《化工仪表及自动化》第3章课件1.ppt
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1、第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器 第一节第一节 概述概述第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表第三节第三节 流量检测及仪表流量检测及仪表第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表第五节第五节 温度检测及仪表温度检测及仪表第六节第六节 现代检测技术与传感器的发展现代检测技术与传感器的发展第七节第七节 显示仪表显示仪表第一节第一节 概述概述 用来检测生产过程参数的技术工具称为用来检测生产过程参数的技术工具称为检测仪表检测仪表。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通常称为传感器传感器。当传感器的输出为单元组合仪表中规定
2、的标准信号时,当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时,通常称为通常称为变送器变送器。l一、测量过程与测量误差一、测量过程与测量误差 测量过程测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单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。位进行比较的过程,而测量仪表就是实现这种比较的工具。测量误差测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的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。差距。通常有两种表示方法,即绝对误差和相对误差。tixx 绝对误差绝对误差0 xx000 xxxxyxi i:仪表指示值:仪
3、表指示值,xt:被测量的真值:被测量的真值由于真值无法得到由于真值无法得到 x:被校表的读数值,:被校表的读数值,x0:标准表的读数值:标准表的读数值 相对误差相对误差l二、仪表的性能指标二、仪表的性能指标%100max测量范围下限值测量范围上限值1.1.精确度(简称精度)精确度(简称精度)说明:仪表的测量误差可以用绝对误差说明:仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是,来表示。但是,仪表的绝仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同对误差在测量范围内的各点不相同。因此,常说的。因此,常说的“绝对误差绝对误差”指指的是绝对误差中的最大值的是绝对误差中的最大值maxmax。两大影响因素两大影响因素绝
4、对误差和仪表的测量范围绝对误差和仪表的测量范围相对百分误差相对百分误差允许误差允许误差%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%8.0%1002007004举例举例例例1某台测温仪表的测温范围为某台测温仪表的测温范围为200700,校验该表时得到的最大绝对,校验该表时得到的最大绝对误差为误差为4,试确定该仪表的精度等级。,试确定该仪表的精度等级。解:该仪表的相对百分误差为解:该仪表的相对百分误差为 如果将该仪表的如果将该仪表的去掉去掉“”号与号与“”号,其数值为号,其数值为0.8。由于国。由于国家规定的精度等级中没有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
5、过了级仪表,同时,该仪表的误差超过了0.5级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。级。仪表的仪表的允允越大,表示它的精确度越低;反之,仪表的越大,表示它的精确度越低;反之,仪表的允允越小,表示越小,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“”号及号及“”号,号,便可以用来确定仪表的精确度等级。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目前常用的精确度等级有0.0050.005,0.020.02,0.050.05,0.10.1,0.20.2,0.40.
6、4,0.50.5,1.01.0,1.51.5,2.52.5,4.04.0等。等。小结小结%7.0%100010007允例例2某台测温仪表的测温范围为某台测温仪表的测温范围为01000。根据工艺要求,温度指。根据工艺要求,温度指示值的误差不允许超过示值的误差不允许超过,试问应如何选择仪表的精度等级才能,试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求?满足以上要求?解:解:根据工艺上的要求,仪表的允许误差为根据工艺上的要求,仪表的允许误差为 如果将仪表的允许误差去掉如果将仪表的允许误差去掉“”号与号与“”号,其数值介于号,其数值介于0.51.0之间,如果选择精度等级为之间,如果选择精度等级为1.0级
7、的仪表,其允许的误差为级的仪表,其允许的误差为1.0,超过了工艺上允许的数值,故应选择,超过了工艺上允许的数值,故应选择0.5级仪表才能满足工级仪表才能满足工艺要求。艺要求。仪表的精度等级仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。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。精确度越高。0.050.05级以上的仪表,常用来作为标准表;工业现场用的测量仪级以上的仪表,常用来作为标准表;工业现场用的测量仪表,其精度大多在表,其精度大多在0.50.5以下。以下。仪表的精度
8、等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。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。举例举例1.51.0 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,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;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(至多根据工艺要求来选择仪表精度等级时,仪表的允许误差应
9、该小于(至多等于)工艺上所允许的最大相对百分误差。等于)工艺上所允许的最大相对百分误差。小结小结%100测量范围下限值测量范围上限值最大绝对差值变差2.2.变差变差 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。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。图图3-1 3-1 测量仪表的变测量仪表的变差差3.3.灵敏度与灵
10、敏限灵敏度与灵敏限 仪表的灵敏度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。即的被测参数变化量的比值。即xS 式中,式中,S S为仪表的灵敏度;为仪表的灵敏度;为指针的线位移或角位移;为指针的线位移或角位移;x x为为引起引起所需的被测参数变化量。所需的被测参数变化量。仪表的灵敏限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。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
11、指针式仪表。在数字式仪表中,往往用分辨力表示。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。4.4.分辨率分辨率 对于数字式仪表,对于数字式仪表,分辨力分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表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。的被测参数变化量。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最高分辨力高分辨力,也叫,也叫灵敏度灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。分辨率与仪表的有效数字位数有关
12、。%100max仪表量程fi5.5.线性度线性度 线性度线性度是表征线性刻度仪表的输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。仪表的输出与输入之间呈线性关系。图图3-2 线性度示意图线性度示意图6.6.反应时间反应时间 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
