热工仪表及自动化讲义

1、主要内容 一、概述 二、压力、温度、流量、液位参数的测量 原理及仪表 三、自动控制基础知识 1 一、概述 在热电生产中，热工测量是热力过程控制系统的一个组成部分。热工 测量在控制系统中具有重要地位，通过热工参数测量，可及时反映热 力设备的运行工况，为运行人员提供操作依据；为热工自动化装置准 确及时的提供信号；为运行的经济性计算提供数据。因此，热工测量 是保证热力设备安全，经济运行及实现自动化的必要条件，亦是经济 管理、环境保护，研究新型热力生产系统和设备的重要条件。其质量 的好坏直接影响着自动过程的水平。 随着热源厂自动化水平的日益提高，对热工测量的准确性及可靠性要 求也越来越高，测点数目也越

2、来越多，并且随着新材料及及技术的使 用，新型测量仪表不断涌现，需使用DCS对大量测量数据进行处理。 在热源厂的运行中， 要求整个测量系统长期处于投入状态，能正确而 及时的反映设备的运行工况，并改善运行人员的劳动条件。所以从事 热工测量工作的技术人员必须充分熟悉热工测量仪表及系统，掌握测 量方法，对热力设备（被测对象）的结构和性能也要有一定的了解。 由于测量中总存在着测量偏差，我们工作任务之一就是要尽量使之减 小。 2 二、热工参数的测量原理及仪表 现场仪表测量参数的分类： 现场仪表测量参数一般分为压力、温 度、流量、液位四大参数。 下面就着重介绍一下这四大参数的测 量原理，以及测量这四大参数所

3、运用的仪 表。 3 1、 压力的测量与变送 在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或 真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压 是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即： P表=P绝-P大 负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压 力之差，即： P真 =P大-P绝 绝对压力、表压力、大气压力、负压力（真空度）之 间的关系如下图所示。因为各种工艺设备和测量仪表都处 于大气中，所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的 大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表 压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因此，在工程 上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。 4 1、

4、 压力的测量与变送 5 P表压 P负压（真空） P绝压 P绝压 大气压力线 大气压、表压、绝压、负压（真空）之间的关系图大气压、表压、绝压、负压（真空）之间的关系图 标准大气压标准大气压=760毫米汞毫米汞 柱柱 =1.013105帕斯卡帕斯卡 =10.336米水柱。米水柱。 1、 压力的测量与变送 压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方 法和仪表有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的法和仪表有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的 平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞

5、式压力计；将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件）式压力计；将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件） 转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电 磁力或气动力）来平衡这个未知的集中力，然后通过对外磁力或气动力）来平衡这个未知的集中力，然后通过对外 界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压 力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后 产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属

6、于这类应用 方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，可分为薄膜方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，可分为薄膜 式，波纹管式，弹簧管式压力表；通过机械和电子元件将式，波纹管式，弹簧管式压力表；通过机械和电子元件将 被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来 测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式 和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。 6 1、 压力的测量与变送 目前，工业生产中应用中广泛的一种压力测量仪表是目前，工业生产中应用

7、中广泛的一种压力测量仪表是 弹性元件。根据测压范围不同，常用的测压元件有单圈弹弹性元件。根据测压范围不同，常用的测压元件有单圈弹 簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被测介质簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被测介质 压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位 移，能过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信移，能过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信 号，以远传显示，报警或调节用。号，以远传显示，报警或调节用。 7 1、 压力的测量与变送 主要压力检测仪表：主要压力检测仪表： （1 1）弹簧管压力表）弹簧管压力表

8、 弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之 一，它有着极为广泛的应用价值一，它有着极为广泛的应用价值 ，它具有结构简单，它具有结构简单， 品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格 低廉等特点。弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。低廉等特点。弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。 它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿 轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外 壳等几部份组成，如下图所示。弹簧管是一端封闭并

