第4章 检测变送仪表南阳理工过程控制课件及资料考试必备课件

第四章检测变送仪表第一节概述第二节温度检测仪表第三节压力检测仪表第四节流量检测仪表第五节液位检测仪表第六节成分分析仪表返回液位变送器返回一、测量滞后对控制质量的影响1．纯滞后问题图4-35pH值控制系统第一节测量与变送滞后对控制质量的影响及克服方法2．测量滞后问题

测量元件特别是测温元件，由于存在热阻和热容，本身具有一定的时间常数，带来了测量滞后。

图4-36测量滞后的影响三、克服测量传送滞后的方法克服方法测量滞后

纯滞后选择惯性小的测量元件合理选择测量元件的安装位置引入微分环节选择纯滞后较小的测量变送仪表采用史密斯（smith）预估补偿器

合理选择测量元件的安装位置第一节概述返回本章首页

过程变量(或称过程参数)检测主要是指连续生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等参数的测量。

所谓测量就是利用一个已知的单位量(即标准量)与被测的同类量进行比较，通过比较可知被测量是已知单位量若干倍的过程。过程变量检测与变送是实现过程变量显示和过程控制的前提，是过程控制工程的主要组成部分。通过过程变量的准确测量，可以及时了解工艺设备的运行工况，为操作人员提供操作依据；为自动化装置提供测量信导。这对于确保生产安全，提高产品的产量与质量，对于节约能源、保护环境卫生，提高经济效益等都是十分重要的，是实现工业生产过程自动化的必要条件。

目前，在工业生产过程自动化的诸多问题中，过程变量准确检测是最因难的问题之一。在进行过程变量检测时，一般由一测量体与被测介质相接触，测量体将被测参数成比例地转换为另一便于计量的物理量，然后再用仪表加以显示。在工程上，通常把前一过程叫做一次测量，所用的仪表叫作一次仪表，后面的计量显示仪表叫做二次仪表。检测元件又称敏感元件或传感器，它直接响应工艺变量，并转化为一个与之成对应关系的输出信号（包括位移、电压、电流、电阻、气压等）。由于种类繁多，一般再经变送器转换成标准统一的电气信号（4~20mA或0~10mA直流电流信号等）。检测仪表：检测元件、变送器及显示装置一次仪表：检测元件二次仪表：变送器及显示装置过程控制对检测仪表的基本要求：

1）测量值要正确反映被控变量的值，误差不超过规定的范围。

2）在环境条件下能长期工作，保证测量值的可靠性。

3）测量值必须迅速反映被控变量的变化，却动态响应比较迅速。

为了在过程控制工程中能正确选用合适的检测仪表，下面就检测的基本概念、检测方法及其常用仪表作一简要介绍。一、测量误差

所谓测量误差是指测量结果与被测变量的真值（实际值）之差。测量误差反映了测量结果的可靠程度。

测量误差可分为：

1．绝对误差与相对误差(1)绝对误差绝对误差是指仪表指示值与被测变量的真值之差。在工程上、通常把高一等级的标准仪器所测得的量值作为真值(实际值)。此时，绝对误差是指用标准仪表(准确度较高)与测量仪表(准确度较低)同时对同一量进行测量所得两个测量结果之差。(2)相对误差相对误差是指绝对误差与被测变量的真值之比的百分数。它比绝对误差更能说明测量结果的精确程度，常见有如下三种表示方式：1）实际相对误差，是指绝对误差与被测量的真值(实际值)之比的百分数。2）标称相对误差，是指绝对误差与仪表指示值之比的百分数。3）引用相对误差，是指绝对误差与仪表的量程之比的百分数。即：式中x—仪表的测量值；x0--被测变量的真值(实际值)；a—仪表测量范围的上限值（标尺上限）；b--仪表测量范围的下限值（标尺下限）。引用相对误差亦称为仪表引用误差仪表最大引用误差亦称为允许误差二、仪表性能指标

