过程控制-第3章讲义课件

qq3.1 3.1 概述概述概述概述qq3.2 3.2 差压变送器差压变送器差压变送器差压变送器qq3.3 3.3 温度变送器温度变送器温度变送器温度变送器qq3.4 3.4 流量变送器流量变送器流量变送器流量变送器qq3.5 3.5 液位变送器液位变送器液位变送器液位变送器qq3.6 3.6 成分分析仪成分分析仪成分分析仪成分分析仪qq3.7 3.7 智能变送器智能变送器智能变送器智能变送器第第3 3章章 检测变送仪表检测变送仪表调节器调节器(控制器控制器)被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节(传感器、变送器传感器、变送器)+x执行器执行器zeuqyf变送器是首要环节和重要组成部分变送器是首要环节和重要组成部分检测变送单元包括两部分内容检测变送单元包括两部分内容:首先是将被控参数检测出来首先是将被控参数检测出来;然后变送器将其变换成统一标准信号。然后变送器将其变换成统一标准信号。系列DDZ-DDZ-信号、传输方式、供电信号DC 010mADC 420mA、DC 15V传输方式串联制(电流传送电流接收)并联制(电流传送电压接收)现场变送器连接方式四线制二线制供电AC 220V单独供电DC 24V集中供电并有断电备用电源防爆型式和电气元件开关 防爆型式防爆型安全火花型安全栅无有电气元件分立元件集成组件结构、线路设计和功能差压变送器双杠杆机构矢量机构温度变送器无线性化电路有线性化电路调节器偏差指示硬手动手动自动切换需先平衡无保持电路功能一般全刻度指示和偏差指示硬手动和软手动软手动自动切换可直接切换有保持电路功能多样系统构成一般灵活多样与计算机联用兼容性差兼容性好表表3-1 DDZ-型与型与DDZ-型仪表的性能比较型仪表的性能比较量程调整量程调整，或称满度调整：，或称满度调整：l 使变送器输出信号的上限值与输使变送器输出信号的上限值与输入测量信号上限值相对应。入测量信号上限值相对应。l 量程调整相当于改变变送器的量程调整相当于改变变送器的灵灵敏度敏度，即输入输出特性的斜率。，即输入输出特性的斜率。变送器变送器零点调整零点调整：使其输出信号的下限值与输入信号的：使其输出信号的下限值与输入信号的下限值相对应，见图下限值相对应，见图 a)a)。零点迁移零点迁移：将变送器的测量起始点由零点迁移到某一正：将变送器的测量起始点由零点迁移到某一正值或负值，见图值或负值，见图 b)b)和和 c)c)。例：某DDZ-温度变送器的测量范围是0800。若将零点迁移到400。求迁移前后的灵敏度。已知，测量温度为已知，测量温度为0 0800800时，变送器输出为时，变送器输出为4 420 20 mA.DCmA.DC，则其灵，则其灵敏度为：敏度为：若将零点迁移至若将零点迁移至400400，则测量范围为，则测量范围为400400800800，而变送器的输出，而变送器的输出电流仍然是电流仍然是4 420 20 mA.DCmA.DC。零点迁移后灵敏度为。零点迁移后灵敏度为3.2 差压（压力）变送器差压（压力）变送器1 变送器的输出电流变送器的输出电流I0和输入信号和输入信号1.P之间呈线性关系之间呈线性关系。2 调整调零弹簧可以使变送器输出调整调零弹簧可以使变送器输出 电流电流I0在输入信号范围下限时为在输入信号范围下限时为4mA。3 改变改变tan或或Kf可以调整变送器的量程。可以调整变送器的量程。4 零点和量程要反复调整。零点和量程要反复调整。P P膜盒膜盒膜盒膜盒F Fi i杠杆系统杠杆系统杠杆系统杠杆系统MM位移检测位移检测位移检测位移检测放大器放大器放大器放大器电磁反馈机构电磁反馈机构电磁反馈机构电磁反馈机构F Ff fI Io o差动变压器副杠杆的位移检测差动变压器副杠杆的位移检测片的微小位移，利用低频位移片的微小位移，利用低频位移检测放大器检测，并转换成检测放大器检测，并转换成DC DC 4 420mA20mA输出。见下图输出。见下图1 1）当）当P P=0=0时，时，IoIo4mA4mA，Ro=5.75KRo=5.75K2 2）当）当P P=MAX=MAX时，时，Io=20mAIo=20mA，Ro=950Ro=9503 3）当）当P P=MAX/2=MAX/2时，时，Io=12mAIo=12mA，Ro=1.75KRo=1.75K故：故：P P增加，增加，IoIo增加，增加，RoRo减小，反之依然，从而实减小，反之依然，从而实现了两线制，它是现了两线制，它是型变送器的重要特点。型变送器的重要特点。