化工基础实验第四讲

第4章化工实验参数测量方法

4.1测量技术基础知识静态特性精度线性度回差（又称变差）灵敏度（又称静态灵敏度）和灵敏限重复性阂值稳定性漂移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。1.精确度

仪表的最大允许误差：注：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测量值接近真实值的准确程度工业自动化仪表精度等级的划分1.0,1.5,2.5,4.0高低Ⅰ级标准表Ⅱ级标准表工业用表0.005,0.002,0.050.1,0.2,0.4,0.5

精度等级是把仪表的最大允许误差δ去掉“±”和“％”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

|最大绝对误差|=1.5%×（4-0）=60kPa例1

确定仪表精度等级

某台测温仪表的量程为600℃～1100℃，校验该仪表的最大绝对误差为±4℃，试求该仪表的允许误差与精度等级。所以仪表的等级为1.0级仪表的允许误差某台测温仪表的量称为0℃～1000℃，工艺要求该仪表指示值的误差不超过±7℃，应该选精度等级为多少的仪表才能满足要求？所以应该选用0.5级的仪表例2

选择一定精度的仪表

根据工艺要求，仪表允许的误差为：2.线性度（非线性误差）

表征线性刻度仪表输出量与输入量的实际标准曲线与理论直线的吻合程度，如图1所示。图1非线性误差特性示意图3.回差（又称变差）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被测参数测量值ΔXmax

反行程

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4.灵敏度与灵敏限

S:仪表灵敏度△X：输入变化量△Y：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1/2。

数字式仪表中，往往用分辨力来表示灵敏度的大小。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。

当灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率。分辨率与仪表的有效数字有关。

分辨力和分辨率五位半表头5.重复复性性6.阂值值重复复性性是是衡衡量量测测量量仪仪表表在在同同一一条条件件下下，，输输入入量量按按同同一一方方向向作作全全量量程程连连续续多多次次变变化化时时，，所所得得特特性性曲曲线线间间一一致致程程度度的的指指标标。。各各条条曲曲线线越越靠靠近近，，重重复复性性越越好好。。阂值是能能使测量量仪表输输出端产产生可测测变化量量的最小小被测输输入量值值，即零零位附近近的分辨辨力。漂移是指指在一定定时间间间隔内，，测量仪仪表输出出与输入入量无关关的变化化，包括括零点漂漂移和灵灵敏度漂漂移，一一般时间间和周围围温度环环境可以以引起漂漂移。8.漂移7.稳定性稳定性是是指仪表表在相当当长的时时间内保保持其性性能的能能力时间常数数τ0测量仪表表输出值值上升到到稳态值值yc的63.2%所需的时时间动态特性性y0.632y0τ

yc

τ0图3一阶系统的阶跃响应曲线4.2.1压力测量量仪表分分类（按转换原原理分））a.液柱式压压力计b.弹性式压压力仪表表c.电气式压压力仪表表d.活塞式压压力标准仪表表b.弹性式压压力计（1）弹性元件件4.2压力检测测变送仪仪表图4弹性测压计元件的结构弹性式压压力仪表表(实物图及及内部结结构）图5弹性式压力表示意图b.测量原理理(以弹簧管管式压力力表为例例)测量压力力时，被被测压力力介质通通过管接接头进入入弹簧管的内腔腔内，从从而使弹弹簧管的的自由端端产生位位移，自自由端的位位移放大大后，指指示出相相应的压压力。

