第三讲：测量与变送Process Control System8/18/20241重点内容n测量基本概念n参数测量（T、P、Q、H、比例、成分等）n信号变送8/18/20242一、测量概述n1、测量：用一个已知的量与被测同类量的比较过程n一次测量：测量体与被测介质接触，测量体将被测量的参数成比例转换为另一个物理量的过程称为一次测量。所用仪表为一次仪表。n二次测量：将一次测量的数值转换成标准电信号的过程称为二次测量，所用仪表为二次仪表。n测量仪器：DDZ-II、DDZ-III型仪表 。n标准信号：n气动信号：020MPAn电动信号：05V；420MAn2、测量误差：被测真值与测量结果之间存在的误差。n误差属性n绝对误差：被测真值与测量结果之间存在的误差。n相对误差：绝对误差与被测真值或测量结果之百分比。n实际相对误差：绝对误差/真值n标称相对误差：绝对误差/仪表示值n引用相对误差：绝对误差/仪表量程n产生误差n系统误差：本身固有、有规律的误差。n随机误差：无规律的误差。n疏忽误差：误读引起误差。n使用误差n基本误差：正常误差。n附加误差：超出规定条件的误差。n允许误差：仪表所允许误差。8/18/20243一、测量概述n3、性能指标：n仪表精度（引用相对误差）可靠程度。n仪表精度=绝对误差/仪表量程n精度等级：0.005、0.02、0.1、0.35（实验）n 0.5、1.0、1.5、2.5（工业）n注意：n记录在仪表盘面板n高级别校低级别n实际选用根据需要确定 n变差：条件不变，测量同一变量，进行正、反行程测量，所得仪表显示数值之差。n变差=（正值-负值）/仪表量程*100%n产生原因：机构间隙、摩擦、弹性滞后。n目标：变差=50mm。节流件前后必须有足够长度的直线管道L1和L2，通常L110D，L25D；n节流装置安装时要注意节流件开孔必须与管道同轴，节流件方向不能装反；n取压导管内径不得小于6mm，长度在16m以内；n取压导道与差压变送器的连接应安装截止阀和平衡阀。 n由于差压式流量变送器的输出信号与被测流量是非线性，须利用开方器进行线性化处理。n当利用节流式流量计测量可压缩流体时，若使用的工作压力和绝对温度与设计时的标准压力和绝对温度不符时，会引起较大误差，须进行修正: 8/18/202429三、流量测量与变送n4、节流装置：n选择：n差压变送器与节流装置匹配n压力损失：孔板喷嘴文丘里管n腐蚀、磨损：孔板喷嘴文丘里管n加工制造、装配：孔板喷嘴喷嘴文丘里管8/18/202430三、流量测量与变送n5、转子流量计：n结构：锥形管、转子n特点：测量低流速、高精度、压力损失小、垂直安装n原理：n流体由锥管的下端进入，经过浮子与锥管间的环形流通面积从上端流出。当流体通过环形流通面积时，由于节流作用在浮子上下端面形成差压P ，作用于浮子而形成浮子的上上升力。当此上升力与浮子在流体中的重量相等时，浮子就稳定在一个平衡位置上，平衡位置的高度与所通过的流量有对应关系，因此，可以浮子的平衡高度代表流量值。8/18/202431三、流量测量与变送n5、转子流量计：n计算：浮子在锥形管中的受力平衡条件 n和为浮子的截面积和体积；f为浮子密度； 为被测流体的密度；g为重力加速度。nP为一个常数n根据流体力学定律流量为:na为流量系数；Ao为浮子高度为时的环形流通面积n浮子流量计具有线性的流量特性 8/18/202432三、流量测量与变送n5、转子流量计：n使用：n刻度换算n非标准性仪表，出厂时标定。用常温的水来标定，测量其它介质流量的用标准状态下（20，.8Pa）的净化空气标度。n实际测量时，若被测介质不是水或空气，须进行刻度换算。 