桥.docx

桥.docx

《桥.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《桥.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

桥

仪表基础知识讲座

1.测量元件与变换器

一、概述

参数的测量

●参数检测：

将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示和传递的信号的过程。

●根据信号的不同，参数检测仪表可以分为气动检测仪表和电动检测仪表两类。

●非电量的电测法：

–将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。

二、检测仪表的性能

1.测量误差

●误差出现的规律分：

系统误差、随机误差、疏忽误差。

●数值表示方法分：

绝对误差、相对误差、引用误差；仪表的精度等级就是按照引用误差来表示的。

●使用条件分：

基本误差、附加误差。

●随时间变化分：

静态误差、动态误差。

●与被测量的关系分：

定值误差、累计误差。

二、检测仪表的性能

●系统误差：

大小和符号均不改变或按一定的规律变化；

●随机误差：

出现完全是随机的，但符合统计规律；

●疏忽误差：

无规律可循且明显和事实不符；

●绝对误差：

测量结果和真实值之差；

●相对误差：

绝对误差和被测值之比；

●引用误差：

绝对误差和量称之比；

●仪表的精度等级就是按照仪表引用误差来表示的。

二、检测仪表的性能

●仪表精度等级：

用允许误差的绝对值表示：

常用仪表等级有：

0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等

二、检测仪表的性能

2.准确度、准确度等级、精密度

●准确度：

测量值与被测量真值的接近程度；

准确度高意味着系统误差和随机误差都很小；

●准确度等级：

仪表按准确度高低分成的等级；

它决定仪表在标准条件下的误差限，也就是仪表基本误差的最大允许值；

准确度等级习惯上又称为精度等级或精确度等级。

●精密度：

仪表多次重复测量同一过程量时各次测定值之间彼此相符合和程度（也就是随机误差）。

二、检测仪表的性能

3.灵敏度、灵敏限与分辨率

●灵敏度：

仪表的指示变化量与被测参数变化量之比。

●灵敏限：

能引起仪表示值发生变化的被测参数的最小变化量。

●分辨率：

测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。

二、检测仪表的性能

4.线性度与反应时间

●线性度：

测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论对应值的吻合程度。

●反应时间：

显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。

常见工业仪表测量参量

●压力、温度、流量、物位、分析仪信号

一、压力定义与单位

●工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。

●压力定义：

垂直均匀地作用在单位面积上的力。

●压力的法定单位：

帕，符号：

Pa；

●非法定单位与法定压力单位的换算关系：

●1毫米水柱＝9.80665Pa

●1毫米汞柱＝133.322Pa

●1工程大气压＝9.81×e4Pa

●1物理大气压＝1.0133×e5Pa

●1巴＝1000mBar＝100kPa

压力表示

压力的表示：

●绝对压力

–单位面积所受到的力

●相对压力（表压）

–绝对压力与大气压之差

●真空度

–大气压与绝对压力之差

二、压力计的分类与工作原理

工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类：

●液柱式压力计

●活塞式压力计

●弹性式压力计

●电气式压力计

1.液柱式压力计

测量原理：

P=h所以h=P/

2.活塞式压力计

●测量原理：

P=G/S

所以G=P•S

●精确度高

●常用作标准仪表，检验其它压力计

3、弹性式压力计与常用压力表

●工作原理：

采用弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。

●根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：

–弹簧管式压力计

–薄膜式压力计

–波纹管式压力计

4、电气式压力计与信号转换

●电气式压力计，实际上是将弹性元件、液柱式压力计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计。

●电气式压力计通常两部分组成：

Ø一次仪表（压力探头）：

将压力转换为微弱电参数；

Ø二次仪表：

将微弱电参数转换为标准电信号。

电气式压力计一次探头

●常用电参数有：

电阻、电感、电容、电压等。

●常见压力变换器（压力探头）有：

Ø应变式压力变换器；

Ø压电电阻式压力变换器；

Ø电感式压力变换器；

Ø电容式压力变换器；

Ø霍尔片式压力变换器。

电阻应变式压力计一次探头

●电线的电阻为：

R=L/S

●当电线受到拉（应）力作用时，L变大，S变小，R变大。

●当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。

从而，将压力参数转化为电阻参数。

电感式压力计一次探头

●磁路的磁阻与铁芯的间隙相关。

所以，当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电感也随之发生变化。

从而，可以将位移量转化为电感量。

电容式压力计一次探头

●电容器的电容量：

C=S/d

●当S或d发生变化时，电容量发生变化。

霍尔式压力计一次探头

●霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压：

UH=RHBI

电气压力计前置放大器

●传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能进行远距离传送，需要进行初步放大。

v电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压方式输出；

v电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率方式输出；

v电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方式输出。

电气压力计二次仪表

●作用：

将传感器信号转换为标准通讯信号。

●DDZⅢ型仪表标准通讯信号为：

4~20mA。

●智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能，如：

模/数转换与数据通讯，工程单位转换，信号（变化）阻尼，故障诊断等。

智能压力变送器

●智能变送器特点

Ø精度高

Ø可以通过手持终端远程修改量称，调校参数

Ø可以和DCS、PLC系统直接通讯（完全意义）

●使用手持终端和智能变送器通讯时，应注意手持终端的连接位置，不能在电源两端；手操器的通讯频率信号是叠加在4～20mA标准信号上的，能和电流信号同时工作，但是注意：

