化工仪表第三章(俞金寿)过程自动化及仪表

1、控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值简单控制系统构成回顾：简单控制系统构成回顾：简单控制系统的方块图简单控制系统的方块图 本章主要内容：本章主要内容：3.1 概述概述3.2 温度检测温度检测3.3 流量检测流量检测3.4 压力检测压力检测3.5 物位检测物位检测3.8 变送器变送器3.9 现代传感器技术的发展现代传感器技术的发展3.1 3.1 概概 述述3.1.0 检测变送的重要性检测变送的重要性3.1.1 测量误差测量误差3.1.2 仪表性能指标仪表性能指标 在过程自动化中要通过检测元件获取

2、在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见变量是生产工艺变量，最常见变量是温度、压温度、压力、流量、物位（四大参数）力、流量、物位（四大参数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器，检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括号包括位移、电压、电流、电阻、频率、位移、电压、电流、电阻、频率、气压气压等。等。 3.1.0 3.1.0 检测变送的重要性检测变送的重要性 由于检测元件的输出信号种类繁多，由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，一般都需要将

3、其经且信号较弱不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理，过变送器处理，转换成标准统一的电气信转换成标准统一的电气信号（如号（如4 42020mAmA 或或 0 01010mAmA直流电流信直流电流信号号 ,20 ,20100100KPaKPa气压信号）送往显示仪表，气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量，或同时送往控制器指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。对被控变量进行控制。有时将检测元件、有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表变送器及显示装置统称为检测仪表, , 或者或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。

4、示装置称为二次仪表。检测检测实施正确控制的第一步实施正确控制的第一步变送变送将检测元件输出的各种信号、微弱信号转将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成化成统一统一(标准标准)的电气信号的电气信号。 静态：静态：正确正确y(t)正确反映正确反映c(t)的值的值 可靠可靠长期工作长期工作动态：动态：迅速迅速y(t)迅速反映迅速反映c(t)的变化的变化过程控制对检测仪表要求过程控制对检测仪表要求：3.1.1 测量误差测量误差(1) 绝对误差：仪表的绝对误差：仪表的指示值指示值与与被测量的真值被测量的真值之间之间的差值。的差值。(2) 相对误差相对误差（仪表（仪表引用误差引用误差）测量误差测量误差：

5、检测仪表获得的被测值与实际被测变量：检测仪表获得的被测值与实际被测变量真实值之间的差距。真实值之间的差距。XXX测量真值理论上：理论上：实际上：实际上：XXX测量标准maxmin100%,XYYYY绝对误差与仪表的量程之比。绝对误差与仪表的量程之比。(3) 允许误差允许误差(4) 附加误差附加误差maxmaxmaxmin100%,XYYYY由于外界环境条件变化以及仪表波动等外由于外界环境条件变化以及仪表波动等外界因素引起的误差。界因素引起的误差。3.1.2 仪表性能指标仪表性能指标(1)精确度（精度）精确度（精度） 表示仪表测量结果的可靠程度。表示仪表测量结果的可靠程度。 仪表的仪表的精度等级

6、精度等级是按国家统一规定的允许误差大是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小，仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。说明仪表测量准确度越高。 精度等级：精度等级：允许误差去掉允许误差去掉“”号及号及“%”后，后，系列化圆整后系列化圆整后的数值。的数值。 仪表的精度等级以一定的符号形式表仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如示在仪表标尺板上，如1.01.0外加一个圆圈外加一个圆圈或三角形。精度等级或三角形。精度等级1.01.0，说明该仪表允，说明该仪表允许误差为许误差为1.0%1.0%。目前我国生产的仪表的精度等级有：目前

7、我国生产的仪表的精度等级有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.01.5,2.5,4.0等等1.01.0 例例1 1 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是600600-11001100，其最，其最大绝对误差为大绝对误差为4 ，试确定该仪表的精度等级。，试确定该仪表的精度等级。max4100%0.8%1100600 由于国家规定的精度等级中没有由于国家规定的精度等级中没有0.80.8级仪表，级仪表，而该仪表的最大引用误差超过了而该仪表的最大引用误差超过了0.50.5

8、级仪表的允许级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.01.0级。级。解解 仪表的最大允许误差为仪表的最大允许误差为 例例2 2 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是600600-11001100，工艺工艺要求要求该仪表指示值的误差不得超过该仪表指示值的误差不得超过4 ，应选，应选精度精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。等级为多少的仪表才能满足工艺要求。max4100%0.8%11006000.8%介于允许误差介于允许误差0.5%与与1.0%之间，如果选之间，如果选择允许误差为择允许误差为1.0%,则其精度等级应为则其精度等级应为1.0级。量程级