弹簧管式P弹簧管压力表机芯放大机构电气式压压力计组成压力传感器电信号电信号加工装置输出仪表压力传感感器的作作用是把把信号检检测出来来，并转转换成电电信号进进行输出出，当输输出的电电信号能能够进一一步转换换为标准准信号时时，压力力传感器器又称为为压力变变送器。。电信号加加工装置置对传感感器输出出的电信信号经适适当加工工处理,如衰减、、放大、、滤波、、运算等等。输出仪表表则是用用表头显显示，或或用笔式式记录仪仪、打印印机、屏屏幕显示示等输出出设备进进行显示示。霍尔片式式压力传传感器霍尔效应应在半导体制制成的霍尔尔片的Z轴方向加一一磁场，在在Y轴方向加一一外电场。。电子在霍霍尔片中运运动时，由由于受电磁磁力的作用用，而使电电子的运动动轨道发生生偏转，造造成霍尔片片的一个端端面上有电电子积累，，另一端面面上正电荷荷过剩，从从而在X轴方向上出出现电位差差，该电位位差称为霍霍尔电势，，这种现象象叫“霍尔尔效应”。。UH——霍尔电势B——磁感应强度I——控制电流RH——霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关霍尔电势一一般为几十十毫伏数量量级（I为3-20mA，B约为几千高高斯）；导体也有霍霍尔效应，，但远小于于半导体。。1-弹簧管；2-磁钢；3-霍尔片将霍尔元件件与弹簧管管配合，就就组成了霍霍尔片式弹弹簧管压力力传感器。。当被测压力力引入后，，在被测压压力作用下下，弹簧管管自由端发发生位移，，因而改变变了霍尔片片在非均匀匀磁场中的的位置，使使所产生的的霍尔电势势与被测压压力成比例例。应变片式压压力传感器器a.分类：有金属应变变片式和半半导体应变变片式两类类4.2.2压力传感器器c.特点：●被测压力可可达25MPa；●固有频率在在25000Hz以上，有较较好的动态态性能，适适合测快速速变化的压力力；●非线性及滞滞后误差小小于额定压压力的1%b.测压原理：：电阻应变原原理1.压力表的选选用a.仪表类型的的选用显示方式的的要求、被被测介质的的物理化学学性质及现现场环境条件件。b.仪表量程的的选用根据工艺生生产过程中中操作压力力变化的范范围来考虑虑。c.仪表精度等等级选择精度等级是是根据已选选定仪表的的量程和工工艺生产上上所允许的最最大测量误误差，求最最大允许误误差来确定定的。4.2.4压力表的选选用与安装装2.压力表的安安装a.测量点的选选择●选在被测介介质直线流流动的直管管段部分。。●测压点应与与流动方向向垂直，测测压管端面面与生产设设备连接处处的内壁保保持相平，，不应有凸凸出物和毛毛刺等。●测量液体压压力时，取取压点应在在管道下部部，使导压压管内不积积存空气；；测量气体体压力时，，取压点应应在管道上上方，使导导压管内不不积存液体体。图6流体管道的取压口（a）液体管道；（b）气体管道流动直管测压点导压管

压力表图7压力测量系统安装示意图b.导压管的选选择安装●导压管的粗粗细长短合合适；●根据被测介介质易冷凝凝或是冷冻冻时，必须须加保温伴伴热管线；；●压口和压力力表之间应应加截断阀阀门；●导压管水平平安装时要要有一定斜斜度。

HPP’图8仪表与取压点不等高的影响c.压力表的安安装●安装在易于于维修和观观察的地方方；●应力求避免免振动和高高温等的不不利影响；；●安装高度应应与取压点点相同或相相近，否则则会产生测量量误差。表表压P`=P+Hρρg●测量蒸汽压压时，应加加装盘形管管，以防高高温蒸汽与与被测元件直接接触触；●对于腐蚀性性介质，要要加隔离罐罐；●在压力表和和导压管的的连接处应应加装密封封衬片，防防止泄漏；；●放空阀、切切断阀、平平衡阀的使使用。图9隔离器的结构形式图分

