《化工仪表及自动化》第3章1

第三章检测仪表与传感器第一节概述第二节压力检测及仪表第三节流量检测及仪表第四节物位检测及仪表第五节温度检测及仪表第六节现代检测技术与传感器的开展第七节显示仪表第一节概述用来检测消费过程参数的技术工具称为检测仪表。用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号的仪表通常称为传感器。当传感器的输出为单元组合仪表中规定的规范信号时，通常称为变送器。一、丈量过程与丈量误差丈量过程在本质上都是将被测参数与其相应的丈量单位进展比较的过程，而丈量仪表就是实现这种比较的工具。丈量误差指由仪表读得的被测值与被丈量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。绝对误差xi：仪表指示值,xt：被丈量的真值由于真值无法得到x：被校表的读数值，x0：规范表的读数值相对误差二、仪表的性能目的1.准确度〔简称精度〕阐明：仪表的丈量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是，仪表的绝对误差在丈量范围内的各点不一样。因此，常说的“绝对误差〞指的是绝对误差中的最大值Δmax。两大影响要素绝对误差和仪表的丈量范围相对百分误差δ允许误差举例例1某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为＋4℃，试确定该仪表的精度等级。解：该仪表的相对百分误差为假设将该仪表的δ去掉“＋〞号与“％〞号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超越了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。仪表的δ允越大，表示它的准确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的准确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±〞号及“％〞号，便可以用来确定仪表的准确度等级。目前常用的准确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。小结例2某台测温仪表的测温范围为0～1000℃。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超越±７℃，试问应如何选择仪表的精度等级才干满足以上要求？解：根据工艺上的要求，仪表的允许误差为假设将仪表的允许误差去掉“±〞号与“％〞号，其数值介于0.5～1.0之间，假设选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为±1.0％，超越了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才干满足工艺要求。仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要目的之一。精度等级数值越小，就表征该仪表的准确度等级越高，也阐明该仪表的准确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为规范表；工业现场用的丈量仪表，其精度大多在0.5以下。仪表的精度等级普通可用不同的符号方式标志在仪外表板上。举例1.51.0根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于〔至少等于〕仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于〔至多等于〕工艺上所允许的最大相对百分误差。小结2.变差变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被丈量在仪表全部丈量范围内进展正反行程〔即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小〕丈量时，被丈量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏向。图3-1丈量仪表的变差3.灵敏度与灵敏限仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即式中，S为仪表的灵敏度；Δα为指针的线位移或角位移；Δx为引起Δα所需的被测参数变化量。仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。留意：上述目的仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。4.分辨率对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力目的。分辨率与仪表的有效数字位数有关。5.线性度线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实践校准曲线与实际直线的吻合程度。通常总是希望丈量仪表的输出与输入之间呈线性关系。图3-2线性度表示图6.反响时间反响时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的质量目的。反响时间长，阐明仪表需求较长时间才干给出准确的指示值，那就不宜用来丈量变化频繁的参数。仪表反响时间的长短，实践上反映了仪表动态特性的好坏。三、工业仪表的分类1.按仪表运用的能源分类气动仪表、电动仪表、液动仪表以电为能源，信号之间联络比较方便，适宜于远间隔传送和集中控制；便于与计算机联用；如今电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的平安运用。普通构造较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。优点缺陷常用2.按信息的获得、传送、反映和处置的过程分类检测仪表作用是获取信息，并进展适当的转换。显示仪表作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。集中控制安装包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。控制仪表可以根据需求对输入信号进展各种运算。执行器可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对消费过程进展操作或控制。图3-3各类仪表的作用3.按仪表的组成方式分类基地式仪表特点是将丈量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，构成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的运用范围。分为基地式仪表和单元组合仪表化工消费中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。留意单元组合仪表是将对参数的丈量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立任务的单元仪表〔简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等〕。这些单元之间以一致的规范信号相互联络，可以根据不同要求，方便地将各单元恣意组合成各种控制系统，适用性和灵敏性都很好。第二节压力检测及仪表一、压力单位及测压仪表压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕〔Pa〕为了使大家了解国际单位制中的压力单位〔Pa或MPa〕与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。