化工自动化及仪表 第3章

第三章检测变送华东理工大学信息学院自动化系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简单控制系统构成回顾：简单控制系统的方块图本章主要内容：3.1概述3.2温度检测3.3流量检测3.4压力检测3.5物位检测3.8变送器3.9现代传感器技术的发展3.1概述3.1.0检测变送的重要性3.1.1测量误差3.1.2仪表性能指标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）。检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。3.1.0检测变送的重要性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。（如4～20mA或0～10mA直流电流信号,20～100KPa气压信号）一般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。有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。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。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：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3.1.1测量误差(1)绝对误差：仪表的指示值与被测量的真值之间的差值。测量误差：检测仪表获得的被测值与实际被测变量真实值之间的差距。XXX测量真值理论上：实际上：XXX测量标准3.1.1测量误差(2)相对误差（仪表引用误差）maxmin100%,XYYYY绝对误差与仪表的量程之比。(3)允许误差(4)附加误差maxmaxmaxmin100%,XYYYY——由于外界环境条件变化以及仪表波动等外界因素引起的误差。3.1.2仪表性能指标(1)精确度（精度）仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。——表示仪表测量结果的可靠程度。精度等级：允许误差去掉“±”号及“%”后，系列化圆整后的数值。精度等级目前我国生产的仪表的精度等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等注：仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。精度等级：允许误差去掉“±”号及“%”后，系列化圆整后的数值。问题：仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越？。仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许误差为±1.0%。1.01.0[例1]某台测温仪表的量程是600--1100℃，其最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的精度等级。max4100%0.8%1100600由于国家规定的精度等级中没有0.8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。解仪表的允许误差为目前我国生产的仪表的精度等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等[例2]某台测温仪表的量程是600--1100℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±4℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。max4100%0.8%1100600所以只能选择一台允许误差为±0.5%，即精确度等级为0.5级的仪表，才能满足工艺要求。解根据工艺要求，仪表的最大允许误差为结论：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。(2)变差(回差)——在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。例：在1151系列电容式差压变送器调校实验中，得到如下一组数据：插入点正行程实测（mA）反行程实测（mA）0%4.004.0025%8.107.9050%12.3011.9075%16.4016.21100%20.0020.00（1）最大绝对误差是多少？（2）最大回差是多少?(3)线性度——衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。线性度差就要降低仪表精度。t实际曲线理论直线仪表示值被测变量图3.1线性度(4)灵敏度和分辨率灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值，即灵敏度=△Y/△X对于模拟式仪表而言，ΔY是仪表指针的角位移或线位移。灵敏度反映了仪表对被测量变化的灵敏程度。分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。分辨率是灵敏度的一种反映。。对于数字式仪表而言，分辨率就是数字显示器最末位数字间隔代表被测量的变化量。(5)动态误差由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。注：在工业生产中被测量变化较快时，不能忽略动态误差。课堂作业1：检定一块1.5级刻度为0～100Pa的压力表，发现在50Pa处的误差最大，为1.4Pa，其他刻度处的误差均小于1.4Pa，问这块压力表是否合格？例1：某一标尺为0～500℃的温度计出厂前经过校验，其刻度标尺各点的测量结果值为：被校表读数（℃）0100200300400500标准表读数（℃）0103198303406495（1）求出仪表最大绝对误差值；（2）确定仪表的允许误差及精度等级；（3）仪表经过一段时间使用后，重新校验时，仪表最大绝对误差为±8℃，问该仪表是否还符合出厂时的精度等级？例2：现欲测往复泵出口压力（约1.2MPa），工艺要求±0.05Mpa，就地指示。可供选择的弹簧管压力表的精度为：1.0,1.5,2.5,4.0级，量程为0～1.6,0～2.5,0～4.0Mpa。试选择压力表的精度和量程。3.2温度检测3.2.1温度检测方法3.2.2热电偶3.2.3热电阻3.2.4热电偶、热电阻的选用3.2.1温度检测方法按测温元件是否与被测对象接触分为：接触式：非接触式：接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。3.2.2热电偶(1)测温原理——热电效应EAB(θ0)EAB(θ)AB图3.2热电偶的热电效应（参比端、冷端、固定端）（工作端、热端、自由端）00(,)()()ABABABEEE0(,)()()ABEfC将两种不同材料的导体或半导体A和B连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度θ≠θo,则回路内将有电流产生，电流大小正比于接点温度θ和θo的函数之差，而其极性则取决于A和B的材料。根据热电偶的“中间导体定律”可知：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同；同理，如果回路中接入更多种导体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。热电偶的“中间导体定律”分度表：当θ0=0℃时，与温度θ对应的数值表。（非线性）0(,)ABE分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。常用工业热电偶比较热电偶名称分度号特点铂铑30-铂铑6热电势小，精度高，价格高镍铬-镍硅铂铑10-铂镍铬-康铜热电势小，精度高，线性差，价格高热电势大，线性好，价格低热电势大，线性差，价格低BSKE常用热电偶类型：普通型热电偶：(热电偶结构类型见P27)热电极、绝缘管、接线盒等铠装热电偶多点式热点偶防爆型热点偶表面型热点偶铠装热电偶的特点·热响应时间少，减小动态误差；·可弯曲安装使用；·测量范围大；·机械强度高，耐压性能好；扁接插式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防水式铠装热电偶手柄式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶图3.3多点热电偶适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。图3.4多点热电偶防爆型热电偶的原理防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进行隔爆。防爆型热电偶的特点·多种防爆形式，防爆性能好；·压簧式感温元件，抗振性能好；·测温范围大；·机械强度高，耐压性能好；无固定装置固定法兰式固定螺纹式活络管接头式直型管接头式图3.5防爆型热电偶一览图吹气型热电偶通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出保护管外，从而提高热电偶寿命。是30万吨合成氨装置中不可缺少的测温装置。另外，压簧固定热电偶、直角弯头热电偶、耐磨阻漏热电偶等等图3.6吹气型热电偶(2)补偿导线现场补偿导线控制室θ0图3.7补偿导线连接图作用：解决参比端温度的恒定问题。要求：价格便宜，0~100℃范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样(3)热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）补偿原理：工作端温度θ，参比端θ0，热电势为000(,)()()(,0)(,0)EEEEE00(,0)(,)(,0)EEE因此参比端温度补偿方法：①计算法②冰浴法③机械调零法（动圈表调零法），等级1.0以上④补偿电桥法：利用参比端温度补偿器例如：用镍铬-镍硅（K）热电偶测温，热电偶参比端温度θo=20℃，测得的热电势E（θ，θo）=32.479mV。由K分度表中查得E（20，0）=0.798mV,则E（θ，0）=E（θ，20）+E（20，0）=32.479+0.798=33.277mV再反查K分度表，得实际温度是800℃。计算法举例：3.2.3热电阻⑴金属热电阻——测温原理是基于导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的-200°C～500°C范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。常用热电阻：铜电阻和铂电阻热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型无固定装置热电阻固定螺纹式热电阻活动法兰式热电阻固定螺纹锥式热电阻固定螺纹管接头式热电阻活络管接头式热电阻图3.8图3.9装配式热电阻装配式热电阻是由感温元件、不锈钢保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组成。防喷式铠装热电阻扁接插式铠装热电阻防水式铠装热电阻圆