《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案

《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2.3 壓力檢測(cè)及儀表壓力檢測(cè)及儀表 壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)之一。例如壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)之一。例如在化工、煉油等生產(chǎn)工藝中，經(jīng)常會(huì)遇到高壓、超在化工、煉油等生產(chǎn)工藝中，經(jīng)常會(huì)遇到高壓、超高壓和真空度（負(fù)壓）的測(cè)量。高壓和真空度（負(fù)壓）的測(cè)量。2.3.1壓力檢測(cè)的方法壓力檢測(cè)的方法 工程上習(xí)慣把垂直作用于單位面積上的力稱工程上習(xí)慣把垂直作用于單位面積上的力稱為為“壓力壓力”。即。即 P=F/SSF過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章壓力的壓力的單位是單位是“帕斯卡帕斯卡”1Pa=1N/m2 1MPa=106Pa1工程大氣壓工程大氣壓=1kg/cm2=9.80665104Pa 0.1MPa工程上表示壓力的方式有：工程上表示壓力的方式有：表壓、負(fù)壓（真空度）、表壓、負(fù)壓（真空度）、差壓、絕對(duì)壓力。差壓、絕對(duì)壓力。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章p差壓差壓=p被測(cè)壓力被測(cè)壓力1-p被測(cè)壓力被測(cè)壓力2工業(yè)中所用儀表的壓力指示值，大多數(shù)為工業(yè)中所用儀表的壓力指示值，大多數(shù)為表壓表壓和和差壓差壓。表壓。表壓、絕對(duì)壓力、負(fù)壓（真空度）、差壓、絕對(duì)壓力、負(fù)壓（真空度）、差壓之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：p被測(cè)壓力被測(cè)壓力1p表壓表壓 =p絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力-p大氣壓力大氣壓力 p真空鍍真空鍍=p大氣壓力大氣壓力-p絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章U型管型管h2處等壓面上有：處等壓面上有：P=B+g H 則則：p=P-B=gH =g(h1+h2)只要只要讀讀出出h1、h2便可知便可知 p P0h1h2BH壓力測(cè)量儀表品種很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不壓力測(cè)量儀表品種很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為四大類：同，大致可分為四大類：1 1、液柱式壓力計(jì)、液柱式壓力計(jì)利用液體靜力學(xué)原理測(cè)壓，如利用液體靜力學(xué)原理測(cè)壓，如U型管壓力計(jì)，型管壓力計(jì)，被測(cè)壓力被測(cè)壓力P大于大氣壓力大于大氣壓力B時(shí)，液柱會(huì)產(chǎn)生高度差。時(shí)，液柱會(huì)產(chǎn)生高度差。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章U型管壓力計(jì)在讀型管壓力計(jì)在讀h1、h2時(shí)，產(chǎn)生兩次讀數(shù)誤時(shí)，產(chǎn)生兩次讀數(shù)誤差。為了減少讀數(shù)誤差，可將其改進(jìn)為單管壓力計(jì)差。為了減少讀數(shù)誤差，可將其改進(jìn)為單管壓力計(jì)或斜管壓力計(jì)，或斜管壓力計(jì)，h2極其微小可忽略不讀。極其微小可忽略不讀。ph1h2Bph1h2B過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 2、彈性式壓力計(jì)、彈性式壓力計(jì)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的變形位移后測(cè)量將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的變形位移后測(cè)量位移，如彈簧管壓力表。位移，如彈簧管壓力表。3電氣式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì)通過傳感元件及電路，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量通過傳感元件及電路，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量輸出或指示，如電容式壓力變送器。輸出或指示，如電容式壓力變送器。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章4活塞式壓力計(jì)活塞式壓力計(jì) 根據(jù)液體均勻傳遞壓力的原理，將被測(cè)壓力與根據(jù)液體均勻傳遞壓力的原理，將被測(cè)壓力與活塞上所加的砝碼質(zhì)量進(jìn)行平衡來測(cè)量壓力，它的活塞上所加的砝碼質(zhì)量進(jìn)行平衡來測(cè)量壓力，它的測(cè)量精度很高，主要用于壓力表的檢定。測(cè)量精度很高，主要用于壓力表的檢定。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.2 彈性式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以測(cè)量壓力。由于其產(chǎn)生的位移或力易測(cè)量壓力。