《過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案

《過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表,過(guò)程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 第2章 檢測(cè)儀表 教學(xué)目的：了解基本概念：檢測(cè)儀表的基本技術(shù)指標(biāo)，四大參數(shù)的檢測(cè)方法及常見(jiàn)儀表。 教學(xué)重點(diǎn)：熱電阻、熱電偶的測(cè)溫原理，壓力、流量、物位的檢測(cè)。 教學(xué)難點(diǎn)：熱電偶的工作原理和冷端溫度補(bǔ)償。 要控制一個(gè)工藝指標(biāo)，首先必須實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)。例如溫度、壓力、流量、液位等。用來(lái)檢測(cè)這些參數(shù)的工具稱為檢測(cè)儀表，其中包括測(cè)量指示儀表及將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出的變送器。 檢測(cè)儀表種類繁多，但目的都是快速、準(zhǔn)確地測(cè)量某種物理量。因此，對(duì)于檢測(cè)儀表的性能有一套通用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 2.1檢測(cè)儀表的基本技術(shù)指標(biāo) 1. 絕對(duì)誤差 檢測(cè)儀表的指示值X與被測(cè)量真值Xt之間存在的差值稱為絕對(duì)誤差Δ表示為： Δ= X－X t 由于真值是無(wú)法得到的理論值。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可用精確度較高的標(biāo)準(zhǔn)表所測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)值X0代替真值X t，表示為： Δ= X－X0 儀表在其標(biāo)尺范圍內(nèi)各點(diǎn)讀數(shù)的絕對(duì)誤差中最大的絕對(duì)誤差稱為最大絕對(duì)誤差Δmax。 2．基本誤差 基本誤差是一種簡(jiǎn)化的相對(duì)誤差，又稱引用誤差或相對(duì)百分誤差。定義為： 其中：儀表量程 = 測(cè)量上限－測(cè)量下限 儀表的基本誤差表明了儀表在規(guī)定的工作條件下測(cè)量時(shí)，允許出現(xiàn)的最大誤差。 3．精確度（精度） 為了便于量值傳遞，國(guó)家規(guī)定了儀表的精確度（精度）等級(jí)系列。 如0.5級(jí)，1.0級(jí)，1.5級(jí)等。 儀表精度的確定方法：將儀表的基本誤差去掉“±”號(hào)及“％”號(hào)，套入規(guī)定的儀表精度等級(jí)系列。 例如: 某臺(tái)儀表的基本誤差為±1.0％，則確認(rèn)該表的精確度等級(jí)符合1.0級(jí)。 如果某臺(tái)儀表的基本誤差為±1.3％，則該表的精確度等級(jí)符合1.5級(jí)。 例1 某臺(tái)測(cè)溫儀表的測(cè)量范圍為 －100～700℃，校驗(yàn)該表時(shí)測(cè)得其最大絕對(duì)誤差為＋5℃，試確定該儀表的精度等級(jí)。 解： 該儀表的基本誤差為： 將δ去掉“+”與“%”號(hào)，其數(shù)值為0.625。由于國(guó)家規(guī)定的儀表精度等級(jí)中沒(méi)有0.625級(jí)，該儀表的誤差介于0. 5級(jí)～1.0級(jí)之間，超過(guò)了0.5儀表所允許的最大絕對(duì)誤差，故這臺(tái)測(cè)溫儀表的精度等級(jí)為1.0級(jí)。 例2 某臺(tái)測(cè)壓儀表的測(cè)壓范圍為 0～8MPa。根據(jù)工藝要求，測(cè)壓示值的誤差不允許超過(guò)±0.05 MPa，問(wèn)應(yīng)如何選擇儀表的精度等級(jí)才能滿足以上要求？ 解： 根據(jù)工藝要求，儀表的允許基本誤差為： 去掉“±”和“％”號(hào)后，0.625介于0.5～1.0之間。若選精度為1.0級(jí)的儀表，其允許的最大絕對(duì)誤差為±0.08 MPa 。超過(guò)了工藝允許的數(shù)值。 故： 應(yīng)選擇0.5級(jí)的表。 目前，我國(guó)生產(chǎn)的儀表常用的精確度等級(jí)有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。 精度等級(jí)數(shù)值越小，表征該儀表的精確度等級(jí)越高，也說(shuō)明該儀表的精確度越高。 0.05級(jí)以上的儀表，常用來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)表；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用的測(cè)量?jī)x表，其精度大多為0.5級(jí)以下。 儀表的精度等級(jí)一般用符號(hào)標(biāo)志在儀表面板上。如 4、靈敏度和分辨率 靈敏度表示指針式測(cè)量?jī)x表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的敏感程度，常以儀表輸出（如指示裝置的直線位移或角位移）與引起此位移的被測(cè)參數(shù)變化量之比表示： 其中， S －儀表靈敏度；ΔY －儀表指針位移的距離（或轉(zhuǎn)角）；ΔX －引起ΔY的被測(cè)參數(shù)變化量。 靈敏限表示指針式儀表在量程起點(diǎn)處，能引起儀表指針動(dòng)作的最小被測(cè)參數(shù)變化值。 對(duì)于數(shù)字式儀表，則用分辨率和分辨力表示靈敏度和靈敏限。分辨率表示儀表顯示值的精細(xì)程度。 如一臺(tái)儀表的顯示位數(shù)為四位，其分辨率便為千分之一。數(shù)字儀表的顯示位數(shù)越多，分辨率越高。 分辨力是指儀表能夠顯示的、最小被測(cè)值。 如一臺(tái)溫度指示儀，最末一位數(shù)字表示的溫度值為0.1℃，即該表的分辨力為0.1℃ 。 5、 變差 在外界條件不變的情況下，同一儀表對(duì)被測(cè)量進(jìn)行往返測(cè)量時(shí)（正行程和反行程），產(chǎn)生的最大差值與測(cè)量范圍之比稱為變差。 變差 = 量程 正反行程最大差值 ×100% ?ymax y xmin xmax O x xmax 造成變差的原因是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間存在的間隙和摩擦力; 彈性元件的彈性滯后等。 6、響應(yīng)時(shí)間 當(dāng)用儀表對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被測(cè)量突然變化以后，儀表指示值總是要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才能準(zhǔn)確地顯示出來(lái)。這段時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。 響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算：從輸入一個(gè)階躍信號(hào)開(kāi)始，到儀表的輸出信號(hào)（即指示值）變化到新穩(wěn)態(tài)值的95％所用的時(shí)間。即下圖中的tp t x y tp 0 以上是檢測(cè)儀表常用的性能指標(biāo)。 2.2溫度檢測(cè)及儀表 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍而重要的操作參數(shù)。 2.2.1溫度檢測(cè)方法 一般利用物體的某些物理性質(zhì)隨溫度變化的特性來(lái)感知、測(cè)量溫度。有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。 接觸式測(cè)溫——通過(guò)測(cè)溫元件與被測(cè)物體的接觸而感知物體的溫度。 非接觸式測(cè)溫——通過(guò)接受被測(cè)物體發(fā)出的熱輻射熱來(lái)感知溫度。 