化工基础实验第四讲

1、第第4 4章章 化工实验参数测量方法化工实验参数测量方法 4.1测量技术基础知识测量技术基础知识静态特性静态特性精度精度 线性度线性度回差（又称变差）回差（又称变差）灵敏度（又称静态灵敏度）和灵敏限灵敏度（又称静态灵敏度）和灵敏限 重复性重复性阂值阂值 稳定性稳定性漂移漂移动态特性动态特性反映测量仪表对于随时间变化的输入量的响应特性反映测量仪表对于随时间变化的输入量的响应特性测量仪表在被测输入量的各个值处于稳定状态下的输出与测量仪表在被测输入量的各个值处于稳定状态下的输出与输入之间的关系。主要考虑其非线性与随机变化等因素。输入之间的关系。主要考虑其非线性与随机变化等因素。1.1.精确度精确度

2、max100%xx测标允量程上限量程下限仪表的最大允许误差：仪表的最大允许误差：注注： 是用标准表和该仪表对同一变量测量是用标准表和该仪表对同一变量测量 时所得到的两个读数之差，这个差值在测量范围时所得到的两个读数之差，这个差值在测量范围 内各点是不同的，最大的差值即是。内各点是不同的，最大的差值即是。评定工业测量仪表的指标评定工业测量仪表的指标测量值接近真实值的准确程测量值接近真实值的准确程度度maxxx测标1.0, 1.5, 2.5, 4.0高高低低级标准表级标准表级标准表级标准表工业用表工业用表0.005, 0.002, 0.050.1, 0. 2, 0.4, 0.5精度等级是把仪表的最

3、大允许误差精度等级是把仪表的最大允许误差去掉去掉“”和和“”后的数值。上表中的值越小，表示仪表的后的数值。上表中的值越小，表示仪表的精度越高；反之，数值越大，仪表的精度越低。精度越高；反之，数值越大，仪表的精度越低。精度精度 |最大绝对误差|=1.5%（4-0）=60kPa）（允8 . 060011004所以仪表的等级为所以仪表的等级为1.01.0级级仪表的允许误差仪表的允许误差某台测温仪表的量称为某台测温仪表的量称为0010001000，工艺要求该，工艺要求该仪表指示值的误差不超过仪表指示值的误差不超过77，应该选精度等级，应该选精度等级为多少的仪表才能满足要求？为多少的仪表才能满足要求？）

4、（允7 . 0010007所以应该选用所以应该选用0.50.5级的仪表级的仪表根据工艺要求，仪表允许的误差为：根据工艺要求，仪表允许的误差为：%100max仪表量程ff图图1 非线性误差特性示意图非线性误差特性示意图max100%X回差量程在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程测量时，被测量值正、反行程所得到的两条特性曲线之间的最大偏差，如图2所示。0被测参数被测参数测测量量值值XmaxXmax 反行程反行程 正行程正行程图2 仪表的回差特性示意图灵敏度：用来表示仪表对被测参数变化的反应灵敏程灵敏度：用来表示仪表对被测参数变化的反应灵敏程 度，是指仪表达到稳

5、态后，输出变化量与对度，是指仪表达到稳态后，输出变化量与对 应输入变化量之比，即应输入变化量之比，即XYSS: S: 仪表灵敏度仪表灵敏度X X：输入变化量：输入变化量Y Y：输出变化量：输出变化量灵敏限：指能引起仪表指针发生位移时所需被测参数灵敏限：指能引起仪表指针发生位移时所需被测参数 的最小变化量，一般规定，仪表的灵敏限数的最小变化量，一般规定，仪表的灵敏限数 值应不大于仪表允许测量误差绝对值的值应不大于仪表允许测量误差绝对值的1/21/2。量程精度等级灵敏限%21max21 数字式仪表中，往往用数字式仪表中，往往用分辨力分辨力来表示灵敏度的大小。来表示灵敏度的大小。数字式仪表的分辨力是

