第3章-常见过程测控仪表

１.了解过程测控仪表的组成，掌握过程测控仪表信号的标准。２.了解测量误差的基本概念，掌握常用数字滤波的方法。３.了解安全场所的划分和仪表防爆的基本知识。４.了解物位、成分等检测仪表的工作原理与使用。５.了解过程控制中软测量技术的基本概念。６.掌握过程测控仪表的几种接线方式，以及相互之间的区别。７.掌握热电偶、热电阻等温度检测仪表的使用，以及温度检测仪表的选型和安装。８.掌握常用压力、流量等检测仪表的工作原理以及选型和安装。学习目标第3章常见过程测控仪表§３—１测控仪表组成及接线方式一、过程检测仪表的组成第3章常见过程测控仪表二、过程检测仪表的接线方式１.电流二线制和四线制第3章常见过程测控仪表２.电阻三线制第3章常见过程测控仪表３.现场总线方式第3章常见过程测控仪表§３—２测量误差及处理一、测量误差的基本概念２.误差被测变量本身所具有的真实值，称为真值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。１.真值绝对误差是指仪表输出信号所代表的被测值与被测参数真值之差。式中Δ———被测值的绝对误差值；Ｍ———约定真值或相对真值。Δ＝Ｍ－Ａ第3章常见过程测控仪表仪表绝对误差的求法是用精确度高的标准仪表和实用测量仪表，在相同的条件下，对同一参数进行测量，然后进行数据比较，这项工作就叫作仪表的校验。绝对误差与约定真值的百分比，定义为仪表的相对误差，即:δ＝Δ/Ａ×100％绝对误差与仪表量程的百分比，称为仪表的引用误差，即:δｍ＝Δ/Ｘ×100％式中δｍ———仪表引用误差；Δ———仪表的绝对误差；Ｘ———仪表的量程，即仪表测量范围的上限值与下限值之差。第3章常见过程测控仪表例３—２—１某压力表刻度0

~100kPa，在50kPa处计量检定值为49.5kPa，求在50kPa处仪表的绝对误差、相对误差和引用误差。第3章常见过程测控仪表３.精度等级精度等级又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级，我国生产的仪表，其精度等级有0.001、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，精度（准确度）就越高。第3章常见过程测控仪表二、测量变送中的几个问题１.纯滞后问题２.测量滞后问题３.信号传送滞后问题第3章常见过程测控仪表三、测量信号的处理测量信号的处理包括对测量信号进行线性化处理和滤波处理等。数字滤波是一种程序滤波，即利用计算机自身能够进行运算与判断的特点，通过计算机软件滤去干扰信号，以提高信号的真实性。采用数字滤波可以消除低频干扰。１.算术平均值滤波算术平均值滤波又称为递推平均滤波，它对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。其公式为：第3章常见过程测控仪表２.程序判断滤波当|Ｘｉ-Ｘｉ-１

|

<Ｂ时，则Ｘｉ为输入计算机的采样值；当|Ｘｉ-Ｘｉ-１

|≥Ｂ时，则将Ｘｉ-１采样值作为第ｉ次采样值输入计算机。其中，Ｘｉ-１为上次采样值；Ｘｉ为本次采样值；Ｂ为阈值；Ｂ值的选择主要取决于对象被测参数的变化速度。第3章常见过程测控仪表３.中位值法滤波连续采样三次以上的值，从中选择大小居中的那个值作为有效的测量信号。４.一阶惯性滤波实质上是通过计算机的算法来实现动态的ＲＣ低通滤波。其传递函数为：式中Ｙ（ｓ）

