第三章變送單元,第一節(jié)概述第二節(jié)差壓變送器第三節(jié)溫度變送器第四節(jié)流量檢測與變送第五節(jié)液位變送器,重點內(nèi)容,測量基本概念參數(shù)測量（T、P、Q、H、比例、成分等）信號變送,變送器在自動控制系統(tǒng)中是首要環(huán)節(jié)和重要組成部分檢測變送單元包含兩部分：檢測和變送DDZ-II型和DDZ-III型儀表的性能比較（表3-1）測量的基本概念1、測量用一個已知的量與被測同類量的比較過程一次測量：測量體與被測介質(zhì)接觸，測量體將被測量的參數(shù)成比例轉(zhuǎn)換為另一個物理量的過程稱為一次測量所用儀表為一次儀表。二次測量：將一次測量的數(shù)值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號的過程稱為二次測量，所用儀表為二次儀表。測量儀器：DDZ-II、DDZ-III型儀表。標(biāo)準(zhǔn)信號：氣動信號：0-20MPA電動信號：1-5V；4-20MA,第一節(jié)概述,第一節(jié)概述,2、測量誤差被測真值與測量結(jié)果之間存在的誤差。誤差屬性絕對誤差：被測真值與測量結(jié)果之間存在的誤差。相對誤差：絕對誤差與被測真值或測量結(jié)果之百分比。實際相對誤差：絕對誤差/真值標(biāo)稱相對誤差：絕對誤差/儀表示值引用相對誤差：絕對誤差/儀表量程產(chǎn)生誤差系統(tǒng)誤差：本身固有、有規(guī)律的誤差。隨機誤差：無規(guī)律的誤差。疏忽誤差：誤讀引起誤差。使用誤差基本誤差：正常誤差。附加誤差：超出規(guī)定條件的誤差。允許誤差：儀表所允許誤差。,3、性能指標(biāo)儀表精度（引用相對誤差）可靠程度。儀表精度=絕對誤差/儀表量程精度等級：0.005、0.02、0.1、0.35（實驗）0.5、1.0、1.5、2.5（工業(yè)）注意：記錄在儀表盤面板高級別校低級別實際選用根據(jù)需要確定變差：條件不變，測量同一變量，進(jìn)行正、反行程測量，所得儀表顯示數(shù)值之差。變差=（正值-負(fù)值）/儀表量程*100%產(chǎn)生原因：機構(gòu)間隙、摩擦、彈性滯后。目標(biāo)：變差p2時，電容極板位移為選取差動電容的電容之比,圖3-7差動電容結(jié)構(gòu)示意圖,二、差動電容差壓變送器,框圖,二、差動電容差壓變送器,溫度是化工過程中最普遍而重要的操作參數(shù)。所有的過程都是在一定的溫度條件下進(jìn)行的；溫度決定一些反應(yīng)能否進(jìn)行和反應(yīng)方向；溫度決定一些反應(yīng)的進(jìn)程程度；溫度顯示反應(yīng)的能量變化。溫度不能直接測量。溫度的測量都是通過溫度傳遞到敏感元件后，其物理性質(zhì)隨溫度變化而進(jìn)行的。,第三節(jié)溫度變送器,DDZ-III溫度變送器組成部分：由量程單元和放大單元組成。特點：1）線路簡單、可靠性好；線性度好，測量精度高；2)實現(xiàn)二線制；可用于易燃易爆場合。分類：1）直流毫伏變送器2）熱電偶溫度變送器3）熱電阻溫度變送器,第三節(jié)溫度變送器,組成部分1）信號輸入：限流限幅Ri1,Ri2,Vs1,Vs2；低通濾波Ri1,Ri2,Ci2）零點調(diào)整：Ri5=Ri7,遠(yuǎn)大于其他電阻，限流；VTz,Rz恒流源3）反饋回路：Vf放大單元的隔離反饋部分；Rf1Rf2,可忽略,一、直流毫伏變送器的量程單元,輸入-輸出關(guān)系1）放大器正向端電壓2）放大器負(fù)向端電壓3）理想放大器4）輸出與反饋2,熱電偶：結(jié)構(gòu)：兩種不同材料金屬組成閉合回路原理：熱電效應(yīng)輸入：測量溫度T輸出：熱電勢（mV）測量：測量時，須采用補償導(dǎo)線；補償電橋；計算法補償導(dǎo)線：屬性相反、材料相近、尺寸相同補償電橋：串接電橋計算法：,二、熱電偶溫度變送器的量程單元,（補充）熱電偶回路,不同金屬連接在一起都構(gòu)成熱電偶作用；熱電偶回路電動勢為各接點熱電勢的總和；對于有外接導(dǎo)線的熱電偶回路，其總電動勢為熱端與冷端熱電動勢之差。