第3章 过程测量仪表1(指标+压力)

1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章过程执行仪表控制仪表测量仪表被控对象执行仪表被控变量设定值—2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3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。按使用能源分类：有气动仪表和电动仪表。第2篇概述4电动单元组合仪表：简称DDZ仪表能源：Ⅱ型表采用220VAC交流电源；Ⅲ型表以24VDC直流电源。信号：Ⅱ型各单元间以0-10mADC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4-20mADC为现场传输信号，以1-5VDC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：DDZⅢ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。第2篇概述5§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。第3章过程测量仪表6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，1-5V的直流电；20kPa-100kPa的空气压力。§3-1测量仪表中的基本概念7检测系统构成信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（信号分析处理部分）8智能电子警察监测系统检测系统举例9号检测系统举例10（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℃。§3-1测量仪表中的基本概念二、检测系统的性能指标11（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。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。ySx§3-1测量仪表中的基本概念12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。§3-1测量仪表中的基本概念13（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。maxF.S=100%Y变差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、元件松动等。§3-1测量仪表中的基本概念14（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。'maxF.S=100%Y非线性误差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。§3-1测量仪表中的基本概念15（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oxxx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。§3-1测量仪表中的基本概念16②示值相对误差(相对误差)仪表的绝对误差与约定真值比的百分数，即0x100%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。当测量误差很小时，示值相对误差近似：x100%x§3-1测量仪表中的基本概念17③引用误差仪表的绝对误差与仪表的量程L比的百分数。即：100%xqL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：maxmax100%xqL§3-1测量仪表中的基本概念18⑤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。maxqx§3-1测量仪表中的基本概念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。19⑥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。100%xqL允允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。§3-1测量仪表中的基本概念20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？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。max6100%1.2%600100q解：该仪表的最大引用误差为:§3-1测量仪表中的基本概念21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？100%xqL允允解：100%0.5%12005003.5xqx允允允它的基本误差是：3.5℃§3-1测量仪表中的基本概念22§3-3压力测量仪表压力检测方法2压力仪表的选用33概述31233.3.1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“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”等。24压力单位转换对照表25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。p真空=p大气-p绝对3.3.1概述26表压负压Patm27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。3.3.1概述282．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。3.3.1概述293.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。3.3.1概述304．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。3.3.1概述31一、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。3.3.2压力检测方法32一、弹性式压力表3.3.2压力检测方法33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’。从而将压力变化转换成位移量，压力越大，位移量越大。3435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。x3.3.2压力检测方法36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3.3.2压力检测方法37二、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。3.3.2压力检测方法每个电容的容量为:38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：3.3.2压力检测方法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。392、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）3.3.2压力检测方法40三、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。3.3.2压力检测方法41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。3.3.2压力检测方法42硅杯设计时，取R1=R2=R3=R4=R，当压力为零时，桥路输出为：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：所以此时桥路平衡，U=0。原理：桥路的输出电压与应变电阻的变化量成正比。43四、智能压力变送器3.3.2压力检测方法44智能压力变送器453.3.3、压力测量仪表的选择和使