第三章过程检测技术

控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值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压力检测3.3流量检测3.4物位检测3.5温度检测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3.1.3过程参数的一般测量原理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。3.1.0检测变送的重要性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。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)的变化过程控制对检测仪表要求：3.1.1检测过程与测量误差检测过程参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。被测变量传感器参数检测的基本过程被测对象变送器显示装置传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如0～10mA、4～20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被测量显示出来。测量误差测量误差——仪表测得的测量值与被测真值之差itxx由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。即：0ixxx0——标准表读数测量误差的几种表示形式：绝对误差0ixx实际相对误差1100%tx标称相对误差20100%x相对百分误差3maxmin100%xx3.1.3检测仪表的主要性能指标仪表的精确度一台测量范围0～1000kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内)，另一台测量范围0～400kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差5kPa，请问哪一台压力检测仪表的精度更高？虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:maxmaxmin100%xx最大绝对误差＝量程仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。3.1.3检测仪表的主要性能指标☆☆仪表的精确度等级☆☆仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。把仪表允许的最大相对百分误差去掉“±”号和“％”号，便可以用来确定仪表的精度等级。目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为±0.5％，以此类推。精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：1.51.0仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。检测仪表的主要性能指标非线性误差在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。通常非线性误差用实际测得的输入－输出特性曲线（也称为校准曲线）与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：被测变量仪表输出理论实际maxmax100f测量范围上限－测量范围下限％检测仪表的主要性能指标变差在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示：被测变量仪表输出下行程上行程maxmax100测量范围上限－测量范围下限变差％检测仪表的主要性能指标灵敏度和分辨力灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输出变化量和输入变化量之比，即灵敏度＝Δy/Δx分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入的最小变化量。检测仪表的主要性能指标动态误差相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。动态误差是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常采用时间常数T和传递滞后时间（纯滞后时间）τ两个参数表示（这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数T和纯滞后时间τ的数学含义是一致的）它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间τ的不利影响会远远超过时间常数T的影响。3.1.3过程参数的一般检测原理参数检测离不开敏感元件（传感器），敏感元件是按照一定的原理把被测变量的信息转换成另一种可进行进一步处理或表示的信息。这个转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应:守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、动量守恒等等。例如：孔板流量计、转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变化(能量守恒)来测量流体的流速。场的定律如静电场、电磁场的感应定律、动力场的运动定律等等。典型例子：电容传感器。dεSCdε——两平行板间物质的介电常数，S——平行板面积，d——两平行板之间的距离。如果把一个极板固定，把另一个极板与可产生位移的敏感元件相连，即可将敏感元件的位移转换成电容量的大小。过程参数的一般检测原理热电效应把两种不同的导体或者半导体连接成闭合的回路，如果将两个接点分别放置于不同的温度，则该回路内部会产生热电势，这种现象称为热电效应，t0tAB利用导体的热电效应，可将两种不同的导体制成热电偶用于温度检测，这也是一种工业上普遍使用的温度检测方法之一。电阻的热效应电阻的热效应是指金属导体的电阻值随温度变化而发生变化的现象。通常，电阻值和温度之间可以建立如下的简化关系式00[1()]ttRRttRt为温度t时的电阻值，Rt0为温度t0时的电阻值，α为温度系数。可见，温度的变化可以导致电阻体的电阻发生变化，因此只要设法测量出电阻值的变化就可以达到测量温度的目的，这也是另一种工业上普遍使用的温度检测方法。过程参数的一般检测原理压电效应当某些材料受压发生机械形变时，在两个相对的面上会产生异号电荷。这种在没有外电场存在，由于形变引起的电现象称为压电效应。可见，利用压电效应可进行力、压力的测量。应变效应和压阻效应利用金属导体和半导体材料制成的电阻体，其阻值R可以表示成lRA当电阻体材料的电阻率、长度或者截面积发生变化，可引起电阻体电阻值发生变化电阻体的电阻值变化归结为两个因素：一是由尺寸变化引起的（如l、A），称为应变效应；二是由电阻率变化引起的，称为压阻效应。对于金属材料，以前者为主；对于半导体材料，以后者为主。利用材料的应变效应和压阻效应制成的敏感元件可用于压力等参数的测量。检测系统的构成被测参数敏感元件信号变换信号传输信号测量显示记录控制+-A/DPLC压力的表示方法检测方法的分类液柱式压力检测弹性式压力检测电气式压力检测智能式压力变送器压力检测仪表的选用和安装3.2压力检测三种压力表示方法绝对压力pa表压力p负压或真空度ph3.2.1压力的表示方法pa绝对压力零线pphpa大气压p01.01325×105Pa绝对压力是指物体所受的实际压力。表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即0appp真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即0happp由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。3.2.2压力检测方法的分类目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：(1)液柱式压力检测一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测量。(2)弹性式压力检测它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。(3)电气式压力检测它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。(4)活塞式压力检测它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.05％～0.02％，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。3.2.3液柱式压力检测液柱式压力检测是以流体静力学原理为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用U型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。p1p2p1p2h(a)(b)21pppgh特点：直观、可靠、准确度较高等，但U形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，U形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。用U形管进行压力检测，其误差来源主要有：①温度误差——由使用环境温度的变化引起的测量误差。它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求U形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从10℃变到20℃时，其密度从999.8kg/m3减小到998.3kg/m3，相对变化量为0.15％。②安装误差——当U形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如若倾斜5°，读数误差约0.38％。液柱式压力计测量原理：P=h所以h=P/单管压力计U型管压力计斜管压力计•测量原理：P=G/S所以G=P•S•精确度高•常用作标准仪表，检验其它压力计3.2.4活塞式压力计3.2.5弹性式压力检测弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。xpxpxpxpxpxxxxx平薄膜波纹膜波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0～106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测