9、壳等几部份组成，如下图所示。弹簧管是一端封闭并 弯成弯成270270度圆孤形的空心管子度圆孤形的空心管子 。 8 1、 压力的测量与变送 9 弹簧管压力表 1、弹簧管 2拉杆 3、扇型齿轮 3、中心齿轮 5、指针 6、面板 7、游丝 8、调整螺钉 9 接头 a b 1、 压力的测量与变送 它的截面呈扁圆形或椭圆形，椭圆的长轴它的截面呈扁圆形或椭圆形，椭圆的长轴2a2a与图面垂与图面垂 直的弹簧管的中心轴直的弹簧管的中心轴O O相平行。管子封闭的一端相平行。管子封闭的一端B B为自由端，为自由端， 即位移输出端；而另一端即位移输出端；而另一端A A则是固定的，作为被测压力的则是固定的，作为被测压

10、力的 输入端。当由它的固定端输入端。当由它的固定端A A通入被测压力通入被测压力P P后，由于呈椭圆后，由于呈椭圆 形截面的管子在压力形截面的管子在压力P P的作用下，将趋于圆形，弯成圆弧的作用下，将趋于圆形，弯成圆弧 形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，使自由端形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，使自由端B B发发 生位移。此时弹簧管的中心角生位移。此时弹簧管的中心角要随即减小要随即减小，也就是，也就是 自由端将由自由端将由B B移到移到B B，处，如图，处，如图2-3(b)2-3(b)上虚线所示。此位移上虚线所示。此位移 量就相应于某一压力值。自由端量就相应于某一压力值。自由端B B的

11、弹性变形位移通过拉的弹性变形位移通过拉 杆使扇形齿轮作逆时针偏转，使固定在中心齿轮轴上的指杆使扇形齿轮作逆时针偏转，使固定在中心齿轮轴上的指 针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测 压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中心角压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中心角 相对变化值相对变化值/与被测压力与被测压力P P之间具有比例关系，因此之间具有比例关系，因此 弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。 10 1、 压力的测量与变送 由上述可如，弹簧管自由端将随压力的增大而向外挺由上述可如，弹簧管

12、自由端将随压力的增大而向外挺 直的扩张形变，自由端产生微小位移。反之若管内压力小直的扩张形变，自由端产生微小位移。反之若管内压力小 于管外压力，则自由端将随负压的增大而向内弯曲。所以，于管外压力，则自由端将随负压的增大而向内弯曲。所以， 利用弹簧管不仅可以制成压力表，而且还可制成真空表或利用弹簧管不仅可以制成压力表，而且还可制成真空表或 压力真空表。压力真空表。 弹簧管压力表除普通型外，还有一些是具有特殊用途弹簧管压力表除普通型外，还有一些是具有特殊用途 的，例如耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧用压力表等。为的，例如耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧用压力表等。为 了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量

13、，常在其表壳、了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量，常在其表壳、 衬圈或表盘上涂以规定的色标，并注有特殊介质的名称，衬圈或表盘上涂以规定的色标，并注有特殊介质的名称， 使用时应予以注意。使用时应予以注意。 压力表在测量高于压力表在测量高于60的介质时，为防止弹性元件受的介质时，为防止弹性元件受 介质温度的影响而改变性能，一般应在压力表前加装冷凝介质温度的影响而改变性能，一般应在压力表前加装冷凝 弯管。弯管。 11 1、 压力的测量与变送 （2 2）应变式压力变送器）应变式压力变送器 应变式变送器以是以电为能源，它利用应变片作为转应变式变送器以是以电为能源，它利用应变片作为转 换元件，将被测压

14、力转换成应变片电阻值的变化，然后经换元件，将被测压力转换成应变片电阻值的变化，然后经 过桥式电路得到毫伏级的电量输出，供显示仪表显示被测过桥式电路得到毫伏级的电量输出，供显示仪表显示被测 压力或经放大电路转换成统一标准信号后，再传送到记录压力或经放大电路转换成统一标准信号后，再传送到记录 仪和调节器等仪表。仪和调节器等仪表。 应变片有金属电阻丝应变片应变片有金属电阻丝应变片( (金属丝粘贴在衬底上组金属丝粘贴在衬底上组 成的元件成的元件) )和半导体应变片两类。和半导体应变片两类。 根据电阻应变原理，应变片在压力作用下产生弹性变根据电阻应变原理，应变片在压力作用下产生弹性变 形形dL/L(dL