6、指仪表在最小量程上最后一位数数字式仪表的分辨力是指仪表在最小量程上最后一位数字所表示的物理量。字所表示的物理量。 当灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是当灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率分辨率。分辨率与仪表的有效数字有关。分辨率与仪表的有效数字有关。 五位半表头五位半表头重复性重复性6.6.阂值阂值重复性是衡量测量仪表在同一条件下，输入量按同重复性是衡量测量仪表在同一条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线间一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条曲线越靠近，重复性越好。一致程度的指标。各条曲线越靠近，重复性越好。 阂值是能使测量仪表输出端

7、产生可测变化量的最小阂值是能使测量仪表输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。被测输入量值，即零位附近的分辨力。 漂移是指在一定时间间隔内，测量仪表输出与输入漂移是指在一定时间间隔内，测量仪表输出与输入量无关的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移，一般时量无关的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移，一般时间和周围温度环境可以引起漂移。间和周围温度环境可以引起漂移。8.8.漂移漂移7.7.稳定性稳定性稳定性是指仪表在相当长的时间内保持其性能的能力稳定性是指仪表在相当长的时间内保持其性能的能力 动态特性动态特性y0 0图图3 一阶系统的阶跃响应曲线一阶系统的阶跃响应曲线4.2.1压力测量仪

8、表分类压力测量仪表分类 （按转换原理分）按转换原理分）a.a.液柱式压力计液柱式压力计 b.b.弹性式压力仪表弹性式压力仪表c.c.电气式压力仪表电气式压力仪表 d.d.活塞式压力活塞式压力标准仪表标准仪表b.弹性式压力计弹性式压力计 （1 1）弹性元件弹性元件图图4 弹性测压计元件的结构弹性测压计元件的结构图5 弹性式压力表示意图 弹簧管式弹簧管式P弹簧管压力表机芯放大机构弹簧管压力表机芯放大机构压力压力传感器传感器电信号电信号电信号加电信号加工装置工装置输出仪表输出仪表压力传感器的作用是把信号检测出来，并转换成电信号压力传感器的作用是把信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能

9、够进一步转换为标准信号时，进行输出，当输出的电信号能够进一步转换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。压力传感器又称为压力变送器。 电信号加工装置对传感器输出的电信号经适当加工处理电信号加工装置对传感器输出的电信号经适当加工处理,如衰减、放大、滤波、运算等。如衰减、放大、滤波、运算等。 输出仪表则是用表头显示，或用笔式记录仪、打印机、输出仪表则是用表头显示，或用笔式记录仪、打印机、屏幕显示等输出设备进行显示。屏幕显示等输出设备进行显示。BIRUHHU UH H霍尔电势霍尔电势BB磁感应强度磁感应强度II控制电流控制电流R RH H霍尔常数，与霍尔片霍尔常数，与霍尔片 材料、几何形状有关材料

10、、几何形状有关1-1-弹簧管；弹簧管；2-2-磁钢；磁钢；3-3-霍尔片霍尔片 将霍尔元件与弹簧管配将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器。管压力传感器。 当被测压力引入后，在被当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由测压力作用下，弹簧管自由端发生位移，因而改变了霍端发生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。压力成比例。4.2.2 4.2.2 压力传感器压力传感器c.c.特点：特点： 被测压力可达被测压力可达25MPa25MPa； 固有频率在固有频率在25

11、000Hz25000Hz以上，有较好的动态性能，适合测快速以上，有较好的动态性能，适合测快速 变化的压力；变化的压力； 非线性及滞后误差小于额定压力的非线性及滞后误差小于额定压力的1%1%1.1.压力表的选用压力表的选用 a.a.仪表类型的选用仪表类型的选用 显示方式的要求、被测介质的物理化学性质及现显示方式的要求、被测介质的物理化学性质及现场环境条件。场环境条件。 b.b.仪表量程的选用仪表量程的选用 根据工艺生产过程中操作压力变化的范围来考虑。根据工艺生产过程中操作压力变化的范围来考虑。 c.c.仪表精度等级选择仪表精度等级选择 精度等级是根据已选定仪表的量程和工艺生产上精度等级是根据已选

