化工自动化及仪表专业必修版

1、第三章 检测变送华东理工大学信息学院自动化系 本章主要内容：3.1 概述3.2 温度检测3.3 流量检测3.4 压力检测3.5 物位检测3.6 变送器3.1 概 述3.1.0 检测变送的重要性3.1.1 测量误差3.1.2 仪表性能指标 在过程生产的自动控制中要通过检测元件获取生产工艺参数（被控变量），通常是温度、压力、流量、物位（四大参数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器。它直接响应工艺变量，并将其转变成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。 3.1.0 检测变送的重要性 由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，因此，需要采用变送器

2、将检测元件的输出信号转换成标准的电、气信号（420mA 直流电流信号 ,20100KPa气压信号），送往控制器对被控变量进行控制。 我们将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。检测实施正确控制的第一步变送将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一(标准)的电、气信号。 静态：正确y(t)正确反映c(t)的值 可靠长期工作动态：迅速y(t)要迅速反映c(t)的变化过程控制对检测仪表要求：3.1.1 测量误差(1) 绝对误差：仪表的测量值与被真实值之差。(2) 相对误差（仪表引用误差）测量误差：检测仪表获得的测量值与实际被测变量真实值之间的差距。理论上：实际上：绝对误差与仪表的量程之比。(3

3、) 允许误差（相对误差的最大值）3.1.2 仪表性能指标精确度（精度） 表示仪表测量结果的可靠程度。 仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。 仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。 精度等级：允许误差去掉“”号及“%”后，按国家规定的系列圆整后的数值。 仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许误差为1.0%。国家规定的仪表精度系列等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0级。1.01.0例1 某台测温仪表的量程是600-1100，其

4、最大绝对误差为4 ，试确定该仪表的精度等级。 由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，而该仪表的最大引用误差超过了0.5级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.0级。解 仪表的最大允许误差为国家规定的仪表精度系列等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0级。例2 某台测温仪表的量程是600-1100，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过4 ，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。0.8%介于允许误差0.5%与1.0%之间，如果选择允许误差为1.0%,则其精度等级应为1.0级。量程为6001100，精确度为1.0级的仪表，

5、可能产生的最大绝对误差为5，超过了工艺的要求。所以只能选择一台允许误差为0.5%，精度等级为0.5级的仪表。解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差为结论： 校表：计算得到的最大允许误差值向上园整确定仪表的精度等级。 选表：计算得到的最大允许误差值向下靠近选定仪表的精度等级。 仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。量程的上限 ：一般确定为被测变量正常值的4/33/2倍；量程的下限 ：一般确定为被测变量正常值向下的1/3处。 (2) 变差 在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正、反行程测量时对

6、应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。(3) 线性度 衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。 线性度差，则降低了仪表精度。图3.1 线性度(4) 灵敏度和分辨率灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值。即： 灵敏度=Y/X 它体现了单位输入所引起的输出变化量。灵敏度反映了仪表对被测变量变化的灵敏程度。分辨率：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。 即： 分辨率=X /Y 它体现了引起单位输出所需要的输入变化量。分辨率也是仪表灵敏程度的一种体现。(5) 动态误差 由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后要经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。注：在工业生产中

7、被测量变化较快，所以不能忽略动态误差。3.2 温度检测3.2.1 温度检测方法3.2.2 热电偶3.2.3 热电阻3.2.4 热电偶、热电阻的选用3.2.1 温度检测方法按测温元件是否与被测对象接触分为： 接触式非接触式接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、超高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件

8、接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到超高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。 3.2.2 热电偶(1) 测温原理热电效应图3.2 热电偶的热电效应（称为参比端、冷端、固定端）（称为工作端、热端、自由端）将两种不同材料的导体或半导体A和B连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度o,则回路内将有电流产生，电流大小正比于接点温度和o的函数之差，而其极性则取决于A和B的材料。根据热电偶的“

9、中间导体定律”可知：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同；如果回路中接入更多种导体，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。热电偶的“中间导体定律”分度表：当0=0时， 与温度对应的数值表。（非线性）分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。常用工业热电偶比较常用热电偶类型：普通型热电偶： 热电极、绝缘管、接线盒等铠装热电偶常用热电偶类型普通型热电偶 由热电极、绝缘管、接线盒等构成。铠装热电偶 热电极、绝缘管、保护套管内部固化成 一

10、体。热响应时间少，减小动态误差；可弯曲安装使用；测量范围大；机械强度高，耐压性能好。扁接插式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防水式铠装热电偶手柄式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶图3.3多点热电偶 适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。图3.4 多点热电偶 防爆型热电偶 防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而隔爆。 防爆性能好； 压簧式感温元件，抗振性能好

