第2章3过程控制系统与仪表

过程控制系统与仪表第2章2.3压力检测及仪表压力是工业生产中的重要工艺参数之一。如在化工、炼油等生产工艺中，经常会遇到压力，包括高压、超高压和真空度（负压）的测量。2.3.1压力检测的方法工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为“压力”。即P=F/SSF过程控制系统与仪表第2章压力的单位是“帕斯卡”——1Pa=1N/m21MPa=106Pa1工程大气压=1kg/cm2=9.80665×104Pa≈0.1MPa工程中压力的表示方式有：表压、负压（真空度）、差压、绝对压力。工业中所用仪表的压力指示值，大多数为表压和差压。过程控制系统与仪表第2章p差压=p被测压力1-p被测压力2表压、绝对压力、负压（真空度）、差压之间的关系：p被测压力p被测压力p表亚=p绝对压力-p大气压力p真空镀=p大气压力-p绝对压力压力测量仪表品种很多，按照其转换原理的不同，大致可分为四大类。过程控制系统与仪表第2章1、液柱式压力计利用液体静力学原理测压，如U型管压力计，当被测压力P大于大气压力B时，液柱会产生高度差。在U型管h2处等压面上有：P+ρ1g(H+h1+h2)=B+ρ2gH+ρg(h1+h2)则：p=P-B=(ρ2-ρ1)gH+(ρ–ρ2)g(h1+h2)只要读出(h1+h2)便可知pp0h1h2BHρρ1ρ2过程控制系统与仪表第2章U型管压力计在读（h1＋h2）时，产生两次读数误差。为了减少读数误差，可将其改进为单管压力计和斜管压力计，测量原理相似。目前，液柱式压力计使用较少。2、弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件的变形位移进行测量的。过程控制系统与仪表第2章3．电气式压力计是通过各种敏感元件将被测压力转换成电量（电压、电流、频率等）进行测量的。例如力平衡式压力变送器、电容式压力变送器等。4．活塞式压力计是根据液体传送压力的原理，将被测压力与活塞上所加的砝码质量进行平衡来测量的。它的测量精度很高。过程控制系统与仪表第2章2.3.2弹性式压力计利用弹性元件受压产生变形可以测量压力。由于其产生的位移或力易转化为电量，且构造简单，价格便宜，测压范围宽，被广泛使用。常用的弹性元件有5种：（1）单圈弹簧管将截面为椭圆形的金属空心管弯成270°圆弧形，顶端封口，当通入压力p后，它的自由端就会产生位移。测压范围较宽，可高达1000MPa。过程控制系统与仪表第2章（2）多圈弹簧管为了在测低压时增加位移，可以将弹簧管制成多圈状。（3）膜片用金属或非金属材料做成的具有弹性的圆片（有平膜片和波纹膜片）。在压力作用下，其中心产生变形位移。可测低压。（4）膜盒将两张金属膜片沿周口对焊，内充硅油。使膜片增加强度。过程控制系统与仪表第2章(5)波纹管位移最大，可测微压（＜1MPa)。弹簧管压力表的品种规格繁多。按其用途不同，有普通弹簧管压力表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。但它们的外形与结构基本相同，只是所用的弹簧管材料有所不同。2.3.2.2弹簧管压力表过程控制系统与仪表第2章弹簧管压力表的结构原理1-弹簧管2-拉杆3-扇形齿轮4-中心齿轮5-指针6–面板7–游丝8–调整螺钉9–接头弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管，管子的自由端B封闭，并连接拉杆及扇形齿轮，带动中心齿轮及指针。过程控制系统与仪表第2章在被测压力p的作用下，弹簧管的椭圆形截面趋于圆形，圆弧状的弹簧管随之向外扩张变形。自由端B的位移与输入压力p成正比。通过拉杆、齿轮的传递、放大，带动指针偏转。基本测量原理p过程控制系统与仪表第2章传递及放大过程游丝7用来压紧扇形齿轮和中心齿轮间的接触面。自由端B的位移拉杆2扇形齿轮3中心齿轮4同轴的指针5转动在面板6的刻度标尺上指示出被测压力p的数值调整螺钉8的位置，即改变了机械传动系数，调整了仪表量程。过程控制系统与仪表第2章测压关系：自由端的相对角位移∆γ/γo与被测压力P成正比。∆γ/γo=KPγ0∆γPK—常数生产中，常需要把压力控制在某一范围内。