化工仪表自动化第三章

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第2篇过程自动化装置主要包括：过程测量仪表、过程控制仪表、过程执行仪表用于对生产过程中的温度、压力、流量、液位及成份等工艺参数进行自动测量、控制和执行的装置，也是企业实现生产过程自动化必不可少的技术工具。基本控制回路方框图2自动化仪表分类按功能分类：测量仪表、控制仪表、执行仪表按信号类型分：模拟仪表、数字仪表模拟式仪表

仪表的输入输出信号是连续的电压量或电流量数字式仪表仪表的输入输出信号是离散的数字量或开关量信号.3气动单元组合仪表（QDZ仪表）能源：0.14MPa压缩空气。信号：各单元之间以统一的0.02MPa–0.1MPa气压标准信号联系。特点：

优点：QDZ仪表具有结构简单、价格便宜、性能稳定和本质安全等优点。缺点：由于该类仪表体积庞大，信号传输慢(有容量滞后)。按使用能源分类：气动仪表和电动仪表。4电动单元组合仪表（DDZ仪表）

DDZ-Ⅱ型仪表

能源：DDZ-Ⅱ型表采用220VAC电源；信号：DDZ-Ⅱ型各单元间以0-10mADC为统一联络信号，

DDZ-

Ⅲ型仪表

能源：Ⅲ型表以24VDC为电源

信号：Ⅲ型表以4-20mADC为现场传输信号，以1-5VDC为控制室联络信号，特点：

DDZⅢ型仪表具有传输距离长，速度快，集成化程度高，功能多样且可构成安全火花型防爆系统等优点，在生产控制过程中被大量采用。53.1测量仪表中的基本概念1）检测过程及系统构成检测过程a.检测：获得信息的过程，是认识自然界的手段。主要包括两方面内容：检验用专门的技术工具，依靠实验、计算和比较的方法对研究对象的特性进行度量、验证。测量应用测试手段对被测参数进行定量的过程。

第3章过程测量仪表b.基本方法：能量转换（转换为电量信号）+单位比较c.基本任务：获取被检测对象的信息。（在限定的时间内，尽可能正确地收集被测对象的有关信息）目的：反映、揭示客观世界存在的各种运动状态及规律。以检测为基础，实现对对象过程的管理、控制、安全防护、优化处理等操作。7②测量设备过程中常用的测量设备有检测元件、传感器、变送器及显示单元。检测元件一种能够灵敏地感受被测变量并作出响应（将被测参数的变化转换成另一种物理量变化）的元件。传感器（敏感元件+信号转换部分）感受指定被测参量的变化，并按照一定规律将其转换成一个相应的便于应用的信号。变送器是从传感器发展起来的，输出标准信号的传感器就称为变送器。8显示单元接受传感器、变送器等输出信号，并以相应形式显示记录。主要功能显示工业生产的工作状态：实时数据，趋势曲线，报警指示等记录生产过程参数，历史数据，显示单元主要应用设备模拟式显示仪表数字式显示仪表数字-模拟式双回路显示仪表屏幕式显示装置11③

检测系统构成信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（信号分析处理部分、通信接口及总线）12智能电子警察监测系统检测系统举例号132）检测系统的性能指标检测系统的性能指标很多，工程上常用以下几个指标衡量仪表或系统的品质。（1）灵敏度S

灵敏度S表征了检测仪表对被测量变化的灵敏程度。常用仪表的输出变化量与输入变化量之比来表示。即：灵敏度实质上是一个放大倍数。灵敏度具有可传递性；对于多个仪表串联构成的检测系统，其总的灵敏度是各个仪表灵敏度之积。

△y：达到稳态时仪表输出的变化量（指针的直线位移或转角）。△x：被测变量的变化值。14相关概念：灵敏限（分辨率，一般反映测量中间过程指标）描述能引起仪表输出发生可见变化的最小输入量。表示检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。分辨率是反映检测仪表灵敏程度的另一指标。一般情况下仪表的灵敏度高则分辨率也高。死区（起始位评价指标）输入信号的变化量不能引起输出量发生可观察变化的有限区间。死区区间内仪表灵敏度为零。影响因素：电路偏置、机械传动的摩擦及间隙等。15（2）变差（回差）