12、定仪表的量程和工艺生产上所允许的最大测量误差，求最大允许误差来确定的。所允许的最大测量误差，求最大允许误差来确定的。 a.a.测量点的选择测量点的选择 选在被测介质直线流动的直管段部分。选在被测介质直线流动的直管段部分。 测压点应与流动方向垂直，测压管端面与生产设备连接测压点应与流动方向垂直，测压管端面与生产设备连接处的内壁保持相平，不应有凸出物和毛刺等。处的内壁保持相平，不应有凸出物和毛刺等。 测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存空气；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压积存空气；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压

13、管内不积存液体。管内不积存液体。图6 流体管道的取压口（a）液体管道；（b）气体管道流动直管流动直管测压点测压点导压管导压管 压力表压力表图7 压力测量系统安装示意图 HPP图图8 8 仪表与取压点不等高的影响仪表与取压点不等高的影响c.c.压力表的安装压力表的安装 安装在易于维修和观察的地方；安装在易于维修和观察的地方； 应力求避免振动和高温等的不利影响；应力求避免振动和高温等的不利影响； 安装高度应与取压点相同或相近，否则安装高度应与取压点相同或相近，否则 会产生测量误差。表压会产生测量误差。表压P = P+HgP = P+Hg 测量蒸汽压时，应加装盘形管，以防高温蒸汽与被测元测量蒸汽压时

14、，应加装盘形管，以防高温蒸汽与被测元 件直接接触；件直接接触； 对于腐蚀性介质，要加隔离罐；对于腐蚀性介质，要加隔离罐； 在压力表和导压管的连接处应加装密封衬片，防止泄漏；在压力表和导压管的连接处应加装密封衬片，防止泄漏； 放空阀、切断阀、平衡阀的使用。放空阀、切断阀、平衡阀的使用。图图9 隔离器的结构形式图隔离器的结构形式图质量流量质量流量检测仪表检测仪表速度式：速度式：差压式（节流式）差压式（节流式）、转子流量计转子流量计、 涡轮流量计涡轮流量计，涡街流量计等，涡街流量计等容积式：椭圆齿轮流量计，活塞式容积式：椭圆齿轮流量计，活塞式体积流量体积流量检测仪表检测仪表4.3 4.3 流量检测变

15、送仪表流量检测变送仪表a.a.原理原理利用流体流经节流装置产生的压力差而实现流量测量利用流体流经节流装置产生的压力差而实现流量测量b.b.组成组成由由节流装置节流装置和和差压计差压计及及显示仪表显示仪表组成。节流装置包括组成。节流装置包括节流元件和取压装置，有孔板、喷嘴、文丘里管等。节流元件和取压装置，有孔板、喷嘴、文丘里管等。图10 孔板装置、压力分布及速度分布图pFQ20流量系数流量系数膨胀校正系数膨胀校正系数F F0 0开孔截面积开孔截面积PP节流装置前后压力差节流装置前后压力差流体密度流体密度 与节流装置形式、节流孔面积与管道面积之比、取压方式、与节流装置形式、节流孔面积与管道面积之比

16、、取压方式、 及及ReRe等有关；等有关； PP与取压方法有关，我国规定的标准节流装置取压方法为与取压方法有关，我国规定的标准节流装置取压方法为 角接取压法和法兰取压法。角接取压法和法兰取压法。图11 节流式流量计实实实实标标标标QQQQ标定流体密度；标定流体密度；实际流体密度。实际流体密度。标实tfttAppgV)()(21tfttAgVppp/)(21phQf2tffttAgVhQ)(2a.a.工作原理工作原理图12 转子流量计示意图是以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。是以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。被测介质的密度和工作状态与工业基准状态不同时，被测介质的密

