1、第三章檢測儀表及傳感器 測量過程和儀表 測量過程與與誤差 儀表的性能指標及分類 壓力檢測及儀表 彈性式壓力計 電氣式壓力計智能壓力變送器 壓力計選用安裝 流量檢測及儀表 差壓式流量計 轉子流量計 橢圓齒輪流量計 質量流量計 1第三章檢測儀表及傳感器 物位檢測及儀表 差壓液位變送器 電容物位變送器 核輻射物位計 稱重式液罐計量儀 溫度檢測及儀表 溫度檢測方法 熱電偶溫度計 熱電阻溫度計 溫度變送器 現在檢測技術與傳感器的發展* 顯示儀表2第一節 測量過程和儀表檢測儀表：檢測生產參數的技術工具。檢測環節：是檢出元件或傳感器，直接感受被測變量，并將它變換成適于測量的信號形式。轉換放大環節：對信號進行

2、轉換、放大等處理，并傳送給顯示部分進行 指示或記錄。顯示部分：就地指示型儀表、單元組合型儀表、數字式顯示儀表 。傳感器：轉換成易傳送的信號。變送器：轉換成標準信號。3一、測量過程和測量誤差測量過程：用實驗的方法,求出某個量的大小。測量實質：是將被測參數與其相應的測量單位進行比較的過程。測量儀表是比較的工具。測量工具的不準確導致出現誤差。舉例測一段導線的長度4一、測量過程和測量誤差絕對誤差：絕對誤差指儀表指示值與被測參數真值之間的差值。問題：真值不能得到，用標準儀表讀數。x：被校表的讀數值，x0 ：標準表的讀數值 相對誤差：引用誤差：儀表引用誤差的大小反應其性能。51.準確度（精度）反應檢測儀表

3、的測量值接近真實值的程度。儀表的允越大，表示它的精確度越低。允掉“”號及“”號定義為精度。目前常用級有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。工業測量儀表，其準確度大多在0.5級以下。二、儀表的性能1.51.06二、儀表的性能例如：某臺測溫儀表的測溫范圍為200700，校驗該表得到的最大絕對誤差為4，試確定該儀表的相對百分誤差與準確度等級。解：該儀表的相對百分誤差為儀表的誤差超過了0.5級儀表所允許的最大誤差，所以，這臺測溫儀表的精度等級為1.0級。 7二、儀表的性能2.變差(恒定度)被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的差值。3

4、.線性度線性刻度儀表的讀數與理論直線的吻合程度。8二、儀表的性能4.靈敏度與靈敏限儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起這個位移的被測參數變化量的比值。 為指針的線位移或角位移 x為引起所需的被測參數變化量儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發生動作的被測參數的最小變化量。5.分辨率(分辨力)數字儀表最末位數字間隔代表參數變化量。9二、儀表的性能6.反應時間反應時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數變化的品質指標。儀表反應時間的長短，實際上反映了儀表動態特性的好壞。儀表的反應時間有不同的表示方法 當輸入信號突然變化一個數值后，輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩態值。 儀表的輸出信號由開始

5、變化到新穩態值的63.2（95）所用的時間，可用來表示反應時間。10三、儀表的分類1.按照能源形式氣動、電動、液動儀表2.按信息獲得、傳遞、反映和處理過程 檢測儀表、顯示儀表、集中控制儀表(計算機)、控制儀表(PID)、執行器3.按儀表的組合形式基地式儀表(集中)、單元組合儀表(單元模塊)4.按精度等級和適用場合實用儀表(工業)、范型儀表(實驗室)、標準儀表11四、測量方法1.直接測量：利用經過標定的儀表對被測參數進行測量，直接從顯示結果獲得被測參數的具體數值的測量方法。偏差法：儀表的讀數為偏離零點的具體數值。平衡法：和標準值進行比較而得到。微差法：平衡法和偏差法結合使用。2.間接測量：不宜直

6、接測量時, 與被測量有關的幾個相關量后, 經過計算確定。12第二節壓力檢測及儀表液柱式壓力計：轉換成液柱高度。結構簡單、使用方便。誤差大，測量范圍小。彈性式壓力計：轉換成彈性元件形變量。如：彈簧管、波紋管、膜式壓力計電氣式壓力計：轉化成電量(電壓、電流)如：應變片、壓阻、電容式壓力計活塞式壓力計：轉換活塞砝碼質量。測量精度高。可作為標準儀表。13一、彈性式壓力計 彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質壓力的作用下，使彈性元件受壓后產生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。 可以實現記錄、遠傳、報警、自動控制等，可測量幾百帕到數千兆帕范圍內的壓力。P14一、彈性式壓力計1.彈性元件 彈簧管式