负载电阻和回路电阻的阻值之和应在250～600欧姆，太小了不能通讯，太大了变送器不能正常工作。

如智能变送器直接接在西门子AI模板上，必须串电阻。

●

智能压力变送器

●横河EJA智能变送器的传感器是硅谐振式的，将被测参数转换为硅梁的振动，通过测频率来得到被测压力或差压；

●罗斯蒙特3051C的传感器是硅电容式的，将被测参数转换为电容的变化，通过测电容得到被测压力或差压；

●霍尼韦尔ST3000系列的传感器是复合半导体的，其将被测参数转换为硅芯片电阻值的变化，通过测电阻得到差压或压力；

●富士FCX-A智能变送器的传感器是硅微电容的，其将被测参数转换为静电容量，然后通过测硅电容得到被测压力或差压。

二、压力计的选型

●选型内容：

–类型选择

●功能：

显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；

●介质条件：

温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；

如：

氨气表防腐，氧气表禁油。

●环境条件：

温度、震动、电磁场等。

–量程与盘面大小；

●工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。

●盘面大小应方便安装和观察。

–精度等级：

根据工艺需要确定。

常见压力传感器外形

三、压力计的安装

●安装事项：

–取压位置：

由工艺条件、测量介质决定

●测量气体时应在管道水平面上的45°～90°之间；

●测量液体时应在管道水平中心线以下0°～45°夹角内；

●测量蒸汽时取压口最好在管道水平线以上0°～45°夹角内；

–隔离：

●压力表在测量高于60℃介质时，应在压力表前加装冷凝弯或冷凝圈；

●测量粘稠介质时应在压力表前加装隔离器，用隔离介质将被测介质隔开；

●脏污隔离：

采用空气包。

三、压力计的安装

●安装事项：

–密封垫片选用

●被测介质低于80℃时，可选用橡胶垫片；

●低于450℃及5MPa时，可选用石棉或铅垫片；

●温度及压力更高时，可选用退火紫铜管或铝垫片；

●测量氧气压力时，不能使用浸油垫片或有机化合物垫片；

●测量乙炔压力时，不能使用铜垫片；

●以上两种情况均有发生爆炸危险。

3.流量

●流量定义

–单位时间内流过管道某一截面积的流体数量。

●流量分类

–体积流量、质量流量

–体积流量：

单位时间内流过的流体以体积表示；常用Q表示。

–质量流量：

单位时间内流过的流体以质量表示；常用M表示。

速度式流量计

●根据测速方法可以分为以下几类：

–差压流量计

–转子流量计

–电磁流量计

–超声波流量计

–涡轮流量计

流量单位

常用的流量单位

v体积流量：

m3/h、L/h

v质量流量：

kg/h、t/h

v标准状态下的体积流量单位：

Nm3/h

差压流量计

●由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后，会产生一定的压降。

根据流速和压降的关系可以推导出下列方程：

●通过测量孔板前

后压差即可计算

出流速和流量。

标准节流装置

●定义：

标准节流装置就是有关的计算数据都经系统试验而有统一的图表和公式。

●GB/T2624-93中规定的标准节流装置有：

孔板、喷嘴和文丘利管；

●取压方式包含：

角接取压、法兰取压（1英寸取压法）、理论取压、径距取压、管接取压法。

标准节流装置

●安装要求：

Ø节流孔板前的直管段一般要求10D，孔板后的直管段一般要求5D。

为了正确测量，孔板前的直管段最好要求30～50D，特别是孔板前有调节阀或泵时；

Ø孔板上游平面应和孔板中心线垂直，不应有可见伤痕，上游面和下游面应平行，上游入口边缘应锐利无毛刺；

Ø为了使孔板流量系数趋向定值，流量的雷诺数应大于界限雷诺数。

标准节流装置

使用方根流量刻度时：

●最大流量不超过满刻度的95％；

●正常流量为满刻度的70％～80％；

●最小流量不小于30％

在国标中规定节流装置使用的流量比为30％。

这是因为流量与差压的平方根成正比，流量低于30％精度不能保证；且当流量小于30％是雷诺数往往低于界限雷诺数，流量系数不是常数，导致流量测量不准确。

转子流量计

●垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡。

–压差与流速有关；

–流速取决于转子的位置。

●由转子高度可直接读取通过的流量；

●测量转子位置可进一步获得相应的电气信号。

电磁流量计

●当流道两侧有磁场作用时，导电流体在流动过程中切割磁力线，产生感应电动势（电磁感应定律）：

Ex=BDv10-12

所以有：

Q=KEx

电磁流量计

电磁流量计由两部分组成：

●电磁流量变换器

–由带励磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。

●二次仪表

–作用：

提供激励电源，将变换器输出的微弱电势信号进行放大，并输出相应的电流信号。

电磁流量计

电磁流量计的接地：

电磁流量计的一次变换元件的信号比较微弱，即使在满量称时也就是2.5～8mV，流量很小时，输出仅为几微伏，外界略有干扰，就会影响仪表的精度，因此电磁流量计的接地特别重要。