,A,B,C,C,熱電偶測量的關(guān)鍵是如何保證冷端的溫度,（補充）熱電偶的補償導(dǎo)線,熱電偶的導(dǎo)線補償用廉價材料將冷端延伸到溫度相對穩(wěn)定的控制室內(nèi)；冷端溫度補償將冷端浸泡在恒溫的冰水中；采用電路差減法消除冷端熱電勢。,+,-,補償導(dǎo)線,測量電路,熱電偶,補償導(dǎo)線應(yīng)與熱電偶的電極材料配合使用；補償導(dǎo)線的材質(zhì)不同，接線時應(yīng)特別注意不能接錯。,二、熱電偶溫度變送器的量程單元,與直流毫伏量程單元的區(qū)別：1)需進(jìn)行冷端溫度校正：,2)反饋線性化,冷端溫度自動補償在橋路的橋臂串接一只銅電阻，放于熱電偶的冷端附近，感受與熱電偶冷端相同的溫度。具有正的電阻溫度系數(shù)，其阻值隨溫度的增加而增加，若以20為標(biāo)準(zhǔn)，自動補償?shù)臈l件為：,線性化電路1）Vf=200mV,VcVf1,對應(yīng)變送器零點，I0=4mA;2)Vf增大,Vf1VcVf2,Vs1Vs3截止，斜率為a1；3)Vf增大,Vf2VcVf3,Vs1通,Vs2Vs3截止，斜率為a2；4)Vf增大,Vf310D，L25D；節(jié)流裝置安裝時要注意節(jié)流件開孔必須與管道同軸，節(jié)流件方向不能裝反；取壓導(dǎo)管內(nèi)徑不得小于6mm，長度在16m以內(nèi)；取壓導(dǎo)道與差壓變送器的連接應(yīng)安裝截止閥和平衡閥。由于差壓式流量變送器的輸出信號與被測流量是非線性，須利用開方器進(jìn)行線性化處理。當(dāng)利用節(jié)流式流量計測量可壓縮流體時，若使用的工作壓力和絕對溫度與設(shè)計時的標(biāo)準(zhǔn)壓力和絕對溫度不符時，會引起較大誤差，須進(jìn)行修正:,二、差壓式流量計,選擇：差壓變送器與節(jié)流裝置匹配壓力損失：孔板噴嘴文丘里管,二、差壓式流量計,第四節(jié)流量檢測與變送三、靶壓式流量計,圖3.27靶式流量計的工作原理,在管道內(nèi)流體的垂直沖擊下，靶受力為:,三、靶壓式流量計,體積流量與質(zhì)量流量與力F的關(guān)系為：,結(jié)構(gòu)：錐形管、轉(zhuǎn)子特點：測量低流速、高精度、壓力損失小、垂直安裝原理：流體由錐管的下端進(jìn)入，經(jīng)過浮子與錐管間的環(huán)形流通面積從上端流出。當(dāng)流體通過環(huán)形流通面積時，由于節(jié)流作用在浮子上下端面形成差壓P，作用于浮子而形成浮子的上上升力。當(dāng)此上升力與浮子在流體中的重量相等時，浮子就穩(wěn)定在一個平衡位置上，平衡位置的高度與所通過的流量有對應(yīng)關(guān)系，因此，可以浮子的平衡高度代表流量值。,四、浮子流量計,計算：浮子在錐形管中的受力平衡條件和為浮子的截面積和體積；f為浮子密度；為被測流體的密度；g為重力加速度。P為一個常數(shù)根據(jù)流體力學(xué)定律流量為:a為流量系數(shù)；Ao為浮子高度為時的環(huán)形流通面積浮子流量計具有線性的流量特性,四、浮子流量計,使用：刻度換算非標(biāo)準(zhǔn)性儀表，出廠時標(biāo)定。