15、/L(即应变即应变e) e) ，其电阻值随之发生变化。如果已如，其电阻值随之发生变化。如果已如 应变片的电阻变化与其变形应变片的电阻变化与其变形( (即应变即应变) )的关系，那么，通过的关系，那么，通过 对应变片电阻变化的测量就可测知被测压力对应变片电阻变化的测量就可测知被测压力。 12 1、 压力的测量与变送 13 1、 压力的测量与变送 （3 3）单晶硅谐振式传感器单晶硅谐振式传感器 谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料上谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料上 制成两个完全一致的制成两个完全一致的H H型谐振梁，并以一定的频率产生振型谐振梁，并以一定的频率产生振 动。其谐

16、振频率取决于梁的长度及张力，而张力随压力的动。其谐振频率取决于梁的长度及张力，而张力随压力的 变化而变化，实现了压力变化转换成频率信号的变化，并变化而变化，实现了压力变化转换成频率信号的变化，并 采用了频率差分技术，将两个频率信号直接输出到脉冲计采用了频率差分技术，将两个频率信号直接输出到脉冲计 数器。从而使传感器具有误差小，重复性好、分解能力和数器。从而使传感器具有误差小，重复性好、分解能力和 反应灵敏度高、直接输出数字信号等特点。由于传感器良反应灵敏度高、直接输出数字信号等特点。由于传感器良 好的特性，可使变送器几乎不受静压和温度的影响，而且好的特性，可使变送器几乎不受静压和温度的影响，而

17、且 具有优良的过压性能和范围较宽的量程。具有优良的过压性能和范围较宽的量程。 14 1、 压力的测量与变送 15 基础基础 振子振子 引伸张力引伸张力 硅膜片硅膜片 过程压力过程压力 变送器工作原理图 1、 压力的测量与变送 （4 4）电容式传感器电容式传感器 16 S S0S0 S2S1 图2-19膜片位移原理图 420 mA 放大电 路 原理：P变化 C差动电容 电流的变化 1、 压力的测量与变送 17 原 1、 压力的测量与变送 18 原 1、 压力的测量与变送 压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质 的性质，现场

18、环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确的性质，现场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确 定是否需要带有远传、报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和定是否需要带有远传、报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和 有效的目的。有效的目的。 1 1类型的选用类型的选用 仪表类型的选用必须满足工业生产的要求。例仪表类型的选用必须满足工业生产的要求。例 如是否需要远传变送、如是否需要远传变送、 自动记录或报警；被测介质的物理化学性质自动记录或报警；被测介质的物理化学性质 ( (如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、 易燃易爆等易燃易爆等)

19、)是否对是否对 仪表提出特殊要求；现场环境条件仪表提出特殊要求；现场环境条件 ( (如高温、电磁场、振动等如高温、电磁场、振动等) )对仪对仪 表有否特殊要求等。表有否特殊要求等。 普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金，高压的也有采用碳钢，普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金，高压的也有采用碳钢， 而氨用压力表的弹簧管材料都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨而氨用压力表的弹簧管材料都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨 气对铜的腐蚀极强，所以普通压力表用于氨气压力测量很快就要损坏。气对铜的腐蚀极强，所以普通压力表用于氨气压力测量很快就要损坏。 氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同，只是氧用压

20、氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同，只是氧用压 力表禁油。因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果必须采用现有的带力表禁油。因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果必须采用现有的带 油污的压力表测量氧气压力时，使用前必须用四氯化碳反复清洗，认油污的压力表测量氧气压力时，使用前必须用四氯化碳反复清洗，认 真检查直到无油污为止。真检查直到无油污为止。 19 1、 压力的测量与变送 2 2测量范围的确定测量范围的确定 仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性式压仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性式压 力表，为保证弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作，量程力表，为保证