9、。量程为为6001100，精确度为，精确度为1.0级的仪表，可能产生的级的仪表，可能产生的最大绝对误差为最大绝对误差为5，超过了工艺的要求。所以只，超过了工艺的要求。所以只能选择一台允许误差为能选择一台允许误差为0.5%，即精确度等级为，即精确度等级为0.5级的仪表，才能满足工艺要求。级的仪表，才能满足工艺要求。解解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差为根据工艺要求，仪表的最大允许误差为结论：结论：校表：校表： 选表：选表：max系列化计算max系列化计算仪表量程的上限：仪表量程的上限：Ymax: 4/33/2倍（被测变量）倍（被测变量） 波动较大时：波动较大时：3/22倍（被测变量）倍（被测变

10、量）下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的1/3。 仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。性。(2) (2) 变差变差 在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行对某一变量进行正反行程测量正反行程测量时对应于同一测量值时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。所得的仪表读数之间的差异。

11、 注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。(3) (3) 线性度线性度 衡量仪表实际特衡量仪表实际特性偏离线性程度的指性偏离线性程度的指标。标。 线性度差就要降低仪线性度差就要降低仪表精度。表精度。t 实际曲线 理论直线 仪表示值 被测变量 图图3.1 线性度线性度(4) (4) 灵敏度和分辨率灵敏度和分辨率灵敏度：灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值，即化量的比值，即 灵敏度灵敏度= =Y/X对于模拟式仪表而言，对于模拟式仪表而言，Y是仪表指针的角位移或线是仪表指针的角位移或线位移。灵敏度反映了仪表

12、对被测量变化的灵敏程度。位移。灵敏度反映了仪表对被测量变化的灵敏程度。分辨率分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。和响应的最小输入变化量。分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式仪表而言，分辨率就是数字显示器最末位仪表而言，分辨率就是数字显示器最末位数字间隔代表被测量的变化与量程的比值。数字间隔代表被测量的变化与量程的比值。(5) (5) 动态误差动态误差 由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示被测量突然变化后必须经过一段时间

13、才能准确显示出来，这样造成的误差。出来，这样造成的误差。注：注：在工业生产中被测量变化较快是不能忽略动态在工业生产中被测量变化较快是不能忽略动态误差。误差。3.2 3.2 温度检测温度检测3.2.1 3.2.1 温度检测方法温度检测方法3.2.2 3.2.2 热电偶热电偶3.2.3 3.2.3 热电阻热电阻3.2.4 3.2.4 热电偶、热电阻的选用热电偶、热电阻的选用3.2.1 3.2.1 温度检测方法温度检测方法按测温元件是否与被测对象接触分为：按测温元件是否与被测对象接触分为： 接触式：接触式：非接触式：非接触式：接触式：接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和测温元件与被测对象接触，

14、依靠传热和对流进行热交换。对流进行热交换。优点：优点：结构简单、可靠，测温精度较高。结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被容易破坏被测对象的温度场，测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。于运动中的对象。不适于直接对不适于直接对腐蚀性腐蚀性介质测量。介质测量。非接触式：非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过测温

15、元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，容易受到外界因素的干扰，测量

16、误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。且结构复杂，价格比较昂贵。 3.2.2 3.2.2 热电偶热电偶(1)(1) 测温原理测温原理热电效应热电效应 EAB(0) EAB() A B 图图3.2 热电偶的热电效应热电偶的热电效应（参比端、冷端、固定端）（参比端、冷端、固定端）（工作端、热端、自由端）（工作端、热端、自由端）00( ,)( )()ABABABEEE 0( ,)( )( )ABEfC 将两种不同材料的导体或半导体将两种不同材料的导体或半导体A和和B连在一起组成连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度一个闭合回路，而且两个接点的温度o,则回路内则回路内将有电流产生，电流大小正比于接

17、点温度将有电流产生，电流大小正比于接点温度和和o的函的函数之差，而其极性则取决于数之差，而其极性则取决于A和和B的材料。的材料。根据根据热电偶的热电偶的“中间导体定律中间导体定律”可知：热电偶回路中接入第三可知：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电导体时热电偶所产生的总热电势相同；同理，如果回路中接势相同；同理，如果回路中接入更多种导体时，只要同一导入更多种导体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热体两端温度相同，也不影响热电偶