接觸式測(cè)溫儀表有： 1、膨脹式溫度計(jì)，是指基于物體受熱時(shí)體積膨脹的性質(zhì)而制成的溫度計(jì)，他有液體和固體兩種。 液體膨脹式溫度計(jì)，利用液體（水銀、酒精）受熱時(shí)體積膨脹的特性測(cè)溫。 固體膨脹式溫度計(jì)，用兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊接在一起制成雙金屬片。受熱后，由于兩金屬片的膨脹長(zhǎng)度不同而產(chǎn)生彎曲。 若將雙金屬片制成螺旋形，當(dāng)溫度變化時(shí)，螺旋的自由端便圍繞著中心軸偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)指針在刻度盤(pán)上指示出相應(yīng)溫度值。雙金屬片常用來(lái)做溫度報(bào)警或控制 如圖是一雙金屬溫控器。 雙金屬片 調(diào)節(jié)螺釘 絕緣柱 繼電器 隨著溫度上升，雙金屬片逐漸彎曲，當(dāng)其觸點(diǎn)接觸到固定觸點(diǎn)時(shí)，報(bào)警燈和繼電器回路被接通。 調(diào)節(jié)螺釘用來(lái)調(diào)整固定觸點(diǎn)的位置，以調(diào)整報(bào)警溫度。 2、壓力式溫度計(jì) 壓力式溫度計(jì)是利用封閉容器中的介質(zhì)壓力隨溫度變化的現(xiàn)象來(lái)測(cè)溫。 原理: 封閉容器中的液體、氣體或低沸點(diǎn)液體的飽和蒸汽，受熱后體積膨脹，壓力增大，使彈簧管變形 ，連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針指示溫度。如下圖就是一個(gè)壓力式溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。 3、熱電偶溫度計(jì) 利用物體的熱電性質(zhì)測(cè)溫。 4、熱電阻溫度計(jì) 利用金屬電阻值或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)測(cè)溫。 5、半導(dǎo)體溫度計(jì) 利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度變化的特性，通過(guò)測(cè)量感溫器元件（結(jié)）電壓變化來(lái)測(cè)量溫度。 非接觸式測(cè)溫的具體方法有： 1、 輻射式溫度計(jì) 通過(guò)測(cè)量物體熱輻射功率來(lái)測(cè)量溫度。 2、 紅外式溫度計(jì) 通過(guò)測(cè)量物體紅外波段熱輻射功率來(lái)測(cè)量溫度。 2.2.2 熱電偶 熱電偶是以熱電效應(yīng)為原理的測(cè)溫元件，能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)（mV） 。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)溫準(zhǔn)確可靠、信號(hào)便于遠(yuǎn)傳。一般用于測(cè)量500～1600℃之間的溫度。 2.2.2.1 熱電偶的測(cè)溫原理 將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，若兩個(gè)連接點(diǎn)溫度不同，回路中會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。此電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。 1、接觸電勢(shì) 當(dāng)不同導(dǎo)體A、B接觸時(shí)，兩邊的自由電子密度不同，在交界面上產(chǎn)生電子的相互擴(kuò)散，致使在接觸處產(chǎn)生接觸電勢(shì)。 其大小取決于兩種材料的種類和接觸點(diǎn)的溫度。 ，—自由電子密度； e —單位電荷 2、溫差電勢(shì) 對(duì)于同一金屬A（或B），其兩端溫度不同，自由電子所具有的動(dòng)能不同，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)，稱為溫差電勢(shì)。 熱電勢(shì)由兩部分組成：接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。但溫差電勢(shì)值遠(yuǎn)小于接觸電勢(shì)，常忽略不計(jì)。 3、回路總電勢(shì) 熱電偶回路總電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)疊加而成，稱熱電勢(shì)。由于溫差電勢(shì)很小，熱電勢(shì)基本由接觸電勢(shì)構(gòu)成： 據(jù)此可以得出基本結(jié)論： 對(duì)于確定的熱電偶，熱電勢(shì)只與熱端和冷端溫度有關(guān)。當(dāng)冷端溫度固定時(shí)， E（t，t0）是熱端溫度 t 的單值函數(shù)。上式無(wú)法實(shí)用，實(shí)際中用實(shí)測(cè)標(biāo)定熱電勢(shì)。 鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表（簡(jiǎn)表） 分度號(hào) K t0=0℃，E/mV /℃ 00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0.000 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681 100 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 6.939 7.338 7.737 200 8.137 8.537 8.938 9.341 9.745 10.151 10.560 10.969 11.381 11.793 300 12.207 12.632 13.039 13.456 13.874 14.292 14.712 15.132 15.552 15.974 400 16.395 16.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.938 19.363 19.788 20.214 500 20.640 21.066 21.493 21.919 22.346 22.772 23.198 23.624 24.050 24.476 600 24.902 25.327 25.751 26.176 26.599 27.022 27.445 27.867 28.288 28.709 700 29.128 29.547 29.965 30.383 30.799 31.214 31.629 32.042 32.455 32.866 800 33.277 33.686 34.095 34.502 34.909 35.314 35.718 36.121 36.524 36.925 900 37.325 37.724 38.122 38.519 38.915 39.310 39.703 40.096 40.488 40.897 1000 41.269 41.657 42.045 42.432 42.817 43.202 43.585 43.968 44.349 44.729 1100 45.108 45.486 45.863 46.238 46.612 46.985 47.356 47.726 48.059 48.462 1200 48.828 49.192 49.555 49.916 50.276 50.633 50.990 51.344 51.697 52.049 1300 52.398 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.2.2.2 熱電偶的基本定律 據(jù)可導(dǎo)出： 1、均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論其截面和長(zhǎng)度如何，以及沿長(zhǎng)度方向上各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。 因此，熱電偶必須由兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成。