由于其產(chǎn)生的位移或力易轉(zhuǎn)化為電量，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)化為電量，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，測(cè)壓范圍寬，被廣泛使用。測(cè)壓范圍寬，被廣泛使用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章常用的彈性元件有常用的彈性元件有5種：種：（1）單圈彈簧管）單圈彈簧管 將截面為橢圓形的金屬空心將截面為橢圓形的金屬空心管彎成管彎成270圓弧形，頂端封口。圓弧形，頂端封口。當(dāng)通入壓力當(dāng)通入壓力 p 后，它的自由端就后，它的自由端就會(huì)產(chǎn)生位移。會(huì)產(chǎn)生位移。q測(cè)壓范圍較寬，可高達(dá)測(cè)壓范圍較寬，可高達(dá)1000MPa。（2）多圈彈簧管）多圈彈簧管為了在測(cè)低壓時(shí)增加位移，為了在測(cè)低壓時(shí)增加位移，可以將彈簧管制成多圈狀?？梢詫椈晒苤瞥啥嗳?。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章（3）膜片）膜片用金屬或非金屬材料做成的具用金屬或非金屬材料做成的具有彈性的圓片（有平膜片和波紋膜有彈性的圓片（有平膜片和波紋膜片）。在壓力作用下，其中心產(chǎn)生片）。在壓力作用下，其中心產(chǎn)生變形位移?？蓽y(cè)低壓。變形位移?？蓽y(cè)低壓。（4）膜盒膜盒將兩張金屬膜片沿周口對(duì)焊，將兩張金屬膜片沿周口對(duì)焊，內(nèi)充硅油增加膜片強(qiáng)度。內(nèi)充硅油增加膜片強(qiáng)度?？蓽y(cè)中壓?？蓽y(cè)中壓。（5）波紋管波紋管位移最大，可測(cè)微壓（位移最大，可測(cè)微壓（1MPa)1MPa)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 彈簧管壓力表的品種規(guī)格繁多。按其用途不同，彈簧管壓力表的品種規(guī)格繁多。按其用途不同，有普通彈簧管壓力表、耐腐蝕的氨用壓力表、禁油有普通彈簧管壓力表、耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。的氧氣壓力表等。它們的外形與結(jié)構(gòu)基本相同，只是所用的彈簧它們的外形與結(jié)構(gòu)基本相同，只是所用的彈簧管材料有所不同。管材料有所不同。2.3.2.2彈簧管壓力表彈簧管壓力表 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理1-彈簧管彈簧管2-拉桿拉桿3-扇形齒輪扇形齒輪4-中心齒輪中心齒輪5-指針指針6 面板面板7 游絲游絲8 調(diào)整螺釘調(diào)整螺釘9 接頭接頭 彈簧管是一彈簧管是一根彎成根彎成270圓弧圓弧的橢圓截面空心的橢圓截面空心金屬管，管子的金屬管，管子的自由端自由端B封閉，封閉，并連接拉桿及扇并連接拉桿及扇形齒輪，帶動(dòng)中形齒輪，帶動(dòng)中心齒輪及指針。心齒輪及指針。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章傳遞及放大過程傳遞及放大過程 游絲游絲7用來壓緊扇形齒輪和中用來壓緊扇形齒輪和中心齒輪間的接觸面。心齒輪間的接觸面。自由端自由端B的位移的位移拉桿拉桿2扇形齒輪扇形齒輪3中心齒輪中心齒輪4同軸的指針同軸的指針5轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 在面板在面板6的刻度標(biāo)尺上的刻度標(biāo)尺上指示出被測(cè)壓力指示出被測(cè)壓力p的數(shù)值的數(shù)值 調(diào)整螺釘調(diào)整螺釘8的位置，即改變了機(jī)械的位置，即改變了機(jī)械傳動(dòng)系數(shù)，調(diào)整了儀表量程。傳動(dòng)系數(shù)，調(diào)整了儀表量程。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章在被測(cè)壓力在被測(cè)壓力 p 的作用下，彈簧管的橢圓形截的作用下，彈簧管的橢圓形截面趨于圓形，圓弧狀的彈簧管隨之向外擴(kuò)張變形。面趨于圓形，圓弧狀的彈簧管隨之向外擴(kuò)張變形?；緶y(cè)量原理基本測(cè)量原理自由端的相對(duì)角位自由端的相對(duì)角位移移/o 與被測(cè)壓力與被測(cè)壓力P成成正比關(guān)系：正比關(guān)系：/o=KP0P K常數(shù)常數(shù)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 生產(chǎn)中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)。這生產(chǎn)中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)。這就要求壓力表帶有報(bào)警或控制輸出。當(dāng)壓力超出給就要求壓力表帶有報(bào)警或控制輸出。當(dāng)壓力超出給定范圍時(shí)，測(cè)量儀表能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，或啟動(dòng)繼電定范圍時(shí)，測(cè)量儀表能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，或啟動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控制。器實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控制。q電接點(diǎn)壓力表電接點(diǎn)壓力表在在普普通通彈彈簧簧管管壓壓力力表表的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)上上稍稍添添部部件件，便便可可成為電接點(diǎn)信號(hào)壓力表。