第三章过程检测技术误差及压力测量

1、第三章第三章 过程检测技术过程检测技术本章主要内容本章主要内容:3.1 测量及误差理论（测量及误差理论（仪表的精度与测量误差的关仪表的精度与测量误差的关 系）系）3.2 压力测量（压力测量（压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法压力检测仪表的基本原理及压力表的选用方法）3.3 温度测量（温度测量（热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理）热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理）3.4 流量测量（流量测量（压差式流量计及转子流量计）压差式流量计及转子流量计）3.5 物位测量（物位测量（零点迁移的概念及计算方法）零点迁移的概念及计算方法）3.6 物质成分分析物质成分分析3.7 计算机辅助测试系统计算机

2、辅助测试系统开始学习开始学习返回总目录返回总目录前 言检测仪表：检测仪表：用来检测生产过程中工艺参数的技术工具。用来检测生产过程中工艺参数的技术工具。感感 传传 器：器：将生产工艺参数转换为一定的便于传送将生产工艺参数转换为一定的便于传送的信号（如气信号或电信号）的仪表。的信号（如气信号或电信号）的仪表。变变 送送 器：器：当传感器的输出信号为单元组合仪表中当传感器的输出信号为单元组合仪表中规定的标准信号时，规定的标准信号时，如：气压信号（如：气压信号（0.020.1MPa或或电压、电流信号（电压、电流信号（010mA或或420mA），称为变送器，称为变送器一一 测量的基本知识测量的基本知识

3、测量的实质测量的实质: 是一个比较的过程。即将被测参数和相应的测量单位进行比较的过程。测量仪表测量仪表则是实现比较的工具。真指xx%100000 xxxxy0 xx指3.1 测量及误差理论测量及误差理论 实际上实际上：二二 测量误差的表示方法测量误差的表示方法1 绝对误差绝对误差 理论上理论上： 2 相对误差相对误差：某一点的绝对误某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值差与标准表在这一点的指示值x0之比。之比。x指指测量仪表的指示值测量仪表的指示值x真真被测量的真实值被测量的真实值x0比所使用的仪表比所使用的仪表 精度高一级精度高一级 的的 仪表的读数（标准表的指仪表的读数（标准表的指 示示

4、 值）值）3 引用误差：引用误差：将绝对误差折合成仪表测量范围（量程范围）的百分将绝对误差折合成仪表测量范围（量程范围）的百分数数 %100max下上xxx上上 仪表的测量上限仪表的测量上限 x下下仪表的测量下限仪表的测量下限N仪表的量程（仪表的量程（x上上x下下）例题例题1：若被测介质的实际温度为若被测介质的实际温度为500，仪表的指示值为，仪表的指示值为495，仪表的量程为，仪表的量程为01000，试确定绝对误差、相对，试确定绝对误差、相对误差、折合误差和对仪表的读数的修正值误差、折合误差和对仪表的读数的修正值。解解: 绝绝 对对 误误 差差: = X指指 X0 = 495500=5，仪表

5、读数的修正值仪表读数的修正值: C= X0 X指指 =5 相相 对对 误误 差差: y=/X0 =5/500100%=1% 引用引用 误误 差差: =max/ （x上上 x 下下）=0.5%三仪表的性能指标三仪表的性能指标1.精确度精确度: 是衡量仪表准确程度的一个品质指标。数值上等于在规是衡量仪表准确程度的一个品质指标。数值上等于在规 定的正常情况下，仪表所允许的引用误差。定的正常情况下，仪表所允许的引用误差。%100maxkxx下上允精确等级：精确等级：将仪表允许的引用误差将仪表允许的引用误差号及号及%号去掉，和国家规号去掉，和国家规 定的定的精度等级比较后，确定仪表的精度等级精度等级比较

6、后，确定仪表的精度等级国家规定的精确度等级有：国家规定的精确度等级有：高 精度等级 低0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0。 标准用表 准确测量用 表 工业上用表1.52.5在实践中常遇到以下两类问题在实践中常遇到以下两类问题 ： （1）如何给仪表定精度等级：）如何给仪表定精度等级： 即已知仪表的量程即已知仪表的量程N和与精度等级高一级的标准表校验时的最和与精度等级高一级的标准表校验时的最大绝对误差。求出：大绝对误差。求出： %100maxkxx下上允（1）如何给仪表定精度等级）如何给仪表定精度等级？ （2）如何根据工艺要求？选择合适精