但其截面和長(zhǎng)度不限。 2、中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入另一種中間導(dǎo)體后，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的熱電勢(shì)沒(méi)有影響。 設(shè)將熱電偶AB一端打開(kāi)，接入第三種導(dǎo)體C ： 有 （1） 當(dāng)時(shí)，有 即 代入（1）式， 則 由中間導(dǎo)體定律可知： 熱電偶在使用時(shí)，只要接入第三種導(dǎo)體的兩個(gè)連接點(diǎn)溫度相等，它的接入對(duì)回路電勢(shì)毫無(wú)影響。這一結(jié)論可以推廣至接入多種導(dǎo)體。 因?yàn)闊犭娕荚谑褂脮r(shí)，必須將熱電偶回路打開(kāi)，接入測(cè)量?jī)x表，即插入多種導(dǎo)體。 3、中間溫度定律 一支熱電偶在兩接點(diǎn)溫度為t 、t0 時(shí)的熱電勢(shì)，等于兩支同溫度特性熱電偶在接點(diǎn)溫度為t 、0和0、t0時(shí)的熱電勢(shì)之代數(shù)和。即 據(jù)此，只要給出冷端為0℃時(shí)的熱電勢(shì)關(guān)系，便可求出冷端任意溫度時(shí)的熱電勢(shì)。 to t 0 mV － = 符合分度 表要求 A B t0 t A B 0 t A B 0 t0 2.2.2.3熱電偶的構(gòu)造 熱電偶是用兩種不同材料的偶絲或薄膜一端焊接而成。其構(gòu)造分普通型、鎧裝型、簿膜型等。 普通型 鎧裝型 普通熱電偶 2.2.2.4 熱電偶類型 理論上任何兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但考慮有良好的應(yīng)用性能，必須對(duì)熱電偶材料加以選擇。 選取原則：在測(cè)溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)及物理性質(zhì)，熱電勢(shì)要大，且與溫度接近線性關(guān)系。國(guó)際電工委員會(huì)（簡(jiǎn)稱IEC）規(guī)定了熱電偶材料的取材標(biāo)準(zhǔn)。用分度號(hào)命名不同取材的熱電偶，并給出了標(biāo)準(zhǔn)的熱電勢(shì)分度表。 幾種常用的標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶簡(jiǎn)介 熱電偶名稱 分度號(hào) 測(cè)溫范圍（℃） 平均靈敏度 特 點(diǎn) 鉑銠30—鉑銠6 B 0～+1800 10μV/℃ 穩(wěn)定性好,精度高,可在氧化氣氛使用 鉑銠10—鉑 S 0～+1600 10μV/℃ 同上，線性度優(yōu)于B 鎳鉻—鎳硅 K 0～+1000 40μV/℃ 價(jià)廉,，可在氧化及中性氣氛中使用 鎳鉻—康銅 E -200～+900 80μV/℃ 靈敏,價(jià)廉,可在氧化及弱還原氣氛中使用 銅—康銅 T -200～+400 50μV/℃ 價(jià)廉,但銅易氧化,常用于150℃以下溫度測(cè)量 不同材質(zhì)的熱電偶，其熱電勢(shì)與熱端溫度的特性關(guān)系不同。 鉑及其合金（B、S）屬于貴重金屬，價(jià)格很貴，但其熱電勢(shì)非常穩(wěn)定，主要用做標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及測(cè)量1100℃以上的高溫。 ? 鎳鉻－鎳硅（K）線性度最好 ? 鎳鉻－康銅（E）靈敏度最高 ? 銅－康銅（T）價(jià)格最便宜 2.2.2.5 熱電偶冷端溫度補(bǔ)償 熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)。所以使用時(shí)，需保持熱電偶冷端溫度恒定。但熱電偶的冷端和熱端離得很近，使用時(shí)冷端溫度較高且變化較大。為此應(yīng)將熱電偶冷端延至溫度穩(wěn)定處。 為了節(jié)約，工業(yè)上選用在低溫區(qū)與所用熱電偶的熱電特性相近的廉價(jià)金屬，作為熱偶絲在低溫區(qū)的替代品來(lái)延長(zhǎng)熱電偶，稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。 to t 0 mV 補(bǔ)償導(dǎo)線 熱偶 根據(jù)中間溫度定律，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶相連后，其總的熱電勢(shì)等于兩支熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和。 E (t, t 0) = E偶 (t , t n) ＋ E補(bǔ)(tn ,t 0) 用補(bǔ)償導(dǎo)線延長(zhǎng)熱電偶的必須條件是：補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性在低溫段與所配熱電偶相同。因此，不同的熱電偶配不同的補(bǔ)償導(dǎo)線。常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線見(jiàn)表2.2。 使用補(bǔ)償導(dǎo)線只是將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到溫度比較穩(wěn)定的地方，而標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)要求冷端溫度為零度，為此還要采取進(jìn)一步的補(bǔ)償措施。 1．查表法（計(jì)算法） 如果某介質(zhì)的溫度為t，用熱電偶進(jìn)行測(cè)量，其冷端溫度為t0，測(cè)得的熱電勢(shì)為EAB（t,t0）。根據(jù)中間溫度定律，有 EAB（t ,0）＝EAB（t ,t0）＋ EAB（t 0,0） 得出標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)EAB（t ,0），再查分度表就可得出被測(cè)溫度。 例 用K型(鎳鉻—鎳硅)熱電偶測(cè)量某加熱爐的溫度。測(cè)得的熱電勢(shì)E（t，t0）＝36.122mV，而自由端的溫度t0＝30℃，求被測(cè)的實(shí)際溫度。 解 由分度表可以查得 E（30，0）＝1.203mV 則 E（t，0） ＝ E（t，30）+ E（30，0） ＝ 36.122+1.203＝37.325mV 再查分度表可以查得37.325mV對(duì)應(yīng)的溫度為900 ℃ 。 計(jì)算法適用于實(shí)驗(yàn)或臨時(shí)測(cè)溫。 2、儀表零點(diǎn)調(diào)整法 如果熱電偶冷端溫度比較穩(wěn)定，與之相接的顯示儀表又可以調(diào)整零點(diǎn)，那么在測(cè)試前，將儀表指針就調(diào)整到冷端溫度處，再開(kāi)始測(cè)量。 此法比較簡(jiǎn)單，但由于冷端溫度（室溫）也有波動(dòng)，所以只能在測(cè)溫要求不太高的場(chǎng)合下應(yīng)用。 3、冰浴法 把熱電偶的冷端插入盛有絕緣油的試管中，然后將試管放入裝有冰水混合物的容器中，保持冷端為0℃。這種方法多數(shù)用于熱電偶的檢定。 4、 補(bǔ)償電橋法 補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)，來(lái)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值。 E(t,t0) E(t0, 0) E(t,0) 電橋 補(bǔ) 償 導(dǎo) 線 E(t,0) E(t,t0) E(t0 ,0) ＋ － 5．半導(dǎo)體PN結(jié)補(bǔ)償法 利用半導(dǎo)體PN結(jié)電壓隨溫度升高而降低的特性自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶的冷端溫度引起的誤差。 圖中半導(dǎo)體三極管基極結(jié)電壓Vbe隨溫度升高而降低。將Vbe放大后即可輸出。 只要保持三極管集電極電流 Ic 恒定，冷端補(bǔ)償電壓e0 即與冷端溫度成正比。 