《变送单元》PPT课件

第三章变送单元,第一节概述第二节差压变送器第三节温度变送器第四节流量检测与变送第五节液位变送器,重点内容,测量基本概念参数测量（T、P、Q、H、比例、成分等）信号变送,变送器在自动控制系统中是首要环节和重要组成部分检测变送单元包含两部分：检测和变送DDZ-II型和DDZ-III型仪表的性能比较（表3-1）测量的基本概念1、测量用一个已知的量与被测同类量的比较过程一次测量：测量体与被测介质接触，测量体将被测量的参数成比例转换为另一个物理量的过程称为一次测量所用仪表为一次仪表。二次测量：将一次测量的数值转换成标准电信号的过程称为二次测量，所用仪表为二次仪表。测量仪器：DDZ-II、DDZ-III型仪表。标准信号：气动信号：0-20MPA电动信号：1-5V；4-20MA,第一节概述,第一节概述,2、测量误差被测真值与测量结果之间存在的误差。误差属性绝对误差：被测真值与测量结果之间存在的误差。相对误差：绝对误差与被测真值或测量结果之百分比。实际相对误差：绝对误差/真值标称相对误差：绝对误差/仪表示值引用相对误差：绝对误差/仪表量程产生误差系统误差：本身固有、有规律的误差。随机误差：无规律的误差。疏忽误差：误读引起误差。使用误差基本误差：正常误差。附加误差：超出规定条件的误差。允许误差：仪表所允许误差。,3、性能指标仪表精度（引用相对误差）可靠程度。仪表精度=绝对误差/仪表量程精度等级：0.005、0.02、0.1、0.35（实验）0.5、1.0、1.5、2.5（工业）注意：记录在仪表盘面板高级别校低级别实际选用根据需要确定变差：条件不变，测量同一变量，进行正、反行程测量，所得仪表显示数值之差。变差=（正值-负值）/仪表量程*100%产生原因：机构间隙、摩擦、弹性滞后。目标：变差p2时，电容极板位移为选取差动电容的电容之比,图3-7差动电容结构示意图,二、差动电容差压变送器,框图,二、差动电容差压变送器,温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；温度决定一些反应能否进行和反应方向；温度决定一些反应的进程程度；温度显示反应的能量变化。温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，其物理性质随温度变化而进行的。,第三节温度变送器,DDZ-III温度变送器组成部分：由量程单元和放大单元组成。特点：1）线路简单、可靠性好；线性度好，测量精度高；2)实现二线制；可用于易燃易爆场合。分类：1）直流毫伏变送器2）热电偶温度变送器3）热电阻温度变送器,第三节温度变送器,组成部分1）信号输入：限流限幅Ri1,Ri2,Vs1,Vs2；低通滤波Ri1,Ri2,Ci2）零点调整：Ri5=Ri7,远大于其他电阻，限流；VTz,Rz恒流源3）反馈回路：Vf放大单元的隔离反馈部分；Rf1Rf2,可忽略,一、直流毫伏变送器的量程单元,输入-输出关系1）放大器正向端电压2）放大器负向端电压3）理想放大器4）输出与反馈2,热电偶：结构：两种不同材料金属组成闭合回路原理：热电效应输入：测量温度T输出：热电势（mV）测量：测量时，须采用补偿导线；补偿电桥；计算法补偿导线：属性相反、材料相近、尺寸相同补偿电桥：串接电桥计算法：,二、热电偶温度变送器的量程单元,（补充）热电偶回路,不同金属连接在一起都构成热电偶作用；热电偶回路电动势为各接点热电势的总和；对于有外接导线的热电偶回路，其总电动势为热端与冷端热电动势之差。,A,B,C,C,热电偶测量的关键是如何保证冷端的温度,（补充）热电偶的补偿导线,热电偶的导线补偿用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内；冷端温度补偿将冷端浸泡在恒温的冰水中；采用电路差减法消除冷端热电势。,+,-,补偿导线,测量电路,热电偶,补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用；补偿导线的材质不同，接线时应特别注意不能接错。,二、热电偶温度变送器的量程单元,与直流毫伏量程单元的区别：1)需进行冷端温度校正：,2)反馈线性化,冷端温度自动补偿在桥路的桥臂串接一只铜电阻，放于热电偶的冷端附近，感受与热电偶冷端相同的温度。