18、所产生的热电势值。因此电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。仪表、变送器、连接导线等。热电偶的热电偶的“中间导体定律中间导体定律”分度表：分度表：当当0 0= =00时，时， 与温度与温度对对应的数值表。（应的数值表。（非线性非线性）分度号：分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。与分度表所对应的热电偶的代号。0( ,)ABE 常用工业热电偶比较常用工业热电偶比较 热电偶名分度号 特 点 铂铑30-铂铑6 热电势小，精度高，价格高 镍铬-镍硅 铂铑10-铂 镍铬-康铜 热电势小，精度高，线性差， 价格高 热电势大，线性好，价格低

19、热电势大，线性差，价格低 B S K E 性能 下 降 常用热电偶类型：常用热电偶类型：普通型热电偶：普通型热电偶：( (热电偶结构类型见热电偶结构类型见P27)P27) 热电极、绝缘管、接线盒等热电极、绝缘管、接线盒等铠装热电偶铠装热电偶多点式热点偶多点式热点偶防爆型热点偶防爆型热点偶表面型热点偶表面型热点偶铠装热电偶铠装热电偶的特点的特点 热响应时间少，减小动态误差；热响应时间少，减小动态误差；可弯曲安装使用；可弯曲安装使用；测量范围大；测量范围大；机械强度高，耐压性能好；机械强度高，耐压性能好；扁接插式铠装热电偶扁接插式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防

20、喷式铠装热电偶防水式铠装热电偶防水式铠装热电偶手柄式铠装热电偶手柄式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶图3.3多点热电偶多点热电偶 适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。肥合成塔、存储罐等装置中。图图3.4 多点热电偶多点热电偶 防爆型热电偶的原理防爆型热电偶的原理 防爆热电偶是利用防爆热电偶是利用间隙隔爆间隙隔爆原理，设计具有原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧

21、和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进行隔爆。行隔爆。 特点特点 多种防爆形式，防爆性能好；多种防爆形式，防爆性能好； 压簧式感温元件，抗振性能好；压簧式感温元件，抗振性能好； 测温范围大；测温范围大； 机械强度高，耐压性能好；机械强度高，耐压性能好； 无固定装置无固定装置固定法兰式固定法兰式固定螺纹式固定螺纹式活络管接头式活络管接头式直型管接头式直型管接头式图图3.5 防爆型热防爆型热

22、电偶电偶 一览图一览图吹气型热电偶吹气型热电偶 通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出保护管外，从而提高热电偶寿命。是保护管外，从而提高热电偶寿命。是3030万吨合成万吨合成氨装置中不可缺少的测温装置。氨装置中不可缺少的测温装置。另外，压簧固定热电偶、直另外，压簧固定热电偶、直角弯头热电偶、耐磨阻漏热角弯头热电偶、耐磨阻漏热电偶等等电偶等等图图3.6 吹气型热电偶吹气型热电偶(2) 补偿导线补偿导线解决参比端温度的恒定问题。解决参比端温度的恒定问题。补偿导线要求：价格便宜，补偿导线要求：价格便宜，0100范围内的热电性范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电

23、性质几乎完全一样质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样 现场现场 补偿导线补偿导线 控制室控制室 0 图图3.7 补偿导线连接图补偿导线连接图(3) 热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）补偿原理补偿原理：工作端温度：工作端温度，参比端参比端0，热电势为热电势为000( ,)( )()( ,0)(,0)EEEEE 00( ,0)( ,)(,0)EEE 因此因此参比端温度补偿方法：参比端温度补偿方法： 计算法计算法冰浴法冰浴法机械调零法机械调零法（动圈表调零法），等级（动圈表调零法），等级1.0以以上上补偿电桥法：补偿电桥法：利用参比端温度补偿器利用参比端温度

24、补偿器例如：用镍铬例如：用镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶测温，热电偶参热电偶测温，热电偶参比端温度比端温度o =20，测得的热电势测得的热电势E（，o）=32.479mV。由由K分度表中查得分度表中查得E（20，0）=0.798mV, 则则E（，0）= E（，20）+ E（20，0） =32.479 + 0.798=33.277 mV再反查再反查K分度表，得实际温度是分度表，得实际温度是800。计算法举例：计算法举例：3.2.3 3.2.3 热电阻热电阻金属热电阻金属热电阻测温原理是基于导体的电阻会随测温原理是基于导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。温度的变化而变化的特性。 热电阻是利用物质在

