弱信号检测技术课件第四章过程参数检测技术.ppt

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1、1,第四章 过程参数检测技术,第一节 压力的检测第二节 物位的检测第三节 温度的检测第四节 流量的检测第五节 物质成分的检测第六节 机械量的检测,2,第三章 过程参数检测技术,第一节 压力的检测,一、压力检测方法及分类,重力平衡方法,机械力平衡方法：将压力转换成集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力间接测量压力,弹性力平衡方法：利用弹性元件的弹性变形特性进行测量,物性测量方法,液柱式压力计：上限0.10.2MPa,精度0.15负荷式压力计：范围宽，精度高，0.01,电测式压力计：将被测压力直接转换为各种电量测量其他新型压力计：集成压力计、光纤压力计,3,二、常用压力检测仪表,1、弹性压力

2、计,弹性元件是仪表的核心部分，其作用是感受压力并产生弹性变形，弹性元件采用的形式要根据测量要求选择和设计；,变换放大机构的作用是将弹性元件的变形进行变换和放大；指示机构如指针与刻度标尺，用于给出压力示值；调整机构是用于调整仪表的零点和量程。,弹性膜片波纹管弹簧管,弹簧管压力计：测压范围：105109Pa,精度0.1波纹管差压计：弹性测压计：电位器式、霍尔元件式,4,2、力平衡式压力计,采用反馈力平衡的原理，反馈力的平衡方式可以是弹性力平衡或电磁力平衡等。,被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，它感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用于力平衡系统，力平衡系统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测

3、器输出偏差值至放大器；放大器将信号放大并输出电流(或电压)信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构，使之产生反馈力；当反馈力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出与被测压力或压差相对应的信号。,5,3、压力传感器,能够检测压力值并提供远传信号的装置称为压力传感器,应变式压力传感器压阻式压力传感器电容式压力传感器压电式压力传感器振频式压力传感器集成式压力传感器光纤式压力传感器,6,三、压力检测实例1,基于光纤的压力检测,7,三、压力检测实例2,压电式压力传感器,根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片

4、5及导电片6组成。当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,1,2,3,4,5,6,p,压电式测压传感器原理图,F作用于压电片上的力；d11压电系数；P压强，；S膜片的有效面积。,8,测压传感器的输入量为压力P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：电荷灵敏度 电压灵敏度 根据（5.4-42）式，电荷灵敏度可表示为因为，所以电压灵敏度也可表示为,式中 U0压电片输出电压；C0压电片等效电容。,9,案例：电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,三、压力检测实例3,10,第二节 物位的检测,一、物位定义及分类

5、,1、物位的定义“物位”指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下的定义。(1)液位 指设备和容器中液体介质表面的高低。(2)料位 指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。(3)界位 指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液固相界面。液液、液固相界面的位置简称界位。物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。,11,2、物位检测仪表分类按测量方式：连续测量和定点测量 按工作原理：直读式、压力式、浮力式、机械式、电气式等。(1)直读式

6、：采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指不。主要用于液位检测和压力较低的场合。(2)静压式：基于流体静力学原理，适用于液位检测。容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。(3)浮力式：基于阿基米德定律，适用于液位检测。漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而检测液位。(4)机械接触式：通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。这类仪表有重锤式、旋冀式和音叉式等。(5)电气式：将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化时其电气参数如

7、电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知物位。(6)其他物位检测方法如声学式、射线式、光纤式、激光式等,12,二、常用物位检测仪表,1、浮子式液位检测仪表,作为检测元件的浮子漂浮在液面上，浮子随着液面的变化而上下移动，其所受浮力的大小保持一定，检测浮子所在位置可知液面高低。浮子的形状常见有圆盘形、圆柱形和球形等，其结构根据使用条件和使用要求设计。,若圆柱形浮子的外直径为D、浮子浸入液体的高度为h、液体密度为o则其所受浮力F为,此浮力与浮子的重量减去绳带向上的拉力相平衡。当液位发生变化时，浮子浸入液体的深度将改变，所受浮力亦变化。浮力变化F与液位变化H的关系：,13,2、电容式物位计,可