安全火花防爆也是安全火花防爆也是DDZ-DDZ-变送器的主要特点之一。变送器的主要特点之一。采取了以下措施：采取了以下措施：首先是采用低压首先是采用低压24V24V直流集中供电，限制了打火能量；直流集中供电，限制了打火能量；其次是尽可能少用其次是尽可能少用L L、C C储能元件储能元件;第三是采取限压限流措施，以限制打火能量。第三是采取限压限流措施，以限制打火能量。因此，因此，DDZ-DDZ-变送器与安全栅配合，可用于任何易燃易爆场所，变送器与安全栅配合，可用于任何易燃易爆场所，扩大了变送器的适用范围。扩大了变送器的适用范围。3.2.2 差动电容差压变送器差动电容差压变送器差动电容差压变送器的转换放大电路的作用就是将电容比差动电容差压变送器的转换放大电路的作用就是将电容比提取出来，并转变成提取出来，并转变成DC 4DC 420mA20mA输出。输出。11511151型电容式差压变送器是该类变送器的典型产品，转换型电容式差压变送器是该类变送器的典型产品，转换电路的方框图见下图。电路的方框图见下图。3.2 温度变送器温度变送器组成部分：由量程单元和放大单元组成。组成部分：由量程单元和放大单元组成。特点：特点：1 1）采用低漂移、高增益的运算放大器作为主要放大）采用低漂移、高增益的运算放大器作为主要放大 器，因此线路简单、可靠性好；器，因此线路简单、可靠性好；2 2）采用线性化电路，线性度好，测量精度高；采用线性化电路，线性度好，测量精度高；3 3）二线制接线方式；二线制接线方式；4 4）可用于易燃易爆场合。可用于易燃易爆场合。分类：分类：1 1）直流毫伏变送器）直流毫伏变送器 2 2）热电偶温度变送器）热电偶温度变送器 3 3）热电阻温度变送器）热电阻温度变送器3.3.1.1 3.3.1.1 直流毫伏变送器的量程单元直流毫伏变送器的量程单元 3.3.1.23.3.1.2 热电偶温度变送器的量程单元热电偶温度变送器的量程单元 冷端温度补偿冷端温度补偿线性化电路线性化电路1 1）V Vf f=200mV,VcV=200mV,VcVf1f1,对应变送器零点，对应变送器零点，I I0 0=4mA;=4mA;2)2)V Vf f增大增大,V,Vf1f1 VcVcVVf2f2,V,Vs1s1VVs3s3截止，斜率为截止，斜率为a a1 1；3)3)V Vf f增大增大,V,Vf2f2 VcVcVVf3f3,V,Vs1s1 通通,V,Vs2s2VVs3s3截止，斜率为截止，斜率为a a2 2；4)4)V Vf f增大增大,V,Vf3f3 VcVcVVf4f4,V,Vs1s1,V,Vs2s2通通,V,Vs3s3截止，斜率为截止，斜率为a a3 3和和a a4 4；3.3.1.3.3.1.3 3 热电阻温度变送器的量程单元热电阻温度变送器的量程单元 Rt测温热电阻测温热电阻引线电阻引线电阻限压限压稳压管稳压管线性化线性化图3-22 热电阻的特性及其线性化曲线a)热电阻的特性 b)线性化曲线3.3.1.4 温度变送器的放大单元温度变送器的放大单元 图3-23 电压放大器（1 1）电压放大器）电压放大器 图3-24 功率放大器（2 2）功率放大器）功率放大器 把电压放大器的输出信把电压放大器的输出信号转换成具有一定负载号转换成具有一定负载能力的电流信号能力的电流信号 图3-25 隔离输出与隔离反馈电路（3 3）隔离输出与隔离反馈）隔离输出与隔离反馈 3.4 流量检测与变送流量检测与变送3.4.1 3.4.1 概述概述瞬时流量瞬时流量瞬时流量瞬时流量：单位时间内流经管道某截面的流体的数量；：单位时间内流经管道某截面的流体的数量；：单位时间内流经管道某截面的流体的数量；：单位时间内流经管道某截面的流体的数量；累积流量累积流量累积流量累积流量：一段时间内流过流体的总和。：一段时间内流过流体的总和。：一段时间内流过流体的总和。：一段时间内流过流体的总和。