具有正的电阻温度系数，其阻值随温度的增加而增加，若以20为标准，自动补偿的条件为：,线性化电路1）Vf=200mV,VcVf1,对应变送器零点，I0=4mA;2)Vf增大,Vf1VcVf2,Vs1Vs3截止，斜率为a1；3)Vf增大,Vf2VcVf3,Vs1通,Vs2Vs3截止，斜率为a2；4)Vf增大,Vf310D，L25D；节流装置安装时要注意节流件开孔必须与管道同轴，节流件方向不能装反；取压导管内径不得小于6mm，长度在16m以内；取压导道与差压变送器的连接应安装截止阀和平衡阀。由于差压式流量变送器的输出信号与被测流量是非线性，须利用开方器进行线性化处理。当利用节流式流量计测量可压缩流体时，若使用的工作压力和绝对温度与设计时的标准压力和绝对温度不符时，会引起较大误差，须进行修正:,二、差压式流量计,选择：差压变送器与节流装置匹配压力损失：孔板喷嘴文丘里管,二、差压式流量计,第四节流量检测与变送三、靶压式流量计,图3.27靶式流量计的工作原理,在管道内流体的垂直冲击下，靶受力为:,三、靶压式流量计,体积流量与质量流量与力F的关系为：,结构：锥形管、转子特点：测量低流速、高精度、压力损失小、垂直安装原理：流体由锥管的下端进入，经过浮子与锥管间的环形流通面积从上端流出。当流体通过环形流通面积时，由于节流作用在浮子上下端面形成差压P，作用于浮子而形成浮子的上上升力。当此上升力与浮子在流体中的重量相等时，浮子就稳定在一个平衡位置上，平衡位置的高度与所通过的流量有对应关系，因此，可以浮子的平衡高度代表流量值。,四、浮子流量计,计算：浮子在锥形管中的受力平衡条件和为浮子的截面积和体积；f为浮子密度；为被测流体的密度；g为重力加速度。P为一个常数根据流体力学定律流量为:a为流量系数；Ao为浮子高度为时的环形流通面积浮子流量计具有线性的流量特性,四、浮子流量计,使用：刻度换算非标准性仪表，出厂时标定。用常温的水来标定，测量其它介质流量的用标准状态下（20，.8Pa）的净化空气标度。实际测量时，若被测介质不是水或空气，须进行刻度换算。设：当被测介质的密度与标定介质密度o不一致时，必须进行校正,四、浮子流量计,使用：改量程量程的改变可以采用不同材料的同形浮子。增加浮子的密度，可以扩大量程，相反，减小浮子的密度可以缩小量程。实际测量时，若被测介质不是水或空气，须进行刻度换算。设：和f为改量程后的流量和浮子密度；o和f为改量程前的流量和浮子密度；为被测介质密度。,四、浮子流量计,使用：温度和压力修正由于液体介质是不可压缩流体，温度和压力的变化，对液体的粘度变化极小，故不用修正。但是，由于气体是可压缩流体。温度和压力变化引起较大误差，必须修正，。温度和压力修正浮子流量计必须垂直安装在管道上，流体必须自下而上流过浮子流量计，不应该有明显的倾斜。配管直径一般小于50mm。测量时，流体的雷诺数应大于界限雷诺数。流量计的最佳测量范围应为量程上限(1/32/3)的刻度。,四、浮子流量计,五、容积式流量计椭圆齿轮流量计是利用两个相互啮合的椭圆形齿轮在流体的推动下，连续转动来测流量的。,当流体要流过椭圆齿轮时，进口侧压力p1大于出口侧压力p2，在此压力差的作用下，产生作用力矩使椭圆齿轮转动。,图（a）位置时，由于p1p2，所产生的合力矩使A轮顺时针方向转动。A带动B转动。转至（b）位置，A轮与B轮均为主动轮。转至（c）位置，合力矩使B轮带动A轮转动。A、B轮转动时，连续将半月形容积内的流体排出。,此图表示椭圆齿轮转动了1/4周的情况，其排出的流体为一个半月形容积V0。所以，椭圆齿轮每转一周所排出的被测介质量为半月形容积的4倍。故通过椭圆齿轮流量计的体积流量Q为：Q=4nV0n齿轮转速,如果累计齿轮转速，则得到体积总量。,特点由于椭圆齿轮流量计是基于容积式原理测量的，与流体的粘度、密度、雷诺数等参数无关。因此，安装时不需要有直管段，对流体的流动状态无要求，特别适用于高粘度介质的流量测量。测量精度高，最高可达0.1%。,椭圆齿轮流量计的使用温度不能过高，否则可能使齿轮膨胀卡死。另外被测流体中不能含有固体颗粒，否则会引起齿轮磨损以至损坏。,六、涡轮流量计在测量管道内，安装一个可以自由转动的涡轮，当流体通过时，流体的动能使涡轮旋转。流体的流速越大，涡轮转速也就越高。,因此，测出涡轮的转速或转数，就可确定流过管道的流体流量或总量。日常生活中使用的某些自来水表、油量计等，都是利用这种原理制成的，都属于速度式仪表。,涡轮上的螺旋形叶片用高导磁系数的不锈钢材料制成。,导流器用以稳定流体的流向,外壳由非导磁的不锈钢制成,涡轮流量计的工作过程当流体通过涡轮叶片与管道之间的间隙时，叶片前后的压差力推动叶片旋转。