化工仪表第3章1压力检测.ppt

化工仪表及自动化,第三章检测仪表与传感器,测量过程与测量误差：测量值、真值、绝对误差、相对误差仪表的指标性能：一、精确度：量程：测量范围上限值与下限值之差。允许误差：正常情况下允许的相对百分误差的最大值。,第一节概述,检测仪表的主要性能指标,目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5，以此类推。精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：,1.5,精度等级为0.4级的压力表,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。,例1：某压力变送器测量范围为0400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误差为-5kPa，请确定该仪表的精度等级。,解：先求最大相对百分误差,去掉和%为1.25，因此该变送器精度等级为1.5级,例2：根据工艺要求选择一测量范围为040m3/h的流量计，要求测量误差不超过0.5m3/h，请确定该仪表的精度等级。,解：同样，先求最大相对百分误差,因此该流量计必须选择1.0级的流量计,结论：工艺要求的允许误差仪表的允许误差校验所得到的相对百分误差,检测仪表的主要性能指标,例3：某被测温度信号在7080范围内变化，工艺要求测量误差不超过1，现有两台温度测量仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围是0100，另一台仪表的测量范围是0200，试问这两台仪表能否满足上述测量要求。,解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：|max|7010.7测量范围为0100的仪表的最大允许绝对误差为：|max|11000.50.5测量范围为0200的仪表的最大允许绝对误差为：|max|22000.51.0根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为0.5级，但只有测量范围是0100的温度测量仪表才满足本题的测量要求。,检测仪表的主要性能指标,在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,检测仪表的主要性能指标,二、变差,仪表的灵敏度是表征仪表指针的线位移或角位移与引起这个位移的被测参数的变化量的比值，即,灵敏度y/x,仪表的灵敏度-在数值上等于单位被测参数变化量所引起的仪表指针移动的距离或转角。仪表的灵敏限-引起仪表指针发生动作的被测参量的最小变化量。,检测仪表的主要性能指标,三、灵敏度和灵敏限,检测仪表的主要性能指标,四、分辨力,分辨力是数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。它也是灵敏度的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入的最小变化量。不同量程分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。,五、线性度非线性误差,在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。,通常非线性误差用实际测得的输入输出特性曲线（也称为校准曲线）与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,检测仪表的主要性能指标,检测仪表的性能指标,4.反应时间,反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。,仪表反应时间的长短，实际上反映仪表动态特性的好坏。,相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。动态误差是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。,检测仪表的主要性能指标,补充：动态误差,检测仪表的主要性能指标,衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常采用时间常数T和传递滞后时间（纯滞后时间）两个参数表示（这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数T和纯滞后时间的数学含义是一致的）。它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间的不利影响远远超过时间常数T的影响。,工业仪表的分类1、按仪表使用的能源分类：气动仪表、电动仪表、液动仪表液压机构是以液压油为动力源来完成预定运动要求和实现各种机构功能的机构。气动机构是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号的机构。电动机构是将电信号转换成相应的角位移或直线位移去操纵阀门、挡板等控制机构以实现自动控制。,工业仪表的分类,2、按信息的获得、传递、反映和处理的过程分：信息获取的工具，即传感器、变送器、检测仪表。信息显示的工具，即指示仪表、记录仪表、报警器、信号器、打印机、屏幕显示器等。信息传送的工具，即信号输入输出装置、遥测遥信遥控装置、数据通信装置等。信息处理的工具，即调节器、运算器、顺序控制器、批量控制器、工业控制计算机等。信息执行的工具，即电磁阀、气动阀、液动阀、各种电动、气动、液动执行机构等。,3、根据工作原理的不同分,自动化仪表发展趋势逐步实现全数字式的、开放式的控制网络；控制目标由实现过程工艺参数的稳定运行发展为以最优质量为指标的最优控制；控制方法由模拟的反馈控制发展为数字式的开环预测控制；由传统的手动定值调节器、PID调节器以及各种顺序控制装置，发展为以微型机构成的数字调节器和自适应调节器；智能控制的技术将得到广泛的应用，例如专家系统、神经网络、模糊控制等；人机界面更友好更完善。,第二节压力检测及仪表,压力单位及测压仪表弹性式压力计弹性元件弹簧管压力表电气式压力计霍尔式片压力床传感器应变片式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力传感器,内容提要,智能式变送器智能变送器的特点智能变送器的结构原理压力计的选用及安装压力计的选用压力计的安装,概述,在化工生产中,压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。,在工业生产过程中,压力往往是重要的操作参数之一。,压力的检测与控制,对保证生产过程正常进行,达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。,压力检测,合成氨的反应中:,保证反应的进行必须对压力进行控制,常用压力表,压力变送器,其它压力计,第二节压力检测及仪表,压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。即物理学中的压强，通常用p表示。,压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）,一、压力单位及测压仪表,第二节压力检测及仪表,为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。