要求当压力超出给定范围时，测量仪表能发出信号，以提醒操作人员，或启动继电器实现压力的自动控制。这就要求压力表带有报警或控制输出。过程控制系统与仪表第2章电接点压力表在普通弹簧管压力表的基础上稍添部件，便可成为电接点信号压力表。增加两个报警针，上面分别装静触点1和4，指示针上装动触点2。分别用软导线引至输出接线柱。使用时可后接两个信号灯或继电器3、5。后部接线柱过程控制系统与仪表第2章报警原理：若压力降到下限值时，动触点2与静触点1接触，接通了信号灯3的电路。当压力超过上限值时，动触点2和静触点4接触，信号灯5的电路被接通。后部接线柱过程控制系统与仪表第2章2.3.3电气式压力计电气式压力计是指将压力转换成电信号进行显示的仪表。电气式压力变送器是指将压力转换成标准电信号输出的仪表。电气式压力计一般由压力传感元件、测量电路和信号处理电路所组成。信号输出电量被测压力传感元件测量线路显示器过程控制系统与仪表第2章2.3.3.1电容式差压（压力）变送器当电容式差压变送器的一个被测压力是大气压时，就成为压力变送器。电容式压力变送器是20世纪70年代初由美国公司研发。结构简单、过载能力强、可靠性好、精度高、体积小。电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。过程控制系统与仪表第2章C1C2d0d0P1=P2时：C1=C2=K2/d0K2=εS/4π差压传感部件P1＞P2时：测量膜片中心位移：Δd=K1ΔPK1—弹力系数P1-P2=ΔP中心膜片变形位移电容量变化当P2是大气压时，为压力传感部件。过程控制系统与仪表第2章ddKC021ddKC022有：K3=K1/d0∆PdKddCCCC30101212∆PKC1C2d0+∆dd0-∆d两个电容的电容量变为：由测量电路将电容变化量转换为电压。过程控制系统与仪表第2章如图是一种测电容充放电电流的原理电路。正弦波电压E加于差动电容C1、C2上，R1～R4的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，则流过C1、C2的半周期电流近似为：02122ICCCI10212111()IICCC1012CICCV1V2V4过程控制系统与仪表第2章取R1=R2=R4，得：因为：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4，则：∆PKVVVCCCC341221124214)(RCCC1R1VV2C2R2V1V1V2V4令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的压降过程控制系统与仪表第2章在实际电路中，当差动电容Cl、C2变化时，用负反馈自动调节供电电压E的幅度，使流过它们的电流之和Io保持恒定。由上式可知，当V4=IoR4不变时，测出V2－V1，则可知∆PV1V2V4∆PKVVVCCCC34122112过程控制系统与仪表第2章如图为电容式压力变送器的原理线路。A1供给振荡器电源通过负反馈保证R4两端的电压恒定A2将Rl，R2两端的电压相减RP1调整电流负反馈，实现量程迁移V2V1V2－V1I过程控制系统与仪表第2章特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精度高，可达0.2级。电容差压变送器法兰式电容差压变送器过程控制系统与仪表第2章2.3.3.2应变式压力传感器应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片两类。如金属丝应变片的结构：纵向R=ρL/S电阻应变原理：当应变片产生纵向拉伸变形时，L变大、S变小，其阻值增加；当应变片产生纵向压缩变形时，S变大、L变小，其阻值减小。过程控制系统与仪表第2章应变筒1的上端与外壳2固定在一起，下端与膜片3紧密接触。应变片r1沿应变筒轴向贴放；r2沿径向贴放。当被测压力p作用于膜片、使应变筒作轴向受压变形时，r1纵向压缩应变、阻值变小；r2纵向拉伸应变、阻值变大。金属应变片的应用金属应变片要紧贴在应变物上使用。如测梁的受力。如果没有应变物，只测气体的压力，则要借助于应变筒。P过程控制系统与仪表第2章应变片电阻的变化可用电桥测出。r1和r2的变化，使桥路失去平衡，有不平衡电压ΔU输出。