17、度和工作状态与工业基准状态不同时，需对流量指示值进行修正需对流量指示值进行修正。wftfwtfQQ)()(0液体流量测量时的修正液体流量测量时的修正10011001TTppQQ气体流量测量时的修正气体流量测量时的修正wfftwtfMQ)(0蒸汽流量测量时的换算蒸汽流量测量时的换算 将蒸汽流量换算为水流量将蒸汽流量换算为水流量适合测量管径适合测量管径50mm50mm以下管道的流量，测量流量比较小的场合。以下管道的流量，测量流量比较小的场合。流体推动流体推动涡轮涡轮叶片，使涡轮旋转叶片，使涡轮旋转高导磁的涡轮在旋转的同时，周高导磁的涡轮在旋转的同时，周期性地扫过磁钢，使磁路的磁阻期性地扫过磁钢，使

18、磁路的磁阻发生周期性变化，线圈中感应出发生周期性变化，线圈中感应出交流电信号交流电信号交变信号频率送往电子计数器或交变信号频率送往电子计数器或电子频率计，累积或指示流量电子频率计，累积或指示流量1.1.涡轮；涡轮；2.2.导流器；导流器；3.3.磁电感应转换器磁电感应转换器4.4.外壳；外壳；5.5.前置放大器前置放大器图13 涡轮流量计示意图a.a.工作原理工作原理4.4 4.4 温度检测变送仪表温度检测变送仪表非接触式非接触式辐射高温计辐射高温计红外线温度计红外线温度计接触式接触式膨胀式测温仪表膨胀式测温仪表压力式温度计压力式温度计热电偶温度计热电偶温度计热电阻温度计热电阻温度计热电偶温度

19、计是以热电偶温度计是以热电效应热电效应为基础的测温仪表。为基础的测温仪表。热电效应：热电效应：把两种把两种不同不同导体或者半导体连接成一个导体或者半导体连接成一个闭合回路，把两个接点分别置于温度闭合回路，把两个接点分别置于温度t t的热源和温度的热源和温度t t0 0的冷端，在回路中就会产生的冷端，在回路中就会产生电势电势，这种效应叫作，这种效应叫作热电效应。热电效应。 工作端工作端热端热端测量端测量端 tt 0自由端自由端冷端冷端热电极热电极图14 热电偶结构示意图热电势热电势接触电势：接触电势：两种两种不同导体不同导体A A、B B接触时，由于接触时，由于 两者两者电子密度不同电子密度不同

20、，电子扩散速，电子扩散速 率不同，在率不同，在A A、B B间形成的电位差，间形成的电位差， 用用eAB(t)表示。表示。温差电势：温差电势：在同一种导体的两端因其在同一种导体的两端因其温度不同温度不同 而产生的电势。用而产生的电势。用 eA(t,t0)表示。表示。温差电势远小于接触电势，总电势由接触电势决定。A、B和t0一定时，EAB（t,t0）是温度t的单值函数，这就是热电偶测温的基本依据。)()(),(00tetettEABABAB ABeAB图15 静电场的形成图16 温差电势的形成At0+teA(t,t0)忽略忽略),(),(),(000ttEttEttECBACAB热电势仅取决于热

21、电极的材料和热电势仅取决于热电极的材料和两个接触点两个接触点温度，温度， 与温度沿热电极的分布、电极尺寸及形状无关；与温度沿热电极的分布、电极尺寸及形状无关；在热电偶回路中，接入第三种材料的导线，只要第三在热电偶回路中，接入第三种材料的导线，只要第三 导线两端的温度相同，其引入不会影响热电偶的电势；导线两端的温度相同，其引入不会影响热电偶的电势；两种金属两种金属A A和和B B分别与金属分别与金属C C配偶的热电势为配偶的热电势为E EACAC和和E ECBCB， 则则A A和和B B 配偶产生的热电势配偶产生的热电势E EABAB为为E EACAC和和E ECBCB之差，即之差，即若接点温度