外界条件不变的情况下，同一仪表对某一参数进行正反行程测量时，对应于同一被测值所得的示值之差即为该测点的仪表变差。

检测仪表在全量程范围内的最大测点变差为仪表变差。变差产生原因：传动部件间隙、摩擦、弹性滞后等。变差示意图：变差描述：仪表的变差由仪表在测量范围内正反特性间指示值的最大绝对误差与仪表标尺范围之比的百分数表示16（3）线性度(非线性误差)

线性度是衡量检测仪表输出与输入之间偏离线性程度的一种指标，用非线性误差来表示。（3.3）

为了便于信号间的转换与现实，有利于提高系统准确度，希望系统具有良好的线性特性。非线性误差示意图描述：取量程范围内，实际值与理论值之间的绝对误差的最大值与仪表测量范围之比的百分数，即：17（4）准确度

准确度也称为精度。仪表的准确度通常用误差的大小来表示。误差种类：①绝对误差绝对误差为检测仪表的输出值x与被测参数的真值x0之间的代数差值，即（3.4）

由于真值不能得到，实际上是用约定真值或相对真值来代替，通常以标准仪表(准确度等级更高的仪表)的测量结果作为相对真值。18②示值相对误差(简称相对误差)仪表测量值的绝对误差与真值之比的百分数，即

注意：示值相对误差随测点的不同而异，只能说明不同测量结果的准确程度，不能用来衡量检测仪表本身的质量。当测量误差很小时，示值相对误差近似为：19③引用误差（相对百分误差）仪表检测直的绝对误差与仪表的量程L之比的百分数。即：（3.7）式中：注意：反映了测量误差与测量范围的关系，但是各点的测量相对百分误差不同，不能用来衡量检测仪表本身的精度。20④最大引用误差（满量程相对误差，最大相对百分误差）仪表量程范围内所有测量值的绝对误差的最大值与仪表的量程L比的百分数．即（3.8）

式中：

注意：是检测系统的最主要质量指标，表征检测系统的测量精度等级。21⑤仪表基本误差标准条件下，仪表在全量程范围内输出值误差中绝对值最大者称为仪表的基本误差。⑥允许误差仪表制造厂为保证仪表不超过基本误差而设定一个限值。把这个限值与仪表的量程L比的百分数称为仪表的允许误差。即仪表基本误差是表征仪表准确度的一个重要指标，并且仪表的其他误差定义也以此为基础。最大引用误差是仪表基本误差的主要形式。22⑦仪表精度（准确度）国家标准规定，根据仪表的允许误差(最大引用误差)，去掉“±

”及“%”号后的数值判定仪表的准确度等级。国家统一规定所划分的等级

0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.35,1.0,1.5,2.5,4.0

,5.0准确度等级的数字越小．仪表的准确度就越高。工业用仪表精度等级为：

0.1,0.2,0.35,1.0,1.5,2.5,5.023例某台测温仪表，其测量范围为100℃~600℃，经检验发现仪表的基本误差为±6℃，试确定该仪表的精度等级？如果将该仪表的最大引用误差去掉“±”和“%”号后，其数值为1.2，由于国家规定的精度等级中没有1.2级的仪表，该仪表的最大引用误差大于1.0级仪表的允许误差，所以该仪表的精确度等级为1.5级。

解：该仪表的最大引用误差为:24例:

一台精度等级为0.5级，量程范围为500℃~1200℃的电位差计，它的基本误差是多少？解：则，该仪表的的基本误差是：3.5℃根据仪表精度等级与基本误差的关系有：25（5）测量范围及量程仪表的测量范围通常指检测装置所能够测量的最小值与最大值之间的范围。（区间）该范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限。量程：仪表测量范围的上限及下限之差。（数值）3）工业检测系统常用误差分类及特点：系统误差分类：系统误差，随机误差，粗大误差系统误差表现：在相同条件下，多次重复测量同一被测参量时，其测量误差的大小和符号保持不变

;或在条件改变时，重复测量同一被测参量时，误差按某一确定的规律变化。系统误差产生的原因：测量工具本身性能不完善；安装、布置、调整不当或环境条件发生变化；测量方法不完善、或者测量所依据的理论本身不完善等；操作人员视读方式不当。（注意与粗大误差的区别）系统误差特点及处理：系统误差可通过实验等方法被设法确定，并可以通过引入校正值（函数）、零点调整等方法排除（或减小）系统误差对测量值的影响。