1．精确度（简称精度）任何自动化仪表均有一定误差。使用仪表时首先必须知道仪表的精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距(测量值的误差大小)。自动化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的，以测量范围中最大的绝对误差与该仪表的测量范围之比的百分数来衡量，即

自动化仪表的精度等级是将仪表允许误差的“±”和“%”去掉后的数值。常以一定符号形式标在仪表的面板上。我国过程检测控制仪表的精度等级有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。级数越小，则精度越高。一般工业用表为0.5—4级精度。如果某台仪表的允许误差为土1.5％，则该仪表的精度等级为1.5级。例1一台仪表的测温范围为50一550℃、绝对误差的最大值为6℃，则这台仪表的相对误差为上例中δmax＝1.2％，由于δmax小于允许误差值1.5％，表明该仪表检验结果符合1.5级精度。例2一台仪表量程为600一1100℃、工艺要求该仪表指示值的误差范围为±4℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？这台仪表的相对误差（最大引用误差）为δmax＝0.8％，0.8介于1.0和0.5之间，由于1.0精度的仪表最大绝对误差为±5℃，故只能选择0.5级精度的仪表才符合工艺要求。由上述两例可知：1）、校验仪表时确定仪表的精度，仪表的允许误差应比仪表校验所得的最大引用误差要大（仪表精度向下降）；2）、根据工艺要求确定仪表精度时，仪表的允许误差要小于或等于计算出的最大引用误差（仪表精度向上提）。仪表精度和量程有关系。在仪表精度一定的情况下，适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。一般仪表的上限应为被测工艺变量的4/3或3/2，若工艺变量波动较大（如测量泵的出口压力），则相应取为3/2或者2倍。为保证测量值的准确度，通常被测变量的值不低于仪表全量程的1/3。2．变差在外界条件不变的情况下，用同一仪表对同一个变量进行正、反行程（逐渐由小到大或由大到小)测量时．对应于以一测量值所得的两个读数之差即称为变差。即式中x1一一正行程测量的示值；x2——反行程测量的示值。变差是由于仪表中弹性元件、磁化元件；机械结构中的间隙、摩擦等因素所致。使用中仪表的变差不允许超出仪表的允许误差。3、线性度线性度就是衡量实际特性偏离线性程度的指标。理论直线实际曲线被测变量仪表指示值4、灵敏度与灵敏限（分辨率）(1)灵敏度仪表指针的线位移或角位移△y与引起此位移的被测参数的变化量△x之比即为仪表的灵敏度，即灵敏度＝△y/△x灵敏度反映仪表对被测量变量变化的灵敏程度。(2)灵敏限灵敏限是指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值。它是灵敏度的一种反映。一般来说，仪表的灵敏度越高，其分辨率越高。通常其值应不大于仪表允许误差的一半。5、动态误差以上性能指标都是静态的，即仪表在静止状态或者是被测量变化非常缓慢时呈现的误差情况。在被测量变化较快时则应考虑动态误差的影响。三、自动化仪表的选用实现生产过程自动化、不但要有正确的控制方案．而巳还需要正确合理地选用自动化仪表。一般应从工程实际需要出发，结合生产过程特点．满足用户要求。根据工艺过程的实际需要来选用仪表的控制、报警、记录、指示积算等功能。对于工艺过程影响较大,需随时进行监控的变量，宜选控制型仪表；对可能影响生产或安全的变量宜选用报警型仪表；对需要经常了解其变化趋势的变量宜选用记录型仪表；对于工艺过程影响不大,但需要经常监视的变量宜选用指示型仪表；对要求计量或经济核算的变量宜选用具有积算功能的仪表。自动化仪表的精度等级应根据工艺要求、产品质量指标、变量的重要程度等要求来合理选用。因为仪表精度愈高，其误差愈小，但是仪表的使用维护要求亦愈高．价格亦愈贵。所以不能片面追求其高精度。一般应该在满足上述要求的前提下、同时考虑经济性原则来合理选取。通常构成控制回路的各种仪表的精度要相配。记录仪表的精度不应低于1.0级．