21、弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作，量程 的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值。在测量稳定压力时，的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值。在测量稳定压力时， 最大工作压力不应超过量程的最大工作压力不应超过量程的2/32/3；测量脉动压力时，最大工作压力；测量脉动压力时，最大工作压力 不超过量程的不超过量程的1/21/2； 测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的 3/53/5。 为了保证测量的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限为了保证测量的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限 值值 ，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压

22、力的最小值应不低，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值应不低 于量程的于量程的1/31/3。 按上述要求算出后，实取稍大的相邻系列值，一般可在相应的产按上述要求算出后，实取稍大的相邻系列值，一般可在相应的产 品目录申查到。品目录申查到。 3 3精度级的选取精度级的选取 仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。此仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。此 外，在满足工艺要求的前提下，还要考虑经济性，即尽可能选用精度外，在满足工艺要求的前提下，还要考虑经济性，即尽可能选用精度 较低、价廉耐用的仪表。较低、价廉耐用的仪表。 20 2、 温度的测量与变送 在选用

23、测温仪表解决现场测温问题时，首先要分析被测对象特点 及状态，然后根据现有温度计的特点及其技术指标确定选用的类型。 一般应考虑以下几个方面: 1仪表的可能测温范围及常用测温范围，是否符合被测对象的温 度变化范围的要求; 2仪表的精度、稳定性、响应时间是否适应测温要求; 3根据测量场所有无冲击、振动及电磁场，来考虑仪表的防震、 防冲击、抗干扰性能是否良好; 4仪表输出信号能否自动记录和远传; 5仪表的防腐性、防爆性和连续使用期限，是否满足被测对象的 要求; 6电源电压、频率变化及环境温度变化对仪表示值的影响程度; 7测温元件的体积大小是否适当; 8仪表使用是否方便、安装维护是否容易。 21 2、

24、温度的测量与变送 温度是工业生产中既普遍而又十分重要的参 数之一。工业生产过程，大都伴随着物质的物理 和化学性质的改变，都必然有能量的转化和交换， 而热交换则是这些能量转换中最普遍的交换形式。 因此，在很多生产过程中，温度的测量和控制， 常常是保证这些生产过程正常进行与安全运行的 重要环节；它对产品产量和质量的提高都有很大 的影响。 22 2、 温度的测量与变送 温度测量仪表种类繁多，若按测量方式的不同，测温 仪表可分为接触式和非接触式两大类。前者感温元件与被 测介质直接接触，后者的感温元件却不与被测介质相接触。 接触式测温元件简单、可靠、测量精度较高；但是，由于 测温元件要与被测介质接触进行

25、充分的热交换才能达到热 平衡，因而产生了滞后现象，而且可能与被测介质产生化 学反应；另外高温材料的限制，接触式测温仪表不能应用 于很高温度的测量。而非接触式测温仪表不与被测介质接 触，因而其测温范围很广，其测温上限原则上不受限限制； 由于它是通过热辐射来测量温度的，所以不会破坏被测介 质的温度场，测温速度也较快，但是这种方法受到被测介 质至仪表之间的距离以及幅射通道上的水汽、烟雾、尘埃 等其它介质的影响，因此测量量精度较低。 23 2、 温度的测量与变送 下表列出了常用测温仪表的测温原理、测温范围和主要 特点。表中所列的各种温度计，机械式的大多只能就地指示， 幅射式的精度较差，只有电的测温仪表

26、精度高，且测温元件 很容易与温度变送器配用，转换成统一标准信号进行远传， 以实现对温度的自动记录和调节。因此，在生产过程控制中 应用最多的是热电偶和热电阻温度计。本节仅介绍这两种温 度计。 24 25 2、 温度的测量与变送 2.1 热电偶温度计 热电偶温度计由热电偶、电测部份 (动圈、数显仪表、 电位差计或DCS)及连接导线组成如图所示。由于热电偶的 性能稳定、结构简单、使用方便、测量范围广、有较高的 准确度，且能方便地将温度信号转换为电势信号，便于信 号的远传和多点集中测量，因而在工业生产中应用极为普 遍。 26 2 3 1 热电偶温度计测量线路 1、热电偶 2、连接导线 3、电测仪表 t