随机误差表现：在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测量误差的大小与符号均无规律变化。随机误差产生原因：检测仪器或测量过程中某些未知或无法控制的随机因素综合作用。(如仪器的某些元器件性能不稳定，外界温度、湿度变化，空中电磁波扰动，电网的畸变与波动等)特点及处理方法随机误差的变化通常难以预测，无法通过实验方法确定、修正和消除。随机误差服从某种统计规律(如正态分布、均匀分布、泊松分布等)。可以通过统计规律实现误差估计。4）过程工业主要被测参数温度，压力，流量，物位，成分303.2温度测量仪表温度检测方法2温度仪表的选用33概述31313.2.1、概述温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。在工业生产中，温度是表征工业过程状态的重要参数。温度检测与控制是工业生产和科学实验中的一个非常重要的问题。温度温度是热力学参数，不能直接测量温度或温度变化直接影响物质某些物理特性或参数（如长度、电阻、分子运动、辐射能）的变化。

温度测量基本思路：选择合适的物质作为温度敏感元件，通过测量其某一物理参数的变化间接获得被测温度值。32测温仪表的分类:

从测量元件与被测介质是否接触的角度，温度测量可分为：接触式和非接触式两大类。接触式测温测温原理：敏感元件直接置入温度场中，两种不同温度的物体相互接触，敏感元件的温度将逐渐趋于温度场温度，导致敏感元件的物理性态或特性参数发生变化。通过测量这些变化实现温度测量。特点：接触式测量仪表简单、可靠、测量精度高。但由于感温元件在热交换过程中，达到热平衡的时间较长，因而有测量滞后现象。受到敏感元件物理化学性质的限制，不适宜于直接对腐蚀性介质测温，亦不能用于极高温测量。33非接触式测温测温原理：利用物体的热辐射，通过对辐射能量的检测实现温度测量。特点：测温范围宽(从超低温到极高温)，测温速度快，测温设备复杂,易受粉尘、水气等环境因素的影响测量误差大。测温方式测温种类和仪表测温范围(℃)主要特点接触式膨胀式玻璃液体-100～600结构简单、使用方便、测量精度较高、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传双金属-80～600结构紧凑、牢固、可靠；测量精度较低、量程和使用范围有限压力式液体-40～600耐震、坚固、防爆、价格低廉；工业用压力式温度计精度较低、测温距离短、滞后大主要用于温度连续测量气体-100～500热电阻铂电阻-260～850测量精度高，便于远距离、多点；便于集中检测和自动控制；不能测高温，须注意环境温度的影响主要用于温度的连续测量铜电阻-50～150半导体热敏电阻-50～300灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制主要用于温度开关及温度补偿热电效应热电偶-200～1800测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低主要用于温度的连续测量非接触式辐射式0～3500不破坏温度场，测温范围大，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难351）热电偶温度计热电偶温度计是工业生产过程中应用最广泛的测温仪表。热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表，它以热电偶作为测温元件，再配以连接导线和显示仪表或测量仪表构成。3.2.2工业温度检测元件及测温方法①热电偶测温原理热电效应：将两种不同的导体或半导体A、B连接成闭环回路，并将两个接点分别置于温度为T及T0的热源中，则在该回路内将产生电动势的现象称为热电效应或赛贝克效应。②回路热电势构成及描述热电势组成接触电势，温差电势接触电势：由于两种材料的电子密度不同引起的在接触面上发生材料间电子转移而产生的电动势称为接触电势。温差电势：单一材料由于两端温度不同引起内部电子转移而产生的电动势称为温差电势。回路热电势回路电势图：回路热电势描述式（接触电势+温差电势）：实验结果表明，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，（回路图）热电偶的电势可表示为eAB(T0)=C结论：冷端温度恒定时，输出电势仅是热端温度的函数T0为定值，小结：热电偶回路产生热电势的条件：

a.两种不同的材料构成回路，

b.两端接点处温度不同。热电势大小只与热电材料及两端温度有关，与电偶丝长短及粗细无关。热电极材料确定后热电势仅与冷、热端温度差有关。③热电偶基本定律a.均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。

本定律说明，热电偶必须由两种不同性质的材料构成。b.中间导体定律

断开热电偶回路，接入第三种导体C，若导体C两端的温度相等，则接入导体C后对热电偶回路中的总电势没有影响。证明：回路总电势等于各接点接触电势之和，即EABC(T,T0)=eAB(T)+eBC(T0)+eCA(T0)

