工业过程控制-第2章

第二章过程参数的检测与变送本章主要内容2.1过程参数检测与变送概述2.2温度的检测与变送2.3压力的检测与变送2.4流量的检测与变送2.5物位的检测与变送2.6成分的检测与变送第二章过程参数的检测与变送2.1概述过程参数（或称过程变量）检测：主要指连续生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等参数的测量。（1）传感器（2）变送器

将输出信号变成统一标准信号的传感器。统一标准信号即各仪表之间的通信协议：

4~20mA、1～5V。对传感器的三个要求高准确性，测量值能正确反映被测量的大小，即传感器的输出信号与被测参数成严格的单值函数关系。高灵敏度，能迅速反映被测量的变化，即被测参数微小变化时，输出量迅速有明显变化。

高稳定可靠性，长期在工作环境下工作，即不受时间或环境温度变化等因素的影响。2.1概述测量误差系统误差仪表本身的示值、零值、结构误差等理论误差：理论公式的近似性和测量方法的不合理等实验者本人生理、心理原因造成的个人误差偶然误差2.1概述2.1概述检测误差检测误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值（实际值）之间的差值，它反映了测量结果的可靠程度。（1）真值：被测物理量的真实（或客观）取值。（2）绝对误差：仪表实测值（指示值）与真值之差。（3）相对误差：绝对误差与被测变量的真值之比的百分数。常见三种表示方式：

测量实质：是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。2.1概述（A）实际相对误差：绝对误差与被测量的真值（实际值）之比的百分数。（B）标称相对误差：绝对误差与仪表指示值（测量值）之比的百分数。（C）引用相对误差：绝对误差与仪表的量程之比的百分数。

2.1概述（4）系统误差：对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。（5）随机（统计）误差：测量中出现的没有一定规律的误差，若总体有一定统计规律，称为统计误差。（6）疏忽（粗大）误差：指测量者误读或不正确使用仪器与测量方法等人为因素引起的误差。（7）基本误差：仪表在国家规定的正常工作条件下具有的误差。使用标准:220V±5％、（50±2）Hz、（20±5）℃、65％±5％（8）附加误差：仪表超出规定的正常工作条件所增加的误差。（温度附加、频率附加、电源电压附加）

2.1概述2.检测仪表的性能指标（1）精度等级：任何自动化仪表均有一定误差，使用仪表时首先需要知道仪表的精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距。最大引用误差（最大相对百分误差、允许误差）=（绝对误差的最大值/仪表量程）×100%

δmax：允许误差x：被测变量的测量值

x0：被测变量真实值(x－x0)max：最大绝对误差测量精度等级标准又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。我国仪表精度等级有：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。精度等级就是最大相对百分误差去掉正负号和%。级数越小，精度（准确度）就越高。科学实验用的仪表精度等级在0.05级以上；工业检测用仪表多在0.1～4.0级，其中校验用的标准表多为0.1或0.2级，现场用多为0.5～4.0级。2.1概述检测仪表的品质指标仪表的精度（准确度）等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。

准确度等级数值越小，就表征该仪表的准确度等级越高，仪表的准确度越高。工业现场用的测量仪表，其准确度大多在0.5级以下。

仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。举例1.51.0如：检测仪表的品质指标相对百分误差δ允许误差

仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。小结精度要求是仪表选择的重要依据例1：某压力容器工作压力为6MPa，要求测量误差不大于0.18MPa，选择合适的仪表。解：仪表最佳工作范围一般在2/3量程处，所以，首先选择仪表的量程为6÷(2/3)=9，量程范围取0-9MPa，由于现行仪表没有9MPa的规格，所以选择量程范围：0-10MPa再根据精度要求选择仪表精度等级：0.18÷(10-0)*100%=1.8%故而：选择1.5级的仪表2.1概述例2.2.1概述精度要求是仪表选择的重要依据例3某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的相对百分误差与准确度等级。解

