核电站仪表与控制：第4章-核电厂过程参数监测仪表课件

1、第4章 核电厂过程参数检测仪表4.1 核电厂过程参数测量的基本要求核电厂过程参数测量的基本要求4.2 温度测量仪表温度测量仪表4.3 压力测量仪表压力测量仪表4.4 流量测量仪表流量测量仪表4.5 液位测量仪表液位测量仪表4.6设备运行状态监测仪表设备运行状态监测仪表4.7 火灾探测仪表火灾探测仪表4.8 硼酸浓度测量仪表硼酸浓度测量仪表4.1 核电厂过程参数测量的基本要求核电厂过程参数测量的基本要求4.1.1 参数测量的基本概念 测量就是用实验的方法，把被测量与所选定的测量单位进行比较，求其比值以获得被测量数值的过程。 测量包括三个要素三个要素： 测量单位 测量工具（仪器仪表与设备） 测量方

2、法（实验方法）（1）测量仪表的基本组成 敏感元件（传感器） 变换元件（变换器） 传送单元 数据处理、显示记录单元 4.1 核电厂过程参数测量的基本要求核电厂过程参数测量的基本要求4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念敏感元件敏感元件：直接与被测介质发生关系，在被测介质作用下，敏感元件将产生一个与被测物理量有关的输出信号。敏感元件的基本要求：敏感元件的基本要求：1) 不影响不影响工艺系统的运行工况和被测介质的状态;2) 只对被测物理量敏感只对被测物理量敏感,而对其他非被测的物理及干扰信号不敏感;3)敏感元件的输出与被测物理量的数值具有单值函数关系单值函数关系;4)敏感元件的测量范围测量

3、范围应能覆盖被测物理量的变化范围;5)在测量范围内,敏感元件应有较高的灵敏度较高的灵敏度;6)敏感元件应能承受现场环境条件的影响承受现场环境条件的影响,而不丧失其测量功能;7)敏感元件如果直接安装在工艺系统的设备上,安装的方式不不得破坏工艺系统的完整性得破坏工艺系统的完整性。4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念变换元件：变换元件：把敏感元件输出的信号变换成能够进行显示或能实现远距离传送的信号。变换元件的功能应包括变换元件的功能应包括：1)对不同物理性质的信号进行变换不同物理性质的信号进行变换,例如,大多数把非电量信号变换成电量信号;2)对信号的数值进行变换对信号的数值进行变换,即按

4、一定规律对敏感元件所输出的信号在数值上进行变换，而不改变信号的物理属性;3)既实现不同物理性质信号的变换,又同时进行数值变换。 传送单元：传送单元：把现场的变换元件输出的信号远距远距离传送离传送到使用被测信号的地方。要根据被传送信号的来确定所用的传送元件。4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念（2）测量误差 随机误差与系统误差 随机误差随机误差是指在相同条件下对同一被测量进行多次测量时,由于随机不确定因素的影响而使测量结果出现没有规律且无法估计没有规律且无法估计的误差； 系统误差系统误差是指在相同条件下对同一被测量进行多次测量时出现的恒定的或按一定规恒定的或按一定规律变化的误差律变化

5、的误差。4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念（2）测量误差 绝对误差和相对误差 绝对误差绝对误差：测量结果减被测量真实值所得的最大偏差称为测量的绝对误差，简称误差。 相对误差：相对误差：绝对误差除以被测量的真值的百分数。max|0 xx%1000 x4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念 有明确的单位，其数值大小与单位相关； 不能确切地反映出测量的精密度和准确度。 相对误差是个比值，没有单位常用表示； 能更确切地反映出测量的精确程度反映出测量的精确程度。4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念（3）仪表的精度及测量的不确定性仪表的精度精度：用仪表在满量程测量时的相

6、对误差来表示。仪表的精度等级精度等级：相对误差去掉百分号。测量的不确定性不确定性：用仪表的精度等级和所要求的测量量程来估算。 绝对不确定性和相对不确定性4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念（3）仪表的精度及测量的不确定性 绝对不确定性 V=(a/100)*A相对不确定性 n= (V/V)*100%4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念（4）测量仪表的基本性能要求 1）量程（=|测量上限-测量下限|） 2）灵敏度 仪表输出信号的变化量与输入信号的变化量之比。 3）分辨率不能引起仪表输出发生变化的最大输入信号与量程范围的百分比。 4）线性度仪表输出-输入特性曲线偏离对比直线的

7、最大偏差与量程的百分比。 5）精度 6）动态特性（上升时间、响应时间、过冲量）4.1.1 参数测量的基本概念参数测量的基本概念（1）核电厂过程参数仪表的功能 信息功能信息功能：监测核电厂的有关参数，实时的提供给操纵员，对数据进行处理和存储。 控制功能控制功能：包括现场控制、远距离控制、自动控制反应堆控制包括硼的浓度、控制棒的驱动，过程控制包括热传输的控制、汽机的控制等。保护功能保护功能：出现事故时，保护设备和人员安全，控制辐射对环境的影响。4.1.2 核电厂过程参数仪表的功能和特点核电厂过程参数仪表的功能和特点（2）核电厂过程参数仪表的特点 仪表的安全分级 仪表的量程 仪表的精度 仪表的响应时

8、间 仪表的可靠性 1E级仪表的耐环境能力（K1K2K3）4.1.2 核电厂过程参数仪表的功能和特点核电厂过程参数仪表的功能和特点（1）温标：温度的测量单位摄氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为0度，水的沸点为100度，两固定点之间等分100份，每份为摄氏1度，记为1C。（1740年瑞典人摄尔塞斯Celsius）华氏温标：标准大气压下，水的冰点为32度，水的沸点为212度，两固定点中间等分180份，每份为华氏1度，记为1F。（1714年德国人华伦凯特Fahrenheit）热力学温标：以水的三相点作为273.16，再取1273.16定义为1K。4.2 温度测量仪表4.2.1 温标和温度测量方法温标