25、温度变化时，其电阻也随着热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。作仪表便显示出阻值所对应的温度值。 常用热电阻：常用热电阻： 铜电阻和铂电阻铜电阻和铂电阻热电阻的结构形式：热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型普通型、铠装型、专用型热电阻热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的配套使用。直接测量各种生产过程中的-200-200C C500500C C范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面范围内液

26、体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。温度。 无固定装置热电无固定装置热电阻阻 固定螺纹式热电固定螺纹式热电阻阻 活动法兰式热电活动法兰式热电阻阻 固定螺纹固定螺纹锥锥式热电式热电阻阻 固定螺纹固定螺纹管接头管接头式热电式热电阻阻 活络管接头式热电活络管接头式热电阻阻图图3.8图图3.9 3.9 装配式热电阻装配式热电阻防喷式铠装热电阻防喷式铠装热电阻扁接插式扁接插式铠装热电阻铠装热电阻防水式铠装热电阻防水式铠装热电阻圆接插式圆接插式铠装热电阻铠装热电阻补偿导线式铠装热电阻补偿导线式铠装热电阻图图 3.10端面热电阻端面热电阻适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它

27、机体表面温度。它机体表面温度。防腐防腐热电阻热电阻采用新型防腐材料，采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯外包覆聚四氟乙烯F46F46，适合于石适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。氯碱行业的专用测温仪表。图图3.11 端面热电阻端面热电阻图图3.12 防腐热电阻防腐热电阻微型热电偶微型热电偶/ /热电阻热电阻 适用于狭小场所适用于狭小场所的温度测量与控制。的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业是纺织、绦纶等行业业不可缺少的温度测业不可缺少的温度测量装置。量装置。炉壁热电偶炉壁热电偶/ /热电阻热电阻 适合于电厂锅炉炉壁，适合于电厂锅炉炉壁，管壁

28、及其它圆柱体表管壁及其它圆柱体表面测量。面测量。微型热电偶微型热电偶/ /热电阻热电阻 特殊热电偶特殊热电偶/ /热电阻热电阻 炉壁炉壁热电偶热电偶/ /热电阻热电阻 图图3.13半导体热敏电阻半导体热敏电阻测温原理是基于某些半导体测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。NTCNTC型：负温度系数热敏电阻，多数是此类型：负温度系数热敏电阻，多数是此类 PTCPTC型：正温度系数热敏电阻，用于位式温度检测型：正温度系数热敏电阻，用于位式温度检测 特点：特点：结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。缺点

29、：缺点：非线性严重、互换性差、测温范围窄非线性严重、互换性差、测温范围窄3.2.4 热电偶、热电阻的选用热电偶、热电阻的选用(1)(1)选用原则：较高温度选用原则：较高温度热电偶热电偶 中低温区中低温区热电阻热电阻一般以一般以500500为分界，但不绝对为分界，但不绝对原因有两点：原因有两点：(1)(1)在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。表放大器和抗干扰要求很高。(2)(2)由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。度区内引起的相对误差就很

30、突出。另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质（氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当的保护套（氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当的保护套管、连接导线等。管、连接导线等。(2)(2)安装安装 (a) 斜插 (b) 插入弯头处 (c) 错误插法 (1)(1)选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深度插入深度(2)(2)热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。(3)(3)

31、检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔，避免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。孔，避免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。图3.14 热电偶安装热电偶安装(3)(3)使用使用热电偶：热电偶：参比端温度补偿参比端温度补偿补偿导线的极性不能接反补偿导线的极性不能接反分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表（如电子电位差计、温度变送器等）配套测温时，表（如电子电位差计、温度变送器等）配套测温时，热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温

32、度。热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。 热电阻：热电阻：分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致采用三线制接法采用三线制接法热电阻温度变送器输入热电阻信号给输入热电阻温度变送器输入热电阻信号给输入回路。输入回路是一个不平衡电桥，热电回路。输入回路是一个不平衡电桥，热电阻即为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻即为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻，由于连接热电阻的导线存在电阻，且阻，由于连接热电阻的导线存在电阻，且导线电阻值随环境温度的变化而变化，从导线电阻值随环境温度的变化而变化，从而造成测量误差，因此实际测量时采用三而造成测量误差，因此实际测量时采用