———滤波器输出的拉普拉斯变换；Ｘ（ｓ）

———滤波器输入的拉普拉斯变换；Ｔｆ———滤波器的时间常数，ｓ。第3章常见过程测控仪表§３—３安全防爆基础一、危险场所划分表３—３—１危险区分类说明类别气体和蒸汽爆炸危险环境粉尘爆炸危险环境火灾危险环境级别０区1区2区10区11区21区22区23区第3章常见过程测控仪表１.隔爆型隔爆型防爆形式是把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭在一个外壳内，其外壳能够承受通过外壳接合面或结构间隙渗透到外壳内部的任何可燃性混合物在内部引起的爆炸而不被损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃，从而达到隔爆目的。隔爆型设备适用于１、２区场所。２.本安型本安型防爆形式是设备内部的所有电路都是在标准规定条件（包括正常工作和规定的故障条件）下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的本质安全电路。该防爆形式只能应用于弱电设备中，该类型设备适用于０、１或２区。第3章常见过程测控仪表二、防爆安全栅１.齐纳式安全栅齐纳式安全栅是通过快速熔断丝和限压、限流电路实现能量限制作用，使得在本安防爆系统中，不论现场本安仪表发生何种故障，都能保证传输到现场（危险区）的能量处于一个安全范围内（不会点燃规定的分级、分组爆炸性气体的混合物），从而保证现场安全。２.隔离式安全栅隔离式安全栅分输入式安全栅（从现场到控制室）和输出式安全栅（从控制室到现场）两种。

第3章常见过程测控仪表§３—４温度测量温度是表征物体冷热程度的一个物理量，反映了物体内部分子运动平均动能的大小。温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。华氏温标与摄氏温标之间的换算公式为：第3章常见过程测控仪表一、接触式与非接触式测温接触式测温方法主要包括基于物体受热体积膨胀的膨胀式温度检测仪表，基于导体或半导体电阻随温度变化的热电阻式温度检测仪表，基于热电效应的热电偶式温度检测仪表等。非接触式测温方法利用的是物体的热辐射特性与温度之间的对应关系。第3章常见过程测控仪表二、热电偶热电偶是利用热电效应制成的温度传感器，分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指按国家规定定型生产、有标准化分度表和允许误差的热电偶。而非标准化热电偶主要用于特殊场合的测温。工业上常用的标准热电偶有如下几种：铂铑10—铂热电偶（分度号Ｓ），铂铑30—铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号Ｂ）和镍铬—镍硅（镍铬—镍铝）热电偶（分度号Ｋ）等。第3章常见过程测控仪表１.热电偶的主要特性我国从1988年起，热电偶全部按ＩＥＣ国际标准生产，并指定Ｓ、Ｂ、Ｋ、Ｔ、Ｅ、Ｊ等标准化热电偶为中国统一设计型号。２.热电偶的冷端补偿由热电偶测温原理可知，只有当其冷端温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数，即：Ｅ(ｔ，０)＝Ｅ(ｔ，ｔ０)＋Ｅ(ｔ０，０)第3章常见过程测控仪表例３—４—１用分度号为Ｋ的镍铬—镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃，实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表的指示值应为多少？第3章常见过程测控仪表三、热电阻金属热电阻的电阻值和温度之间的关系一般可以近似表示为：Ｒｔ＝Ｒ0

[１＋α（ｔ－ｔ0）]式中Ｒt——温度ｔ时对应的电阻值；Ｒ0——温度ｔ0

(通常ｔ0＝０℃)时对应的电阻值；

α——温度系数。半导体热电阻（也称热敏电阻）的阻值与温度之间的关系一般可以近似表示为：Ｒt

＝ＡｅＢ/ｔ式中Ｒt——热敏电阻在温度ｔ时对应的电阻值；Ａ、Ｂ——取决于半导体材料和结构的常数。第3章常见过程测控仪表四、集成式温度传感器第3章常见过程测控仪表五、接触式测温元件的选型与安装１.接触式测温元件的选型(１)仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏差值的大小确定。(２)仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济合理等。(３)温度仪表的测量上限应选得比实际使用的最高温度略高一些。(４)一般优先选用热电偶测温，只在测温范围低于150℃时才选用热电阻。(５)热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。(６)保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级，材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。第3章常见过程测控仪表２.接触式测温元件的安装(１)在测量管道内流动介质温度时，应保证传感器与介质充分接触，要求传感器与被测介质成逆流状态安装，至少呈正交式安装，切勿与被测介质形成顺流状态。传感器的感温点应处于管道中流速最大的地方。(２)为了减小测量误差，应尽可能增大传感器的插入深度。温度计应斜插或在管道弯头处插入。(３)当测温管道过细（直径小于80mm）

