檢測(cè)儀表與傳感器1

1、檢測(cè)儀表與傳感器檢測(cè)儀表與傳感器1 周麗華周麗華 2012年年10月月 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 n 工業(yè)儀表的分類工業(yè)儀表的分類 n 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 n 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 n 物位檢測(cè)及儀表物位檢測(cè)及儀表 n 溫度檢測(cè)及儀表溫度檢測(cè)及儀表 1 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 用來(lái)檢測(cè)這些參數(shù)的技術(shù)工具稱為檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表。 用來(lái)將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為一定的便于傳送的信號(hào)的儀表通 常稱為傳感器傳感器。 當(dāng)傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)， 通常稱為變送器變送器。 5 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 n 工業(yè)儀表的分類工業(yè)儀表的分類 19 1. 按儀表使用的能源分類按儀表使用的能源分類

2、氣動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表、液動(dòng)儀表氣動(dòng)儀表、電動(dòng)儀表、液動(dòng)儀表 以電為能源，信號(hào)之間聯(lián)系比較方便，適宜于以電為能源，信號(hào)之間聯(lián)系比較方便，適宜于 遠(yuǎn)距離傳送和集中控制；便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用；現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送和集中控制；便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用；現(xiàn) 在電動(dòng)儀表可以做到防火、防爆，更有利于電動(dòng)在電動(dòng)儀表可以做到防火、防爆，更有利于電動(dòng) 儀表的安全使用。儀表的安全使用。 一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；易受溫度、濕度、電磁場(chǎng)、一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；易受溫度、濕度、電磁場(chǎng)、 放射性等環(huán)境影響。放射性等環(huán)境影響。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 20 2. 按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過(guò)程分類按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過(guò)程分

3、類 檢測(cè)儀表檢測(cè)儀表 作用是獲取信息，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。 顯示儀表顯示儀表 作用是將由檢測(cè)儀表獲得的信息顯示出來(lái)。 集中控制裝置集中控制裝置 包括各種巡回檢測(cè)儀、巡回控制儀等。 控制儀表控制儀表 可以根據(jù)需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算。 執(zhí)行器執(zhí)行器 可以接受控制儀表的輸出信號(hào)或直接來(lái)自操作 員的指令，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行操作或控制。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 圖3-3 各類儀表的作用 21 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 n 一、壓力單位及測(cè)量?jī)x表一、壓力單位及測(cè)量?jī)x表 表示受力面積。表示垂直作用力；表示壓力；式中，SFp S F p 是指均勻垂直地作用在單位面積上的力。 的單位為帕斯卡，簡(jiǎn)

4、稱帕（Pa） 2 11mNPa PaMPa 6 1011 24 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 為了使大家了解國(guó)際單位制中的壓力單位（Pa或 MPa）與過(guò)去的單位之間的關(guān)系，下面給出幾種單位之 間的換算關(guān)系表。 25 26 壓力單 位 兆帕兆帕/ MPa 工程大氣壓工程大氣壓/ (kgf/cm2) 物理大氣壓/ atm 汞柱/ mmHg 水柱水柱/ mH2O （磅/英寸2）/ （1b/in2） 巴巴/bar 兆帕110.1979.8697.501 103 1.0197 102 1.45010210 工程大工程大 氣壓氣壓 9.807 1010-2 -2 10.9678735.610

5、.0014.220.9807 物理大 氣壓 0.101331.0332176010.3314.701.0133 汞柱1.3332 10-4 1.359510- 3 1.315810- 3 10.01361.93410-21.3332 10-3 水柱9.806 10-3 0.10000.0967873.5511.4220.0980 6 （磅/ 英寸2） 6.895 10-3 0.070310.0680551.710.703110.0689 5 巴0.11.01970.9869750.110.19714.50 1 表3-1 各種壓力單位換算表 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 大氣壓力絕

6、對(duì)壓力表壓 ppp 27 p表 P真 P絕 P絕 大氣壓力線大氣壓力線 絕對(duì)壓力的零線絕對(duì)壓力的零線 在壓力測(cè)量中，常有表壓、絕對(duì)壓力、負(fù)壓或真空度之分。在壓力測(cè)量中，常有表壓、絕對(duì)壓力、負(fù)壓或真空度之分。 絕對(duì)壓力大氣壓力真空度 ppp 當(dāng)被測(cè)壓力低于大氣壓力時(shí)，一般用負(fù)壓或真空度來(lái)表示。當(dāng)被測(cè)壓力低于大氣壓力時(shí)，一般用負(fù)壓或真空度來(lái)表示。 圖3-4絕對(duì)壓力、表壓、負(fù) 壓（真空度）的關(guān)系 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 28 測(cè)量壓力或真空度的儀表按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，分為四類。測(cè)量壓力或真空度的儀表按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，分為四類。 它根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度