7、彈性元件 (a) (b)可測高壓1000Mpa。有單圈和多圈兩種。薄膜式彈性元件 (c) (d)測壓比彈簧管式低，用膜室，內充滿液體。波紋管式彈性元件 (e)測壓低于1Mpa。 15一、彈性式壓力計 2.彈簧管壓力表 彈簧管拉桿指針中心齒輪扇形齒輪接頭游絲刻度盤調整螺釘16一、彈性式壓力計拉桿：放大彈簧管的形變量。游絲：克服扇形齒輪和中心齒輪間的傳動間隙減小的變差。調節螺釘：改變壓力表的量程。靜、動觸點：電節點式壓力計，發出報警信號。 1,4-靜觸點；2 -動觸點；3-綠燈；5-紅燈17二、電氣式壓力計電氣式壓力計是一種能將壓力轉換成電信號(電壓、電流、頻率等)，并進行傳輸及顯示的儀表。如電阻

8、式、電感式、電容式、霍爾片式、應變式、振弦式等。儀表的測量范圍較廣；可以遠距離傳送信號。 18二、電氣式壓力計1.應變片壓力傳感器利用電阻應變原理構成；應變片產生壓縮r1阻值減小;r2增大；通過橋式電路獲得相應的毫伏級電勢輸出；能轉換成易傳送信號的儀表為傳感器。19二、電氣式壓力計2.壓阻式壓力傳感器單晶硅的壓阻效應。當收到壓力作用時，電阻發生變化。利用電橋測出電阻的變化而得到壓力大小。可測量差壓、高度、速度、加速度等。1基座；2單晶硅片；3導環；4螺母；5密封墊圈；6等效電阻20二、電氣式壓力計3.電容式壓力變送器將壓力的變化轉換為電容量的變化，然后進行測量。 I0填充液(硅油)固定電極可動

9、電極P1轉換放大單元 P2隔離膜片電容式壓力變送器，目前在工業生產中應用非常廣泛，其輸出信號是標準4 20mA電流信號。21三、智能式變送器普通壓力或差壓傳感器的基礎上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表。結構原理整體上來看,由硬件和軟件兩大部分組成。電路結構上來看,包括傳感器部件和電子部件兩部分。性能好、精度高；量程達到100:1。溫度、靜壓補償；時間常數短。模擬、數字輸出，用于計算機控制；能遠程通訊，有自修正、診斷等。22三、智能式變送器3051C型智能差壓變送器（420mA）方框圖23三、智能式變送器(1)組態:兩種設變送器工作參數輸入變送器信息(2)測量范圍的變更(3)變送器的校準(4

10、)自診斷275型手持通信器帶有鍵盤及液晶顯示器。可以接在現場變送器的信號端子上，就地設定或檢測，也可以在遠離現場的控制室中，接在某個變送器的信號線上進行遠程設定及檢測。 24四、壓力表的選用和安裝1.壓力表選用儀表類型：根據要求和現場環境測量范圍的確定：參數大小儀表精度的選取：工藝允許誤差2.壓力計的安裝測點：反應真實大小導管：通暢、方便檢修更換安裝：環境合適25第三節流量檢測及儀表流量：單位時間內流過管道某一截面的流體數量的大小，即瞬時流量。總量：在某一段時間內流過管道的流體流量的總和，即瞬時流量在某一段時間內的累計值。流量計：測量流體流量的儀表。計量表：測量流體總量的儀表。26第三節流量檢

11、測及儀表1.速度式流量計：測管道流體流速。差壓式流量計、轉子流量計、電磁流量計、渦輪流量計2.容積式流量計：測單位時間流過的固定容積數目。橢圓齒輪流量計、活塞式流量計3.質量式流量計：測流體流過的質量。慣性力流量計、補償質量流量計27一、壓差式流量計1.節流原理差壓式（也稱節流式）流量計：是基于流體流動的節流原理，利用流體流經節流裝置時產生的壓力差而實現流量測量的。節流裝置：管道局部收縮元件。如：孔板、噴嘴、文丘里管。節流原理：流體經過節流裝置前后產生靜壓差的現象。原因：節流裝置的局部阻力損失。28一、壓差式流量計理論基礎流體連續性方程(質量守恒定律)、伯努利方程(能量守恒定律)。壓差影響因素