体积流量体积流量体积流量体积流量以体积表示的瞬时流量用以体积表示的瞬时流量用以体积表示的瞬时流量用以体积表示的瞬时流量用 q q q qv v v v 表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为 m m m m3 3 3 3/s/s/s/s 以体积表示的累积流量用以体积表示的累积流量用以体积表示的累积流量用以体积表示的累积流量用 Q Q Q Qv v v v 表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为 m m m m3 3 3 3质量流量质量流量质量流量质量流量以质量表示的瞬时流量用以质量表示的瞬时流量用以质量表示的瞬时流量用以质量表示的瞬时流量用 q q q qm m m m 表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为 kg/skg/skg/skg/s以质量表示的累积流量用以质量表示的累积流量用以质量表示的累积流量用以质量表示的累积流量用 Q Q Q Qm m m m 表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为 kg kg kg kg 标态下的体积流量标态下的体积流量标态下的体积流量标态下的体积流量由由由由于于于于气气气气体体体体是是是是可可可可压压压压缩缩缩缩的的的的，流流流流体体体体的的的的体体体体积积积积会会会会受受受受工工工工况况况况的的的的影影影影响响响响，为为为为了了了了便便便便于于于于比比比比较较较较，工工工工程程程程上上上上通通通通常常常常把把把把工工工工作作作作状状状状态态态态下下下下测测测测得得得得的的的的体体体体积积积积流流流流量量量量换换换换算算算算成成成成标标标标准准准准状状状状态（温度为态（温度为态（温度为态（温度为2020，压力为一个标准大气压）下的体积流量。，压力为一个标准大气压）下的体积流量。，压力为一个标准大气压）下的体积流量。，压力为一个标准大气压）下的体积流量。标准状态下的体积流量用标准状态下的体积流量用标准状态下的体积流量用标准状态下的体积流量用q qvnvn表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为NmNm3 3/s/s。表表3-2 流量仪表的分类流量仪表的分类类别类别仪表名称仪表名称体积流体积流量计量计容积式流量计容积式流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等差压式流量计差压式流量计节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计等浮子流量计等速度式流量计速度式流量计涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等质量流质量流量计量计推导式质量流量计推导式质量流量计体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等直接式质量流量计直接式质量流量计科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计等科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计等3.4.2 3.4.2 差压式流量计差压式流量计 图图3-31 节流式流量计的组成节流式流量计的组成在流通管道上设置在流通管道上设置流动阻力件流动阻力件，流体，流体通过阻力件时将产生差压，此差压与流通过阻力件时将产生差压，此差压与流体流量之间有确定的数值关系。体流量之间有确定的数值关系。差压式流量计由产生差压的装置和差差压式流量计由产生差压的装置和差压计两部分组成，结构简单，可靠。压计两部分组成，结构简单，可靠。如如如如果果果果在在在在管管管管道道道道中中中中安安安安置置置置一一一一个个个个固固固固定定定定的的的的阻阻阻阻力力力力件件件件，它它它它的的的的中中中中间间间间开开开开一一一一个个个个比比比比管管管管道道道道截截截截面面面面小小小小的的的的孔孔孔孔，当当当当流流流流体体体体流流流流过过过过该该该该阻阻阻阻力力力力件件件件时时时时，由由由由于于于于流流流流体体体体流流流流束束束束的的的的收收收收缩缩缩缩而而而而使使使使流流流流速速速速加加加加快快快快、静静静静压压压压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。把把把把流流流流体体体体流流流流过过过过阻阻阻阻力力力力件件件件使使使使流流流流束束束束收收收收缩缩缩缩造造造造成成成成压压压压力力力力变变变变化化化化的的的的过过过过程程程程称称称称节节节节流流流流过过过过程程程程，其其其其中中中中的的的的阻力件称为节流件。阻力件称为节流件。阻力件称为节流件。阻力件称为节流件。1231 1 1 1.节流式流量测量原理节流式流量测量原理节流式流量测量原理节流式流量测量原理 流流流流动动动动流流流流体体体体的的的的能能能能量量量量有有有有两两两两种种种种形形形形式式式式：静静静静压压压压能能能能和和和和动动动动能能能能。