第三章过程检测仪表

第三章过程检测仪表 华东理工大学信息学院自动化系

简单控制系统构成回顾： 简单控制系统的方块图

本章主要内容： 3.1 概述 3.2 温度检测 3.3 流量检测 3.4 压力检测 3.5 物位检测 3.8 变送器 3.9 现代传感器技术的发展

3.1 概述 3.1.0 检测变送的重要性 3.1.1 测量误差 3.1.2 仪表性能指标

3.1.0 检测变送的重要性 在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参数）。检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。

由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理，转换成标准统一的电气信号（如4～20mA 或 0～10mA直流电流信号 ,20～100KPa气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表, 或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。

检测——实施正确控制的第一步 变送——将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一(标准)的电气信号。过程控制对检测仪表要求：静态：正确——y(t)正确反映c(t)的值可靠——长期工作动态：迅速——y(t)迅速反映c(t)的变化

3.1.1测量误差 测量误差：检测仪表获得的被测值与实际被测变量真实值之间的差距。 (1) 绝对误差：仪表的指示值与被测量的真值之间的差值。理论上：实际上： (2) 相对误差（仪表引用误差）绝对误差与仪表的量程之比。

(3) 允许误差 (4) 附加误差 ——由于外界环境条件变化以及仪表波动等外界因素引起的误差。

3.1.2仪表性能指标 • 精确度（精度） • ——表示仪表测量结果的可靠程度。 • 仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。 • 精度等级：允许误差去掉“±”号及“%”后，系列化圆整后的数值。

1.0 1.0 目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许误差为1.0%。

[例1] 某台测温仪表的量程是600--1100℃，其最大绝对误差为±4 ℃，试确定该仪表的精度等级。解仪表的允许误差为目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等这台仪表的精度等级应定为1.0级。

[例2] 某台测温仪表的量程是600--1100℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±4 ℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。解根据工艺要求，仪表的最大允许误差为所以只能选择一台允许误差为±0.5%，即精确度等级为0.5级的仪表，才能满足工艺要求。

结论：校表： 选表：仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。仪表量程的上限：Ymax: 4/3~3/2倍（被测变量）波动较大时：3/2~2倍（被测变量）下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的1/3。

(2) 变差 ——在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。 (3) 线性度 ——衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。线性度差就要降低仪表精度。图3.1 线性度

(4) 灵敏度和分辨率 灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值，即灵敏度=△Y/△X 对于模拟式仪表而言，ΔY是仪表指针的角位移或线位移。灵敏度反映了仪表对被测量变化的灵敏程度。

分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式仪表而言，分辨率就是数字显示器最末位数字间隔代表被测量的变化量。

(5) 动态误差 由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。注：在工业生产中被测量变化较快是不能忽略动态误差。

3.2 温度检测 3.2.1 温度检测方法 3.2.2 热电偶 3.2.3 热电阻 3.2.4 热电偶、热电阻的选用

3.2.1 温度检测方法 按测温元件是否与被测对象接触分为：接触式：非接触式：

接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。

非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。

3.2.2 热电偶 (1)测温原理——热电效应将两种不同材料的导体或半导体A和B连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度θ≠θo,则回路内将有电流产生，电流大小正比于接点温度θ和θo的函数之差，而其极性则取决于A和B的材料。（参比端、冷端、固定端）（工作端、热端、自由端）图3.2 热电偶的热电效应

热电偶的“中间导体定律” 根据热电偶的“中间导体定律”可知：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同；同理，如果回路中接入更多种导体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。

常用工业热电偶比较

分度表：当θ0=0℃时，与温度θ对应的数值表。（非线性）分度表：当θ0=0℃时，与温度θ对应的数值表。（非线性）分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。

常用热电偶类型： 普通型热电偶：(热电偶结构类型见P27) 热电极、绝缘管、接线盒等铠装热电偶多点式热点偶防爆型热点偶表面型热点偶

铠装热电偶的特点 ·热响应时间少，减小动态误差； ·可弯曲安装使用； ·测量范围大； ·机械强度高，耐压性能好；

图3.3 扁接插式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防水式铠装热电偶手柄式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶

多点热电偶 适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。图3.4 多点热电偶

防爆型热电偶的原理 防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进行隔爆。特点 ·多种防爆形式，防爆性能好； ·压簧式感温元件，抗振性能好； ·测温范围大； ·机械强度高，耐压性能好；

