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第3章 过程测量仪表1(指标+压力)


第 2 篇 过程自动化装置
? 第3章 过程测量仪表 ? 第4章 过程控制仪表 ? 第5章 过程执行仪表
设定值 — 被控变量

控制仪表

执行仪表

被控对象

测量仪表

1

第 2 篇 概述
? 过程自动化装置: ? 是

用于对生产过程中的温度、压力、流量、液位 及成份等工艺参数进行自动测量、控制和执行的 装置,也是企业实现生产过程自动化必不可少的 技术工具。 ? ? ? ? 过程自动化装置分类: 按功能分类:测量仪表、控制仪表、执行仪表 按信号类型分:模拟仪表、数字仪表 按使用能源分类:有气动仪表和电动仪表
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第 2 篇 概述
? ? ? ? 按使用能源分类:有气动仪表和电动仪表。 气动单元组合仪表:简称 QDZ 仪表 能源:0.14MPa 压缩空气。 信号: 各单元之间以统一的 0.02MPa – 0.1MPa 气压标准信 号联系。 ? 特点: 优点:QDZ仪表具有结构简单、价格便宜、性能稳定和 本质安全等优点。 缺点:由于该类仪表体积庞大,信号传输慢,不利于 远传。
3

第 2 篇 概述

?电动单元组合仪表:简称 DDZ 仪表 ?能源: Ⅱ 型表采用 220V AC 交流电源; Ⅲ型表以 24V DC 直流电源。 ? 信号: Ⅱ 型各单元间以0-10mA DC 为统一联络信号,采用电流 传输、电流接收,四线制接法,现场仪表具有隔爆性能。 Ⅲ型表以 4-20mA DC 为现场传输信号,以 1-5V DC 为控制室联络信号,采用电流传输、电压接收,两线制接法。 ?特点:DDZ Ⅲ型仪表具有传输距离长,速度快的特点,集 成化程度高、易于断电识别、与计算机的互联性好、无扰切 换方便和现场仪表具有防爆性能可以构成本质安全系统等优 点,在生产过程中大量采用。
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第3章

过程测量仪表

§3-1 测量仪表中的基本概念
一、测量过程及测量仪表
? 测量就是人们借助于专门工具,通过试验和对试 验数据的分析、计算求得被测量的值的过程。 或者说:测量就是为了取得任一未知参数值而进 行的全部工作。
? 测量过程中常用的测量设备有: 检测元件、传感器 和变送器。
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§3-1 测量仪表中的基本概念
? 检测元件:能够灵敏地感受被测变量并作出响应 的元件。 ? 传感器:不但对被测变量敏感,而且具有把对被测 变量的响应传送出去的能力。传感器不只是一般的 敏感元件,它的输出响应还必须是易于传送的物理 量,如电压、电流等。 ? 变送器:凡是能输出标准信号的传感器就称为变送 器。 ? 标准信号是指在物理量的形式和数值范围等方面都 符合国际标准的信号。 例如:4mA-20mA ,1-5 V的直流电; 20kPa - 100kPa 的空气压力。
6

检测系统构成

信息获取

转换

显示和处理
(信号分析处理部分)
7

(信号检出部分) (信号变换部分)

检测系统举例

智能电子警察监测系统

8

检测系统举例



9

§3-1 测量仪表中的基本概念 二、 检测系统的性能指标
(1)测量范围(量程) ?仪表的量程:指检测装置能正常工作的被测量范 围。 ?此范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测 量上限。 ?例如,某温度计刻度表显示其测量下限和测量上 限分别为-15℃和80 ℃,则量程为-15℃~80 ℃。
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§3-1 测量仪表中的基本概念 (2)灵敏度S ?灵敏度S表征了检测仪表对被测量变化的灵敏程度。 常用仪表的输出变化量与输入变化量之比来表示。

?y S? ?x
?灵敏度高的仪表在相同输入信号时会产生较大的输 出。 ?灵敏度实质上是一个放大倍数,它具有可传递性; 对于多个仪表串联构成的检测系统,其总的灵敏度是 各个仪表灵敏度之积。
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§3-1 测量仪表中的基本概念