压力单位帕/Pa兆帕/MPa工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×1061.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大气压9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气压1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1各种压力单位换算表p表P真P绝P绝大气压力线绝对压力的零线在压力丈量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。当被测压力低于大气压力时，普通用负压或真空度来表示。图3-4绝对压力、表压、负压〔真空度〕的关系测压仪表按其转换原理的不同可分为四类。1.液柱式压力计它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进展丈量。按其构造方式的不同U形管压力计单管压力计优点这类压力计构造简单、运用方便其精度受任务液的毛细管作用、密度及视差等要素的影响，丈量范围较窄，普通用来丈量较低压力、真空度或压力差。缺陷2.弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进展丈量的。3.电气式压力计它是经过机械和电气元件将被测压力转换成电量〔如电压、电流、频率等〕来进展丈量的仪表。4.活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进展丈量的。优点缺陷丈量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。构造较复杂，价钱较贵。二、弹性式压力计定义弹性式压力计是利用各种方式的弹性元件，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。优点具有构造简单、运用可靠、读数明晰、结实可靠、价钱低廉、丈量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来丈量几百帕到数千兆帕范围内的压力。1.弹性元件弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。图3-5弹性元件表示图弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。2.弹簧管压力表分类运用的测压元件单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。用途普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。1—弹簧管；2—拉杆；3—扇形齿轮；4—中心齿轮；5—指针；6—面板；7—游丝；8—调整螺丝；9—接头弹簧压力表在化工消费过程中，常需求把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至能够发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提示操作人员留意或经过中间继电器实现压力的自动控制。图3-7电接点信号压力表1，4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调理指针，上面分别有静触点1和4。当压力超越上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。假设压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需求灵敏调理。三、电气式压力计定义电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进展传输及显示的仪表。优点1.该仪表的丈量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％；2.由于可以远间隔传送信号，所以在工业消费过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。图3-8电气式压力计组成方框图组成普通由压力传感器、丈量电路和信号处置安装所组成。常用的信号处置安装有指示仪、记录仪以及控制器、微处置机等。几种常见的传感器或变送器：1.霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的丈量。图3-9霍尔效应霍尔电势可用下式表示式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片资料、几何外形有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。普通I为3～20mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图3-10所示。图3-10霍尔片式压力传感器1—弹簧管；2—磁钢；3—霍尔片当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自在端产生位移，因此改动了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。利用这一电势即可实现远间隔显示和自动控制。2.应变片压力传感器应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生紧缩〔拉伸〕应变时，其阻值减小〔添加〕，再经过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。图3-11应变片压力传感器表示图1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向分散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接分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。任务原理图3-12压阻式压力传感器1—基座；2—单晶硅片；3—导环；4—螺母；5—密封垫圈；6—等效电阻特点精度高、任务可靠、频率呼应高、迟滞小、尺寸小、分量轻、构造简单；便于实现显示数字化；可以丈量压力，稍加改动，还可以丈量差压、高度、速度、加速度等参数。4.电容式压力变送器电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有构造简单、过载才干强、可靠性好、丈量精度高等优点，其输出信号是规范的4～20mA〔DC〕电流信号。任务原理图3-13电容式差压变送器原理图1—隔离膜片；2，7—固定电极；3—硅油；4—丈量膜片；5—玻璃层；6—底座；8—引线先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进展丈量。电容式压力传感器结论：(1)相对变化值与被测差压成线性关系。(2)与介电常数无关,可大大减小温度对变送器的影响。(3)与有关。愈小，灵敏度越高。美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器四、智能型压力变送器智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的根底上添加微处置器电路而构成的智能检测仪表。图3-15手持通讯器的衔接表示图3051C型智能差压变送器所用的手持通讯器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进展远程设定及检测。实现的功能〔1〕组态〔2〕丈量范围的变卦〔3〕变送器的校准〔4〕自诊断