8、见传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。,14,3、超声式物位计,回波反射式超声波物位计原理：利用发射的超声波脉冲将由被测物料的表面反射，测量从发射超声波到接收回波所需的时间，求出从探头到分界面的距离，进而测得物位。,设c为超声波在被测介质中的传播速度，t为从发射超声波到接收回波所需的时间，则测得液位H:,注意：超声波在介质中的传播速度易受介质的温度、成分等变化的影响，是影响物位测量的主要因素，需要进行补偿。通常可在超声换能器附近安装湿度传感器，自动补偿声速因温度变化对物位测量的影响。还可使用校正器，定期校正声速。,15,4、光纤式物位计,16,三、物位检测实例,联合站注水水源井的无线遥

9、控系统,由主控站和各水源井测控箱两大部分组成。主控站以工控机作为主机，对各个水源井的现场状态、数据进行遥测和远程遥控开关机，还可对注水罐、消防罐、净化污水罐的水位和注水主干线的压力进行检测，主控站与各水源井之间由无线电台进行通信，具备打印报表和网络传输功能。水源井测控箱对水源井的压力、流速、流量、液面、电压、电流、功率进行检测，还可对电机的过载、缺相、过热、三相不平衡、逆相进行检测，具有电机软启动和遥控启停功能，由无线电台控制其工作。,17,18,第三节 温度的检测,一、测温原理及方法,温度测量方式有接触式和非接触式测温两大类。采用接触式测温时，依靠传热和对流进行热交换，二者需要良好的热接触，

10、以获得较高的测量精度。但是它往往会破坏被测对象的热平衡，存在置人误差。由于测量环境特点，对温度敏感元件的结构和性能要求较高。采用非接触式测温方法，是通过热辐射进行热交换，或温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度。特点是测温响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。,温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。温度测量原理是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性

11、为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。,19,常用温度检测方法,20,二、接触式测温,热电偶测温热电阻测温热敏电阻光纤温度传感器液晶温度传感器分布温度传感器双金属温度传感器集成温度传感器,21,三、非接触式测温,在工业生产中，有些场合是利用非接触式温度传感器测量温度，其优点：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。近年来，这种温度传感器在国外发展迅猛。l辐射高温计 是发展得较早的一类非接触式温度传感器，常用来测量 1000以上高温。它可分为四种：光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。2光谱高温计

12、 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计、其测量范围为4006000，它是采用电子化自动跟踪系统，保证有足够准确的精度进行自动测量。,22,3超声波温度传感器 特点是响应快（约为10ms左右），方向性强。目前国外已有可测到5000的产品。4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。据报导，美、日、英等国均在致力于将其应用到科研工程，如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度,精度为1。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，是专门用于核聚变研究的。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千开（K）的高温。,23,四、设计实例,温控

13、系统,电气接口：、电源：AC220V，50Hz、加热控制部分（选用固态继电 器）：开始加热 35停止加热 加热器电气接口：1000，AC220V，50Hz、散热控制部分（选用固态继电器）：50开始散热 40停止散热 加热器电气接口：200，AC220V，50Hz4、对外接线方式：8芯接线柱，AC220V，10A；主用3对（AC220V电源输入、AC220V加热输出、AC220V散热输出），备用一对。,24,第四节 流量的检测,qv=vAF,如果介质的密度为，那么质量流量：qm=qv,流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度是均匀的，流过

14、该单元面积上的体积流量为,qv=vAF,整个截面上的流量qv为,一、流量的概念,AF为流通截面面积,25,流量计分类,26,二、体积流量检测方法,是直接根据排出体积进行流量累计的仪表，它利用运动元件的往复次数或转速与流体的连续排出量成比例对被测流体进行连续的检测。容积式流量计可计量各种液体和气体的累积流量，由于这种流量计可以精密测量体积量，所以其类型包括从小型的家用煤气表到大容积的石油和天然气计量仪表。组成：测量室、运动部件、传动和显示部件。测量室是具有固定标准容积的测量主体，由流量计内部的运动部件与壳体构成。在流体进、出口压力差的作用下，运动部件不断地将充满在测量室中的流体从入口排向出口。假