n设：当被测介质的密度 与标定介质密度o不一致时，必须进行校正 8/18/202433三、流量测量与变送n5、转子流量计：n使用：n改量程n量程的改变可以采用不同材料的同形浮子。增加浮子的密度，可以扩大量程，相反，减小浮子的密度可以缩小 量程。 n实际测量时，若被测介质不是水或空气，须进行刻度换算。 n设：和f为改量程后的流量和浮子密度；o和f为改量程前的流量和浮子密度； 为被测介质密度。8/18/202434三、流量测量与变送n5、转子流量计：n使用：n温度和压力修正 n由于液体介质是不可压缩流体，温度和压力的变化，对液体的粘度变化极小，故不用修正。但是，由于气体是可压缩流体。温度和压力变化引起较大误差，必须修正，。n温度和压力修正 n浮子流量计必须垂直安装在管道上，流体必须自下而上流过浮子流量计，不应该有明显的倾斜。配管直径一般小于50mm。测量时，流体的雷诺数应大于界限雷诺数。流量计的最佳测量范围应为量程上限(1/32/3)的刻度。8/18/202435三、流量测量与变送n5、电磁流量计：n结构：不导电管、磁极n特点：导电流体、高精度n原理：n电磁感应定律n当充满管道连续流动的导电液体在磁 ，场中垂直于磁力线方向流过时，由于导电液体切割磁力线，则在管道两侧的电极上将产生感应电动势，与液体流动速度有关。8/18/202436三、流量测量与变送n5、电磁流量计：n使用：n电磁流量变送器的测量管道中无阻力元件，其压力损失小，流速范围大，可达0.510m/s；量程比达10:1；其精度可优于0.5级。n电磁流量变送器对被测液体的导电率有一定的要求，一般要求电导率（西门子）。n流量计前后要有一定的直管道长度，通常大于5D10D，其中D为管道直径。n电磁流量变送器一般为水平安装，液体应充满管道连续流动，也可以垂直安装，要求液体自下而上流过变送器。8/18/202437三、流量测量与变送n、容积流量计：n结构：测量室、运动部件、传动和显示部件组成。n分类：往复运动式有家用煤气表，活塞式油量表等。旋转运动式有旋转活塞式流量计，椭圆齿轮流量计，腰轮流量计等。 n椭圆齿轮流量计原理：n、椭圆齿轮在进出口流体差压作用下，交替地相互驱动。 8/18/202438三、流量测量与变送n、容积流量计：n原理：n特点：椭圆齿轮流量计结构简单，可测高粘度液体的流量。精度可达.2%0.5%，量程比可达10:1，压力损失小。 8/18/202439三、流量测量与变送n、质量流量计：n原理：n质量流量体积流量流体密度n注意：密度受温度影响需要修正。 8/18/202440四、液位测量与变送n1、浮力式液位变送器：分恒浮力式和变浮力式两种 。n恒浮力式：n测量方法：浮球测量，浮球随液位而改变n应用场合：密闭的容器、压力不大、黏度较大n变浮力式：n测量方法：沉筒测量，液位改变引起作用在沉筒的压力变化n应用场合：开口容器、黏度较大的液体n静压力式：差压式和吹气式n测量方法：液位改变引起作用压差的变化n应用场合：开口容器8/18/202441四、液位测量与变送n、电容式液位变送器：n原理：n以被测量的液体作为电容器两极的介质，取随液位变化的电容量作为测量的信息n应用场合：高压容器n、超声波式液位变送器：n原理：n以声波的传播时间测量距离n应用场合：声波衰减少、毒性强、腐蚀、易挥发的液体8/18/202442四、液位测量与变送n、液位检测元件的选用：n检测精度：计量和经济核算，选用精度高n工作条件：高温、高压、低温、高黏度、腐蚀等介质n测量范围：范围大应用电容式n刻度选择：n点（上限报警点）：n正常点：n点（下限报警点）：n其它：n容器条件、安装条件、介质条件、信号传输8/18/202443五、成分测量与变送n、分类：按照原理划分8/18/202444五、成分测量与变送n、红外气体分析仪n原理：红外气体分析仪是利用不同的气体对不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特性来进行气体浓度分析的。