2.2.3熱電阻 對(duì)于500℃以下的中、低溫，熱電偶輸出的熱電勢(shì)很小，容易受到干擾而測(cè)不準(zhǔn)。一般使用熱電阻溫度計(jì)來(lái)進(jìn)行中低溫度的測(cè)量。 熱電阻有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。 2.2.3.1金屬熱電阻 金屬熱電阻測(cè)溫精度高。大多數(shù)金屬電阻阻值隨溫度升高而增大。具有正溫度系數(shù)。 溫度系數(shù) 作為工業(yè)用熱電阻的材料要求： (1)電阻溫度系數(shù)大，電阻率大； (2) 在測(cè)溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定； (3) 溫度特性的線性度好。 工業(yè)中用得最多的是鉑電阻和銅電阻，也有鎳電阻、銦電阻、錳電阻及碳電阻等用于低溫及超低溫測(cè)量。 1.鉑電阻 鉑材料容易提純，其化學(xué)、物理性能穩(wěn)定；測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性好、精度高。被國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定為-259~+630 ℃間的基準(zhǔn)器，但線性度稍差，常用于-200~+600 ℃溫度測(cè)量。 電阻溫度關(guān)系： R t =R0 [1+At+Bt2+C(t-100)t3] (-200~0℃) R t =R0 (1+At+Bt2) ( 0~850℃) 鉑電阻有兩種分度號(hào)：Pt10 , Pt100 2.銅電阻 銅電阻價(jià)格便宜，線性度好，但溫度稍高易氧化，常用于-50~+100 ℃溫度測(cè)量。銅電阻有兩種分度號(hào)：Cu50 ，Cu100 。電阻溫度關(guān)系： R t = R0 (1 +a t) (-50~150℃) 熱電阻的結(jié)構(gòu)型式常見(jiàn)有普通型熱電阻、鎧裝熱電阻。其結(jié)構(gòu)是：以云母片或石英玻璃柱作骨架，將金屬絲用雙線法繞在骨架上，以消除電感。此外，還有薄膜型熱電阻。 普通熱電阻結(jié)構(gòu) 3.熱電阻的三線制接法 電阻測(cè)溫信號(hào)一般通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成電壓，如用兩線接法接熱電阻，接線電阻隨溫度變化會(huì)給電橋輸出帶來(lái)較大誤差，而三線接法可以消除此誤差。 Rt R3 r r R1 R2 所以，電阻測(cè)溫信號(hào)通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成電壓時(shí)，熱電阻必須用三線制接法，以抵消接線電阻隨溫度變化對(duì)電橋的影響。 2.2.3.2 熱敏電阻 有些半導(dǎo)體材料的電阻值具有負(fù)溫度系數(shù)，可以作溫度傳感元件，特點(diǎn)是： (1) 電阻率大—電阻體積小，響應(yīng)快； (2) 溫度系數(shù)大—靈敏度高； (3) 非線性嚴(yán)重—影響精度。 (4) 溫度特性分散—互換性差 溫度(℃) 108 106 104 102 10 0 160 120 80 40 電阻(Ω) 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻特性 2.2.4 集成溫度傳感器 集成溫度傳感器將溫敏晶體管和外圍電路集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)測(cè)溫集成器件。 特點(diǎn)：體積小、反應(yīng)快、線性較好、價(jià)格便宜，測(cè)溫范圍一般為-50~150℃。 集成溫度傳感器利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過(guò)發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： VBE e b c I , 式中:K—波爾茲常數(shù)；q—電子電荷絕對(duì)值。 通過(guò)對(duì)VBE的放大及線性化處理，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的線性輸出。 集成溫度傳感器按輸出信號(hào)形式不同，分為電壓型、電流型和數(shù)字型三類。 1、電壓輸出型 電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0℃時(shí)輸出為0，溫度25℃時(shí)輸出2.982V。常見(jiàn)的有LM135系列。 2、電流輸出型 電流輸出型的靈敏度一般為1mA/K。最典型的是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的AD590 。 AD590是單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下： (1) 流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文），即：IT=T IT—流過(guò)器件的電流，單位為mA； T—熱力學(xué)溫度，單位為K。 (2) 測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃ (3) 電源電壓范圍為4V～30V (4) 輸出電阻為710MW 3、數(shù)字輸出型 最典型的數(shù)字輸出型集成溫度傳感器是DS1820。其外形如一只三極管，三個(gè)引腳分別是電源、地、數(shù)據(jù)線 ，測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，分辨率為0.5 ℃。 2.2.5溫度顯示與記錄 熱電偶、熱電阻等傳感元件的測(cè)溫信號(hào)必須經(jīng)后級(jí)儀表處理，將溫度顯示出來(lái)或記錄保存。 2.2.5.1動(dòng)圈式指示儀表 動(dòng)圈式指示儀表可分別與熱電偶、熱電阻配套指示溫度，是最簡(jiǎn)單的模擬指示儀表。 動(dòng)圈式儀表的驅(qū)動(dòng)部件是動(dòng)圈測(cè)量機(jī)構(gòu)，其本質(zhì)是一個(gè)磁電式毫安表。信號(hào)電流流過(guò)動(dòng)圈時(shí)，動(dòng)圈受磁場(chǎng)力作用而偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)。同時(shí)張絲被扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生反作用力矩，當(dāng)與磁場(chǎng)力矩平衡時(shí)，動(dòng)圈就停留在某一位置上，指針指示出被測(cè)參數(shù)值。 動(dòng)圈測(cè)量機(jī)構(gòu)原理圖 動(dòng)圈測(cè)量機(jī)構(gòu)配接不同的測(cè)溫元件時(shí)電路有所不同 2.2.5.2 數(shù)字式指示儀表 數(shù)字式指示儀表是以數(shù)字電壓表為主體而構(gòu)成的測(cè)量?jī)x表。其原理框圖如下： 檢測(cè)變送 寄存器 模/數(shù)轉(zhuǎn)換 脈沖計(jì)數(shù) 脈沖信號(hào) 數(shù)字譯碼器 顯示器 例：配熱電偶的數(shù)字式測(cè)溫儀表原理框圖 標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)經(jīng)過(guò)濾波，放大和線性化處理后，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的標(biāo)度變換，就能夠得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。 2.2.5.3自動(dòng)記錄儀表 自動(dòng)記錄儀能實(shí)時(shí)記錄被測(cè)參數(shù)。記錄的方式有紙記錄和無(wú)紙記錄兩類。 1.自動(dòng)平衡電橋式記錄儀 配接熱電阻的測(cè)溫記錄儀。利用電橋的平衡動(dòng)作進(jìn)行測(cè)量記錄。 