7、度等级的仪表或判断现有的）如何根据工艺要求？选择合适精度等级的仪表或判断现有的仪表精度等级是否满足工艺要求：仪表精度等级是否满足工艺要求：例例2：某台测温仪表的测温范围为某台测温仪表的测温范围为200700。校验该表。校验该表 时得到的最时得到的最大绝对误差为大绝对误差为4，试确定该仪表，试确定该仪表 的精度等级。的精度等级。%8 . 0%1002007004%100max下上允xx解：该仪表的允许的引用误差为：解：该仪表的允许的引用误差为： 所以，该测温仪表的精度等级为所以，该测温仪表的精度等级为1.0级。级。去掉去掉、%和国家精度等级比，和国家精度等级比，取相等或低档相等或低档的精度等级。

8、0.50.81.0（2）如何根据工艺要求：）如何根据工艺要求： 选择合适精度等级的仪表选择合适精度等级的仪表 根据根据 工艺条件确定仪表的量程工艺条件确定仪表的量程N （X上上=（1.52.0）X工艺工艺)和工和工艺允许的最大绝对误差艺允许的最大绝对误差max 。求出：。求出： 去掉去掉%和和并与国家精度等级相比并与国家精度等级相比，取相等或高档相等或高档的精度等级。例例3： 或判断现有的仪表精度等级是否满足工艺要求：或判断现有的仪表精度等级是否满足工艺要求： 即仪表的量程即仪表的量程N和精度等级都已知，判断仪表是否满足工艺要求。和精度等级都已知，判断仪表是否满足工艺要求。先算出仪表的：先算出

9、仪表的： 允允max=N% 再测出仪表的：再测出仪表的： 测测max=X指指X0 再再 比比 较：较： 测测max 允允max 合格合格 测测max 允允max 不合格不合格例例4：%100maxkxx下上允例例3 ：某反应器内的最高温度某反应器内的最高温度500。根据工艺要。根据工艺要求，最大允许误差不超过求，最大允许误差不超过+7，试问应如何选择，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？仪表的精度等级才能满足以上要求？ 解：根据工艺要求：解：根据工艺要求：仪表仪表的量程上限：的量程上限：X上上=2 X Max= 1000仪表的允许引用误差为：仪表的允许引用误差为： %7.0%1000

10、10007%100max下上允xx去掉去掉、%，0.50.71.0，所以选精度等级，所以选精度等级0.5的仪表的仪表才能满足工艺要求。精度等级才能满足工艺要求。精度等级1.0的仪表，其允许引用误的仪表，其允许引用误差为差为1.0%，超过了工艺上允许的数值，超过了工艺上允许的数值例例4 ：一台精度等级为：一台精度等级为0.5，量程范为，量程范为6001200的电子电位差计，校验时，其中的某一点最大绝的电子电位差计，校验时，其中的某一点最大绝对误差是对误差是 4，问此表是否合格？，问此表是否合格？解：根据工艺上的要求，仪表的允许误差为：解：根据工艺上的要求，仪表的允许误差为：允允max=N% =（

11、1200600） 0.5% =3 而而测测max= 4 3 ， 所以此表不合格，需重所以此表不合格，需重新进行校验。新进行校验。2.变差（迟滞误差）变差（迟滞误差）：指在外界条件不变的情况下，用同一仪指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程测量时，被测量值表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。3.灵敏度与灵敏限灵敏度与灵敏限灵敏度灵敏度K：是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。 它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输

12、出信号变化它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化y与引起与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量x之比。之比。最大绝对误差最大绝对误差被测变量被测变量正行程正行程反行程反行程仪仪表表的的指指示示值值xK灵敏限灵敏限X max：引起仪表输出信号发生变化（动作）的被测参数引起仪表输出信号发生变化（动作）的被测参数（输入信号）的最小变化量。（输入信号）的最小变化量。 X max 1/2%100maxmaxYHh满量程4.线性度：线性度：表征线性刻度仪表的输出量与输入量表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。的实际校

13、准曲线与理论直线的吻合程度。%100maxmaxYLLN满量程 被测变量仪表指示值f max5.反应时间反应时间T：用来衡量仪表能不能尽快反映参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长的时间才能给出准确的指示值，那不宜用来测量变化频繁的参数。63.2%A()； 95%A()。6 漂移：漂移：指输入量不变时，经过一定的时间后输出量产生变化的现象，是衡量仪表稳定性的重要指标。温漂、零漂 。 三三 工业仪表的分类工业仪表的分类1.按仪表使用的能源分类按仪表使用的能源分类 电动仪表电动仪表 气动仪表气动仪表 液动仪表液动仪表2.按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类按信息的获得、传递、反映和处

