化工仪表及自动化第3章1

化工仪表及自动化第三章检测仪表与传感器控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参数）。检测——实施正确控制的第一步变送——将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一(标准)的电气信号。静态：正确——y(t)正确反映c(t)的值可靠——长期工作动态：迅速——y(t)迅速反映c(t)的变化过程控制对检测仪表要求：内容提要概述测量过程与测量误差仪表的性能指标工业仪表的分类压力检测及仪表压力单位及测压仪表弹性式压力计电气式压力计智能型压力变送器压力计的选用及安装1内容提要流量检测及仪表概述差压式流量计转子流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计漩涡流量计质量流量计2内容提要物位检测及仪表概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计称重式液罐计量仪温度检测及仪表温度检测方法热电偶温度计热电阻温度计电动温度变送器3内容提要一体化温度变送器智能式温度变送器测温元件的安装现代检测技术与传感器的发展软测量技术的发展现代传感器技术的发展4第一节概述用来检测这些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式仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。5由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理，转换成标准统一的电气信号（如4～20mA或0～10mA直流电流信号,20～100KPa气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表,或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。传感器变送器？？？第一节概述一、测量过程与测量误差6测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。例如：炉温的测量，温度→直流毫伏信号→指针位移第一节概述tixx绝对误差0xx000xxxxyxi：仪表指示值,xt：被测量的真值由于真值无法得到x：被校表的读数值，x0：标准表的读数值相对误差7测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。第一节概述二、仪表的性能指标%100max测量范围下限值测量范围上限值81.精确度（简称精度）说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。两大影响因素绝对误差和仪表的测量范围相对百分误差δ允许误差%100测量范围下限值测量范围上限值差值仪表允许的最大绝对误允第一节概述仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。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精确度等级。目前常用的精确度等级有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9第一节概述%8.0%100200700410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如果将该仪表的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，该仪表的误差超过了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。第一节概述%7.0%100010007允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过±７℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？解根据工艺上的要求，仪表的允许误差为如果将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号，其数值介于0.5～1.0之间，如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为±1.0％，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。11第一节概述12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，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。举例1.51.0如：第一节概述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13精度等级的计算例：某温度计范围为0~1000℃，出厂前校验各点结果如下：被校表℃02014026047068059031001标准表℃02004006007008009001000⑴求出该温度计的最大绝对误差值；⑵确定该温度计的精度等级；解：⑴最大绝对误差为：706-700=6℃；⑵最大允许误差为：6/1000×100%=0.6%，精度等级为1.0级.由于国家规定的精度等级中没有0.6级仪表，而该仪表的最大引用误差超过了0.5级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.0级。例：某被测温度信号在70～80℃范围内变化，工艺要求测量误差不超过±1％，现有两台温度测量仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围是0～100℃，另一台仪表的测量范围是0～200℃，试问这两台仪表能否满足上述测量要求。解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：|△max|＝70×1％＝0.7℃测量范围为0～100℃的仪表的最大允许绝对误差为：|△max|1＝100×0.5％＝0.5℃测量范围为0～200℃的仪表的最大允许绝对误差为：|△max|2＝200×0.5％＝1.0℃根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为0.5级，但只有测量范围是0～100℃的温度测量仪表才满足本题的测量要求。结论：校表：选表：max系列化计算max系列化计算仪表量程的上限：Ymax:4/3~3/2倍（被测变量）波动较大时：3/2~2倍（被测变量）下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的1/3。仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。第一节概述%100测量范围下限值测量范围上限值最大绝对差值变差2.变差变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。图3-1测量仪表的变差14变差的计算例：某台压力表测量范围为0~10MPa，校验得出下列数据：被校表正行程MPa01.983.965.947.979.99标准表MPa0246810被校表反行程MPa02.024.036.068.0310.01⑴求该压力表的变差。⑵计算该压力表是否符合1.0级精度。解：⑴变差为：(6.06-5.94)/10×100%=1.2%；⑵精度为：(6-5.94)/10×100%=0.6%，符合1.0级精度，但变差1.2%超出仪表的允许误差1.0%，所以：该压力表不符合1.0级精度要求。须检修！！第一节概述153.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xS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。注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。第一节概述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。如：数字表量程为0~1.00000V，五位数字显示，末位数字的等效电压为10μV，则该表分辨力为10μV。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指标。当灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率。分辨率与仪表的有效数字位数有关。16例：若显示的电压数值为0.12345V，即123450μV，末位数字代表50μV，末位数字变化的等效电压为10μV。第一节概述%100max仪表量程fi175.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际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。图3-2线性度示意图式中，δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。第一节概述186.反应时间反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。仪表的反应时间有不同的表示方法当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2％（95％）所用的时间，可用来表示反应时间。第一节概述三、工业仪表的分类191.按仪表使用的能源分类气动仪表、电动仪表、液动仪表以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。优点缺点常用第一节概述202.按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类检测仪表作用是获取信息，并进行适当的转换。显示仪表作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。集中控制装置包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。控制仪表可以根据需要对输入信号进行各种运算。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，对生产过程进行操作或控制。第一节概述图3-3各类仪表的作用21第一节概述223.按仪表的组成形式分类基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。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应用范围。分为基地式仪表和单元组合仪表第一节概述化工生产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。注意单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。23标准信号气压信号：20-100Kpa标准信号，电信号：DDZⅢ：4-20mADC，1-5V；DDZⅡ：0-10mADC等第二节压力检测及仪表一、压力单位及测量仪表表示受力面积。表示垂直作用力；表示压力；式中，SFpSFp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）211mNPaPaMPa6101124第二节压力检测及仪表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。2526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11×1061.019