《过程仪表及自动化 教学课件 ppt 作者 马修水 第2章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程仪表及自动化 教学课件 ppt 作者 马修水 第2章（134页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 测量仪表及传感器,本章内容,2,2019/5/26,过程仪表及自动化,测量仪表及传感器,为了实现生产过程自动化，首先必需准确而及时地检测出生产过程中的有关控制参数，如压力、流量、温度、物位等。用来检测这些参数的技术工具称为检测仪表。用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号（例如电信号或气压信号）的装置通常称为传感器。当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。 本章将主要介绍有关压力、流量、温度、物位等参数的检测方法、检测仪表及相关的传感器或变送器。,2019/5/26,3,过程仪表及自动化,2.1 概述,4,2019/5/26,过程仪表及自动化,2.1.1 测量过
2、程与测量误差 在测量过程中，由于所使用的测量工具本身不够准确以及观测者和周围环境的影响等，使得测量的结果不可能绝对准确。由仪表指示的被测值与被测量真值之间总是存在一定的差距，这一差距就称为测量误差。 测量误差通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。 绝对误差在理论上是指仪表指示值和被测量的真值之间的差值，可表示为,（2-1）,所谓真值是指被测物理量客观存在的真实数值，一般情况下，它是无法得到的理论值。 因此，在工业上，测量仪表在其测量范围内各点读数的绝对误差，一般用被校表（精确度较低）和标准表（精确度较高）同时对同一被测量进行测量所得到的两个读数之差来表示，即,(2-2),测量误差还可以用相
3、对误差来表示。相对误差等于某一点的绝对误差 与标准表在这一点的指示值 之比。即,（2-3）,式中， 为仪表在 处的相对误差。,6,2019/5/26,过程仪表及自动化,2.1.2 传感器与变送器 1. 传感器的定义 传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换成为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。,2.传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路3部分组成，组成框图如图2-1所示。,图2-1 传感器组成框图,7,2019/5/26,过程仪表及自动化,1）敏感元件，它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 2）转换元件，敏感元
4、件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。 3）转换电路，将上述电路参数接入转换电路，转换成电量输出。,3.变送器 当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元，其作用是将检测元件的输出信号转换成标准统一信号（如420mA直流电流）送往显示仪表或控制仪表进行显示、记录或控制。,8,2019/5/26,过程仪表及自动化,2.1.3 仪表的性能指标 一台仪表性能的优劣，在工程上可用以下指标来衡量。 1. 精确度（简称精度） 任何测量过程都存在一定的误差，因此使用测量仪表时必须知道该仪表的精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距，即估
5、计测量值误差的大小。 必须指出，仪表的绝对误差在测量范围内各点是不相同的。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值 。,事实上，仪表的精确度不仅与绝对误差有关，而且还与仪表的测量范围有关。,9,2019/5/26,过程仪表及自动化,工业上经常将绝对误差折合成仪表测量范围的百分数表示，称为相对百分误差 ,即,（2-4）,仪表的测量范围上限值与下限值之差，称该仪表的量程。,10,2019/5/26,过程仪表及自动化,根据仪表的使用要求，规定一个在正常情况下允许的最大误差，这个允许的最大误差就叫允许误差。允许误差一般用相对百分误差来表示，即某一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对
6、百分误差的最大值，即,（2-5）,仪表的 越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的 越小，表示仪表的精确度越高。,11,2019/5/26,过程仪表及自动化,事实上，国家就是采用这一办法来统一规定仪表的精确度（精度）等级的。将仪表的允许相对百分误差去掉“ ”号及“%”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。如果某台测温仪表的允许误差为1.5%，则认为该仪表的精确度等级符合1.5级。需要指出的是，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
7、是不一样的。,12,2019/5/26,过程仪表及自动化,具体来说，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；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（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，表征该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多是0.5级以下的。,13,2019/5/26,过程仪表及自动化,2. 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测量范围内进行正反行程（即被测参
8、数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行程和反行程所得到的两条特性曲线之间的最大偏差，如图2-2所示。,图2-2 测量仪表的变差,14,2019/5/26,过程仪表及自动化,造成变差的原因很多，例如传动机构间存在间隙和摩擦力、弹性元件的弹性滞后等。变差的大小也可用在同一被测参数值下，正反行程间仪表指示值的最大绝对差值与仪表量程之比的百分数表示，即,（2-6）,必须注意，仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则，应及时检修。,3. 灵敏度与灵敏限 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之比称为仪表的灵敏度，即,（2-7）,15,2019/5/26,过程仪表及自动化,所谓