7、進(jìn)行測(cè)量。 有U形管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)等 這類壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便 其精度受工作液的毛細(xì)管作用、密度及視 差等因素的影響，測(cè)量范圍較窄，一般用來(lái)測(cè) 量較低壓力、真空度或壓力差。 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 它是將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進(jìn)行測(cè)量的。 它是通過(guò)機(jī)械和電氣元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量（如 電壓、電流、頻率等）來(lái)進(jìn)行測(cè)量的儀表。 29 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 它是根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn) 換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。 測(cè)量精度很高，允許誤差可小到0.05%0.02%。 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較貴。 30 第二節(jié)第二

8、節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 n 二、彈性式壓力計(jì)二、彈性式壓力計(jì) 31 是利用各種形式的彈性元件， 在被測(cè)介質(zhì)壓力的作用下，使彈性元件受壓后 產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測(cè)壓儀表。 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢 固可靠、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍寬以及有足夠的 精度等優(yōu)點(diǎn)。 可用來(lái)測(cè)量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓 力。 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 n 三、電氣式壓力計(jì)三、電氣式壓力計(jì) 是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行 傳輸及顯示的儀表。 37 1. 該儀表的，分別可測(cè)710-5Pa至 5102MPa的壓力，允許誤差可至0.2； 2. 由于可以遠(yuǎn)距離傳送信號(hào)，所以在工業(yè)生產(chǎn)過(guò) 程

9、中可以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制和報(bào)警，并可與工業(yè) 控制機(jī)聯(lián)用。 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 圖3-8 電氣式壓力計(jì)組成方框圖 一般由壓力傳感器、測(cè)量電路和信號(hào)處理裝置所組成。常用 的信號(hào)處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機(jī)等。 38 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 3939 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。 采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集 成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散一組等值電阻， 并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。 當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散 在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測(cè)壓力成比

10、例的變化，再由 橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。 43 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 圖3-12 壓阻式壓力傳感器 1基座；2單晶硅片； 3導(dǎo)環(huán)；4螺母；5密 封墊圈；6等效電阻 精度高、工作可靠、頻率 響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、 重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化； 可以測(cè)量壓力，稍加改 變，還可以測(cè)量差壓、高度、 速度、加速度等參數(shù)。 4444 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 是一種開(kāi)環(huán)檢測(cè)儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 過(guò)載能力強(qiáng)、可靠性好、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，其輸出信號(hào)是 標(biāo)準(zhǔn)的420mA（DC）電流信號(hào)。 圖3-14 電容式差壓變送器原理圖 1隔離膜片；2，7固 定電

11、極；3硅油；4測(cè) 量膜片；5玻璃層；6 底座；8引線 49 先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測(cè)量。 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 可以有效地保護(hù)測(cè)可以有效地保護(hù)測(cè) 量膜片，當(dāng)差壓過(guò)大并超過(guò)允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過(guò)大并超過(guò)允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè) 量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易 損壞，過(guò)載后的恢復(fù)特性很好，這樣大大提高了損壞，過(guò)載后的恢復(fù)特性很好，這樣大大提高了 過(guò)載承受能力。與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有過(guò)載承受能力。與力矩平衡式相比，電容式?jīng)]有 杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而尺寸緊湊

12、，密封性與抗振性 好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)好，測(cè)量精度相應(yīng)提高，可達(dá)0.20.2級(jí)。級(jí)。 50 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 n 3、智能型壓力變送器、智能型壓力變送器 是在普通壓力或差壓傳感器 的基礎(chǔ)上增加微處理器電路而形成的智能檢測(cè)儀表。 可進(jìn)行遠(yuǎn)程通信 利用手持通信器，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行各種運(yùn)行參 數(shù)的選擇和標(biāo)定；其精確度高，使用與維護(hù)方便。 51 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 圖3-15 3051C型智能差壓變送器（420mA）方框圖 52 第二節(jié)第二節(jié) 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 圖3-16 手持通信器的連接示意圖 所用的手持通信器帶有鍵盤及 液晶顯示

13、器。可以接在現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)端子上，就地設(shè)定 或檢測(cè)，也可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室中，接在某個(gè)變送器的 信號(hào)線上進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定及檢測(cè)。 實(shí)現(xiàn)的功能實(shí)現(xiàn)的功能 （1）組態(tài) （2）測(cè)量范圍的變更 （3）變送器的校準(zhǔn) （4）自診斷 53 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 n 一、概述一、概述 是控制生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)以 及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算所必需的一個(gè)重要參數(shù)。 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道某一截面的流體 數(shù)量的大小，即瞬時(shí)流量。 在某一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道的流體流量的總 和，即瞬時(shí)流量在某一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)值。 63 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 M QQM或 如以 t 表示時(shí)間，則流量和