27、0t0 t AB 2、 温度的测量与变送 27 热电偶是由两根不同的导体或半导体材料(如上图中的A 和B)焊接或绞接而成。焊接的一端称为热电偶的热端(测量 端或工作端)，和导线连接的一端称为热电偶的冷端 (自由端)。 组成热电偶的两根导体或半导体称作热电极。把热电偶的热 端插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备的外面， 如果两端所处的温度不同(譬如，热端温度为t，冷瑞温度为 to)，则在热电偶回路中便会产生热电势E。该热电势E与热 电偶两端的温度t和to均E有关。如果保持t。不变，则热电势 E只是被测温度t的函数。用电测仪表测得E的数值后，便知 道被测温度t的大小。 2、 温度的测量与变送

28、 由于热电极的材料不同，不同热电极材料制成的热电偶在相同温 度下产生的热电势是不同的，这在各种热电偶的分度表中可以查到。 根据热电测温的基本原理，理论上似乎任意两种导体都可以组成热电 偶。但实际情况它们还必须进行严格的选择，热电极材料应满足如下 要求。 1在测温范围内其热电性质要稳定，不随时间变化。 2稳定性要高，即在高温下不被氧化和腐蚀。 3电阻温度系数要小，导电率要高，组成热电偶后产生的热电势要 大，热电势与温度间要成线性关系，这样有利于提高仪表的测量精度。 4复现性要好 (同种成分的材料制成的热电偶，其热电特性相一致 的性质称复现性)，这样便于成批生产，而且在使用上也可保证良好 的互换性

29、。 5 . 材料组织要均匀，要有良好的韧性，便于加工成丝。 28 2、 温度的测量与变送 国际电工委员会（IEC）对其中已被国际公认，性能 优良和产量最大的七种制定了标准，即IEC584-1和 IEC584-2中所规定的：S分度(铂铑10-铂)；B分度号 (铂铑 30-铂铑6)；K分度号(镍铬-镍硅)；E分度号(镍铬-康铜 )； T分度号 (铜-康铜)；J分度号（铁-康铜）； R分度号 (铂铑 13-铂)等热电偶。 热电偶根据测温条件和安装位置的不同，具有多种 结构型式。虽然它们的结构和外形不尽相同，但其基本结 构通常均由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部 分组成。 29 2、 温度的测

30、量与变送 30 2、 温度的测量与变送 2.2 热电阻温度计 热电阻温度计由热电阻、电测仪表 (动圈、数显仪表 或平衡电桥)和连按导线所组成，其中热电阻是感温元件， 有导体的和半导体两种。 热电阻温度计广泛用来测量中、低温 (一般为500 以下)。它的特点是准确度高，在测量中、低温时，它的 输出信号比热电偶要大得多，灵敏度高，同样可实现远传、 自动记录和多点测量。 31 2、 温度的测量与变送 热电阻的测温原理 金属导体的电阻值随温度的变比而变化的。一般说来， 他们之间的关系为: Rt=R01+(t-t0) Rt=Rt-R0=R0t 式中 Rt 温度为t时的电阻值; R0 温度为t0(通常为0

31、)时的电阻值; 电阻温度系数即温度变化1时电阻值的相对变 化量，单位是 / ; t 温度的变化量，即t-t。=t Rt 温度改变t时的电阻变化量。 32 2、 温度的测量与变送 由上可知，温度的变化，导致了导体电阻的变化。 实验证明，大多数金属导体在温度每升高1时，其电阻 值要增加0.4一0.6%，热电阻温度计就是把温度变化所引 起热电阻的变化值，通过测量电路 (电桥)转换成电压(毫 伏)信号，然后由显示仪表指示或记录被测温度。 热电阻温度计与热电偶温度计的测温原理是不相同 的。热电偶温度计把温度的变化通过感温元件热电偶 转换为热电势的变化值来测量温度的；而热电阻温度计则 是把温度的变化通过感