类质量流量检测仪表速度式：差压式（节流式）、转子流量计、

涡轮流量计，涡街流量计等容积式：椭圆齿轮流量计，活塞式体积流量检测仪表直接式：量热式、角动量式、科氏力式等间接式4.3流量检测变变送仪表差压式流量量计a.原理利用流体流流经节流装装置产生的的压力差而而实现流量量测量b.组成由节流装置和差压计及显示仪表组成。节流流装置包括括节流元件件和取压装装置，有孔孔板、喷嘴嘴、文丘里里管等。孔板式流量量计动能与静压压能的转化化压力分布速度分布图10孔板装置、压力分布及速度分布图a.流量基本方方程α—流量系数ε—膨胀校正系系数F0—开孔截面积积ΔP—节流装置前前后压力差差ρ—流体密度▲α与节流装置置形式、节节流孔面积积与管道面面积之比、、取压方式式、及Re等有关；▲ΔP与取压方法法有关，我我国规定的的标准节流流装置取压压方法为角接取压法法和法兰取取压法。b.压差式流量量计使用和和安装▲流体必须是是清洁单相相流体，或或认为是无无相变的流流体。▲流体在节流流装置前后后必须完全全充满管道道整个截面面，并在节节流装置前前后有足够够长的直管管段。▲导压管的安安装要求与与“压力检检测变送仪仪表”中导导压管的一一样。▲节流元件的的安装方向向，可以垂垂直也可以以水平，但但对流向有有一定要求求。图11节流式流量量计▲若被测流体体的工作流流体与实际际计算时有有所不同，，要对所测数数值进行校校正。——标定流体密度；——实际流体密度。转子流量计计a.工作原理图12转子流量计示意图是以压降不不变，利用用节流面积积的变化来来测量流量量的大小。。b.基本本方方程程及及应应用用被测测介介质质的的密密度度和和工工作作状状态态与与工工业业基基准准状状态态不不同同时时，，需对对流流量量指指示示值值进进行行修修正正。★

液体流量测量时的修正★

气体流量测量时的修正★

蒸汽流量测量时的换算将蒸汽流量换算为水流量C.特点点适合合测测量量管管径径50mm以下下管管道道的的流流量量，，测测量量流流量量比比较较小小的的场场合合。。涡轮轮流流量量计计流体体推推动动涡轮轮叶片片，，使使涡涡轮轮旋旋转转高导导磁磁的的涡涡轮轮在在旋旋转转的的同同时时，，周周期期性性地地扫扫过过磁磁钢钢，，使使磁磁路路的的磁磁阻阻发发生生周周期期性性变变化化，，线线圈圈中中感感应应出出交交流流电电信信号号交变信号频率率送往电子计计数器或电子子频率计，累累积或指示流流量1.涡轮；2.导流器；3.磁电感应转换器4.外壳；5.前置放大器图13涡轮流量计示意图a.工作原理4.4温度检测变送送仪表非接触式辐射高温计红外线温度计接触式膨胀式测温仪表压力式温度计热电偶温度计热电阻温度计分

类4.4.1热电偶温度计计1.热电偶及测温温原理热电偶温度计计是以热电效应为基础的测温温仪表。热电效应：把两种不同导体或者半导导体连接成一一个闭合回路路，把两个接接点分别置于于温度t的热源和温度度t0的冷端，在回回路中就会产产生电势，这种效应叫叫作热电效应应。工作端热端测量端

tt0自由端冷端热电极图14热电偶结构示意图热电势接触电势：两种不同导体A、B接触时，由于两者电子密度不同，电子扩散速率不同，在A、B间形成的电位差，

用eAB(t)表示。温差电势：在同一种导体的两端因其温度不同而产生的电势。用eA(t,t0)表示。温差电势远小小于接触电势势，总电势由由接触电势决决定。A、B和t0一定时，EAB（t,t0）是温度t的的单值函数，，这就是热电电偶测温的基基本依据。