T=T0时，回路热电势等于零（EABC(T0,T0)=0），即EABC(T0,T0)=eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0

eBC(T0)+eCA(T0)=-eAB(T0)故有：EABC(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=EAB(T,T0)同理，对于串入多种导线，只要引入两端的温度相同，热电偶的热电势将保持不变。定理应用：根据热电偶的这一性质，可以在热电偶回路中引入各种仪表、连接导线等实现对温度的测量。在热电偶的自由端接入一只测量电势的仪表，并保证两个接点的温度一致就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。例:c.中间温度定律热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB(T，T0)等于热电偶AB在接点温度为T，TC和TC，T0的热电势EAB(T，TC)和EAB(TC，T0)的代数和即：EAB(T，T0)=EAB(T，TC)+EAB(TC

，T0)定理应用：根据这一定律，只需列出热电偶在参比端温度为0℃的分度表，既可以求出参比端在其他温度时的热电偶的热电势。d.等值替代定律如果使热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势等于热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势，即EAB(T，T0)===ECD(T，T0)则这两支热电偶在该温度范围内可以互相代用。定理应用：此定理提供了补偿导线应用的依据，补偿导线作用：将热电偶冷端延伸到某一恒温点。④热电偶测温及温度确定方法热电偶测温示意图查分度表法：分度表：根据国际温标规定：T0=0℃时，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的热端温度下所产生的热电势值，列成的表格。附录2（p.252）给出了几种常见的热电偶分度表。参考函数法用函数式表示温度与热电势的关系，称为参考函数。44加入了第三种导线实际测温时环境温度不是0℃温度确定方法45⑤常用热电偶的种类根据国际电工委员会的推荐，目前我国已经为8种热电偶制定了标准，这8种热电偶称为标准热电偶。

8种标准热电偶如下表3-2.4647⑥热电偶的结构普通工业用热电偶的结构如图3-8（a）所示。主要包括四个部分：热电偶、绝缘管、保护管和接线盒。铠装热电偶如图3-8（b）所示。实物图48⑦热电偶补偿导线及冷端温度补偿补偿导线及应用补偿导线在一定温度范围内（0~100℃），具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线。补偿导线应用目的将热电偶冷端延伸到一个温度恒定点，或用其将热电偶与测量装置联接，以削弱热电偶冷端的温度变化所产生的影响。补偿导线应用连接示意图常用补偿导线（P.43）49注意：为了保证热电特性一致，补偿导线要与热电偶配套使用，极性不能接反，热电偶和补偿导线连接处两接点温度必须保持相同，以免引起测量误差。50热电偶冷端温度补偿热电偶测温过程存在的问题：

a.标准热电偶的分度表及与热电偶配套使用的显示仪表都是按热电偶的冷端温度为0℃刻度的。实际测温过程冷端温度并不为0℃。

b.测温过程不能保证冷端温度恒定。冷端补偿目的：通过硬件或软件手段消除热电偶冷端温度不为0℃时，或冷端温度波动对热电偶测温的影响。冷端补偿主要方法：

a.自由端恒温法

b.计算修正法

c.补偿电桥法51

a．冰点恒温法（自由端恒温法）52确定热电偶冷端温度，测出热电偶回路的电势值，根据中间温度定律，查表获取当前冷端温度与间热电偶应发出热电势，通过计算获取在冷端温度为0℃时当前热端温度下热电偶应产生的热电势，进而求得被测实际温度。基本计算公式：b．计算校正法EAB(T，0)=EAB(T，T0)+EAB(T0，0)热电偶发出热电势查表值，热端为T0，冷端为0℃时电偶发出热电势53例题：利用铂铑10-铂热电偶测量某一炉温，已知冷端温度t0=20℃，测得的热电势E(t,t0)=9.819mV，求被测炉温的实际值。解：查热电偶的分度表知：

E(20,0)=0.113mV总热电势：

E(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=9.819+0.113

=9.932mV被测温度（查分度表）：

t=1030℃（E=9.819，T=1020℃）54练习题1用铂铑10-铂(分度号S)的热电偶测温，已知参比端温度为20℃，测得热电势E(t,20)=11.30mV，试求被测温度t？解：查热电偶的分度表知：E(20,0)=0.113mVE(t,0)=E(t,20)+E(20,0)=11.30+0.113=11.413mV查表知：t=1155℃55练习题2用镍镉-镍硅(分度号K)的热电偶测温，已知参比端温度为25℃，检测端温度为506℃，求产生的热电势是多少？解：查热电偶的分度表知：