用常溫的水來標(biāo)定，測量其它介質(zhì)流量的用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（20，.8Pa）的凈化空氣標(biāo)度。實際測量時，若被測介質(zhì)不是水或空氣，須進(jìn)行刻度換算。設(shè)：當(dāng)被測介質(zhì)的密度與標(biāo)定介質(zhì)密度o不一致時，必須進(jìn)行校正,四、浮子流量計,使用：改量程量程的改變可以采用不同材料的同形浮子。增加浮子的密度，可以擴大量程，相反，減小浮子的密度可以縮小量程。實際測量時，若被測介質(zhì)不是水或空氣，須進(jìn)行刻度換算。設(shè)：和f為改量程后的流量和浮子密度；o和f為改量程前的流量和浮子密度；為被測介質(zhì)密度。,四、浮子流量計,使用：溫度和壓力修正由于液體介質(zhì)是不可壓縮流體，溫度和壓力的變化，對液體的粘度變化極小，故不用修正。但是，由于氣體是可壓縮流體。溫度和壓力變化引起較大誤差，必須修正，。溫度和壓力修正浮子流量計必須垂直安裝在管道上，流體必須自下而上流過浮子流量計，不應(yīng)該有明顯的傾斜。配管直徑一般小于50mm。測量時，流體的雷諾數(shù)應(yīng)大于界限雷諾數(shù)。流量計的最佳測量范圍應(yīng)為量程上限(1/32/3)的刻度。,四、浮子流量計,五、容積式流量計橢圓齒輪流量計是利用兩個相互嚙合的橢圓形齒輪在流體的推動下，連續(xù)轉(zhuǎn)動來測流量的。,當(dāng)流體要流過橢圓齒輪時，進(jìn)口側(cè)壓力p1大于出口側(cè)壓力p2，在此壓力差的作用下，產(chǎn)生作用力矩使橢圓齒輪轉(zhuǎn)動。,圖（a）位置時，由于p1p2，所產(chǎn)生的合力矩使A輪順時針方向轉(zhuǎn)動。A帶動B轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)至（b）位置，A輪與B輪均為主動輪。轉(zhuǎn)至（c）位置，合力矩使B輪帶動A輪轉(zhuǎn)動。A、B輪轉(zhuǎn)動時，連續(xù)將半月形容積內(nèi)的流體排出。,此圖表示橢圓齒輪轉(zhuǎn)動了1/4周的情況，其排出的流體為一個半月形容積V0。所以，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周所排出的被測介質(zhì)量為半月形容積的4倍。故通過橢圓齒輪流量計的體積流量Q為：Q=4nV0n齒輪轉(zhuǎn)速,如果累計齒輪轉(zhuǎn)速，則得到體積總量。,特點由于橢圓齒輪流量計是基于容積式原理測量的，與流體的粘度、密度、雷諾數(shù)等參數(shù)無關(guān)。因此，安裝時不需要有直管段，對流體的流動狀態(tài)無要求，特別適用于高粘度介質(zhì)的流量測量。測量精度高，最高可達(dá)0.1%。,橢圓齒輪流量計的使用溫度不能過高，否則可能使齒輪膨脹卡死。另外被測流體中不能含有固體顆粒，否則會引起齒輪磨損以至損壞。,六、渦輪流量計在測量管道內(nèi)，安裝一個可以自由轉(zhuǎn)動的渦輪，當(dāng)流體通過時，流體的動能使渦輪旋轉(zhuǎn)。流體的流速越大，渦輪轉(zhuǎn)速也就越高。,因此，測出渦輪的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)，就可確定流過管道的流體流量或總量。日常生活中使用的某些自來水表、油量計等，都是利用這種原理制成的，都屬于速度式儀表。,渦輪上的螺旋形葉片用高導(dǎo)磁系數(shù)的不銹鋼材料制成。,導(dǎo)流器用以穩(wěn)定流體的流向,外殼由非導(dǎo)磁的不銹鋼制成,渦輪流量計的工作過程當(dāng)流體通過渦輪葉片與管道之間的間隙時，葉片前后的壓差力推動葉片旋轉(zhuǎn)。