32、温元件热电阻转换为电阻的变 化来测量温度的。 33 2、 温度的测量与变送 对于制作热电阻丝的材料是有一定技术要求的，一 般应具有下列特性；电阻温度系数要大，则测量灵敏度就 高；热容量要小，则对温度变化的响应就快，即动态特性 较好；电阻率要大，则相同的电阻值下电阻体体积就小， 因而热容量也小；在整个测温范围内，具有稳定的物理和 化学性质；要容易加工，有良好的复制性，电阻与温度的 关系最好近于线性或为平滑的曲线，以便于分度和读数； 价格便宜等。根据具体情况，目前应用最广泛的是铂Pt和 铜Cu，分度号Pt100铂电阻和分度号Cu50铜电阻、分度号 Cu100铜电阻，分度号由热电阻材料的化学符号及热

33、电阻 0时的电阻值的数字组成。相应的分度表 (电 阻值与温 度对照表)可在相关资料中查到。热电阻测温元件是由电 阻体、保护套管以及接线盒等主要部件所组成。 34 3、 流量的测量与变送 在工业生产过程中，为了有效地进行生产操作和控制，经常需要在工业生产过程中，为了有效地进行生产操作和控制，经常需要 测量生产过程中各种介质测量生产过程中各种介质 ( (如液体、气体和蒸汽等如液体、气体和蒸汽等) )的流量，以便为的流量，以便为 生产操作和控制提供依据。同时，为了进行经济核算，也需要知道在生产操作和控制提供依据。同时，为了进行经济核算，也需要知道在 一般时间一般时间 ( (如一班、一天等如一班、一天

34、等) )内流过的介质总量。所以，对管道内介内流过的介质总量。所以，对管道内介 质流量的测量和变送是实现生产过程的控制以及进行经济核算所必需质流量的测量和变送是实现生产过程的控制以及进行经济核算所必需 的。的。 在工程上，流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积在工程上，流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的体积 或质量，即瞬时流量。或质量，即瞬时流量。 流量的计量单位如下流量的计量单位如下: : 表示体积流量的单位常用立方米每小时表示体积流量的单位常用立方米每小时 (m3/h)(m3/h)、升每分、升每分 (l/min)(l/min)、 升每秒升每秒(l/s)(l/s)等；等； 表示

35、质量流量的单位常用吨每小时表示质量流量的单位常用吨每小时 (t/h)(t/h)、千克每小时、千克每小时 (kg/h)(kg/h)、 千克每秒千克每秒 (kg/s)(kg/s)等。等。 若流体的密度是若流体的密度是，则体积流量，则体积流量Q Q与质量流量与质量流量M M的关系是的关系是: : M=Q M=Q 或或 Q=M/Q=M/ 35 3、 流量的测量与变送 应当指出，流体的密度是随工况参数而变化的。对于液体，由于应当指出，流体的密度是随工况参数而变化的。对于液体，由于 压力变化对密度的影响很小，一般可以忽略不计；但因温度变化所产压力变化对密度的影响很小，一般可以忽略不计；但因温度变化所产 生

36、的影响，则应引起注意。不过一般温度每变化生的影响，则应引起注意。不过一般温度每变化1010时，液体的密度时，液体的密度 变化约在变化约在1%1%以内。所以，除温度变化较大，测量准确度要求较高的场以内。所以，除温度变化较大，测量准确度要求较高的场 合外，往往也可以忽略不计。对于气体，由于密度受温度、压力变化合外，往往也可以忽略不计。对于气体，由于密度受温度、压力变化 影响较大，例如，在常温附近，温度每变化影响较大，例如，在常温附近，温度每变化1010，密度变化约为，密度变化约为3%3%。 在常压附近，压力每变在常压附近，压力每变10kPa10kPa，密度也约变化，密度也约变化3%3%。因此，在测