五、压力计的选用及安装1.压力计的选用压力计的选用应根据工艺消费过程对压力丈量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的思索和详细的分析，普通思索以下几个问题。仪表类型的选用仪表精度等级的选取仪表丈量范围确实定举例例3某台往复式紧缩机的出口压力范围为25～28MPa，丈量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地察看，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与丈量范围。解由于往复式紧缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为

根据就地察看及能进展高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，丈量范围为0～60MPa。由于，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。另外，根据丈量误差的要求，可算得允许误差为所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，丈量范围为0～60MPa，精度等级为1.5级。2.压力计的安装〔1〕测压点的选择应能反映被测压力的真实大小。①要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易构成漩涡的地方。②丈量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与消费设备衔接处的内壁应坚持平齐，不应有凸出物或毛刺。③丈量液〔气〕体压力时，取压点应在管道下〔上〕部，使导压管内不积存气〔液〕体。〔2〕导压管铺设①导压管粗细要适宜，普通内径为6～10mm，长度应尽能够短，最长不得超越50m，以减少压力指示的缓慢。如超越50m，应选用能远间隔传送的压力计。②导压管程度安装时应保证有1:10～1:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体〔或气体〕的排出。③当被测介质易冷凝或冻结时，必需加设保温伴热管线。④取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时运用。切断阀应装设在接近取压口的地方。③丈量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触[图3-17〔a〕］；对于有腐蚀性介质的压力丈量，应加装有中性介质的隔离罐，右图〔b〕表示了被测介质密度ρ2大于和小于隔离液密度ρ1的两种情况。图3-17压力计安装表示图１—压力计；２—切断阀门；３—凝液管；４—取压容器〔3〕压力计的安装①压力计应安装在易察看和检修的地方。②安装地点应力求防止振动和高温影响。④压力计的衔接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的资料，作为密封垫片，以防走漏。⑤当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的丈量误差应按Δp＝±Hρg进展修正。式中H为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。⑥为平安起见，丈量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人经过之处，以防发生不测。第三节流量检测及仪表一、概述介质流量是控制消费过程到达优质高产和平安消费以及进展经济核算所必需的一个重要参数。流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。定义1.速度式流量计以丈量流体在管道内的流速作为丈量根据来计算流量的仪表。2.容积式流量计以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为丈量根据来计算流量的仪表。3.质量流量计以丈量流体流过的质量M为根据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。分类质量流量M体积流量Q如以t表示时间，那么流量和总量之间的关系是1.节流景象与流量根本方程式〔1〕节流景象流体在有节流安装的管道中流动时，在节流安装前后的管壁处，流体的静压力产生差别的景象称为节流景象。二、差压式流量计差压式〔也称节流式〕流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流安装时产生的压力差而实现流量丈量的。图3-17孔板安装及压力、流速分布图〔2〕流量根本方程式流量根本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的根本流量公式。它是根据流膂力学中的伯努利方程和流体延续性方程式推导而得的。可以看出：要知道流量与压差确实切关系，关键在于α的取值。流量与压力差ΔP的平方根成正比。2.规范节流安装国内外把最常用的节流安装、孔板、喷嘴、文丘里管等规范化，并称为“规范节流安装〞。规范化的详细内容包括节流安装的构造、尺寸、加工要求、取压方法、运用条件等。孔板喷嘴文丘里管规范孔板是最为简单和典型的规范节流安装。规范孔板及其安装方法3.取压方式不同的节流安装应采用不同的取压方式。规范孔板的取压方式有角接取压、法兰取压和径距取压〔D-D/2取压〕，其中角接取压又分环室取压和单独钻孔取压。流向流向流向环室取压单独钻孔取压法兰取压规范孔板的几种取压方式法兰取压环室取压单独钻孔取压1-1—角接取压；2-2—法兰取压；3-3—径距取压；4-4—缩流取压；5-5—管接取压由节流安装、差压引压导管及差压计〔或差压变送器〕等组成。4.节流式流量丈量系统节流安装是将被测流体的流量值变换成差压信号Δp，由压力信号管路保送到差压变送器(或差压计)。被测流量与差压Δp成平方根关系，是非线性的，为了得到线性刻度，可加开方运算电路或加开方器。流量变送器带有开方运算，变送器的输出电流就与流量成线性关系。显示仪表显示流量的大小。5.差压式流量计的丈量误差不仅需求合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要留意正确的安装、维护和符合运用条件等，才干保证差压式流量计有足够的实践丈量精度。留意误差产生的缘由被测流体任务形状的变动。节流安装安装不正确。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏景象。差压计安装或运用不正确。图3-20丈量液体流量时的取压点位置图3-21丈量液体流量时的衔接图1—节流安装；2—引压导管；3—放空阀；4—平衡阀；5—差压变送器；6—贮气罐；7—切断阀图3-22丈量气体流量时的衔接图1—节流安装；2—引压导管；3—差压变送器；4—贮液罐；5—排放阀图3-23丈量蒸汽流量的衔接图1—节流安装；2—凝液罐；3—引压导管；4—排放阀；5—差压变送器；6—平衡阀图3-24差压计阀组安装表示图1，2—切断阀；3—平衡阀图3-25隔离罐的两种方式由引压导管接至差压计或变送器前，必需安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组，如图3-24所示。丈量腐蚀性〔或因易凝固不适宜直接进入差压计〕的介质流量时，必需采取隔离措施。常用的两种隔离罐方式如图3-25所示。三、转子流量计1.任务原理以压降不变，利用节流面积的变化来丈量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量丈量方法。图3-26转子流量计的任务原理图转子流量计中转子的平衡条件是由上式可得根据转子浮起的高度就可以判别被测介质的流量大小或将上式代换可得或流量与浮子高度h之间的关系近似线性。转子流量计有两大类：直读式转子流量计主要由玻璃锥形管、浮子和支撑构造组成由浮子位置高度读出流量值。远传式转子流量计可采用金属锥形管，其丈量转换机构将