? 灵敏限(分辨率) ? 指引起仪表输出发生可见变化的最小输入量, 相当于一个分度值。 ? 例如:A质量仪表最低能显示1克,B质量仪 表最低能显示0.1克,B仪表的分辨率高。 ? 是反映检测仪表灵敏程度的另一指标。 ? 说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化 的能力。
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§3-1 测量仪表中的基本概念
(3)变差(回差) 在外界条件不变的情况下,检测仪表在全量程范围 内,对应同一被测量的正行程和反行程输出值间的最大 差值称为变差。 数值可用同一被测量对应的输出值间的最大差值与检 测仪表的满度值之比的百分数表示。

? max 变差= ? 100% YF.S
"

变差的产生原因主要是由于运动部件的摩擦、弹性 元件的弹性滞后、制造工艺上的缺陷所带来的间隙、元 13 件松动等。

§3-1 测量仪表中的基本概念
(4)线性度(非线性误差) ?线性度就是衡量检测仪表输出与输入之间偏离线性程 度的一种指标。 ?实际值与理论值之间的绝对误差的最大值与系统满度 值之比。

? max 非线性误差= ?100% YF.S
'

?为了便于信号间的转换与现实,有利于提高系统准确 度,希望系统具有良好的线性特性。
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§3-1 测量仪表中的基本概念
(5)准确度 ? 准确度也称为精度,仪表的准确度通常用误差的大小 来表示。 ① 绝对误差:为检测仪表的输出值x与被测参数的真值 x0之间的代数差值,即

?x ? x ? x o
由于真值不能得到,实际上是用约定真值来代替,通常 为标准仪表(准确度等级更高的仪表)的测量结果作为约 定真值。
15

§3-1 测量仪表中的基本概念
② 示值相对误差 (相对误差) 真值比的百分数,即 仪表的绝对误差与约定

?x ?? ?100% x0
当测量误差很小时,示值相对误差近似 :

?x ?? ?100% x
相对误差只能说明不同测量结果的准确程度,不能 用来衡量检测仪表本身的质量。
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§3-1 测量仪表中的基本概念
③ 引用误差 仪表的绝对误差与仪表的量程L比 的百分数。即:
?x q? ?100% L

④ 最大引用误差(满量程相对误差) 仪表的绝对误 差的最大值与仪表的量程L比的百分数.即
qmax ?xmax ? ?100% L
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§3-1 测量仪表中的基本概念
⑤ 仪表基本误差 标准条件下,仪表在全量程范 围内输出值误差中绝对值最大者,称为仪表的基 本误差。

q ? ?xmax
?仪表基本误差是表征仪表准确度的一个重要指标, 并且仪表的其他误差定义也以此为基础。 ?最大引用误差是仪表基本误差的主要形式。
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§3-1 测量仪表中的基本概念
⑥允许误差:仪表制造厂为保证仪表不超过基本误差 而设的限值。把这个限值与仪表的量程L比的百分数称 为仪表的允许误差。 ?x允 q允 ? ? ?100% L ?根据仪表的允许误差,去掉“± ”号及“%”后的 数值就是仪表的准确度等级。按照国家标准规定,仪 表的准确度可划分为若干等级,称准确度等级G。 ?国家统一规定所划分的等级有?0.05,0.1,0.25, 0.5,1.0,1.5,2.5,4.0?等。显然,准确度等级 的数字越小。仪表的准确度就越高,或者说仪表的测 量误差越小。 19

§3-1 测量仪表中的基本概念
例 某台测温仪表,其测量范围为100℃~600℃,经 检验发现仪表的基本误差为±6℃,试确定该仪表的精 度等级? 解:该仪表的最大引用误差为:

qmax

6 ?? ?100% ? ?1.2% 600 ? 100

如果将该仪表的最大引用误差去掉“±”和“%”号 后,其数值为1.2,由于国家规定的精度等级中没有1.2 级的仪表,该仪表的最大引用误差大于1.0级仪表的允许 误差,所以该仪表的精确度等级为1.5级。
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§3-1 测量仪表中的基本概念

练习题
? 一台精度等级为0.5级,量程范围为500℃~1200 ℃的电位差计,它的基本误差是多少?
解:

q允 ? ?

?x允 L

?100%

q允 ? ?