时，安装测温元件需加装扩充管。(４)在安装热电偶及热电阻时，应使其接线盒的面盖朝上。(５)安装在负压管道上的温度计，必须要保证良好的密封性。(６)用热电偶测量炉膛温度时，应避免与火焰直接接触；还应避免把热电偶安装在炉门旁或与热物体距离过近之处。接线盒不应碰到被测介质的器壁。第3章常见过程测控仪表§３—５压力测量所谓压力是指均匀而垂直作用于单位面积上的力，也就是物理学中的压强，用符号Ｐ表示。由于参考点不同，在工程技术中流体的压力可分为以下几种:(１)差压（又称压差）：两个压力之间的相对差值。(２)绝对压力：相对于零压力（绝对真空）所测得的压力。(３)表压力：绝对压力与当地大气压之差。(４)负压（又称真空表压力）：当绝对压力小于大气压时，大气压与绝对压力之差。(５)大气压：它是地球表面上的空气质量所产生的压力，大气压随当地的海拔高度、纬度和气象情况变化。第3章常见过程测控仪表压力的表示方法有三种：绝对压力ｐａ，表压力ｐ，负压或真空度ｐｈ，关系如图３—５—１所示。第3章常见过程测控仪表一、弹性式压力检测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（服从胡克定律）的原理来测量压力的。第3章常见过程测控仪表二、应变片式压力检测应变片式压力传感器使用的敏感元件是应变片，它是由金属导体或者半导体材料制成的电阻体。当应变片受到外力作用产生形变（伸长或者收缩）时，其电阻值也将发生相应的变化。根据电阻值计算公式：Ｒ＝ρｌ/Ａ可以求得，在应变片的测压范围内，其电阻值的相对变化量为：第3章常见过程测控仪表第3章常见过程测控仪表三、压阻式压力检测压阻式压力传感器是根据压阻效应制造的，其压力敏感元件就是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成的扩散电阻，当受到外力作用时，扩散电阻的阻值由于电阻率的变化而改变。第3章常见过程测控仪表四、压力表的选择与安装１.压力表的选择(１)量程的选择(２)准确度的选择(３)使用环境及介质性能的考虑(４)压力表外形尺寸的选择第3章常见过程测控仪表２.压力表的安装(１)测点的选择和安装必须保证仪表所测得的是介质的静压力。(２)安装地点应力求避免振动和高温的影响。(３)在测量蒸汽压力时，应加装凝汽管；对于腐蚀性介质，应加装充有中性介质的隔离罐；针对被测介质的不同性质（高温、低温、腐蚀、脏污、结晶和黏稠等），应采取相应的防高温、防腐蚀、防冻及防堵等措施。(４)测点与压力计之间应加装切断阀门。切断阀门应安装在靠近测点的地方。(５)在需要进行现场校验和经常冲洗引压导管的情况下，切断阀可改用三通开关。(６)引压导管不宜过长，以便减小压力指示的时延，一般长度不大于50m。第3章常见过程测控仪表§３—６流量测量流量通常是指单位时间内流经管道某截面流体的数量，也就是所谓的瞬时流量。在某一段时间内流过流体的总和，称为总量或累积流量。瞬时流量和累积流量可以用体积表示，也可以用质量表示。(１)体积流量。(２)质量流量。(３)标准状态下的体积流量。式中ρ———液体的密度。第3章常见过程测控仪表一、容积式流量计容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积。容积式流量计的工作原理为：流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差。流量计的转动部分在这个压力差作用下将产生旋转，并将流体由入口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满流量计的计量空间，然后又不断地送往出口。在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就可以得到通过流量计的流体体积的累积值。ＶΣ＝ＮＶ第3章常见过程测控仪表第3章常见过程测控仪表二、速度式流量计１.涡轮流量计涡轮流量计是一种速度式流量仪，它利用置于流体中的叶轮旋转角速度与流体流速成比例的关系，通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量大小。第3章常见过程测控仪表２.漩涡（涡街）流量计漩涡流量计是利用流体振动原理来进行流量测量的，即在特定的流动条件下，流体一部分动能产生流体振动，且振动频率与流体的流速（或流量）有一定关系。第3章常见过程测控仪表３.电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的。在管道直径Ｄ已经确定、磁场强度Ｂ维持不变时，流体的体积流量与磁感应电动势呈线性关系。第3章常见过程测控仪表４.超声波流量计超声波在流体中传播时，会载有流体流速的信息。因此，通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。第3章常见过程测控仪表三、差压式流量计１.节流式流量计流体流过阻力件使流束收缩导致压力变化的过程称为节流过程，，其中的阻力件称为节流件，并且分标准型和特殊型两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。第3章常见过程测控仪表(１)节流原理第3章常见过程测控仪表(２)伯努利方程对于不可压缩液体，伯努利方程可表示如下：第3章常见过程测控仪表(３)节流装置的流量方程第3章常见过程测控仪表２.浮子式流量计浮子流量计的流量公式可以表示为：第3章常见过程测控仪表３.质量流量计第3章常见过程测控仪表四、多相流体的流量测量多相流体就是在流体流动中不是单相物质，而是有两种或两种以上不同相物质同时存在并一起运动。两相流体流量可分为两种：一种为两相混合物流量，即两相流体的总流量；另一种为各相的流量，各相流量之和就等于两相混合物流量。第3章常见过程测控仪表§３—７物位测量物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。物位仪种类很多，常用的有直读式液位计、差压式物位仪、浮力式液位计、电容式物位仪、超声波式物位仪和核辐射式物位仪等。此外，还有电触点式、翻板式和机械叶轮探测式等物位测量仪表。第3章常见过程测控仪表一、浮力式液位测量第3章常见过程测控仪表二、静压式液位测量第3章常见过程测控仪表三、电容式物位测量第3章常见过程测控仪表四、超声波式物位测量(１)超声波在某种介质中以一定的速度传播，在气体、液体和固体等不同介质中，因声波被吸收而减弱的程度不同，从而区别出不同的介质。(２)声波遇到两相界面时会发生反射，并且反射角与入射角相等。