该仪表的相对百分误差为

如果将该仪表的δ去掉“±”号与“％”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。检测仪表的品质指标注意在工业上应用时,对检测仪表准确度的要求,应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定,这样才能保证生产的经济性和合理性。

例4.仪表量程是600℃～1100℃，工艺要求该

仪表指示值的误差不得超过±4℃，应选精度

等级为多少的仪表才能满足工艺要求？解：仪表相对百分误差的最大值：δmax＝±4/(1100-600)]×100％＝±0.8％。∵

如果选择±1.0％，则其精度等级应为1.0级，量程为600℃～1100℃，可能产生的最大绝对误差为±5℃，超过了工艺的要求。∴只能选择允许误差为±0.5％，即精度等级为0.5级的仪表，才能满足工艺要求。例5.某台测温仪表的量程是600℃～1100℃，

仪表的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表

的允许误差与精度等级。解：相对百分误差最大值：δmax＝±[4/(1100-600)]×100％＝±0.8％∴仪表的精度等级应定为1.0级校验仪表时确定仪表的精度等级与根据工艺要求来选择仪表的精度等级意义不一样：例4，仪表的允许误差≤工艺要求计算出的相对百分误差的最大值；例5，仪表的允许误差≥仪表的相对百分误差的最大值；标准表——0.05级以上的仪表工业现场采用的表——精度0.5级以下练习：2.1概述2.检测仪表的性能指标（2）灵敏度与灵敏限：灵敏度：仪表指针的线位移或角位移与引起此位移的参数变化量之比。灵敏限（分辨力）：仪表能感受并发生动作的输入量的最小值。仪表输出能响应和分辨输入的最小变化量。注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨率表示。

例6.DDZIII压力变送器，量程0～200kpa，工艺要求被控压力为150±2kpa，现将该变送器量程调到100～200kpa，求零点迁移后，该压力变送器的灵敏度。解：调整前灵敏度s1=（20-4）/（200-0）=0.08mA/kpa调整后灵敏度s1=（20-4）/（200-100）=0.16mA/kpa∴仪表的灵敏度提高了。2.1概述2.检测仪表的性能指标（3）变差：在外界条件不变的情况下，用同一仪表对同一变量进行正、反行程测量时的最大差值与量程之比的百分数

a-b：仪表量程

x1

：正行程测量的示值

x2

：反行程测量的示值2.1概述2.检测仪表的性能指标（4）线性度（非线性误差）：表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。

δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。2.1概述2.检测仪表的性能指标（5）漂移：输入信号保持不变，输出信号会随时间或温度的变化而出现漂移。时漂—随时间变化出现的漂移温漂—随环境温度变化而出现的漂移2.1概述2.检测仪表的工作特性（1）理想工作特性：xmin

和xmax

分别为被测参数的下、上限值；ymin和ymax分别为检测仪表输出信号的下、上限值。

仪表的理想工作特性2.1概述2.检测仪表的工作特性（2）零点调整和零点迁移：零点：指被测参数的下限值xmin

，或者说对应于仪表输出下限值ymin

的被测参数最小值。

零点调整和零点迁移的目的——使变送器输出信号的下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。

使xmin

＝0的过程—零点调整

使xmin≠0的过程—零点迁移零点迁移xmin≠0零点迁移后检测仪表的输入-输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即量程不变。若采用零点迁移，再辅以量程压缩，可以提高仪表的测量精确度和灵敏度。2.1概述2.检测仪表的工作特性（3）量程调整：改变检测仪表的输入输出特性的斜率（零点不变的情况下将检测仪表的输出信号上限制ymax与被测参数上限值xmax相对应）例7某DDZ-III直流毫伏变送器，其零点迁移到Vio=5mV，求该变送器输出Io=10mADC时的输入是多少毫伏？解：零点迁移后5~10mV对应的输出为4~20mA，例5.习题：1.某台具有线性关系的温度变送器,其测温范围为0～200℃,变送器的输出为4～20mA。对这台温度变送器进行校验,得到下列数据:输入信号标准温度/℃050100150200输出信号/mA正行程读数x正正行程读数x反44.0288.1012.0112.1016.0116.092020.01试根据以上校验数据确定该仪表的变差、准确度等级与线性度。解:该题的解题步骤如下。

