1、第1章 检测仪表,课程名称：过程控制系统及应用 教材选用自动化仪表与过程控制,自动化控制通常检测的工艺参数,热工工艺控制：温度、压力、流量、物位等；（流量、物位检测原理举例） 化工过程控制：除上述外还包括：密度、粘度、酸度等；（粘度检测原理举例） 冶金、钢铁、机械：重力、力、加速度、位移、厚度等；（位移-轧机跑偏检测举例） 电厂：频率、相位、功率因数等。,1.1 温度检测仪表,温度测量方法的分类：接触式测量-测温元件与被测物体接触感受温度；非接触式测量-检测物体发出的辐射热判断温度。,1.1 .1 测量温度的主要方法,常见测量温度的原理（1）,1）受热物质膨胀产生压力（尺寸）变形。,常见测量温
2、度的原理（2）,2）随温度金属导体的电阻（或半导体的导电能力）变化。,常见测量温度的原理（3）,3）热电效应产生热电势,各种类型的热电偶,常见测量温度的原理（4）,4）热产生辐射能量,常见测量温度的原理（5）,5）集成温度传感器（AD590、 DS18B20 ）,AD590等效电路及应用,一线制数字温度传感器DS18B20及其应用,DS18B20的封装与外部引脚,DS18B20的主要功能和特点 采用独特的“一线制”通信方式，信号符合TTL电平逻辑; 温度测量范围为-55 oC 125 oC; 可编程的温度转换分辨率，可根据应用需要在9 Bit 12 Bit之间选取； 在12 bit温度转换分辨
3、率下，温度转换时间最大为750 ms; DS18B20采用节能设计，在等待状态下功耗近似为零。,DS18B20的应用,温标,温标含义：衡量温度高低的尺度，温度数字化的规则，温度的测量单位。 温标的发展过程：经验温标 理想热力学温标和绝对气体温标 国际实用温标。,经验温标,华氏温标：水的冰点为32，沸点为212 摄氏温标：规定为100度水的冰点规定为0度，水的沸点。 两者关系：摄氏温度和华氏温度的关系为 T = t + 32 式中 T华氏温度值; t摄氏温度值。,热力学温标,热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的，以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。 热力学温标是国际单
4、位制中七个基本物理单位之一。 热力学温标把理想气体压力为零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为27316份，每份为1 K (Kelvin) 。,国际实用温标,指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便； 第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的国际实用温标，后经多次修订，形成了普遍采用的国际实用温标IPTS一68 ； 1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS一90。,ITS一90基本内容为：重申国际实用温标单位仍为K；国际摄氏温度和国际实用温度关系为：整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下： 0.655.0
5、K，用3He和4He蒸汽温度计； 3.024.5561K，用3He和4He定容气体温度计； 13.803K961.78，用铂电阻温度计； 961.78以上，用光学或光电高温计； 确认和规定了17个固定点温度值，借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。见表1-3。,热电偶测温,热电偶是生产过程控制中温度测量应用最多的器件之一。 它的特点是测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传。,热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1821
6、年塞贝克（Seeback）首先发现提出，故又称塞贝克效应（如图所示）,热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。 温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。 接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差。,接触电势表达式,温差电势表达式,热电偶两端分别有,热电偶回路总电势为：,整理后得：,1.均质导体定则由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度以及其温度分布如何，都不能产生热电势。 定则说明 （1）一种均质材料不能构成热电偶。 （2）两种组成热
7、电偶的材料要求材质的，否则 热电极的温度分布将会对热电势值产生影响。 （3）热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。,热电偶的基本定律及其应用,热电偶的基本定律及其应用,2.中间导体定则 在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。,意义:可插入测量仪表,热电偶的基本定律及其应用,3.中间温度定则 热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度为T、TC和TC 、 T0时的热电势EAB(T,TC)、EAB(TC,T0)的代数和。EAB(T,T0)= EAB(T,TC)+EAB(TC,T0)意义:只需列