E(506,0)=20.896mV

E(25,0)=1.000mVE(506,25)=E(506,0)-E(25,0)=20.896-1.000=19.896mV56

c．补偿电桥法补偿电桥法是利用补偿电桥产生的不平衡电压来抵消热电偶回路冷端不为零或波动带来的影响。572)热电阻温度计测温原理：热电阻温度计是基于导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性来测量温度的。热电阻温度计以热电阻为感温元件，并配以相应的显示仪表和连接导线所组成。主要介绍：工业常用金属热电阻及特点金属热电阻的引线半导体热敏电阻58①常用金属热电阻

工业中常用的热电阻主要有金属热电阻和半导体热电阻。金属热电阻：大多数金属具有正的电阻温度系数，温度越高电阻值越大。一般温度每升高1℃，电阻约增加0.4％～0.6％。半导体热敏电阻：由半导体制成的热敏电阻大多具有负温度系数，温度每升高1℃，电阻约减少2％～6％。热电阻测温主要特点优点：信号灵敏度高，易于连续测量，无须参比温度；金属热电阻稳定性高，互换性好，精度高。缺点：需要电源激励，有自热现象，测量温度不能太高。a.铂热电阻分度号：Pt10

：R0=10ΩPt100

：R0=100Ω温度-阻值分度式：-200～0℃：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]0～850℃：Rt=R0(1+At+Bt2)式中Rt

和R0分别为t℃和0℃时铂电阻的电阻值；A、B和C为常数。常数规定（ITS一90）：A=3.9083×10-3/℃B=－5.775×10-7/℃2C=－4.183×10-12/℃4测温范围：工业用铂电阻温度计的使用范围是-200～850℃。铂热电阻特性：精度高，稳定性好，性能可靠；电阻与温度为非线性关系；温度越高，电阻的变化率越小；铂在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸气所沾污，使铂丝变脆，并改变它的电阻与温度间的关系。（550℃以上只适合在氧化环境中使用，真空和还原性介质将导致电阻值迅速漂移）b.铜电阻铜电阻分度号

Cu50：R0=50ΩCu100：R0=100Ω温度-阻值分度式：Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)或Rt

=R0(1+αt)式中:A=4.28899×10－3/℃B=-2.133×10－7/℃2C=1.233×10－9/℃3α=4.28×10－3/℃测温范围：工业用铜电阻温度计的使用范围是-50～150℃（线性区域）铜热电阻温度计特点：温度系数大，而且几乎不随温度而变，铜热电阻的特性比较接近直线铜容易加工和提纯，价格便宜，温度测量范围较窄。（高于250℃电阻本身易于氧化）63c.镍电阻镍电阻的电阻率及温度系数比铂和铜大得多，因而具有较高的灵敏度，且体积可以做的较小。一般测温范围：-50~180℃.②金属热电阻的引线形式及接线工业用热电阻自身阻值较小，常安装在离控制室较远的生产现场，因此环境变化引起的热电阻引线电阻的变化对测量结果有较大的影响。热电阻引线热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种形式。64热电阻接线两线制接线65两线制热电阻配线简单，安装费用低，但环境干扰会引进引线电阻的附加误差。两线制热电阻不适用于高精度测温场合使用。并且在使用时引线及导线都不宜过长。采用三线制热电阻的测温电桥如图所示，引线电阻的变化同时引进电桥相邻的两臂，可以消除引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。一般，在测温范围窄或导线长，导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制热电阻。66三线制热电阻接线四线制热电阻接线方式四线制引线方式主要用于高精度温度检测。如图，其中两根引线为热电阻提供恒流源，在热电阻上产生的压降U=RtI,通过另两根引线引至电位差计进行测量。因此，其电阻测量线路上没有电流，可完全消除引线电阻对测量的影响。67四线制热电阻与电位差计结合的的测温电路如图所示。

金属热电阻的使用特点输出信号增量较大，易于测量。金属热电偶稳定性高、精度高；互换性好。工业测温用金属热电阻一般采用三线制接线。热电阻的感温体结构复杂、体积较大，热惯性大，不适宜应用于体积狭小场合和温度变化快的过程的温度测量，抗机械冲击与振动性能也较差；热电阻适于低温段测量。68③