33、三线制接法。线制接法。所谓三线制接法，就是从现场所谓三线制接法，就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质、长短、的金属热电阻两端引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线，其中两根导线被粗细均相同的连接导线，其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中，另一根与测量桥接入相邻两对抗桥臂中，另一根与测量桥路电源负极相连路电源负极相连。见下图。见下图。由于流过两桥由于流过两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，不影响测量桥路输出电压的化相互抵消，不影响测量桥路输出电压的大小。大小。图3.153

34、.3 流量检测流量检测3.3.0 基本概念基本概念主要研究内容：主要研究内容：3.3.1 流量检测的主要方法流量检测的主要方法3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器速度式流量计（差压式流量传感器）3.3.3 容积式流量计容积式流量计3.3.4 质质量流量计量流量计3.3.5 流量仪表的选用流量仪表的选用3.3.0 基本概念基本概念流量（瞬时流量）流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。面的流体的数量。累积流量（总流量）累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的：某一时段内流过的流体的总合。瞬时流量在某一时段的累积量。总合。瞬时流量在某一时段的累积

35、量。流量的表示方法：流量的表示方法：质量流量质量流量(qm)：单位时间内流过某截面的流体的质量。单位时间内流过某截面的流体的质量。 单位：单位：(kg/s)体积流量体积流量(qv)：单位时间内流过某截面的流体的体积。单位时间内流过某截面的流体的体积。(工作状态下工作状态下) 单位单位: (m3/s ) qm=qv体积流量体积流量(qvn)：折算到标准的压力和温度下的体积流折算到标准的压力和温度下的体积流量。（量。（标准状态下标准状态下） qvn=qm/n qvn=qv/n流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响。流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响。 对于液体，对于液体，压力压

36、力变化对密度的影响非常小，一变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。般可以忽略不计。 温度温度对密度的影响要大一些，一对密度的影响要大一些，一般温度每变化般温度每变化1010时，液体密度的变化约在时，液体密度的变化约在1%1%以内，以内，所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高的情况下，往往也可以忽略不计。的情况下，往往也可以忽略不计。 对于气体对于气体，密度受，密度受温度、压力变化影响较大温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化如在常温常压附近，温度每变化1010，密度变化约，密度变化约为为3%3%；压力每变化；压力每变化10

37、10kPakPa，密度约变化密度约变化3%3%。 因此在因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量换算成换算成标准状态下（温度为标准状态下（温度为2020，压力为，压力为101 325 101 325 PaPa）的体积流量，用符号的体积流量，用符号q qVNVN表示，单位符号为表示，单位符号为NmNm3 3/s/s。 生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难作状态

38、及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生尤其工业生产过程，其情况复杂，某些场合的流体是高温、高压，产过程，其情况复杂，某些场合的流体是高温、高压，有时是气液两相或液固两相的混合流体有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流。所以目前流量测量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量测量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为以下几量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为以下几大类。大类。 3.3.1 流量检测的主要方法流量检测的主要方法(1) 测体积流量测体积流量容积法

39、容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体的固定容积质连续不断地进行度量，以排出流体的固定容积数来计算流量。数来计算流量。容积法受流体流动状态影响较小，适容积法受流体流动状态影响较小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。用于测量高粘度、低雷诺数的流体。雷诺数是流体流动中雷诺数是流体流动中惯性力与粘性力比值的量度惯性力与粘性力比值的量度, ,依据雷诺数的大小可以判别依据雷诺数的大小可以判别流动特征流动特征 如：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量如：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等计等图图3.16 LC椭圆齿轮流量计椭

40、圆齿轮流量计 速度法速度法：平均流速乘以管道截面积求得流体：平均流速乘以管道截面积求得流体的体积流量。的体积流量。测量平均流速的方法有：差压式、电磁式、漩涡式、测量平均流速的方法有：差压式、电磁式、漩涡式、声学式、热学式、涡轮式声学式、热学式、涡轮式差压式差压式 又称节流式，利用节流件前后的又称节流式，利用节流件前后的差压差压和和流流速速关系，通过差压值获得流体的流速；关系，通过差压值获得流体的流速；电磁式电磁式 导电流体在磁场中运动产生感应电势，导电流体在磁场中运动产生感应电势，感感应电势应电势大小与流体的大小与流体的平均流速平均流速成正比；成正比；旋涡式旋涡式 流体在流动中遇到一定形状的物

