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1、第二單元 基礎控制 -量測元件及傳送器-Measure Element & Transmitterv壓力測量v溫度測量v流量測量v液位測量v線上分析儀 . .對量測元件要求v為求精度之程序控制效果，對量測元件要求：v精確度(precision)：指儀器可測得的最少量測單位，隨 著控制要求，精確度亦須相對提升。v準確度 (accuracy)：儀器本身之系統性誤差(systematic error)所造成與實際值之差異。v再現性度 (repeatability)：儀器量測時之隨機誤差 (random error)所造成與實際值之差異。隨機誤差有正有 負，故以多少來表示。v工作環境：工作環境對某些線
2、上分析儀之準度及壽命均有 深遠的影響，必須仔細評估，保護設備(如一空調小屋)加 上，以維護儀器v線性化(linearity)：大部分的儀錶間傳送均為線性的， 因此將量測元件的量測特性給予線性化是必要的。 壓力測量基本元件 v彈性變形元件(Pressure spring)為壓力測量基本元件 P2P1P2巴登管靜壓元件薄膜靜壓元件、差壓元件蝸形管靜壓元件扁囊差壓元件螺漩管靜壓元件伸縮囊差壓元件 壓力P1P2壓力 壓力 密封油P1壓力測量基本元件 v彈性變形元件(Pressure spring)為壓力測量基本元件 P2P1P2巴登管靜壓元件薄膜靜壓元件、差壓元件蝸形管靜壓元件扁囊差壓元件螺漩管靜壓元
3、件伸縮囊差壓元件 壓力壓力 壓力 密封油P1P1P2壓力測量壓力錶保護v壓力錶直接由彈性變形元 件感測壓力以連桿或力矩帶 動指針。v易因彈性疲乏、氧化、或超 限而變形，容易產生誤差， 壓力錶的保護及校正很重要v保護方式：緩衝器(抗劇烈變 化)、化學隔離(抗腐蝕)、豬 尾巴虹吸管(抗濕熱)。v校正：採用精密壓力校正器 或重量砝碼為標準，利用氣 壓源、油壓源或手動壓力唧 筒為壓力源。壓力標準 待校正壓力錶壓力源化學隔離蒸汽虹吸管壓力錶保護壓力錶校正密封油壓力測量壓力傳送器v靜壓或差壓信號經壓力元件 產生位移最常利用下列裝元 件轉換為電流或電壓：v線性變差電轉換器(LVDT) 利用電感原理，以差電線
4、路 增加靈敏度。v 應變計(Strain Gauge)利 用電阻絲嵌在彈性膜上，當 彈性膜受到張力，將電阻絲 拉長、變細，改變電阻 信號 ，經電橋電路轉換將信號傳 出。GR1R2R3信號轉 換輸出壓力元件位移LVDT轉換器信號 輸出Strain Gauge 轉換器壓力傳送器（Strain Gauge)vR L/AA大 L短R小壓力傳送器（Strain Gauge)vR L/AA小 L長R大壓力傳送器（Strain Gauge)v利用電阻絲嵌在彈性膜 上，當彈性膜受到張力 ，將電阻絲拉長、變細 ，改變電阻 信號v經偏轉式惠斯登電橋 (Weston Bridge)電路轉 換將信號傳出。v平衡型惠斯
5、登電橋R1R2R3信號轉 換輸出Strain Gauge 轉換器R4IGI=0壓力傳送器（LVDT)v線性變差電轉換器 (LVDT)(Linear Variable Differential Transformer) 利用電感原理，以 差電線路增加靈敏 度。壓力元件位移LVDT轉換器信號 輸出壓力傳送器（LVDT)v線性變差電轉換器v vRC1減少 RC2增加壓力元件位移LVDT轉換器信號 輸出RC1RC2流量測量測量元件v差壓式流量元件流體流過定 面積阻流器，阻流器兩端差 壓隨流量而改變：v初級元件（即量測元件）包括 ：流孔板、文式管、流嘴v次級元件（即差壓元件）v流量傳送器（即差壓傳送器）
6、P1 高壓側P2 低壓側P1 高壓側P2 低壓側流孔板文式管P1 高壓側P2 低壓側流嘴同心圓偏心圓d 管徑 Dv流孔板費用低、簡單、可靠度高、適用範圍廣泛等優 點，但因流量與壓降的關係非線性，傳送器需加開根 號器。v流孔板的係數CD由下列因數決定流孔板形狀、壓力接頭、(= d/D）及雷諾數（NRE)v因此標準流孔板都有其規範 邊緣接頭標準流孔板角分接頭流量測量流孔板v文式管摩擦損失小，適合髒的或黏性液體及一些slurries ，但價格高、安裝使用較複雜v流嘴居流孔板與文式管間，較常被採用流量測量文式管與流嘴板流量測量差壓傳送器流速測量艾紐巴管(Annubar Tube)皮托管(Pitot T
