第3章 检测变送仪表(化工仪表及自动化林德杰)

1、第3章检测变送仪表3.1检测变送仪表的基本性能与分类3.2压力检测仪表3.3温度检测仪表3.4流量检测仪表3.5物位检测仪表3.6成分分析仪表3.1检测变送仪表的基本性能与分类3.1.1检测的基本概念3.1.2检测仪表的基本性能3.1.3检测仪表的分类3.1.4变送器的使用3.1.1检测的基本概念图3-1检测过程的原理框图3.1.2检测仪表的基本性能1.测量范围和量程2.输入输出特性3.稳定性4.重复性5.误差6.反应时间1.测量范围和量程每台检测仪表都有一个测量范围，仪表工作在这个范围内，可以保证仪表不会被损坏，而且仪表输出值的准确度能符合所规定的值。这个范围的最小值Xmin和最大值Xmax

2、分别为测量下限和测量上限。测量上限和测量下限的代数差成为仪表的量程Xm，即Xm=XmaxXmin2.输入输出特性1) 灵敏度S：是检测仪表对被测量变化的灵敏程度，常以在被测量改变时，经过足够时间检测仪表输出值达到稳定状态后，仪表输出变化量y与引起此变化的输入变化量x之比表示，即 S=yx 式(3-1) 2) 死区：检测仪表的输入量的变化不致引起输出量可察觉的变化的有限区间，在这个区间内，仪表灵敏度为零。3) 回差(也称变差)：检测仪表对于同一被测量在其上升和下降时对应输出值间的最大误差，如图3-3所示。4) 线性度：各种检测仪表的输入输出特性曲线应该具有线性特性，以便于信号间的转换和显示，利于

3、提高仪表的整体准确度。图3-2仪表的灵敏度图3-3仪表的回差图3-4仪表的线性度5.误差(1) 绝对误差绝对误差在理论上是指由测量所得之被测量的值x与被测量的真值A之差，记为x，即x=x-A 式(3-2) (2) 相对误差仪表的实际绝对误差与被测量实际值之比的百分数称为实际值相对误差，即A=xA100% 式(3-3) 示值相对误差，即x=xx100% 式(3-4)(3) 引用误差最大引用误差是最大绝对误差与检测仪表满度值xFS之比的百分数，即om=xmxFS100% 式(3-5)3.1.3检测仪表的分类1)按被测参数分类，每个检测仪表一般被用来测量某个特定的参数，根据这些被测参数的不同，检测仪

4、表可分为温度检测仪表(简称温度仪表)、压力检测仪表、流量检测仪表、物位检测仪表等。2)按对被测参数的响应形式分类，检测仪表可分为连续式检测仪表和开关式检测仪表。3)按仪表中使用的能源和主要信息的类型分类，检测仪表可分为机械式仪表、电式仪表、气式仪表和光式仪表。4)按是否具有远传功能分类，检测仪表可分为就地显示仪表和远传式仪表。5)按信号的输出(显示)形式分类，检测仪表可分为模拟式仪表和数字式仪表。6)按应用的场所分类，检测仪表也有各种分类。7)按仪表的结构方式分类，检测仪表可分为开环结构仪表和闭环结构仪表。8)按仪表的组成形式分类，检测仪表可分为基地式仪表和单元组合式仪表。表3-1DDZ型与D

5、DZ型仪表的性能比较3.1.4变送器的使用图3-5变送器的量程调整图3-6变送器的零点调整与零点迁移a)零点调整b)正零点迁移c)负零点迁移3.2压力检测仪表3.2.1压力的基本概念3.2.2压力检测仪表的分类3.2.3差压(压力)变送器3.2.4差动电容差压(压力)变送器3.2.5微型化压力变送器3.2.6压力检测仪表的选用和安装3.2.1压力的基本概念图3-7几种压力表示方法之间的关系3.2.2压力检测仪表的分类1)液柱式压力表：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。2)弹性式压力表：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)电气式压力表：它是通过机械和电气元

6、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。4)活塞式压力表：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来进行测量的。1.弹性式压力表(1)弹性元件(2)弹簧管压力表(1)弹性元件图3-8常用弹性元件的结构图3-9弹簧管压力表结构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调整螺钉9接头(2)弹簧管压力表图3-10电接点信号压力表结构1、4静触点2动触点3、5信号灯2.电气式压力表(1)电阻应变式压力传感器(2)压阻应变式压力传感器 图3-11电气式压力表的组成框图(1)电阻应变式压力传感器图3-12应变片压力传感器工作原理a)传感