9、和温度测量方法（2）温度的测量方法 测量物体的温度是基于物体的某些物理特性随温度变化的性质来测量。制作温度计的原则要求 物质性质只与温度有关，单值，线性，稳定易复现。 较高的温度灵敏度 较宽的测量范围。4.2.1 温标和温度测量方法温标和温度测量方法体积膨胀式压力表式热电偶热电阻接触式非接触式辐射式光电式结构简单，可靠性好，价格低。有测温误差，测温上限受材料所承受的温度限制。响应快，对被测对象的干扰小，可测高温、运动的温度，精度一般不高。4.2 温度测量仪表4.2.2 温度测量仪表温度测量仪表4.2.2 温度测量仪表温度测量仪表4.2.2.1 热电偶热电偶 热电偶是利用物理学中的热电现象（塞贝

10、克效应1821年）制成的测温传感器。当两种不同材料的导体（或半导体）A和B构成闭合回路时，如果两个接触端温度不同时，回路中将产生电流，这种现象称为热电现象热电现象。相应产生的电势称为热电势热电势，AB构成的闭合回路称为热电偶热电偶.广泛用于测量1001300温度 其中T为测量端（热端、工作端），T0称为参比端（冷端、自由端）。ABTT04.2.2.1 热电偶热电偶 （1）工作原理热电势由接触电势和温差电势组成。1）接触电势）接触电势设材料中的自由电子密度NA NB。当A和B构成热电偶时，在接点处A、B材料间电子扩散运动的示意图如所示。 4.2.2.1 热电偶热电偶 接触电势的数值可用下式表示：

11、 式中： k波尔兹曼常数1.3810-23 JKT接点温度e单位电荷数，4.80210-10绝对静电单位NA、NB导体A、B在温度T时的自由电子密度 BANNlnekTe)(2）温差电势（）温差电势（汤姆逊） 温差电势是指同种材料导体由于两端温度不同产生的热电势。假设TT0，温度高的一侧自由电子能量大，因此电子扩散时从高温端移向低温端的数量多，返回的数量少。导体回路产生温差电势。4.2.2.1 热电偶热电偶 温差电势的数值： 式中： 汤姆逊系数，表示温差为1时所产生 的电动势，它与材料的性质有关。 只与导体性质及温度有关，与导体长 度、截面积及温度分布无关。)T(eTe dt )T(e0AAT

12、 T 0）（，0e(T)4.2.2.1 热电偶热电偶 3）热电偶回路的总电势：）热电偶回路的总电势：热电偶回路总电势就是温差电势与接触电势的综合效应。设TT0，NANB则： T T BABA00B0A0BA,BA,0B0BA,0ABA,BA,)dt-(NN)lnT-(Tek )T(T,e- )T(T,e-)(Te-(T)e )T(T,e)(Te- )T(T,e-(T)eTT,E00）（则回路总电势：T T BABA00B0A0BA,BA,0B0BA,0ABA,BA,)dt-(NN)lnT-(Tek )T(T,e-)T(T,e-)(Te-(T)e )T(T,e)(Te-)T(T,e-(T)eTT

13、,E00）（ 00TfTf TfTf )(Te-)(Te)(Te-(T)e-(T)e(T)e )(Te-(T)e)(Te-)(Te(T)e-(T)e)T(T,EBAABABAB0A0B0BA,ABBA,0BB0BA,0AABA,0AB4.2.2.1 热电偶热电偶 （2）热电偶的基本定律及其应用 均质导体定律 中间导体定律 中间温度定律4.2.2.1 热电偶热电偶 1） 均质导体定律 均质导体：沿导体长度方向各部分化学成分均相同的 导体。定律：由一种均质导体所组成的闭合回路，不论导体 的截面积如何及导体各处温度分布如何，都不 能产生热电势。作用：热电偶必须采用两种不同材质的导体构成（制 造）；若

14、一种导体组成的闭合回路产生热电 势，材料非均质（冶炼）； 若材料局部不均匀将产生附加热电势（及时检修，防腐）；推论1：在热电偶回路中接入中间均质导体，只要接入导体两端温度相等两端温度相等，则对回路总电势没有影响。2）中间导体定律）中间导体定律定律：由不同材料组成的闭合回路中，当各种材料接触点的温度都相同接触点的温度都相同时，则回路中热电势的总和等于零。证明：如图所示，在电极为AB的热电偶回路中接入第三种均质导体C，保持C两端的温度相等，则回路总电动势不变，即： CBAT0T )(Tf)(Tf(T)f)T ,T(T,E0CA0BCAB00ABC 0)(Tf)(Tf)(Tf)T ,T ,(TE0C

15、A0BC0AB000ABC )(Tf)(Tf)(Tf)(Tf0BA0AB0CA0BC )T(T,E)(Tf(T)f)T ,T(T,E0AB0BAAB00ABC作用：用仪表测量热电势成为可能；且提出了测量接线及环境要求；推论2：如果A、B对C 材料的热电势已知，则A、B构成热电偶的热电势为它们对C热电势的代数和。作用：只要通过实验获得某些电极与标准铂电极的热电势，则其中任何两个电极配成的热电偶热电势即可通过计算获得。标准电极定律 )T(T,E)T(T,E)T(T,E0AB0CB0ACACA+CBBTTTT0T0T02）中间导体定律3）中间温度定律：热电偶回路中如果热电极A和B分别与导体A、B相接

