仪表基础知识培训

仪表基础知识培训、自动化控制理念自动控制在我们日常生活中无处不在眼晴、大脑、手自动控制的结构设定

控制器执行器

测量变送测量环节测量种类（主要介绍四大参数）1、温度2、压力3、流量4、液位一、温度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。一、温度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，因此测量精度会降低。一、温度表1列出了常用测温仪麦的测温原理、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，以实现对温度的检测。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。本节主要介绍这两种温度计。一、温度表1见《培训》中表文件1、热电偶

热电偶是由两根不同的导体或半导体材料(如图1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)。

一、温度图1231图2-55热电偶温度计测量线路1、热电偶2、连接导线3、电测仪表t0t0tAB一、温度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。

一、温度A、热电偶测温的基本原理

热电效应与热电势的产生：

把两种不同的导体或半导体连接成如图2所示的闭合回路，它们的两个接点温度各为t及t。(假设t>t。)，则该回路内就会产生热电动势

(简称热电势)，这种现象称为热电效应。

一、温度图2ABtt0ee图2热电偶回路一、温度

为什么会产生热电势呢?，分析如下。当两种不同的导体A和B接触时，由于两者有不同的电子密度

(分别为NA、NB，且NA>NB)，则电子在两个方向上的扩散速率就不同，即从A跑到B的电子数要比从B跑到A的为多。结果A因失去电子带正电荷，B因得到电子带负电荷，在A、B的接触面上便形成了一个从A到B的静电场。一、温度这个电场将阻碍扩散作用的继续进行，同时加速电子向相反方何转移，使从B到A的电子增多，最后达到动态平衡。此时，A、B之间形成一电位差，这个电位差称接触电势

eAB。其数值取决于两种不同导体的材料性质和接点的温度。温度越高，导体中的自由电子就越活跃，由A扩散到B的自由电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度也增加，因而接触电势也增高。

一、温度在导体A、B材料已经确定的情况下，所产生的接触电势的大小只和接点温度有关，故称为热电势，记作eAB（t）。此外，对于同一导体A(或B)，由于其两端温度不同，也会产生一个相应的电位差，这个电位差称为温差电势。但由于温差电势远远少于接触电势，因而可以忽略不计。

一、温度这样，热电偶回路中总电势EAB(t，t。)为：EAB(t，to)=eAB（t）--eAB（t0）

说明热电势EAB(t，to)等于热电偶两接点的接触电势的代数和。当A、B材料确定后，热电势是接点温度t和to的函数之差。若冷端温度to保持不变，即eAB（t。）为常数，则热电势EAB(t，to))就成为热端温度的单值函数了，

一、温度应当指出，由于热电极的材料不同，所产生的接触电势亦不同，因此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。热电偶的热电势与被测温度的关系，都是规定热电偶冷端温度为零度（t0=0℃）进行分度的，并按热电偶的不同种类，分别列成表格形式，这些表格就称为热电偶的分度表。B、热电极材料

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。

5、材料组织要均匀，要有良好的韧性，便于加工成丝。B、被国际公认，性能优良和产量最大的七种热电偶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。一、温度2、热电阻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。一、温度热电阻的测温原理大家知道，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=R0[1+α(t-t0)]ΔRt=Rt-R0=αR0Δt一、温度式中Rt温度为t℃时的电阻值;R。温度为t0℃(通常为0℃)时的电阻值;α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℃-1，;Δt温度的变化量，即t-t。=Δt

ΔRt温度改变Δt时的电阻变化量。

一、温度A、常用热电阻的种类

虽然大多数金属导体的电阻值随温度变化而交化，但是它们并不都能作为测温用的热阻。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；

一、温度电阻率要大，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。一、温度B、热电阻的构造热电阻是由电阻体、保护套管以及接线盒等主要部件所组成。除电阻体外，其余部分的结构形状一般与热电偶的相应部分相同。

将电阻丝绕在具有一定形状的支架上，便构成了电阻体。

一、温度对电阻体支架的要求：为保证测量精度，并使电阻体做得体积小，且不使金属丝因电阻体支架膨胀而产生内应力，对绕制电阻丝的支架有如下要求；(1)体膨胀系数要小，以防止热电阻丝产生内应力;(2)耐高温和耐低温的性能好;(3)有良好的绝缘性能;(4)有足够的机械强度;(5)在工作温度下，不会析出对电阻丝材料有害的成分。材料有石英、云母、陶瓷和塑料等

一、温度铂电阻体：铂电阻体是用直径0.05~0.07mm的铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上制成的。其它测温仪表：红外线测温仪二、压力压力测量仪表的品种，规格甚多。1、弹簧管压力表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。

二、压力2、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。

三、液位由于各种被测介质的性质不同，各种生产设备的操作条件也不同，所以需要各种各样的液位测量仪表，以满足生产的不同需要，表2（见表文件）列出了各种液位测量仪表的主要特点和应用场合。三、液位1、浮筒式液位计：由浮筒式液位变送器和显示仪表组成。常用于对容器内介质液位的测量和变送。这是一种应用浮力原理测量液位的仪表。利用浮筒浸沉在被测液体中，当液位变化时，浮筒被浸没程度不同，浮筒所受浮力也不同。只要测出浮力的变化，液位的高低便确定了。