8、出热电偶在参比端温度为0的分度表，就可以求出参比端在其它温度时的热电势值。,分度表和参考函数 在T0=0条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，可以列出对应的分度表，常用热电偶的热电特性有分度表可查。 温度与热电势之间的关系也可以用函数式表示，称为参考函数。 ITS90给出了热电偶分度表和参考函数，它们是热电偶测温的依据。,常用工业热电偶目前国际上已有8种标准化热电偶作为工业热电偶在不同场合中使用。标准化热电偶已列入工业化标准文件，具有统一的分度表，标准文件对同一型号的标淮化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，所以同一型号的
9、标准化热电偶具有良好的互换性。通常表示热电偶所用热电极材料时，前者为正极，后者为负极。,工业热电偶的结构形式,1、普通型热电偶2、铠装热电偶,热电偶参比端温度处理方式,1.补偿导线法,热电偶参比端温度处理方式,2.参比端温度测量计算法 采用补偿导线将热电偶参比端温度移到T0处，但是T0通常为环境温度而不是0，此时需要测量参比端温度。 进行计算修正后，可查分度表求得T。参比端温度测量计算法需要保持参比端温度恒定。,热电偶参比端温度处理方式,3.参比端恒温法 在实验室情况及精密测量中，是把参比端置于能保持恒温的冰点槽中，参比端温度为0。测得热电势后，直接查分度表得知被测温度。 工业应用时，一般把参
10、比端放在电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。 参见 图1-9,热电偶参比端温度处理方式,4. 补偿电桥法 补偿电桥法利用不平衡电桥产生相应的电势，以补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。,热电阻温度计,1 .基本原理根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号。 2. 材料要求温度系数要大，热容量、热惯性要小，变化关系接近线性，性能稳定。 3.主要优点灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高。 4.主要缺点需要电源激励、自热现象、测量温度不能太高。,热电阻温度计,5.原理分析,分析-温度变化-元件阻值变
11、化-转换成电信号,即：,热电阻元件的阻值随温度变化，温度每升1的 相对变化量,铂电阻测温原理,应用特点：精度高、稳定性好、性能可靠、抗震动、易提纯、复制性好、互换性好。输出表达式：-200 t 0 表示为0 t +850 表示为,热电阻的引线形式,热电阻的内引线内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种。,两线制,三线制,热电阻的引线形式,四线制及应用形式,红外成像仪,将物体的红外辐射转换成电信号， 经过电子系统放大处理，再还原 为光学像的成像装置。,Ti30热像仪,固态图像变换器：由许多小单元（称为像元或像素
12、）组成的受光面， 各像素将感受的光像转换为电信号后顺序输出的一种大规模集成光 电器件。,P15 图1-9 输入桥路,P14 图1-8温度变送器的方框图,P14 图1-7热电阻的特性,P15 图1-10 温度变送器的零点迁移,P16 图1-11 变送器受到的共模干扰,P17 图1-12 变送器的抗干扰措施,P18 图1-13 温度变送器的线性化方法,P19 FIG1-4 DDZ- 型热电偶温度变送器简化原理图,检测输入,补偿电路,放大调制电路,非线性反馈,逆变电源（振荡电路）,解调输出电流源,内部 供电,P19 图1-15 变送器的功率放大器及输出电路( 放大解调 ),1.2 压力检测仪表,压力
13、检测的概念,由于压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，故可用下式表示：,式中p表示压力，F 表示垂直作用力，S 表示受力面积。根据国际单位制规定，压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）。,压力测量中常分为： 表压 绝对压力 负压或真空度,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）。表压是绝对压力和大气压力之差，即,压力的表示及相互间的关系,常用压力测量仪表的分类,液柱式压力计 U形管压力计、单管压力计、倾斜式压力计 活塞式压力计 弹性压力计 弹簧管压力表、膜盒式微压计 电气式压力计,电气式压力计的组成,电气式压力计一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。,传感器,压力,