高導(dǎo)磁性的渦輪葉片就周期性地掃過磁鋼底部，,使磁路的磁阻發(fā)生周期性的變化，線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性的變化，線圈中便感應(yīng)出脈沖電信號。其頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，即與流量成正比。,輸出脈沖頻率f與被測流量Q之間的關(guān)系：f=NQ,N儀表常數(shù),插入式,特點渦輪轉(zhuǎn)速不用軸輸出，沒有齒輪傳動誤差和密封問題，因而渦輪流量計測量精度高（可達(dá)0.2級），耐高壓（靜壓可達(dá)50MPa）。輸出信號為頻率信號，不易受干擾，便于遠(yuǎn)傳。要求流體清潔，安裝時，應(yīng)加裝過濾器，且前后要有一定的直管段。,七、渦街流量計利用流體遇到阻礙物后產(chǎn)生的旋渦來測量流量。可以用來測量管道中的液體、氣體和蒸汽的流量。旋渦式流量計有兩類：旋進(jìn)型旋渦流量計和卡曼型旋渦流量計。,渦街流量計測量原理在測量管道中垂直插入一個非流線形的柱狀物（圓柱或三角柱）作為阻流體。當(dāng)流體受到阻礙物阻擋時，會在阻礙物的下游處產(chǎn)生兩列平行、且上下交替出現(xiàn)的旋渦。因為這些旋渦有如街道旁的路燈，故有“渦街”之稱，又因此現(xiàn)象首先被卡曼（Karman）發(fā)現(xiàn)，也稱作“卡曼渦街”。,實驗表明，當(dāng)兩列旋渦的間距h和同列相鄰兩個旋渦之間的距離l之比能滿足hl0.218時，所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。滿足如下關(guān)系：,f單側(cè)旋渦發(fā)生頻率St斯特勞哈爾系數(shù)v流體平均流速d圓柱體直徑,式中：,公式表明，St為常數(shù)時，單側(cè)旋渦的發(fā)生頻率f與流體平均流速v成正比。,測得f便可算出體積流量Q,A1管道中旋渦發(fā)生體處流通截面積。,旋渦流量計的特點是精確度高、測量范圍寬、沒有運動部件、壓力損失小。,旋渦頻率的檢測旋渦頻率的檢測方法很多。如：熱敏檢測法、超聲波檢測法、電容檢測法、應(yīng)力檢測法等。這些方法都是利用旋渦的局部壓力、密度、流速等的變化作用于敏感元件，產(chǎn)生電信號，再經(jīng)放大整形，得到脈沖信號輸出。例1：熱敏檢測法,如圖所示，圓柱形內(nèi)腔的中心位置上安裝一個鉑電阻，通以電流時產(chǎn)生熱量，使內(nèi)腔溫度高于腔外。當(dāng)流體產(chǎn)生旋渦時，產(chǎn)生旋渦的一側(cè)流體流速低，靜壓高，使一部分流體由導(dǎo)壓孔進(jìn)入內(nèi)腔，向未產(chǎn)生旋渦的一側(cè)流出，帶走一部分熱量，鉑絲溫度降低，電阻減小。每產(chǎn)生一個旋渦，鉑電阻就變小一次。,測量出鉑電阻變化的頻率就測定了旋渦頻率，也就測得了流量。,鉑絲阻值的變化頻率，采用一個不平衡電橋進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大和整形，再變換成直流電流信號輸出，供顯示，累積流量或進(jìn)行自動控制。,八、電磁流量計在流量測量中，當(dāng)被測介質(zhì)是具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)時，可以應(yīng)用電磁感應(yīng)的方法來測量流量。,工作原理在管道兩側(cè)安放磁鐵，流動的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與流體的流速成正比關(guān)系。