三、液位2、差压式液位计：是应用差压计或差压变送器来测量变送器液位的，是目前应用得最广泛的一种液位测量仪表。差压式液位汁是利用容器内液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的，通常，被测介质的密度是已知的。因此，测得差压值就能知道液位高度。三、液位图3+-HP气

P液

Q入

P出排污当差压变送器的一端接液相，另一端接气相时，根据流体静力学原理，我们知道，变送器正压室受到的压力为：Pl=P气十Hρg式中H液位高度;ρ介质密度;g重力加速度;P气气相压力。而差压变送器负压室压力P2=P气，则正负压室的差压为：ΔP=P1-P2

差压变送器测量液位示意图三、液位3、其他液位仪表电容式、导波雷达、雷达、伺服液位计、磁致伸缩、辐射性伽码液位计、激光、超声波液位计、光导液位计等注意点：密度、安装位置三、流量在工程上，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。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。针对石油化工生产过程的不同要求，采用不同的流量仪表。表3中列出了几种主要类型流量表(或称流量计)的性能及适用场合。三、流量1、差压式(也称节流式)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。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。三、流量节流现象及其原理

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，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象，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总称。应用最广泛的节流元件是孔板，其次是喷嘴、文丘里管。三、流量流量基本方程式：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推导而得的，即式：

M=K（△P/r）½ΔP------节流元件前后实际测得的静压差;r-------节流元件前流体密度

K-------流量系数

M-------质量流量三、流量2、漩涡流量计：应用流体振荡原理测量流量的仪表。目前已经应用的有两种，一种是应用自然振荡的卡曼漩涡列原理的称为卡曼漩涡流量计，因卡曼漩涡依次而进，又称卡曼涡街流量计；另一种是应用强迫振荡的漩涡旋进原理的称为旋进式旋涡流量计

三、流量卡曼涡街流量计的工作原理如下图所示。在被测流体中插入一个与流向垂直的漩涡发生体(图中为圆柱体)，当流体流过旋涡发生体时，在发生体的下游两侧交替产生向内旋转、间隔距离规则的两列非对称的漩涡列，称为卡曼涡街。实验表明，在满足一定条件

(对圆柱体h/l=0.281)时，漩涡列是稳定的。且发生体后产生漩涡释放频率f与流体的平均流速v及发生体的迎流宽度d有如下关系

三、流量漩涡流体方向漩涡漩涡发生体G三角柱涡街测量原理图lh空腔隔墙电热丝导压孔流体圆柱形涡街测量原理图三、流量F=St*V/dSt称为斯特罗哈尔数，它是雷诺数的函数。当流体的雷诺数在2×l04~7×106范围内时，St为一个常数(对圆柱体St=0.2，当放置三角柱体时，St=0.17)。在此范围内，可以认为游涡的释放频率f只与管道内被测流体的平均流速v和发生体迎流宽度d有关，而不受被测流体物理性质变化之影响。

三、流量为保证测量的准确、可靠，漩涡式流量计在使用中一般应考虑以下几个方面的问题：a．使用前检查仪表的测量范围(液体，流速0.35~7m/s；气体:流速6~75m/s)耐压(1~25MPa)、耐温(一40~300℃)应与所测流体相符，被测流体的流向，应与指示流向的箭头一致；仪表上、下游直管段长度应符合妥求。三、流量b．由于受干扰源和连接管道振动的影响，使得流量为零时，仪表仍有流量显示。因此，游涡式流量计不宜安装在有强电磁场干扰的地方。当仪表安装在振动比较大的管道上时，应在其前后管道约2D处加装管道固定支架。三、流量c．仪表投运时，应使流体缓慢流过，以免因过快而造成气、液冲击，产生水锤现象而损坏仪表。对于安装在蒸汽管道上的仪表，在送汽前应将管道内的冷凝水排放完；然后缓慢送汽。测量蒸汽流量时，由于管道刚开始工作，处在冷的状态，蒸汽流过时因冷凝而产生两相流现象，在两相流状态下，不可能准确地测量。

三、流量d．仪表投运一段时间后，若被测介质为附着性较强的液体或是粘度大、流速又较低的介质，漩涡发生体极易被一层附着物包围，使得发生体的迎流宽度增加，从而使仪表常数改变，测量精度就会下降。若附着物继续加厚而使发生体导压孔堵塞，则脉冲信号消失，计数器停止计数。三、流量3、其他类型流量计质量流量计、超声波流量计、透平流量计、电磁流量计、楕圆齿轮流量计、热式质量流量计等难点测量：瓦斯流量执行器环节调节阀：类型也是非常众多，也是在实际生产中问题最多、最难处理。注意点：1、流通能力的选择2、材质的选择3、阀型的选择4、流量特性的选择控制器环节一、控制方案1、简单控制2、串级控制3、分程控制4、比值控制5、前馈控制6、超驰控制（选择控制）控制器环节算法：1、PID2、模糊控制3、预估算、多变量控制（APC）吹牛控制系统CAD的乐园？自适应控制家的梦想综合自动化的基石预言家的秘方突破重围控制系统G(s)=k/(Ts+1)G(jw)X(k+1)=AX(k)+BU(k)Y(k)=CX(k)Simulink,Matlab5.2PID,LSQ,APC

-控制系统CAD