41、体会在其流体在流动中遇到一定形状的物体会在其周围产生有规则的旋涡，周围产生有规则的旋涡，旋涡释放的频率旋涡释放的频率与与流速流速成成正比；正比； 涡轮式涡轮式 流体作用在置于管道内部的涡轮上使涡轮流体作用在置于管道内部的涡轮上使涡轮转动，其转动，其转动速度转动速度在一定流速范围内与管道内流体在一定流速范围内与管道内流体的的流速流速成正比成正比； 声学式声学式 根据声波在流体中传播速度的变化得到根据声波在流体中传播速度的变化得到流体的流速；流体的流速；热学式热学式 利用加热体被流体的冷却程度与流速的利用加热体被流体的冷却程度与流速的关系来检测流速。关系来检测流速。基于速度法的流量检测仪表有基于速

42、度法的流量检测仪表有: :节流式流量计、靶式流量计、弯管流量计、节流式流量计、靶式流量计、弯管流量计、转子流量计、电磁流量计、旋涡流量计、转子流量计、电磁流量计、旋涡流量计、涡轮流量计、超声流量计等。涡轮流量计、超声流量计等。YJLB型一体化节流式流量型一体化节流式流量计计YJLBYJLB型一体化节流式流型一体化节流式流量计将节流装置和差压量计将节流装置和差压变送器做成一体，继承变送器做成一体，继承了节流装置的优点，结了节流装置的优点，结构紧凑，成套性好，故构紧凑，成套性好，故障率低，使用安装方便，障率低，使用安装方便，动态特性好，提高了测动态特性好，提高了测量精度，可满足各种流量精度，可满足

43、各种流量测量的需要量测量的需要 图3.17图图3.18 靶式流量计靶式流量计图图3.19 903.19 90度度弯管流量计弯管流量计(2)测质量流量测质量流量直接法：直接法：直接测量质量流量。科里奥利力式流量直接测量质量流量。科里奥利力式流量计、计、量热式流量计、角动量式流量计量热式流量计、角动量式流量计等。等。 间接法：间接法：测出体积流量和密度，经过计算得到。测出体积流量和密度，经过计算得到。主要有压力温度补偿式质量流量计。主要有压力温度补偿式质量流量计。 质量流量计是直接测量流体流过的质量。质量流量计是直接测量流体流过的质量。具有精度不受流体的温度、压力、密度、具有精度不受流体的温度、压

44、力、密度、粘度等变化影响的优点粘度等变化影响的优点图图3.203.20 SITRANS F C SITRANS F C 科里奥利力质量流量计科里奥利力质量流量计3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器）速度式流量计（差压式流量传感器） 差压式流量传感器差压式流量传感器又称又称节流式流量传感器节流式流量传感器，它是，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。节 流 装 置 或差 压 流 量传 感 器差 压 计 或差 压 变 送 器被 测 流 量qapp差 压 信

45、 号 管 路cb差 压 (流量 )p (q )pq图图3.21 3.21 差压式流量传感器流量测量系统差压式流量传感器流量测量系统差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成，如下图所示。和差压计（或差压变送器）组成，如下图所示。节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号，差压计则对压差信号进行测量并显示测量值，号，差压计则对压差信号进行测量并显示测量值，差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号，以供显示、记录或控制。

46、电信号或气信号，以供显示、记录或控制。 差压式流量传感器发展较早，技术成熟而较完差压式流量传感器发展较早，技术成熟而较完善，而且结构简单，对流体的种类、温度善，而且结构简单，对流体的种类、温度、压力限、压力限制较少，因而应用广泛。制较少，因而应用广泛。(1) (1) 节流装置节流装置 节流装置是差压式流量传感器的流量敏感节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元件。元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管。管。 它们的结构形式、相对尺寸、技术要求、它们的结构形式、相对尺寸、技术要求、

47、管道条件和安装要求等均已标准化，故又称标管道条件和安装要求等均已标准化，故又称标准节流元件，如下页图所示。准节流元件，如下页图所示。(a)(b)(c)高压低压入口部分渐缩部分喉部渐扩部分图图3-22 3-22 标准节流元件标准节流元件( (a) a) 孔板；孔板； ( (b) b) 喷嘴；喷嘴； ( (c) c) 文丘里管文丘里管 其中孔板最简单又最为典型，加工制造方便，在其中孔板最简单又最为典型，加工制造方便，在工业生产过程中常被采用。工业生产过程中常被采用。 标准节流装置按照规定的技术要求和试验数标准节流装置按照规定的技术要求和试验数据来设计、加工、安装，无需检测和标定，据来设计、加工、安

