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1、第三章 测量元件与变换器 3.1 概述一、参数的测量l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。l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。l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。二、检测仪表的性能1. 准确度与误差l准确度：测量值与被测量真值的接近程 度；l绝对误差：测量值与被测量真值之差；l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
2、度值 之比。l允许误差：最大引用相对误差。二、检测仪表的性能2.指示变差与精密度l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 。l精密度（简称精度）：仪表检测微小参数变 化的能力。l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。二、检测仪表的性能3. 灵敏度、灵敏限与分辨率l灵敏度：仪表的指示位移变化量与被测 参数变化量之比。l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。l分辨率：测试仪表数字显示器的最末
3、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l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。l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/DPLC3.2 压力的测量与变送 一、压力的表示与单位压力的表示：l绝对压力单位面积所受到的力l相对压力（表压）绝对压力与大气压之 差l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压力（压强）的单位l压强（俗称压力）：单位面积所受到的 垂直
4、作用力。l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20C海平面psilb/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：l液柱式压力计l活塞式压力计l弹性式压力计l电气式压力计1. 液柱式压力计测量原理：P=h 所以 h=P/ 2. 活塞式压力计l测量原理：P=G/S 所以 G=PSl精确度高l常用作标准仪表 ，检验其它压力 计3、弹性式压力计与常用压力表l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
5、。l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4、电气式压力计与信号转换l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。l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。电气式压力计一次探头l常用电参数有：电阻、电感、电容、电 压等。l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。电阻应变式压力计一次探头l电线的电阻为：
6、R=L/Sl当电线受到拉（应）力作用时，L变大 ，S变小，R变大。l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 变化电感式压力计一次探头l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。电容式压力计一次探头l电容器的电容量 ：C=S/dl当S或d发生变化 时，电容量发生 变化。霍尔式压力计一次探头l霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下 ，会产生侧向电压：UH=RHBINS电气压力计前
7、置放大器l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。v电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电 压方式输出；v电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频 率方式输出；v电压传感器一般采用直流放大器，以电压或 电流方式输出。电气压力计前置放大器电气压力计二次仪表l作用：将传感器信号转换为标准通讯信 号。lDDZ 型仪表标准通讯信号为： 420mA。l智能型压力传感器在二次仪表中另外附 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。三、压力计的选型l选型内容：类型选择l功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟 ）；l介质条件：温度
8、、腐蚀性、粘度、脏污程度等 ；如：氨气表防腐，氧气表禁油。l环境条件：温度、震动、电磁场等。量程与盘面大小；l工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量 程。l盘面大小应方便安装和观察。精度等级：根据工艺需要确定。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压力芯片三、压力计的安装l安装事项：取压位置：由工艺条件确定；l尽量避免涡流影响；l避免流速影响；l避免导压管产生压差。 隔
9、离：l温度隔离：采用铜管散热；l腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）；l脏污隔离：采用空气包。3.3 流量的测量与变送按测量途径分类：l速度式流量计通过测量过流速度，用过流面积换算成流 量。l容积式流量计采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积。l质量流量计计量可压缩流体的质量通过量。一、速度式流量计l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1. 压差流量计l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下列方程：l通过测量孔板前 后压差即可计算 出流速和流量。p1p22. 转子流量计l垂直流道中的金属转
10、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。l由转子高度可直接读取 通过的流量；l测量转子位置可进一步 获得相应的电气信号。3. 电磁流量计l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 ExEX1EX23. 电磁流量计电磁流量计由两部分组成：l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 。l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、霍尔反馈（克服电源波动）、电 源等。4. 超声波
11、流量计l多普勒效应：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。l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。二、容积式流量计l容积式流量计主要包括两类： 齿轮式流量计l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l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l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稠流体。三、质量流量计l间接式质量流量计
12、分别测量体积流量和密度再用乘法计算出 质量流量。l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v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。3.4 物位的测量与变送l物位：液位：容器中液体表面的高低；料位：容器中固体的堆积高度；界面：两相物质的交界面。物位计的分类l直读式物位计l浮力式物位计l压差式物位计l电磁式物位计l核辐射式物位计l超声波物位计l光电式物位计一、直读式物位计l用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机 玻璃）作为容器壁的一部分或连通管， 可以直接显示容器内液位的高低。二、浮力式物位计l利用浮子高度随液面或液体界面变化而 变化的原理工作。三、压差
13、式物位计l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四、电容式物位计l圆柱形电容器的电容量的表达式为：l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。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五、电极式物位计l利用物料 的导电性 能测量高 低液位。l也可以用 于导电性 较弱的液 体和潮湿 固体。六、核辐射式物位计l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：l目前，工业上使 用的放射线物位 计有连续式和间 断式两
14、种。七、超声波物位计l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 高低。l注意事项：确保反射波能回到探头； 防止物料对声波的吸收（如 表面泡沫漂浮）。3.4 温度的测量与变送l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； 温度决定一些反应能否进行和反应方向； 温度决定一些反应的进程程度； 温度显示反应的能量变化。l温度不能直接测量。温度的测量都是通 过温度传递到敏感元件后，其物理性质 随温度变化而进行的。常用温度计的种类及适用温度一、膨胀式温度计l玻璃液体温度计利用液体
15、受热膨胀并 沿玻璃毛细管延伸而 直接显示温度l双金属温度计不同金属受热膨胀不 同，双金属片在受热 情况下发生弯曲而显 示温度t = t0 t t0二、压力式温度计l利用液体的蒸发或气体 的膨胀而引起的压力变 化进行测量。 温包：传热、容纳膨 胀介质； 毛细管：传递压力； 弹簧管：显示压力（ 温度）。三、辐射式温度计l通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确 定光源温度。l辐射式温度计：测定热辐射强度；l光学温度计：采用光学分频法，测定不同频 率光波的强度比值；l比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定 光源温度。辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特 别是光学温度计和比色温度计需要利用物体 在高温
16、下发射的可见光进行检测。四、热电偶温度计 1.热电偶工作原理不同金属具有不同的电子密度； 两种金属接触面因为电子的扩散作用而产 生电场热电现象；电子在扩散作用和电场力作用下最终达到 平衡； 电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散 作用越强。+-扩散作用电场作用金属A金属B2. 热电偶的材质与选择l热电偶的材质要求：单位温度变化的热电势大，且尽量接近线 性关系； 热电性质稳定； 化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀； 具有较好的延展性，易于加工； 复现性好，便于批量生产和互换。l不同材质的热电偶有不同的特性，应根 据实际需要选择测量范围、放大系数（以分度值表示）、 测量精度、抗腐蚀能力、价格等。3. 热电偶的结构l热电极工作部分l绝缘子防止电极与电极、套 管短路l保护套管保护l接线盒4. 热电偶回路l不同金属连接在一 起都构成热电偶作 用；l热电偶回路电动