7、筒b)测量桥路1应变筒2外壳3密封膜片(2)压阻应变式压力传感器 图3-13压阻应变式压力传感器a)单晶硅片b)结构1基座2单晶硅片3导环4螺母5密封垫圈6等效电阻3.2.3差压(压力)变送器图3-14DDZ型差压(压力)变送器的结构原理1高压室2低压室3-膜片或膜盒4密封膜片5主杠杆6过载保护簧片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13差动变压器14副杠杆15放大器16反馈线圈17永久磁钢18调零弹簧图3-15杠杆、矢量机构受力图图3-16低频位移检测放大器的组成框图图3-17DDZ型差压变送器二线制系统3.2.4差动电容差压(压力)变送器图3-18差动

8、电容结构示意图a)结构图b )等效电路1动极板2、3固定极板4膜片5连接轴6硅油7引线 取差动电容的电容之比为C2C1C1+C2作为输出信号，经调制解调器调制后，于是有 C2C1C1+C2=K2d 式(3-6) 式中，K2为常数，K2=1/d0。 图3-19转换电路原理框图3.2.5微型化压力变送器1.扩散硅差压变送器2. MPX7000系列压力变送器3.数字式变送器图3-20扩散硅压力变送器a)差压检测元件的结构b)测量电路1过载保护装置2金属隔离膜3硅油4硅杯5金属丝6引出线1.扩散硅差压变送器图3-21MPX7000系列压力(差压)变送器原理图a)检测元件结构及接线b) 测量电路2. M

9、PX7000系列压力变送器3.数字式变送器(1)数字式变送器的一般结构(2)电容式数字输出压力变送器(1)数字式变送器的一般结构图3-22数字式变送器结构框图(2)电容式数字输出压力变送器图3-23电容式数字输出压力变送器的结构及组成原理框图a)传感器芯片横截面结构b)变送器内部组成原理框图3.2.6压力检测仪表的选用和安装1.压力表的选用2.压力表的安装1.压力表的选用(1)仪表类型的确定(2)仪表量程的确定(3)仪表准确度等级的确定2.压力表的安装(1) 取压位置的选择(2) 导压管的安装(3) 压力表的安装表3-2被测流体在不同导压管长度下的导压直径图3-24压力计安装示意图a)测量蒸汽

10、时b)测量有腐蚀性介质时1压力计2切断阀门3凝液管4取压容器3.3温度检测仪表3.3.1温度测量的方法3.3.2热电偶温度检测仪表3.3.3热电阻温度检测仪表3.3.4DDZ型温度变送器3.3.1温度测量的方法表3-3主要测温检测方法及特点3.3.2热电偶温度检测仪表1. 热电偶的测温原理2.有关热电偶回路的几点结论3.热电偶冷端温度补偿4.常用热电偶及其特性5.热电偶的结构形式1. 热电偶的测温原理图3-25热电偶工作原理图3-26热电动势等效电路 热电偶回路的热电动势为 EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0) 式(3-7) 式(3-7)中，下标A、B表示热电偶的材料和极性，写在前

11、面的材料A为正极，写在后面的材料B为负极。 若保持冷端温度t0恒定，f(t0)=c=常数，则上式可写成 EAB(t,t0)=f(t)-c=(t) 式(3-8)2.有关热电偶回路的几点结论1)热电偶回路的热电动势仅与热电偶电极的热电性质及两端温度有关，而与热电极的几何尺寸(长短、粗细)无关。2)若组成热电偶的两电极的材料相同，则无论两接点的温度如何，热电偶回路的热电动势总是等于零。3)若热电偶两接点的温度相同，即t=t0，则尽管热电极材料A、B不同，热电偶回路的热电动势总是等于零。4)热电偶回路的热电动势EAB(t,t0)仅与两端温度t和t0有关，而与热电偶中间温度无关。5)在热电偶回路中接入第

12、三种材料的导体，只要第三种材料导体两端的温度相同，第三种导体的接入不会影响热电偶回路的热电动势。3.热电偶冷端温度补偿(1) 冷端温度修正法(2) 补偿导线法(延伸导线法)(3)冷端恒温法(4) 补偿电桥法(1) 冷端温度修正法修正公式为EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0) 式(3-9)式中，EAB(t,0)为修正值，它是冷端t00时对0的热电动势。(2) 补偿导线法(延伸导线法)图3-27补偿导线接线表3-4常用热电偶补偿导线的特性(3)冷端恒温法图3-28K热电偶测温简图图3-29冷端恒温法(4) 补偿电桥法图3-30补偿电桥法原理电路4.常用热电偶及其特性(1) 铂铑