11、； 测温范围大； 机械强度高，耐压性能好； 无固定装置固定法兰式固定螺纹式活络管接头式直型管接头式图3.5 防爆型热电偶 一览图(2) 补偿导线解决参比端温度的恒定问题。补偿导线要求：价格便宜，0100范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样图3.6 补偿导线连接图(3) 热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）补偿原理：工作端温度，参比端0，热电势为参比端温度补偿方法： 计算法冰浴法机械调零法（动圈表调零法），等级1.0以上补偿电桥法：利用参比端温度补偿器例如：用镍铬-镍硅（K）热电偶测温，热电偶参比端温度o =20，测得的热电势E（，o）为32.479mV。求实际温度。解：由K分

12、度表中查得E（20，0）为0.798mV, 则： E（，0）= E（，20）+ E（20，0） =32.479 + 0.798=33.277 mV再反查K分度表，得实际温度是800。计算法举例：3.2.3 热电阻金属热电阻测温原理是基于导体的电阻值随温度的变化而变化的特性。常用热电阻： 铜电阻和铂电阻热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。测量生产过程中的-200C+500C范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。无固定装置热电阻固定螺纹式热电阻活动法兰式热电阻固定螺纹锥式热电阻固定螺纹管接头式热电阻活络管接头式热电阻 装配式热电阻防喷

13、式铠装热电阻扁接插式铠装热电阻防水式铠装热电阻圆接插式铠装热电阻补偿导线式铠装热电阻端面热电阻适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。防腐热电阻采用新型防腐材料（聚四氟乙烯F46），适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。 端面热电阻 防腐热电阻微型热电偶/热电阻 适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业不可缺少的测温元件。炉壁热电偶/热电阻 适合于电厂锅炉炉壁，管壁及其它圆柱体表面测量。微型热电偶/热电阻 特殊热电偶/热电阻 炉壁热电偶/热电阻 半导体热敏电阻测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。NTC型：负温度系数； PTC

14、型：正温度系数。特点：结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。缺点：非线性严重、互换性差、测温范围窄3.2.4 热电偶、热电阻的选用(1)选用原则：较高温度热电偶 中低温区热电阻一般以500为分界。原因有两点：(1)在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。(2)由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。(2)安装(1)选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深度(2)热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。(3)检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔，避免被测介质溢出或冷空气吸

15、入而引入误差。热电阻的三线直接法：热电阻温度变送器输入回路是一个不平衡电桥，热电阻为桥路的一个桥臂。由于连接热电阻的导线存在电阻，其阻值随环境温度的变化而变化，造成测量误差。 所谓三线制接法，就是从热电阻两端引出三根相同的连接导线。如图所示，由于流过两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，不影响测量桥路输出。3.3 流量检测主要研究内容：3.3.1 基本概念3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器）3.3.3 容积式流量计3.3.4 质量流量计3.3.5 流量仪表的选用3.3.1 基本概念流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量

16、。累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总和。瞬时流量在某一时段的累积量。流量的表示方法：质量流量(qm)：单位时间内流过某截面的流体的质量。 单位：(kg/s)体积流量(qv)：单位时间内流过某截面的流体的体积。(工作状态下) qm=qv 单位: m3/s 体积流量(qvn)：折算到标准的压力和温度下的体积流量。（标准状态下:温度为20，压力为101.325 Pa ） qvn=qm/n qvn=qv/n 单位: Nm3/s流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响。 对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。 温度对密度的影响要大一些，一般温度每变化10时，液体密度的变

17、化约在1%以内，所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高的情况下，往往也可以忽略不计。 对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化10，密度变化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。 因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。 3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器） 差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。图3-22 标准节流元件(a) 孔板； (b) 喷嘴； (c) 文丘里管 (1) 节流装置 节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件，是安装在

18、流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管。 (2) 测量原理测量原理 在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量时，流体流过节流装置前后产生压力差p(p =p1-p2)，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器测量原理。 图3-23 节流件前后流速和压力分布情况流量方程式为 对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流元件时， 由于压力变化必然会引起密度的改变，即12，这时在公式中应引入体积膨胀系数，可压缩性流体体积膨胀系数小于1，如果是

19、不可压缩性流体，则=1。(3) 差压式流量检测系统 图3-24 差压式流量检测系统结构示意图 1）节流装置是将被测流体的流量值变换成差压信号p，节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压变送器（或差压计）。被测流量与差压p成平方根关系，如果直接用来显示流量，流量标尺是非线性的。如选用带有开方运算的差压变送器，则变送器的输出与流量成线性关系。应用注意事项： 2）为了使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须做到： 因为差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺有若干种规格，选择时应与节流装置孔径匹配。 在测量蒸汽和气体流量时，常遇到工作条件的密度与设计时的密度c不相同，这时必须对示数进行修正。差

