矿大(北京)仪表与自动化-3-1(4学时)

纲要第一节概述introduction第二节压力检测及仪表pressuredetectionandmeter第三节流量检测及仪表flowdetectionandmeter第四节物位检测及仪表leveldetectionandmeter第五节温度检测及仪表temperature…第六节现代检测技术与传感器的发展Moderndetectiontechnologyandsensordevelopment第七节显示仪表indicatingmeter第一页，共52页。第一页，共52页。

本章基本要求：1）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的选用方法。Basicprincipleandselectionmethods3）了解各种流量计的测量原理(主要是差压式及转子流量计)；measuringprinciple4）掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。Zeroshift5）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。Thermalcouple6）了解电动温度变送器的作用及原理。transmitter第二页，共52页。第二页，共52页。检测仪表：检测工艺过程参数的技术工具。被测变量传感器被测对象变送器显示装置传感器：又称为检测元件或敏感元件，它感受被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号(如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力)变送器：传感器的输出信号种类很多，而且有时很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步处理。把传感器的输出转换成标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。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。

第三页，共52页。第三页，共52页。一、测量过程与测量误差1、测量过程measuringprocess：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。2、测量误差measuringerror：由于测量工具不准确，或观测者主观性和周围环境等因素，造成仪表测量值与真值之间的差距为测量误差。第一节概述绝对误差

仪表指示值

xi与真值

xt的差。

Δ=xi-

xt相对误差

绝对误差与标准仪表指示值

x0的比值。

y=

Δ/x0=(xi-

x0)/

x0

x0——标准表读数absoluteerrorrelativeerror第四页，共52页。第四页，共52页。二、仪表性能指标performanceindex

(精度，变差，灵敏度，分辨力，线性度，反应时间)(accuracy,variation,sensitivity,resolution,linearity,responsetime)1、精确度（简称精度accuracy）

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δ(relativepercentageerror)。

δ=[Δmax/(测量范围上限-测量范围下限)]

×100%upperlimit–lowerlimit允许误差(allowableerror)：表示仪表常态下的最大误差。一般用正负相对百分误差来表示。第五页，共52页。第五页，共52页。精确度：指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差(去掉与%）。常用精度等级：0.0050.020.05

0.1

0.20.4

0.51.01.52.54.01.51.0仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。第六页，共52页。第六页，共52页。例1：确定仪表的精度等级。例2：根据需要选择满足要求精度的仪表。问：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?

结论：工艺要求的仪表的校验所得到的允许误差允许误差

相对百分误差

≥≥第七页，共52页。第七页，共52页。2、变差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测量时，两条特性曲线间的最大偏差。变差=（最大偏差/仪表量程）×100%测量仪表的变差变差应小于允许误差,否则,仪表应修理。

变差的原因:传动间隙;摩擦力;弹性滞后第八页，共52页。第八页，共52页。3、灵敏度与灵敏限sensitivity（针对指针式仪表）灵敏度：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。数值为被测参数发生单位变化后，仪表指针的移动距离。

S=Δα/Δx灵敏限：能引起仪表指针发生

动作的被测参数的最小变化量。灵敏限≤(允许误差)/2。

指针的线位移或角位移引起Δα所需的被测参数的变化量第九页，共52页。第九页，共52页。

4、分辨力resolution

（针对数字式仪表）含义：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。最高的分辨力：量程不同，分辨力不同，最低量程的分辨力是最高的分辨力（灵敏度）。如:某表的最低量程为:0-1.0000V,末位数字的等效电压为100μV,则该表的灵敏度为100μV.分辨率：分辨力(灵敏度)与量程的比值。如上表:100μV

/1000000μV100%=0.01%第十页，共52页。第十页，共52页。

线性度示意图5、线性度linearity

（非线性误差）含义：表示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。

δf=（Δfmax

/

仪表量程）×100%线性度高的仪表，可均匀仪表刻度。对于数字仪表，无线性度的要求。校准曲线对于理论直线的最大偏差第十一页，共52页。第十一页，共52页。

6、反应时间responsetime含义：被测参数发生变化后，仪表显示这种变化所需的等待时间。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95%）所花费的时间。引起动态误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。第十二页，共52页。第十二页，共52页。

