矿大(北京)仪表与自动化_3_1(4学时)

1、第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器Chapter 3 Detection instrument and sensor纲纲 要要：1）掌握仪表精度及仪表的其它性能指标。掌握仪表精度及仪表的其它性能指标。accuracy2）初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表初步掌握各种压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法。的选用方法。Basic principle and selection methods3）了解各种流量计的测量原理了解各种流量计的测量原理(主要是差压式及转子主要是差压式及转子流量计流量计)； measuring principle4）掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方

2、法。掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。Zero shift5）掌握热电偶、热电阻温度计测温原理；熟悉热电掌握热电偶、热电阻温度计测温原理；熟悉热电偶测量中冷端补偿的作用和方法。偶测量中冷端补偿的作用和方法。 Thermal couple6）了解电动温度变送器的作用及原理。了解电动温度变送器的作用及原理。transmitter检测仪表：检测仪表：被测被测变量变量传感器传感器被测对象被测对象变送器变送器显示装置显示装置G 有时，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示有时，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被测量显示出来。装置把被测量显示出来。一、测量过程与测量误差一、测量过程与测量

3、误差1、测量过程、测量过程 measuring process：利用测量仪表，将利用测量仪表，将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。2、测量误差、测量误差 measuring error：由于测量工具不准确，由于测量工具不准确，或观测者主观性和周围环境等因素，造成仪表测量值与或观测者主观性和周围环境等因素，造成仪表测量值与真值之间的差距为测量误差。真值之间的差距为测量误差。 第一节第一节 概述概述绝对误差绝对误差 仪表指示值仪表指示值 xi 与真值与真值 xt 的差。的差。 = = xi - xt 相对误差相对误差 绝对误差与标准仪表指示值绝对误

4、差与标准仪表指示值 x0的的比值比值 。 y= / / x0 = ( = (xi - x0) / x0 0ixx x0标准表读数标准表读数absolute errorrelative error二、仪表性能指标二、仪表性能指标 performance index (精度，变差，灵敏度，分辨力，线性度，反应时间精度，变差，灵敏度，分辨力，线性度，反应时间) (accuracy, variation, sensitivity, resolution, linearity, response time)1、精确度、精确度（简称（简称精度精度 accuracy） 将绝对误差折合为仪表测量范围内的百分数

5、，称为将绝对误差折合为仪表测量范围内的百分数，称为相对百分误差相对百分误差 ( relative percentage error)。 = max/(测量范围上限测量范围上限 - 测量范围下限测量范围下限) 100% upper limit lower limit允许误差允许误差 (allowable error)：表示仪表常态下的最大误表示仪表常态下的最大误差。一般差。一般 用正负相对百分误差来表示。用正负相对百分误差来表示。精确度：精确度：指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差分误差(去掉去掉 与与 % ）。）。F常用精度等级常用精度等级 ：

6、0.005 0.02 0.05 0.5 1.0 1.5 2.5 4.01.51.0标准表标准表例例1：确定仪表的精度等级。：确定仪表的精度等级。例例2：根据需要选择满足要求精度的仪表。：根据需要选择满足要求精度的仪表。问问：根据校验数据确定仪表精度与根据工艺要求选：根据校验数据确定仪表精度与根据工艺要求选择仪表精度的不同择仪表精度的不同? 2 2、变、变差差 variation同一仪表对同一参数进行全部量程范围内的正向与反向同一仪表对同一参数进行全部量程范围内的正向与反向测量时，两条特性曲线间的最大偏差。测量时，两条特性曲线间的最大偏差。 变差变差=（最大偏差最大偏差/ /仪表量程仪表量程）

7、100%测测量量仪仪表表的的变变差差F变差应小于允许误差变差应小于允许误差, ,否则否则, ,仪表应修理。仪表应修理。 变差的原因变差的原因: 传动间隙传动间隙;摩擦力摩擦力;弹性滞后弹性滞后3 3、灵敏度与灵敏限、灵敏度与灵敏限 sensitivity（针对指针式仪表针对指针式仪表）灵敏度灵敏度：仪表指针的线位移或角位移与引起这个参：仪表指针的线位移或角位移与引起这个参数变化量的比值数变化量的比值。数值为数值为被测参数发生单位变化后，被测参数发生单位变化后，仪表指针的移动距离。仪表指针的移动距离。 S = /x灵敏限灵敏限：能引起仪表指针发生：能引起仪表指针发生 动作的被测参数的最小变化量动