Rp Rt R3 r 自動(dòng)平衡電橋原理圖 R0 R2 R1 平衡電橋測(cè)溫原理 Rt是測(cè)溫電阻，Rp是滑線電阻，觸點(diǎn)B由電機(jī)帶動(dòng)可左右移動(dòng)，電機(jī)由電橋的不平衡電壓驅(qū)動(dòng)。到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，電橋輸出為零，電機(jī)停止。 B的位置可以反映?Rt，即反映了溫度的變化；觸點(diǎn)位移與?Rt呈比例關(guān)系。 電橋測(cè)溫關(guān)系 當(dāng)被測(cè)溫度為下限時(shí)，Rt有最小值Rt0，滑動(dòng)觸點(diǎn)應(yīng)在Rp的左端，此時(shí)電橋平衡，條件是: R2R4＝R3（Rt0+Rp） 被測(cè)溫度升高時(shí)，電橋不平衡輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)觸點(diǎn)向右移動(dòng)，直至新的平衡點(diǎn): R2(R4+ r1 ) ＝ R3(Rt0+? Rt+Rp-r1) 兩式相減得： 2.自動(dòng)電位差計(jì)式記錄儀 自動(dòng)電位差計(jì)式記錄儀是配接熱電偶的測(cè)溫記錄儀。和自動(dòng)平衡電橋式記錄儀相比，放大、驅(qū)動(dòng)、走紙機(jī)構(gòu)都相同，僅測(cè)量電路不同。 圖2.23中，測(cè)量電橋產(chǎn)生不平衡電壓與熱電偶，輸出相平衡。同時(shí)為了冷端補(bǔ)償，將R2換成銅電阻，和熱電偶的冷端置于同一溫度下。當(dāng)冷端溫度升高時(shí)，設(shè)計(jì)使電壓VR2的增加量恰好彌補(bǔ)熱電勢(shì)的減少值 VR2 =E(t0,0) E(t,t0) 數(shù)字式記錄儀表 形式多樣，內(nèi)裝CPU，無(wú)紙記錄被測(cè)參數(shù)?？蓪?shí)時(shí)顯示，也可隨時(shí)調(diào)出歷史曲線?？啥嗤ǖ烙涗? 2.2.6溫度變送器 檢測(cè)信號(hào)要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。變送器的任務(wù)就是將不標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)信號(hào)，如熱電偶、熱電阻的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。 模擬控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)是： Ⅱ型：0~10mA、0～10V Ⅲ型：4～20mA、1～5V 數(shù)字控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)有：FF協(xié)議、 HART協(xié)議等 2.2.6.1模擬式溫度變送器 模擬式溫度變送器有多個(gè)品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但結(jié)構(gòu)基本相同。 溫度變送器原理框圖 + - 電量 傳感元件 被測(cè)溫度 輸入電路 放大電路 反饋電路 輸出電流 輸出電路 以DDZ-III型熱電偶溫度變送器為例： Et 放大電路 電源 輸入電路 輸出電路 電路原理分析： 1．輸入電路 熱電偶溫度變送器的輸入電路主要是在熱電偶回路中串接一個(gè)電橋。在電橋中實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端補(bǔ)償和測(cè)量零點(diǎn)的調(diào)整。 Ei=Et + VRcu － VR4 Ei 零點(diǎn)調(diào)整 溫度補(bǔ)償 Ei = Et + VRcu－VR4 = Et + ?VRcut0 + VRcu0 －VR4 標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì) 零點(diǎn)調(diào)整 冷端補(bǔ)償設(shè)計(jì)： ?VRcut0=E(t0 ,0) 調(diào)R4實(shí)現(xiàn)量程調(diào)整。 VRcu0 － 0℃時(shí)Rcu上壓降， ?VRcut0－t 0℃時(shí)Rcu上壓降增量 2、放大電路 熱電偶輸出的熱電勢(shì)為毫伏信號(hào)，而測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)很容易引入干擾，因此放大電路必須是高增益低漂移的運(yùn)放，深度反饋，同時(shí)還要采取抗干擾措施。例如用熱電偶測(cè)量電爐溫度時(shí)，放大電路要浮空。 耐火磚的漏電阻、漏電容 eAB 如果不接地， 則eab= 0 3、反饋電路 在反饋電路中需要完成量程調(diào)整和非線性校正兩個(gè)功能。量程調(diào)整實(shí)質(zhì)上是調(diào)整放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻的大小就可實(shí)現(xiàn)。而非線性校正則需要一個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 Io Et - Et 熱電偶 被測(cè)溫度T 輸入電路 放大電路 非線性反饋 輸出電流lo T Io Vf T + 4，供電電源 變送器的供電電源是+24V。為了提高變送器的抗共模干擾能力和安全防爆，放大器需要在電路上與電源隔離。24V直流電源經(jīng)調(diào)制解調(diào)后，供電路使用。 近年來(lái)，已推出小型固態(tài)化溫度變送器和一體化溫度變送器，它將傳感元件與測(cè)量電路一體化，電路高度集成，自帶冷端補(bǔ)償功能， 24VDC供電。 2.3 壓力檢測(cè)及儀表 壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)之一。如在化工、煉油等生產(chǎn)工藝中，經(jīng)常會(huì)遇到高壓、超高壓和真空度（負(fù)壓）的測(cè)量。 2.3.1壓力檢測(cè)的方法 工程上習(xí)慣把垂直作用于作用單位面積上的力稱為 “壓力”。即 P = F/S S F 壓力的單位是“帕斯卡”——1Pa =1N/m2 1MPa =106Pa 1工程大氣壓 = 1kg /cm2 = 9.80665×104Pa ≈ 0.1MPa p被測(cè)壓力1 工程中壓力的表示方式有：表壓、負(fù)壓（真空度）、 差壓、絕對(duì)壓力。 工業(yè)中所用儀表的壓力指示值，大多數(shù)為表壓和差 壓。 p被測(cè)壓力2 表壓 、絕對(duì)壓力、負(fù)壓（真空度）、差壓之間 的關(guān)系： p表壓 = p絕對(duì)壓力 — p大氣壓力 p真空鍍 = p大氣壓力 — p絕對(duì)壓力 p差壓 = p被測(cè)壓力1 — p被測(cè)壓力2 壓力測(cè)量?jī)x表品種很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為四大類。 1、液柱式壓力計(jì) 利用液體靜力學(xué)原理測(cè)壓，如U型管壓力計(jì)，當(dāng)被測(cè)壓力P大于大氣壓力B時(shí)，液柱會(huì)產(chǎn)生高度差。 2、彈性式壓力計(jì) 將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的變形位移后測(cè)量位移，如彈簧管壓力表。 3．電氣式壓力計(jì) 通過(guò)傳感元件及電路，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量輸出或指示，如電容式壓力變送器。 4．活塞式壓力計(jì) 根據(jù)液體均勻傳遞壓力的原理，將被測(cè)壓力與活塞上所加的砝碼質(zhì)量進(jìn)行平衡來(lái)測(cè)量壓力，它的測(cè)量精度很高，主要用于壓力表的檢定。 2.3.2 彈性式壓力計(jì) 利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以測(cè)量壓力。由于其產(chǎn)生的位移或力易轉(zhuǎn)化為電量，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，測(cè)壓范圍寬，被廣泛使用。 