积的石油和天然气计量仪表。组成：测量室、运动部件、传动和显示部件。测量室是具有固定标准容积的测量主体，由流量计内部的运动部件与壳体构成。在流体进、出口压力差的作用下，运动部件不断地将充满在测量室中的流体从入口排向出口。假定测量室的固定容积为 V， 某一时间间隔内经过流量计排出流体的固定容积数为 n， 则被测流体的体积总量 Q可知。容积流量计的流量方程式可以表示为：计数器通过传动机构测出运动部件的转数， n即可知，从而得出通过流量计的流体总量。在测量较小流量时，要考虑泄漏量的影响，通常仪表有最小流量的测量限度。1、容积式流量计26基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值求得流体流量。最常用的差压式流量计是由产生差压的装置和差压计组合而成。流体流过差压产生装置形成静压差，由差压计测得差压值，并转换为流量信号输出。产生差压的装置有多种型式，包括节流装置：如孔板、喷嘴、文丘利管等，以及动压管、均速管、弯管等。其他型式的差压式流量计还有浮子流量计、靶式流量计等。2、差压式流量计节流式流量计：用于测量液体、气体或蒸汽的流量。均速管流量计：基于动压管测速原理发展而成的一种流量计，流体流经均速管产生差压信号，该信号与流体流量有确定关系，经过差压计可测出流体流量。弯管流量计：当流体通过管道弯头时，受到角加速的作用而产生的离心力会在弯头的外半径侧与内半径侧之间形成差压，此差压的平方根与流体流量成正比。 273、速度式流量计基于与流体流速有关的各种物理现象，仪表的输出与流速有确定的关系，即可知流体的体积流量。工业生产中使用的速度式流量计种类很多，新的品种也不断开发，它们各有特点和适用范围。 涡轮流量计是利用安装在管道中可以自由转动的叶轮感受流体的速度变化，从而测定管道内的流体流量。 涡街流量计属旋涡流量计类型，它是利用 流体振荡 的原理进行流量测量。当流体流过非流线型阻挡体时会产生稳定的旋涡，旋涡的产生频率与流体流速有着确定的对应关系，测量频率的变化，就可以得知流体的流量。 电磁流量计用于测量具有导电性的液体介质流量，基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，通过测量此电势可求得流体流量。 超声流量计利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量。超声波在流体中传播，将受到流体速度的影响，检测接收的超声波信号可以测知流速，从而求得流体流量。 28三、质量流量检测方法又称为推导式质量流量计。采用密度或温度、压力补偿的办法，在测量体积流量的同时，测量流体的密度或流体的温度、压力值，再通过运算求得质量流量。1、间接式质量流量计体积流量计与密度计的组合方式差压式流量计与密度计的组合其他体积流量计与密度计组合体积流量计与体积流量计的组合方式 温度、压力补偿式质量流量计流体密度是温度、压力的函数，通过测量流体温度和压力，与体积流量测量组合可求出流体质量流量。 29直接输出与质