三章检测变送ppt课件.ppt
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1、化工过程自动化,西北民族大学 化工学院,3 检测变送,3.1 概述 3.2 温度检测 3.3 流量检测 3.4 压力检测 3.5 物位检测 3.6 变送器,3.1 概述,3.1.1 检测变送的重要性 3.1.2 测量误差 3.1.3 仪表性能指标,3.1.1 检测变送的重要性,在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量,最常见变量是温度、压力、流量、物位(四大参数)。 检测元件又称为敏感元件、传感器,它直接响应工艺变量,并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。,信号范围,由于检测元件的输出信号种类繁多,且信号较弱不易察觉,一般都需要将其经过
2、变送器处理,转换成标准统一的电气信号(如420mA 直流电流信号, 15V直流电压信号,20100KPa气压信号)送往显示仪表,指示或记录工艺变量,或同时送往控制器对被控变量进行控制。 有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表, 或者将检测元件称为一次仪表,将变送器和显示装置称为二次仪表。,检测变送,检测实施正确控制的第一步 变送将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一(标准)的电气信号。 过程控制对检测仪表要求: 静态:正确y(t)正确反映c(t)的值 可靠长期工作 动态:迅速y(t)迅速反映c(t)的变化,3.1.2 测量误差,测量误差:检测仪表获得的被测值与实际被测变量真实值之
3、间的差距。 (1)绝对误差:仪表的指示值与被测量的真值之间的差值。 理论上: 实际上: (2)相对误差(仪表引用误差) 绝对误差与仪表的量程之比。,测量误差(2),(3) 允许误差 (4) 附加误差 由于外界环境条件变化以及仪表波动等外界因素引起的误差。,3.1.3 仪表性能指标,(1) 精确度(精度) (2) 变差 (3) 线性度 (4) 灵敏度和分辨率 (5) 动态误差,(1)精确度(精度),精度表示仪表测量结果的可靠程度。 精度等级:允许误差去掉“”号及“%”后,系列化圆整后的数值。 仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小,说明仪表测量准确度
4、越高。 仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上,如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0,说明该仪表允许误差为1.0%。 目前我国生产的仪表的精度等级有: 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等,例1,某台测温仪表的量程是600-1100,其最大绝对误差为4 ,试确定该仪表的精度等级。 解 仪表的最大允许误差为 由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表,而该仪表的最大引用误差超过了0.5级仪表的允许误差,所以这台仪表的精度等级应定为1.0级。,例2,某台测温仪表的量程是600-1100,工艺要求该仪表指示值的误差不得超过4
5、 ,应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。 解 根据工艺要求,仪表的最大允许误差为 0.8%介于允许误差0.5%与1.0%之间,如果选择允许误差为1.0%,则其精度等级应为1.0级。量程为6001100,精确度为1.0级的仪表,可能产生的最大绝对误差为5,超过了工艺的要求。所以只能选择一台允许误差为0.5%,即精确度等级为0.5级的仪表,才能满足工艺要求。,关于精度,结论:校表: 选表: 仪表精度与量程有关,量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程,可以减小测量误差,提高测量准确性。 仪表量程的上限:Ymax: 4/33/2倍(被测变量) 波动较大时:3
6、/22倍(被测变量) 下限:一般地,被测变量的值不低于全量程的1/3。,(2) 变差,变差在外界条件不变的情况下,使用同一台仪表对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。 注意:仪表的变差不能超出仪表的允许误差。,(3) 线性度,线性度衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。 线性度差就要降低仪表精度。,(4) 灵敏度和分辨率,灵敏度:仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值,即 灵敏度=Y/X 对于模拟式仪表而言,Y是仪表指针的角位移或线位移。灵敏度反映了仪表对被测量变化的灵敏程度。 分辨率(仪表灵敏限):仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。 分辨率是灵敏度的