三、工业仪表的分类classification动力power电动仪表powerdrivenmeter，信号联系方便,可远距离传输,便于计算机相连,结构复杂,易受温度、磁场、湿度，放射性等影响。

气动仪表gasdrivenmeter，结构简单，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。

液动仪表liquiddrivenmeter,传输速度慢，结构复杂。第十三页，共52页。第十三页，共52页。

三、工业仪表的分类信息的获得、传递、反映和处理过程：

检测仪表detectionmeter；显示仪表indicationmeter；集中控制装置integrationcontrolinstrument；控制仪表controlinstrument；执行器actuator；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，之间以统一的标准信号相连。适合集控，布置与使用灵活如：DDZ，QDZ，第十四页，共52页。第十四页，共52页。压力单位及测压仪表弹性式压力计elasticpressuregauge电气式压力计Electrictypepressuregauge智能型压力变送器intelligentpressuretransmitter压力计的选用和安装selectionandinstallation第二节压力检测及仪表第十五页，共52页。第十五页，共52页。

电气式压力计霍尔片式压力传感器Hallchippressuresensor应变片式压力传感器

Strainchippressuresensor3.压阻式压力传感器

Piezoresistancepressuretransducer4.力矩平衡式压力变送器Torquebalancedpressuretransmitter5.电容式压力变送器

Capacitancepressuretransmitter第十六页，共52页。第十六页，共52页。一、压力单位及测压仪表

P=F/SSI单位帕斯卡Pa=1N/m2压力的表示方法：表压；绝对压力；负压或真空度

P表压=P绝对压-P大气压

P真空度=P大气压

-

P绝对压

P绝绝对压力零线P表P真P绝大气压p01.01325×105Pa由于各种工艺设备和检测仪表通常工作于大气中，本身承受着大气压力，因此一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。第十七页，共52页。第十七页，共52页。测压仪表按照转换的原理，分为四大类：

液注式

（U形单管斜管）

弹性式

（弹簧管波纹管

膜式）

电气式

（电压电流频率）

活塞式（标准压力计）将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。精度较高，普遍被用作标准仪器.将压力转换成液柱高度再进行测量。将被测压力转换成弹性元件的位移再进行测量。将被测压力转换成各种电量(如电阻)再进行测量。第十八页，共52页。第十八页，共52页。

二、弹性式压力计elasticpressuregauge

利用各种形式的弹性元件，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。1、弹性元件（测压范围不同，元件不同）弹簧管式元件：测高压，1000MPa，分单圈与多圈薄膜式：膜片式与膜盒式，测压比弹簧管低。波纹管式：流纹状薄壁筒体。测微压与低压(1MPa)。

弹性元件示意图第十九页，共52页。第十九页，共52页。

2、弹簧管压力表（单圈，双圈，耐酸碱，禁油）

弹簧管压力表（P40）

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灯红灯p第二十页，共52页。第二十页，共52页。

三、电气式压力计（将压力转换为电信号）特点：测量范围为7×10-5Pa至5×102MPa，可远距离传输；与IPC联用，可实现压力自控与报警。组成：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）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，应变式，压阻式，力平衡式，电容式等几种。传感器辅助电源指示器记录仪控制器测量电路电量压力第二十一页，共52页。第二十一页，共52页。1、霍尔片式压力传感器Hallchippressuresensor原理：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。霍尔效应:

UH=RH·

B·I控制电流I为3~20mA，磁感应强度B为几千高斯霍尔电势UH为毫伏级

霍尔片式压力传感器图（P42图3-10）第二十二页，共52页。第二十二页，共52页。

2、应变片式压力传感器

Strainchippressuresensor

（达25MPa)原理：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。优点：动态性能较好，适用于快速变化的压力测量。（有金属应变片与半导体应变片）r1r2123P(a)传感器U=10V△U=5mV1—应变箱2—外壳3—密封膜片第二十三页，共52页。第二十三页，共52页。