常用的彈性元件有5種： 1）單圈彈簧管 將截面為橢圓形的金屬空心管彎成270°圓弧形，頂端封口，當(dāng)通入壓力 p 后，它的自由端就會(huì)產(chǎn)生位移。單圈彈簧管測(cè)壓范圍較寬，可高達(dá)1000MPa。 2）多圈彈簧管 為了在測(cè)低壓時(shí)增加位移，可以將彈簧管制成多圈狀。 3） 膜片 用金屬或非金屬材料做成的具有彈性的圓片（有平膜片和波紋膜片）。在壓力作用下，其中心產(chǎn)生變形位移?？蓽y(cè)低壓。 4） 膜盒 將兩張金屬膜片沿周口對(duì)焊，內(nèi)充硅油。使膜片增加強(qiáng)度。 5 ) 波紋管 位移最大，可測(cè)微壓（＜1MPa)。 1）單圈彈簧管 2）多圈彈簧管 3） 膜片 4） 膜盒 5 ) 波紋管 2.3.2.2彈簧管壓力表 彈簧管壓力表的品種規(guī)格繁多。按其用途不同，有普通彈簧管壓力表、耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。 它們的外形與結(jié)構(gòu)基本相同，只是所用的彈簧管材料有所不同。 彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理 1 - 彈簧管 2- 拉桿 3- 扇形齒輪 4- 中心齒輪 5- 指針 6 – 面板 7 – 游絲 8 – 調(diào)整螺釘 9 – 接頭 彈簧管是一根彎成270°圓弧的橢圓截面 的空心金屬管，管子的自由端B封閉，并連接 拉桿及扇形齒輪，帶動(dòng)中心齒輪及指針。 2.3.3電氣式壓力計(jì) 電氣式壓力計(jì)是指將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行顯示的儀表。電氣式壓力變送器是指將壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出的儀表。 電氣式壓力計(jì)一般由壓力傳感元件、測(cè)量電路和信號(hào)處理電路所組成。 信號(hào)輸出 電量 被測(cè)壓力 傳感元件 測(cè)量線路 顯示器 2.3.3.1電容式差壓（壓力）變送器 電容式差壓變送器是20世紀(jì)70年代初由美國(guó)公司研發(fā)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)載能力強(qiáng)、可靠性好、精度高、體積小。一個(gè)被測(cè)壓力是大氣壓時(shí)，就成為壓力變送器。 電容式差壓變送器先將差壓的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后用電路測(cè)電容。 輸出信號(hào)范圍是DC4～20mA。 如圖是利用測(cè)電容充放電流的轉(zhuǎn)換電路。 正弦波電壓E加于差動(dòng)電容C1、C2上，因R1～R4的阻抗比C1、C2的阻抗小得多，流過(guò)C1、C2的半周期電流有效值近似為： V4 V1 V2 要測(cè)I1、I2的變化，可間接測(cè)R1、R2上的壓 降。 令V1、V2、V4分別為R1、R2、R4上的壓降，則： ：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4、R1=R2=R4 因 即 當(dāng)V4=I0R4不變時(shí)，測(cè)出V2－V1，可得?P。 在實(shí)際測(cè)量中，差動(dòng)電容Cl、C2變化會(huì)引起電流I0變化，若要保持V4不變，必須設(shè)監(jiān)控電路。通過(guò)監(jiān)測(cè)V4自動(dòng)調(diào)節(jié)E的幅度，使V4保持恒定。 2.3.3.2 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成的。電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片（金屬絲或金屬箔）和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。如金屬絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)： 縱向 R=ρL/S 電阻應(yīng)變?cè)恚? 當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向拉伸變形時(shí)，L變大、S變小，其阻值增加；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向壓縮變形時(shí)，S 變大、 L變小，其阻值減小。 應(yīng)變片電阻的變化可用電橋測(cè)出。 r1和r2的變化，使橋路失去平衡，有不平衡電壓ΔU輸出。 r1、r2設(shè)置在相鄰橋臂構(gòu)成半橋，既可以提高靈敏度，又有溫度補(bǔ)償作用。溫度升高引起的r1、r2阻值升高部分，壓降相減。 － ＋ 應(yīng)變片r1 應(yīng)變片r2 2.3.3.3壓阻式壓力傳感器 利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 壓阻效應(yīng)——受壓時(shí)電阻率發(fā)生變化。 2.3.3.4 壓電式壓力傳感器 利用某些材料的壓電效應(yīng)原理制成。具有這種效應(yīng)的材料如壓電陶瓷、壓電晶體稱為壓電材料。 壓電效應(yīng)：壓電材料在一定方向受外力作用產(chǎn)生形變時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其表面上產(chǎn)生電荷。當(dāng)去掉外力時(shí)，又重新返回不帶電的狀態(tài)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的現(xiàn)象，稱之為壓電效應(yīng)。 2.3.4智能式差壓變送器 智能式差壓變送器內(nèi)部電路裝有CPU芯片，有很強(qiáng)的數(shù)字處理能力。除檢測(cè)功能外，還具有靜壓補(bǔ)償、計(jì)算、顯示、報(bào)警、控制、診斷等功能。與智能式執(zhí)行器配合使用，可就地構(gòu)成控制回路，并隨時(shí)與上位機(jī)通訊。 2.3.4.1 3051C HART變送器 3051型差壓變送器是美國(guó)羅斯蒙特公司的一種智能型兩線制變送器，有電容式和壓電式兩種。圖2.44是 3051C 電容式變送器的原理框圖。 傳感器部分與模擬儀表一樣，測(cè)量信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送微處理器處理。輸出符合HART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)疊加在4～20mA的輸出信號(hào)線上。 3051型差壓變送器可同時(shí)用于數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬控制系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)設(shè)定器跨接在信號(hào)線上，可以讀取變送器的輸出信號(hào)，并對(duì)變送器進(jìn)行組態(tài)。 2.4 流量檢測(cè)及儀表 流量是生產(chǎn)控制及經(jīng)濟(jì)核算中的重要檢測(cè)參數(shù)。 2.4.1流量的基本概念 流量指單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一截面的流體數(shù)量。即瞬時(shí)流量。表示方法有： q 質(zhì)量流量Qm （t/h、 kg/h 、 kg/s ） q 體積流量Qv （m3/h、 L/h、 L/min ） 二者的關(guān)系：Qm =ρQv ρ—流體的密度 總量指一定時(shí)間內(nèi)流過(guò)某截面的流體流量的總和。 即累計(jì)流量。以 t 表示時(shí)間，則總量和流量之間的關(guān)系是： 流量計(jì)的種類繁多，若按測(cè)量原理分，流量計(jì)可分為： 節(jié)流式流量計(jì) 速度式流量計(jì) 容積式流量計(jì) 電磁式流量計(jì) ········· 2.4.2 差壓式流量計(jì) 差壓式（也稱節(jié)流式）流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。 