16、，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电势等于热电偶热电势和连接导体热电势的代数和。 作用：若A，B材料热电特性在Tn，T0（低温区）与A、B的热电特性相同，则可用AB材料代替AB延长热电偶。ABBATTnT0)T,(TE)T(T,E)T,T,T(T,E0nBAnABn0nAABB两种均质材料AB构成热电偶，两端温度分别为T，T0，如果有一个中间温度Tn，则热电势不受影响。)T(T,E )T ,(TE)T(T,E)T ,T ,T(T,E0AB0nABnABn0nABBAABTT0图2.20 中间温度ABTn,0)(TE-(T,0)E)T(T,E0ABAB0AB写成特殊形式：作用：已知热电偶在

17、某一冷端下的分度分度（温度与热电势的对应数据），只要 引入适当的修正就可在另外的冷端下使用。例例K型热电偶用于测温，已知参比端温度25，测得热电势20.54mV，问实际测量温度是多少？解：由已知，E（T，25）20.54mV, 因 E（T，0）E（T，25）+E（25，0） 20.54+1.021.54mV查表，得T521（3）热电偶的参比端温度的补偿）热电偶的参比端温度的补偿 )(Tf(T)f)T(T,E0BAAB0AB影响：影响：由 知T0 恒定，EAB与T单值，故需修正。办法：办法：首先将冷端延长到一个温度稳定的地方使用补偿导线； 然后再考虑将冷端处理为0（与分度表对应），冷端处理和补偿

18、方法：方法：补偿导线法 参比端恒温法 （冰点槽法冰点槽法）计算修正法 冷端补偿器法 软件修正法 补偿导线法补偿导线法补偿导线补偿导线：在在 100（或（或200）以下的常温范围内，）以下的常温范围内，具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同特性的廉具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同特性的廉价材料导线。用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端价材料导线。用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。的作用。 延长型补偿导线：延长型补偿导线：合金丝的化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同。合金丝的化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同。 补偿型补偿导线：补偿型补偿导线：合金丝的化学成分与配用的热电偶不

19、同，但热电势值在合金丝的化学成分与配用的热电偶不同，但热电势值在100以下以下与配用的热电偶的热电势标称值相同。与配用的热电偶的热电势标称值相同。 对补偿导线的要求对补偿导线的要求： 价格低价格低 与热电偶配套与热电偶配套 正负极性不能接错正负极性不能接错 与热电偶的接点温度相同与热电偶的接点温度相同参比端恒温法参比端恒温法冰点槽法重点在结构和连线。恒温箱法：把冰点槽换成恒温箱。恒温数值T0 已知。适用于实验室应用，或校验精度时使用。冷端补偿器法冷端补偿器法思路：被测温度一定时，若冷端温度升高，则热电势下降，反之亦然。若想办法在热电偶回路中串联上一个输出电压也跟随冷端温度变化，但与热电势变化方

20、向大小相等方向相反方向大小相等方向相反，那么总输出电势将再不受冷端温度变化影响。 dcI1实现原理实现原理：直流不平衡电桥，其中固定三个桥臂电阻，另一个桥臂电阻随温度变化即可。图中R1、R2、R3为1欧姆，用锰铜电阻（温度系数0.00610-3），Rcu为铜电阻（温度系数4.254.2810-3），设计平衡点1欧姆。补偿电势abU设计平衡点处 0； ab0U)TE(T, UEURcuI1UdaUba T0 上述过程中认为Ucd不变。当冷端温度偏离设计平衡点时，热电势变化方向与Uab变化方向相反从而保证U基本不变（示值不变）。 不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器（调整电源回路电阻）； 冷端补

21、偿器中的铜电阻必须与冷端同温； 补偿范围有限（一定精度内，一般050）； 极性不能接反； 作用上强制冷端处于平衡点温度，若平衡点为0可直接用分度表。软件修正法软件修正法计算机监控系统中使用的方法。即采集实时的冷端温度，利用软件编程实现在线计算并自动查表修正。冷端温度测量通常采用半导体测温元件或数字温度计。 要求：要求：0T)TE(T,0E(T,0)计算修正法：计算修正法：通常冷端温度已知，并测出时，利用公式得出,0)E(T)TE(T,E(T,0)00中间温度定律p 热电偶的分类热电偶的分类标准化热电偶标准化热电偶：工艺成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际、国家标准性

22、文件的热电偶。 分度号S，铂铑10铂，01300分度号R，铂铑13铂， 01300分度号B，铂铑30-铂铑601300 分度号K，镍铬-镍硅， -2001200 分度号N，镍铬硅镍硅， -2001200 分度号E，镍铬康铜， -200760 分度号T，铜康铜， -200350 分度号J，铁康铜， -40600非标准化热电偶非标准化热电偶：对这一类热电偶的研究还不够成熟，虽然已有产品，也能够使用，但还没有统一的分度表。非标准化的热电偶发展很快，主要目的是进一步扩展高温和低温的测量范围。贵金属热电偶 ， 贵一廉金属混合式热电偶， 难熔金属热电偶 ，非金属热电偶 贵廉（4）常用热电偶的类型）常用热电

23、偶的类型p 热电偶的结构形式热电偶的结构形式保护套管 普通装配式热电偶结构两电极间电气绝缘绝缘子电极不受环境有害物质污染一定的刚度和强度测量端与被测对象有良好的接触紧贴套管端部、插入深度等。要求要求铠装热电偶结构4.2.2.2 热电阻热电阻（1）测温原理）测温原理 利用导体或半导体的阻值随温度变化这一现象测量温度。（RT特性） 广泛用于测量-200500温度 4.2.2 温度测量仪表温度测量仪表标准热电阻标准热电阻铂热电阻（Pt10 ，Pt100 ）铜热电阻（Cu50 ， Cu100 ）4.2.2.2 热电阻热电阻（2）热电阻类型）热电阻类型铂热电阻特点：特点：测温范围：-200850，精度高