AB––––eAB––––––––––图15静电场的形成图16温差电势的形成―At0+teA(t,t0)忽略2.热电偶基本定定律★热电势仅取决决于热电极的的材料和两个接触点温度，与温度沿热电电极的分布、、电极尺寸及及形状无关；；★在热电偶回路路中，接入第第三种材料的的导线，只要要第三导线两端的温温度相同，其其引入不会影影响热电偶的的电势；★两种金属A和B分别与金属C配偶的热电势势为EAC和ECB，则A和B配偶产生的热热电势EAB为EAC和ECB之差，即★若接点温度为为t1和t2时回路的热电电势为E1；接点温度为为t2和t3时的热电势为为E2，则接点温度度为t1和t3时的回路热电电势为E=E1+E2——冷端修正理论论依据。3.热电势与温度度关系特性★图示法把热电势与温温度关系用曲曲线在坐标纸纸上表示出来来列表法可用数学表示法表示（冷端温度均为0℃）图示法★列表法将温度与热电电势列成相应应的表格，不不同的热电偶偶其数值是不同同的，每种热热电偶都对应应一个分度号号。★数学法热电势与温度度的关系用一一个公式表示示4.常用热电偶材材料a.对热电偶材料料的要求①热电性能好好；②物化性性能稳定；③③测量温度范范围宽；④电阻温度系系数小；⑤有有良好的机加加性能。工业上常用的的标准热电偶偶5.热电偶的结构构★铠装热电偶偶将热电偶丝与与绝缘材料及及金属套管经过整体拉伸伸工艺加工而而成的坚实的组合体。外外径为1-8mm，还可小到0.2mm，长度可为50m。反应速度快快，可弯曲、不怕怕震、耐高压压的优点。★普通热电偶偶由热电极、绝绝缘管、保护护套和接线盒盒组成图17普通热电偶图18铠装热电偶6.热电偶冷端温温度的处理方方法①补偿导线线与热电极具具有相同的热热电性能；②不同热电电偶所用的补补偿导线不同同；③热电偶和和补偿导线的的两个接点处处温度相同；；④使用时型型号相配，极极性不能接错错；⑤价格比较较低廉。只有热电偶的的冷端温度保持持不变，热电势才是是被测温度的的单值函数，，使用补偿导导线可将冷端延伸至温温度恒定处；同时节约贵贵金属材料。。a.补偿导线特点点测量端