15、定测量室的固定容积为V，某一时间间隔内经过流量计排出流体的固定容积数为n，则被测流体的体积总量Q可知。容积流量计的流量方程式可以表示为：计数器通过传动机构测出运动部件的转数，n即可知，从而得出通过流量计的流体总量。在测量较小流量时，要考虑泄漏量的影响，通常仪表有最小流量的测量限度。,1、容积式流量计,27,基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生压力差，此压力差与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值求得流体流量。最常用的差压式流量计是由产生差压的装置和差压计组合而成。流体流过差压产生装置形成静压差，由差压计测得差压值，并转换为流量信号输出。产生差压的装置有多种型式，包括节

16、流装置：如孔板、喷嘴、文丘利管等，以及动压管、均速管、弯管等。其他型式的差压式流量计还有浮子流量计、靶式流量计等。,2、差压式流量计,节流式流量计：用于测量液体、气体或蒸汽的流量。,均速管流量计：基于动压管测速原理发展而成的一种流量计，流体流经均速管产生差压信号，该信号与流体流量有确定关系，经过差压计可测出流体流量。,弯管流量计：当流体通过管道弯头时，受到角加速的作用而产生的离心力会在弯头的外半径侧与内半径侧之间形成差压，此差压的平方根与流体流量成正比。,28,3、速度式流量计,基于与流体流速有关的各种物理现象，仪表的输出与流速有确定的关系，即可知流体的体积流量。工业生产中使用的速度式流量计种

17、类很多，新的品种也不断开发，它们各有特点和适用范围。,涡轮流量计是利用安装在管道中可以自由转动的叶轮感受流体的速度变化，从而测定管道内的流体流量。涡街流量计属旋涡流量计类型，它是利用流体振荡的原理进行流量测量。当流体流过非流线型阻挡体时会产生稳定的旋涡，旋涡的产生频率与流体流速有着确定的对应关系，测量频率的变化，就可以得知流体的流量。电磁流量计用于测量具有导电性的液体介质流量，基于电磁感应原理，导电流体在磁场中垂直于磁力线方向流过，在流通管道两侧的电极上将产生感应电势，感应电势的大小与流体速度有关，通过测量此电势可求得流体流量。超声流量计利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量。超声波在流体中

18、传播，将受到流体速度的影响，检测接收的超声波信号可以测知流速，从而求得流体流量。,29,三、质量流量检测方法,又称为推导式质量流量计。采用密度或温度、压力补偿的办法，在测量体积流量的同时，测量流体的密度或流体的温度、压力值，再通过运算求得质量流量。,1、间接式质量流量计,体积流量计与密度计的组合方式,差压式流量计与密度计的组合其他体积流量计与密度计组合,体积流量计与体积流量计的组合方式,温度、压力补偿式质量流量计 流体密度是温度、压力的函数，通过测量流体温度和压力，与体积流量测量组合可求出流体质量流量。,30,直接输出与质量流量相对应的信号，反映质量流量的大小。其测量不受流体的温度、压为、密度

19、变化的影响。,2、直接式质量流量计,简称科氏力流量计，它是利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的测量原理。科氏力流量计由检测科里奥利力的传感器与转换器组成。,科里奥利质量流量计,基于流体中热传递和热转移与流体质量流量的关系。其工作机理是利用外热源对被测流体加热，测量因流体流动造成的温度场变化，从而测得流体的质量流量。,热式质量流量计,用于测量自由落下的固体粉料的质量流量。冲量式流量计由冲量传感器及显示仪表组成。冲量传感器感受被测介质的冲力，经转换放大输出与质量流量成比例的标准信号。,冲量式流量计,31,四、流量检测实例,利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度不同来进行

20、测量。在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。根据这个关系，便可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。此种流量计可以测量各种液体的流速。中压和低压气体的流速,不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。,同理，可用于直接测量随海洋深度而变化的声速分布。即以一定距离放置两个正对着的陶瓷换能器，一个为发射器、一个为接收器。根据测定的发射和接收的相位差随深度的变化，即可得到声速随深度的分布情况。,32,光纤多普勒流速计