24、、稳定性和复现性好，价格高、体积略大。在还原性气氛中易被污染使铂丝变脆，所以要加保护套管隔离有害气体。种类：Pt10：0时10欧姆，用较粗铂丝绕制，主要用于650以上温区；Pt100：0时100欧姆，用较细铂丝绕制，用于650以下温区；厚膜铂电阻：铂浆料印刷在玻璃或陶瓷底板上，再经光刻而成，-70500；核电站用铂电阻测反应堆冷却剂环路的热段、冷段温度。（2）热电阻类型）热电阻类型铜热电阻：特点：特点：测温范围：-50150，温度特性接近线性，价格低、体积大；温度稍高易氧化。种类：种类：Cu50和Cu100，0时分别50欧姆和100欧姆：标准热电阻结构：标准热电阻结构：（2）热电阻类型）热电阻

25、类型热电阻的引线 电阻体与接线盒中接线端子之间的连接线称为引线。严格要求： 铂电阻的引线一般用银线，高温下用镍线。引线要求比电阻丝粗，是为了减小引线的电阻。引线要套上绝缘套管。 国产热阻的引线又二线制、三线制、四线制。 两线制：存在引出线电阻变化时产生的附加误差。 三线制：为了减小引线电阻变化引起的附加误差。 四线制：不仅减小引线电阻的影响，而且减小各部分连接时的接触电阻及其阻值变化的影响。实验室精密测量使用。三线制接法：热电阻与电桥配合使用时，可有效减小连线误差。平衡电桥原理测电阻：cddabRJ电桥平衡时：r)(RRr)(RRt231r-rRRRRRRrR-r)(RRR212312231t

26、设计时满足：21RR 上式变成：3tRR 即，温度变化时调整R3即可使电桥平衡，用可变电阻R3即可刻度Rt同时不受连线电阻影响。 三线制作用明显！ 所谓压力就是垂直而均匀地作用在所谓压力就是垂直而均匀地作用在单位面积单位面积上的力，即物理学中常称的上的力，即物理学中常称的压强压强。 工程上，习惯把压强称为压力。而差压是指工程上，习惯把压强称为压力。而差压是指两个测量压力之间的差值，也就是压力差。两个测量压力之间的差值，也就是压力差。 几种不同表示方法几种不同表示方法 绝对压力：绝对压力：被测介质作用于物体表面上的全部压力称被测介质作用于物体表面上的全部压力称为绝对压力，真空为零点。为绝对压力，

27、真空为零点。大气压力：大气压力：由地球表面空气质量所形成的压力，称为由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化；化；4.3 压力压力测量仪表 表压力：表压力：绝对压力与当地大气压之差称为表压力，工绝对压力与当地大气压之差称为表压力，工程上需要测量的往往是物体超出大气压以外的压力大程上需要测量的往往是物体超出大气压以外的压力大小，因此压力计的指示值都是表压力（即通入仪表的小，因此压力计的指示值都是表压力（即通入仪表的压力是绝对压力，显示的是表压力）；压力是绝对压力，显示的是表压力）； 真空度真空度( (负压负

28、压) )：当绝对压力小于大气压力时，表压力：当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值为负值( (负压力负压力) )，其绝对值称为真空度；，其绝对值称为真空度； 差压差压：任意两个压力之差称为差压。：任意两个压力之差称为差压。各种压力之间的关系各种压力之间的关系绝对压力绝对压力=表压力表压力+大气压力大气压力各种压力之间的关系此外，工程上按压力随时间的此外，工程上按压力随时间的变化关系有变化关系有静态压力静态压力和和动态压动态压力力之分之分4.3 压力压力测量仪表4.3 压力压力测量仪表4.3.1压力仪表种类压力仪表种类按压力表测量压力范围测量压力范围分类：测量绝对压力的压力表、测量表压力的压力表

29、、测量真空度的真空压力表、测量两个压力差的差压表。按压力表的压力测量原理压力测量原理分类：弹性元件压力表、液柱式压力表、活塞式压力表、电气压力表。当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的弹性变形形( (即机械位移即机械位移) )。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数。根据变形量的大小，可以测得被测压力的数值值 弹性元件弹性元件(压力压力变形位移变形位移 ) 弹簧管弹簧管 （又称波登管）（又称波登管）薄膜式薄膜式 （膜盒）（膜盒）波纹管（筒）波纹管（筒） 压压力力减减小小各类弹性元件与位移变换器配合，可制成各种指示式和远传式各类弹性

30、元件与位移变换器配合，可制成各种指示式和远传式压力表。压力表。 注意弹簧管的截面形状！注意弹簧管的截面形状！4.3 压力压力测量仪表4.3.2 应变式压力表应变式压力表弹性元件位移的远传弹性元件位移的远传 弹性压力表可以在现场指示，但是许多情况下要求将信号远弹性压力表可以在现场指示，但是许多情况下要求将信号远传至控制室。传至控制室。 有两种方法，一种用长管道传递压力信号有两种方法，一种用长管道传递压力信号 ；另一种是弹；另一种是弹性元件就地把位移转换成电量，用电气表表示性元件就地把位移转换成电量，用电气表表示 。常见的转换方式有电位计式、霍尔元件式、电感式、差动常见的转换方式有电位计式、霍尔元