?x允

1200 ? 500 ?x允 ? ?3.5
它的基本误差是: 3.5


?100% ? ?0.5%

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§ 3-3 压力测量仪表

3 1 2 3

概述

压力检测方法
压力仪表的选用

22

3.3.1 概述

? 工程技术中所称的“压力”,实质上就是物 理学中的“压强”,是指介质垂直均匀作用 于单位面积上的力。压力常用字母 p 表示, 其表达式为:
p=F/S ? 式中 F , S ― 分别为作用力(N)和作用面积 (m2)。

? 单位:
? 压力的国际单位为“帕斯卡”,简称“帕” (Pa)。 ? 工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如 23 “工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”

压力单位转换对照表

24

3.3.1 概述
? 工业生产过程中压力测量的三种情况: 1.绝对压力pab ? 是指物体实际所承受的全部压力。 2.表压力pe ? 表压力是一个相对压力,它以环境大气压力为参照点。 实质上是绝对压力与环境大气压力的差压。 p表压 = p绝对- p大气 ? 在工程实际中,所说的压力通常是指表压,即压力表 上的读数. 3.负压(或真空度) pv ? 在工程中,我们习惯于把绝对压力低于环境大气压力 的差压称为负压力。是指真空表上的读数。 25 p真空 = p大气 - p绝对

表压 Patm

负压

26

3.3.1 概述 ?测量压力的仪表种类很多,按转换原理可大致分为 以下四种:

1.液柱式压力表 ?原理:液柱式压力表是根据静力学原理,将被测压 力转换成液柱高度来测量压力的。
?这类仪表包括 U 型管压力计、单管压力计、斜管 压力计等。

27

3.3.1 概述

2.弹性式压力表 ? 原理:弹性式压力表是根据弹性元件受力变 形的原理,将被测压力转换成元件的位移来 测量压力的。 ? 常见的有弹簧管压力表、波纹管压力表、膜 片(或膜盒)式压力表。

28

3.3.1 概述 3.活塞式压力计 ?原理:活塞式压力计是利用流体静力学中的液压传 递原理,将被测压力转换成活塞上所加砝码的重量进 行压力测量的。 ?这类测压仪表的测量精度很高,允许误差可小到 0.05 %- 0.02% ,所以普遍用作标准压力仪器对其他 压力表或压力传感器进行校验和标定。

29

3.3.1 概述 4 .压力传感器和压力变送器 ?原理:压力传感器和压力变送器是利用物体某些 物理特性,通过不同的转换元件将被测压力转换成 各种电量信号,并根据这些信号的变化来间接测量 压力。

?根据转换元件的不同,压力传感器和压力变送器 可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、压电式、 霍尔片式等多种形式。

30

3.3.2 压力检测方法
一、弹性式压力表 ?测压原理:是利用弹性元件在被测压力作用下产 生弹性变形的原理来度量被测压力的。当弹性元件 受压力作用时会产生变形,于是输出位移或力;再 把位移或力通过一定的元件转换成电量信号。 ?弹性元件的特点:构造简单,价格便宜,测压范 围宽,被测压力低至几帕,高达数百兆帕都可使用, 测量精度也较高,在目前的测压仪表中占有统治地 位。
31

3.3.2 压力检测方法
一、弹性式压力表

32

?单圈弹簧管

原理:其截面一般为扁圆形或椭圆形,管子自由端封闭,作 为位移输出端,弹簧管的另一端固定,作为被测压力的输入 端,当被测压力从输入端通入后,由于椭圆形截面在压力 p 的作用下将趋于圆形,因而弯成弧形的弹簧管随之产生向外 挺直的扩张变形。其自由端就从 B 移到 B’。从而将压力变 33 化转换成位移量,压力越大,位移量越大。

34

3.3.2 压力检测方法
? 波纹管 ? 原理:在波纹管中 引入压力时,其自 由端产生伸缩变形, 可以得到较大的线 位移,但压力—位 移特性的线性不如 弹簧管。

x

35

3.3.2 压力检测方法

? 膜片:单膜片测压元件主要用于低压的测量, 一般使用金属膜片,也有橡胶膜片。 ? 膜片式压力计的优点是:可测微压和粘滞性 介质压力。

膜片
36

3.3.2 压力检测方法
二、电容式压力变送器 1、差动平板电容器的工作原理
?差动平板电容器共有三个极板, 其中中间一个电极板为活动电极 板,两端为固定电极板。电容器 在初始状态下,活动极板正好位 于两固定电极板的中间。 ? 每个电容的容量为:

