化工仪表第3章2.ppt
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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器 2内容提要内容提要n 物位检测及仪表物位检测及仪表n概述概述n差压式液位变速器差压式液位变速器n电容式物位传感器电容式物位传感器n核辐射物位计核辐射物位计n称重式液罐计量仪称重式液罐计量仪n 温度检测及仪表温度检测及仪表n温度检测方法温度检测方法n热电偶温度计热电偶温度计n热电阻温度计热电阻温度计n电动温度变送器电动温度变送器3内容提要内容提要n一体化温度变送器一体化温度变送器n智能式温度变送器智能式温度变送器n测温元件的安装测温元件的安装n 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n软测量技术的发展软
2、测量技术的发展n现代传感器技术的发展现代传感器技术的发展4几个概念几个概念在容器中液体介质的高低叫在容器中液体介质的高低叫液位液位,容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位料位测量液位的仪表叫测量液位的仪表叫液位计液位计测量料位的仪表叫测量料位的仪表叫料位计料位计测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计界面计在物位检测中,有时需要对物位进行连续检测,有时在物位检测中,有时需要对物位进行连续检测,有时只需要测量物位是否达到某一特定位置,用于定点物只需要测量物位是否达到某一特定位置,用于定点物位测量的仪表称为位测量的仪表
3、称为物位开关物位开关 物位检测的作用物位检测的作用控制、计量、报警等。控制、计量、报警等。第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表n 一、概论一、概论测量物位的两个目的测量物位的两个目的测量绝对物料量测量绝对物料量测量相对物料量测量相对物料量5直读式物位仪表:直读式物位仪表:玻璃管液位计、玻璃板液位计等。玻璃管液位计、玻璃板液位计等。差压式物位仪表:差压式物位仪表:利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。浮力式物位仪表:浮力式物位仪表:利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。电磁式物位
4、仪表:电磁式物位仪表:使物位的变化转换为一些电量的变化,如电容使物位的变化转换为一些电量的变化,如电容核辐射物位仪表:核辐射物位仪表:利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理声波式物位仪表:声波式物位仪表:由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同,测出这些变化就可测知物位。根据工作原理分射距离的不同,测出这些变化就可测知物位。根据工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。为声波遮断式、反射式和阻尼式。光学式物位仪表:光学式物位仪表:利用物位对光波的遮断和反射原理工作
5、利用物位对光波的遮断和反射原理工作按其工作原理分为按其工作原理分为6第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表n 二、差压式液位变送器二、差压式液位变送器图3-39 差压液位变送器原理图图3-40 压力表式液位计 当被测容器是敞口的,气相压力为大气压时,只需当被测容器是敞口的,气相压力为大气压时,只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号,将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号,也可以在容器底部安装压力表,如图也可以在容器底部安装压力表,如图3-403-40所示。所示。71APPgHAPP1PPPgH 第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表8第四节第四节 物位检测及仪表
6、物位检测及仪表gHp在使用差压变送器测量液位时,一般来说004HPmA maxmax20HHPPmA 9第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表图3-41 负迁移示意图实际应用中,正、负室压力分别为0121PPgHgh022PPgh1221PPPgHg hh004HPmA 输出maxmax20HHPPmA 输出maxmax20HHPPmA 输出11gh第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表11第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表 都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应,只不过零点调整量通常较小,而零点迁移量则比较大。零点调整使变送器的测量起始点为零;零点迁移是把测量的起始点由