14、电量,测量线路,指示器 记录仪 控制器,辅助电源,电气式压力计组成方框图,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,压力传感器的作用是把检测出压力信号，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。传感器、变送器及标准信号 标准信号是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如直流电流420mA、空气压力0.02 0.1MPa都是当前通用的标准信号。我国还有一些变送器以直流电流010mA为输出信号。,（1）弹簧管式弹性元件 如图1-6（a）所示。弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形，当通入压力p后，它的自由端
15、就会产生位移。,测压范围较宽，可测量高达1000MPa的压力。,（3）波纹管式弹性元件 波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属简体，如图1-16（b）所示。这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量（一般不超过1MPa）。,薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。图1-16（c）为膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片（有平膜片与波纹膜片两种形式），在压力作用下能产生变形。,由两张金属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体（例如硅油），称为膜盒。,霍尔式压力传感器,霍尔电势的大小与半导体材
16、料、所通过的电流（一般称为控制电流）、磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸等因素有关，可用下式表示： UH RHBI 式中 UH 霍尔电势；RH 霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关； B 磁感应强度；I 通过电流。,应变片压力传感器,原理：利用电阻应变原理构成的。 分类：电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片2类。 电阻应变原理：被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩应变时，其阻值减小；当应变片产生拉伸应变时，其阻值增加。,应变片式压力传感器,应变片压力传感器,原理：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，并将电阻接成桥路，
17、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。,压力变送器,电容式差压变送器,电容式差压（远传）变送器,智能差压变送器,智能差压变送器,P23 FIG 1-19 力平衡压力变送器原理图,P24 FIG 1-20 力平衡变送器的方框图,P26 FIG 1-23、24 力平衡位移变送器,振荡电路,位移检测放大器电路,等效谐振回路,P29 FIG 1-26 差动电容式变送器基本原理图,P29 FIG 1-26 差动电容式变送器 等效原理图,恒定,P30 FIG 1-26 差动电容式变送器原理线路图,
18、P30 FIG1-26 差动电容式变送器输入等效电路,流量检测仪表参考内容,流量表达式的理论推导,常用的流量表达形式 体积流量Q：以体积表示单位时间内物料的通过量。 单位：升/秒、立方米/小时 质量流量M：以质量表示单位时间内物料的通过量。 单位：千克/秒、吨/小时。 两者关系：质量流量=体积流量物料密度 即：,或,流量表达式的理论推导,流量表达式的推导过程,由流体连续方程知,求得,其中：,= 流速最小断面面积，,= 管道有效面积,流量表达式的理论推导,= 流速最小断面处直径， =管道直径,设：,由分析知,，,，,即可以表示为,，,流量表达式的理论推导,另有，伯努利方程,或简写为：,流量表达式
19、的理论推导,将,带入简写方程可获,表达式，即：,其中：,质量流量与压差关系式,流量表达式的理论推导,其中：,称为渐进速度系数，实际使用时引入流出系数C（用于修正简化式中的压力损失），表达式可写为,或,其中：,称为流量系数,流量表达式的理论推导,另有体积流量表达式为：,P-45-L-19解释： 等熵过程-可逆的绝热过程，即没有能量损失的绝热过程为等熵过程。,（a）标准孔板 （b）标准喷嘴 （c）标准文丘里管 图3-2 标准节流元件,孔板节流装置是标准节流件可不需标定直接依照国家标准生产， 1.国家标准GB2624-81流量测量节流装置的设计安装和使用； .国际标准ISO5167国际标准组织规定的
20、各种节流装置； 3.化工部标准GJ516-87-HK06。,ODM-300差压式流量计,容积式流量计（1）,LC-LA系列轻型椭圆齿轮流量计,LL型腰轮流量计,基本原理-将流体分割成单个固定体积V，不断充满和排放该体积， 经n次累加计量出流体总量。即：,容积式流量计（2）,LS型旋转活塞流量计,外形及安装尺寸,优点：适用于小流量液体的测量。,容积式流量计（3）,LB刮板式流量计,刮板式流量计工作原理,原理：利用刮板的缩进、突出固流、排流。,转子流量计,转子流量计结构及测量原理特点：（与节流差压式比较）保持转子前后压降不变，通过改变流体通过面积测量。 优点：结构简单、反应灵敏；测量范围宽、线性刻