7、一种反映。对于数字式仪表而言,分辨率就是数字显示器最末位数字间隔代表被测量的变化与量程的比值。,(5) 动态误差,动态误差由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后,当被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示出来,这样造成的误差。 注:在工业生产中被测量变化较快是不能忽略动态误差。,3.2 温度检测,3.2.1 温度检测方法 3.2.2 热电偶 3.2.3 热电阻 3.2.4 热电偶、热电阻的选用,3.2.1 温度检测方法,温度不能直接测量,只能借助于冷热不同物体之间的热交换,以及物体的某些物理性质随温度冷热程度不同来加以间接测量。 常用的测温仪表按测量方式可分为: 接触式测温元件 非接触式测温
8、元件,接触式测温元件,接触式:测温元件与被测对象接触,依靠传热和对流进行热交换。 优点:结构简单、可靠,测温精度较高。 缺点:由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量,这样容易破坏被测对象的温度场,同时带来测温过程的延迟现象,不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。 不适于直接对腐蚀性介质测量。,非接触式测温元件,非接触式:测温元件不与被测对象接触,而是通过热辐射进行热交换,或测温元件接收被测对象的部分热辐射能,由热辐射能大小推出被测对象的温度。 优点:从原理上讲测量范围从超低温到极高温,不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快,对被测对象干扰小,可用于
9、测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。 缺点:容易受到外界因素的干扰,测量误差较大,且结构复杂,价格比较昂贵。,3.2.2 热电偶,(1) 测温原理热电效应 (2) 补偿导线 (3) 热电偶参比端温度补偿(测量的准确性),(1) 测温原理,将两种不同材料的导体或半导体A和B连在一起组成一个闭合回路,而且两个接点的温度0,则回路内将有电流产生,电流大小正比于接点温度和0的函数之差,而其极性则取决于A和B的材料。,(参比端、冷端、固定端),(工作端、热端、自由端),热电偶的测温回路,根据热电偶的“中间导体定律”可知:热电偶回路中接入第三种导体后,只要该导体两端温度相同,热电偶回路中所产生
10、的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同;同理,如果回路中接入更多种导体时,只要同一导体两端温度相同,也不影响热电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。,热电偶的分度表、分度号,分度表:当0=0时, 与温度对应的数值表。(非线性) 分度号:与分度表所对应的热电偶的代号。 常用工业热电偶比较,常用热电偶类型:,普通型热电偶 铠装热电偶 多点式热电偶 防爆型热电偶 吹气型热电偶,普通热电偶(1),无固定装置,固定法兰式,固定螺纹式,普通热电偶(2),活络管接头式,直型管接头式,铠装热电偶的特点,热响应时间少,减小动态误差; 可弯曲安装使用;
11、测量范围大; 机械强度高,耐压性能好。,铠装热电偶(1),扁接插式铠装热电偶,补偿导线式铠装热电偶,防喷式铠装热电偶,铠装热电偶(2),防水式铠装热电偶,手柄式铠装热电偶,圆接插式铠装热电偶,多点热电偶,适用于生产现场存在温度梯度不显著,须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。,防爆型热电偶,防爆热电偶是利用间隙隔爆原理,设计具有足够强度的接线盒等部件,将所有会产生火花,电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内,当腔内发生爆炸时,能通过接合面间隙熄火和冷却,使爆炸后的火焰和温度传不到腔外,从而进行隔爆。 特点 多种防爆形式,防爆性能好; 压簧式感温元件,抗振
12、性能好; 测温范围大; 机械强度高,耐压性能好;,吹气型热电偶,通过吹进氮气或其它气体,将有害气体送出保护管外,从而提高热电偶寿命。是30万吨合成氨装置中不可缺少的测温装置。 另外,还有压簧固定热电偶、直角弯头热电偶、耐磨阻漏热电偶等等,(2) 补偿导线,解决参比端温度的恒定问题。 补偿导线要求:价格便宜,0100范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样。,图3.7 补偿导线连接图,(3) 热电偶参比端温度补偿,补偿原理:工作端温度,参比端0,热电势为 因此 参比端温度补偿方法: 计算法 冰浴法 机械调零法(动圈表调零法),等级1.0以上 补偿电桥法:利用参比端温度补偿器 补偿热