12、流量、節流裝置形式、管道內流體的物理性質(密度、粘度)29一、壓差式流量計2.流量方程 流量系數; 流束膨脹系數; A0節流裝置的開孔截面積; 流體密度;節流裝置前后實際測得的壓力差。30一、壓差式流量計3.變送器組成4.節流裝置(高壓+，低壓-)(a)孔板 (b)噴嘴 (c)文丘里管31一、壓差式流量計5.測量誤差被測流體工作狀態變動節流裝置安裝不正確孔板入口邊緣磨損導壓管安裝不正確，或有堵塞、滲漏差壓計安裝或使用不正確6.導壓管和流量計安裝自學32一、壓差式流量計例如：某差壓式流量計的流量刻度上限為320m3/h ,差壓上限2500Pa。當儀表指針指在160m3/h時,求相應的差壓是多少

13、(不帶開方器)? 解：由流量基本方程式可知 由此得 差壓式流量計的標尺如以差壓刻度,則是均勻的,但以流量刻度時, 是不均勻的。當流量值是滿刻度的1/2時,指針卻指在標尺滿刻度的1/4處。 33二、轉子流量計1.結構孔板流量計：節流面積不變流量變化壓差發生變化轉子流量計：壓差不變流量變化節流面積發生變化轉子流量計主要由兩個部分組成：一是由下往上逐漸擴大的錐形管。二是放在錐形管內可自由運動的轉子。34二、轉子流量計2.工作原理轉子流量計中轉子的平衡條件是：而或35二、轉子流量計3.電遠傳式轉子流量計流量變送部分 差動變壓器結構轉子與差動變壓器的鐵芯連接。轉子隨流量變化的運動帶動鐵芯一起運動。就可以

14、將流量的大小轉換成輸出感應電勢的大小。36二、轉子流量計3.電遠傳式轉子流量計LTD系列電遠傳轉子流量計電動顯示部分 流量增加時，T1上移，次級線圈產生電勢差。電勢差放大后帶動可逆電機驅動指針。凸輪帶動T2上移，產生電勢差和T1相反。當兩者相抵消時，指示值為流量大小37二、轉子流量計例如：通常認為差壓式流量計是屬于定節流面積變壓降式流量計,而轉子流量計是屬于變節流面積定壓降式流量計,為什么? 解：這可以從它們的工作原理上來分析。 差壓式流量計在工作過程中,只要節流元件結構已定,則其尺寸是不變的,因此它是屬于定節流面積的。當流量變化時,在節流元件兩側的壓降也隨之而改變,差壓式流量計就是根據這個壓

15、降的變化來測量流量的,因此是屬于變壓降式的。轉子流量計的轉子壓差不變，位置 38三、橢圓(腰輪)齒輪流量計1.測量原理39三、橢圓(腰輪)齒輪流量計3.特點 就地顯示累積流量，可進行遠程測量，顯示和控制。精度高，重復性好，范圍度大。適用較高粘度、無腐蝕性流體。如石油制品計量室體積腰輪轉速體積流量2.計算公式40四、質量流量計1.直接質量流量計雙孔板差壓式質量流量計41四、質量流量計2.補償式質量流量計流速-密度補償法壓差-密度法42四、質量流量計壓差-流速補償法另外還可以43第四節 物位測量及儀表液位：容器中液體介質的高度。液位計：測量液位的儀表。界面計：測量兩種密度不同且不混溶分界面的儀表。

16、料位：容器中固體或顆粒物質堆積高度。料位計：測量料位的儀表。測量物位的目的絕對值準確，容器中物質的數量(體積或質量)相對值準確，容器中兩種液體相對變化量44第四節 物位測量及儀表-分類直讀式：連通器原理。如玻璃管液位計差壓式：流體靜力學。如壓差式浮力式：浮子或沉桶高度。如浮球電磁式：物位轉化成電信號。如電阻式核輻射式：射線衰減。如礦倉儲礦量聲波式：聲波反射。如超聲波測厚儀光學式：物位對光波的遮斷和反射。45一、差壓式液位變送器容器是敞口, 負壓室通大氣。容器受壓, 負壓室與容器的氣相連接。1.工作原理將差壓變送器的一端接液相，另一端接氣相。46一、差壓式液位變送器2.零點遷移正壓室負壓室原因：