31、件式、电感式、差动变压器式等。变压器式等。 4.3 压力压力测量仪表4.3.2 应变式压力表应变式压力表 电感式压力变送器是利用把的转换成的或 的，再由转换为或信号。它可把各种位移、压力、流量等参数转换成输出。 即：要解决的问题： 1、如何设计传感器（如何使得 ） 2、它们之间的关系是否线性MLd或者变化变化导致 Lx4.3.3 压力变送器压力变送器1 1）气隙式）气隙式 其电感量其电感量L L公式如下公式如下: :空气隙的磁阻铁芯、衔铁的总磁阻；磁路中的总磁阻线圈匝数；。:,22RRRWRRRRWLFMFMM222111SdSdRFd1 : 铁芯中的磁路长度铁芯中的磁路长度d2 : 衔铁中的

32、磁路长度衔铁中的磁路长度1 : 铁芯的磁导率铁芯的磁导率2 : 衔铁的磁导率衔铁的磁导率S1 : 铁芯的截面积铁芯的截面积 S2 : 衔铁的截面积衔铁的截面积RRSSRF由于：气隙面积。空气磁导率；气隙宽度；00:,220 2WSL 改变 、 两个参量中的任意一个量，均可使电感量 改变。 电感的基本理想公式：L1L20UACU0R0R显然，若不考虑包括2次项以上的高次项，则L和成比例关系，因此高次项的存在是造成非线性的原因。螺线管式工作原理：当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。对于单个电感位移传感器其存在非线性误差

33、起始电流导致衔铁产生附加误差（电感电流不能突变）不适合用于精确测量螺管式电感压力变送器电感测量电路电感测量电路 交流电桥有不同的组合，常用的有电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗，例如都是。 如右图，设Z1为待测的电容和电感，Z3=Z4,要使电桥平衡，UO=0,需要Z1/Z3=Z2/Z4，Z2为（电容）。交流电桥特点：交流电桥输出为（），外界工频干扰不易被引入电路；但要求供桥好。交流放大电路简单，且的影响。4.3.3.2 电容式压力传感器电容式压力传感器绝缘介质分开的的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 dAC电容量C随参数A、 d或的变化而变化电容式传感器

34、可分为变极距、 变面积和变介电常数型变极距变极距( (）型）型: (a): (a)、(e) (e) 变面积型变面积型(S)(S)型型: (b): (b)、(c)(c)、(d)(d)、(f)(f)、(g) (g) （h h） 变介电常数变介电常数( ( ) )型型: : （i i）(l) (l) u 变极距变极距型电容传感器型电容传感器Ard变极距型电容式传感器 其初始电容量C0为 0000dAdACr 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d变为d1，电容量增大了C为C，则有 20000111100dddddAdddAddAdAC00000,11ddCCddCCdd时，当度较高相应会大一些，即灵

35、敏小一些，则所以初始极距Cd0K=C/d =C0/d0CC1C2Od1d2CC1C2Od1d2d图6-3 电容量与极板间距离的关系电容传感器的灵敏度简化为 01Kd 灵敏度K与极距d0成反比； 负号表示当d减小时，电容增大； 极距愈小，灵敏度愈高；但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。据公式表明： 电容增量C与极距d0呈非线性关系，在小测量范围内才有近似线性关系，既dd。 实际多取一阶 近似公式0000*ddCdddCC00000011ddddCCddddCC实际近似实际非线性误差当一个电容量增加时，另一个电容量则减小。差动式电容传感器的灵敏度较单个电容传感器提高一倍，而非线性误差大大减小。

36、保证线性度，应限制； 增大起始间隙，又影响灵敏度。 为了提高灵敏度和改善非线性可以采用差动式结构，还可减小因受温度影响引起的不稳定性。 001dddS非线性误差灵敏度000202002020020220220000021020121112112112)()(11ddCCddddddCdddddAddddAddddddACddddACCCddACddAC时，当设初态d01=d02=d0, 则C01=C02=C0。动板极上移d：2d1d2C1C动板极动板极定板极定板极差动电容传感器差动电容传感器4.3.4 核电厂压力仪表使用特点和注意事项核电厂压力仪表使用特点和注意事项1）测量范围宽）测量范围宽2

37、）环境温度较高）环境温度较高3）耐辐照性能）耐辐照性能4）仪表安装不能损坏冷却剂压力边界的完整）仪表安装不能损坏冷却剂压力边界的完整5）抗震性）抗震性6）测量脉动压力的仪表应安装减震装置）测量脉动压力的仪表应安装减震装置7）测量腐蚀介质时应加装保护装置）测量腐蚀介质时应加装保护装置1 1）瞬时流量（流量）瞬时流量（流量）单位时间内流过某一截面的物质数量（质量或体积）。2 2）总流量（总量、累积流量）总流量（总量、累积流量）在某一时间内流过的物质数量。dtdQq tqdQ流量表示法流量表示法： 质量流量是反映流量的最好方法（不受温度等环境参数质量流量是反映流量的最好方法（不受温度等环境参数变化）

38、。凡是没有特殊说明的流量，均指的是瞬时流量。变化）。凡是没有特殊说明的流量，均指的是瞬时流量。 4.4 流量测量仪表流量测量仪表4.4 流量流量测量仪表4.4.1 流量测量仪表种类差压式流量计差压式流量计 节流装置流量计、弯管流量计、转子流量计流速式流量计流速式流量计 涡轮流量计、电磁流量计、超声流量计等容积式流量计容积式流量计 椭圆齿轮流量计、腰轮流量计等 4.4.2 4.4.2 节流装置流量计节流装置流量计 节流式流量计是一种典型的差压式流量计。是目节流式流量计是一种典型的差压式流量计。是目前工业生产中用来测量前工业生产中用来测量的最常的最常用的一种流量仪表。在整个工业生产领域中，节流式用