半导体热敏电阻热敏电阻是利用金属氧化物或某些半导体材料的电阻值随温度的升高而减小(或升高)的特性制成的。一般热敏电阻的测温范围是-100～300℃。热敏电阻种类

NTC型热敏电阻：负温度系数热敏电阻PTC型热敏电阻：正温度系数热敏电阻CTR型热敏电阻：负温度系数临界温度热敏电阻69热敏电阻特点：半导体热敏电阻具有以下一些优点：灵敏度高。温度系数大。NTC型热敏电阻的电阻温度系数都在-3×10-2～-6×10-2／℃之间，是金属热电阻的十多倍，因此可大大降低对显示仪表的精度要求；电阻值高。半导体热敏电阻在常温下的阻值很大，通常在数千欧以上，引线电阻几乎对测温没有影响，不必采用三线制或四线制，给使用带来了方便；体积小，热惯性也小，时间常数通常在0.5～3s；结构简单，价格低廉，化学稳定性好，使用寿命长。70半导体热敏电阻的缺点：互换性较差，虽然近几年有明显的改善，但与金属热电阻相比仍有较大差距；非线性严重；温度测量范围有一定限制，目前只能达到-50～300℃左右。72④

热电阻的结构73热电偶热电阻

mvR温度变送器DDZ-Ⅲ4-20mA3）温度变送器温度变送器与热电偶和热电阻配套使用的仪表，主要作用是将温度检测元件的电信号（mv或R)转换成统一的标准信号4-20mA电流信号，作为显示或调节仪表的输入信号。74智能化温度变送器核心部件：微处理器特点：

1、与任一种测温元件都可配套

2、功能广泛：零点迁移、量程调整、温度补偿、线性化补偿等。

随着工厂自动化水平的提高，智能温度变送器的应用会越来越多。75产品特点：一体化温度变送器将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起，除输出与温度成线性的4~20mA信号之外，同时具有现场显示功能。信号准确、可远传（最大1000米），该系列产品分普通型和隔爆型两种。热电阻测量范围：

<Pt100>-200℃~﹢450℃

<Cu50>-50℃~﹢150℃热电偶测量范围：<K>0℃~﹢1200℃

<E>0℃~﹢800℃

<S>0℃~﹢1600℃

<B>0℃~﹢1800℃

供电电源：24VDC±10%

测量精度：

<热电阻>±0.25%±0.5%

<热电偶>±0.75%

仪表型号：数显一体化温度变送器763.2.3温度测量仪表的选用正确选型由现场工作条件确定选择接触式还是非接触式温度计。接触式：根据温度测量范围和精度要求合理的选择感温元件。高温:热电偶，低温：热电阻。77课程小结了解温度的主要测量方法及常用仪表的基本工作原理、特点、使用场合、选用原则和要求等。重点掌握热电偶及热电阻的测温原理、热电偶的冷端温度补偿问题。783.3压力测量仪表压力检测方法2压力仪表的选用33概述31793.3.1概述1）压力及压力单位工程技术中所称的“压力”，实质上就是物理学中的“压强”，是指介质垂直均匀作用于单位面积上的力。压力常用字母p表示，其表达式为

p=F/S式中F,S―分别为作用力和作用面积。单位：压力的国际单位为“帕斯卡”，简称“帕”（Pa）。工程界长期使用许多不同的压力计量单位。如“工程大气压”、“标准大气压”、“毫米汞柱”等。80压力单位转换对照表812）工业生产过程中压力描述：①绝对压力pab

是指物体实际所承受的全部压力。②表压力pe

表压力是一个相对压力，它以环境大气压力为参照点。实质上是绝对压力与环境大气压力的差压。它们之间的关系为

p表压=p绝对-p大气在工程实际中，所说的压力通常是指表压，即压力表上的读数.

③负压（或真空度）pv

在工程中，我们习惯于把绝对压力低于环境大气压力的差压称为负压力。是指真空表上的读数。

p真空=p大气-p绝对82pe表示表压，用pv

表示负压（或真空度），pab

表示绝对压力、用Patm

表示环境大气压力，用△p表示任意两个压力之差。833）压力表分类测量压力的仪表种类很多，按转换原理可大致分为以下四种：①液柱式压力表原理：液柱式压力表是根据静力学原理，将被测压力转换成液柱高度来测量压力的。种类：