成為電接點(diǎn)信號(hào)壓力表。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章若壓力降到下限值時(shí)，若壓力降到下限值時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)觸點(diǎn)2與靜觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)1接觸，接觸，報(bào)警燈報(bào)警燈3的電路接通。的電路接通。當(dāng)壓力超過上限值時(shí)，當(dāng)壓力超過上限值時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)觸點(diǎn)2和靜觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)4接觸，接觸，報(bào)警燈報(bào)警燈5的電路接通。的電路接通。報(bào)報(bào)警警原原理理：增增加加兩兩個(gè)個(gè)報(bào)報(bào)警警針針，上上面面分分別別裝裝靜靜觸觸點(diǎn)點(diǎn)1和和4，指指示示針針上上裝裝動(dòng)動(dòng)觸觸點(diǎn)點(diǎn)2，分分別別用用軟軟導(dǎo)導(dǎo)線線引引至至輸出接線柱。使用時(shí)可后接兩個(gè)報(bào)警燈或繼電器。輸出接線柱。使用時(shí)可后接兩個(gè)報(bào)警燈或繼電器。后部接線柱后部接線柱過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.3電氣式壓力計(jì)電氣式壓力計(jì)電電氣氣式式壓壓力力計(jì)計(jì)是是指指將將壓壓力力轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成電電信信號(hào)號(hào)并并進(jìn)進(jìn)行行顯顯示示的的儀儀表表。電電氣氣式式壓壓力力變變送送器器是是指指將將壓壓力力轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換成成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出的儀表。標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出的儀表。電電氣氣式式壓壓力力計(jì)計(jì)一一般般由由壓壓力力傳傳感感元元件件、測(cè)測(cè)量量電電路路和信號(hào)處理電路所組成。和信號(hào)處理電路所組成。信號(hào)輸出信號(hào)輸出電量電量被測(cè)壓力被測(cè)壓力傳感元件傳感元件測(cè)量線路測(cè)量線路顯示器顯示器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章電電容容式式差差壓壓變變送送器器先先將將差差壓壓的的變變化化轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為電電容容量量的的變變化化，然然后后用用電電路路檢檢測(cè)測(cè)電電容容變變化化。輸輸出出信信號(hào)號(hào)范范圍是圍是DC420mA。電容差壓變送器電容差壓變送器 2.3.3.1電容式差壓（壓力）變送器電容式差壓（壓力）變送器電電容容式式差差壓壓變變送送器器是是美美國國羅羅斯斯蒙蒙特特公公司司的的專專利利產(chǎn)產(chǎn)品品。結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單、過過載載能能力力強(qiáng)強(qiáng)、可可靠靠性性好好、精精度度高高、體體積積小小。一一端端被被測(cè)測(cè)壓壓力力是是大大氣氣壓壓時(shí)時(shí)，就就成成為為壓壓力力變變送送器。器。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)電容式差壓變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 1高壓進(jìn)氣口高壓進(jìn)氣口 2 2低壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口 3 3過濾片過濾片 4 4空腔空腔 5 5柔性不銹鋼波柔性不銹鋼波 紋紋 隔離膜片隔離膜片 6 6導(dǎo)壓硅油導(dǎo)壓硅油 7 7 凹形玻璃圓片凹形玻璃圓片 8 8鍍金凹形電極鍍金凹形電極 9 9彈性平膜片彈性平膜片 1010 腔腔過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章C1C2d0d0P1=P2時(shí)：時(shí)：C1=C2=K2/d0K2=SS/4/4差壓傳感部件差壓傳感部件P1P2時(shí)：時(shí)：測(cè)量膜片中心位移：測(cè)量膜片中心位移：d=K 1P K 1彈力系數(shù)彈力系數(shù) P1-P2=P 中心膜片變形中心膜片變形位移位移 電容量變化電容量變化當(dāng)當(dāng)P2是大氣壓時(shí)，為壓力傳感部件。是大氣壓時(shí)，為壓力傳感部件。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章有：有：K3=K1/d0 P1P2時(shí)，時(shí)，兩個(gè)電容的兩個(gè)電容的電容量分別變?yōu)椋弘娙萘糠謩e變?yōu)椋汉蠼訙y(cè)量電路將電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓。后接測(cè)量電路將電容變化量轉(zhuǎn)換為電壓。C1C2d0+dd0-dP1P2過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 如圖是利用測(cè)電容充放電流的轉(zhuǎn)換電路。如圖是利用測(cè)電容充放電流的轉(zhuǎn)換電路。