39、的一种流量仪表。在整个工业生产领域中，节流式流量计约占流量仪表流量计约占流量仪表。 优点 结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又具有一定准确度；具有一定准确度；有很长的使用历史，有丰富的、可靠的实验数有很长的使用历史，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工已经标准化。据，设计加工已经标准化。节流式流量计组成示意图1节流装置；2引压管路；3三组阀；4差压计 测量出节流装置两端的差压信号来间接测量流量。将流量转换成差压信号，也称“一次装置”，包括节流件、取压装置和前后直管段。 测量差压、显示流量也称“二次装置”，包括差压信号管路和测量仪表（差压变送器、开方器、

40、显示仪表、积算器）。 4.4.2 4.4.2 节流装置流量计节流装置流量计p 节流装置的组成和类型节流装置的组成和类型 图5-6节流装置的组成示意图p 标准节流标准节流装置的结构装置的结构 从节流件、取压装置、以及测量管段三方面标准化 通常节流件选用标准孔板或标准喷嘴，取压方式常采用环室取压、角接取压、法兰取压以及D-D/2取压等方式。 由节流件、取压装置、以及测量管段 好的节流件应当使得流量和差压之间的关系较为稳定。常用的节流件有常用的节流件有 标准化的孔板标准化的孔板、圆缺孔板圆缺孔板标准化的喷嘴标准化的喷嘴、非标准化的非标准化的1/41/4圆喷嘴圆喷嘴长径喷嘴、文丘里喷嘴长径喷嘴、文丘里

41、喷嘴和文丘里管等和文丘里管等 p 节流装置的取压方式节流装置的取压方式 孔板孔板：结构简单，易加工，省料，造价低；工业上应用多，：结构简单，易加工，省料，造价低；工业上应用多，只能用于清洁的流体。只能用于清洁的流体。文丘里管文丘里管：结构复杂，难加工，费料，造价高；一般用于有：结构复杂，难加工，费料，造价高；一般用于有特殊要求的场合，如低压损高精度。它的流通连续变化，所特殊要求的场合，如低压损高精度。它的流通连续变化，所以可用于脏污流体的流量测量，并在大管径流量测量方面应以可用于脏污流体的流量测量，并在大管径流量测量方面应用较多。用较多。喷嘴喷嘴：居中。由于其坚固性，一般用于高速的蒸汽流量测量

42、。：居中。由于其坚固性，一般用于高速的蒸汽流量测量。流出系数的稳定性：孔板差，喷嘴好。流出系数的稳定性：孔板差，喷嘴好。压力损失：孔板大，喷嘴小，文丘里管更小。压力损失：孔板大，喷嘴小，文丘里管更小。p 节流装置的性能比较节流装置的性能比较流体流经节流件时压力和流速变化情况4.4.2.3 4.4.2.3 工作原理工作原理 4.4.2 4.4.2 节流装置流量计节流装置流量计 另外，如果测量对象为，那么它在节流过程中将发生变化，需要引入流束修正采用节流件前的流体密度，最后，可压缩流体公式表示为： pdqv242pdqm242 4.4.2 4.4.2 节流装置流量计节流装置流量计标准节流装置的压力

43、损失pp2211压力损失与节流件形式有关，随直径比的减小而增大，随压差的增加而增加。设计节流件是应对压力损失有所限制，不能超出允许范围。 4.4.2 4.4.2 节流装置流量计节流装置流量计qp2pKq pq节流装置的输入为，输出为 ，由流量公式可知：即：差压变送器内增添开方运算功能，将标准电流信号进行开方。q很小时，灵敏度显著降低，使得差压计相对误差急剧增大，测量范围通常为1/3上限上限。 、为非线性关系；截面积或者直径，为实际温度下的数值211, ,/fk PPP P或流束膨胀系数与节流件形式有关，p流出系数是在一定的和下，实测的流量值与理论计算的流量值之比。由于实测时总有损失情况，所以1

44、； ,DCfR与节流件形式有关。 流体密度为节流装置上游取压口处的流体实测密度。可压缩流体的 ，所以当温度、压力或成分有变化，则就有变化，应进行密度修正。成分1，Tpfp流体必须充满管道和节流装置，并连续地流经管道；流体必须是牛顿流体，即在物理上和热力学上是均匀的、单 相的或者可以认为是单相的；流体流经节流件时不发生相变；流体流量不随时间变化或变化非常缓慢；流体在流经节流件以前，流束是平行于管道轴线的无旋流标准节流装置不适用于脉动流和临界流的流量测量。对管道来说，圆管的圆度有要求，管径有限制，节流件前后应有一定长度的直管段，管内上游10D，下游5D内要求光滑，没有凹坑、毛刺以及沉积物。使用标准

45、节流装置时，必须满足下列条件：4.4.3 4.4.3 弯管流量计弯管流量计 原理及流量公式原理及流量公式 稳定流动的流体经过弯管时，由于离心力的作用在弯稳定流动的流体经过弯管时，由于离心力的作用在弯管内、外侧壁上产生压力差。在弯曲中心最远与最近位管内、外侧壁上产生压力差。在弯曲中心最远与最近位置上测得的压力差的平方根正比于流速，即正比于流量。置上测得的压力差的平方根正比于流速，即正比于流量。)(224212PPDRDqmDRCPDCPDRDqm22422422 应用：广泛用于反应堆流量测量。 注意：测堆冷却剂流量时，先用实际工作流体进行标定。如不进行标定，但精度要求达到3%-5%时，须测定弯管

46、的曲率半径和弯头内径。 上下游有足够的直管段。 取压口在中央管径上弯曲的最外侧和最内侧，取压口直径大于 ，两个取压口对准。8D4.4.3 弯管流量计弯管流量计 特点： 弯管流量计在弯管内流动无障碍，所以没有压力损失，且安装方便，价格低廉。对介质条件要求低。 缺点是产生的压差小，是一种尚未标准化的仪表。由于许多装置上有不少的弯头，所以它是一种便宜的流量计。 弯头之间的差异限制了测量精度的提高，其精度约在5 10 ，重复性可达1 4.4.3 弯管流量计弯管流量计 结构：属于恒压降变截面积流量计 4.4.4 转子流量计转子流量计（浮子流量计）（浮子流量计）金属转子流量计玻璃转子流量计玻璃转子流量计