r1、r2设置在相邻桥臂，既可以提高灵敏度，又有温度补偿作用。温度升高时，r1、r2阻值都升高，各自得到的电源压降不变。＋－应变片r2应变片r1过程控制系统与仪表第2章利用半导体材料的压阻效应将压力转换为电信号。压阻效应——受压时电阻率发生变化。如图是一种半导体测压传感部件。在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的晶轴方向和位置扩散着四个长条形电阻。2.3.3.3压阻式压力传感器过程控制系统与仪表第2章当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值发生变化。半导体扩散电阻在受应力作用时，材料内部晶格之间的距离发生变化，使禁带宽度以及载流子浓度和迁移率改变，导致半导体材料电阻率ρ发生强烈的变化，其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。过程控制系统与仪表第2章实验表明，圆形硅膜片在受压力变形时，其圆心区域和边缘区域受力性质不一样。以半径63.2%为界，圆心区域受拉应力，边缘区域受压应力。受拉时，扩散电阻阻值增大；受压时，扩散电阻阻值减小。四个电阻可以构成全桥电路。过程控制系统与仪表第2章在硅膜片上扩散四个阻值相等的电阻，接成全桥式输出电路，不但可以提高电桥灵敏度，还可以获得温度补偿，抵消半导体电阻随温度变化引起的误差。过程控制系统与仪表第2章扩散硅压力变送器过程控制系统与仪表第2章2.3.3.4压电式压力传感器利用某些材料的压电效应原理制成。具有这种效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。压电效应：压电材料在一定方向受外力作用产生形变时，内部将产生极化现象，在其表面上产生电荷。当去掉外力时，又重新返回不带电的状态。这种机械能转变成电能的现象，称之为压电效应。＋F＋＋＋－－－－过程控制系统与仪表第2章压电材料上电荷量的大小与外力的大小成正比。如图所示，压电陶瓷的极化方向为z轴方向。如果在z轴方向上受外力作用，则垂直于z轴的x、y轴平面上面和下面出现正负电荷。zyxF＋F＋＋＋－－－－过程控制系统与仪表第2章压电材料作为力敏感元件，从其输出特性可以看作是一个电荷源（静电发生器）；从其材料特性可以等效为一个电容。其等效电路为：Ca—等效电容Ra—等效漏电阻后接电压放大器或电荷放大器即可。CaRaUa电压源＋－QCaRaUa电荷源＋－过程控制系统与仪表第2章2.3.4智能式差压变送器智能式差压变送器内部电路装有CPU芯片，有很强的数字处理能力。除检测功能外，还具有静压补偿、计算、显示、报警、控制、诊断等功能。与智能式执行器配合使用，可就地构成控制回路，并随时与上位机通讯。2.3.4.13051CHART变送器3051型差压变送器是美国罗斯蒙特公司的一种智能型两线制变送器，有电容式和压电式两种。图2.44是3051C电容式变送器的原理框图。过程控制系统与仪表第2章传感器部分与模拟仪表一样，测量信号经A／D转换后送微处理器处理。输出符合HART协议的数字信号叠加在由D／A输出的4～20mA信号线上。3051CHART变送器过程控制系统与仪表第2章可同时用于数字控制系统和模拟控制系统。将数据设定器跨接在信号线上，可以读取变送器的输出信号，并对变送器进行组态。3051CHART变送器过程控制系统与仪表第2章过程控制系统与仪表第2章（1）仪表类型的选择1、满足工艺的要求。例如是否需要远传、自动记录或报警；2、被测介质的物理化学性能（诸如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、易燃易爆性能等）是否对测量仪表提出特殊要求；3、现场环境条件（诸如高温、电磁场、振动及现场安装条件等）对仪表类型有否特殊要求等。压力表的选择、安装与校验过程控制系统与仪表第2章根据工艺要求正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的重要前提。例如普通压力计的弹簧管大多采用铜合金，而氨用压力计弹簧管的材料却都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨气对铜的腐蚀极强