8、作的被测参数的最小变化量。F灵敏限灵敏限 (允许误差允许误差)/2。 指针的线位移指针的线位移或角位移或角位移引起引起所需的被测所需的被测参数的变化量参数的变化量 4、分辨力、分辨力 resolution （针对数字式仪表针对数字式仪表）含义含义：数字显示器的最后位数之间隔所代表的被测数字显示器的最后位数之间隔所代表的被测参数的变化量。参数的变化量。 最高的分辨力最高的分辨力：量程不同，分辨力不同，量程不同，分辨力不同，最低量程最低量程的分辨力是最高的分辨力（灵敏度）。的分辨力是最高的分辨力（灵敏度）。如如:某表的最低量程为某表的最低量程为:0-1.0000V,末位数字的等效电压末位数字的等效

9、电压为为100V,则该表的灵敏度为则该表的灵敏度为100V.分辨率分辨率：分辨力：分辨力(灵敏度灵敏度)与量程的比值。与量程的比值。如上表如上表: 100V /1000000V 100%=0.01% 线性度示意图线性度示意图5、线性度、线性度 linearity （非线性误差）（非线性误差）含义含义：表示线性刻度仪表的输出量与输入量的实际表示线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校校准曲线准曲线与与理论直线理论直线的吻合程度。的吻合程度。 f =（f max / 仪表量程仪表量程） 100%线性度高的仪表，可均线性度高的仪表，可均匀仪表刻度。匀仪表刻度。对于数字仪表，无线性对于数字仪表，无线性度的

10、要求。度的要求。校准曲线对于理论直线的最大偏差校准曲线对于理论直线的最大偏差 6、反应时间、反应时间 response time含义含义：被测参数发生变化后，仪表显示这种变化所被测参数发生变化后，仪表显示这种变化所需的等待时间。需的等待时间。F反应时间一般为仪表指数由开始变化到新稳定值的反应时间一般为仪表指数由开始变化到新稳定值的63.2%（ 或或95%）所花费的时间。）所花费的时间。 三、工业仪表的分类三、工业仪表的分类 classification 动力动力 power 电动仪表电动仪表 power driven meter，信号联，信号联系方便系方便, 可远距离传输可远距离传输, 便于计

11、算机相连便于计算机相连, 结结构复杂构复杂, 易受温度、磁场、湿度，放射性等易受温度、磁场、湿度，放射性等影响。影响。气动仪表气动仪表 gas driven meter，结构简单，结构简单，直观，便宜，影响因素少，传输速度慢，直观，便宜，影响因素少，传输速度慢，管线安装检修不便，不宜集中显示与控制。管线安装检修不便，不宜集中显示与控制。 液动仪表液动仪表 liquid driven meter ,传输速度传输速度慢，结构复杂。慢，结构复杂。 三、工业仪表的分类三、工业仪表的分类 信息的获得、传递、反映和处理过程信息的获得、传递、反映和处理过程： 检测仪表检测仪表 detection meter

12、； 显示仪表显示仪表 indication meter； 集中控制装置集中控制装置 integration control instrument； 控制仪表控制仪表 control instrument； 执行器执行器 actuator； 组成形式组成形式 基地式仪表；测量显示与控制为一体，适合现场就地基地式仪表；测量显示与控制为一体，适合现场就地检测与控制，不能集中控制与显示。检测与控制，不能集中控制与显示。 单元组合仪表。测量、显示、控制为独立仪表，之间单元组合仪表。测量、显示、控制为独立仪表，之间以统一的标准信号相连。适合集控，布置与使用灵活以统一的标准信号相连。适合集控，布置与使用灵活

13、 如：如：DDZ，QDZ，一一压力单位及测压仪表压力单位及测压仪表二二弹性式压力计弹性式压力计 elastic pressure gauge三三电气式压力计电气式压力计 Electric type pressure gauge四四智能型压力变送器智能型压力变送器 intelligent pressure transmitter五五压力计的选用和安装压力计的选用和安装 selection and installation第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 电气式压力计电气式压力计1.霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器 Hall chip pressure sensor2.应变片式压力传

14、感器应变片式压力传感器 Strain chip pressure sensor3. 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 Piezo resistance pressure transducer4. 力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器 Torque balanced pressure transmitter5. 电容式压力变送器电容式压力变送器 Capacitance pressure transmitter 一、压力单位及测压仪表一、压力单位及测压仪表 P=F/S SI 单位单位 帕斯卡帕斯卡 Pa=1 N/m2压力的表示方法压力的表示方法： 表压；绝对压力；负压或真空度表压；绝对压力；负

15、压或真空度 P表压表压 = P绝对压绝对压 - P大气压大气压 P真空度真空度= P大气压大气压 - P绝对压绝对压 P绝绝对压力零线P表P真P绝大气压 p01.01325105Pa测压仪表按照转换的原理，分为四大类：测压仪表按照转换的原理，分为四大类： 液注式液注式 （U形形 单管单管 斜管）斜管） 弹性式弹性式 （弹簧管（弹簧管 波纹管波纹管 膜式膜式） 电气式电气式 （电压电压 电流电流 频率）频率） 活塞式活塞式（标准压力计）（标准压力计） 二、弹性式压力计二、弹性式压力计 elastic pressure gauge 利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，利用各种形式的弹性