n特点：具有量程范围宽、灵敏度高、反应迅速、选择性强。n特性：n除对称结构、无极性双原子气体和单原子分子气体外，几乎所有气体以及水蒸气等对红外线都具有强烈的选择性吸收特性。 8/18/202445五、成分测量与变送n、红外气体分析仪n特性：n遵循贝尔（Bell）定律： n式中，为透射光强度；o为入射光强度；K为吸收系数，C为气体浓度；L为气体吸收层厚度。 n若很稀、很小，1,k0,该气体称为顺磁性气体n1,kki & ki比较接近 K=ko2*Co2 + (1-Co2)*k28/18/202448五、成分测量与变送n3、热磁式氧分析仪n顺磁气体受温度影响：顺磁性气体的体积磁化率与绝对温度以及气体密度之间的关系遵循居里定律，即:C为居里系数；为气体密度.根据气体状态方程，PVNM=nMRT，由此可求得气体密度为： = nM/V=NMP/RT式中，R为气体常数；V为气体的体积；P为气体压力；n为气体的克分子数；M为气体的克分子量。 k = K*P/(T*T)顺磁性气体的体积磁化率与压力成正比，而与绝对温度成反比8/18/202449五、成分测量与变送n3、热磁式氧分析仪n热磁式氧分析仪工作原理：结构如图所示:设：利用恒压源或恒流源向R1和R2通以恒定的电流使其发热至某一恒定温度（通常为100250间的某一值）。R1=R2 U=08/18/202450五、成分测量与变送n3、热磁式氧分析仪n热磁式氧分析仪工作原理：n当样气中不含待测氧气时，样气进入环室后，由于水平通道两侧的压力相等，故水平通道无气流。n当样气含有待测氧气时，由于氧气是磁化率高的顺磁性气体，能被永久磁场吸引而由水平通道左侧进入，再由右侧流出。于是氧气在水平通道被加热，其导磁率迅速下降，永久磁场对水平通道右侧的热氧气的吸引力迅速下降，而对水平通道左端的冷氧气的吸引力较大。因此，永久磁场不断将左端的冷氧气吸进水平通道，迫使水平通道右侧的热氧气从右端排出，进入环室由环室下端流出。由此可见，在水平通道形成了热磁对流（也称为磁风）。磁风的大小与样品气中含氧量有关，含氧量愈高，产生的磁风愈大。8/18/202451五、成分测量与变送n3、热磁式氧分析仪n热磁式氧分析仪工作原理：n由于热磁对流的影响，铂电阻R1被气流带走的热量要比R2从 被带走的热量多，将R1 和R2 与固定阻值的锰铜电阻R3 和R4 组成桥路，这样桥路失去平衡，输出不平衡电压或电流，桥路输出信号的大小反映了样气中含氧量之值。桥路输出的不平衡信号幅值较小，经放大和 转换后，输出15V.DC和420mA.DC统一标准信号远传，供控制系统对含氧量进行自动控制，或经显示记录仪显示和记录含氧量的大小。8/18/202452五、成分测量与变送n4、成分测量特性n静态特性：n定义：输入成分或物性与输出电信号之间稳定关系。n方法：用物理、化学性质的差异将成份或物性转换成电量。n关键：信息的正确转换n影响因素：n检测气体洁净、干燥、常温、无腐蚀等预处理n干扰组应除去n供电稳定n环境温度变化小n取样点的选择n流量稳定n温度稳定8/18/202453五、成分测量与变送n4、成分测量特性n动态特性：n定义：输入成分或物性与输出电信号之间的瞬时变化关系。n关键：解决测量的纯滞后信息的正确转换n方法：n加大管内流速n将发送器安装在取样器口n改进回路控制方式n控制规律8/18/202454讨论n测量原理？nT、Q、P、H测试？8/18/202455