反射声强与介质的特性阻抗有关，特性阻抗为声速和介质密度的乘积。当声波垂直入射时，反射声强ＩＲ与入射声强ＩＥ间存在如下关系：(３)声波在传送中，频率越高，声波扩散越小，方向性越好；而频率越低，则衰减越小，传输越远。也可根据该特点设计出超声物位计。第3章常见过程测控仪表第3章常见过程测控仪表五、雷达式物位测量第3章常见过程测控仪表六、核辐射式物位测量核辐射式物位测量主要是利用核辐射式物位计，其原理是利用放射源产生的核辐射线（通常为γ射线）穿过一定厚度的被测介质时。射线的投射强度将随介质厚度的增加而呈指数规律衰减来测量物位。射线强度的变化规律表示如下：第3章常见过程测控仪表七、光纤式液位测量可见，只要检测出是否有差值ΔＰｏ，便可确定光纤是否接触液面。第3章常见过程测控仪表八、多相界面的测量第3章常见过程测控仪表§３—８成分测量一、热导式气体成分测量热导式气体成分检测是根据混合气体中待测组分热导率各不相同的原理进行测量的，当被测气体待测组分的含量改变时，将会引起总热导率的变化，通过热导池转换成电热丝电阻值的变化，从而间接获得待测组分的含量。第3章常见过程测控仪表二、红外式气体成分测量各种气体的分子本身都具有特定的振动和转动频率，只有当红外线光谱的频率和气体分子本身的特定频率相同时，这种气体分子才能吸收红外光谱辐射能，并部分地转化为热能，从而利用测温元件来测量红外辐射能的大小。Bell定律，即：第3章常见过程测控仪表三、氧化锆氧量成分测量第3章常见过程测控仪表四、气相色谱成分测量第3章常见过程测控仪表五、工业电导仪工业电导仪是以测量溶液浓度的电化学性质为基础，通过测量溶液的电导而间接求得溶液的浓度。用于分析酸、碱溶液的浓度时，工业电导仪常称为浓度计。当电解