1、过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 热工仪表第三章 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屡次能量的交换，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。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 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
2、：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。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 二、检测仪表的性能 2.指示变差与精密度 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。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。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 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
3、变化量与被测参数变化量之比。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。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 二、检测仪表的性能 4.线性度与反响时间 线性度：测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论对应值的吻合程度。反响时间：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 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 三、检测系统的构成 被测参数 敏感元件 信号变换 信号传输 信号测量 显示 记录 控制+-A/D PLC 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 3.2 压力的测量与变送 一、压力的表示
4、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 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 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 Pa N/m2 毫米汞柱 mm 兆帕 MPa 106N/m2 水柱 m 工程大气压 10mH2O 巴 dyn/cm2 物理大气压 20 C海平面 psi lb/in2 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 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
5、力计 活塞式压力计 弹性式压力计 电气式压力计 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 1.液柱式压力计 测量原理：P=h 所以 h=P/单管压力计U型管压力计斜管压力计过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 2.活塞式压力计 测量原理：P=G/S 所以 G=PS 精确度高 常用作标准仪表，检验其它压力计 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 3、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。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 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 4、电
6、气式压力计与信号转换 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局部组成：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。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 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；压电电阻式压力变换器；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。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 电阻应变式压力计一次探头 电线的电阻为：R=L/S 当电线受到拉应力作用时，L变大，
7、S变小，R变大。当粘一组串联平行细导线电阻应变片的金属弹性元件因压力变化而发生微小变形应变时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数。压力变化 弹性变形 电阻变化 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 电感式压力计一次探头 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。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 电容式压力计一次探头 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。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 霍尔式压力计一次探头 霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧
8、向电压：UH=RHBI N S 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 电气压力计前置放大器 传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能进行远距离传送，需要进行初步放大。电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压方式输出；电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率方式输出；电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方式输出。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 电气压力计前置放大器 供桥电压输出电压输出频率输出电压输入电压过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 电气压力计二次仪表 作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。DDZ 型仪表标准通讯信号为：420mA。智能型压力传感器在二次仪表中另外
9、附加一些功能，如：模/数转换与数据通讯，工程单位转换，信号变化阻尼，故障诊断等。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 三、压力计的选型 选型内容：类型选择 功能：显示、报警、记录、传送数字、模拟；介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；如：氨气表防腐，氧气表禁油。环境条件：温度、震动、电磁场等。量程与盘面大小；工作压力不小于1/3量程，不大于2/31/2量程。盘面大小应方便安装和观察。精度等级：根据工艺需要确定。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 常见压力传感器外形 工业压力变送器 数字压力变送器 通用压力变送器 隔离压力变送器 高温压力变送器 隔离压差变送器 隔离液位变送器 微压
10、变送器 电容压力变送器 隔膜压力变送器 绝压变送器 双膜压差变送器 微型探针压力计 暖风空调压力计 湿式压力变送器 本安压力变送器 OEM血压计 OEM压力芯片 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 三、压力计的安装 安装事项：取压位置：由工艺条件确定；尽量防止涡流影响；防止流速影响；防止导压管产生压差。隔离：温度隔离：采用铜管散热；腐蚀性隔离：采用隔离箱凝液管；脏污隔离：采用空气包。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 3.3 流量的测量与变送 按测量途径分类：速度式流量计 通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。容积式流量计 采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积。质量流量计 计量可压缩
11、流体的质量通过量。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 一、速度式流量计 根据测速方法可以分为以下几类：压差流量计 转子流量计 电磁流量计 超声波流量计 涡轮流量计 堰式流量计 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 1.压差流量计 由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后，会产生一定的压降。根据流速和压降的关系可以推导出以下方程：通过测量孔板前 后压差即可计算 出流速和流量。pFQ2p1 p2 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 2.转子流量计 垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡。压差与流速有关；流速取决于转子的位置。由转子高度可直接读取通过的流量；测量转子位置
12、可进一步获得相应的电气信号。AgVhQfft2过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 3.电磁流量计 当流道两侧有磁场作用时，导电流体在流动过程中切割磁力线，产生感应电动势：Ex=BDv10-12 所以有：Q=K Ex EX1 EX2 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 3.电磁流量计 电磁流量计由两局部组成：电磁流量变换器 由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。二次仪表 作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱电势信号进行放大，并输出相应的电流信号。组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率放大、霍尔反响克服电源波动、电源等。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 4.超声波流量计 多普
13、勒效应：当一束波射向移动的物质并产生散射时，其散射波的频率会产生变化频移，且频率变化量与物质的运动速度成正比。超声波流量计的特点：非接触式测量；流体中需要有散射粒子：微泡或颗粒。粒入散vfffd2sincos2 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 二、容积式流量计 容积式流量计主要包括两类：齿轮式流量计 一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间，齿轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过量与齿轮转数成正比。活塞式流量计 利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输送流体 容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度不敏感，常用于测量重油等粘
14、稠流体。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 三、质量流量计 间接式质量流量计 分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量。直接式质量流量计 利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差 质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 3.4 物位的测量与变送 物位：液位：容器中液体外表的上下；料位：容器中固体的堆积高度；界面：两相物质的交界面。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 物位计的分类 直读式物位计 浮力式物位计 压差式物位计 电磁式物位计 核辐射式物位计 超声波物位计 光电式物位计 过程特性及其数学模型过程特性及其数
15、学模型 一、直读式物位计 用带有刻度的透明物质如玻璃、有机玻璃作为容器壁的一局部或连通管，可以直接显示容器内液位的上下。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 二、浮力式物位计 利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化的原理工作。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 三、压差式物位计 利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成正比的关系进行测量。液体密闭容器 液体敞开容器 固体称重仓 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 四、电容式物位计 圆柱形电容器的电容量的表达式为：电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为：由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。测量电容量变化即可知料位的变化。
16、dDLCln2 HKHdDdDLdDDLdDHCln2ln2ln2ln2000过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 四、电容式物位计 电容式液位计 电容绳式料位计 主要用于测量不导电流体 过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 五、电极式物位计 利用物料的导电性能测量上下液位。也可以用于导电性较弱的液体和潮湿固体。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 六、核辐射式物位计 放射线通过介质时，其强度衰减与物质的吸收系数和介质层厚度有关：目前，工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种。HeII0过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 七、超声波物位计 利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的上下。本卷须知：确保反射波能回到探头；防止物料对声波的吸收如外表泡沫漂浮。过程特性及其数学模型过程特性及其数学模型 3.4 温度的测量与变送 温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；温度决定一些反响能否进行和反响方向；温度决定一些反响的进程程度；温度显示反响的能量变化。温