13、10-铂热电偶(S型)(2) 镍铬-镍硅热电偶(K型)(3) 镍铬-锰白铜热电偶(E型)(4) 铂铑-铂铑热电偶(B型)表3-5标准化热电偶的技术数据表3-5标准化热电偶的技术数据5.热电偶的结构形式1) 普通型热电偶，主要由热电极、绝缘管、保护套管、接线盒、接线端子组成，其结构形式如图3-31a所示。2) 铠装热电偶又称缆式热电偶，是由热电极、绝缘材料和金属保护套管三者加工在一起的坚实缆状组合体，其结构形式如图3-31b所示。3) 表面型热电偶，表面型热电偶利用真空镀膜工艺将电极材料蒸镀在绝缘基板上，其尺寸小、热容量小、响应速度快，主要用来测量微小面积上的瞬时温度。4) 快速热电偶，快速热电

14、偶用于测量钢水及高温熔融金属的温度，是一次性消耗式热电偶。图3-31热电偶的结构形式a)普通热电偶b)铠装热电偶c)表面型热电偶d)快速热电偶3.3.3热电阻温度检测仪表1. 铂热电阻2. 铜热电阻3. 测量电路1. 铂热电阻表3-6热电阻的技术特性3. 测量电路图3-32热电阻测量电路a)三线制接入桥路b)四线制测量电路3.3.4DDZ型温度变送器检测变送仪表DDZ型温度变送器具有如下的主要特点：1)采用低漂移、高增益的运算放大器作为主要放大器，具有电路简单和良好的可靠性、稳定性及各项技术性能。2)在配热电偶和热电阻的变送器中采用线性比电路，使其输出电流I0与被测温度呈线性关系，测量精度高。

15、3)电路中采用了安全火花防爆技术措施，可用于易燃易爆场合。4)采用DC 24V集中供电，实现了二线制接线方式。DDZ型温度变送器有三个品种：1)直流毫伏变送器，其输入信号是直流毫伏信号。2)热电偶温度变送器。3)热电阻温度变送器。图3-33DDZ型温度变送器原理框图3.3.5微型化温度变送器1. AD590构成的温度变送器2. TMP17构成温度变送器3. TMP35构成微型温度变送器4. TMP01构成温度变送器3.4流量检测仪表3.4.1流量的基本概念3.4.2差压式流量计3.4.3靶式流量计3.4.4转子流量计3.4.5容积式流量计3.4.6涡轮流量计3.4.7涡街流量计3.4.8电磁流

16、量计3.4.1流量的基本概念1)体积流量Q：在单位时间内流过管道某一截面的流体的体积，用m3/h或L/h等单位表示。2)质量流量M：在单位时间内流过管道某一截面的流体的质量，用kg/h表示。上述两种流量的关系为M=Q (3-14)Qt=t0Qdt=Qt (3-15)Mt=t0Mdt=Mt (3-16)式中，Qt和Mt分别为体积总量和质量总量；t为累加时间。表3-7流量仪表的分类图3-34节流式流量计的组成1节流元件2引压管路3三阀组4差压计3.4.2差压式流量计1.节流式流量测量原理2.标准节流装置的设计计算3.节流式流量计使用注意事项图3-35标准节流装置的形状a)孔板b)喷嘴c)文丘里管1

17、.节流式流量测量原理图3-36流体流经孔板时静压力与流动速度的分布情况 根据能量守恒定律，可写出伯努利方程和连续性方程为p11+v212=p22+v222 (3-17)A1v1=A02v2 (3-18)式中，A为管道截面积；A0为最小收缩截面面积。由式(3-16)和式(3-17)可求得v2为 v2=1142(p1p2) 式(3-19)令p=p1p2为节流装置前后差压，可得流体的体积流量为 Q=A0v2=A0142p 式(3-20)引入流量系数，则式(3-20)变为 Q=A02p=4d22p 式(3-21) 式中，流量系数=CE，E为渐进速度系数，E=1/14，C为流出系数。对于可压缩流体，必须