17、遷移是由于隔離液高度不同造成的 。遷移使測量范圍的平移，不改變量程的大小。解決方法：增加遷移彈簧可以消除遷移。47一、差壓式液位變送器例題：如圖所示。已知被測液位的變化范圍為0-3m,被測介質密度=900kg/m3 ,毛細管內工作介質密度0=950kg/m3。變送器的安裝尺寸為 h1=1m, h2=4m。求變送器的測量范圍,并判斷零點遷移方向,計算遷移量當法蘭式差壓變送器的安裝位置升高或降低時,問對測量有何影響? 48一、差壓式液位變送器變送器的范圍可以選擇050kPa。變送器安裝的高度改變時,只要兩個取壓法蘭間的尺寸h2不變,其遷移量是不變的。正壓室所受的壓力p1為 負壓室所受的壓力p2為差

18、壓變送器所受的壓差為該差壓變送器應進行負遷移,其遷移量為 h20g。測量范圍 49一、差壓式液位變送器3.法蘭式差壓變送器 解決了腐蝕性或含顆粒以及黏度大、易凝固等、導壓管被腐蝕、被堵塞的問題。1法蘭式測量頭；2毛細管；3變送器變送器按其結構形式單法蘭式雙法蘭式 50二、電容物位變送器1.工作原理通過測量電容量的變化可以用來檢測液位、料位和兩種不同液體的分界面。 1內電極2外電極當 D 和 d 一定時，電容量 C 的大小與極板的長度 L 和介質的介電常數的乘積成比例。 51二、電容物位變送器當液位為零時，電容為 當液位上升為H時，電容為電容量的變化為1-內電極；2-外電極；3絕緣套；4-流通小

19、孔2.液位檢測52二、電容物位變送器3.3料位檢測電極棒及容器壁組成電容器的兩極來測量非導電固體料位。電容變化量與料位H成正比。(-0)值越大，儀表越靈敏。兩極間距離越小，儀表越靈敏。 1金屬電極棒2容器壁53三、核輻射式物位計1.工作原理射線的透射強度隨著通過介質層厚度的增加而減弱。1輻射源2接受器2.特點可在高溫、煙霧等環境下工作。但由于放射線對人體有害，使用范圍受到一些限制。54四、稱重式液罐計量儀1-下波紋管；2-上波紋管；3-液相引壓管；4-氣相引壓管；5砝碼；6絲杠；7-逆電機；8-編碼盤；9-發訊器杠桿平衡靜力學方程液體質量則55第五節 溫度檢測及儀表溫度是表征物體冷熱程度的物理

20、量。與自然界中的各種物理和化學過程相聯系。溫度測量以熱平衡為基礎。測量過程借助于冷熱不同物體之間的熱交換；物體的某些物理性質隨冷熱程度不同而變化。測量方法：接觸、非接觸兩種56第五節 溫度檢測及儀表接觸式測溫溫度敏感元件與被測對象接觸，經過換熱后兩者溫度相等。如(1) 膨脹式溫度計、 (2) 熱電阻溫度計、 (3)熱電偶溫度計特點：直觀、可靠，測量儀表也比較簡單。非接觸式測溫輻射能的大小來推算被測物體的溫度。如： (1) 輻射式溫度計 、 (2) 光纖式溫度計特點：不破壞原有的溫度場。精度一般不高。57一、測溫儀表的分類1.膨脹式溫度計 利用液體或固體受熱時產生熱膨脹的原理,可以制成膨脹式溫度

21、計。 如：雙金屬片溫度計1雙金屬片；2調節螺釘；3絕緣子；4信號燈58一、測溫儀表的分類2.壓力式溫度計壓力隨溫度變化測溫的儀表。3.輻射式高溫計物體的輻射能隨溫度變化。4.熱電偶溫度計熱電效應原理。5.熱電阻溫度計導體、半導體的電阻隨溫度變化。59二、熱電偶溫度計1.熱電偶以熱電效應為基礎的測溫儀表。三部分組成：熱電偶；測量儀表；連接熱電偶和測量儀表的導線。1熱電偶；2導線；3測量儀表60二、熱電偶溫度計2.熱電現象兩種不同的金屬A和B構成閉合回路。兩種材料的電子云密度不同，產生EAB。兩個接觸端 T T0時，回路中會產生熱電勢。熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定61二、熱電