13、。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仪表反应时间的长短,实际上反映了仪表动态特性的好坏。态特性的好坏。l三、工业仪表的分类三、工业仪表的分类1.按仪表使用的能源分类按仪表使用的能源分类气动仪表、电动仪表、液动仪表气动仪表、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;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。动仪表的安全使用。一般结构较复杂;易受温度
14、、湿度、电磁场、一般结构较复杂;易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。放射性等环境影响。优点优点缺点缺点2.按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检测仪表检测仪表 作用是获取信息,并进行适当的转换。作用是获取信息,并进行适当的转换。显示仪表显示仪表 作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。集中控制装置集中控制装置 包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。控制仪表控制仪表 可以根据需要对输入信号进行各种运算。可以根据需要对输入信号进行各种运算。执行器执行器 可以接受控制仪表的输出信号或
15、直接来自操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。作员的指令,对生产过程进行操作或控制。图图3-3 3-3 各类仪表的作用各类仪表的作用3.3.按仪表的组成形式分类按仪表的组成形式分类 基地式仪表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
16、范围。用范围。分为基地式仪表和单元组合仪表分为基地式仪表和单元组合仪表 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表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZDDZ仪表;气动单元组合仪表简称仪表;气动单元组合仪表简称QDZQDZ仪表。仪表。注意注意 单元组合仪表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、
17、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。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。第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表l一、压力单位及测压仪表一、压力单位及测压仪表表示受力面积。表示垂直作用力;表示压力;式中,SFpSFp 是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。的单位为帕斯卡,简称帕(的单位为帕斯卡,简称帕(Pa)211mNPa PaMPa61011 为了使大家了解国际单位制中的压
18、力单位(为了使大家了解国际单位制中的压力单位(Pa或或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。系表。压力压力单位单位帕帕/Pa兆帕兆帕/MPa工程大气压工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压物理大气压/atm汞柱汞柱/mmHg水柱水柱/mH2O(磅(磅/英寸英寸2)/(1b/in2)巴巴/bar帕帕1110106 61.01971010-5-59.8691010-6 67.5011010-3-31.01971010-4-41.4501010-4-411010-5 5兆帕兆帕110106 61 110.1979.86
19、97.50110103 31.019710102 21.45010102 210工程工程大气大气压压9.80710104 49.8071010-2-210.9678735.610.0014.220.9807物理物理大气大气压压1.013310105 50.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱汞柱1.333210102 21.33321010-4-41.35951010-3-31.31581010-3-310.01361.9341010-2-21.33321010-3-3水柱水柱9.80610103 39.8061010-3-30.10000.0967873.551
20、1.4220.09806(磅(磅/英寸英寸2)6.89510103 36.8951010-3-30.070310.0680551.710.703110.06895巴巴110105 50.11.01970.9869750.110.19714.501表表3-1 各各种压力单位换算表种压力单位换算表大气压力绝对压力表压pppp表P真P绝P绝大气压力线大气压力线绝对压力的零线绝对压力的零线在压力测量中,常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。在压力测量中,常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。绝对压力大气压力真空度ppp当被测压力低于大气压力时,一般用负压或真空度来表示。当被测压力低于大气压力时,一般用
21、负压或真空度来表示。图图3-43-4绝对压力、表压、负绝对压力、表压、负压(真空度)的关系压(真空度)的关系测压仪表按其转换原理的不同可分为四类。测压仪表按其转换原理的不同可分为四类。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。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。U形管压力计形管压力计单管压力计单管压力计 这类压力计结构简单、使用方便这类压力计结构简单、使用方便 其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响,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。测量范围较窄,一般用来测量较低压力、真空度或压
22、力差。它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量(如电压、它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量(如电压、电流、频率等)来进行测量的仪表。电流、频率等)来进行测量的仪表。它是根据水压机液体传送压力的原理,将被测压力转换它是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。成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。测量精度很高,允许误差可小到测量精度很高,允许误差可小到0.05%0.02%。结构较复杂,价格较贵。结构较复杂,价格较贵。l二、弹性式压力计二、弹性式
23、压力计是利用各种形式的弹性元件,是利用各种形式的弹性元件,在被测介质压力的作用下,使弹性元件受压后在被测介质压力的作用下,使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。力。弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时,所用的弹性元件也不一样。不同时
24、,所用的弹性元件也不一样。图图3-5 弹性元件示意图弹性元件示意图 弹簧管式弹性元件弹簧管式弹性元件波纹管式弹性元波纹管式弹性元件件薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件 使用的测压元件使用的测压元件 单圈弹簧管压力表与多圈单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。弹簧管压力表。用途用途 普通弹簧管压力表,耐腐蚀的氨用普通弹簧管压力表,耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。压力表、禁油的氧气压力表等。1弹簧管;弹簧管;2 拉拉杆;杆;3 扇形齿轮;扇形齿轮;4 中心齿轮;中心齿轮;5 指针;指针;6 面板;面板;7 游丝;游丝;8 调整调整螺丝;螺丝;9 接头接头 在化工生产过程中,常需要把压力控在化工生产
25、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,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。器实现压力的自动控制。图图3-7 电接点信号压力表电
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