13、电偶法,计算法举例,例如:用镍铬-镍硅(K)热电偶测温,热电偶参比端温度0 =20,测得的热电势E(,0)=32.479mV。由K分度表中查得E(20,0)=0.798mV, 则 E(,0)= E(,20)+ E(20,0) =32.479 + 0.798=33.277 mV 再反查K分度表,得实际温度是800。,3.2.3 热电阻, 金属热电阻 半导体热敏电阻, 金属热电阻,金属热电阻测温原理是基于导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。 热电阻是利用物质在温度变化时,其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时,工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。 常用热电阻: 铜电阻和铂电阻 热电
14、阻的结构形式:普通型、铠装型、专用型 热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用,可直接测量各种生产过程中的-200500范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。,普通热电阻(1),无固定装置热电阻,固定螺纹式热电阻,活动法兰式热电阻,普通热电阻(2),固定螺纹锥式热电阻,固定螺纹管接头式热电阻,活络管接头式热电阻,普通热电阻(3),装配式热电阻,铠装热电阻(1),防喷式铠装热电阻,扁接插式铠装热电阻,防水式铠装热电阻,铠装热电阻(2),圆接插式铠装热电阻,补偿导线式铠装热电阻,专用热电阻(1),端面热电阻适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。,专用热电阻(2),防腐
15、热电阻采用新型防腐材料,外包覆聚四氟乙烯F46,适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。,专用热电阻(3),微型热电偶/热电阻适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业业不可缺少的温度测量装置。,专用热电阻(4),炉壁热电偶/热电阻适合于电厂锅炉炉壁,管壁及其它圆柱体表面测量。,半导体热敏电阻,半导体热敏电阻测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。 NTC型:负温度系数热敏电阻 PTC型:正温度系数热敏电阻 特点: 结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。 缺点: 非线性严重、互换性差、测温范围窄,3.2.4 热电偶、热电阻的选用,(1) 选用
16、原则 (2) 安装 (3) 使用,(1)选用原则,选用原则:较高温度热电偶 中低温区热电阻 一般以500为分界,但不绝对 原因有两点: 在中低温区,热电偶输出的热电势很小,对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。 由于参比端温度变化不易得到完全补偿,在较低温度区内引起的相对误差就很突出。 另外,还应注意工作环境,如环境温度、介质性质(氧化性、还原性、腐蚀性)等,选择适当的保护套管、连接导线等。,(2)安装,选择有代表性的测温点位置,测温元件有足够的插入深度 热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下,以免积水及灰尘等造成接触不良,防止引入干扰信号。 检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔,避免被测介
17、质溢出或冷空气吸入而引入误差。,(3)使用,热电偶: 参比端温度补偿 补偿导线的极性不能接反 分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致 在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表(如电子电位差计、温度变送器等)配套测温时,热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。,热电阻的使用,热电阻: 分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致 采用三线制接法 热电阻温度变送器输入热电阻信号给输入回路。输入回路是一个不平衡电桥,热电阻即为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻,由于连接热电阻的导线存在电阻,且导线电阻值随环境温度的变化而变化,从而造成测量误差,因此实际测量时采用三线制接法。,三线制接法,所谓三线制接法
18、,就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线,其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中,另一根与测量桥路电源负极相连。如图所示。由于流过两桥臂的电流相等,因此当环境温度变化时,两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消,不影响测量桥路输出电压的大小。,3.3 流量检测,3.3.1 基本概念 3.3.2 流量检测的主要方法 3.3.3 速度式流量计(差压式流量计) 3.3.4 容积式流量计 3.3.5 质量流量计 3.3.6 流量仪表的选用,3.3.1 基本概念,流量(瞬时流量):单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。 累积流量(总流量):某一时段内流过的流体的总合。瞬时
