1、检测仪表与传感器1,周丽华 2012年10月,内容提要,工业仪表的分类 压力检测及仪表 流量检测及仪表 物位检测及仪表 温度检测及仪表,1,第一节 概述,5,第一节 概述,工业仪表的分类,19,1. 按仪表使用的能源分类,气动仪表、电动仪表、液动仪表,以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。,一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。,优点,缺点,常用,第一节 概述,20,2. 按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类,检测仪表,作用是获取信息，并进行适当的转换。,显示仪表,作用
2、是将由检测仪表获得的信息显示出来。,集中控制装置,包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。,控制仪表,可以根据需要对输入信号进行各种运算。,执行器,可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。,第一节 概述,图3-3 各类仪表的作用,21,第二节 压力检测及仪表,一、压力单位及测量仪表,压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。,压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）,24,第二节 压力检测及仪表,为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。,25,26,表3-1 各种压力单位换算表,第二节 压力检测及仪表,
3、27,在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。,当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。,图3-4 绝对压力、表压、负压（真空度）的关系,第二节 压力检测及仪表,28,测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。,1.液柱式压力计,它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。,按其结构形式的不同,有U形管压力计、单管压力计等,优点,这类压力计结构简单、使用方便,缺点,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。,第二节 压力检测及仪表,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
4、移进行测量的。,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。,29,第二节 压力检测及仪表,4.活塞式压力计,它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。,优点,缺点,测量精度很高，允许误差可小到0.05%0.02%。,结构较复杂，价格较贵。,30,第二节 压力检测及仪表,二、弹性式压力计,31,定义,弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。,优点,具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足
5、够的精度等优点。,可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。,第二节 压力检测及仪表,三、电气式压力计,定义,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。,37,第二节 压力检测及仪表,图3-8 电气式压力计组成方框图,组成,一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。,38,第二节 压力检测及仪表,几种常见的传感器或变送器：,39,第二节 压力检测及仪表,1.压阻式压力传感器,压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将
6、电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,工作原理,43,第二节 压力检测及仪表,图3-12 压阻式压力传感器,1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6等效电阻,特点,精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；,便于实现显示数字化；,可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。,44,第二节 压力检测及仪表,2.电容式压力变送器,电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其
7、输出信号是标准的420mA（DC）电流信号。,工作原理,图3-14 电容式差压变送器原理图,1隔离膜片；2，7固定电极；3硅油；4测量膜片；5玻璃层；6底座；8引线,49,先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。,第二节 压力检测及仪表,电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。,小结,50,第二节 压力检测及仪表,3、智能型压力变送器,智能型压力
8、或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。,可进行远程通信,利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。,特点,51,第二节 压力检测及仪表,举例,以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。,图3-15 3051C型智能差压变送器（420mA）方框图,52,第二节 压力检测及仪表,图3-16 手持通信器的连接示意图,3051C型智能差压变送器所用的手持通信器带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进
9、行远程设定及检测。,（1）组态 （2）测量范围的变更 （3）变送器的校准 （4）自诊断,53,第三节 流量检测及仪表,一、概述,介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。,流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。,总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。,定义,63,第三节 流量检测及仪表,质量流量M,体积流量Q,如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是,流量计：测量流体流量的仪表。,计量表：测量流体总量的仪表。,64,第三节 流量检测及仪表,1.速度式流量计,以测量流体在管道内的流速
10、作为测量依据来计算流量的仪表。,2.容积式流量计,以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。,3.质量流量计,以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。,65,分 类,第三节 流量检测及仪表,二、差压式流量计,差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。,通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。,66,第三节 流量检测及仪表,1.节流现象与流量基本方程式,（1）节流现象,流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装
11、置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。,节流装置包括节流件和取压装置。,67,第三节 流量检测及仪表,图3-18 孔板装置及压力、流速分布图,要准确测量出截面、处的压力有困难，因为产生最低静压力p2的截面的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。,注意,68,第三节 流量检测及仪表,（2）节流基本方程式,流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。,可以看出,要知道
12、流量与压差的确切关系，关键在于的取值。,流量与压力差P的平方根成正比。,69,第三节 流量检测及仪表,2.标准节流装置,国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。,标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。,70,第三节 流量检测及仪表,三、转子流量计,84,1.工作原理,以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。,图3-27 转子流量计的工作原理图,第三节 流量检测及仪表,转子流量计中转子的平衡条件是,（3-25）,由式（3-25）可得,根据转子浮起的高度就可以判
13、断被测介质的流量大小,或,将式（3-26）代入上两式，得,或,（3-26）,85,第三节 流量检测及仪表,六、电磁流量计,100,能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒（例如泥浆）或纤维液体的流量。,图3-32 电磁流量计原理图,感应电势的方向由右手定则判断，大小由下式决定,（3-43）,而,（3-44）,将式（4-44）代入式（4-43），得,第三节 流量检测及仪表,101,第三节 流量检测及仪表,七、漩涡流量计,精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。,图3-33 卡曼涡街,102,漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。,第三节
14、 流量检测及仪表,满足hL0.281时，则所产生的涡街是稳定的。由圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为,103,第三节 流量检测及仪表,八、质量流量计,104,1.直接式质量流量计,图3-35 科氏力流量计测量原理,科氏力流量计的测量原理是基于流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。,质量流量,第三节 流量检测及仪表,优点,能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）的影响，测量精度高；测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管段长度的要求；可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。,缺点,它的阻力损失较大；零点不稳定；管路振动会影响测量精度。,105,第三节 流量检测及仪表,106,2.间接式质量流量计,（1）测量体积流量Q的仪表与密度计配合,图3-36 涡轮流量计与密度计配合,质量流量,（2）测量Q2的仪表与密度计配合,图3-37 差压流量计与密度计配合,第三节 流量检测及仪表,（3）测量Q2的仪表与测量Q的仪表配合,图3-38 差压流量计与涡轮流量计配合,107,第一部分结束,