21、下图为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大功率的Ar激光器（出射光功率为2W，=514.5nm）以提高信噪比。光纤多普勒流速计的特点是非接触测量，不会影响待测物体的流动状态。,光纤多谱勒流量计结构,探测器,频谱,分析仪,He-Ne激光器,1,2,3,4,5,6,7,8,1、3 分束器；2 反射镜；4 透镜；5 流体管道；6 窗口；7、8 光纤,33,第五节 物质成分的检测,一、物质成分检测方法,定期取样检测：通过实验室测定的实验室检测方法连续现场检测：连续测定被测物质的含量或性质的自动检测(1)电化学式，如电导式、电量式、电位式、电解式、酸度

22、计、离子浓度计等；(2)热学式，如热导式、热谱式、热化学式等；(3)磁学式，如磁式氧分析器、核磁共振分析仪等：(4)射线式，如X射线分忻仪、射线分析仪、同位素分析仪、微波分析仪等；(5)光学式，如红外、紫外等吸收式光学分析仪，光散射、光干涉式光学分析仪等；(6)电子光学式和离子光学式，如电子探针、离子探针、质谱仪等(7)色谱式，如气相色谱仪、液相色诺仪等；(8)物性测量仪表，如水分计、粘度计、密度计、湿度计、尘量计(9)其他，如晶体振荡式分析仪、半导体气敏传感器等。,34,二、气体成分检测,是使用最早的一种物理式气体分析器，通过检测混合气体导热系数变化得知待测组分含量。被测气体组分含量变化时，

23、将引起导热系数变化，从而间接得知待测组分含量。设待测组分的浓度为C1，相应的导热系数为1混合气体中其他组分的导热系数近似相等，2 3 n，则,1、热导式气体分析器,测量多组分某一气体组分的含量必须满足两个条件：混合气体中除待测组分外，其余各组分的导热系数应相同或十分接近。待测组分的的导热系数与其余组分的导热系数要有显著的差别，差别越大，灵敏度越高，即待测组分浓度变化引起混合气体的变化就越大。,35,热导池是用导热良好的金属制成的长圆柱形小室，室内装有一根细的铂或钨电阻丝,电阻丝与腔体有良好的绝缘。电源供给热丝恒定电流，使之维持一定的温度tn，tn高于室壁温度tc，被测气体从小室下部引入,从小室

24、上部排出,热丝的热量通过混合气体向室壁传递。热导池一般放在恒温装置中，故室壁温度恒定，热丝的热平衡温度将随被测气体的热导率变化而改变。热丝温度的变化使其电阻值亦发生变化，通过电阻变化的可得知气体组分的变化。,36,2、热磁式气体分析器,是利用被测气体混合物待测组分比其他气体有高得多的磁化率，以及磁化率随温度的升高而降低等热磁效应来检测待测气体组分含量的原理制成的。它主要用来检测混合气体的氧含量，测量范围为百分之百，具有反应快、稳定性好等特点。,热磁式氧气体分析仪,主要是利用氧的磁特性工作的，如氧气比其他组分的磁化率大得多，并且其他组分的磁化率近似相等，随着温度的升高。气体的磁化率迅速下降。,氧

25、化锆式氧量体分析仪,属于电化学分析方法这种分析器的优点是灵敏度高、稳定性好、响应快、测量范围宽(从106到百分含量)，而且不需要复杂的采样和预处理系统，它的探头可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。,37,浓差电池的左侧为被测气体右侧为参比气体，参比气体一般为空气。当两侧气体的氧分压不同时，吸附在电极上的氧分子离解得到4个电子，形成两个O 2，进入固体电解质中，在高温下，氧离子从高浓度向低浓度转移而产生电势。,氧化锆分析器正常工作的必要条件：(1)工作温度要恒定，传感器要有温度调节控制的环节，一般工作温度保持在T850，此时仪表灵敏度最高。工作温度T的变化直接影响氧浓差电势E的大小，传感

26、器还应有温度补偿环节。(2)必须要有参比气体，参比气体的氧含量要稳定不变。二者氧含量差别越大，仪表灵敏度越高。例如用氧化锆分析器分析烟气的氧含量时，以空气为参比气体时，被测气体氧含量为34，传感器可以有几十毫伏的输出。(3)参比气体与被测气体压力应该相等，仪表可以直接以氧浓度刻度。,38,属于光学分析仪表中的一种。它是利用不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性来进行分析的。这类仪表的特点是测量范围宽；灵敏度高，能分析的气体体积分数可到106(ppm级)；反应速度快、选择性好。红外线气体分析器常用于连续分析混合气体中CO、CO2、CH4、NH3等气体的浓度。大部分有机和无机气体在红外波段