20、压变送器的安装：介质为液体时： 差压变送器应装在节流装置下面，取压点应在工艺管道的中心线以下引出（下倾45左右），导压管最好垂直安装。当差压变送器放在节流装置之上时，要装置贮气罐。 介质为气体时：差压变送器应装在节流装置的上面, 防止导压管内积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。介质为蒸汽时： 应使导压管内充满冷凝液，因此在取压点的出口处要装设凝液罐。介质具有腐蚀性时： 可在节流装置和差压变送器之间装设隔离罐，内放不与介质有互溶的隔离液来传递压力，或采用喷吹法。其它常用流量计 靶式流量计 在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，经杠杆系统产生力矩。力

21、矩与流量的平方近似成正比。靶式流量计适用于测量粘稠性及含少量悬浮固体的液体。 旋涡流量计 其测量方法基于流体力学中的卡门涡街原理。把一个旋涡发生体（如圆柱体、三角柱体等非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋涡，形成涡列，且左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种涡列称为卡门涡街。 在一定的雷诺数Re范围内，体积流量qv与旋涡的频率f成线性关系。只要测出旋涡的频率f就能求得流过流量计管道流体的体积流量qv 。 另外，还有转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计等等。3.3.3 容积式流量计该流量计系直读累积式流体流量计，是由装有一对椭圆齿轮转子的计量

22、室、密封联轴器（小口径流量计采用灵敏度高的磁性联轴器）和计数机构组成。测得旋转频率就可求得体积流量。图3. 30椭圆齿轮流量测量示意图3.3.4 质量流量计 直接式质量流量传感器科里奥利质量流量传感器 科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同时， 处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。 3.4 压力检测3.4.1 压力单位及压力检测方法主要研究内容：3.4.2 常用压力检测仪表3.4.3 压力表的选用3.4.1 压力单位及压力检测方法(1) 压力单位工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”，定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。其

23、表达式为 式中: P压力； F作用力； A作用面积。 国际单位制（SI）中定义：1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上形成的压力为1“帕斯卡”。帕斯卡简称“帕”，单位符号为Pa。 其他的压力单位“工程大气压”（即kgf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、 “毫米水柱”（即mmH2O）等还在应用。(2) 压力的表示方法绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力，一般用大写符号P表示。大气压力 是指地球表面上的空气柱重量所产生的压力，以P0表示。 (1)弹性式压力表 弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。它结构简单，价格低廉，

24、现场使用和维修都很方便，又有较宽的压力测量范围，因此在工程中获得了非常广泛的应用。 3.4.2 常用压力检测仪表弹性元件 采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件，可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。图3-34 弹性元件示意图 图3-34给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。 图3-35 单圈弹簧管结构图3-36 弹簧管压力表 应变片式压力传感器 应变效应(2)压力传感器当某些材料受到某一方向的压力作用而发生变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面

25、上就产生符号相反的电荷；当压力去掉后，又重新恢复不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料种类较多，有石英晶体、人工制造的压电陶瓷，还有高分子压电薄膜等。 压电式压力传感器 1-绝缘体 2-压电元件3-壳体 4-膜片 压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。它是基于压阻效应工作的，即当它受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。常用的压阻元件有单晶硅膜片以及在N型单晶硅膜片上扩散P型杂质的扩散硅等。 压阻式压力传感器其测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于

26、测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。 电容式压力传感器压力表的选用主要包括仪表型式、量程范围、精度和灵敏度、外形尺寸以及是否还需要远传和其他功能，如指示、记录、报警、控制等。选用的依据如下：(1) 必须满足工艺生产过程的要求，包括量程和精度；(2) 考虑被测介质的性质，如温度、压力、粘度、腐蚀性、易燃易爆程度等；(3) 注意仪表安装使用时所处的现场环境条件，如环境温度、电磁场、振动等。 3.4.3 压力表的选用3.5 物位检测3.5.0 基本概念研究内容：3.5.1 物位检测的主要方法和分类3.5.2 常用物位检测仪表差压式液位计3.5.3 物位检测仪表的选

27、用3.5.0 基本概念 在容器中液体介质的界面高低叫液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，测量两种密度不同的液体介质分界面的高低（界位）的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位计。3.5.1 物位检测的主要方法和分类按工作原理主要有以下几种类型：直读式：根据流体的连通性原理来测量液位。 静压式：压力式和差压式。根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位。 浮力式：它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式，后者称为变浮力式。电气式：根据把物位