3、压阻式压力传感器

Piezoresistancepressuretransducer原理：利用单晶硅片为弹性元件，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，再由桥式电路检出电压信号。压阻式压力传感器示意图第二十四页，共52页。第二十四页，共52页。

4、力矩平衡式压力变送器（精度较高,工作稳定,线性好）

Torquebalancedpressuretransmitter原理：利用负反馈，使杠杆平衡检测部分:ΔP→输入力Fi

杠杆系统:力的传递和力矩比较，生成位移信号

位移检测放大器:位移→输出Io电磁反馈装置:输出→反馈力Ff△P膜片Fi杠杆系统△M位移检测放大器电磁反馈机构FfIo在某状态，通过检出的电流来反应输入压力的大小。I0=Kptg第二十五页，共52页。第二十五页，共52页。

5、电容式压力变送器

（精度高,可达0.2）原理：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。p1p2电容式（差压）变送器示意图第二十六页，共52页。第二十六页，共52页。

四、智能型压力变送器组成：在普通压力或差压传感器的基础上，增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。最大特点：可进行远距离通信。

美国Fisher-Rosemount3051C差压变送器。方框图第二十七页，共52页。第二十七页，共52页。

手持通信器的连接示意图：端子信号线第二十八页，共52页。第二十八页，共52页。

五、压力计的选用及安装1、压力计的选用（类型，量程，精度）1）仪表类型的选用

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。

如：测氨压力弹簧管，只能用碳钢，不用铜合金；氧气压力计，必须禁油；2）仪表测量范围的确定

压力计上限高于工艺上限

①测定稳压，最大工作压力<测量上限的2/3测定脉压，最大压力<测量上限的1/2测定高压压力，不超过量程的3/5

②测定最小值，不低于量程的1/3

③按相应规程或标准选用标尺极限值3）仪表精度级

根据工艺允许的最大误差确定。例3仪表的选择P46第二十九页，共52页。第二十九页，共52页。

2、压力计的安装1）测压点的选择

反映测量压力的真实大小。

①介质直线流动的管段。避免：拐弯分叉死角漩涡

②流动压力测量，取压点与流动方向垂直。

③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，取压点则在管道上方（不积存液体）。2）导压管的辅设

①导压管粗细合适，内径为6~10mm,长<50m。

②导压管水平安装时，要有1:10~1:20的斜度。

③

被测介质易冷凝或冻结，须增设保温伴热管线

④

取压口与压力计之间应装有切断阀。第三十页，共52页。第三十页，共52页。

3）压力计的安装

①便于观察和检修的位置。

②避免振动和高温的影响

③测蒸汽压力时，应装凝液管，腐蚀性介质要用隔离罐。

④压力计的连接处，要选择合适材料密封。

⑤（测小压力）压力计与取压口不水平时，要注意修正。

⑥高压计，选有通气孔，安装时表壳面向安全处。第三十一页，共52页。第三十一页，共52页。

一、概述流量的表达：瞬时流量

总量质量流量体积流量instantaneousflow,overallflow,massflow,volumeflow

M=Q·ρ流量的测量：流量计(flowmeter)；计量表(gaugemeter)；流量的单位（t/h，kg/h，kg/s，m3/h，L/h，L/min，mL/min(sccm))第三节流量检测及仪表第三十二页，共52页。第三十二页，共52页。

一、概述测量流量的方法:

速度式：差压式，转子，电磁，涡轮，堰式。Differentialpressuretype,rotor,electromagnetism,turbine,wier.容积式：齿轮，活塞式。

wheelgear,piston质量式：量热式，角动式；（精度不受流体影响）

calorimetric,anglemovement第三节流量检测及仪表第三十三页，共52页。第三十三页，共52页。二、差压式流量计Differentialpressuretypeflowmeter原理：节流原理。由节流装置差压计和显示仪表组成。1、节流现象和流量基本方程节流现象：节流装置前后，液体静压力产生差异的现象。节流装置：含节流件、取压装置。