指示仪表精度不应低于1.5级。一、概述温度是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。任何化学反应和物理变化都与温度有关。大多数生产过程都是在一定温度范围内进行的。温度约占生产过程中全部过程参数的50％左右。所以．温度的检测与控制是过程控制工程的重要任务之一。测量温度的方法很多，从测量体与被测介质接触与否来分．有接触式测温和非接触式测温两类。第二节温度检测仪表1、接触式测温是通过测量体与被测介质的接触来测量物体温度的。在测量温度时，测量体与被测介质接触，被测介质与测量体之间进行热交换．最后达到热平衡，此时测量体的温度就是被测介质的温度。接触式测温的主要特点是：方法简单、可靠，测量精度高。但是由于测温元件要与被测介质接触进行热交换，才能达到热平衡，因而产生了滞后现象。同时测量体可能与被测介质产生化学反应；此外测量体还受到耐高温材料的限制，不能应用于很高温度的测量。2、非接触式测温是通过接收被测介质发出的辐射热来判断温度的。非接触式测温的主要特点是：测温上限原则上不受限制；测温速度较快，可以对运动体进行测量。但是它受到物体的辐射率、距离、烟尘和水汽等因素影响．测温误差较大。各种温度仪表中，机械式大多用于就地指示；辐射式的精度较差，只有电的测温仪表精度较高、信号又便于传送。所以，热电偶和热电阻在工业生产和科学研究领域中得到了广泛地应用。二、热电偶热电偶温度计在工业生产过程中使用极为广泛。它具有测温精度高．在小范围内热电动势与温度基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，测温范围宽，响应时间较快等特点。1．测温原理热电偶的测温原理是以热电效应为基础的。将两种不同材料的导体A、B组成一个闭合回路(如图2—23所示)，只要其连接点1t2温度不同，在回路中就产生热电动势．这种现象称为热电效应。这两种不同导体的组合元件就称为热电偶。为了提高热电偶的使用寿命．通常在热电偶丝外面套上保护套管．使热电偶与被测介质隔离，以防止有害物体对热电偶的浸蚀损坏或机械损伤。但是，这使热电偶测温滞后增大，一般热电偶的时间常数为1．5—4min。小惯性热电偶的时间常数约为几s。三、热电阻当测量低于150℃的温度时，由于热电偶输出的热电动势很小．故常用热电阻测量温度。热电阻温度计的最大特点是性能稳定、测量精度高、测温范围宽，同时还不需要冷端温度补偿、一般可在-270一900℃范围内使用。热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的性质来测量温度的。下面介绍工业上常用的几种热电阻。1．金属热电阻（1）．铂电阻铂易于提纯，在氧化性介质中，甚至在高温时，其物理、化学性质稳定．测量精度高，但是，在高温时易受还原性介质沾污。铂电阻不仅在工业上作为测温元件，而且还作为复现温标的基准。（2）．铜电阻铜易于加工提纯．价格使宜，而且电阻与温度几乎呈线性关系。在-50—150℃测温范围内稳定性好，但是当温度超过100℃时易被氧化。在测量精度要求不很高．而且温度较低的场合铜电阻温度计得到了广泛的应用。2．半导体热敏电阻用半导体材料制成的热敏电阻具有灵敏度高、热响应时间短、结构简单、使用方便等特点。由于它的体积小，其热惯性小，适用于快速测温。工业生产中常用的热敏电阻具有负的电阻温度系数，温度与电阻间呈非线性关系。其稳定性较差。其测温范围为-50一300℃c。常用于测量点温、表面温度与瞬变温度。四、温度检测仪表的选用原则从工程应用角度来说，温度检测仪表的合理选择和正确安全使用是十分重要的。一般热电偶用于较高温度的测量，中低温区采用热电阻进行测温。（P48）1．温度检测仪表的选择原则(1)必须满足生产工艺要求，正确选择仪表的量程和精度。正常使用温度范围一般为量程的30％一90％。对于一些重要的测温点，可选用自动记录式仪表。对于一般场合只要选择指示式仪表，如果要实现温度自动控制，则需要配用温度变送器。(2)必须注意使用现场的工作环境为了确保仪表工作的可靠性和提高仪表的使用寿命，必须注意生产现场的使用环境。诸如工艺现场的气体性质(氧化性、还原性、腐蚀性等)、环境温度等，并需采取相应的技术措施。2．仪表的安装原则