交交流流電電源源E加加于于差差動(dòng)動(dòng)電電容容C1、C2上上，因因R1R4的的阻阻抗抗比比C1、C2的的阻阻抗抗小小得得多多，流流過過C1、C2的的半半周周期期電流有效值近似為：電流有效值近似為：V1V2V4同理：同理：測(cè)測(cè)I1、I2的變化，可的變化，可間接測(cè)間接測(cè)R1、R2上的壓降。上的壓降。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章因因：V1=I1R1 V2=I2R2 V4=I4R4 R1=R2=R4V1V2V4令：令：V1、V2、V4分別為分別為R1、R2、R4上的壓降，上的壓降，則：則：即：即：當(dāng)當(dāng)V4不變時(shí)，不變時(shí)，測(cè)測(cè)V2V1可得可得P過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章要保持要保持V4=IoR4不變，必須保持電流不變，必須保持電流Io不變。不變。在在實(shí)實(shí)際際測(cè)測(cè)量量中中，差差動(dòng)動(dòng)電電容容Cl、C2變變化化會(huì)會(huì)引引起起電電流流Io變變化化。若若要要保保持持V4不不變變，必必須須設(shè)設(shè)監(jiān)監(jiān)控控電電路路。通通過過監(jiān)監(jiān)測(cè)測(cè)V4，自自動(dòng)動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)E的的幅幅度度，使使V4保保持持恒恒定定。即即可可得：得：V1V2V4過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章如圖為電容式壓力變送器的原理線路：如圖為電容式壓力變送器的原理線路：V2V1V2V1IA1供給振蕩供給振蕩器基準(zhǔn)電壓器基準(zhǔn)電壓通過負(fù)反饋保證通過負(fù)反饋保證R4兩端的電壓恒定兩端的電壓恒定A2將將Rl，R2兩端兩端的電壓相減放大的電壓相減放大RP1調(diào)整電流負(fù)反調(diào)整電流負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)量程調(diào)整饋，實(shí)現(xiàn)量程調(diào)整V4過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章420mA420mA二線制儀表接線方法二線制儀表接線方法二線制儀表接線方法二線制儀表接線方法420mA其中一根（紅色）為其中一根（紅色）為+24V+24V電源線，另一根（黑色）電源線，另一根（黑色）通過一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻既作為電源負(fù)極引線，又作為通過一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻既作為電源負(fù)極引線，又作為信號(hào)傳輸線。在信號(hào)傳輸線的末端通過一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載信號(hào)傳輸線。在信號(hào)傳輸線的末端通過一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻（也稱取樣電阻）接地，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓電阻（也稱取樣電阻）接地，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。信號(hào)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章特特點(diǎn)點(diǎn)：靈靈敏敏度度高高，量量程程寬寬，過過載載能能力力強(qiáng)強(qiáng)。沒沒有有杠杠桿桿傳傳動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)，因因而而結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)緊緊湊湊，穩(wěn)穩(wěn)定定性性與與抗抗振振性性好好，測(cè)測(cè)量精度高，可達(dá)量精度高，可達(dá)0.2級(jí)。級(jí)。電容差壓變送器電容差壓變送器 法蘭式電容差壓變送器法蘭式電容差壓變送器 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.3.2 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成的。應(yīng)變式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成的。電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片（金屬絲或金屬箔）和半電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片（金屬絲或金屬箔）和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。如金屬絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。如金屬絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章q 電阻應(yīng)變?cè)恚弘娮钁?yīng)變?cè)恚寒?dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向拉伸變形時(shí)，當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向拉伸變形時(shí)，L變大、變大、S變小，變小，其阻值增加；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生其阻值增加；當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生 橫向壓縮變形時(shí)，橫向壓縮變形時(shí)，S 變變大、大、L變小，其阻值減小。