37、量气体。因此，在测量气体 体积流量时，必须同时测量气体的温度和压力，并将工作状态下的体体积流量时，必须同时测量气体的温度和压力，并将工作状态下的体 积流量换算成标准体积流量。所谓标准体积流量，在工业上是指积流量换算成标准体积流量。所谓标准体积流量，在工业上是指2020、 0.10133MPa(0.10133MPa(称标定状态称标定状态) )或或00、0.10133MPa (0.10133MPa (称标准状态称标准状态) )条件下的条件下的 体积流量。在仪表计量上多数以标定状态条件下的体积流量为标准体体积流量。在仪表计量上多数以标定状态条件下的体积流量为标准体 积流量积流量。 流量测量的方法和仪

38、表种类繁多，其测量原理和仪表的结构形式流量测量的方法和仪表种类繁多，其测量原理和仪表的结构形式 各不相同。针对生产过程的不同要求，采用不同的流量仪表。下表中各不相同。针对生产过程的不同要求，采用不同的流量仪表。下表中 列出了几种主要类型流量表列出了几种主要类型流量表 (或称流量计或称流量计)的性能及适用场合。的性能及适用场合。 36 3、 流量的测量与变送 37 3、 流量的测量与变送 3.1 差压式流量计差压式流量计 差压式差压式 (也称节流式也称节流式)流量计是使用历史最久，应用也最广泛的一流量计是使用历史最久，应用也最广泛的一 种流量测量仪表，同时也是目前生产中最成熟的流量测量仪表之一。

39、种流量测量仪表，同时也是目前生产中最成熟的流量测量仪表之一。 它是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力它是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力 差与其流量有关而实现流量测量的。差与其流量有关而实现流量测量的。 差压式流量计通常是由能将被测流量转换成差压信号的节流装置差压式流量计通常是由能将被测流量转换成差压信号的节流装置 (包括节流元件和取压装置包括节流元件和取压装置)、导压管和差压计或差压变送器及其显示、导压管和差压计或差压变送器及其显示 仪表三部分所组成。在单元组合仪表中，由节流装置所产生的差压信仪表三部分所组成。在单元组合仪表中，由节流装置所产生的

40、差压信 号，常通过差压变送器转换成相应的电信号或气信号，以供显示、调号，常通过差压变送器转换成相应的电信号或气信号，以供显示、调 节用。节用。 38 3、 流量的测量与变送 39 3、 流量的测量与变送 节流现象及其原理节流现象及其原理 流体在有节流元件的管道中流动时，在节流元件前后的管璧处，流体流体在有节流元件的管道中流动时，在节流元件前后的管璧处，流体 的静压力产生差异的现象称为节流现象，如图的静压力产生差异的现象称为节流现象，如图3-1所示。所谓节流装所示。所谓节流装 置就是设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的置就是设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的

41、 总称。应用最广泛的节流元件是孔板，其次是喷嘴、文丘里管。总称。应用最广泛的节流元件是孔板，其次是喷嘴、文丘里管。 下面以孔板为例说明节流原理。下面以孔板为例说明节流原理。 40 3、 流量的测量与变送 下图表示在孔板前后流体的流速与压力的分布情况：下图表示在孔板前后流体的流速与压力的分布情况： 41 3、 流量的测量与变送 沿管道轴向连续地向前流动的流体，由于遇到节流元件的阻挡，沿管道轴向连续地向前流动的流体，由于遇到节流元件的阻挡， 使靠近管壁处的流体受到的阻挡作用最强，因而使其一部分动压能转使靠近管壁处的流体受到的阻挡作用最强，因而使其一部分动压能转 化成静压能，于是就出现了节流元件入口

42、端面靠近管壁处的流体静压化成静压能，于是就出现了节流元件入口端面靠近管壁处的流体静压 力力P1，的升高，的升高 (即图中即图中P1P2)。此压力比管道中心处压力要大，即。此压力比管道中心处压力要大，即 在节流元件入口端面处产生一径向压差。这一径向压差使流体产生径在节流元件入口端面处产生一径向压差。这一径向压差使流体产生径 向附加速度，从而使靠近管壁处的流体质点的流向就与管道中心轴线向附加速度，从而使靠近管壁处的流体质点的流向就与管道中心轴线 相倾斜，形成了流束的收缩运动。同时，由于流体运动的惯性，使得相倾斜，形成了流束的收缩运动。同时，由于流体运动的惯性，使得 流束收束最厉害流束收束最厉害 (