高导磁性的涡轮叶片就周期性地扫过磁钢底部，,使磁路的磁阻发生周期性的变化，线圈中的磁通量也跟着发生周期性的变化，线圈中便感应出脉冲电信号。其频率与涡轮的转速成正比，即与流量成正比。,输出脉冲频率f与被测流量Q之间的关系：f=NQ,N仪表常数,插入式,特点涡轮转速不用轴输出，没有齿轮传动误差和密封问题，因而涡轮流量计测量精度高（可达0.2级），耐高压（静压可达50MPa）。输出信号为频率信号，不易受干扰，便于远传。要求流体清洁，安装时，应加装过滤器，且前后要有一定的直管段。,七、涡街流量计利用流体遇到阻碍物后产生的旋涡来测量流量。可以用来测量管道中的液体、气体和蒸汽的流量。旋涡式流量计有两类：旋进型旋涡流量计和卡曼型旋涡流量计。,涡街流量计测量原理在测量管道中垂直插入一个非流线形的柱状物（圆柱或三角柱）作为阻流体。当流体受到阻碍物阻挡时，会在阻碍物的下游处产生两列平行、且上下交替出现的旋涡。因为这些旋涡有如街道旁的路灯，故有“涡街”之称，又因此现象首先被卡曼（Karman）发现，也称作“卡曼涡街”。,实验表明，当两列旋涡的间距h和同列相邻两个旋涡之间的距离l之比能满足hl0.218时，所产生的涡街是稳定的。满足如下关系：,f单侧旋涡发生频率St斯特劳哈尔系数v流体平均流速d圆柱体直径,式中：,公式表明，St为常数时，单侧旋涡的发生频率f与流体平均流速v成正比。,测得f便可算出体积流量Q,A1管道中旋涡发生体处流通截面积。,旋涡流量计的特点是精确度高、测量范围宽、没有运动部件、压力损失小。,旋涡频率的检测旋涡频率的检测方法很多。如：热敏检测法、超声波检测法、电容检测法、应力检测法等。这些方法都是利用旋涡的局部压力、密度、流速等的变化作用于敏感元件，产生电信号，再经放大整形，得到脉冲信号输出。例1：热敏检测法,如图所示，圆柱形内腔的中心位置上安装一个铂电阻，通以电流时产生热量，使内腔温度高于腔外。当流体产生旋涡时，产生旋涡的一侧流体流速低，静压高，使一部分流体由导压孔进入内腔，向未产生旋涡的一侧流出，带走一部分热量，铂丝温度降低，电阻减小。每产生一个旋涡，铂电阻就变小一次。,测量出铂电阻变化的频率就测定了旋涡频率，也就测得了流量。,铂丝阻值的变化频率，采用一个不平衡电桥进行转换，经放大和整形，再变换成直流电流信号输出，供显示，累积流量或进行自动控制。,八、电磁流量计在流量测量中，当被测介质是具有导电性的液体介质时，可以应用电磁感应的方法来测量流量。,工作原理在管道两侧安放磁铁，流动的液体当作切割磁力线的导体，产生的感应电动势与流体的流速成正比关系。当磁感应强度B不变、管道直径一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E的大小仅与流体的流v速有关。,式中：Ex感应电势；B磁感应强度；D管道直径；v流体速度。,当BD一定时，感应电势E与流速v成正比。,v=BDE,感应电势的方向由右手定则判断，其大小为：E=BDv,体积流量Q与流速v的关系为：,将v=BDE代入可得：,式中,称为仪表常数,感应电势E与被测流量Q成正比关系。,变送器结构变送器由测量管和转换器两部分组成。测量管两侧分别绕有马鞍形的励磁线圈。为了避免直流磁场产生的直流感应电势使电极周围导电液体电解，导致电极表面极化，而减小感应电势，一般采用交流励磁。,为了避免磁力线被测量管的管壁短路，并使测量导管在磁场中尽可能地降低涡流损耗，测量导管应由非导磁的高阻材料制成，如不锈钢。但内壁必须涂一层绝缘衬里，如环氧树脂。以防止感应电势被短路。,优点：测量导管内无任何阻碍物，因而被测流体的压力损失很小。可以测量各种导电液体的流量，如酸、碱、盐溶液，流体可以含有固体颗粒、悬浮物或纤维等。输出信号与流量之间的关系不受流体的物理性质（例温度、压力、粘度等）变化和流动状态的影响。测量响应速度快，可用来测量脉动流量。,由于感应电势数值很小，后级采用高放大倍数的放大器，很容易受外界电磁场干扰的影响。,缺点只能用来测量导电液体的流量，要求导电率不小于水的导电率。不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。,小结,物位测量仪表可分为下列几种类型。1.静压式物位测量利用液体或物料对某定点产生的压力随液位高度而变化的原理而工作。2浮力式物位测量利用浮子所受的浮力随液位高度而变化的原理工作。3.电气式物位测量利用敏感元件将物位的变化转换为电量参数的变化，而得知物位。,第五节液位变送器,静压式液位变送器,浮球液位变送器,浮球液位变送器,静压式液位变送器,浮力式液位变送器：分恒浮力式和变浮力式两种。