變小，其阻值減小。R=L/S縱向縱向 應(yīng)變片電阻的變應(yīng)變片電阻的變化可用電橋測(cè)出?；捎秒姌驕y(cè)出。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 可設(shè)置縱向和橫向應(yīng)變片可設(shè)置縱向和橫向應(yīng)變片r1、r2在相鄰橋臂構(gòu)成在相鄰橋臂構(gòu)成差動(dòng)半橋，電阻的變化用電橋測(cè)出。差動(dòng)半橋，電阻的變化用電橋測(cè)出。r1、r2設(shè)置在相鄰橋臂構(gòu)成半橋，既可以提高靈設(shè)置在相鄰橋臂構(gòu)成半橋，既可以提高靈敏度，又可以提高線性度。應(yīng)變片變形時(shí)，敏度，又可以提高線性度。應(yīng)變片變形時(shí)，r1、r2阻阻值一個(gè)升高、一個(gè)降低，可維持橋路電流基本不變值一個(gè)升高、一個(gè)降低，可維持橋路電流基本不變。應(yīng)變片應(yīng)變片r2應(yīng)變片應(yīng)變片r1過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章金屬應(yīng)變片的應(yīng)用金屬應(yīng)變片的應(yīng)用 金屬應(yīng)變片要緊貼在應(yīng)變物上使用，如測(cè)橋梁金屬應(yīng)變片要緊貼在應(yīng)變物上使用，如測(cè)橋梁的受力；若沒有應(yīng)變物，則要借助于應(yīng)變梁（或筒）的受力；若沒有應(yīng)變物，則要借助于應(yīng)變梁（或筒），如稱重傳感器。，如稱重傳感器。電子秤（力傳感器）電子秤（力傳感器）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)稱重系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 當(dāng)被測(cè)壓力當(dāng)被測(cè)壓力p作用于膜片、作用于膜片、使應(yīng)變筒作軸向受壓變形時(shí)，使應(yīng)變筒作軸向受壓變形時(shí)，r1縱向壓縮應(yīng)變、阻值變小；縱向壓縮應(yīng)變、阻值變??；r2縱向拉伸應(yīng)變、阻值變大。縱向拉伸應(yīng)變、阻值變大。測(cè)氣體壓力要借助于應(yīng)變筒。應(yīng)變筒測(cè)氣體壓力要借助于應(yīng)變筒。應(yīng)變筒1的上端的上端與外殼與外殼2固定在一起，下端與膜片固定在一起，下端與膜片3緊密接觸。應(yīng)緊密接觸。應(yīng)變片變片r1沿應(yīng)變筒軸向貼放；沿應(yīng)變筒軸向貼放；r2沿徑向貼放。沿徑向貼放。P過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.3.3壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器利用半導(dǎo)體的利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)受壓時(shí)電阻率發(fā)生變化。受壓時(shí)電阻率發(fā)生變化。如如圖圖是是一一種種半半導(dǎo)導(dǎo)體體測(cè)測(cè)壓壓傳傳感感部部件件，在在杯杯狀狀單單晶晶硅硅膜膜片片的的表表面面，沿沿一一定定晶晶軸軸方方向向和和位位置置擴(kuò)擴(kuò)散散四四個(gè)個(gè)長長條形電阻。條形電阻。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章半半導(dǎo)導(dǎo)體體擴(kuò)擴(kuò)散散電電阻阻受受應(yīng)應(yīng)力力作作用用時(shí)時(shí)，內(nèi)內(nèi)部部晶晶格格間間距距離離發(fā)發(fā)生生變變化化，使使禁禁帶帶寬寬度度以以及及載載流流子子的的濃濃度度和和遷遷移移率率改改變變，導(dǎo)導(dǎo)致致擴(kuò)擴(kuò)散散電電阻阻的的電電阻阻率率發(fā)發(fā)生生強(qiáng)強(qiáng)烈烈變變化化，其其靈敏度比金屬應(yīng)變電阻高靈敏度比金屬應(yīng)變電阻高100倍左右。倍左右。因因此此，當(dāng)當(dāng)硅硅膜膜片片上上下下兩兩側(cè)側(cè)出出現(xiàn)現(xiàn)壓壓差差時(shí)時(shí)，膜膜片片內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。產(chǎn)生應(yīng)力，使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 實(shí)驗(yàn)表明，圓形硅膜實(shí)驗(yàn)表明，圓形硅膜片在受壓力變形時(shí)，其圓片在受壓力變形時(shí)，其圓心區(qū)域和邊緣區(qū)域受力性心區(qū)域和邊緣區(qū)域受力性質(zhì)不一樣。以半徑質(zhì)不一樣。以半徑 63.2%為界，圓心區(qū)域受拉應(yīng)力，為界，圓心區(qū)域受拉應(yīng)力，邊緣區(qū)域受壓應(yīng)力。受拉邊緣區(qū)域受壓應(yīng)力。受拉時(shí)，擴(kuò)散電阻阻值增大；時(shí)，擴(kuò)散電阻阻值增大；受壓時(shí)，擴(kuò)散電阻阻值減受壓時(shí)，擴(kuò)散電阻阻值減小。四個(gè)電阻可以構(gòu)成全小。四個(gè)電阻可以構(gòu)成全橋電路。橋電路。