47、4.4.4 转子流量计转子流量计（浮子流量计）（浮子流量计） 原理：在测量过程中保持节流件（转子）的前后压差不变，而节流件的流通截面积随流量改变，通过测量流通截面积来达到测量流量的目的。 浮子平衡条件：流体对转子的浮力（定值）+节流P产生的力=转子重力（定值）所以，流量上升，P上升，力上升，浮子位置随流量不同而不同。 常用转子的形式：旋转式、圆盘式、板式 4.4.4 转子流量计转子流量计（浮子流量计）（浮子流量计）Avqv体积流量平均流速流通面积 4.4.5 涡轮流量计涡轮流量计基于基于速度速度面积面积法的流量测量法的流量测量 4.4.5 涡轮流量计涡轮流量计 组成：组成： 变送器：涡轮、导流

48、器、磁电转换器、指示积算器变送器：涡轮、导流器、磁电转换器、指示积算器 壳体和导流器由不导磁材料制成。导流器的作用是支撑叶轮壳体和导流器由不导磁材料制成。导流器的作用是支撑叶轮并导直流体的流动，以及减少流体自旋及涡旋干扰。并导直流体的流动，以及减少流体自旋及涡旋干扰。 特点：特点：准确度高；动态性能好（时间常数为准确度高；动态性能好（时间常数为ms级）；频率输出，级）；频率输出，线性好；线性好；对流速分布和粘度变化敏感，不易测量高粘以及脏污流体；对流速分布和粘度变化敏感，不易测量高粘以及脏污流体；适于水、轻质油、具有腐蚀性的溶液及空气、氧气等介质的适于水、轻质油、具有腐蚀性的溶液及空气、氧气等

49、介质的流量测量。流量测量。有可动部件，有磨损问题，寿命不长。有可动部件，有磨损问题，寿命不长。 4.4.5 涡轮流量计涡轮流量计 原理：原理：涡轮机原理。涡轮机原理。 当变送器被安装在管道上时，涡轮就置于被测流体当变送器被安装在管道上时，涡轮就置于被测流体中，流体流动时冲击涡轮叶片使之转动，中，流体流动时冲击涡轮叶片使之转动，其转速代其转速代表了流体的流量表了流体的流量。叶轮由导磁材料制成，当叶轮转。叶轮由导磁材料制成，当叶轮转动经过磁电转换器中的永久磁钢时，转换器中的磁动经过磁电转换器中的永久磁钢时，转换器中的磁路路磁阻发生变化磁阻发生变化，在磁电转换器的，在磁电转换器的线圈上感应出电线圈上

50、感应出电势势，其，其频率与转速成正比频率与转速成正比。 4.4.5 涡轮流量计涡轮流量计 流量流量转速的转换原理：转速的转换原理：前提：不计叶轮转动时的摩擦阻力的影响，不计流体粘前提：不计叶轮转动时的摩擦阻力的影响，不计流体粘性阻力的影响，不计磁电感应器产生的感应电流所引起性阻力的影响，不计磁电感应器产生的感应电流所引起的电磁反作用力矩的影响。的电磁反作用力矩的影响。fqqqrFZtgfFvqZnZfrtgvvvvv12200 4.4.5 涡轮流量计涡轮流量计转动角速度V0 流体速度n 涡轮转速f感应线圈输出的电流脉冲频率 注意事项：被测流体必须洁净，防止叶片被卡和减少轴与轴承的摩擦。（过滤器

51、） 被测流体的粘度和密度必须与仪表刻度标定时的流体粘度和密度相同，否则重新标定。 安装方式要求与校验情况相同。进出口不能接反，水平安装，前后直管段。（整流器） 4.4.5 涡轮流量计涡轮流量计依据：依据：法拉第电磁感应定律，测量管道内的流动的导电液体（等效于许多连续的导电薄圆盘）做垂直于磁场的运动，产生感应电动势，电势大小与流量相关。磁场磁场： 恒定磁场恒定磁场：适于测量时不易产生极化现象的非电解液； 交变磁场交变磁场：工业用的大部分形式（可减小极化现象）。 4.4.6 电磁流量计电磁流量计电磁流量计测量原理及结构示意图电磁流量计测量原理及结构示意图 4.4.6 电磁流量计电磁流量计电磁流量计

52、测量原理电磁流量计测量原理CEqKqqDBEvDqBDvEvvvv4424.4.6 电磁流量计电磁流量计优点优点：压损极小；可测流量范围大；适用管径范围宽（最大可达3m）；测量精度高，线性度好。不足不足：只能测量导电液体（电导 ），不能测气体、蒸汽及纯净水、石油制品。s/cm14.4.6 电磁流量计电磁流量计在核电厂的应用：液态金属作冷却剂的反应堆中（快堆）在核电厂的应用：液态金属作冷却剂的反应堆中（快堆）1、优点：、优点：没有阻力件放在流道，压降小。没有阻力件放在流道，压降小。无需运动部件无需运动部件压力、温度或流量发生瞬变时不易损坏。压力、温度或流量发生瞬变时不易损坏。时间响应快，易得动态