14、理的过程分类 检测仪表检测仪表 显示仪表显示仪表 控制仪表控制仪表 执行器执行器3.按仪表的组成形式分类按仪表的组成形式分类 基地式仪表：基地式仪表： 气动单元组合仪表：气动单元组合仪表：0.020.1 M Pa 单元组合仪表单元组合仪表 （QDZ） 电子管型电子管型 ：已淘汰：已淘汰 电动单元组合仪表电动单元组合仪表 晶体管：晶体管： 将近淘汰（将近淘汰（010mA） （ DDZ） 集成电路：应用中（集成电路：应用中（420mA）本节学习要点本节学习要点1 测量误差的表示方法（测量误差的表示方法（ 绝对误差、绝对误差、 相对误差、折合相对误差、折合误差（相对百分误差）误差（相对百分误差） 2

15、 仪表的性能指标（仪表的性能指标（精确度、变差、灵敏度与灵敏精确度、变差、灵敏度与灵敏限、分辨力限、分辨力 、线性度、反应时间）、线性度、反应时间）3 如何给仪表定精度等级？如何给仪表定精度等级？ 4 如何根据工艺要求：如何根据工艺要求：选择合适精度等级的仪表选择合适精度等级的仪表判断现有的仪表精度等级是否满足工艺要求判断现有的仪表精度等级是否满足工艺要求本节作业：本节作业：Pg165：6、93.2 压力检测与变送压力检测与变送一一 压力概念压力概念1 压力压力(压强）：指压强）：指 均匀垂直作用在单位面积上的力。均匀垂直作用在单位面积上的力。 SFp2 压力的表示：绝对压力：P绝=P真 表

16、压：P表=P绝P气 真 空 度：P真= P大 P绝 二二 测压仪表测压仪表（按转换原理的不同 ） 液柱式压力计弹性式压力计电测式压力计 活塞式压力计(一般作为标准型压力计）（ Pa = 1N/m2) 1MPa=106Pa 1Kgf/cm2=0.1MPa(一）液柱式压力计一）液柱式压力计U型管压力计单管压力计斜管压力计DhDh（二）（二）弹性式压力计弹性式压力计 弹性式压力计加上附加装置（如：记录机构、电气变换装置、控制元件等，则可实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等）表盘指针显示位移压力1.弹性元件：见图弹性元件：见图3-3其测压原理：其测压原理：皮托管（测速管）图3-3 弹性元件示意图

17、 弹簧管式弹性元件（弹簧管式弹性元件（1001000 MPa）：横截面为扁圆或椭圆？）：横截面为扁圆或椭圆？ 薄膜式弹性元件（中、低压）：铜质的膜片（单片或双片）、膜盒薄膜式弹性元件（中、低压）：铜质的膜片（单片或双片）、膜盒 波纹管式压力元件（微压与低压）：铜质波纹管式压力元件（微压与低压）：铜质2.弹簧管压力表（弹簧管压力表（最常见的弹性式压力计） 普通弹簧管压力表的结构结构如图3-4，具有上、下报警功能的电接点信号压力表的结构结构如图3-5。图图3-4 普通弹簧管压力表普通弹簧管压力表图图3-5 具有上、下报警功能的具有上、下报警功能的电接点信号压力表电接点信号压力表压力自由端的位移表盘

18、指针显示放大机构 其测压原理：其测压原理：7 游丝游丝：克服传动间隙而产生的仪表变差8 调整螺钉：调整螺钉：调整仪表的量程（三）电气式压力计（三）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2.应变片式压力传感器应变片式压力传感器3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器4.力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器5.电容式压力变送器电容式压力变送器是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。其测压原理：其测压原理： 压力电信号远距离传输及显示其组成：其组成：是由压力传感器、测量电路和信号处理装置（一般有指是由压力传感器、测量电路和信号处理装置（一般有指示仪、记录仪、控制器、微处理机等）

19、组成。示仪、记录仪、控制器、微处理机等）组成。压力传感器压力传感器的作用是把压力信号检测出来、并转换成电信号进行的作用是把压力信号检测出来、并转换成电信号进行传输，当输出的电信号能够被进一步转换为标准信号（传输，当输出的电信号能够被进一步转换为标准信号（420 mA、0.02 0.1 MPa)时，压力传感器又叫时，压力传感器又叫压力变送器压力变送器。常见的压力传感器和压力变送器有常见的压力传感器和压力变送器有:1.霍尔片式压力传感器：霍尔片式压力传感器： 霍尔电势Uh的大小与半导 体材料、所通过的电流、磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸等有关。BIRUHH霍尔效应及霍尔效应及霍尔片式压力传感器霍尔