43、即流束最小截面即流束最小截面)的位置不在节流孔处，而是位于节的位置不在节流孔处，而是位于节 流孔之后流孔之后 (即图中截面即图中截面处处)，并随流量大小而变化。以上就是流体流，并随流量大小而变化。以上就是流体流 经节元件时，流束为什么产生收缩的原因。经节元件时，流束为什么产生收缩的原因。 42 3、 流量的测量与变送 由于节流元件的阻挡造成了流束的局部收缩，同时，又因流体由于节流元件的阻挡造成了流束的局部收缩，同时，又因流体 始终处于连续稳定的流动状态，因此在流束截面最小处的流速达到最始终处于连续稳定的流动状态，因此在流束截面最小处的流速达到最 大。根据伯努利方程式和位能、动能的相互转化原理，

44、在流束截面最大。根据伯努利方程式和位能、动能的相互转化原理，在流束截面最 小处的流体静压力最低，同理，在孔板出口端面处，由于流速已比原小处的流体静压力最低，同理，在孔板出口端面处，由于流速已比原 来增大，因此静压力也就较原来为低来增大，因此静压力也就较原来为低 (即图中即图中P210) 控制KTiTd P0.5 Kmax PI0.45 Kmax0.83 Pu PID0.6 Kmax0.5 Pu0.12 Pu 65 三、自动控制基础知识 PID 参数整定口诀 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回

45、复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波 ，前高后低4比1 一看二调多分析，调节质量不会低 PID调节适用范围 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。在 很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可 少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和 动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可

46、以根据过程的动态特性及时整定。如果过 程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。 第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进 PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。最重要的是， 如果PID控制器不能控制复杂过程，或者系统调节设备不匹配或者系统调节设备不匹配，无论怎么调参数都没用。 虽然有这些缺点，但简单的PID控制器有时却是最好的控制器。 66 1、 压力的测量与变送 68 原 2、 温度的测量与变送 2.1 热电偶温度计 热电偶温度计由热电偶、电测部份 (动圈、数显仪表、 电位差计或DCS)及连接导线组成如图

47、所示。由于热电偶的 性能稳定、结构简单、使用方便、测量范围广、有较高的 准确度，且能方便地将温度信号转换为电势信号，便于信 号的远传和多点集中测量，因而在工业生产中应用极为普 遍。 69 2 3 1 热电偶温度计测量线路 1、热电偶 2、连接导线 3、电测仪表 t0t0 t AB 2、 温度的测量与变送 由于热电极的材料不同，不同热电极材料制成的热电偶在相同温 度下产生的热电势是不同的，这在各种热电偶的分度表中可以查到。 根据热电测温的基本原理，理论上似乎任意两种导体都可以组成热电 偶。但实际情况它们还必须进行严格的选择，热电极材料应满足如下 要求。 1在测温范围内其热电性质要稳定，不随时间变

48、化。 2稳定性要高，即在高温下不被氧化和腐蚀。 3电阻温度系数要小，导电率要高，组成热电偶后产生的热电势要 大，热电势与温度间要成线性关系，这样有利于提高仪表的测量精度。 4复现性要好 (同种成分的材料制成的热电偶，其热电特性相一致 的性质称复现性)，这样便于成批生产，而且在使用上也可保证良好 的互换性。 5 . 材料组织要均匀，要有良好的韧性，便于加工成丝。 70 3、 流量的测量与变送 71 3、 流量的测量与变送 流量基本方程式是用来阐明流量与压差之间的定量关系。它是流量基本方程式是用来阐明流量与压差之间的定量关系。它是 根据流体力学中的伯努利方程式利连续性方程式推导而得的，即式根据流体力学中的伯努利方程