16、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。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。1 1、弹性元件、弹性元件（测压范围不同，元件不同测压范围不同，元件不同） 弹簧管式元件：弹簧管式元件：测高压，测高压，1000MPa，分单圈与多圈分单圈与多圈 薄膜式：薄膜式：膜膜 片式与膜盒式，测压比弹簧管低。片式与膜盒式，测压比弹簧管低。 波纹管式：波纹管式：流纹状薄壁筒体。测微压与低压流纹状薄壁筒体。测微压与低压(1MPa)。 弹性元件示意图弹性元件示意图 2、弹簧管压力表、弹簧管压力表（单圈，双圈，耐酸碱，禁油）单圈，双圈，耐酸碱，禁油） 弹簧管压力表

17、弹簧管压力表（P40） 电接点信号的弹簧管压力表电接点信号的弹簧管压力表（P41） 图3-6 弹簧管压力表 图3-7电接点信号压力表绿绿灯灯红红灯灯p 三、电气式压力计三、电气式压力计（将压力转换为电信号将压力转换为电信号）特点特点：测量范围为测量范围为 710-5Pa 至至 5102MPa ，可远可远距离传输距离传输；与与IPC联用联用，可实现压力自控与报警可实现压力自控与报警。组成组成：一般由压力传感器，测量电路和信号处理装置一般由压力传感器，测量电路和信号处理装置组成（指示，记录，控制）组成（指示，记录，控制）传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号输出。传感器主要有霍尔片式，应

18、变式，压阻式，力平衡式，电容式等几种。传感器传感器辅助电源辅助电源指示器指示器记录仪记录仪控制器控制器测量电路测量电路电量电量压力压力1、霍尔片式压力传感器、霍尔片式压力传感器 Hall chip pressure sensor原理原理：利用霍尔元件将由压力引起的弹性元件位移转：利用霍尔元件将由压力引起的弹性元件位移转换成霍尔电势，从而实现压力测量。换成霍尔电势，从而实现压力测量。 霍尔效应霍尔效应: UH=RH B I 控制电流控制电流I为为 320mA， 磁感应强度磁感应强度 B为为几千高斯几千高斯 霍尔电势霍尔电势UH为毫伏级为毫伏级 霍尔片式压力传感器图霍尔片式压力传感器图（P42图图

19、3-10） 2 2、应变片式压力传感器应变片式压力传感器 Strain chip pressure sensor （达（达25MPa)原理原理：利用电阻应变原理，被测压力使应变片发生收利用电阻应变原理，被测压力使应变片发生收缩变化（压缩变化时，阻值变小），通过桥式电路获得缩变化（压缩变化时，阻值变小），通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其它仪表显示出相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其它仪表显示出被测压力。被测压力。 优点优点：动态性能较好，适用于快速：动态性能较好，适用于快速 变化的压力测变化的压力测量。（有金属应变片与半导体应变片）量。（有金属应变片与半导体应变片）r1r2

20、123P(a)传感器传感器U=10VU=U=5mV1应变箱应变箱2外壳外壳3密封膜片密封膜片 3、压阻式压力传感器、压阻式压力传感器 Piezo resistance pressure transducer原理原理：利用利用单晶硅片单晶硅片为弹性元件，在其表面特定方向上为弹性元件，在其表面特定方向上扩散一组等值电阻，并将其连成桥路，再将其置入传感器扩散一组等值电阻，并将其连成桥路，再将其置入传感器腔内，当传感器检测到压力变化时，单晶硅片发生应变，腔内，当传感器检测到压力变化时，单晶硅片发生应变，使其上的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥使其上的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥

21、式电路检出电压信号。式电路检出电压信号。压阻式压力传感器示意图压阻式压力传感器示意图 4、力矩平衡式压力变送器、力矩平衡式压力变送器（精度较高精度较高, 工作稳定工作稳定, 线性好线性好） Torque balanced pressure transmitter原理原理：利用负反馈，使杠杆平衡利用负反馈，使杠杆平衡检测检测部分部分: P 输入力输入力Fi 杠杆系统杠杆系统: 力的传递和力矩比较，生成位移信号力的传递和力矩比较，生成位移信号 位移检测放大器位移检测放大器: 位移位移 输出输出Io电磁反馈装置电磁反馈装置: 输出输出反馈力反馈力Ff在某状态，通过检出的电流来在某状态，通过检出的电流