48、装，无需检测和标定，可以可以直接投产使用，并可保证流量测量的精度。直接投产使用，并可保证流量测量的精度。 (2) (2) 测量原理测量原理测量原理测量原理 在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换，但在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量时，用节流元件测量流量时，流体流过节流装置流体流过节流装置前后前后产生压力差产生压力差p p(p p= =p p1 1- -p p2 2) )，且且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大流过的流量越大，节流装置前

49、后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器测量原理。传感器测量原理。 图图3-23 3-23 节流件前后流速和压力分布情况节流件前后流速和压力分布情况 图图3-233-23为节流件前后流速和压力分布情况，图中为节流件前后流速和压力分布情况，图中充分地反映了能量形式的转换。充分地反映了能量形式的转换。由于流动由于流动是稳定不变是稳定不变的，即流体在同一时间内通过管道截面的，即流体在同一时间内通过管道截面A A和节流件开孔和节流件开孔截面截面A A0 0的流体量应相同，这样通过截面的流体量应相同，这样通过截面A A0 0的流速必然

50、的流速必然比通过截面比通过截面A A时快。在流速变化的同时，流体的动压能时快。在流速变化的同时，流体的动压能和静压能也发生变化，根据能量守恒定律，因而在孔和静压能也发生变化，根据能量守恒定律，因而在孔板前后出现了静压差。通过测量此静压差便板前后出现了静压差。通过测量此静压差便可以求出可以求出流速和流量。流速和流量。 流量方程式为流量方程式为 对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流元件时，元件时， 由于压力变化必然会引起密度由于压力变化必然会引起密度的改变，的改变，即即1 12 2，这时在公式中应引入体积膨胀系数这时在公式中应引入体积膨胀系数，可压缩

51、性流体体积膨胀系数可压缩性流体体积膨胀系数小于小于1 1，如果是不可压，如果是不可压缩性流体，则缩性流体，则=1=1。0022vmpqmAqmAp 流量公式中的流量公式中的流量系数流量系数与节流与节流装置的结构形式、取压方式、节流装装置的结构形式、取压方式、节流装置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）及管道条件等因素有关。对于标准节及管道条件等因素有关。对于标准节流装置，流装置，值可直接从有关手册中查值可直接从有关手册中查出。出。 (3) (3) 差压式流量检测系统差压式流量检测系统 356421qp2p3p1节流装置；2压力信号管路；3差压变送器；4电流信号传输

52、线；5开方器；6显示仪表图图3-24 3-24 差压式流量检测系统结构示意图差压式流量检测系统结构示意图 节流装置是将被测流体的流量值变换成差压信节流装置是将被测流体的流量值变换成差压信号号p p，节流装置输出的差压信号由压力信号管路节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压变送器（或差压计）。由流量基本方程输送到差压变送器（或差压计）。由流量基本方程式可以看出，被测流量与差压式可以看出，被测流量与差压p p成平方根关系，成平方根关系，对于直接配用差压计显示流量时，流量标尺是非线对于直接配用差压计显示流量时，流量标尺是非线性的，为了得到线性刻度，可加开方运算电路或加性的，为了得到线性刻度，

53、可加开方运算电路或加开方器。如差压流量变送器带有开方运算，变送器开方器。如差压流量变送器带有开方运算，变送器的输出电流就与流量成线性关系。显示仪表则显示的输出电流就与流量成线性关系。显示仪表则显示流量的大小。流量的大小。 要使仪表的指示值与通过管道的实际流量要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须做到以下几点：相符，必须做到以下几点： （1 1）差压变送器的压差和显示仪表的流量标）差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺有若干种规格，选择时应与节流装置孔径匹尺有若干种规格，选择时应与节流装置孔径匹配。配。 （2 2）在测量蒸汽和气体流量时，常遇到工作）在测量蒸汽和气体流量时，常遇到工作条件的

54、密度条件的密度与设计时的密度与设计时的密度c c不相同，这不相同，这时必须对示数进行修正。时必须对示数进行修正。（3 3）显示仪表刻度通常是线性的，测量值）显示仪表刻度通常是线性的，测量值（差压信号）要经过开方运算进行线性化处（差压信号）要经过开方运算进行线性化处理后再送显示仪表。理后再送显示仪表。 （4 4）节流装置应正确安装。）节流装置应正确安装。 （5 5）接至差压变送器的压差应该与节流装）接至差压变送器的压差应该与节流装置前后压差相一致，这就需要正确安装差压置前后压差相一致，这就需要正确安装差压信号管路。信号管路。 介质为液体时：介质为液体时： 差压变送器应装在节流装置下面差压变送器应