22、偶溫度計3.閉合回路總電勢AB 62二、熱電偶溫度計3.第三導體問題提出：熱電偶熱電極不能太長。問題解決：利用第三導體。結論：第三導體對回路電勢沒有影響。 63二、熱電偶溫度計4.分度表如果能使冷端溫度t0 固定，則總電勢就只與溫度t成單值函數關系。 分度表-熱電勢與熱端溫度之間 關系列成表格。注：熱電勢與熱端溫度之間 關系是非線性。 t0=0oC。64二、熱電偶溫度計5.補償導線補償導線將熱電偶的冷端延伸出來。熱電偶的分度表所表征的是冷端溫度為0時的熱電勢-溫度關系。6.冷端補償0恒溫法冷端溫度修正法儀表機械零點調整法補償電橋法補償熱電偶法65二、熱電偶溫度計(1) 0恒溫法66二、熱電偶溫

23、度計(2)冷端溫度修正法修正公式冷端溫度恒為t0（t00）被測溫度為 t 冷端 t0的熱電勢測量得出的熱電勢 被測溫度 t 的熱電勢將顯示儀表的機械零點調至t0處，相當于給顯示儀表輸入了電勢E(t0, 0) (3)儀表機械零點調整法67二、熱電偶溫度計(4)補償電橋法利用不平衡電橋產生的電勢，來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。(5)補償熱電偶法多支熱電偶配用一臺測溫儀表，開關切換。補償導線注意問題不同型號的熱電偶所配用的補償導線不同。連接補償導線時要注意區分正負極。補償導線連接端的工作溫度不能超出10068二、熱電偶溫度計解：由p107附表四可以查得 E(800,0)=33277

24、( V) E(30,0)=1203( V) E(800,30)=E(800,0) -E(30,0)=32074 ( V)今用一只鎳鉻-鎳硅熱電偶,測量小氮肥廠中轉化爐的溫度,已知熱電偶工作端溫度為800,自由端(冷端)溫度為30,求熱電偶產生的熱電勢 E(800,30)。69二、熱電偶溫度計解：由分度號為S (p104附錄二)查出955時的熱電勢值為9069 V。也就是E(t,t0)=9069 V,又從分度表中查得 E(t0 ,0) = E(30 ,0) = 173 V。 E(t,0)=9069 V+173 V=9242 V查分度表可知,對應于9242V的溫度t=970。 用鉑銠10-鉑熱電偶

25、進行溫度檢測,熱電偶的冷端溫度t0=30，顯示儀表的溫度讀數 (假定此儀表是不帶冷端溫度自動補償且是以溫度刻度的)為955，試求被測溫度的實際值。70三、熱電阻溫度計1.熱電阻特點及組成在中、低溫區，一般是使用熱電阻溫度計來進行溫度的測量較為適宜。-200500。 熱電阻溫度計是由熱電阻，顯示儀表以及連接導線所組成。2.測溫原理利用熱電阻的電阻值隨溫度變化而變化的特性來進行溫度測量的。71三、熱電阻溫度計3.常用熱電阻電阻溫度系數、電阻率要大；熱容量要小；在整個測溫范圍內，應具有穩定的物理、化學性質和良好的復制性;電阻值隨溫度的變化關系，最好呈線性；價格便宜。 鉑電阻分度號為 Pt100； R0 = 100 銅電阻Cu50 ，Cu100線性熱電阻72四、溫度變送器1.電動溫度變送器它與熱電偶、熱電阻配合使用,將某點的溫度或某兩點的溫差轉換成相應的420mA和15V的統一標準信號。與毫伏級輸出變送器配合，轉換為標準信號。顯示單元、控制單元配合實現溫度、溫差及其他各種參數進行顯示、控制。DBW型溫度（溫差）變送器是DDZ系列單元組合儀表的主要單元。73四、溫度變送器溫度檢測元件輸入電路放大電路反饋電路被測溫度輸出電流I0 DDZ-型熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器的結構大體上可以分為溫度檢測