IIIIII流速静压第三十四页，共52页。第三十四页，共52页。流量基本方程：

α——流量系数，它与节流装置的结构形式、取压方式、孔口截面积与管道截面积之比m、孔口边缘锐度、管壁粗糙度等因素有关；

ε——膨胀校正系数，它与孔板前后压力的相对变化量、介质的等熵指数、孔口截面积与孔道截面积之比等因素有关。

F0——节流装置的开孔截面积；

△p——节流装置前后实际测得的压力差；

ρ——节流装置前后的流体密度。第三十五页，共52页。第三十五页，共52页。

2、标准节流装置包括：孔板，喷嘴，文丘里管。

它对节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等各方面都具体规定。

dDhH具体要求可查手册P51第三十六页，共52页。第三十六页，共52页。取压方法（国标角接取压与法兰取压）角接取压法：在孔板前后两端面与管壁的夹角处取压，可通过环室与单独钻孔结构来实现。两种结构的适用条件：P51孔板的优缺点：P52第2、3段标准节流装置的安装特点：P52第4段差压计与差压变速器：P53第三十七页，共52页。第三十七页，共52页。法兰取压：由一对带有取压口的法兰组成。取压口轴线距离孔板上、下端面均为25.4mm（1英寸）l1l2法兰取压差压测量：在采用差压变送器，将差压信号转换为统一的标准信号，便于显示及控制。第三十八页，共52页。第三十八页，共52页。

3、差压式流量计的测量误差差压式流量计误差较大，下面列举一些造成测量误差的原因，以便在安装使用过程中得到充分的注意，并予以适当的解决。

1）被测流体工作状态的变动。(温度,压力,粘度,雷诺数等)

2）节流装置安装不正确或不清洁。流体方向及孔口堵塞等。

3）孔板入口边缘的磨损，腐蚀等引起节流口尺寸的变化。4）导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象。

测量液体、气体、蒸汽时连接方法不同。P53~545）差压计安装或使用不正确。三阀组：差压计阀组安装示意图

P53

图3-24

隔离罐两种型式

P54

图3-25第三十九页，共52页。第三十九页，共52页。测量液体时连接方法：取压点（节流装置的下半部）；引压导管；排气装置与储气罐；取压点水平且节流装置在下，须装贮气罐导压管不能垂直安装，要有一定倾角储气罐第四十页，共52页。第四十页，共52页。测量气体时连接方法：取压点（节流装置的上半部）；引压导管；贮液罐与排放阀；差压计必须安装在节流装置之下时，须加贮液罐4和排放阀5贮液罐排放阀第四十一页，共52页。第四十一页，共52页。

测量蒸气时连接方法：考虑如何处置冷凝液两根导压管上要安装凝液罐1—节流装置，2—凝液罐，3—引压导管4—排放阀，5—差压变送器，6—平衡阀第四十二页，共52页。第四十二页，共52页。差压计阀组安装和使用：三阀组：切断阀1、2，平衡阀3使用：

开：开3开1关3开2

关：关2开3关1关3差压计三阀组安装三阀组的开与关的顺序正好相反，强调使用的方法和开关阀的顺序，主要是为了保护差压计不受压力的冲出而损坏。第四十三页，共52页。第四十三页，共52页。

测量腐蚀性介质：采取隔离措施中性液体——隔离液隔离罐的安装第四十四页，共52页。第四十四页，共52页。

三、转子流量计（rotorflowmeter用于小流量的测量）

孔板流量计用于管径>50mm雷诺数在104～

105以上的流体，而转子流量计则用于管径<50mm，低雷诺数流体的测量。1、工作原理

压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。如右图：转子在锥形管中的平衡位置的高低与被测介质的流量大小相对应，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低就可以直接读出流量的大小。(注：这种流量计只能就地显示）流量计算公式：P55式3-21、式3-22第四十五页，共52页。第四十五页，共52页。转子流量计中转子的平衡条件：V(ρt-ρf)g=(p1-p2)AV:转子的体积；ρt：转子的密度

ρf：流体的密度A：转子的最大横截面积