7、零迁移到某一数值。同时改变了测量范围的上、下限,相当于测量范围的平移,它不改变量程的大小。12当测量的起始点由零变为某一正值,称为正迁移;当测量的起始点由零变为某一正值,称为正迁移;当测量的起始点由零变为某一负值,称为负迁移当测量的起始点由零变为某一负值,称为负迁移 xminxyxmaxyminymax0 xmaxxminxmax零点迁移的目的:使零点迁移的目的:使H0时,变送器输出为时,变送器输出为Iomin(如(如4mA)使变送器的输出信号下限值使变送器的输出信号下限值yminymin与测量范围的下限值与测量范围的下限值xmixmin n相对应,相对应,在在xmin=0 xmin=0时,称
8、为零点调整,在时,称为零点调整,在xmin0 xmin0时,称为零点迁移。时,称为零点迁移。13零点迁移的实现:零点迁移的实现:改变变送器的零点。14例例 15图3-44 法兰式差压变送器测量液位示意图1法兰式测量头;2毛细管;3变送器 单法兰式单法兰式 双法兰式双法兰式 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题,应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器,如下图所示。16n 三、电容式物位传感器三、电容式物位传感器dDLCln2图3-45 电容器的组成1内电极;2外电极通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面
9、。将电容传感器(探头)插入被测物料中,将电容传感器(探头)插入被测物料中,电极浸入物料中的深度随物位高低变电极浸入物料中的深度随物位高低变化,必然引起电容量的变化,从而可化,必然引起电容量的变化,从而可以检测出物位。以检测出物位。17dDLCln200dDHLdDHCln2ln203-46 非导电介质的液位测量1内电极;2外电极;3绝缘套;4流通小孔由两个同轴圆柱极板组成的电容器,当液位为零时,仪表调整零点,其零点的电容为HKdDHCCCiXln200对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。当液位上升为H时,电容量变为电容量的变化为18 电容量的变化与液位高度电容量的变化与液位高
10、度H H成正比。该法是利用被测成正比。该法是利用被测介质的介电系数介质的介电系数与空气介电系数与空气介电系数0 0不等的原理进行工不等的原理进行工作,(作,(-0 0)值越大,仪表越灵敏。电容器两极间的距)值越大,仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小,仪表越灵敏。离越小,仪表越灵敏。HKdDHCCCiXln20019第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表 用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大,容易“滞留”,可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。dDHCXln201金属电极棒;2容器壁左图所示为用金属电极棒插入容器来测左图所示为用金属电极棒插入容器来
11、测量料位的示意图。量料位的示意图。电容量变化与料位升降的关系为电容量变化与料位升降的关系为图3-47 料位检测20第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。需借助较复杂的电子线路。需借助较复杂的电子线路。应注意介质浓度、温度变化时,其介电系数也要应注意介质浓度、温度变化时,其介电系数也要发生变化这种情况。发生变化这种情况。21n 四、核辐射物位计四、核辐射物位计HeII0放射性同位素的辐射射入一定厚度的介质时,部分粒子因克服阻力与碰撞动能消耗被吸收,另一部分粒子则透过介质。射线的透射强度随着,其关系为图3-48
12、核辐射物位计示意图1辐射源;2接受器 不同介质吸收射线的能力不一样。固体吸不同介质吸收射线的能力不一样。固体吸收能力最强,液体次之,气体最弱。当收能力最强,液体次之,气体最弱。当放射源与被测介质固定后,介质的厚度放射源与被测介质固定后,介质的厚度与通过介质的射线强度就成一一对应关与通过介质的射线强度就成一一对应关系。系。22n 四、核辐射物位计四、核辐射物位计HeII0图3-48 核辐射物位计示意图1辐射源;2接受器核辐射式物位计属于非接触式物位测量仪表核辐射式物位计属于非接触式物位测量仪表适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸
13、腾状态的介质的物炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量,还可以测量高温融熔金属的液位。位测量,还可以测量高温融熔金属的液位。使用时几乎不受温度、压力、电磁场的影响。使用时几乎不受温度、压力、电磁场的影响。可在高温、烟雾等环境下工作。可在高温、烟雾等环境下工作。但由于射线对人体有害,因此射线的剂量应严但由于射线对人体有害,因此射线的剂量应严加控制,且须切实加强安全防护措施加控制,且须切实加强安全防护措施(工业现场一般不优先考虑使用核辐射式物位计工业现场一般不优先考虑使用核辐射式物位计)23n 五、称重式液罐计量仪五、称重式液罐计量仪石油、化工部门有许多大型储罐,由于高度与直径都石油、化工
14、部门有许多大型储罐,由于高度与直径都很大,如果液位变化很大,如果液位变化1 12mm2mm,就会有几百公斤到几,就会有几百公斤到几吨的差别,所以液位的测量要求很精确。吨的差别,所以液位的测量要求很精确。同时,液体的密度会随温度发生较大的变化,而大型同时,液体的密度会随温度发生较大的变化,而大型容器由于体积较大,各处温度很不均匀,因此即使容器由于体积较大,各处温度很不均匀,因此即使液位(体积)测得很准,也反映不了罐中正式的储液位(体积)测得很准,也反映不了罐中正式的储量是多少。量是多少。利用称重式液罐计量仪,就能解决上述问题。利用称重式液罐计量仪,就能解决上述问题。24图3-49 称重式液罐计量
15、仪1下波纹管;2上波纹管;3液相引压管;4气相引压管;5砝码;6丝杠;7可逆电机;8编码盘;9发讯器罐顶压力罐顶压力p1p1与罐底压力与罐底压力p2p2分别引分别引入下波纹管入下波纹管1 1和上波纹管和上波纹管2.2.两两波纹管的有效面积相等,差波纹管的有效面积相等,差压产生的总作用力作用与杠压产生的总作用力作用与杠杆系统,使其失去平衡,于杆系统,使其失去平衡,于是通过发讯器、控制器、接是通过发讯器、控制器、接通电机线路,使可逆电机旋通电机线路,使可逆电机旋转,并通过丝杠转,并通过丝杠6 6带动砝码带动砝码5 5移动,直至由砝码作用于杠移动,直至由砝码作用于杠杆的力矩与差压引起的测量杆的力矩与
16、差压引起的测量力作用于杠杆的力矩平衡时,力作用于杠杆的力矩平衡时,电机才停止转动。电机才停止转动。25n 五、称重式液罐计量仪五、称重式液罐计量仪21121MgLLAppgHpp12HKHMLAL112HAM0AMH0杠杆平衡时杠杆平衡时由于由于代入上式得代入上式得如果液罐是均匀截面如果液罐是均匀截面总储量总储量得得 K K为仪表常数为仪表常数02MAKL L L2 2与液罐内介质的总质量储量与液罐内介质的总质量储量M M0 0成正比,而与介质密度无关。成正比,而与介质密度无关。26说明:说明:1.1.如果储罐横截面积随高度而变化,一般是预先制定好表格,如果储罐横截面积随高度而变化,一般是预先
17、制定好表格,根据砝码位移量就可以查得储存液体的质量。根据砝码位移量就可以查得储存液体的质量。2.2.由于砝码移动距离与丝杠转动圈数成比例,丝杠转动时,经由于砝码移动距离与丝杠转动圈数成比例,丝杠转动时,经减速带动编码盘减速带动编码盘8 8转动,因此编码盘的位置与砝码位置是对应转动,因此编码盘的位置与砝码位置是对应的,编码盘发出的编码信号到显示器,经译码和逻辑运算后的,编码盘发出的编码信号到显示器,经译码和逻辑运算后就可以用数字显示出来了。就可以用数字显示出来了。3.3.称重仪具有很高的精度和灵敏度。称重仪具有很高的精度和灵敏度。27第五节第五节 温度检测及仪表温度检测及仪表n 一、温度检测方法
18、一、温度检测方法 温度不能直接测量,只能借助于冷热不同物体之间的热交换,以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。高温计(600)、温度计(t000(,)tAAtet tdtA为导体的汤姆逊系数,表示温差为为导体的汤姆逊系数,表示温差为11时所产生的时所产生的电动势数值。电动势数值。46在一个密闭的空间里,在一个密闭的空间里,气体分子在高温时的运气体分子在高温时的运动速度比低温时快!动速度比低温时快!温度的影响温度的影响(2 2)温差电势)温差电势定义:温差电势是同一导体的两端因其温度不同而定义:温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势产生的一种热电势tt0
19、AeA(t,t0)tt000(,)tAAtet tdt由上式可知:温差电势只与导体的材料性质和两端的温由上式可知:温差电势只与导体的材料性质和两端的温度有关,与导体的长度、截面大小及温度分布无关。度有关,与导体的长度、截面大小及温度分布无关。47(3 3)热电偶回路的热电势)热电偶回路的热电势定义:热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。定义:热电偶回路中总的热电势应是接触电势与温差电势之和。0000(,)()()(,)(,)ABABABBAEt tetetet tet t 接触电势温差电势下标下标A表示正电极,表示正电极,B表示负电极,由于温差电势比接触表示负电极,由于温差电势比接