當(dāng)磁感應(yīng)強度B不變、管道直徑一定時，流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢E的大小僅與流體的流v速有關(guān)。,式中：Ex感應(yīng)電勢；B磁感應(yīng)強度；D管道直徑；v流體速度。,當(dāng)BD一定時，感應(yīng)電勢E與流速v成正比。,v=BDE,感應(yīng)電勢的方向由右手定則判斷，其大小為：E=BDv,體積流量Q與流速v的關(guān)系為：,將v=BDE代入可得：,式中,稱為儀表常數(shù),感應(yīng)電勢E與被測流量Q成正比關(guān)系。,變送器結(jié)構(gòu)變送器由測量管和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。測量管兩側(cè)分別繞有馬鞍形的勵磁線圈。為了避免直流磁場產(chǎn)生的直流感應(yīng)電勢使電極周圍導(dǎo)電液體電解，導(dǎo)致電極表面極化，而減小感應(yīng)電勢，一般采用交流勵磁。,為了避免磁力線被測量管的管壁短路，并使測量導(dǎo)管在磁場中盡可能地降低渦流損耗，測量導(dǎo)管應(yīng)由非導(dǎo)磁的高阻材料制成，如不銹鋼。但內(nèi)壁必須涂一層絕緣襯里，如環(huán)氧樹脂。以防止感應(yīng)電勢被短路。,優(yōu)點：測量導(dǎo)管內(nèi)無任何阻礙物，因而被測流體的壓力損失很小。可以測量各種導(dǎo)電液體的流量，如酸、堿、鹽溶液，流體可以含有固體顆粒、懸浮物或纖維等。輸出信號與流量之間的關(guān)系不受流體的物理性質(zhì)（例溫度、壓力、粘度等）變化和流動狀態(tài)的影響。測量響應(yīng)速度快，可用來測量脈動流量。,由于感應(yīng)電勢數(shù)值很小，后級采用高放大倍數(shù)的放大器，很容易受外界電磁場干擾的影響。,缺點只能用來測量導(dǎo)電液體的流量，要求導(dǎo)電率不小于水的導(dǎo)電率。不能測量氣體、蒸汽及石油制品等的流量。,小結(jié),物位測量儀表可分為下列幾種類型。1.靜壓式物位測量利用液體或物料對某定點產(chǎn)生的壓力隨液位高度而變化的原理而工作。2浮力式物位測量利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原理工作。3.電氣式物位測量利用敏感元件將物位的變化轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)的變化，而得知物位。,第五節(jié)液位變送器,靜壓式液位變送器,浮球液位變送器,浮球液位變送器,靜壓式液位變送器,浮力式液位變送器：分恒浮力式和變浮力式兩種。恒浮力式：測量方法：浮球測量，浮球隨液位而改變應(yīng)用場合：密閉的容器、壓力不大、黏度較大變浮力式測量方法：沉筒測量，液位改變引起作用在沉筒的壓力變化應(yīng)用場合：開口容器、黏度較大的液體,一、浮力式液位變送器,1、恒浮力式液位變送器,利用浮子高度隨液面或液體界面變化而變化的原理工作。,2、變浮力式液位變送器,如圖是一用彈簧平衡的浮筒的測量原理圖，將一截面相同，質(zhì)量為m的圓筒形空心金屬浮筒懸掛在彈簧上，當(dāng)h0時，浮筒的重量被彈簧的反作用所平衡。當(dāng)液位變化使浮筒的一部分被液位浸泡時，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上移動，直到與彈簧的反作用力重新平衡。設(shè)此時彈簧的位移為x，則,p1=Hg+p2p=p1-p2=Hg式中：H液位高度；介質(zhì)密度；g重力加速度。