27、内有其特征的吸收峰，下图为一些气体的吸收光谱，红外线气体分析器主要利用225m之间的一段红外光谱。,3、红外线气体分析器,5半导体体分析器4质谱分析仪,39,三、湿度和含水量检测,电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极，通过浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多，工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，

28、利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。,1、湿度检测,40,2、含水量检测,电导法固体物质的含水量与其导电性存在一定的关系，含水量高，导电性好。通常采用不平衡电桥方法测量。称重法采用红外线灯为加热源，照射被测物质使其水分完全蒸发，即烘干。用电子称称出烘干前后的重量W1和W2，则得到含水量红外吸收法是根据水分对1.94m波长的红外线具有较强的吸收，而水分对1.81m波长的红外线几乎不吸收的特性进行测量的方法。用这两种波长的滤光片对红外光进行轮流切换，根据被测物对这两种波长的能量的吸收比值，判断含水量。,41,3、pH值检测,pH值

29、表示水的酸碱性的强弱，而酸度或碱度是水中所含酸性或碱性物质的含量。测定水的pH值采用玻璃电极法，它是以pH玻璃电极为指示电极，饱和甘汞电极为参比电极，将二者与被测极组成原电池，其电动势为：E电池=甘汞玻璃式中E电池为饱和甘汞电极的电极电位，不随被测溶液中氢离子浓度变化，可视为定值；甘汞为玻璃电极电位，随被测溶液中氢离子浓度变化而变化。用能斯特方程式表示为（25时）E电池甘汞（00.059lg）=K+0.059pH可见，只要测得E电池，即得到溶液的pH值。pH7为中性溶液；pH7为碱性溶液；pH7为酸性溶液。,42,四、成分检测实例,酒精测试仪,43,防酒后驾车汽车点火电路,44,颗 粒 产 品

30、,处理 易潮材料 对 空气质量 的要求 更高,纸 品,纺 织 品,能源耗费高,最佳 产品质量,产生静电,RH 高,RH 低,喷 漆 生 产 线,漆面过湿,最佳 产品质量,漆面过干,确定油漆中的水份含量需要非常精确的RH值!,最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 生产过程的空气质量,45,相对湿度,温度,持续时间,.表面张力,起始:90%rH,结束:40%rH,1吨橡木含有:500 公升水份,90C=恒温.,20 天,精确的 烘干工艺.,.应用于 高品质木材,防止.,.导致变形,.影响木材表面 光洁度,鼓风机,排出冷凝水份,空气冷却器,隔热层,待烘干木堆,最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域

31、 木材烘干,46,.产生气孔,精确的 烘干工艺.,用于制造 最优品质的砖块,避免.,.变形,每一块已干的砖块含有75%的水份,一次烘干处理（预干）,空气加热设备,起始:95%rH20C 结束:40%rH50C,二次烘干处理（主要阶段）,起始:40%rH80C 结束:20%rH110C,为何选择Testo 650 PHT温湿度变送器?温度量程高达 180C 涵盖所有烘干工艺所需温度 工作压力 10 bar(150 psi)使用范围广，性能稳定 操作简便 低维护成本,每片已干燥砖块含20%的水份,最终效果:,烘干房顶端,管道(防止冷凝物反向进入致使机械受损),最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 砖块烘干,47,第四节 机械量的检测,一、模拟式位移检测,1、电容式位移检测方法2、电感式位移检测方法3、差动变压器位移检测方法4、光纤位移检测方法,48,二、光学数字式位移检测,1、光栅标尺2、莫尔条纹标尺3、激光扫描测长与图像检测,三、转速检测,1、离心力检测法2、光电码盘转速检测法3、空间滤波器式检测法,49,四、力的检测弹性变形传感器,1、金属应变元件2、半导体应变元件3、压电元件,五、加速度与振动检测,1、加速度检测法（弹簧质量系统）2、动电型振动检测法（磁电）3、微机械加速度传感器（压阻、压电）,