流流流流体体体体由由由由于于于于有有有有压压压压力力力力而而而而具具具具有有有有静静静静压压压压能能能能，又又又又由由由由于于于于有有有有流流流流动动动动速速速速度度度度而而而而具具具具有有有有动动动动能能能能，这这这这两两两两种种种种形形形形式式式式的的的的能能能能量量量量在在在在一一一一定条件下是可以相互转化的。定条件下是可以相互转化的。定条件下是可以相互转化的。定条件下是可以相互转化的。流速静压123流速静压3.4.3 靶式流量计靶式流量计 图图3-35 靶式流量计结构原理靶式流量计结构原理流体流经靶时，由于受阻将对靶产生流体流经靶时，由于受阻将对靶产生作用力作用力F F，F F与流体流动速度的关系为与流体流动速度的关系为3.4.4 浮子流量计浮子流量计 当流体流过的时候，位于锥形管中的转当流体流过的时候，位于锥形管中的转当流体流过的时候，位于锥形管中的转当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这子受到向上的一个力，使其浮起。当这子受到向上的一个力，使其浮起。当这子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量减去流体对转子个力正好等于转子重量减去流体对转子个力正好等于转子重量减去流体对转子个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度的浮力，此时转子就停浮在一定的高度的浮力，此时转子就停浮在一定的高度的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。也是根据节流原理测量流体流量。上。也是根据节流原理测量流体流量。上。也是根据节流原理测量流体流量。上。也是根据节流原理测量流体流量。孔板流量计：孔板流量计：孔板流量计：孔板流量计：节流面积不变节流面积不变节流面积不变节流面积不变流量变化流量变化流量变化流量变化压差发生变化压差发生变化压差发生变化压差发生变化转子流量计：转子流量计：转子流量计：转子流量计：压差不变压差不变压差不变压差不变流量变化流量变化流量变化流量变化节流面积发生变化节流面积发生变化节流面积发生变化节流面积发生变化（1 1）当被测介质的密度变化时）当被测介质的密度变化时 （2 2）采用不同材料的浮子改变量程）采用不同材料的浮子改变量程 （3 3）温度和压力的修正）温度和压力的修正转子流量计的转子流量计的转子流量计的转子流量计的特点特点特点特点 转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量；流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；流量计的基本误差约为仪表量程的土流量计的基本误差约为仪表量程的土流量计的基本误差约为仪表量程的土流量计的基本误差约为仪表量程的土2 2，量程比可达，量程比可达，量程比可达，量程比可达1010：1 1 流流流流量量量量计计计计的的的的测测测测量量量量精精精精度度度度易易易易受受受受被被被被测测测测介介介介质质质质密密密密度度度度、粘粘粘粘度度度度、温温温温度度度度、压压压压力力力力、纯纯纯纯净净净净度度度度、安安安安装质量等的影响。装质量等的影响。装质量等的影响。装质量等的影响。3.4.5 容积式流量计容积式流量计 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 “一碗一碗一碗一碗一碗一碗一碗一碗”计量计量计量计量转转转转子子子子每每每每旋旋旋旋转转转转一一一一周周周周，就就就就排排排排出出出出四四四四个个个个由由由由椭椭椭椭圆圆圆圆齿齿齿齿轮轮轮轮与与与与外外外外壳壳壳壳围围围围成成成成的的的的半半半半月月月月形形形形空空空空腔腔腔腔的的的的流流流流体体体体体体体体积积积积(4(4(4(4V V)。