劳动出版社《过程控制技术》-B02-1727第3章 常见过程测控仪表

1、. 了解过程测控仪表的组成，掌握过程测控仪表信号的标准。 . 了解测量误差的基本概念，掌握常用数字滤波的方法。 . 了解安全场所的划分和仪表防爆的基本知识。 . 了解物位、成分等检测仪表的工作原理与使用。 . 了解过程控制中软测量技术的基本概念。 . 掌握过程测控仪表的几种接线方式，以及相互之间的区别。 . 掌握热电偶、热电阻等温度检测仪表的使用，以及温度检测仪表的选型和安装。 . 掌握常用压力、流量等检测仪表的工作原理以及选型和安装。,学习目标, 测控仪表组成及接线方式,一、过程检测仪表的组成,二、过程检测仪表的接线方式,. 电流二线制和四线制,. 电阻三线制,. 现场总线方式, 测量误差及处理,一、测量误差的基本概念,. 误差,被测变量本身所具有的真实值，称为真值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。,. 真值,绝对误差是指仪表输出信号所代表的被测值与被测参数真值之差。,式中 被测值的绝对误差值； 约定真值或相对真值。, ,仪表绝对误差的求法是用精确度高的标准仪表和实用测量仪表，在相同的条件下，对同一参数进行测量，然后进行数据比较，这项工作就叫作仪表的校验。 绝对误差与约定真值的

2、百分比，定义为仪表的相对误差，即: /100 绝对误差与仪表量程的百分比，称为仪表的引用误差，即: /100 式中 仪表引用误差； 仪表的绝对误差； 仪表的量程，即仪表测量范围的上限值与下限值之差。,例 某压力表刻度0 100kPa，在50kPa处计量检定值为49.5kPa，求在50kPa处仪表的绝对误差、相对误差和引用误差。,. 精度等级,精度等级又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级，我国生产的仪表，其精度等级有0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。级数越小，精度（准确度）就越高。,二、测量变送中的几个问题,. 纯滞后问题 . 测量滞后问题 . 信号传送滞后问题,三、测量信号的处理,测量信号的处理包括对测量信号进行线性化处理和滤波处理等。 数字滤波是一种程序滤波，即利用计算机自身能够进行运算与判断的特点，通过计算机软件滤去干扰信号，以提高信号的真实性。采用数字滤波可以消除低频干扰。 . 算术平均值滤波 算术平均值滤波又称为递推平均滤波，它对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。其公式为：,.

3、 程序判断滤波,当|- - | 时，则为输入计算机的采样值；当|- - | 时，则将 - 采样值作为第 次采样值输入计算机。其中， -为上次采样值；为本次采样值； 为阈值； 值的选择主要取决于对象被测参数的变化速度。,. 中位值法滤波,连续采样三次以上的值，从中选择大小居中的那个值作为有效的测量信号。,. 一阶惯性滤波,实质上是通过计算机的算法来实现动态的 低通滤波。其传递函数为：,式中 （） 滤波器输出的拉普拉斯变换； （） 滤波器输入的拉普拉斯变换； 滤波器的时间常数，。, 安全防爆基础,一、危险场所划分,表 危险区分类说明,. 隔爆型 隔爆型防爆形式是把设备可能点燃爆炸性气体混合物的部件全部封闭在一个外壳内，其外壳能够承受通过外壳接合面或结构间隙渗透到外壳内部的任何可燃性混合物在内部引起的爆炸而不被损坏，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃，从而达到隔爆目的。 隔爆型设备适用于、 区场所。 . 本安型 本安型防爆形式是设备内部的所有电路都是在标准规定条件（包括正常工作和规定的故障条件）下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的本质安全

4、电路。 该防爆形式只能应用于弱电设备中，该类型设备适用于、 或 区。,二、防爆安全栅,. 齐纳式安全栅 齐纳式安全栅是通过快速熔断丝和限压、限流电路实现能量限制作用，使得在本安防爆系统中，不论现场本安仪表发生何种故障，都能保证传输到现场（危险区）的能量处于一个安全范围内（不会点燃规定的分级、分组爆炸性气体的混合物），从而保证现场安全。 . 隔离式安全栅 隔离式安全栅分输入式安全栅（从现场到控制室）和输出式安全栅（从控制室到现场）两种。 , 温度测量,温度是表征物体冷热程度的一个物理量，反映了物体内部分子运动平均动能的大小。 温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。华氏温标与摄氏温标之间的换算公式为：,一、接触式与非接触式测温,接触式测温方法主要包括基于物体受热体积膨胀的膨胀式温度检测仪表，基于导体或半导体电阻随温度变化的热电阻式温度检测仪表，基于热电效应的热电偶式温度检测仪表等。 非接触式测温方法利用的是物体的热辐射特性与温度之间的对应关系。,二、热电偶,热电偶是利用热电效应制成的温度传感器，分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指按国家规定定型生产、有标准化分度表和允

5、许误差的热电偶。而非标准化热电偶主要用于特殊场合的测温。 工业上常用的标准热电偶有如下几种：铂铑10铂热电偶（分度号），铂铑30铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号）和镍铬镍硅（镍铬镍铝）热电偶（分度号）等。,. 热电偶的主要特性 我国从1988年起，热电偶全部按 国际标准生产，并指定、 等标准化热电偶为中国统一设计型号。 . 热电偶的冷端补偿 由热电偶测温原理可知，只有当其冷端温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数，即： (，) (，) (，),例 用分度号为 的镍铬镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60，实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时显示仪表的指示值应为多少？,三、热电阻,金属热电阻的电阻值和温度之间的关系一般可以近似表示为： 0 （ 0） 式中 t温度 时对应的电阻值； 0温度0 (通常0 ) 时对应的电阻值； 温度系数。 半导体热电阻（也称热敏电阻）的阻值与温度之间的关系一般可以近似表示为： t / 式中 t热敏电阻在温度 时对应的电阻值； 、取决于半导体材料和结构的常数。,