,表3-1各种压力单位换算表,第二节压力检测及仪表,几个压力概念：大气压包围在地球表面一层很厚的大气层对地球表面或表面物体所造成的压力称为“大气压”，符号为B。绝对压力直接作用于容器或物体表面的压力，称为“绝对压力”，绝对压力值以绝对真空作为起点，符号为PABS。表压用压力表、真空表、U形管等仪器测出来的压力叫“表压力”（又叫相对压力），“表压力”以大气压力为起点，符号为Pg。,第二节压力检测及仪表,在压力测量中，常有:表压、绝对压力、负压或真空度之分。,当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。,第二节压力检测及仪表,测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。,1.液柱式压力计,它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。,特点：直观、可靠、准确度较高等，但U形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。,用U形管进行压力检测，其误差来源主要有：,温度误差由使用环境温度的变化引起的测量误差。它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化;要求U形管材料的温度系数极小二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从10变到20时，其密度从999.8kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15。安装误差当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如:若倾斜5，读数误差约0.38。,第二节压力检测及仪表,2.弹性式压力计,它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。,3.电气式压力计,它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。,第二节压力检测及仪表,4.活塞式压力计,它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量进行测量。,一般作为标准压力测量仪器，来校验其它类型的压力计。,二、弹性式压力计,定义,弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。,优点,二、弹性式压力计,1、弹性元件,弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。,图3-5弹性元件示意图,弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。,膜片和膜盒,膜盒,膜片,膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号。,对焊,波纹管-一个周围为波纹状的薄壁金属筒体。,波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级。,二、弹性式压力计,2、弹簧管压力表,1弹簧管；2拉杆；3扇形齿轮；4中心齿轮；5指针；6面板；7游丝；8调整螺丝；9接头,弹簧压力表,单圈弹簧管是弯成270度圆弧的空心金属管；其截面为扁圆形或椭圆形等。,二、弹性式压力计,基本测量原理,当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。,基本测量原理,同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。,位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：,式中：0为弹簧管中心角的初始角；为受压后中心角的改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。,注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。放大结构包括：拉杆、扇形齿轮、中心齿轮、指针和标尺。,二、弹性式压力计,在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，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。,警惕！,二、弹性式压力计,压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4：当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。,三、电气式压力计,定义,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。,三、电气式压力计,组成,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。,图3-8电气式压力计组成方框图,1.霍尔片式压力传感器,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。,霍尔效应：半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势。产生的电动势称霍尔电势半导体薄片称霍尔元件,霍尔效应原理,在垂直于外磁场B的方向上放置一半导体薄片，半导体薄片通以电流I，方向如图所示。半导体薄片中的电流是载流子自由电子在电场作用下的定向运动。若在半导体导电板垂直电流方向上作用一个磁感应强度为B的均匀磁场，则载流子又受洛伦兹力作用。,载流子受洛仑兹力,霍尔电场强度,平衡状态,e电子电荷；v电子运动平均速度；B磁场的磁感应强度。,霍尔电势,电子运动平均速度,因为,又因为,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：分析：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。,霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。,霍尔式压力传感器,弹簧管磁铁霍尔片,霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图所示。（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的pf(VH)曲线即可得到被测压力p的值。,三、电气式压力计,2.应变片压力传感器,应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属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（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），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。