U型管、单管、斜管压力计等。应用：测量低压，真空度，压力差84②弹性式压力表原理：根据弹性元件受力变形的原理，用弹性元件作为压力敏感元件，将被测压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。常见种类及应用：弹簧管压力表，主要用于现场压力测量显示，可测量低、中、高压，波纹管压力表、膜片（膜盒）式压力表。用于低、中压，压差测量85③活塞式压力计原理：活塞式压力计是利用流体静力学中的液压传递原理，将被测压力转换成活塞上所加砝码的重量进行压力测量的。用途：这类测压仪表的测量精度很高，允许误差可小到0.05％-0.02%。普遍用作标准压力仪器对其他压力表或压力传感器进行校验和标定。86④压力传感器和压力变送器原理：压力传感器和压力变送器是利用物体某些物理特性，通过不同的转换元件将被测压力转换成各种电量信号，并根据这些信号的变化来间接测量压力。根据转换元件的不同，压力传感器和压力变送器可分为电阻式、电容式、应变式、电感式、压电式、霍尔片式等多种形式。871）弹性式压力表测压原理：是利用弹性元件在被测压力作用下产生弹性变形的原理来度量被测压力的。当弹性元件受压力作用时会产生变形，于是输出位移或力；再把位移或力通过一定的元件转换成电量信号。弹性元件的特点：构造简单，价格便宜，测压范围宽，被测压力低至几帕，高达数百兆帕都可使用，测量精度也较高，在目前的测压仪表中占有统治地位。3.3.2压力检测方法88弹性检测元件89①单圈弹簧管压力表原理：其截面一般为扁圆形或椭圆形，管子自由端封闭，作为位移输出端，弹簧管的另一端固定，作为被测压力的输入端，当被测压力从输入端通入后，由于椭圆形截面在压力p的作用下将趋于圆形，因而弯成弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形。其自由端就从B移到B’。从而将压力变化转换成位移量，压力越大，位移量越大。90测量参数：负压、微压、低压、中压、高压（1000MPa）精度等级：最高0.1级91②波纹管压力表原理：在波纹管中引入压力时，其自由端产生伸缩变形，可以得到较大的线位移，但压力—位移特性的线性不如弹簧管。波纹管压力表结构92特点：灵敏度较高，测量参数：差压、压力测量范围：

0~0.4MPa精度等级：

1.5~2.5级93③膜片：

单膜片测压元件主要用于低压的测量，一般使用金属膜片，也有橡胶膜片。膜片式压力计的优点是：可测微压和粘滞性介质压力。膜片工作原理图实物图仪表应用94由敏感元件、转换元件和转换电路等部分构成，能够将敏感元件感受的压力信号转换为标准信号的设备。根据敏感元件和信号转换方式不同定义了多种压力变送器。①电容式压力变送器差动平板电容器的工作原理差动平板电容器共有三个极板，其中中间电极板为活动电极板，两端为固定电极板。初始状态下，活动极板正好位于两固定电极板的中间。2）

压力变送器每个电容的容量为:95当受到外界作用，中间的活动电极板将产生一个微小的位移：其两个电容的差值为规律：电容变化量和活动极板的位移成正比。96电容式差压变送器传感器结构2、3-不锈钢基座1、4-纹波隔离膜片5、-玻璃层6、-金属薄膜（固定极板）7、-测量膜片（活动极板）引线，将电容变化信号送到转换电路部分97②扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器依据应变原理工作应变原理：当电阻体（导体、半导体）在外力作用下，产生机械变形时，其电阻值也将随之发生变化。这种现象称之为电阻应变效应。通过检测电阻变化量即可得知其受力情况。

金属材料的影响主项半导体材料的影响主项外力作用下电阻变化：由材料力学有电阻相对变化：应变定义：98图3-20扩散硅压力变送器测压原理图扩散硅压力变送器检测部件的原理结构图硅杯膜片上按特定方向排列4个等值电阻。电阻布置如图（b）所示。99硅杯设计时，取

R1=R2=R3=R4=R，

当压力为零时，桥路输出为：有外力作用，根据应变原理，电阻值改变，设定电阻变化量相等，即△R1=△R2=△R3=△R4=△R，则桥路失去平衡，输出电压为：无外力作用，桥路平衡，U=0。上式表明桥路的输出电压与应变电阻的变化量成正比。注意：应变式压力传感器有较明显的温漂和时漂。因此，这种压力传感器较多地用于动态压力检测。100③智能压力变送器以微处理器为基础，具有自检、温度补偿、A/D转换、计算等功能的压力测量仪表。