37

3.3.2 压力检测方法
? 当受到外界作用, 使中间的活动电极板 产生一个微小的位移 后:
? 其两个电容的差值为

d0

原理:电容变化量和活动极板的位移成正比。

38

3.3.2 压力检测方法
2、电容式差压变送器:由电容差压传感器和转换 单元两大部分组成

2、3- 不锈钢基座
1、4- 纹波隔离膜片 5、 - 玻璃层 6、 - 金属薄膜(固 定)

7、 - 测量膜片(活 动)
39

3.3.2 压力检测方法
三、扩散硅压力变送器 ? 扩散硅压力变送器属应变式压力变送器。 ?电阻应变原理:当电阻体在外力作用下,产生机械 变形时,其电阻值也将随之发生变化。这种现象称之 为电阻应变效应。 ?通过对电阻变化量的检测,即可得知其受力情况。 ? 扩散硅压力变送器检测部件的原理结构如图所示。

40

3.3.2 压力检测方法
硅杯膜片上按特定方向排列4个等值电阻。电阻布置如 图(b)所示。硅杯内腔承受被测压力 p ,硅杯的外 侧为大气压力。

41

硅杯设计时,取 R1=R2=R3=R4=R ,当压 力为零时,桥路输出为:

所以此时桥路平衡,U=0。
当外界有压力时,由于四个电阻的位置经过精确选择,使得电 阻变化量相等,即 △R1=△R2= △R3= △R4=△R,这时桥路 失去平衡输出电压信号为:

原理:桥路的输出电压与应变电阻的变化量成正比。
42

3.3.2 压力检测方法
四、智能压力变送器

43

智能压力变送器
44

3.3.3、压力测量仪表的选择和使用 1 .压力表的选择 符合工艺过程的技术要求,同时做到“厉行节约, 降低投资”的原则。主要考虑: (1)介质物理化学性质,如温度高低、粘度大小、 脏污程度、腐蚀性,是否易燃易爆、易结晶等。 (2)对压力测量的要求,如被测压力范围、精度以及 是否需要远传、记录或上下限报警等。 (3)现场环境条件,如高温、腐蚀、潮温、振动、电 磁场等。 45

3.3.3、压力测量仪表的选择和使用

*弹性式压力表选量程原则: 被测压力波动: 最大压力值不超过仪表满量程的2/3。 压力最小值应不低于全量程的1/3。

46

3.3.3、压力测量仪表的选择和使用
例题

? 若选用弹簧管压力表来测量某设备内的压力, 已知被测压力为(0.7~1)x106Pa,要求 测量的绝对误差不得超过0.02X106Pa,试 确定该压力表的测量范围及精度等级。 ? 可供选用的测量范围有: 0~0.6x106Pa, 0~1x106Pa, 0~1.6x106Pa, 0~2.5x106Pa

47

3.3.3、压力测量仪表的选择和使用 解:由题意知

? 选择量程为0~1.6x106Pa的仪表,当压力 变化时,正处于量程的1/3~2/3。
要求仪表的允许误差为

?所以应选 1. 0级精度的压力表
48

练习题
1. 采用弹簧管压力表测量某容器的压力,工艺 要求其压力为1.2±0.05Mpa,试选择合 适的压力表。可供选用的测量范围有: 0~0.6x106Pa, 0~1x106Pa, 0~1.6x106Pa, 0~2.5x106Pa
解:由压力量程选择原则可知:

压力上限=(1.25*3/2)Mpa=1.875Mpa

选择量程为0~2.5x106Pa的仪表,当压力 变化时,正处于量程的1/3~2/3。
49

3.3.3、压力测量仪表的选择和使用 2.压力表的使用

50

课程小结

?了解测量过程,掌握仪表的性能指标。 ? 压力测量: ? 了解各类压力测量的基本工作原理,变送器的构 成和传送方式; ? 重点掌握压力表的量程和精度的选择使用。

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控制科学与工程学院先进控制技术研究所

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