6、四、集成式温度传感器,五、接触式测温元件的选型与安装,. 接触式测温元件的选型 () 仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏差值的大小确定。 () 仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济合理等。 () 温度仪表的测量上限应选得比实际使用的最高温度略高一些。 () 一般优先选用热电偶测温，只在测温范围低于150时才选用热电阻。 () 热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。 () 保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级，材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。,. 接触式测温元件的安装 () 在测量管道内流动介质温度时，应保证传感器与介质充分接触，要求传感器与被测介质成逆流状态安装，至少呈正交式安装，切勿与被测介质形成顺流状态。传感器的感温点应处于管道中流速最大的地方。 () 为了减小测量误差，应尽可能增大传感器的插入深度。 温度计应斜插或在管道弯头处插入。 () 当测温管道过细（直径小于80mm） 时，安装测温元件需加装扩充管。 () 在安装热电偶及热电阻时，应使其接线盒的面盖朝上。 () 安装在负压管道上的温度计，必须要保证良好的密封性。 () 用热电偶测量炉膛

7、温度时， 应避免与火焰直接接触；还应避免把热电偶安装在炉门旁或与热物体距离过近之处。接线盒不应碰到被测介质的器壁。, 压力测量,所谓压力是指均匀而垂直作用于单位面积上的力，也就是物理学中的压强，用符号 表示。 由于参考点不同，在工程技术中流体的压力可分为以下几种: () 差压（又称压差）：两个压力之间的相对差值。 () 绝对压力：相对于零压力（绝对真空）所测得的压力。 () 表压力：绝对压力与当地大气压之差。 () 负压（又称真空表压力）：当绝对压力小于大气压时，大气压与绝对压力之差。 () 大气压：它是地球表面上的空气质量所产生的压力，大气压随当地的海拔高度、纬度和气象情况变化。,压力的表示方法有三种：绝对压力，表压力， 负压或真空度，关系如图所示。,一、弹性式压力检测,弹性式压力表是利用各种弹性元件，在被测介质压力作用下产生弹性变形（服从胡克定律）的原理来测量压力的。,二、应变片式压力检测,应变片式压力传感器使用的敏感元件是应变片，它是由金属导体或者半导体材料制成的电阻体。当应变片受到外力作用产生形变（伸长或者收缩）时，其电阻值也将发生相应的变化。根据电阻值计算公式： / 可以求得

8、， 在应变片的测压范围内， 其电阻值的相对变化量为：,三、压阻式压力检测,压阻式压力传感器是根据压阻效应制造的，其压力敏感元件就是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成的扩散电阻，当受到外力作用时，扩散电阻的阻值由于电阻率的变化而改变。,四、压力表的选择与安装,. 压力表的选择 () 量程的选择 () 准确度的选择 () 使用环境及介质性能的考虑 () 压力表外形尺寸的选择,. 压力表的安装 () 测点的选择和安装必须保证仪表所测得的是介质的静压力。 () 安装地点应力求避免振动和高温的影响。 () 在测量蒸汽压力时，应加装凝汽管；对于腐蚀性介质，应加装充有中性介质的隔离罐；针对被测介质的不同性质（高温、低温、腐蚀、脏污、结晶和黏稠等），应采取相应的防高温、防腐蚀、防冻及防堵等措施。 () 测点与压力计之间应加装切断阀门。切断阀门应安装在靠近测点的地方。 () 在需要进行现场校验和经常冲洗引压导管的情况下，切断阀可改用三通开关。 () 引压导管不宜过长，以便减小压力指示的时延，一般长度不大于50m。, 流量测量,流量通常是指单位时间内流经管道某截面流体的数量，也就是所谓的瞬时流量。在

9、某一段时间内流过流体的总和， 称为总量或累积流量。瞬时流量和累积流量可以用体积表示，也可以用质量表示。,() 体积流量。,() 质量流量。,() 标准状态下的体积流量。,式中 液体的密度。,一、容积式流量计,容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积。 容积式流量计的工作原理为：流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差。流量计的转动部分在这个压力差作用下将产生旋转，并将流体由入口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满流量计的计量空间，然后又不断地送往出口。 在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就可以得到通过流量计的流体体积的累积值。 ,二、速度式流量计,. 涡轮流量计 涡轮流量计是一种速度式流量仪，它利用置于流体中的叶轮旋转角速度与流体流速成比例的关系，通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量大小。,. 漩涡（涡街）流量计 漩涡流量计是利用流体振动原理来进行流量测量的，即在特定的流动条件下，流体一部分动能产生流体振动， 且振动频率与流体的流速（或流量）有一定关系。,. 电磁流量计 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的。,在管道直径 已经确定、磁场强度 维持不变时，流体的体积流量与磁感应电动势呈线性关系。,. 超声波流量计 超声波在流体中传播时， 会载有流体流速的信息。 因此，通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。,三、差压式流量计,. 节流式流量计 流体流过阻力件使流束收缩导致压力变化的过程称为节

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