22、来反反应应输入压力的大小。输入压力的大小。I0=Kptg 5 5、电容式压力变送器电容式压力变送器 （精度高（精度高, 可达可达0.2）原理原理：将压力的变化转换为电容量的变化进行测量，将压力的变化转换为电容量的变化进行测量，由美国最先投放市场，可靠性好，体积小，精度高。由美国最先投放市场，可靠性好，体积小，精度高。p1p2电容式电容式（差压）变送器（差压）变送器示意图示意图 四、智能型压力变送器四、智能型压力变送器组成组成：在普通压力或差压传感器的基础上，：在普通压力或差压传感器的基础上，增加增加微处微处理器理器电路电路而形成的智能检测仪表。而形成的智能检测仪表。最大特点最大特点：可进行远距

23、离通信。：可进行远距离通信。 美国美国Fisher-Rosemount 3051C 差压变送器。差压变送器。方框图方框图 手持通信器的连接手持通信器的连接示意图：示意图：端子端子信号线信号线 五、压力计的选用及安装五、压力计的选用及安装1 1、压力计的选用（类型，量程，精度）、压力计的选用（类型，量程，精度）1）仪表类型的选用）仪表类型的选用 以满足工艺条件为前提。注意：以满足工艺条件为前提。注意：仪表材料、输出信号类型、使用环境。仪表材料、输出信号类型、使用环境。 如如：测氨压力测氨压力弹簧弹簧管，只能用碳钢，不用铜合金；管，只能用碳钢，不用铜合金； 氧气压力计，必须禁油；氧气压力计，必须禁

24、油；2）仪表测量范围的确定）仪表测量范围的确定 压力计上限高于工艺上限压力计上限高于工艺上限 测定稳压，最大工作压力测定稳压，最大工作压力 测量上限的测量上限的 2/3 测定脉压，最大压力测定脉压，最大压力测量上限的测量上限的 1/2 测定高压压力，不超过量程的测定高压压力，不超过量程的 3/5 测定最小值，不低于量程的测定最小值，不低于量程的 1/3 按相应规程或标准选用标尺极限值按相应规程或标准选用标尺极限值3）仪表精度级）仪表精度级 根据工艺允许的最大误差确定。根据工艺允许的最大误差确定。例例3 仪表的选择仪表的选择 P46 2 2、压力计的安装、压力计的安装1）测压点的选择）测压点的选

25、择 反映测量压力的真实大小。反映测量压力的真实大小。 介质直线流动的管段。介质直线流动的管段。避免：避免：拐弯拐弯 分叉分叉 死角死角 漩涡漩涡 流动压力测量，取压点与流动方向垂直。流动压力测量，取压点与流动方向垂直。 测液体压力时，取压点在管道下部（不积存气体），测液体压力时，取压点在管道下部（不积存气体），而测气体压力时，而测气体压力时， 取压点则在管道上方（不积存液体）。取压点则在管道上方（不积存液体）。2）导压管的辅设）导压管的辅设 导压管粗细合适导压管粗细合适 ，内径为，内径为610mm,长长50mm 雷诺数在雷诺数在104 105以上以上的流体的流体，而转子流量计则用于管径而转子流

26、量计则用于管径 50mm，低雷诺数低雷诺数流体的测量流体的测量。1、工作原理、工作原理 压降不变，利用节流面积的压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。变化来测量流量的大小。如右图如右图：转子在锥转子在锥形管中的平衡位置的高低与被测介质的流量形管中的平衡位置的高低与被测介质的流量大小相对应大小相对应，如在锥形管外沿其高度刻上对，如在锥形管外沿其高度刻上对应的流量量值，则根据转子的平衡位置的高应的流量量值，则根据转子的平衡位置的高低就可以直接读出流量的大小。低就可以直接读出流量的大小。(注注：这种流量计只能就地显示）：这种流量计只能就地显示）流量计算公式流量计算公式：P55 式式3-21、

27、式、式3-22转子流量计中转子的平衡条件：转子流量计中转子的平衡条件： V(t-f )g=(p1-p2)A V: 转子的体积；转子的体积； t：转子的密度转子的密度 f：流体的密度流体的密度 A：转子的最大横截面积：转子的最大横截面积 p= V(t-f )g / A Q= h(2 p /f )1/2 ：仪表常数；：仪表常数； h：浮起高度：浮起高度 2 2、电远传式转子流量计、电远传式转子流量计（LZDLZD系列）系列）主要由流量变送及电动显示两部分组成主要由流量变送及电动显示两部分组成: :1 1）流量变送部分）流量变送部分：利用利用进行流量变送；将差动进行流量变送；将差动变压器的铁心与转子流量计的转子连接起来，使转子随流量变变压器的铁心与转子流量计的转子连接起来，使转子随流量变化的运动带动化的运动带动铁心运动铁心运动，从而将流量的大小，从而将流量的大小转换成转换成输出输出感应电感应电动势动势的大小。的大小。 P56 图图3-27差动变压器结构差动变压器结构初级线圈：同相串联初级线圈：同相串联次级线圈：反相串联次级线圈：反相串联铁芯铁芯初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈骨架骨架 2 2）电动显示部分）电动