顯示儀表 Q 差壓變送器 節(jié)流裝置 ＋ 節(jié)流現(xiàn)象 流體在流過(guò)節(jié)流件時(shí)，在節(jié)流件前后的靜壓產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。 節(jié)流件是能使管道中的流體產(chǎn)生局部收縮的元件，節(jié)流件和取壓裝置組裝成節(jié)流裝置。Q P2 P1 差壓式流量計(jì)常用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件是孔板，其次是噴嘴、文丘里管等。 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置取壓方法有角接取壓法和法蘭取壓法兩類。 角接取壓法是在孔板前后端面處環(huán)室取壓或鉆孔取壓；法蘭取壓法是在孔板前后一定距離處取壓。 角接取壓 1—管道法蘭 2—環(huán)室 3—孔板 4—夾緊環(huán) 2.4.3 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到小流量的測(cè)量，因流體的流速低，要求測(cè)量?jī)x表有較高的靈敏度，才能保證一定的精度。 差壓式流量計(jì)對(duì)管徑小于50mm、低雷諾數(shù)的流體的測(cè)量精度是不高的。而轉(zhuǎn)子流量計(jì)則特別適宜于測(cè)量管徑50mm以下管道的流量，測(cè)量的流量可小到每小時(shí)幾升。 工作原理： 轉(zhuǎn)子流量計(jì)與差壓式流量計(jì)一樣都是利用節(jié) 流原理測(cè)流量。當(dāng)流體自下而上流過(guò)錐形管時(shí)，管中的轉(zhuǎn)子受 到向上的推力，使轉(zhuǎn)子浮起。當(dāng)此力正好等于轉(zhuǎn)子重力時(shí)，作 用在轉(zhuǎn)子上的上下兩個(gè)力平衡，轉(zhuǎn)子停浮在一定的高度上。流 量增大時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子上的向上的推力就加大，轉(zhuǎn)子上移。隨 著轉(zhuǎn)子上移，流體的流通面積增大，流過(guò)此環(huán)隙的流體流速變慢， 推力減小。 當(dāng)轉(zhuǎn)子受到的向上的推力再次等于轉(zhuǎn)子在流體中的重力時(shí)，轉(zhuǎn)子又穩(wěn)定在一個(gè)新的高度上。因此，流量越大，轉(zhuǎn)子停浮位置越高。在錐形管的高度坐標(biāo)上標(biāo)度對(duì)應(yīng)的流量值。那么根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低就可以讀出流量的大小。這就是轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量流量的基本原理。 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的輸出 1、錐形管是玻璃的，直接目視轉(zhuǎn)子的位置。 2、在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝磁鐵，錐形管外安裝磁環(huán) 隨轉(zhuǎn)子上下移動(dòng)，接通顯示電路。 3、在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝磁鐵，錐形管外安裝雙霍 爾磁場(chǎng)傳感器，測(cè)出磁場(chǎng)的水平分量和垂直 分量，可確定轉(zhuǎn)子位置。 4、在轉(zhuǎn)子上方安裝一導(dǎo)磁棒，使差動(dòng)變壓 器輸出隨轉(zhuǎn)子位置變化。 2.4.5 橢圓齒輪流量計(jì) 橢圓齒輪流量計(jì)是利用兩個(gè)相互嚙合的橢圓形齒輪在流體的推動(dòng)下，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)測(cè)流量的。 當(dāng)流體要流過(guò)橢圓齒輪時(shí)，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(dòng)。 此圖表示橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)了1/4周的情況，其排出的流體為一個(gè)半月形容積V0。所以，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周所排出的被測(cè)介質(zhì)量為半月形容積的4倍。故通過(guò)橢圓齒輪流量計(jì)的體積流量Q為： Q = 4nV0 n—齒輪轉(zhuǎn)速 如果累計(jì)齒輪轉(zhuǎn)速，則得到體積總量。 2.4.6 渦輪流量計(jì) 在測(cè)量管道內(nèi)，安裝一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪，當(dāng)流體通過(guò)時(shí)，流體的動(dòng)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(cè)出渦輪的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)，就可確定流過(guò)管道的流體流量或總量。日常生活中使用的某些自來(lái)水表、油量計(jì)等，都是利用這種原理制成的，都屬于速度式儀表。 2.4.7 電磁流量計(jì) 在流量測(cè)量中，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)是具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)時(shí)，可以用電磁感應(yīng)的方法來(lái)測(cè)量流量。 工作原理：在管道兩側(cè)安放磁鐵，流動(dòng)的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流體的流速成正比關(guān)系。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變、管道直徑一定時(shí)，流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)E的大小僅與流體的流 v 速有關(guān)。 感應(yīng)電勢(shì)的方向由右手定則判斷，其大小為： E = BDv 當(dāng)BD一定時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)E與流速v成正比。 式中： Ex — 感應(yīng)電勢(shì)；B — 磁感應(yīng)強(qiáng)度； D — 管道直徑； v —流體速度。 體積流量Q與流速 v 的關(guān)系為： Q v D 而,得感應(yīng)電勢(shì)E與Q成正比關(guān)系 式中稱為儀表常數(shù) 上式為滿管式流量測(cè)量。對(duì)于非滿管式流量測(cè)量, 應(yīng)加測(cè)液位, 然后根據(jù)實(shí)際截面積計(jì)算流量。 2.5 物位檢測(cè)及儀表 物位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如蒸汽鍋爐運(yùn)行時(shí)，如果汽包水位過(guò)低或過(guò)高，都會(huì)危及鍋爐安全，造成嚴(yán)重事故。 2.5.1概述 物位的含義包括： 液位：容器中液體的儲(chǔ)存高度 料位：容器中粉料的堆積高度 界位：容器中不同密度液體的分界面高度 物位測(cè)量?jī)x表可分為下列幾種類型: 1） 靜壓式液位測(cè)量 利用液體對(duì)某定點(diǎn)的壓力，隨液位高度而變化的原理進(jìn)行測(cè)量。一般只測(cè)液位。 2） 浮力式液位測(cè)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(cè)量 利用電容、電阻或電感作敏感元件，將物位轉(zhuǎn)換為電量。 