14、總量之間的關(guān)系是 tt MdtMQdtQ 00 , 總總 測(cè)量流體流量的儀表。 ：測(cè)量流體總量的儀表。 64 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 以測(cè)量流體在管道內(nèi)的流速作為測(cè)量依據(jù) 來(lái)計(jì)算流量的儀表 以單位時(shí)間內(nèi)所排出的流體的固定容積的 數(shù)目作為測(cè)量依據(jù)來(lái)計(jì)算流量的儀表。 以測(cè)量流體流過(guò)的質(zhì)量M為依據(jù)的流量計(jì)。 質(zhì)量流量計(jì)分直接式和間接式兩種。 65 分 類 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 n 二、差壓式流量計(jì)二、差壓式流量計(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)量的。 通常是由能將被測(cè)流量轉(zhuǎn)換成壓差信號(hào)的節(jié)流裝置 和能將此壓差轉(zhuǎn)換

15、成對(duì)應(yīng)的流量值顯示出來(lái)的差壓計(jì)以 及顯示儀表所組成。 66 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 流體在有節(jié)流裝置的管道中流動(dòng)時(shí)，在節(jié)流裝置前 后的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)節(jié)流現(xiàn) 象象。 67 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 圖3-18 孔板裝置及 壓力、流速分布圖 要準(zhǔn)確測(cè)量出截面、處的 壓力有困難，因?yàn)楫a(chǎn)生最低靜壓 力p2的截面的位置隨著流速 的不同會(huì)改變。因此是在孔板前 后的管壁上選擇兩個(gè)固定的取壓 點(diǎn)，來(lái)測(cè)量流體在節(jié)流裝置前后 的壓力變化。因而所測(cè)得的壓差 與流量之間的關(guān)系，與測(cè)壓點(diǎn)及 測(cè)壓方式的選擇是緊密相關(guān)的。 68 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀

16、表流量檢測(cè)及儀表 流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關(guān)系的基 本流量公式。它是根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利方程和流體連 續(xù)性方程式推導(dǎo)而得的。 pFMpFQ 10 1 0 2 2 要知道流量與壓差的確切關(guān)系，關(guān)鍵在于的取值。 流量與壓力差P的平方根成正比。 69 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 國(guó)內(nèi)外把最常用的節(jié)流裝置、孔板、噴嘴、文丘里 管等標(biāo)準(zhǔn)化，并稱為“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置”。 標(biāo)準(zhǔn)化的具體內(nèi)容包括節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸、加 工要求、取壓方法、使用條件等。 70 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 n 三、轉(zhuǎn)子流量計(jì)三、轉(zhuǎn)子流量計(jì) 84 以壓降不變，利用節(jié)流面積的變化來(lái)測(cè)量流量的

17、大小， 即轉(zhuǎn)子流量計(jì)采用的是恒壓降、變節(jié)流面積的流量測(cè)量方 法。 圖3-27 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的工作原理圖 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 AppgV ft21 A gV ppp ft 21 phM f 2 轉(zhuǎn)子流量計(jì)中轉(zhuǎn)子的平衡條件是 （3-253-25） 由式（3-25）可得 根據(jù)轉(zhuǎn)子浮起的高度就可以判斷被測(cè)介質(zhì)的流量大小 或 phQ f 2 將式（3-26）代入上兩式，得 A gV hM fft 2 或 A gV hQ f ft 2 （3-263-26） 85 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 n 六、電磁流量計(jì)六、電磁流量計(jì) 100 能夠測(cè)量酸、堿、鹽溶液以及含有固體顆

18、粒（例如泥 漿）或纖維液體的流量。 圖3-32 電磁流量 計(jì)原理圖 BDvKEX vDQ 2 4 1 KD D BDK EX 4 感應(yīng)電勢(shì)的方向由右手定則判斷，大小 由下式?jīng)Q定 （3-43） 而（3-44） 將式（4-44）代入式（4-43），得 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 只能用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體的流量，且導(dǎo)電率要求不小于 水的導(dǎo)電率，不能測(cè)量氣體、蒸汽及石油制品等的流量。 要引入高放大倍數(shù)的放大器，會(huì)造成測(cè)量系統(tǒng)很復(fù)雜、成 本高，并且易受外界電磁場(chǎng)的干擾。使用中要注意維護(hù)， 防止電極與管道間絕緣的破壞。安裝時(shí)要遠(yuǎn)離一切磁源。 不能有振動(dòng)。 101 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 n 七、漩渦流量計(jì)七、漩渦流量計(jì) 精度高、測(cè)量范圍寬、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)機(jī)械磨損、維護(hù) 方便、壓力損失小、節(jié)能效果明顯。 圖3-33 卡曼渦街 102 漩渦流量計(jì)是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來(lái)測(cè)量流體漩渦流量計(jì)是利用有規(guī)則的漩渦剝離現(xiàn)象來(lái)測(cè)量流體 流量的儀表。流量的儀表。 第三節(jié)第三節(jié) 流量檢測(cè)及儀表流量檢測(cè)及儀表 熱敏檢測(cè)