,二、靜壓式液位變送器利用測量容器底部和頂部的壓差測液位。測量原理設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p2，下部取壓點壓力為p2，則：,若被測容器是敞口的，則氣相壓力為大氣壓，只需將差壓變送器的負(fù)壓室通大氣，或用壓力變送器、或用壓力表即可測量。因為壓力變送器和壓力表都是測量與大氣壓之差。,零點遷移理想測量條件下，液位H=0時，變送器的輸入壓差信號P=0，差壓變送器的輸出為零點信號4mA。零點是對齊的：,H0時，p=Hg=0，I0=4mA,應(yīng)用時，由于差壓變送器安裝的實際情況限制，測量零點很難對齊，需要對差壓變送器的零點進(jìn)行遷移。,p=p1-p2=(h12g+H1g+p0)(h22g+p0)=H1g-(h2-h1)2g,1、負(fù)遷移如圖所示，變送器和容器之間用隔離罐隔離時：,當(dāng)H=0時，p=-(h2-h1)2g此時，變送器應(yīng)輸出4mA以下，但變送器的輸出只能是420mA,零點遷移的方法是，另加(h2-h1)2g信號，抵消(h2-h1)2g的影響。使：H=0時，p=0,遷移前,遷移后,2、正遷移有時變送器不能和容器底部安裝在同一水平面上。如圖所示，有：P=Hghg,H=0時，P=hg,遷移的目的：使變送器輸出的起點與被測量起點相對應(yīng)。遷移同時改變了測量范圍的上下限，相當(dāng)于測量范圍向正方向或負(fù)方向的平移。,此時需要遷移hg,例如，某差壓變送器的測量范圍為050MPa，對應(yīng)輸出從4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如圖2.57中曲線a所示。若因安裝的原因：,H=0時，P=10MPa，則需負(fù)遷移。H=0時，P=10MPa，則需正遷移。,用法蘭式差壓變送器測量液位在測量含有結(jié)晶顆粒、有腐蝕性、粘度大、易凝固等液體液位時，引壓管線可能被腐蝕、被堵塞。可使用加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器。,五、成分測量與變送,、分類：按照原理劃分,五、成分測量與變送,、紅外氣體分析儀原理：紅外氣體分析儀是利用不同的氣體對不同波長的紅外線輻射能具有選擇性吸收的特性來進(jìn)行氣體濃度分析的。特點：具有量程范圍寬、靈敏度高、反應(yīng)迅速、選擇性強。特性：除對稱結(jié)構(gòu)、無極性雙原子氣體和單原子分子氣體外，幾乎所有氣體以及水蒸氣等對紅外線都具有強烈的選擇性吸收特性。,五、成分測量與變送,、紅外氣體分析儀特性：遵循貝爾（Bell）定律：式中，為透射光強度；o為入射光強度；K為吸收系數(shù)，C為氣體濃度；L為氣體吸收層厚度。若很稀、很小，0,該氣體稱為順磁性氣體ki&ki比較接近K=ko2*Co2+(1-Co2)*k2,五、成分測量與變送,3、熱磁式氧分析儀順磁氣體受溫度影響：順磁性氣體的體積磁化率與絕對溫度以及氣體密度之間的關(guān)系遵循居里定律，即:C為居里系數(shù)；為氣體密度.根據(jù)氣體狀態(tài)方程，PVNM=nMRT，由此可求得氣體密度為：=nM/V=NMP/RT式中，R為氣體常數(shù)；V為氣體的體積；P為氣體壓力；n為氣體的克分子數(shù)；M為氣體的克分子量。k=K*P/(T*T)順磁性氣體的體積磁化率與壓力成正比，而與絕對溫度成反比,五、成分測量與變送,3、熱磁式氧分析儀熱磁式氧分析儀工作原理：結(jié)構(gòu)如圖所示:設(shè)：利用恒壓源或恒流源向R1和R2通以恒定的電流使其發(fā)熱至某一恒定溫度（通常為1