53、数据。时间响应快，易得动态数据。流体密度或温度的适当变化不会引起显著的误差。流体密度或温度的适当变化不会引起显著的误差。用于液态金属场合，抗干扰能力强，减少了由于电缆的绝缘用于液态金属场合，抗干扰能力强，减少了由于电缆的绝缘电阻低所造成的测量误差。电阻低所造成的测量误差。4.4.6 电磁流量计电磁流量计在核电厂的应用：液态金属作冷却剂的反应堆中（快堆）在核电厂的应用：液态金属作冷却剂的反应堆中（快堆）2、缺点：、缺点：对于高电阻率的冷却剂情况，高的输出阻抗使流量计对辐射对于高电阻率的冷却剂情况，高的输出阻抗使流量计对辐射感生电流、电缆的低绝缘电阻、管道材料较低的绝缘电阻所感生电流、电缆的低绝缘

54、电阻、管道材料较低的绝缘电阻所造成的误差敏感。造成的误差敏感。在高温和强辐射场中使用，磁铁性能难于稳定。在高温和强辐射场中使用，磁铁性能难于稳定。流量计的刻度与温度有关，被测介质温度不能超出衬里材料流量计的刻度与温度有关，被测介质温度不能超出衬里材料的容许使用温度，一般小于等于的容许使用温度，一般小于等于200度。度。磁路的有效空间将限制磁场强度和输出电压。磁路的有效空间将限制磁场强度和输出电压。4.4.6 电磁流量计电磁流量计安装使用注意事项安装使用注意事项被测液体具有被测液体具有导电性导电性。不能测气体、蒸汽、纯净水、。不能测气体、蒸汽、纯净水、甘油、酒甘油、酒精精和石油制品。和石油制品。

55、量程的选择：常用流量最好超过满量程的量程的选择：常用流量最好超过满量程的50。常用流速为。常用流速为25m/s最合适；最合适；压力的选择：使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力，一压力的选择：使用压力必须低于电磁流量计额定工作压力，一般不超过般不超过 16 105Pa；安装要远离强磁场和振动源，大的用电设备。安装要远离强磁场和振动源，大的用电设备。外壳、屏蔽线、测量导管有外壳、屏蔽线、测量导管有良好的接地良好的接地。要单独设置接地点，。要单独设置接地点，不要接在电机或上下管道上。不要接在电机或上下管道上。4.4.6 电磁流量计电磁流量计 垂直安装垂直安装，且被测流体是自下而上流动。也可水平安装

56、，也可水平安装，但要保证测量导管充满液体。但要保证测量导管充满液体。 直管段。旁路管。信号线要单独穿入，用屏蔽线。直管段。旁路管。信号线要单独穿入，用屏蔽线。 测量导管应由非导磁的高阻材料制成。不锈钢、玻璃钢、测量导管应由非导磁的高阻材料制成。不锈钢、玻璃钢、具有高电阻率的铝合金。具有高电阻率的铝合金。 用不锈钢等导电材料做导管时，测量导管内壁及内壁与用不锈钢等导电材料做导管时，测量导管内壁及内壁与电极之间必须有绝缘衬里，以防感应电势被短路。电极之间必须有绝缘衬里，以防感应电势被短路。4.4.6 电磁流量计电磁流量计 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，当超声波由一种介质入射到另一种介质时，

57、由于在两种介质中的传播速度不同，在介质由于在两种介质中的传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。近三十年来，超声波检测技术在工业领域中近三十年来，超声波检测技术在工业领域中的应用于其他无损检测的手段相比，发展很的应用于其他无损检测的手段相比，发展很快。主要用于物位检测、厚度检测、金属探快。主要用于物位检测、厚度检测、金属探伤等，医学上的超声检查、超声清洗。伤等，医学上的超声检查、超声清洗。4.4.7 超声波流量计超声波流量计 原理：超声波入射到管道流体中，原理：超声波入射到管道流体中，顺流顺流传播速度与传播速度与逆逆流流传播速度之差与

58、流体的流速有确定的对应关系。传播速度之差与流体的流速有确定的对应关系。 传播速度测量方法：时间差法、相位差法、频率差法传播速度测量方法：时间差法、相位差法、频率差法 超声测速原理4.4.7 超声波流量计超声波流量计对流体而言：smvsmc86150010002212cLvtttLKtFcFvqv22K：流动中速度分布系数。超声波流量计测得的 是流道上的平均流速，不是 中的管道截面上的平均流速 ，因此流量须加以修正，DvvqvDvv43LKtcDKvFvFqDv24224.4.7 超声波流量计超声波流量计 非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体。（高温、高压、防爆、强腐蚀等） 测量大管径流量

59、 不用在流体中安装测量元件，故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力。 仪表的安装检修不影响生产运行。 被测流体中的汽泡、未充满的空气层、泵及其它声源所混入的超声杂音会干扰测量。特点特点4.4.7 超声波流量计超声波流量计管道式时差超声波流量计外夹式时差超声波流量计便携式超声波流量计4.4.7 超声波流量计超声波流量计4.5 液位测量仪表液位测量仪表 液位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将液位信号转化为其它相关信号进行测量，如压力法、浮力法、电学法、热学法等。 液位测量仪表作为核电站反应堆保护系统的一部分，要具有很高的可靠性。 反

60、应堆容器中主冷却剂的液位、稳压器的液位、蒸汽发生器的液位。4.5.1 差压式液位计差压式液位计4.5 液位液位测量仪表 压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。由于液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测容器中液体的压力即可测算出液位高度。 原理：液面下某原理：液面下某一固定点的静压一固定点的静压力与液面高度成力与液面高度成正比。对于正比。对于的液位测量的液位测量又称作又称作“单法兰单法兰”液位计液位计u静压式液位测量静压式液位测量gPH4.5.1 差压式液位计差压式液位计 与敞口容器液位测与敞口容器液位测量不同，量不同，容器常容器常用用“”结构；结构；此外应考虑上部汽此外应考虑