(1)根据仪表的输出范围确定在各温度测试点的输出标准值x。任一温度值的标准输出信号(mA)为

例如,当温度为50℃时,对应的输出应为

其余类推。

(2)算出各测试点正、反行程时的绝对误差Δ正与Δ反

,并算出正、反行程之差Δ变

,分别填入下表内(计算Δ变时可不考虑符号,取正值)。

输入信号/℃050100150200输出信号/mA正行程读数x正反行程读数x反标准值44.02488.10812.0112.101216.0116.09162020.0120绝对误差/mA正行程Δ正反行程Δ反00.0200.100.010.100.010.0900.01正反行程之差Δ变0.020.100.090.080.01

(3)由上表找出最大的绝对误差Δmax,并计算最大的相对百分误差δmax。由上表可知

去掉δmax的“±”号及“%”号后,其数值为0.625,数值在0.5～1.0之间,由于该表的δmax已超过0.5级表所允许的δ允,故该表的准确度等级为1.0级。

(4)计算变差

由于该变差数值在1.0级表允许的误差范围内,故不影响表的准确度等级。注意若变差数值Δ变max超过了绝对误差Δmax,则应以Δ变max来确定仪表的准确度等级。(5)由计算结果可知,非线性误差的最大值Δfmax=0.10,故线性度δf为

注意在具体校验仪表时,为了可靠起见,应适当增加测试点与实验次数,本例题只是简单列举几个数据说明问题罢了。2.某台测温仪表的测温范围为200～1000℃,工艺上要求测温误差不能大于±5℃,试确定应选仪表的准确度等级。解:工艺上允许的相对百分误差为

要求所选的仪表的相对百分误差不能大于工艺上的δ允,才能保证测温误差不大于±5℃,所以所选仪表的准确度等级应为0.5级。当然仪表的准确度等级越高,能使测温误差越小,但为了不增加投资费用,不宜选过高准确度的仪表。

温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。2.2温度的检测与变送接触式测温接触测量，简单、可靠、精度高；测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。非接触式测温通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场，误差小，反应速度快；测温上限原则上不受限制；易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响。2.2温度的检测与变送一、测温仪表的分类WZ系列装配式热电阻

sz-22热电阻信号输入数字面板表

温度变送器WSSX电接点双金属温度计二、热电偶热电偶是以热电效应为基础的测温仪表。热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶；2—导线；3—测量仪表热电偶由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。热电偶示意图铠装热电偶法国KIMOTK102S精密型热电偶温度仪

1.热电现象及测温原理

热电效应接触电势形成的过程EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)+EB(t,t0)-EA(t,t0)EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)注意由于热电极的材料不同,所产生的接触热电势亦不同,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。热电偶一般都是在自由端温度为0℃时进行分度的,因此,若自由端温度不为0℃而为t0时,则热电势与温度之间的关系可用下式进行计算。

EAB(t,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0)

2.常用热电偶的种类工业上对热电极材料的要求在测温范围内其热电性质要稳定,不随时间变化;

在测温范围内要有足够物理、化学稳定性,不易被氧化或腐蚀;