19、流量在某一时段的累积量。 流量的表示方法: 质量流量、体积流量、标准体积流量,质量流量,质量流量(qm):单位时间内流过某截面的流体的质量。 单位:(kg/s),体积流量,体积流量(qv):单位时间内流过某截面的流体的体积。(工作状态下) 单位: (m3/s ) qm=qv,标准体积流量,标准体积流量(qvn):折算到标准的压力和温度下的体积流量。(标准状态下) qvn=qm/n qvn=qv/n,3.3.2 流量检测的主要方法,生产过程中各种流体的性质各不相同,流体的工作状态及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同,很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生产过程,其情况复杂,某些场合的流
20、体是高温、高压,有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多,测量原理和流量传感器(或称流量计)也各不相同,从测量方法上一般可分为以下两大类。 (1)测体积流量 (2)测质量流量,(1) 测体积流量,容积法 速度法,容积法,在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量,以排出流体的固定容积数来计算流量。容积法受流体流动状态影响较小,适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。 基于容积法的流量计有:椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等,LC椭圆齿轮流量计,速度法,以测量流体在管道内的流速(通常是平均流速)作为测量依据进行测量。 平均流速乘以管道截面积求得流体的体积流量。
21、 测量平均流速的方法有:差压式、电磁式、漩涡式、声学式、热学式、涡轮式 基于速度法的流量检测仪表有节流式流量计、靶式流量计、弯管流量计、转子流量计、电磁流量计、旋涡流量计、涡轮流量计、超声流量计等。,测量平均流速的方法,差压式 又称节流式,利用节流件前后的差压和流速关系,通过差压值获得流体的流速; 电磁式 导电流体在磁场中运动产生感应电势,感应电势大小与流体的平均流速成正比; 旋涡式 流体在流动中遇到一定形状的物体会在其周围产生有规则的旋涡,旋涡释放的频率与流速成正比; 涡轮式 流体作用在置于管道内部的涡轮上使涡轮转动,其转动速度在一定流速范围内与管道内流体的流速成正比; 声学式 根据声波在流
22、体中传播速度的变化得到流体的流速; 热学式 利用加热体被流体的冷却程度与流速的关系来检测流速。,(2)测质量流量,质量流量计是直接测量流体流过的质量。具有精度不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化影响的优点 直接法:直接测量质量流量。科里奥利力式流量计、量热式流量计、角动量式流量计等。 间接法:测出体积流量和密度,经过计算得到。主要有压力温度补偿式质量流量计。,SITRANS F C 科里奥利力质量流量计,3.3.3 速度式流量计,(1)差压式流量计 (2)靶式流量计 (3)旋涡流量计 (4)其它形式的速度式流量计,(1)差压式流量计,差压式流量计又称节流式流量计,它是利用管路内的节流装置,将
23、管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。 差压式流量计流量测量系统主要由节流装置和差压计(或差压变送器)组成,如图所示。 节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号,差压计则对压差信号进行测量并显示测量值,差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号,以供显示、记录或控制。 差压式流量计发展较早,技术成熟而较完善,而且结构简单,对流体的种类、温度、压力限制较少,因而应用广泛。,节流式流量计举例,YJLB型一体化节流式流量计将节流装置和差压变送器做成一体,继承了节流装置的优点,结构紧凑,成套性好,故障率低,使用安装方便,动态特性好,提高了测量精度,可满足各
24、种流量测量的需要,YJLB型一体化节流式流量计,差压式流量计流量测量系统,差压式流量计流量测量系统,节流装置,节流装置是差压式流量计的流量敏感检测元件,是安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、 喷嘴、文丘里管。 它们的结构形式、相对尺寸、技术要求、管道条件和安装要求等均已标准化,故又称标准节流元件,如下页图所示。其中孔板最简单又最为典型,加工制造方便,在工业生产过程中常被采用。 标准节流装置按照规定的技术要求和试验数据来设计、加工、安装,无需检测和标定,可以直接投产使用,并可保证流量测量的精度。,标准节流元件,图3-22 标准节流元件 (a) 孔板; (b) 喷嘴; (c)
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