在在在在V V一一一一定定定定的的的的情情情情况况况况下下下下，只只只只要要要要测测测测出出出出流流流流量量量量计计计计的的的的转转转转速速速速n n n n就就就就可可可可以计算出被测流体的流量以计算出被测流体的流量以计算出被测流体的流量以计算出被测流体的流量 流量方程流量方程流量方程流量方程 3.4.6 涡轮流量计涡轮流量计 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 流流流流体体体体冲冲冲冲击击击击涡涡涡涡轮轮轮轮叶叶叶叶片片片片，使使使使涡涡涡涡轮轮轮轮旋旋旋旋转转转转，涡涡涡涡轮轮轮轮的的的的旋旋旋旋转转转转速速速速度度度度随随随随流流流流量量量量的的的的变变变变化化化化而而而而变变变变化化化化，通通通通过过过过涡涡涡涡轮轮轮轮外外外外的的的的磁磁磁磁电电电电转转转转换换换换装装装装置置置置可可可可将将将将涡涡涡涡轮轮轮轮的的的的旋旋旋旋转转转转转转转转换换换换成成成成电电电电脉脉脉脉冲冲冲冲 。流量方程流量方程流量方程流量方程 3.4.7 涡街流量计涡街流量计 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 流流流流体体体体绕绕绕绕过过过过漩漩漩漩涡涡涡涡发发发发生生生生体体体体时时时时会会会会在在在在其其其其左左左左右右右右两两两两侧侧侧侧后后后后方方方方交交交交替替替替产产产产生生生生旋旋旋旋转转转转方方方方向向向向相反的漩涡，形成涡列；相反的漩涡，形成涡列；相反的漩涡，形成涡列；相反的漩涡，形成涡列；当当当当每每每每两两两两个个个个漩漩漩漩涡涡涡涡间间间间的的的的纵纵纵纵向向向向距距距距离离离离L L L L与与与与横横横横向向向向距距距距离离离离h h h h满满满满足足足足h h h hl l l l0.2810.2810.2810.281时时时时，形成稳定的卡门涡街。形成稳定的卡门涡街。形成稳定的卡门涡街。形成稳定的卡门涡街。流量方程流量方程流量方程流量方程 3.4.8 电磁流量计电磁流量计 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 导体切割磁力线，会产生电动势导体切割磁力线，会产生电动势导体切割磁力线，会产生电动势导体切割磁力线，会产生电动势 流量公式流量公式流量公式流量公式 3.5 液位变送器液位变送器 根据阿基米德原理工作根据阿基米德原理工作3.5.1 3.5.1 浮力式液位变送器浮力式液位变送器 1恒浮力式液位变送器恒浮力式液位变送器 2变浮力式液位变送器变浮力式液位变送器 3.5.2 3.5.2 静压力式液位变送器静压力式液位变送器 基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理 零点迁移零点迁移零点迁移零点迁移 无迁移无迁移例例例例 已已已已 知知知知 1 1 1 1=1200kg/m=1200kg/m=1200kg/m=1200kg/m3 3 3 3，2 2 2 2=950kg/m=950kg/m=950kg/m=950kg/m3 3 3 3，h h h h1 1 1 1=1m=1m=1m=1m，h h h h2 2 2 2=5m=5m=5m=5m，液液液液位位位位变变变变化化化化范范范范围围围围0 0 0 02.52.52.52.5米米米米，求求求求：变变变变送送送送器器器器的的的的量程量程量程量程和和和和迁移量迁移量迁移量迁移量。解解解解 H H H Hmaxmaxmaxmax1 1 1 1g=2.5*1200*9.8=29400Pag=2.5*1200*9.8=29400Pag=2.5*1200*9.8=29400Pag=2.5*1200*9.8=29400Pa变送器量程可选为：变送器量程可选为：变送器量程可选为：变送器量程可选为：40kPa40kPa40kPa40kPa当当当当H=0H=0H=0H=0时，时，时，时，-2 2 2 2g g g g（h h h h2 2 2 2-h-h-h-h1 1 1 1）=-4*950*9.8=-37.24=-4*950*9.8=-37.24=-4*950*9.8=-37.24=-4*950*9.8=-37.24 kPakPakPakPa变送器需要进行负迁移，迁移量为变送器需要进行负迁移，迁移量为变送器需要进行负迁移，迁移量为变送器需要进行负迁移，迁移量为37.24 37.24 37.24 37.24 kPakPakPakPa 2 2 2 2 吹气式液位变送器吹气式液位变送器吹气式液位变送器吹气式液位变送器 将一根吹气管插入至被测液体的最低液位（零液位）处。压缩空气或将一根吹气管插入至被测液体的最低液位（零液位）处。压缩空气或惰性气体经恒压阀和流量计吹入贮液罐内，当吹气管的下端有微量气惰性气体经恒压阀和流量计吹入贮液罐内，当吹气管的下端有微量气泡溢出时，导管内的压力几乎与液封压力相等。泡溢出时，导管内的压力几乎与液封压力相等。