电阻温度系数要小,电导率要高,组成热电偶后产生的热电势要大,其值与温度成线性关系或有简单的函数关系;复现性要好,这样便于成批生产,而且在应用上也可保证良好的互换性;材料组织均匀、要有韧性,便于加工成丝。工业常用热电偶（1）标准型热电偶：按国家规定定型生产、有标准化分度表的热电偶。主要有：铂铑30-铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号B）；铂铑10-铂电偶（分度号S）；镍铬-镍硅（镍铬-镍铝，分度号K）热电偶；镍铬-康铜（镍铬-铜镍，分度号E）热电偶工业常用热电偶（2）铠装热电偶将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；细：一般直径为1～8mm；长：长度一般为1～20m；具有体积小、精度高、动态响应快、可靠性高、可挠性好、通常不用补偿导线等特点，特别适合于温度控制系统。热电偶名称分度号热电极材料测温范围/℃新旧正热电极负热电极长期使用短期使用铂铑30-铂铑6铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铁-铜镍铜-铜镍BSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK铂铑30合金铂铑10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350表1常用热电偶例1今用一只镍铬-镍硅热电偶,测量小氮肥厂中转化炉的温度,已知热电偶工作端温度为800℃,自由端(冷端)温度为30℃,求热电偶产生的热电势E(800,30)。解：由K型分度表可以查得

E(800,0)=33.277(mV)

E(30,0)=1.203(mV)将上述数据代入EAB(t,t0)=EAB(t,0)-EAB(t0,0)

,即得E(800,30)=E(800,0)-E(30,0)=32.074(mV)例2某支铂铑10-铂热电偶在工作时，自由端温度t0=30℃,测得热电势E(t,t0)=14.195mV，求被测介质的实际温度。解:由附录可以查得

E(30,0)=0.173(mV)

代入得：

E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=0.173+14.195=14.368(mV)再由附录可以查得14.368mV对应的温度t为1400℃。注意：由于热电偶所产生的热电势与温度的关系都是非线性的(当然各种热电偶的非线性程度不同),因此在自由端温度不为零时,将所测热电势对应的温度值加上自由端温度,并不等于实际的被测温度。

如组成热电偶回路的两种金属材料相同，则不论热电偶两端温度是否相同，回路中总电动势为零；若热电偶两端温度相同，则热电偶回路中总电动势为零；热电偶回路中接入第三种金属，只要该导线两端温度相同，热电动势不变。3.热电偶性质4.插入第三种导体利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值。

总的热电势（1）若热电偶两端温度相同，总电动势为零。（2）将式（2）代入式（1）热电偶测温系统连接图说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。

热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、线性关系；稳定性和复现性较好；响应时间较快；测温范围宽，高温热电偶测温上限可达2800℃；测温精度高；使用范围广。5.热电偶特点

采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。

它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见左图。6.补偿导线补偿导线接线图EAB(t,t0)=EAB(t)-EAB(t0)注意

使用补偿导线时,应当注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极各端对应相接。此外,正、负两极的接点温度t1应保持相同,延伸后的冷端温度t0应比较恒定且比较低。对于镍铬-铜镍等一类用廉价金属制成的热电偶,则可用其本身材料作补偿导线,将冷端延伸到环境温度较恒定的地方。7.冷端温度的变化对测量的影响及消除方法

在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。图10

热电偶冷端温度保持０℃的方法（1）热电势查表修正方法

在实际生产中，冷端温度往往不是0℃，而是某一温度t0，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。实际生产中，其冷端温度为t0，即有或由此可知，热电势的修正方法是把测得的热电势EAB（t，t0），加上热端为室温t0，冷端为0℃时的热电偶的热电势EAB（t0，0），才能得到实际温度下的热电势EAB（t，0）。例3用铂铑10-铂热电偶进行温度检测,热电偶的冷端温度t0=30℃，显示仪表的温度读数(假定此仪表是不带冷端温度自动补偿且是以温度刻度的)为985℃，试求被测温度的实际值。解：由分度号为S的铂铑10-铂热电偶分度表(附录)查出985℃时的热电势值为9.414mV。也就是E(t,t0)=9.414mV,又从分度表中查得E(t0,0)=E(30,0)=0.173mV。将此两个数值代入,得

E(t,0)=9.414mV+0.173mV=9.587(mV)

再查分度表可知,对应于9.587mV的温度t=1000℃,这就是该支铂铑10-铂热电偶所测得的温度实际值。（2）补偿电桥法利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