固定法兰式 无固定装置固定螺纹式图3.5 防爆型热电偶一览图活络管接头式直型管接头式

吹气型热电偶 通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出保护管外，从而提高热电偶寿命。是30万吨合成氨装置中不可缺少的测温装置。另外，压簧固定热电偶、直角弯头热电偶、耐磨阻漏热电偶等等图3.6 吹气型热电偶

(2) 补偿导线 解决参比端温度的恒定问题。补偿导线要求：价格便宜，0~100℃范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样图3.7 补偿导线连接图

(3) 热电偶参比端温度补偿（测量的准确性） 补偿原理：工作端温度θ，参比端θ0，热电势为因此参比端温度补偿方法： ①计算法 ②冰浴法 ③机械调零法（动圈表调零法），等级1.0以上 ④补偿电桥法：利用参比端温度补偿器

计算法举例： 例如：用镍铬-镍硅（K）热电偶测温，热电偶参比端温度θo =20℃，测得的热电势E（θ，θo）=32.479mV。由K分度表中查得E（20，0）=0.798mV, 则 E（θ，0）= E（θ，20）+ E（20，0） =32.479 + 0.798=33.277 mV 再反查K分度表，得实际温度是800℃。

3.2.3 热电阻 ⑴金属热电阻——测温原理是基于导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。常用热电阻：铜电阻和铂电阻热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的-200°C～500°C范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。

图3.8 无固定装置热电阻固定螺纹式热电阻活动法兰式热电阻固定螺纹锥式热电阻固定螺纹管接头式热电阻活络管接头式热电阻

图3.9 装配式热电阻

防喷式铠装热电阻 防水式铠装热电阻扁接插式铠装热电阻图 3.10 补偿导线式铠装热电阻圆接插式铠装热电阻

端面热电阻——适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。端面热电阻——适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。图3.11端面热电阻防腐热电阻——采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46，适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。图3.12 防腐热电阻

特殊热电偶/热电阻 微型热电偶/热电阻 ——适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业不可缺少的温度测量装置。炉壁热电偶/热电阻适合于电厂锅炉炉壁，管壁及其它圆柱体表面测量。微型热电偶/热电阻炉壁热电偶/热电阻图3.13

⑵半导体热敏电阻——测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。⑵半导体热敏电阻——测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。 NTC型：负温度系数热敏电阻，多数是此类 PTC型：正温度系数热敏电阻，用于位式温度检测特点：结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。缺点：非线性严重、互换性差、测温范围窄

3.2.4 热电偶、热电阻的选用 (1)选用原则：较高温度——热电偶中低温区——热电阻一般以500℃为分界，但不绝对原因有两点： (1)在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。 (2)由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质（氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当的保护套管、连接导线等。

(2)安装 图3.14 热电偶安装 (1)选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深度 (2)热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。 (3)检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔，避免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。

(3)使用 热电偶： ——参比端温度补偿 ——补偿导线的极性不能接反 ——分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致 ——在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表（如电子电位差计、温度变送器等）配套测温时，热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。

热电阻： ——分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致 ——采用三线制接法

热电阻温度变送器输入热电阻信号给输入回路。输入回路是一个不平衡电桥，热电阻即为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻，由于连接热电阻的导线存在电阻，且导线电阻值随环境温度的变化而变化，从而造成测量误差，因此实际测量时采用三线制接法。所谓三线制接法，就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线，其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中，另一根与测量桥路电源负极相连。见下图。由于流过两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，不影响测量桥路输出电压的大小。热电阻温度变送器输入热电阻信号给输入回路。输入回路是一个不平衡电桥，热电阻即为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻，由于连接热电阻的导线存在电阻，且导线电阻值随环境温度的变化而变化，从而造成测量误差，因此实际测量时采用三线制接法。所谓三线制接法，就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线，其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中，另一根与测量桥路电源负极相连。见下图。由于流过两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，不影响测量桥路输出电压的大小。图3.15

3.3 流量检测 主要研究内容： 3.3.0 基本概念 3.3.1 流量检测的主要方法 3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器） 3.3.3 容积式流量计 3.3.4 质量流量计 3.3.5 流量仪表的选用

3.3.0 基本概念 流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总合。瞬时流量在某一时段的累积量。

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