,应变和应力,应变（Strain）：当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。应力（Stress）：材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力。,如图所示，一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为：,式中:-电阻丝的电阻率;l-电阻丝的长度;A-电阻丝的截面积,液罐秤示意图1-电动比例调节器；2-膨胀节；3-化学原料储液罐A；4-化学原料储液罐B；5-荷重传感器（每罐各4只）；6-支撑构件；7-支撑平台,三、电气式压力计,3.压阻式压力传感器,压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。,工作原理,压阻式压力传感器结构简图1低压腔2高压腔3硅杯4引线5硅膜片,当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,三、电气式压力计,特点,精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；,便于实现显示数字化；,可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。,三、电气式压力计,4、电容式压力变送器,工作原理,先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。,电容式压力变送器，目前在工业生产中应用非常广泛，其输出信号也是标准420mADC电流信号。,电容式差压变送器的原理图可见传感器有左右固定极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。,P=0,S1=S2=S0,P0,S1=S0+S2=S0-,检测元件自动补偿了电容效应的非线性特性，使输出与压差保持了良好的线性关系。,电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏。电容式差压变送器尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度高，可达0.2级。,五、压力计的选用及安装,一、压力计的选用,压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。,仪表类型的选用,仪表精度级的选取,仪表测量范围的确定,1、仪表类型,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强；氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。,下列测量介质应选用专用压力表:,(1)气氨、液氨:氨压力表、真空表、压力真空表;(2)氧气:氧气压力表;(3)氢气:氢气压力表;(4)氯气:耐氯压力表、压力真空表;(5)乙炔:乙炔压力表;(6)硫化氢:耐硫压力表;(7)碱液:耐碱压力表、压力真空表。,输出信号类型,只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。,使用环境,对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低、环境温度变化大的场合，应选择使用温度适当、温度系数小小的敏感元件以及其他变换元件。,选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,常用压力表字母含义,按照使用环境和测量介质的性质选择,稀硝酸、醋酸及其它一般腐蚀性介质，应选用耐酸压力表或不锈钢膜片压力表。稀盐酸、盐酸气、重油类及其类似的具有强腐蚀性、含固体颗粒、粘稠液等介质，应选用膜片压力表或隔膜压力表。其膜片及隔膜的材质，必须根据测量介质的特性选择。结晶、结疤及高粘度等介质，应选用法兰式隔膜压力表。,按照使用环境和测量介质的性质选择,在机械振动较强的场合，应选用耐震压力表或船用压力表。在易燃、易爆的场合，如需电接点讯号时，应选用防爆压力控制器或防爆电接点压力表。对于测量高、中压力或腐蚀性较强的介质的压力表，宜选择壳体具有超压释放设施的压力表。,压力表规格型号示意图,2、仪表量程,仪表量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围关键：根据被测参数大小来确定，同时必须考虑被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。测量稳定压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的2/3测量脉动压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的1/2测量高压压力：最大工作压力Pimax不超过上限值Pmax的3/5最小工作压力Pimin不低于上限值Pmax的1/3仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,这只是一个一般经验要求，不是绝对的！,被测参数的正常值一般要求工作在仪表量程1/32/3为宜。（经验要求而已）,3、仪表精度,根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。,例题分析,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，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。,由于，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。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级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,例题分析,例题分析,2.如果某反应器最大压力为0.6MPa，允许最大绝对误差为0.02MPa。现用一台测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为01.0MPa，准确度为1.5级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。,解：对于测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为1.61.5%=0.024(MPa),例题分析,因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值,所以是不合格的。对于测量范围为01.0MPa，准确度亦为1.5级的压力表,允许的最大绝对误差为1.01.5%=0.015(MPa)因为此数值小于工艺上允许的最大绝对误差,故符合对测量准确度的要求,可以采用。该例说明了选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值是不适宜的。,例：有一压力容器在正常工