18、引入流束的膨胀系数进行修正，其流量方程为 Q=4d22p 式(3-22)Q=0.012512D2p 式(3-23) 式中，的单位为kg/m3；p的单位为Pa；D的单位为mm。2.标准节流装置的设计计算1)已知管道内径、节流元件的形式和开孔尺寸、取压方式、被测流体的参数等必要条件以及要求，根据所测得的差压值计算被测介质的流量。2)已知管道内径、被测流体的参数和其他必要条件以及预计的流量范围，要求选择适当的差压上限pmax，并确定节流元件的形式、开孔尺寸、取压方式以及确定差压变送器。这一类设计计算所需提供的数据如下：被测流体的名称、组分；被测流体的最大流量Qmax、最小流量Qmin和常用流量Q；被

19、测流体的工作状态：工作压力p1、工作温度t1及其变化范围，被测介质的密度，安装地的平均大气压力p；允许压力损失p；管道材质，20的管道内径D20，管道内表面情况；管道设置情况和局部阻力形式；其他方面的要求，例如测量气体时的相对湿度等。3.节流式流量计使用注意事项1)管道内壁表面应无可见坑凹、毛刺和沉积物等。2)适用的管道直径Dmin50mm。3)节流装置安装时要注意节流元件开孔必须与管道同轴，节流元件方向不能装反。4)取压导管内径不得小于6mm，长度在16m以内。5)取压导管与差压变送器的连接应安装截止阀和平衡阀。6)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p和热力学温度T与设计时

20、的标准压力p0和热力学温度T0不符，则会引起较大误差，因此，必须进行修正，其修正公式为 Q=Q0pT0p0T (3-24)7)由于差压变送器的输出信号Io与被测流量Q是非线性的，Io正比于p，而，因此，必须利用开方器进行线性化处理。图3-37差压变送器的安装3.4.3靶式流量计图3-38靶式流量计结构原理1力平衡转换器2密封膜片3杠杆4靶5测量导管 用力F，F与流体流动速度的关系为 FKAdv22g 式(3-25) 式中，K为阻力系数；Ad为垂直于流速的靶面积；为流体密度；v为通过环形面积的流速；g为重力加速度。 设管道的直径为D，靶的直径为d，则流体通过的环形面积为A0=4(D2d2)。可求

21、出体积流量与靶上受力关系为 Q=A0v=KaD2d2dg2F 式(3-26) 以直径比=d/D表示，式(3-26)可改写成 Q=KaD1g2F 式(3-27)3.4.4转子流量计1.测量原理及结构2.转子流量计的使用1.测量原理及结构图3-39转子流量计的测量原理 将式(3-28)的恒差压p代入节流式流量计的流量方程式(3-21)得 Q=A02g(f)VfAf 式(3-29) 设转子高度为h时，锥管的半径为R，转子的最大半径为r，则环形流通面积A0为 A0=(R2r2) 式(3-30) Q=Ch2gVf(f)Af=Kh 式(3-31) 式中，K为比例系数，K=(R+r)tan2gVf(f)Af

22、常数。图3-40电远传式转子流量计结构原理1转子2锥管3连动杆4铁心5差动线圈2.转子流量计的使用1)转子流量计的刻度换算：转子流量计是一种非标准性仪表，出厂时需单个标定刻度。2)转子流量计的改量程：量程的改变可以采用不同材料的同形转子。3)温度和压力的修正：由于液体介质是不可压缩流体，温度和压力的变化，对液体的粘度密度变化极小，故不用修正。4)转子流量计必须垂直安装在管道上，流体必须自下而上流过转子流量计，不应该有明显的倾斜。 对于一般液体介质，当被测介质的密度与标定介质密度0不一致时，必须进行校正，其校正公式为 Q=Q0(f)0(f0) (3-32) 对于气体介质，由于f，f0，式(3-3

23、2)可简化为 Q=Q00 (3-33) 改量程后的流量刻度与原来的流量刻度可用下式计算： Q=Q0ff (3-34)3.4.5容积式流量计图3-41椭圆齿轮流量计的工作原理被测流体的体积总量Q为Q=nV0 (3-35)体积流量方程为Q=4nV0 (3-36)3.4.6涡轮流量计图3-42涡轮流量计结构1紧固环2壳体3前导流件4止推片5叶轮6磁电转换器7轴承8后导流件涡轮流量计的流量方程为Q=f (3-37)3.4.7涡街流量计图3-43涡街流量计原理示意图 稳定的漩涡产生的频率f与漩涡发生处的流速v有如下确定的关系 f=Srvd (3-38) 在漩涡发生体的形状和尺寸确定后，通过测量漩涡产生的