恒浮力式：测量方法：浮球测量，浮球随液位而改变应用场合：密闭的容器、压力不大、黏度较大变浮力式测量方法：沉筒测量，液位改变引起作用在沉筒的压力变化应用场合：开口容器、黏度较大的液体,一、浮力式液位变送器,1、恒浮力式液位变送器,利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化的原理工作。,2、变浮力式液位变送器,如图是一用弹簧平衡的浮筒的测量原理图，将一截面相同，质量为m的圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，当h0时，浮筒的重量被弹簧的反作用所平衡。当液位变化使浮筒的一部分被液位浸泡时，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上移动，直到与弹簧的反作用力重新平衡。设此时弹簧的位移为x，则,p1=Hg+p2p=p1-p2=Hg式中：H液位高度；介质密度；g重力加速度。,二、静压式液位变送器利用测量容器底部和顶部的压差测液位。测量原理设容器上部空间为干燥气体，其压力为p2，下部取压点压力为p2，则：,若被测容器是敞口的，则气相压力为大气压，只需将差压变送器的负压室通大气，或用压力变送器、或用压力表即可测量。因为压力变送器和压力表都是测量与大气压之差。,零点迁移理想测量条件下，液位H=0时，变送器的输入压差信号P=0，差压变送器的输出为零点信号4mA。零点是对齐的：,H0时，p=Hg=0，I0=4mA,应用时，由于差压变送器安装的实际情况限制，测量零点很难对齐，需要对差压变送器的零点进行迁移。,p=p1-p2=(h12g+H1g+p0)(h22g+p0)=H1g-(h2-h1)2g,1、负迁移如图所示，变送器和容器之间用隔离罐隔离时：,当H=0时，p=-(h2-h1)2g此时，变送器应输出4mA以下，但变送器的输出只能是420mA,零点迁移的方法是，另加(h2-h1)2g信号，抵消(h2-h1)2g的影响。使：H=0时，p=0,迁移前,迁移后,2、正迁移有时变送器不能和容器底部安装在同一水平面上。如图所示，有：P=Hghg,H=0时，P=hg,迁移的目的：使变送器输出的起点与被测量起点相对应。迁移同时改变了测量范围的上下限，相当于测量范围向正方向或负方向的平移。,此时需要迁移hg,例如，某差压变送器的测量范围为050MPa，对应输出从4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如图2.57中曲线a所示。若因安装的原因：,H=0时，P=10MPa，则需负迁移。H=0时，P=10MPa，则需正迁移。,用法兰式差压变送器测量液位在测量含有结晶颗粒、有腐蚀性、粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线可能被腐蚀、被堵塞。可使用加隔离膜盒的法兰式差压变送器。,五、成分测量与变送,、分类：按照原理划分,五、成分测量与变送,、红外气体分析仪原理：红外气体分析仪是利用不同的气体对不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特性来进行气体浓度分析的。特点：具有量程范围宽、灵敏度高、反应迅速、选择性强。特性：除对称结构、无极性双原子气体和单原子分子气体外，几乎所有气体以及水蒸气等对红外线都具有强烈的选择性吸收特性。,五、成分测量与变送,、红外气体分析仪特性：遵循贝尔（Bell）定律：式中，为透射光强度；o为入射光强度；K为吸收系数，C为气体浓度；L为气体吸收层厚度。若很稀、很小，0,该气体称为顺磁性气体ki&ki比较接近K=ko2*Co2+(1-Co2)*k2,五、成分测量与变送,3、热磁式氧分析仪顺磁气体受温度影响：顺磁性气体的体积磁化率与绝对温度以及气体密度之间的关系遵循居里定律，即:C为居里系数；为气体密度.根据气体状态方程，PVNM=nMRT，由此可求得气体密度为：=nM/V=NMP/RT式中，R为气体常数；V为气体的体积；P为气体压力；n为气体的克分子数；M为气体的克分子量。k=K*P/(T*T)顺磁性气体的体积磁化率与压力成正比，而与绝对温度成反比,五、成分测量与变送,3、热磁式氧分析仪热磁式氧分析仪工作原理：结构如图所示:设：利用恒压源或恒流源向R1和R2通以恒定的电流使其发热至某一恒定温度（通常为1