9、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。 值得注意的是，灵敏度是有量纲的，上述定义的灵敏度指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力来表示仪表灵敏度（或灵敏限）的大小。,4. 分辨力,对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测量参数变化量。显然，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仪表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字仪表的分辨力指标。例如，某仪表的最低量程是01.0000V，5位数字显示，末位数字变化值从09，则该仪表的分辨力为0.0001V。,16,
10、2019/5/26,过程仪表及自动化,5. 线性度,线性度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直线的吻合程度如图2-3所示。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。因为在线性情况下，模拟式仪表的刻度就可以做成均匀刻度，而数字式仪表就可以不必采取线性化措施。,图2-3 线性度示意图,线性度通常用实际测得的输入-输出特性曲线（称为校准曲线）与理论直线之间的最大偏差与测量仪表量程之比的百分数表示，即,（2-8）,式中， 为线性度（又称非线性误差）； 为校准曲线对于理论直线的最大偏差。,6. 反应时间,当被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。反
11、应时间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给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。 当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。仪表的输出信号（即指示值）由开始变化到新稳态值的95%所用的时间表示反应时间。,2.1.4 工业仪表的分类,图2-4 各类仪表的作用,2.1.5 仪表防爆的基本知识,在某些生产现场存在着各种易燃、易爆气体、蒸汽或粉尘，它们与空气混合即成为具有爆炸危险的混合物，而其周围空间成为具有不同程度爆炸危险的场所。安装在这种危险场所的仪表如果产生火花，就容易引起爆炸。因此，用于这种危险场所的仪
12、表和控制系统，必须具有防爆性能。,气动仪表从本质上来说具有防爆性能。电动仪表必须采取必要的防爆措施才具有防爆性能，其防爆措施不同，防爆性能也将不同，适合应用的危险场所也不同。下面着重讨论电动仪表的防爆问题。,1.防爆仪表的标准,（1）防爆仪表的分类,用于煤矿瓦斯气体环境。,用于除煤矿瓦斯气体之外的其他爆炸性气体环境。,用于除煤矿以外的爆炸性粉尘环境。,类电 气设备,类电 气设备,类电 气设备,（2）防爆仪表的分级和分组,在爆炸性气体或蒸汽中使用的仪表，引起爆炸主要有两方面原因：仪表产生能量过高的电火花或仪表内部因故障产生的火焰通过表壳的缝隙引燃仪表外的气体或蒸汽；仪表过高的表面温度。因此，根据
13、上述两个方面对类防爆仪表进行了分级和分组，规定其适应范围。,（3）爆炸性气体环境防爆标志及防爆仪表的标志,爆炸性气体环境防爆标志应包括两方面内容：, 符号Ex，表明电气设备符合GB3836.1-2010第1章所列专用标准的一个或多个防爆型式。, 所使用的各种防爆型式符号如下：,d：隔爆外壳型 e：增安型 ia、ib、ic：本质安型 nA：无火花 nC：火花保护,nR：限制呼吸 nL：限能 o：油浸型 px、py、pz：正压型 q：充沙型,2. 控制仪表的防爆措施,控制仪表主要采用隔爆外壳型防爆措施和本质安全型防爆措施。,3. 控制系统的防爆措施,要使整个测量或控制系统的防爆性能满足安全火花防爆
14、要求，必须满足以下两个条件。 1）在危险场所使用安全火花型防爆仪表。 2）在控制室仪表与危险场所仪表之间设置安全栅，如图2-5所示。安全栅的作用一方面保证信号的正常传输，另一方面是限制由控制室到现场的能量在爆炸性气体或爆炸性气体混合物的点火能量以下，以确保系统的安全火花性能。,图2-5 安全火花型防爆系统,根据上述两个条件构成的控制系统在设计上达到了安全火花防爆系统的要求。但是，要真正实现安全火花防爆，还必须注意系统的安装和使用，主要有以下两个方面。 (1)必须正确地安装安全栅和布线 (2)维修仪表也必须是安全火花型仪表 安全火花型现场仪表在危险场所时，虽然允许打开表壳进行检查，但携带到现场的
15、维修用的仪器仪表，如万用表等，也必须是安全火花型的仪表。,2.2 压力检测及仪表,2.2.1压力单位及测压仪表,1.压力的基本概念 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，即,（2-11）,式中，P 表示压力，单位为帕斯卡，简称帕（Pa）；F表示垂直作用力，单位为牛顿；S表示受力面积，单位为m2。,(2-12),帕所表示的压力较小，工程上经常使用兆帕（MPa）。帕与兆帕之间的关系为,(2-13),在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压（真空度）之分，其关系如图2-6所示。,图2-6 绝对压力、表压、负压（真空度）的关系,工程上所用的压力指示值，大多为表压（绝对压力计的指示值除外）。表压是绝对压
16、力和大气压力之差，即,当被测压力低于大气压力时，一般用负压（真空度来）表示，它是大气压力与绝对压力之差，即,因为各种工艺设备和测量仪表通常都处于大气之中，本身就承受着大气压力。所以，工程上经常用表压或真空度来表示压力的大小。以后提到的压力，除特别说明外，均指表压或真空度。,2. 压力测量仪表的类型,测量压力或真空度的仪表很多，按照其转换原理的不同可分为4大类。 （1）液柱式压力计 它是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的。按其结构形式的不同，有U形管压力计、单管压力计和斜管压力计等。这类压力计结构简单、使用方便，但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。 （2）弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。例如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。,（3）电气式压力计 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。例如，