24、频率f，便能确定流体的体积流量Q Q=fK (3-39)3.4.8电磁流量计图3-44电磁流量计的测量原理 感应电动势 EBDv108 (3-40) 式中，B为磁感应强度；D为管道直径，单位为cm。 流体的体积流量Q(cm3/s)与流速v(cm/s)的关系为 Q=4D2v (3-41) 将式(3-41)代入式(3-40)得 E=4108BDQ=kQ (3-42) 式中， k称为仪表常数，k=4108BD，当B和D一定时，k=常数。3.5物位检测仪表物位测量仪表种类繁多，大致可分为接触式和非接触式两大类：1)接触式物位仪表：主要有直读式、差压式、浮力式、电磁式(包括电容式、电阻式、电感式)、浮子

25、式等物位仪表。2)非接触式物位仪表：主要有辐射式、声波式、光电式等物位仪表。3.5.1浮力式液位变送器3.5.2差压式液位计3.5.3电容式物位计3.5.4 超声波物位计3.5.5光电式物位计3.5.1浮力式液位变送器1.恒浮力式液位变送器2.变浮力式液位变送器图3-45恒浮力式液位计的原理1浮子2滑轮3平衡锤 设圆柱形浮子的外径为D，浮子浸入液体的高度为h，液体的密度为，其所受浮力F为 F=D24hg (3-43)图3-46浮筒式变浮力液位计的原理1浮筒2弹簧3差动变压器图3-47差压式液位计原理 设浮筒质量为m，截面积为A，弹簧的刚度和压缩位移为c和x0，被测液体的密度为，浮筒浸没高度为H

26、0，对应于起始液位有如下力平衡关系： cx0=mgAgH0 (3-44) 当液位变化H时，浮筒所受浮力变化，弹簧的变形有增量x，达到新的平衡位置时，力平衡关系为 c(x0 x)=mgA(H0+Hx)g (3-45) 将式(3-44)代入式(3-45)可求得 H=1+cAgx=Kx (3-46)3.5.2差压式液位计图3-48静压力式液位测量原理a)敞口容器b)密闭容器设容器上部空间的气体压力为pA，选定的零液位处的压力为pB，零液位至液面的液位高度为H，其产生的差压p为p=pBpA=Hg (3-47)图3-49法兰式差压计液位测量原理1容器2差压计3零液位线4法兰5毛细管图3-50差压变送器位

27、置与零液位线不一致时的连接a)差压变送器低于零液位线b)带隔离液体的安装情况 图3-50a中，差压变送器低于最低液位的高度为h，其差压为 p=Hg+hg (3-48) 如图3-50b所示，变差器两侧差压为 p=H1g(h2h1)2g (3-49)3.5.3电容式物位计1.非导电介质的液位测量2.导电介质的液位测量3.固体的料位测量 当被测液位H=0时，电容器内、外电极之间气体(最常见的是空气)的介电常数为0，电容器的电容量为 C0=20LlnRr=常数 (3-50) 当液位为某一高度H时，电容器可以视为两部分电容的并联组合，即 Cx=2xHlnRr+20(LH)lnRr (3-51) 由式(3

28、-50)和式(3-51)可得 C=2(x0)lnRrH=KH (3-52)图3-51电容式物位传感器结构图3-52非导电介质液位测量1内电极2外电极3绝缘材料图3-53导电介质的液位测量图3-54非导电料位测量1金属棒内电极2容器壁整个电容量为Cx=2xHlnRr+20(LH)lnR0r (3-53)式中，H为被液体浸没电极的高度；x为绝缘套管或涂层的介电常数；0为电极绝缘层和容器内气体共同组成的电容器的等效介电常数。当容器空，即H=0时，式(3-53)的第二项就成为电极与容器组成的电容器，其电容量为C0=20LlnR0r (3-54)当液位H发生变化时Cx=2xlnRr20lnR0rH+C0=KH+C0 (3-55)式中，K为传感器的灵敏系数，K=2xlnRr20lnR0r。由于R0 r，且0 x，忽略上式中第二项，所以有K2xlnRrC=CxC0=2xlnRrH=KH (3-56)3.5.4 超声波物位计(1)超声波阻断型(2)超声波反射型(1)超声波阻断型它是利用超声波在气体、液体和固体介质中被吸收而衰减的情况的不同，来探测在超声波探头前方是否有液体或固体物