tt0冷端热电极补偿导线常用热电偶的的补偿导线镍铬—镍硅镍铬—铜镍TX铜—铜镍EX镍铬-镍硅KCKX铂铑-铂SC铜—铜镍分度号配用热电偶型号补偿导线名称SK铜—铜镍镍铬—铜镍铜—铜镍ETb.冷端温度的补补偿方法采用补偿导线线后，冷端从从温度较高和和不稳定的地地方，延伸到到温度较低和和比较稳定的的操作室内，，但冷端温度度还不是0℃。①冰点法②计算修正法③仪表零点校校正法④补偿电桥法⑤补偿热电偶法图19具有补偿电桥桥的热电偶测测温线路图④补偿电桥法图20补偿热电偶连连接线路图⑤补偿热电偶法法4.4.2热电阻温度计计★热电偶一般适适用于测量500℃以上的较高温温度；★由冷端温度及及环境温度的的变化所引起起的相对误差差显得突出，不不易得到完全全的补偿。所以，在中、、低温区，一一般使用热电阻温度计计测量，适用于于-200～+500℃，输出值大，，测量准确。。由于热电偶温温度计具有：：a.热电阻的组成成及连接方式式图21热电阻的接线线方法——三线制热电阻温度计计热电阻（感温温元件）不平衡电桥显示仪表平衡电桥连接导线b.热电阻测温原原理利用金属导体体的电阻值随随温度而变化化的特性来进行温温度测量的。。热电阻与热电电偶的测温原原理是不同的的热电阻：温度变化电阻值变化热电偶：温度变化热电势变化c.工业常用热电电阻★热电阻的材料料一般要求●热容量小；●电阻温度系数数、电阻率大大；●应具有稳定的的物理、化学学性质和良好好的复制性；；●电阻值随温度度的变化关系系，最好呈线线性。工业常用热电电阻d.热电阻的结构构★普通型热热电阻主要由电阻体体、保护套管管和接线盒等等组成。★铠装热电阻将电阻体预先先拉制成型并并与绝缘材料料和保护套管管连成一体。。体积小、抗抗震性强、可可弯曲、热惯惯性小、使用用寿命长。★薄膜热电电阻将热电阻材料料通过真空镀镀膜法，直接接蒸镀到绝缘缘基底上。体体积小、热惯惯性小、灵敏敏度高。4.4.6测温元件的安安装★保证测温元件件与流体充分分接触，测温温元件应迎着着被测介质流向，至少少成90°；★测温元件的感感温点应处于管道中流速速最大处；★测温元件应有有足够的插入入深度，以减小小误差；★若工艺管道过过小，安装测测温元件处应应接装扩大管管；★热电偶、热电电阻的接线盒盒面盖应向上上，避免雨水水等物质进入入；★防止热量散失失，测温元件件应插在有保保温层的管道道或设备处；；扩大管测温元件测温元件★测温元件安装装在负压管道道中时，必须须保证密封性性，防止外界界冷空气进入，，使读数降低低。流体流动综合合实验传热综合实验验传热综合实验验使用空气—水蒸气对流套套管换热器实实验装置，分分别测定两个个套管换热器器的空气对流流传热系数。。应用线性性回归分分析方法法，确定定实验装装置中两两个套管管换热器器的关联联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。分别测定定不同流流量下两两个套管管换热器器的管内内压降，研究套套管换热热器的换换热段管管内随管内流流速u的变化情情况。综合分析析上述实实验结果果，判定定两个套套管换热热器类型型（普通通光滑内内管或强强化内管管）。收集实验验当天其其他传热热实验装装置的最最终试验验结果，，通过图图表对比比，对不不同强化化方式进进行综合合评价，，得出试试验结论论。tw是否是直直接测量量值？在什么位位置测取取？ti1和ti2是否是直直接测量量值？在什么位位置测取取？di和Li是否是直直接测量量值？怎怎样获得得？测定两个个套管换换热器的的空气对对流传热热系数Vi是否是直直接测量量量？应应该怎么么测量图2-1螺旋线圈强化管内部结构螺旋内丝丝螺旋扁管管波节管实验1流动过程程综合实实验1.离心泵启启动时的的准备工工作有哪哪些？2.本实验离离心泵启启动时为为什么不不用灌泵泵？4.阻力实验验需要测测哪些数数据？5.流速u是直接测测量值吗吗？应如如何得到到？有几几种流量量计测量量？6.为什么要要用两个个流量计计来测流流量？两两个流量量计是串串联还是是并联？？3.本实验离离心泵有有没有底底阀或需需不需要要装底阀阀？7.阻力实验验流量取取值间隔隔应该是是相等的的，还是是逐渐变变大的？？为什么么？8.阻力降△△Pf是直接测测量值吗吗？应如如何得到到？本实实验有几几种方法法测量？？9.如何判断断导压管管内是否否有气泡泡存在？？10.如何排除除导压管管内气泡泡？11.离心泵特特性曲线线实验中中需要测测哪些数数据？12.离心泵特特性曲线线实验中中流量取取值范围围？流量量为零的的数据点点是否要要取?13.离心泵实实验流量量取值间间隔应该该是相等等的，还还是逐渐渐变大的的？14.离心泵特特性曲线线或管路路特性曲曲线测定定是通过过什么操操作调节节变量取取值而获获得曲线线的？15.流量计标标定实验验需要测测哪些数数据？采采用的标标定方法法是什么么？16.每一个实实验任务务是否都都要测水水温？测测几次水水温？实验2传热综合合实验1.是逆流还还是并流流？2.空气走管管内还是是管外？？3.水蒸汽走走管内还还是管外外？4.空气的流流量是怎怎样测量量的？5.孔板流量量计仪表表显示的的读数是是流量吗吗？6.实验中那那个是实实验操作作控制量量，也就就是哪个个量是可可以实验验者自己己设定并并调节的的的？7.蒸汽怎样样产生？？8.空气的进进出口温温度用什什么测量量？9.传热综合合实验装装置，管管内阻力力测定使使用的测测压方式式是什么么？10.随着流量量的增大大，管内内阻力增增大还是是减小？？11.本实验装装置，内内管壁面面温度使使用什么么测量?12.各个支路路的控制制阀使用用的是什什么类型型阀门?