(1)合理选择测温点位置一定要使测温点具有代表性。诸如保证测温仪表与被测介质应充分接触，要求仪表与介质成逆流状态．至少是正交，切勿与介质成顺流安装；测温点应处于管道中流速最大处，其保护管的末端超过流速中心线的长度是：对于热电偶为5—10mm；铂电阻为50一70mm。；铜电阻为25—30mm；测量炉温一定要避免仪表(热电偶或热电阻)与火焰直接接触，测量负压管道(如烟道)中的温度时，应保证安装孔处必须密封，以防冷空气渗入影响测量示值等等。

(2)防止干扰信号引入在工程上安装热电偶或热电阻时，其接线盒的出线孔应部下，以免积水及灰尘等造成接触不良；在有强烈电磁场干扰源的场合，仪表应从绝缘孔中插入至被测介质。(3)保证仪表正常工作仪表在安装和使用中要避免机械损伤、化学腐蚀及高温变形。在有强烈振动的环境中工作时，必须有防振措施等，以保证仪表能正常工作。3．正确使用仪表当选用热电偶测温时，必须注意正确使用补偿导线的类型及其与热电偶的配套连接和极性。同时一定要进行冷端温度补偿。若选用热电阻测温时，则必须注意三线制接法。在现代工业生产过程中．压力的检测与控制是保证工艺要求、生产设备和人身安全并使生产过程正常运行的必要条件。同时，其它一些过程参数诸如温度、流量、液位等往往可以通过压力来间接测量。所以压力检测在生产过程自动化中具有特殊的地位。是极为重要的。在工程上，所谓压力就是物理学中的压强，即垂直而均匀地作用于单位面积上的力。一、压力的表示方法在工程上，被测压力有绝对压力、表压和负压(真空度)。第三节压力检测仪表1）绝对压力是指介质所受的实际压力。以绝对压力零线作起点计算的压力称为绝对压力。2）表压是指高于大气压的绝对压力与大气压力之差。3）负压或真空度是指大气压力与低于大气压的绝对压力之差。P表压力=P绝对压力—P大气压力

P真空度=P大气压力—P绝对压力工程上常采用表压和真空度来表示压力的大小。一般压力表所指示的压力是表压和真空度。大气压力线绝对压力零线绝对压力负压、真空度表压绝对压力由于在现代工业生产过程中测量压力的范围很宽，测量的条件和精度要求各异。所以压力检测仪表的种类很多，按其转换原理不同，可分为以下四类：(1)弹性式压力表弹性式压力表是根据弹性元件受力变形的原理、将被测压力转换成位移来测量的。例如弹簧管式压力表，膜片(或膜盒式)压力表、波纹管式压力表等。(2)液柱式压力表液住式压力表是根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来测量的。如单管压力计、U型管压力计及斜管压力计等。(3)电气式压力表电气式压力表是将被测压力转换成电势、电容、电阻等电量的变化来间接测量压力。如有应变片式压力计．霍耳片式压力计，热电式真空计等。(4)活塞式压力表活塞式压力表是根据液压机传递压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量。通常作为标准仪器对弹性压力表进行校验与刻度。返回本节二、常用压力检测仪表1、弹性式压力表弹性式压力表是利用各种弹性元件，在被测介质压力作用下产生弹性变形(服从虎克定律)的原理来测量压力的。

由于弹性式压力表具有结构牢固可靠、价格便宜、使用方便、测压范围宽(可从高真空到1000MPa的超高压)、测量精度较高(可达0.05级以止)等特点，在工业生产过程中获得了最广泛的应用。