例4.下图中所示的两种测温方法，问A表和B表的指示值哪个高?为什么?答：A表指示与B表指示值一样高。①图中热电偶的热端温度为300℃，冷端温度为30℃；②图中热电偶热端温度也为300℃，冷端由于接了补偿导线，其热电特性与热电偶相同，相当于延伸到了30℃的地方，故二者输入显示仪表的热电势完全相同，因此A表与B表的指示值一样高。

例5.现用一只分度号为K的热电偶测量某炉温，已知热电偶冷端温度为20℃，显示仪表(本身不带冷端温度补偿装置)读数为400℃，(1)若没有进行冷端温度补偿，试求实际炉温为多少?(2)若利用补偿电桥(0℃时平衡)进行了冷端温度补偿，实际炉温又为多少?为什么?解：由K分度号热电偶的分度表可知：E(400℃,0℃)=16.395mV,E(20℃,0℃)=0.798mV(1)设实际炉温为T℃，若没有进行冷端温度补偿，则输入显示仪表的电势为热电偶所产生的热电势。即：E入=E(T℃，20℃)=E(T℃，0℃)-E(20℃，0℃)由显示表读数为400℃可知：E入=E(400℃，0℃)，于是E(T℃,0℃)=E(400℃,0℃)+E(20℃,0℃)=17.193mV查K热电偶分度表可知：T=418.9℃．(2)设实际炉温为T℃，若进行冷端温度补偿，则输入显示仪表的电势为热电偶所产生的热电势E(T℃，20℃)加上补偿电桥的输出电势E补。即：E入=E(T℃，20℃)+E补。由补偿原理可知输出电势E补=E(20℃，0℃)由显示仪表读数为400℃可知补偿电桥的E入=E(400℃，0℃)故E(T℃，20℃)+E(20℃，0℃)=E(400℃，0℃)即E(T℃，0℃)=E(400℃，0℃)因此，对应的实际温度T=400℃例6.用分度号为K的热电偶进行测温，误用了分度号为E的补偿导线接配在型号为K的电子电位差计(本身带冷端温度补偿)上，见下图。已知电子电位差计读数为650℃，问被测实际温度值为多少?解：由电子电位差计的读数为650℃可知，输入电子电位差计的电势为:E入=EK(650℃，20℃)+EK(20℃，0℃)设被测实际值为T℃，由外接线路知：E入=Ek(T℃，40℃)+EE(40℃，20℃)+EK(20℃，0℃)所以EK(T℃，40℃)+EE(40℃，20℃)=EK(650℃，20℃)又因为

EK(T℃,40℃)=EK(T℃,0℃)-EK(40℃,0℃)EK(T℃,0℃)=EK(40℃,0℃)-EE(40℃,20℃)+EK(650℃,20℃)=1.611-1.227(1.35)+26.224=26.608mV查表可的：T=640.2℃三、热电阻温度计线性变化的热电阻，其电阻值与温度关系如下式

热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。

1.测温原理

利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量。（热阻效应）一般把由金属导体铂，铜、镍等制成的测温元件称为热电阻，把由半导体材料制成的测温元件称为热敏电阻。热电阻测温的优点是信号可以远传、灵敏度高、无需参比温度。金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。其缺点是需要电源激励、有自热现象，影响测量精度。

2.工业常用热电阻作为热电阻的材料一般要求是：

电阻温度系数、电阻率要大；热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性；电阻值随温度的变化关系，最好呈线性；价格便宜。

3.铂电阻

金属铂容易提纯,在氧化性介质中具有很高的物理化学稳定性,有良好的复制性。但价格较贵。要确定Rt～t的关系,首先要确定R0的大小。R0不同,Rt～t的关系也不同。这种Rt～t的关系称为分度表,用分度号来表示。工业上使用的铂电阻主要有分度号为Pt100,它的R0=100Ω,其分度表见附录。4.铜电阻