超声波流量计

●多普勒效应：

当一束波射向移动的物质并产生散射时，其散射波的频率会产生变化（频移），且频率变化量与物质的运动速度成正比。

●超声波流量计的特点：

–非接触式测量；

–流体中需要有散射粒子：

微泡或颗粒。

4.物位的测量与变送

●物位：

–液位：

容器中液体表面的高低；

–料位：

容器中固体的堆积高度；

–界面：

两相物质的交界面。

物位计的分类

●直读式物位计

●浮力式物位计

●压差式物位计

●电磁式物位计

●核辐射式物位计

●超声波物位计

●光电式物位计

一、直读式物位计

●用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以直接显示容器内液位的高低。

二、浮力式物位计

●利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化的原理工作。

三、压差式物位计

●利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成正比的关系进行测量。

四、电容式物位计

电容量的变化量与充料高度成正比。

测量电容量变化即可知料位的变化。

五、核辐射式物位计

●放射线通过介质时，其强度衰减与物质的吸收系数和介质层厚度有关：

●目前，工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种。

六、超声波物位计

●利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。

●注意事项：

–确保反射波能回到探头；

–防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）。

5温度的测量与变送

●温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数，是衡量物体冷热程度的物理量。

–所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；

–温度决定一些反应能否进行和反应方向；

–温度决定一些反应的进程程度；

–温度显示反应的能量变化。

●温度不能直接测量。

温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，其物理性质随温度变化而进行的。

温标及换算

常用温标：

✓摄氏温标（单位℃）

✓华氏温标（单位F）

✓开氏温标（单位K）

单位换算

v℃＝5/9（F－32）

v℃＝K－273.15

常用温度计的种类及适用温度

一、膨胀式温度计

●玻璃液体温度计

–利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度

●双金属温度计

–不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度

二、压力式温度计

●利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。

–温包：

传热、容纳膨胀介质；

–毛细管：

传递压力；

–弹簧管：

显示压力（温度）。

三、辐射式温度计

●通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。

●辐射式温度计：

测定热辐射强度；

●光学温度计：

采用光学分频法，测定不同频率光波的强度比值；

●比色法：

直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。

Ø辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。

四、热电偶温度计

热电偶工作原理

–不同金属具有不同的电子密度；

–两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场—热电现象；

–电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；

–电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。

