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第三章测量元件与变换器概述–测量过程与测量误差–仪表的性能指标压力检测及仪表–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第三章测量元件与变换器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–质量流量计第三章测量元件与变换器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–称重式液罐计量仪内容提要第三章测量元件与变换器内容提要温度检测及仪表–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–一体化温度变送器–智能式温度变送器–测温元件的安装第三章测量元件与变换器§3.1概述一、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。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仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。二、检测仪表的性能1.准确度与误差准确度：测量值与被测量真值的接近程度；绝对误差：测量值与被测量真值之差；相对误差：绝对误差与被测量真值之比；–实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比；–示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比；–引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。允许误差：最大引用相对误差。二、检测仪表的性能1.准确度与误差误差与精度等级100%测量范围下限值测量范围上限值值仪表允许的最大绝对差%δ允允许误差相对百分误差δ%100max测量范围下限值测量范围上限值仪表的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。二、检测仪表的性能精密度（简称精度）：仪表检测微小参数变化的能力。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，精确度：仪表精密而准确的程度。举例1.51.0如：二、检测仪表的性能2.变差与精度(指示)变差：同一仪表对相同的被测参数进行正、反行程测量时，其显示值的差异(最大偏差)。图3-1测量仪表的变差100%测量范围下限值测量范围上限值最大绝对差值变差二、检测仪表的性能3.灵敏度、灵敏限与分辨率灵敏度：仪表的指示位移变化量与被测参数变化量之比。位移:线位移或角位移灵敏限：能引起仪表指针发生位移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输出量与输入量的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。被测变量仪表显示值%100max仪表量程fi三、工业仪表的分类1.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2.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。图3-3各类仪表的作用基地式仪表3.按仪表的组成形式分类单元组合式仪表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。四、检测系统的构成被测参数检测元件信号变换信号传输信号测量显示记录控制+-A/DPLC§3.2压力的测量与变送一、压力的表示与单位压力的表示：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绝对压力绝对压力真空度表压标准大气压绝对压力标准大气压表压绝对压力标准大气压真空度（负压）压力（压强）的单位压强（俗称压力）：单位面积所受到的垂直作用力。工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。帕PaN/m2毫米汞柱mm兆帕MPa106N/m2水柱m工程大气压10mH2O巴dyn/cm2物理大气压20ºC海平面磅/英寸2lb/in2二、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.液柱式压力计按其结构形式的不同：：优点这类压力计结构简单、使用方便缺点其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。原理：它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。P=h所以h=P/单管压力计U型管压力计斜管压力计2.活塞式压力计测量原理：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。P=G/S所以G=P•S优点缺点测量精度很高，常用作标准仪表，检验其它压力计允许误差可小到0.05%～0.02%。结构较复杂，价格较贵。三、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。具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。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–波纹管式压力计优点弹簧管式弹性元件位移位移薄膜式弹性元件位移位移波纹管式弹性元件压力位移弹簧管式压力计P401-弹簧管;2-拉杆;3-扇形齿轮;4-中心齿轮;5-指针;6-面板;7-游丝;8-调节螺钉;9-接头单圈弹簧管压力计第二节压力检测及仪表在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。警惕！第二节压力检测及仪表图3-7电接点信号压力表1，4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。压力表外观径向无边轴向无边轴向带前边四、电气式压力传感原理电气式压力计，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：一次仪表(压力探头)：将压力转换为微弱电参数；二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。电气式压力计组成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：应变式压力变换器压阻式压力变换器压电式压力变换器电感式压力变换器电容式压力变换器霍尔片式压力变换器适合于远传的弹性式压力传感器电阻应变片1.压阻式压力传感器电阻应变式压力传感原理电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应。设有一段长为l，截面为S，电阻率为的金属丝，则它的电阻为：SlR电阻应变式压力传感原理电阻应变式压力传感原理压力变化弹性变形电阻变化2.应变式压力变换器应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。电阻应变片有金属和半导体应变片两类。图3-11应变片压力传感器示意图1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片2.半导体压阻式传感器压阻效应沿一块半导体某一轴向施加一定应力时，除了产生一定应变外，材料的电阻率也要发生变化，这种现象称为半导体的压阻效应。压阻式传感器的电阻相对变化率为：dRdR)21(压阻式传感器原理其中电阻率的相对变化起主要作用，有EdRdRL式中,半导体沿L晶向的压阻系数。NmL/10)80~40(211其弹性模量E约为211/1067.1mNE故,半导体应变片应变灵敏度为60~140。压阻式传感器特点图3-12压阻式压力传感器1—基座；2—单晶硅片；3—导环；4—螺母；5—密封垫圈；6—等效电阻特点精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；便于实现显示数字化；可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。应变式压力传感器的温度补偿问题应变片和压阻器件本身受到温度影响后，材料尺寸会发生变化，材料的导电特性也会产生变化，其结果是应变片和压阻器件产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移。3.压电式压力传感器利用某些材料的压电效应原理制成。具有这种效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。压电陶瓷外形3.压电式压力传感器压电效应：压电材料在一定方向受外力作用产生形变时，内部将产生极化现象，在其表面上产生电荷。当去掉外力时，又重新返回不带电的状态。这种机械能转变成电能的现象，称之为压电效应。压力或拉力电荷交流电压电极方向上有伸缩正压电效应逆压电效应压电材料上电荷量的大小与外力的大小成正比。如图所示，压电陶瓷的极化方向为z轴方向。如果在z轴方向上受外力作用，则垂直于z轴的x、y轴平面上面和下面出现正负电荷。zyxF＋F＋＋＋－－－－压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量.用于机床动态切削力的测量。并联传感器上盖为传力元件4.电感式压力传感原理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。5.电容式压力变送器电容器的电容量：C=S/d当S或d发生变化时，电容量发生变化。电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。1—隔离膜片；2，7—固定电极；3—硅油；4—测量膜片；5—玻璃层；6—底座；8—引线p1p2电容式压力传感器的信号检测电容式压力传感器的信号检测电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。小结6.霍尔片式压力传感器原理：根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。图3-9霍尔效应霍尔电势可用下式表示BIRUHH式中，UH为霍尔电势,几十毫伏;RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度,约几千高斯；I为控制电流的大小(3~20mA)。6.霍尔片式压力传感器将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图3-10所示。图3-10霍尔片式压力传感器1—弹簧管；2—磁钢；3—霍尔片当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。p→霍尔片在磁场的位置→B→UH举例以DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器为例DDZ-