金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50～+150℃内，具有很好的稳定性。

在-50～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即

工业上常用的铜电阻有两种，一种是R0＝50Ω，对应的分度号为Cu50。另一种是R0＝100Ω，对应的分度号为Cu100。连接方式P285.热敏电阻

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC），负温度系数热敏电阻器（NTC）和临界温度系数（CTR）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏差的大小确定。

仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济、合理等。在同一工程中，应尽量减小仪表的品种和规格。

一般取实测最高温度为仪表上限值的90%，而30%以下的刻度原则上最好不用，最常测量的温度应该在仪表的60%处左右。四、温度仪表的选用热电偶测温反应速度快、适于远距离传送、便于与计算机联接、价廉，故只在测量范围低于150℃时才选用热电阻。热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。

保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级。材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。

五、温度变送器变送器：是借助检测元件接受被测变量，并将它转换成标准输出信号的仪表。1.电动温度变送器电动温度变送器是工业生产过程中应用最广泛的一种模拟式温度变送器,它能与常用的各种热电偶和热电阻配合使用,将某点的温度或某两点的温差转换成相应的标准直流电流信号输出。

DDZ-Ⅲ热电偶温度变送器

我国生产的电动单元组合仪表，到目前为止已有了三代产品，它们分别为：（1）60年代中期生产的以电子管和磁放大器为主要放大元件的DDZ-I型仪表；（2）70年代初开始生产的以晶体管作为主要放大元件的DDZ-II型仪表；（3）以及80年代初开始生产的以线性集成电路为主要放大元件、具有安全火花防爆性能的DDZ-III型仪表。这三代产品虽然电路形式和信号标准不同，性能指标和单元划分的方法也不完全一样，但它们实现的控制功能和基本的设计思想是相同的，只要掌握其中一种，其它产品便不难分析。因此，本课程将主要对较先进和较有代表性的DDZ-III型电动单元组合仪表进行讨论。

DDZ-Ⅲ型温度(温差)变送器是电动单元组合仪表中的一个变送单元。

根据输入信号的不同，DDZ-Ⅲ型温度变送器主要有热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器三种类型。

DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器和热电阻温度变送器的结构大体上可以分为温度检测元件、输入电路、放大电路和反馈电路,其原理框图如图12所示。温度检测元件输入电路放大电路反馈电路被测温度输出电流I0图12温度变送器原理框图习题1.用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度,在没有采取冷端温度补偿的情况下,显示仪表指示值为500℃,而这时冷端温度为60℃,试问实际温度应为多少?如果热端温度不变,设法使冷端温度保持在20℃,此时显示仪表的指示值应为多少?解：显示仪表指示值为500℃时,由附录可以查得这时显示仪表的实际输入电势为20.64mV,由于这个电势是由热电偶产生的,即

E(t,t0)=20.64(mV)

由附录同样可以查得

E(t0,0)=E(60,0)=2.463(mV)

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=20.64+2.463=23.103(mV)

由23.103mV,查附录,可得

t≈558℃

即被测实际温度为558℃。当热端为558℃,冷端为20℃时,由于E(20,0)=0.798mV,故有

E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)=23.103-0.798=22.305(mV)

由此电势,查附录,可得显示仪表指示值约为539℃。由此可见,当冷端温度降低时,显示仪表的指示值更接近于被测温度实际值。2.3压力的检测与变送合成氨的反应中:保证反应的进行必须对压力进行控制液柱式压力计概述

在化工生产中,压力是指由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。在工业生产过程中,压力往往是重要的操作参数之一。

压力的检测与控制,对保证生产过程正常进行,达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。一、

压力单位及测压仪表压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）一、压力单位及测压仪表在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。

当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。p表P真P绝P绝大气压力线零线绝对压力、表压、负压（真空度）的关系一、压力单位及测压仪表测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。1.液柱式压力计

它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。

按其结构形式的不同

有U形管压力计、单管压力计等

优点这类压力计结构简单、使用方便

缺点

其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。一、压力单位及测压仪表2.弹性式压力计

它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移（力）进行测量的。

种类弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。种类电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等压力计。3.电气式压力计