20、片式压力传感器如下图所示如下图所示:图图3-9 3-9 霍尔效应霍尔效应 Z轴方向:加一磁感应强度为B的恒定磁场Y轴方向:加一外电场(接入直流稳压电源X轴方向:出现电位差图图3-10 3-10 霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器 RH霍尔常数霍尔常数 根据霍尔效应制成，即利用霍尔元件(半导体如锗)将压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。2 应变片式压力传感器应变片式压力传感器利用应变片的电阻应变原理构成。图图3-24 应变片式压力传感器的示意图应变片式压力传感器的示意图即压力 应变片产生应变为压缩应变时,其阻值减小 为拉伸应变时,其阻值增大由桥式电路获得相应的毫伏级不

21、平衡电势优点优点:当直流电源10V时,可获得5 mA的电势.故被测压力可达25 MPa,且动态性能好,适合快速变化的压力测量 。（金属应变片和半导体应变片）3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器：图图3-12 压阻式压力传感器压阻式压力传感器优点：优点：精度高、工作可靠、频率响应快、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单 利用单晶硅的压阻效应构成，其工作原理如图3-12所示。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。4.力矩平衡式压力变送器力矩平衡式压力变送器：是一种自平衡的检测仪表，它利用负是一种自平衡的检测仪表，它利

22、用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为仪表具有较高的测量精度（一般为0.5级）。级）。图3-13 DDZ-III型电动力矩平衡式压力变送器的工作原理图（1） DDZ-III型电动力矩平衡式压力变送器的工作原理。力矩平衡式压力变送器的工作原理。（1）测量部分（波纹管）：）测量部分（波纹管）：P F（2）机械力转换部分（双杠）机械力转换部分（双杠杆）：杆）：F 检测片的位移，检测片的位移，同时也起力矩与反力矩的平衡同时也起力矩与反力矩的平衡作用。作用。（3）位移检测器与电子放大器）位移检测器

23、与电子放大器：检测线圈的电感量，经放大转检测线圈的电感量，经放大转换为换为420mA的直流信号输出。的直流信号输出。（4）电磁反馈机构：）电磁反馈机构：将直流信将直流信号转换为作用于副杠杆上负反号转换为作用于副杠杆上负反馈力矩，和输入力矩平衡时，馈力矩，和输入力矩平衡时，输出电流与被测压力成比例。输出电流与被测压力成比例。优点：优点：工作稳定工作稳定可靠、线性好、可靠、线性好、不灵敏区小等一不灵敏区小等一系列优点。系列优点。2 力矩平衡式压力变送器的受力分析力矩平衡式压力变送器的受力分析图3-13 力矩平衡式压矩平衡式压力变送器的受力分析力变送器的受力分析转换比例系数力与电流的转换系数副杠杆：

24、，和被矢量机构分解为比例系数弹性元件的比例系数主杠杆：31023430302342202432123212111111211211KKKPtgKiKllKiKiKllFKiKFlFlFPtgKFFFFPllKAPAFPKPAllFlFlFffiiO2O1F3FiF2FfF1l2l1l3l45.电容式压力变送器：电容式压力变送器：图图3-26 电容式差压变送器的原理图电容式差压变送器的原理图优点：优点：结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高、体积小、重量轻、使用方便等优点。 先将压力的变化转换为电容的变化，然后进行测量。三三 压力表的选用及安装压力表的选用及安装1 压力表的选用：根据工艺要求

25、，全面考虑，具体分析压力表的选用：根据工艺要求，全面考虑，具体分析（1）选仪表类型：根据工艺要求、介质性质、环境条件等。如：根据工艺要求、介质性质、环境条件等。如：Y型普通压力表，其外壳为黑色；型普通压力表，其外壳为黑色；YA型氨用压力表，其外壳为黄色；型氨用压力表，其外壳为黄色；YD型氧用压力表，其外壳为蓝色。型氧用压力表，其外壳为蓝色。（2）选量程： 测稳压时测稳压时: P上上=（1.52.0) P max , P下下= 0 (无特殊要求无特殊要求) 测波动压力时测波动压力时: P上上=（2.03.0) P max 为了延长仪表的使用寿命，按为了延长仪表的使用寿命，按“化工自控设计技术规定

26、化工自控设计技术规定”还要求还要求: 测稳压时：测稳压时： P测测2/ P上上 测波动压力时：测波动压力时： P测测1/ P上上 测测 高高 压压 时时:： P测测3/5 P上上 被测最小压力：被测最小压力： P min1/ P上上(3) 选精度选精度: 根据工艺允许的最大测量误差来确定。在满足工艺的前提根据工艺允许的最大测量误差来确定。在满足工艺的前提下，一般选精度低、价廉耐用的仪表。下，一般选精度低、价廉耐用的仪表。例例5：某台往复式压缩机的出口压力范围为：某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不，测量误差不得大于得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。解解 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表