弹性元件是弹性式压力表测压的敏感元件。随着测压范围不同，工业上常用的弹性元件有弹簧管、波纹管和单膜片。

2、电气式压力表电气式压力表是一种将压力转换成电量(电阻、电感、电势等)进行测量的仪表。适用于测量压力变化快、脉动压力、高真空和超高压场合。这种压力表反应较快，测量范围广、精度可达0.2%，便于远距离传送，在生产过程中可以实现压力自动检测、自动控制和报警。3、压力检测仪表的选择原则1)仪表类型的选择压力表类型的选择必须根据生产工艺要求、被测介质的性质和使用环境条件等而定。例如生产工艺是否要求压力信号现场指示、远传、报警、自动记录；被测介质有无腐蚀性，粘度大小，温度与压力高低，易燃易爆情况．是否易结晶等；现场环境条件诸如振动、电磁场、腐蚀性、高低温等。2)仪表量程的确定以弹性式压力表为例，为了保证弹性元件在弹性变形的范围内可取工作，在确定量程时应留有余地。在测量较平稳的压力时，压力表的上限值应为被测压力最大值的4／3倍；测量波动较大的压力时，压力表的上限值应为校测压力最大值的3／2倍；为了保证测量精度，被测压力的最小值．一般应不低于仪表量程的1／3。3)仪表精度度等级的选择仪表量程确定后，仪表精度等级应根据生产工艺对压力测量所允许的最大误差来决定。精度等级愈高、价格愈贵，维护要求也愈高。所以，工程上应在满足工艺要求的前提下，选用精度较低的仪表。对于工业用压力表一般选1—4级(1.5级或2.5级)。对于精密测量或校验用的压力表精度应在0.4级以上（0.5级或0.25级）。一．概述在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物科的配比与耗量、实现生产过程自动化和最优控制。同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。所谓流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量，即瞬时流量。其常用的计量单位有如下三种：(1)体积流量Q即单位时间内通过管道某一截面的物料体积。(2)重量流量G即单位时间内通过管道某一截面物料的重量。(3)质量流量M即单位时间内通过管道某一截面物料的质量。第四节流量检测仪表二、流量测量的主要方法通常把测量流体流量的仪表叫流量计。测量流体总量的仪表叫计量表流量测量的方法及其常用仪表很多。按其工作原理可分为三类：(1)容积式流量计容积式流量计是以单位时间内所排出流体的固定容积的数目来计算流体总量的。它包括椭圆齿轮流量计、括板式流量计、涡轮流量计、旋转活塞式流量门等。容积式流量计的特点是测量精度较高。(2)速度式流量计速度式流量计是应用流体力学测量流体在管道内的流速来51算流量的。这类仪表包括差压流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、靶式流量计、超声波流量计等。在工业生产过程中差压流量计和转子流量计应用最广。（3)质量流量计质量流量计有两种，一是通过直接检测与质量流量成比例的参数来实现质量流量测量的直接型质量流星计；二是通过体积流量计与密度计的组合来实现质量流量测量的间接型质量流量计。在我国这类流量计正在发展之中。三、差压式流量计差压流量计是流量测量中使用历史最久、最常用的一种流量计。它是根据节流原理利用流体流经节流装置(如孔板)时产生的压力差来测量流量的。如图所示，差压流量计由节流装置、引压导管、差压变送器或差压计组成。流体通过孔板后会产生静压差。流体流过管道孔板的流量愈大．则孔板前后产生的静压差也愈大。所以，测出这个压差就可知道此时流量的大小，这就是节流装置测量流量的基本原理。

液位是指密封容器或开口容器中液面的高低。在工业生产过程自动化中，需要对某些设备与容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测了解容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节容器中输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节所需的物料或进行经济核算；通过液位的测量，了解生产是否正常运行，以便及时监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。下面介绍工业生产中广泛应用的静压式液位计，和电容式液位计。第五节液位检测仪表2．静压式液位计静压式液位计是利用容器里的液位高度产生的静压力随其液位变化而变化的原理进行工作的。因为对于不可压缩的液体，液位高度与液位的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知液位高度。1、浮力式液位计利用浮子随液位升