它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。一、压力单位及测压仪表4.活塞式压力计

它是根据液压传递的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。优点缺点测量精度很高（压力天平），允许误差可小到0.05%～0.02%。

结构较复杂，价格较贵。

二、弹性式压力计定义

弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。优点

具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。

二、弹性式压力计

弹性元件

弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。图2弹性元件示意图弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。单圈弹簧管是弯成270度圆弧的空心金属管，其截面为扁圆形或椭圆形等。膜片膜盒

膜片、膜盒一个周围为波纹状的薄壁金属筒体

波纹管弹簧管压力表

应变片应变电阻：R=ρL/S，ρ为电阻率。应变片受压产生变形，导致电阻变化；应变半导体：半导体材料的导电率也随其变形而发生改变。三、电气式压力计压电式：压电效应。晶体受压产生极化现象，在其表面累计了电荷，产生电势，外力消失，电荷也消失。电荷量与所受的外力成比例。材料主要有压电晶体（单晶体）、压电陶瓷（多晶体）、有机电材料（新一代材料）。目前被广泛使用的材料有石英、钛酸钡

三、电气式压力计电容式：两个极板间的电容C=εA/d。ε介电常数，A面积，d极板间距。受力后间距发生变化，导致电容变化。

电感式：间隙d的变化，导致磁阻变化，使得电感变化，最终产生电流的变化

三、电气式压力计导电橡胶：阻值随压力的产生而发生剧烈变化，可以从几十兆欧变为几十欧姆，所以，常用作压电开关、触压开关。

三、电气式压力计压力表的选型量程：最大工作压力不超过示值的2/3；常态压力值不小于示值的1/3精度：根据允许的最大测量误差类型：根据温度、粘度、脏污程度、易燃易爆、腐蚀性、振动、电磁干扰等因素综合考虑例题分析1.如果某反应器最大压力为0.6MPa，允许最大绝对误差为±0.02MPa。现用一台测量范围为0～1.6MPa，精度等级为1.5级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为0～1.0MPa，准确度为1.5级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。解：对于测量范围为0～1.6MPa，准确度为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为

1.6×1.5%=0.024(MPa)例题分析因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值,所以是不合格的。对于测量范围为0～1.0MPa，准确度亦为1.5级的压力表,允许的最大绝对误差为

1.0×1.5%=0.015(MPa)

因为此数值小于工艺上允许的最大绝对误差,故符合对测量准确度的要求,可以采用。

该例说明了选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值是不适宜的。

介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。

流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。

总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。定义2.4流量的检测与变送质量流量M体积流量Q如以t表示时间，则流量和总量之间的关系是

流量计：测量流体流量的仪表。计量表：测量流体总量的仪表。

1.速度式流量计

以测量流体在管道内的流速作为测量依据来计算流量的仪表。

2.容积式流量计

以单位时间内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。

3.质量流量计以测量流体流过的质量M为依据的流量计。质量流量计分直接式和间接式两种。

分类：孔板流量计

涡轮流量计

1.速度式流量计

玻璃转子流量计

椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。

椭圆齿轮流量计

2.容积式流量计

一、差压式流量计

差压式（也称节流式）流量计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而实现流量测量的。

通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。

差压流量计1.节流现象

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。

节流装置就是在管道中放置的一个局部收缩元件,应用最广泛的是孔板,其次是喷嘴、文丘里管。一、差压式流量计

2.节流装置

国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。

采用标准节流装置进行设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需要的通用化实验数据资料。

一、差压式流量计常用节流装置：

孔板喷嘴文丘里管图1孔板装置及压力、流速分布图

要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的压力有困难，因为产生最低静压力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。注意一、差压式流量计3.节流基本方程式