四、热电偶温度计

●热电偶产生热电势的条件是：

两热电极材料相异，两极点温度相同。

●热电偶的热电特性由电极材料的化学成分和物理性能所决定。

热电势的大小与组成热电偶的材料及两端温度有关，与热偶丝的长短和粗细无关。

热电偶的材质与选择

●热电偶的材质要求：

–单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；

–热电性质稳定；

–化学稳定性好：

高温下抗氧化，抗腐蚀；

–具有较好的延展性，易于加工；

–复现性好，便于批量生产和互换。

●不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择

–测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。

热电偶的判别

●分辨S型热电偶的正负极，可根据偶丝的软硬程度来判断，较硬的是铂铑，为正极；

●分辨K型热电偶的正负极，可根据偶丝能否被明显磁化来判断，能明显被磁化的是镍硅，为负极

●在同温度下，S、K、E三种热电偶的热电势逐渐升高。

3.热电偶的结构

●热电极

–工作部分

●绝缘子

–防止电极与电极、套管短路

●保护套管

–保护

●接线盒

4.热电偶回路

●不同金属连接在一起都具有热电偶作用；

●热电偶回路电动势为各接点热电势的总和；

●对于有外接导线的热电偶回路，其总电动势为热端与冷端热电动势之差。

5.热电偶的补偿

热电偶补偿的原因

●热电偶热电势的大小与其两端的温度有关，其温度－热电势关系曲线是在冷端温度为0℃是分度的。

在实际应用中由于热电偶冷端暴露在空间受到周围环境温度的影响，所以测量中的冷端温度不可能保持在0℃不变，也可能固定在某个温度不变，而热电势既决定于热端温度，也决定于冷端温度。

所以如冷端温度自由变化，必然会引起测量误差。

5.热电偶的补偿

●热电偶的导线补偿

–用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内；

●冷端温度补偿

–将冷端浸泡在恒温的冰水中；

–采用电路差减法消除冷端热电势。

五、热电阻温度计

●测量原理

–利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；

●测量金属在不同温度下电阻值的变化。

●工业热电阻温度计主要有两种材质：

–铂电阻：

0~650ºC，Pt10，Pt100

–铜电阻：

-50~+150ºC，Cu50，Cu100

●结构：

普通型，铠装型，薄膜型

七、测温元件的安装注意事项

●确保测温元件与被测材料有充分的接触；

●保持接线盒清洁干燥；

●防止热量散失；

●使用规定的补偿导线，并确保正确接线；

●一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不要有接头；

●信号线尽量单独穿管敷设。

信号传输标准

信号传输标准

国际电工委员会（IEC）于1973年4月通过信号传输的国际标准：

●现场传输信号：

直流4~20mA；

●控制室内仪表间的联络信号：

直流1~5V.

适用范围：

现场仪表、数字仪表、DCS系统等

信号传输标准

DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ型仪表采用的信号传输标准为：

0~10mADC，或0~5VDC

两种标准的比较：

这种以20mA表示信号的满度值，而以此满度值的20%即4mA表示零信号的安排，称为“活零点”。

信号传输标准

“活零点”的优点：

　有利于识别断电、断线等故障，且为实现两线制提供了可能性。

　所谓“两线制”变送器就是将供电的电源线与信号的输出线合并起来，一共只用两根导线。

使用两线制变送器不仅节省电缆，布线方便，且大大有利于安全防爆，因为减少一根通往危险现场的导线，就减少了一个窜进危险火花的门户。

信号传输标准

另外，采用直流信号传输的优点：

传输过程中易于和交流感应干扰相区别，且不存在相移问题，可不受传输线中电感、电容和负载性质的限制。

其它信号传输标准：

RS485数字信号传输、Smart传输技术、现场总线技术等等。