7、ube)測點速度 艾紐巴管(Annubar Tube)測平均速度艾紐巴管(Annubar Tube)衝 壓靜壓流量測量變面積測量元件v變面積元件阻流器 兩端差壓固定，阻流 器隨流量而移動以改 變面積v浮子流量計 (Rotameter)通常指示用浮子流量計流体方向流量測量變面積測量元件流量測量磁流量傳送器v最普遍之流量傳送器： 以差壓元件測差壓流量 計所產生之信號，再經 LVDT等線路轉換為電流 、電壓信號。v電磁流量計： 藉流體的導電性，利用 彿萊明左手定律之原理 ，將流速信號，轉換為 電流、電壓信號。NS_+導電流體電磁流量計流動管路電壓信號常用流量計選用之參考液位測量靜壓傳送器v液位傳送器
8、則多採靜 壓法，利用隨液位上 昇產生線性變化之壓 力信號，以壓力元件 測量液位信號，再由 LVDT或應變計轉換為 電子信號液位傳送器液位測量 玻璃液位計圓管式 （便宜、通用、不耐高壓）平板式反射型平板式穿透型（耐高壓、堅固）v液位測量最直接的方式是玻璃液位計， 玻璃管低壓系採圓管，高壓系採平板式。v開放槽使用錶壓法，密閉槽使用差壓法液位測量靜壓法零點提昇零點提昇零點壓抑溫度儀器種類v膨脹式溫度儀器水銀溫度計：水銀之膨脹隨溫度而變，指示範圍約在0300左右雙金屬溫度計：利用不同金屬之熱膨脹係數差異，其使用 範圍約在-184427左右，通常裝於管線中作指示用 v電阻式溫度儀器(resistance
9、 temperature detector,RTD) v熱電偶式溫度儀器(thermo couple) 雙金屬溫度計A熱膨脹係數大 B熱膨脹係數小加熱溫度測量熱電偶（）原理v熱電偶(TC) 利用兩金屬 接點溫差產生電動勢，熱電 原理如下v席貝克效應（Seeback Effect）：不同金屬兩接點 溫度不同時，則有電流。v潘第效應（ Peltier Effect ）：電流通過兩金屬接點， 若電流由正元件流向負元件 ，則放熱溫度升高。v湯姆遜效應（ Thomson Effect）：均勻之金屬線兩 端溫度不同便會產生電動勢TTTT電流電流A金屬（）A金屬（）B金屬（）B金屬（）T1T1T2T2電動勢
10、 EA = CA (T1T2)電動勢 EB = CB(T1T2)電流A金屬（）B金屬（）（T1 T2）T1T2溫度測量熱電偶（）原理v熱電定律：熱電偶測量溫度T1 時，利用冰點為參考溫度及外接 銅導線或補償導線以作電動勢測 量時，產生電動勢 EC 與兩端 點溫差 (T1-T4)正比，與其他中 間溫度(T2、 T3)或銅導線無關v熱電偶產生電動勢 mV，經信號 處理器轉為420mA或15Vv熱電偶優點：簡單、便宜、可靠 、響應快、量測溫度範圍廣，v熱電偶缺點：則是須小心安裝， 有時須放大輸出訊號，其精確度 遜於RTD式溫度計 v熱電偶可測溫度大於1000。C A 金屬()B 金屬() T2T3
11、電 動 勢 感 測T4 參考溫度銅導線熱電偶溫度測量 EC = (CA-CB) x (T1-T4)T1補償導線EC電流信 號輸出+ -信號處理器 I = (R2 / R1R3 ) VinVinR2R1R3R5 R4R LI常用熱電偶溫度測量電阻溫度計溫度計（RTD）原理v電阻溫度計(RTD) 以電阻絲，在雲母片絕緣繞 成，再以彈性鋼保護即成。 在特定範圍內，隨溫度改變 電阻。v電導體的電阻性隨溫度變化R = Ro(1+ (T -To)金屬線材之種類有鉑線、鎳線與 銅線之分，以鉑線之線材最佳 v為了消除導線因焦耳效應 或室溫變化產生誤差，通常 以 Pt100 三線式感測球泡 RTD 作為溫度測量
12、。v適用溫度範圍常為 250。C以 下。雲母片電阻球泡（RTD)AB B保護彈性鋼三線式(RTD)接2U電橋GR1R2R3RTD信號轉換輸出以偏轉型惠司登電橋傳送RTD 二線式與三線式v二線式R1R2R3R4GR4GR1R2R3v三線式v以平衡型惠司登電橋測量 中 I=0 以偏轉型惠司登電橋傳送讀數讀數GA BBRcRcRc Rc Rc線上分析儀 v為了得知重要的程序特性，經常必須加裝線上分析儀 (online analyzer)來測量，甚至為了品質控制，必 要時必須輔以線上控制。v大部分的分析儀，都有取樣系統來抓取適當的樣品供 儀器分析。然而這個取樣系統對控制而言，卻是個討 厭的東西，因為它必須花上一段取樣時間，再加上分 析所需的時間長者，可能長達數十分鐘，此即靜時 (dead time)，造成延遲(delay)增加了控制的困難度v有分析儀的控制系統絕大多數為高階控制系統 v物性測量，如： 沸點(boiling point)。閃點(flash point)。密度(density)。pH。BTU(heat reflux)。黏度計(viscosity)。v成分組成，如:氣體分析儀(如O2、CO2、CO)。近紅外線(near infrared)。氣相色層儀(GC)。導電度計(conductivity)。 線上分析儀類別