流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。可以看出流量与压力差ΔP的平方根成正比。

一、差压式流量计安装使用现场孔板流量计20引压管取出口测量气体的差压变送器1.工作原理转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。二、转子流量计转子流量计主要由两个部分组成：一是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明玻璃制成）

二是放在锥形管内可自由运动的转子。孔板流量计：节流面积不变流量变化压差发生变化转子流量计：压差不变流量变化节流面积发生变化转子流量计40金属管转子流量计

玻璃转子流量计

当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。h流通域流通域若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向上力也就变小。这样，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应。当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。h流通域流通域若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向上力也就变小。这样，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应。二、转子流量计转换原理若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。智能旋进旋涡气体流量计

涡街流量计

三、漩涡流量计三、漩涡流量计精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。

漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。图1卡门涡列

(a)圆柱涡列；(b)三角柱涡列容积式流量计四、椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计四、椭圆齿轮流量计1.工作原理图1椭圆齿轮流量计结构原理通过椭圆齿轮流量计的体积流量2.使用特点

适用于高黏度介质的流量测量。测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。例题分析

1.某差压式流量计的流量刻度上限为320m3/h,差压上限2500Pa。当仪表指针指在160m3/h时,求相应的差压是多少(流量计不带开方器)?

解：由流量基本方程式可知

流量是与差压的平方根成正比的。当测量的所有条件都不变时,可以认为式中的α、ε、F0、ρ1均为不变的数。如果假定上题中的Q1=320m3/h;Δp1=2500Pa;

Q2=160m3/h;所求的差压为Δp2

,则存在下述关系例题分析由此得代入上述数据,得

该例说明了差压式流量计的标尺如以流量刻度时,如果不加开方器,则流量标尺刻度是不均匀的。当流量值是满刻度的1/2时,指针却指在标尺满刻度的1/4处。例题分析

2.通常认为差压式流量计是属于定节流面积变压降式流量计,而转子流量计是属于变节流面积定压降式流量计,为什么?解：这可以从它们的工作原理上来分析。差压式流量计在工作过程中,只要节流元件结构已定,则其尺寸是不变的,因此它是属于定节流面积的。当流量变化时,在节流元件两侧的压降也随之而改变,差压式流量计就是根据这个压降的变化来测量流量的,因此是属于变压降式的。

例题分析转子流量计在工作过程中转子是随着流量变化而上下移动的,由于锥形管上部的直径较下部的大,所以转子在锥形管内上下移动时,转子与锥形管间的环隙是变化的,即流体流通面积是变化的,因此它是属于变节流面积的。由于转子在工作过程中截面积不变,重力也不变,而转子两端的静压差作用于转子上的力恒等于转子的重力,转子才能平衡在一定的高度上,所以在工作过程中,尽管转子随着流量的变化上下移动,但作用在转子两侧的静压差却是恒定不变的,所以它是属于定压降式流量计。

分体式超声波液位计－LIT25磁翻转液位计差压式液位计2.5液位的检测与变送一、差压式液位计将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此工作原理图1差压式液位计原理图一、差压式液位计当用差压式液位计来测量液位时,若被测容器是敞口的,气相压力为大气压,则差压计的负压室通大气就可以了,这时也可以用压力计来直接测量液位的高低。若容器是受压的,则需将差压计的负压室与容器的气相相连接。以平衡气相压力pA的静压作用。结论零点迁移问题在使用差压变送器测量液位时，一般来说实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为则一、差压式液位计某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。

一般型号后面加“A”的为正迁移；加“B”的为负迁移。图3正负迁移示意图图4正迁移示意图一、差压式液位计迁移弹簧的作用

改变变送器的零点。迁移和调零

都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。迁移

同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。一、差压式液位计1.测量原理电容器的组成1—内电极；2—外电极两圆筒间的电容量C当D和d一定时，电容量C

的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε的乘积成比例。通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。

二、电容式物位计2.液位的检测非导电介质的液位测量1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为

对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如图当液位上升为H时，电容量变为电容量的变化为二、电容式物位计

电容量的变化与液位高度