20、触电势小很多,常常把它忽略不计,这样热电偶的热电势电势小很多,常常把它忽略不计,这样热电偶的热电势可表示为:可表示为:00(,)()()ABABABEt tetetA BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)+_+_此即热电偶测温的基本公式。当冷端温度此即热电偶测温的基本公式。当冷端温度t t0 0一定时,对于确定一定时,对于确定的热电偶来说,的热电偶来说,e eABAB(t(t0 0)为常数,因此,其总热电势为常数,因此,其总热电势E EABAB(t,t(t,t0 0)就就与温度与温度t t 成单值函数对应关系,和热电偶的长短、直径无关。成单值函数对应关系,和热电偶的长短
21、、直径无关。只要测量出热电势大小,就能判断被测温度的高低,这就是热只要测量出热电势大小,就能判断被测温度的高低,这就是热电偶的温度测量原理。电偶的温度测量原理。48重要结论:重要结论:1.1.如果组成热电偶的两种电极材料相同,则无论热如果组成热电偶的两种电极材料相同,则无论热电偶冷、热两端的温度如何,闭合回路中的总热电电偶冷、热两端的温度如何,闭合回路中的总热电势为零;势为零;2.2.如果热电偶冷、热两端的温度相同,则无论两电如果热电偶冷、热两端的温度相同,则无论两电极材料如何,闭合回路中的总热电势也为零;极材料如何,闭合回路中的总热电势也为零;3.3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有
22、关热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外,还与电极材料有关,也就是说由不同电极材之外,还与电极材料有关,也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。同的。(,)()()=0ABABABEt tetet(,0)()(0)=0AAAAAAEt tetet(,0)(,0)ABABEt tet t49利用热电偶作为传感器来检测温利用热电偶作为传感器来检测温度时,必须在热电偶回路中引入度时,必须在热电偶回路中引入连接导线和显示仪表连接导线和显示仪表,接入导线接入导线和仪表后会不会影响回路中的热和仪表后会不会影响回路中的热电势呢
23、?电势呢?小结小结:1.1.热电效应热电效应 (SeebeckSeebeck effect effect)2.2.热电偶的测温原理热电偶的测温原理 00(,)()()ABABABEt tetet中间导体定律中间导体定律50课外思考课外思考:塞贝克效应塞贝克效应(Seebeck effect)的反效应的反效应塞贝克效应:塞贝克效应:结论:两端温度不同时产生热电势结论:两端温度不同时产生热电势条件:两个不同的金属丝,闭合回路条件:两个不同的金属丝,闭合回路塞贝克效应的反效应塞贝克效应的反效应条件:两个不同的金属丝,闭合回路条件:两个不同的金属丝,闭合回路结论:回路中接入电源。结论:回路中接入电源。
24、51课外思考课外思考:1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝,再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上,通电后,发现 帕尔帖效应(帕尔帖效应(Peltier effect)塞贝克效应塞贝克效应(Seebeck effect)的反效应的反效应52图3-58 热电偶测温系统连接图因为要测量毫伏信号,必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表,因为要测量毫伏信号,必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表,那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势,是否会对热电偶回路产生那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势,是否会对热电偶回路产生影响呢?影响呢?答:不会产生影响的。答:不会产生影响的。53如果
25、断开冷端,接入第三种导体如果断开冷端,接入第三种导体C C,并保持,并保持A A和和C C、B B和和C C接触处的温度均为接触处的温度均为t t0 0,则回路中的总热电势等于各接,则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和点处的接触电势之和:tABCt0t0ABtt0000(,)()()()ABCABBCCAEt tetetet当当t tt t0 0时,有时,有00000(,)()()()0ABCABBCCAEt tetetet于是可得于是可得 000(,)()()(,)ABCABABABEt tetetEt t同理还可以证明,在热电偶中接入第四种、第五同理还可以证明,在热电偶中接入第四种
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