22、为若接点温度为t t1 1和和t t2 2时回路的热电势为时回路的热电势为E E1 1；接点温度；接点温度为为t t2 2和和t t3 3时的热电势为时的热电势为E E2 2，则接点温度为，则接点温度为t t1 1和和t t3 3时的回路时的回路热电势为热电势为E=EE=E1 1+E+E2 2冷端修正理论依据。冷端修正理论依据。.32dtctbtaEt 列表法列表法 可用可用 数学表示法数学表示法 表示（冷端温度均为表示（冷端温度均为00） 图示法图示法 列表法列表法 将温度与热电势列成相应的表格，不同的热电偶将温度与热电势列成相应的表格，不同的热电偶 其数值是不同的，每种热电偶都对应一个分度

23、号。其数值是不同的，每种热电偶都对应一个分度号。数学法数学法 热电势与温度的关系用一个公式表示热电势与温度的关系用一个公式表示工业上常用的标准热电偶工业上常用的标准热电偶普通热电偶普通热电偶由热电极、绝缘管、保护套和接线盒组成由热电极、绝缘管、保护套和接线盒组成图17 普通热电偶图18 铠装热电偶只有热电偶的只有热电偶的冷端温度保持不变冷端温度保持不变，热电势才是被测，热电势才是被测温度的单值函数，使用补偿导线可将温度的单值函数，使用补偿导线可将冷端延伸至温冷端延伸至温度恒定处度恒定处；同时节约贵金属材料。；同时节约贵金属材料。a.a.补偿导线特点补偿导线特点测量端测量端 tt 0冷端冷端热电

24、极热电极补偿导线补偿导线镍铬镍铬镍硅镍硅镍铬镍铬铜镍铜镍SK铜铜铜镍铜镍镍铬镍铬铜镍铜镍铜铜铜镍铜镍ET)0 ,(),()0 ,(11tEttEtE采用补偿导线后，冷端从温度较高和不稳定的地方，采用补偿导线后，冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是还不是00。冰点法冰点法计算修正计算修正仪表零点校正仪表零点校正 补偿电桥补偿电桥 补偿热电偶补偿热电偶 补偿电桥法补偿电桥法 补偿热电偶法补偿热电偶法所以，在中、低温区，一般使用所以，在中、低温区，一般使用热电阻温度计热电阻温度计测量，测量，适用于适用于-20

25、0-200+500+500，输出值大，测量准确。，输出值大，测量准确。由于热电偶温度计具有：由于热电偶温度计具有：图图2121 热电阻的接线方法热电阻的接线方法三线制三线制热电阻温度计热电阻温度计热电阻（感温元件）热电阻（感温元件） 不平衡电桥不平衡电桥显示仪表显示仪表 平衡电桥平衡电桥连接导线连接导线)(1 00ttRRtttRRtt0 利用金属导体的电阻值随温度而变化的利用金属导体的电阻值随温度而变化的 特性来进行温度测量的。特性来进行温度测量的。 热电阻与热电偶的测温原理是不同的热电阻与热电偶的测温原理是不同的热电阻：温度变化热电阻：温度变化 电阻值变化电阻值变化热电偶：温度变化热电偶：

26、温度变化 热电势变化热电势变化工业常用热电阻工业常用热电阻 普通型热电阻普通型热电阻 主要由电阻体、保护套管和接线盒等组成。主要由电阻体、保护套管和接线盒等组成。 铠装热电阻铠装热电阻 将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体。体积小、抗震性强、可弯曲、热惯性小、连成一体。体积小、抗震性强、可弯曲、热惯性小、使用寿命长。使用寿命长。 薄膜热电阻薄膜热电阻 将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到绝缘基底上。体积小、热惯性小、灵敏度高。绝缘基底上。体积小、热惯性小、灵敏度高。 测温元件的感温点应处测温元件的感温点应处 于管道中流速最大处；于管道中流速最大处； 测温元件应有足够的插入测温元件应有足够的插入 深度，以减小误