受拉受拉受壓受壓過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章在在硅硅膜膜片片上上擴(kuò)擴(kuò)散散四四個(gè)個(gè)阻阻值值相相等等的的電電阻阻接接成成全全橋橋（雙雙差差動(dòng)動(dòng)）電電路路，不不但但可可以以提提高高電電橋橋的的靈靈敏敏度度和和線線性性度度，還還可可以以自自動(dòng)動(dòng)補(bǔ)補(bǔ)償償半半導(dǎo)導(dǎo)體體電電阻阻溫溫度度漂漂移移引引起起的的誤差。誤差。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章各種擴(kuò)散硅壓力變送器各種擴(kuò)散硅壓力變送器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.3.4 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器利用某些材料的壓電效應(yīng)原理制成。具有這種利用某些材料的壓電效應(yīng)原理制成。具有這種效應(yīng)的材料如壓電陶瓷、壓電晶體稱為壓電材料。效應(yīng)的材料如壓電陶瓷、壓電晶體稱為壓電材料。壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：壓電材料在一定方向受外力作用產(chǎn)：壓電材料在一定方向受外力作用產(chǎn)生形變時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其表面上產(chǎn)生生形變時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其表面上產(chǎn)生電荷。當(dāng)去掉外力時(shí)，又重新返回不帶電的狀態(tài)。電荷。當(dāng)去掉外力時(shí)，又重新返回不帶電的狀態(tài)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的現(xiàn)象，稱之為壓電效應(yīng)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的現(xiàn)象，稱之為壓電效應(yīng)。F 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章壓電材料上電荷量的大小與外力的大小成正比。壓電材料上電荷量的大小與外力的大小成正比。如圖所示，壓電陶瓷的極化方向?yàn)槿鐖D所示，壓電陶瓷的極化方向?yàn)閦軸方向。如軸方向。如果在果在z軸方向上受外力作用，則垂直于軸方向上受外力作用，則垂直于z軸的軸的x、y軸平軸平行面上下兩側(cè)出現(xiàn)正負(fù)電荷。行面上下兩側(cè)出現(xiàn)正負(fù)電荷。F zx F y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 壓電材料作為力敏感元件，從其輸出特性可以壓電材料作為力敏感元件，從其輸出特性可以看作是一個(gè)電壓源或電荷源（靜電發(fā)生器）；從其看作是一個(gè)電壓源或電荷源（靜電發(fā)生器）；從其材料特性可以等效為一個(gè)電容。其等效電路為：材料特性可以等效為一個(gè)電容。其等效電路為：Ca等效電容等效電容 Ra等效漏電阻等效漏電阻后接電壓放大器或電荷放大器即可。后接電壓放大器或電荷放大器即可。CaRaUa電壓源電壓源QCaRaUa電荷源電荷源過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章各種壓電式壓力傳感器各種壓電式壓力傳感器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2.3.4智能式差壓變送器智能式差壓變送器智能式差壓變送器電路裝有智能式差壓變送器電路裝有CPU芯片。除檢測(cè)芯片。除檢測(cè)功能外，還具有靜壓補(bǔ)償、計(jì)算、顯示、報(bào)警、控功能外，還具有靜壓補(bǔ)償、計(jì)算、顯示、報(bào)警、控制、診斷等功能。與數(shù)字式執(zhí)行器配合，可就地構(gòu)制、診斷等功能。與數(shù)字式執(zhí)行器配合，可就地構(gòu)成控制回路，并隨時(shí)與上位機(jī)通訊。成控制回路，并隨時(shí)與上位機(jī)通訊。2.3.4.1 3051C HART變送器變送器3051型差壓變送器是美國羅斯蒙特公司的一種型差壓變送器是美國羅斯蒙特公司的一種智能型兩線制變送器，即可輸出模擬信號(hào)，又可輸智能型兩線制變送器，即可輸出模擬信號(hào)，又可輸出數(shù)字信號(hào)，有電容式和壓電式兩種。出數(shù)字信號(hào)，有電容式和壓電式兩種。圖圖2.44是是 3051C 電容式變送器的原理框圖。電容式變送器的原理框圖。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 傳感部分仍是模擬器件，后級(jí)電路則可將測(cè)量傳感部分仍是模擬器件，后級(jí)電路則可將測(cè)量信號(hào)經(jīng)信號(hào)經(jīng)A AD D轉(zhuǎn)換后送微處理器處理，輸出符合轉(zhuǎn)換后送微處理器處理，輸出符合HARTHART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)疊加在協(xié)議的數(shù)字信號(hào)疊加在420mA的輸出信號(hào)上。的輸出信號(hào)上。3051C HART變送器變送器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章3051型差壓變送器可同時(shí)用于數(shù)字控制系統(tǒng)和模型差壓變送器可同時(shí)用于數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬控制系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)設(shè)定器跨接在信號(hào)線上，可以讀擬控制系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)設(shè)定器跨接在信號(hào)線上，可以讀取變送器的輸出信號(hào)，并對(duì)變送器進(jìn)行組態(tài)。