21、度；压损小、可测小流量。 分类：（2类）玻璃管浮子流量计、金属管浮子流量计。,转子流量计,流量公式 浮子平衡与3个力有关： 浮子自身的重力,流体对浮子向上的冲力,浮子迎面压差阻力,浮子相对静止时的平衡方程为,转子流量计,分别为浮子体积、浮子密度、流体密度、迎流面积、流体在环形通道中的流速和比例常数。,三个力的表达式代入有,由上式可解出流速为,转子流量计,设环形通道截面积为,则有体积流量表达式为,式中,为流量系数。,而便于指示的表达形式是流量与浮子平衡高度的表达式。,设浮子的半径是,，,高度处的锥管半径为,，则有,代入通道截面积表达式为,转子流量计,体积流量与高度的表达式为,转子流量计,FL系列
22、金属管转子流量计,行程转子流量计,质量流量计,质量流量计,质量流量计,补偿式质量流量计,质量流量计,质量流量计,德国生产 RHEONIK 质量流量/密度计 德国RHEONIK公司质量流量计，该公司流量计均采用“”型测量管加双十字结构精密加工而成，具有很好的抗震性能， 压力变化对测量精度影响极小！可以测量几乎所有液体及中高压气体（操作密度大于5kg/m3),对于临界状态的物质也有很好的应用， （如CO2）其口径从DN15DN300； 流量范围从0.004kg/min0.6kg/min(100g/hour的点滴流量也可以测量）到500kg/min25000kg/min(12寸大管径流量计）; 温度
23、范围：-20+120、-200+50、-45+210、0+350、0+400; 压力范围：980bar; 过程连接：法兰、螺纹、卡套、卫生型连接； 测量管材质：316Ti (1.4571) 其他可选 选项：多种（蒸汽/油/电子）夹套伴热形式 变送器：架装/墙挂式两种安装形式|防爆等级：本安/隔爆型 | 输出：数字脉冲/模拟4-20mA; 测量精度: 0.1%(1:10) | 0.2% (1:20) | 0.5% (1:50).,电磁式流量计,新型电磁流量计（HHD智能电磁流量计,参考：电磁流量计补充材料,电磁式流量计,靶式流量计,靶式流量计,靶式流量计的应用,WFV系列靶式流量计,工作原理：
24、WFV系列靶式流量计采用了与传统流量计不同的结构， 介质流动时，流动质点冲击在靶上，靶的受力作用在靶杆上，使之 产生微小的位移（23mm ),靶的受力经不绣钢杆传递给压敏电阻应 变片，经应变片电桥把力转换成与流速的平方成正比关系的电信号， 公式如下： F=QA V/2g；F:靶板所受的作用力；Q:阻尼系数：A:靶板面积； :流体密度；V/2g:特征流速 其应片电桥电路如上图,实用靶式流量计信号处理原理框图,涡轮流量计,参考：涡轮流量计补充材料,涡轮流量计原理分析,漩涡流量计（涡街流量计）,有漩涡一侧流速低，无漩涡一侧流速高，形成静压差，注水冷却一次。以电桥形式检出。,参考：漩涡流量计补充材料,
25、超声波流量计,STG-100超声波便携式流量计,物位测量参考内容,物位检测概述,物位测量概念 物位含义：分为液位、料位、界位。 液位-指液体介质相对高度或表面位置； 料位-指固体或颗粒物质堆积的相对高度或表面位置； 界位-两种密度不同互不相容液体之间或液体与固体之间的分界位置。 测量目的：监视、控制介质物位，使之保持在一定的工艺高度或对上 下限实施报警。,物位测量仪表的分类,1直读式：用直接与容器连通的玻璃罐或玻璃板显示液位。 2浮子式：利用浮子带钢绳、浮球带杠杆和沉筒随液面升降显示液位。 3静压式：利用液体、物料产生的压力与参考点的压差间接测量液位。 4电磁式：利用电阻、电感、电容的变化将物
26、位转换为电量的变化间接测量物位。 5核辐射式：利用核辐射穿过物质厚度的衰减等效出相应的物位。 6光学式：利用光对应物位产生折射和反射的原理实现物位测量。静压式液位计 静压式液位计的测量原理,图 用压力表测量敞口容器的液位,P42-FIG1-39用差压变送器测液位,变浮力式液位计 P42-FIG1-38 变浮力液面计,浮子式液位计 恒浮力式液位计 1平衡重式液位计 2带磁铁式液位计 3浮球式液位计,电容式物位计 FIG1-40 41,超声波液位计,FIG1-43 超声波液位计原理图,核辐射式物位计,成分测量参考内容,意义：获得最佳成分比例。,红外检测基本原理,色谱分析基本原理,成分分析仪表,红外
27、线气体分析器,热导池的构造,对应参考-色谱用热导式检测器结构图,热导分析仪测量电桥,色谱用热导式检测器的信号产生电路,使用热导池的原因：直接测量气体导热系数比较困难，所以将气体热导系数转换 为电阻值的变化，进而用电桥输出电压差测定。 热导池测量电桥原理：测量室进气来自色谱柱输出，参比室输入来自载气。测量室与参比室同在一块铜板上（等温），事先调整桥平衡。不同的色谱柱输出组分对R1、R3冷却不同，原平衡桥有电压 差输出V o。,成分检测仪表流程示意图,离子电流放大器原理图,氢焰离子化检测器的信号转换电路（电子管）,工业气相色谱仪的工作原理,氧化锆氧分析器检测器,浓差电势的基本表达式与含量表达式,使用氧化锆电池的条件： 1.工作温度恒定，浓差电势与氧含量呈单值关系。 （系统含有恒温或温补装置） 2.工作温度应选择在700以上，但不能超过1150 。 （过低影响灵敏度，过高超1200 损坏氧化锆） 3. 使用时应保持被测气体与参比气体压力相等。 （此时两种气体的氧含量可代表氧分压，理想参比气体应是纯氧） 4. 被测气体和参比气体应具有一定的流速。 （保证测量有一定代表性，但流量不可过大，造成局部温度不均）,