55、装在节流装置下面，取压点应在工，取压点应在工艺管道的中心线以下引出（下倾艺管道的中心线以下引出（下倾4545左右），导压管左右），导压管最好垂直安装，否则也应有一定斜度。当差压变送器最好垂直安装，否则也应有一定斜度。当差压变送器放在节流装置之上时，要装置贮气罐。放在节流装置之上时，要装置贮气罐。 图3. 25介质为气体时：介质为气体时：差压变送器应装在节流装置的上面差压变送器应装在节流装置的上面, , 防止导压管内积防止导压管内积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。图3. 26介质为蒸汽时：介质为蒸汽时： 应使导压管内充满冷凝液，因此在应使导压管内充

56、满冷凝液，因此在取压点的出口取压点的出口处要装设凝液罐处要装设凝液罐，其它安装同液体。，其它安装同液体。图3. 27介质具有腐蚀性时：介质具有腐蚀性时： 可可在节流装置和差压变送器之间装设隔离罐在节流装置和差压变送器之间装设隔离罐，内，内放不与介质有互溶的隔离液来传递压力，或采用喷吹放不与介质有互溶的隔离液来传递压力，或采用喷吹法等。法等。图3. 28（2 2）靶式流量计）靶式流量计 在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，经杠杆系圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，经杠杆系统产生力矩。力矩与流量的平方近似成正

57、比。统产生力矩。力矩与流量的平方近似成正比。靶式流靶式流量计适用于测量粘稠性及含少量悬浮固体的液体。量计适用于测量粘稠性及含少量悬浮固体的液体。 图3. 29（3 3）旋涡流量计）旋涡流量计 旋涡流量计又称涡街流量计，其测量方法基于流旋涡流量计又称涡街流量计，其测量方法基于流体力学中的卡门涡街原理。把一个旋涡发生体（如圆体力学中的卡门涡街原理。把一个旋涡发生体（如圆柱体、三角柱体等柱体、三角柱体等非流线型对称物体非流线型对称物体）垂直插在管道）垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右两侧后方交中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋涡，形成涡列，且左右两侧旋涡的旋转方向替

58、产生旋涡，形成涡列，且左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种涡列就称为卡门涡街。相反。这种涡列就称为卡门涡街。 在一定的雷诺数在一定的雷诺数Re范围内，范围内，体积流量体积流量qv与旋涡的频率与旋涡的频率f成成线性关系。只要测出旋涡的线性关系。只要测出旋涡的频率频率f就能求得流过流量计管就能求得流过流量计管道流体的体积流量道流体的体积流量qv 。 旋涡流量计的输出信号是与流量成正比的脉冲旋涡流量计的输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号或标准电流信号，可以远距离传输，而频率信号或标准电流信号，可以远距离传输，而且输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、且输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、粘度等参

59、数无关。该流量计量程比宽，结构简单，粘度等参数无关。该流量计量程比宽，结构简单，无运动件，具有测量精度高、应用范围广、使用无运动件，具有测量精度高、应用范围广、使用寿命长等特点。寿命长等特点。 另外，转子流量计、涡轮流量计、另外，转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计电磁流量计、超声波流量计3.3.3 3.3.3 容积式流量计容积式流量计该流量计系直读累积式流体流量计，是由装该流量计系直读累积式流体流量计，是由装有一对椭圆齿轮转子的计量室、密封联轴器有一对椭圆齿轮转子的计量室、密封联轴器（小口径流量计采用灵敏度高的磁性联轴器）（小口径流量计采用灵敏度高的磁性联轴器）和计数机构组成。和

60、计数机构组成。测得旋转频率就可求得体积流量。测得旋转频率就可求得体积流量。图图3. 30椭圆齿轮流量测量示意图椭圆齿轮流量测量示意图3.3.4 3.3.4 质量流量计质量流量计 (1)(1)直接式质量流量传感器直接式质量流量传感器科里奥利质量流量科里奥利质量流量传感器传感器 科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同时，运动的同时， 处于一个旋转系中，产生与质量处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。量流量传感器。 图图3-31 3-31 科里奥利力分析图科里奥利力分