取變送器的輸出信號(hào)，并對(duì)變送器進(jìn)行組態(tài)。3051C HART變送器變送器過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章智能式差壓變送器參數(shù)設(shè)定智能式差壓變送器參數(shù)設(shè)定過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章1、儀表類型的選擇、儀表類型的選擇根據(jù)工藝條件正確選用儀表類型是保證儀表正根據(jù)工藝條件正確選用儀表類型是保證儀表正常工作及安全生產(chǎn)的重要前提。常工作及安全生產(chǎn)的重要前提。例如：例如：1）信號(hào)是否需要遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄或報(bào)警；）信號(hào)是否需要遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄或報(bào)警；2）被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性能（諸如腐蝕性、）被測(cè)介質(zhì)的物理化學(xué)性能（諸如腐蝕性、溫度高低、粘度大小、臟污程度、易燃易爆性能等）溫度高低、粘度大小、臟污程度、易燃易爆性能等）是否對(duì)測(cè)量儀表提出特殊要求；是否對(duì)測(cè)量儀表提出特殊要求；3）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件（諸如高溫、電磁場(chǎng)、振動(dòng)）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件（諸如高溫、電磁場(chǎng)、振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)安裝條件等）對(duì)儀表類型有否特殊要求等。及現(xiàn)場(chǎng)安裝條件等）對(duì)儀表類型有否特殊要求等。壓力表的選擇、安裝與校驗(yàn)壓力表的選擇、安裝與校驗(yàn)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章例如，普通壓力計(jì)的彈簧管大多采用銅合金，例如，普通壓力計(jì)的彈簧管大多采用銅合金，而氨用壓力計(jì)彈簧管的材料卻都采用碳鋼，不允許而氨用壓力計(jì)彈簧管的材料卻都采用碳鋼，不允許采用銅合金。因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕極強(qiáng)，普通壓力采用銅合金。因?yàn)榘睔鈱?duì)銅的腐蝕極強(qiáng)，普通壓力計(jì)用于氨氣壓力測(cè)量時(shí)很快就要損壞。計(jì)用于氨氣壓力測(cè)量時(shí)很快就要損壞。又如氧氣壓力計(jì)與普通壓力計(jì)在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上又如氧氣壓力計(jì)與普通壓力計(jì)在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上完全相同，但是氧用壓力計(jì)禁油。因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣完全相同，但是氧用壓力計(jì)禁油。因?yàn)橛瓦M(jìn)入氧氣系統(tǒng)易引起爆炸。所以，氧用壓力計(jì)校驗(yàn)時(shí)，不用系統(tǒng)易引起爆炸。所以，氧用壓力計(jì)校驗(yàn)時(shí)，不用變壓器油作為工作介質(zhì)。變壓器油作為工作介質(zhì)。隔膜式隔膜式電容式電容式真空式真空式電接點(diǎn)式電接點(diǎn)式過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章2 2、儀表測(cè)量范圍的確定儀表測(cè)量范圍的確定 為為了了合合理理、經(jīng)經(jīng)濟(jì)濟(jì)地地使使用用儀儀表表，儀儀表表的的量量程程不不能能選選得得太太大大。同同時(shí)時(shí)，為為了了保保證證測(cè)測(cè)量量精精度度和和避避免免彈彈性性元元件件因因長長期期受受力力過過大大而而永永久久變變形形，被被測(cè)測(cè)參參數(shù)數(shù)的的最最小小值值不宜在零點(diǎn)附近，最大值不宜在滿點(diǎn)附近。不宜在零點(diǎn)附近，最大值不宜在滿點(diǎn)附近?！盎x表技術(shù)規(guī)定化工儀表技術(shù)規(guī)定”：對(duì)彈性式壓力表，最小被測(cè)壓對(duì)彈性式壓力表，最小被測(cè)壓力不低于儀表量程的力不低于儀表量程的1/3為宜，最大為宜，最大被測(cè)壓力不大于儀表量程的被測(cè)壓力不大于儀表量程的1/22/3（脈動(dòng)）（脈動(dòng)）或或2/33/4（穩(wěn)定）。（穩(wěn)定）。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章3 3、儀表精度的選取、儀表精度的選取儀儀表表精精度度是是根根據(jù)據(jù)生生產(chǎn)產(chǎn)工工藝藝上上所所允允許許的的最最大大測(cè)測(cè)量量誤誤差差來來確確定定的的。不不能能認(rèn)認(rèn)為為選選用用的的儀儀表表精精度度越越高高越越好好，應(yīng)應(yīng)在在滿滿足足工工藝藝要要求求的的前前提提下下，選選用用精精度度合合適適、價(jià)價(jià)廉廉耐用的儀表。耐用的儀表。例題例題 某某臺(tái)臺(tái)壓壓縮縮機(jī)機(jī)的的出出口口壓壓力力范范圍圍為為2528MPa。