4）核輻射式物位測(cè)量 利用核輻射線穿透物料時(shí)，其透射強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理測(cè)量物位。 5）聲學(xué)式物位測(cè)量 根據(jù)超聲波在物質(zhì)中的傳播時(shí)間測(cè)出物位。 6）光學(xué)式物位測(cè)量 利用光波在傳播中遇不同物質(zhì)的界面時(shí)會(huì)發(fā)生遮斷和反射的現(xiàn)象測(cè)量物位。 2.5.2差壓式液位變送器 利用測(cè)量容器底部和頂部的壓差測(cè)液位。 2.5.2.1 測(cè)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(diǎn)壓力為p1 ，則： 式中： H—液位高度； r —介質(zhì)密度； g—重力加速度。 p2 p1 若被測(cè)容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓，則可將差壓變送器的低壓室通大氣、或用壓力變送器、或用壓力表即可測(cè)量。因?yàn)閴毫ψ兯推骱蛪毫Ρ矶际菧y(cè)量與大氣壓之差。 2.5.2.2零點(diǎn)遷移 理想測(cè)量條件下，液位H=0時(shí)，變送器的輸入壓差信號(hào)?P=0，變送器的輸出為零點(diǎn)信號(hào)4mA。即零點(diǎn)對(duì)齊：H＝0時(shí)， Δp = Hrg =0， I0=4mA 應(yīng)用時(shí)，由于差壓變送器安裝的實(shí)際情況限制，測(cè)量零點(diǎn)很難對(duì)齊，需要對(duì)差壓變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移。 1）負(fù)遷移 例如，變送器和容器之間用隔離罐隔離時(shí)： 當(dāng) H =0時(shí)： 此時(shí)，理論上變送器應(yīng)輸出在4mA以下，但不可能實(shí)現(xiàn)。需要將零點(diǎn)負(fù)遷移。 p1 p2 v 零點(diǎn)遷移的方法是，另加＋ ( h2- h1)r2g 信號(hào)，抵消－( h2- h1)r2g的影響。使：H =0 時(shí)， Δp =0 2、正遷移 例如，變送器安裝在容器底部以下時(shí)： ?P = Hρg ＋hρg H=0 時(shí)，?P =＋hρg 此時(shí)需要遷移＋hρg 遷移的目的：使變送器輸出的起點(diǎn)與被測(cè)量起點(diǎn)對(duì)齊。 遷移同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上下限，相當(dāng)于測(cè)量范圍向正方向或負(fù)方向的平移。 例如，某差壓變送器的測(cè)量范圍為0～50MPa，對(duì)應(yīng)輸出從4mA變化到20mA，這是無(wú)遷移的情況，如曲線a所示。若因安裝的原因造成： 無(wú)遷移 負(fù)遷移 H=0時(shí)， ? P=－10 MPa， I0/mA 則需負(fù)遷移。 20 H=0時(shí)，? P=10 MPa， 則需正遷移。 b a 正遷移 c 4 +10 ?P/MPa 0 50 -10 2.5.3電容式物位變送器 利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時(shí)，電容量也相應(yīng)變化的原理測(cè)物位?？蓽y(cè)量液位、料位和兩種不同液體的分界面。 L D d 測(cè)量原理如下： 圓柱形電容器的電容量為 ε為介電系數(shù) H = 0 時(shí)：D ε0—空氣的介電系數(shù)；ε—被測(cè)物料的介電系數(shù) H＞ 0 時(shí)： L D d ε0 ε H 電容的變化量與液位成正比。 D 2.5.3.1液位的檢測(cè) 對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位的測(cè)量，用雙電極式。 對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量，用單電極式，電極用絕緣套絕緣，金屬容器的外壁即是電容的外電極。 2.5.3.2料位的檢測(cè) （ 也用單電極式）。 ε0 ε 2.5.4 超聲波液位計(jì) 利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性、能量損失較少、且遇到分界面時(shí)能反射的特性，用回聲測(cè)距的原理，測(cè)定超聲波發(fā)射后遇液面反射回來(lái)的時(shí)間，以確定液面的高度。 v—超聲波在液體中的傳播速度 若速度v為已知常數(shù)，測(cè)出時(shí)間t，便可算出液面高 度H。 測(cè)料位時(shí)，超聲波物位計(jì)安裝在容器頂部。 2.6 成分檢測(cè)及儀表 所謂成分，是指在多種物質(zhì)的混合物中，某一種物質(zhì) 所占的比例。在生產(chǎn)中經(jīng)常需要在線檢測(cè)物料的成分。例如在鍋爐的燃燒控制中，必須隨時(shí)根據(jù)燃燒煙氣的含氧量變化，調(diào)節(jié)助燃空氣的供給量，以獲得最高的熱效率。 成分檢測(cè)項(xiàng)目繁雜，測(cè)量原理差異很大。此處只介紹幾種在過(guò)程控制中常用的成分檢測(cè)儀表。 2.6.1氧化鋯氧量計(jì) 氧化鋯氧量計(jì)廣泛用于鍋爐和窯爐的煙氣含氧量測(cè)量及內(nèi)燃機(jī)尾氣的含氧量測(cè)量，以控制燃燒效率。 為減少排放污染，我國(guó)從2000年起要求汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制燃油噴射裝置中必須安裝氧傳感器。 2.6.1.1工作原理 氧化鋯（ZrO2）粉末中摻入一定比例的氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）粉末，壓制成一端封閉或兩端都不封閉的管狀體。 CaO ZrO2 “氧濃差電池”的形成過(guò)程： 在固態(tài)電解質(zhì)氧化鋯（ZrO2）中摻入一定 比例的氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）。四價(jià)的 鋯被二價(jià)的鈣或三價(jià)的釔置換時(shí)，形成氧離子空穴。在氧化鋯兩側(cè)各燒結(jié)一層多孔的鉑電極，就構(gòu)成氧濃差電池。 氧化鋯外側(cè)為被測(cè)煙氣，氧含量約為4~6％，其氧分壓為P1，氧濃度為φ1；內(nèi)側(cè)為參比氣體—空氣，氧含量為20.8％，其氧分壓為P2，氧濃度為φ2。 當(dāng)溫度達(dá)600℃以上時(shí)，空穴型氧化鋯就成為良好的氧離子導(dǎo)體。氧氣能夠以離子形式從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散。 氧分子從鉑電極處取得電子，成為氧離子進(jìn)入氧化鋯空穴，高氧側(cè)鉑電極因失去電子而帶正電。 O2+4e→2O2- 還原反應(yīng) 當(dāng)氧離子通過(guò)氧化鋯到達(dá)低氧側(cè)時(shí)，氧離子將電子還給鉑電極變成氧分子進(jìn)入煙氣，低氧側(cè)鉑電極因得到電子而帶負(fù)電。 2O2-→O2+4e 氧化反應(yīng) 根據(jù)Nernst方程，氧濃差電勢(shì)E可以表示為： 式中：R —?dú)怏w常數(shù)；F —法拉弟常數(shù)；n—一個(gè)氧分子攜帶電子數(shù)（n＝4）；T —?dú)怏w絕對(duì)溫度；P1、P2 — 被測(cè)氣體與參比氣體的氧分壓。 由于在混合氣體中，某氣體組的分壓力和總壓力之比與容積成分（即濃度）成正比，有： 代入Nernst方程： 可見(jiàn)，氧濃差電勢(shì)E與煙氣含氧量Φ1 呈非線性關(guān)系。 關(guān)系穩(wěn)定的必要條件是： 1）、溫度T恒定在600℃以上。 如果溫度不夠，可在氧化鋯探頭內(nèi)裝加熱器。 2）、空氣的氧含量恒定。 如果通風(fēng)不好，可在探頭空氣口安裝空氣泵，以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量等于20.8％ 。 3）、參比氣體與被測(cè)氣體壓力相等。 公式中才能用濃度來(lái)代替氧分