工工藝藝上上要要求求測(cè)測(cè)量量誤誤差差不不得得大大于于1MPa，能能就就地地觀觀察察，并并能能高高低低限限報(bào)報(bào)警警。試試正正確確選選用用一一臺(tái)臺(tái)壓壓力力表表，指指出出型型號(hào)號(hào)、精度與測(cè)量范圍。精度與測(cè)量范圍。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章要求條件為：要求條件為：被測(cè)脈動(dòng)壓力被測(cè)脈動(dòng)壓力2528MPa，測(cè)量，測(cè)量誤差誤差1MPa。就地觀察、高低限報(bào)警。就地觀察、高低限報(bào)警。解：解：1）確定儀表的量程）確定儀表的量程脈動(dòng)壓力對(duì)儀表壽命影響很大，上限值：脈動(dòng)壓力對(duì)儀表壽命影響很大，上限值：若若選選060MPa量量程程的的表表，則則被被測(cè)壓力最小值：測(cè)壓力最小值：25MPa/60MPa 1/3高于量程的高于量程的1/3，符合要求。，符合要求。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章故選精度等級(jí)為故選精度等級(jí)為1.5級(jí)的儀表。級(jí)的儀表。3）確定儀表型號(hào)）確定儀表型號(hào)根根據(jù)據(jù)就就地地觀觀察察及及高高低低限限報(bào)報(bào)警警的的要求，可選用電接點(diǎn)壓力表。要求，可選用電接點(diǎn)壓力表。答答：選選用用060MPa，1.5級(jí)級(jí)的的YX150型電接點(diǎn)壓力表。型電接點(diǎn)壓力表。2）確定儀表精度）確定儀表精度根據(jù)測(cè)量誤差的要求，可算得對(duì)儀表基本誤差根據(jù)測(cè)量誤差的要求，可算得對(duì)儀表基本誤差的要求為：的要求為：過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章4、壓力表的安裝壓力表的安裝壓力計(jì)的安裝正確與否，直接影響到測(cè)量結(jié)果壓力計(jì)的安裝正確與否，直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和壓力計(jì)的使用壽命。的準(zhǔn)確性和壓力計(jì)的使用壽命。1）測(cè)壓點(diǎn)的選擇）測(cè)壓點(diǎn)的選擇 選在被測(cè)介質(zhì)直線流選在被測(cè)介質(zhì)直線流動(dòng)的管段處，不要選在管路拐動(dòng)的管段處，不要選在管路拐彎、分叉或死角處。彎、分叉或死角處。應(yīng)使取壓點(diǎn)與流體流應(yīng)使取壓點(diǎn)與流體流動(dòng)方向垂直，取壓管內(nèi)端面與動(dòng)方向垂直，取壓管內(nèi)端面與設(shè)備內(nèi)壁平齊，不應(yīng)有凸出物設(shè)備內(nèi)壁平齊，不應(yīng)有凸出物或毛刺。或毛刺。Q過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章 測(cè)測(cè)量量液液體體壓壓力力時(shí)時(shí)，取取壓壓點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)應(yīng)在在管管道道下下部部，使使導(dǎo)導(dǎo)壓壓管管內(nèi)內(nèi)不不積積存存氣氣體體；測(cè)測(cè)量量氣氣體體壓壓力力時(shí)時(shí)，取取壓壓點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)應(yīng)在管道上方，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。在管道上方，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。2）取壓口到壓力計(jì)之間應(yīng)裝有切斷閥，以備取壓口到壓力計(jì)之間應(yīng)裝有切斷閥，以備檢修壓力計(jì)時(shí)使用。切斷閥應(yīng)裝在取壓口附近。檢修壓力計(jì)時(shí)使用。切斷閥應(yīng)裝在取壓口附近。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章1-壓力計(jì)壓力計(jì)2-切斷閥切斷閥3-凝液管凝液管4-取壓容器取壓容器3-隔離罐隔離罐3）測(cè)蒸汽壓力時(shí)，應(yīng)加裝凝液管，如圖）測(cè)蒸汽壓力時(shí)，應(yīng)加裝凝液管，如圖(a)，以防止高溫蒸汽直接與測(cè)壓元件接觸。以防止高溫蒸汽直接與測(cè)壓元件接觸。4）測(cè)腐蝕性介質(zhì)的壓力時(shí)，應(yīng)裝有中性介質(zhì)）測(cè)腐蝕性介質(zhì)的壓力時(shí)，應(yīng)裝有中性介質(zhì)的隔離罐。如圖（的隔離罐。如圖（b）表示了被測(cè)介質(zhì)密度）表示了被測(cè)介質(zhì)密度2大于和大于和小于隔離液密度小于隔離液密度1的兩種情況。的兩種情況。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章5、壓力表的校驗(yàn)、壓力表的校驗(yàn)1）用活塞式壓力計(jì)的砝碼校驗(yàn)。）用活塞式壓力計(jì)的砝碼校驗(yàn)。2）用標(biāo)準(zhǔn)壓力表表校驗(yàn)。）用標(biāo)準(zhǔn)壓力表表校驗(yàn)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第2章章小結(jié)：小結(jié)：作業(yè)作業(yè)(P70)：第第2.12、2.15、2.16題題壓力測(cè)量壓力測(cè)量彈簧管壓力表彈簧管壓力表電容式差壓變送器電容式差壓變送器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器壓力計(jì)的壓力計(jì)的選擇安裝選擇安裝