ST3000系列智能压力变送器构成图：101智能压力变送器特点：精度高，稳定性好使用方便高量程比：400:11023.3.3、压力测量仪表的选择和使用1）压力表的选择原则符合工艺过程的技术要求，同时做到“厉行节约，降低投资”的原则。主要考虑：（1）介质物理化学性质，如温度高低、粘度大小、脏污程度、腐蚀性，是否易燃易爆、易结晶等。（2）对压力测量的要求，如被测压力范围、精度以及是否需要远传、记录或上下限报警等。（3）现场环境条件，如高温、腐蚀、潮温、振动、电磁场等。（4）量程选择原则最大压力值不超过仪表满量程的2/3。压力最小值应不低于全量程的1/3。103例题例1若选用弹簧管压力表来测量某设备内的压力，已知被测压力为（0.7~1）x106Pa，要求测量的绝对误差不得超过0.02X106Pa，试确定该压力表的测量范围及精度等级。可供选用的测量范围有:

0~0.6x106Pa,0~1x106Pa,0~1.6x106Pa,0~2.5x106Pa104选择量程为0~1.6x106Pa的仪表。精度选择：要求仪表的允许误差为解：量程选择：

由题意知压力波动较大，根据量程选择原则，设：仪表量程为A，有选择精度为1.0级的压力表105练习题1.采用弹簧管压力表测量某容器的压力，工艺要求其压力为1.2±0.05Mpa，试选择合适的压力表。可供选用的测量范围有:

0

~

0.6×106Pa，0

~

1×106Pa，0

~

1.6×106Pa，0

~

2.5×106Pa选择量程为0~2.5x106Pa的仪表。精度选择：解：由压力量程选择原则可知：压力上限=（1.25*3/2)Mpa=1.875Mpa选择精度为1.5级的仪表。106课程小结压力测量：了解各类压力测量的基本工作原理，变送器的构成和传送方式；重点掌握压力表的量程和精度的选择使用。了解测量过程，掌握仪表的性能指标。1073.4流量测量仪表流量检测方法2概述31差压式流量计容积式流量计浮子式流量计电磁流量计涡街流量计1083.4.1概述体积流量qv

：指单位时间内流过管道某一截面流体的体积数。其常用单位为m3/h。质量流量qm：指单位时间内流过管道某一截面流体的质量数。其常用单位为kg/h。体积流量与质量流量之间的关系为：在工程应用中，流量通常指单位时间内通过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量。用体积流量和质量流量来表示。ρ：流体密度109流体总量在某段时间内流体通过的体积或质量总量称为累积流量或流过总量。描述式：

流量测量基本方法分类流量检测体积流量质量流量直接法

(容积)间接法直接法(推导法)间接法

(速度)测定单位时间内排出的标准固定体积的数量。测定管道内流体平均流速，并乘以管道截面积。检测元件输出信号直接反映质量流量。同时测量两个相关参数，通过运算求取质量流量速度式差压式根据流体力学理论，通过截流元件前后压差反映流量。111流量检测方法3.4.2差压式流量计在流量测量中，差压式流量计是应用最广泛的一种流量仪表。1）差压式流量计构成及流量测量差压式流量测量示意图测量依据：利用流体在管道中通过节流元件（阻力件）时在阻力件两端产生的压力差与流体流速关系测量流体流量。节流元件（阻力件）导压及保护装置差压测量装置管道2）标准节流元件国际上规定的标准节流元件演示文丘里管流量计工作原理孔板流量计工作原理3）节流式流量测量检测原理（以标准孔板为例）①原理示意图截面1：流体未受节流件影响，流束充满管道，参数：A1，p1，v1，ρ1截面2：经节流件后流束收缩的最小截面，参数：A2，p2，v2，ρ2截面3：永久的压力损失δp。②流量方程设流体为不可压缩的理想流体；流经节流元件时流体不对外作功；与外界没有热能交换；流体本身没有温度变化。根据伯努利方程，水平管道能量方程式及连续性方程：

ρ：流体密度；

ρ1=ρ2=ρA1：管道截面积，A2：最小收缩截面面积注意:面积A2无法准确获得，近似地用节流元件开孔面积A0替代A2，管道流体平均流速流量方程（流量与差压之间的关系式）引入压缩因子ε，（不可压缩流体ε=1）体积流量：质量流量：1164）差压式流量计的安装及投运①安装主要包括节流元件、导压管、保护装置的安装节流元件安装要求节流装置仅适用于测量圆形管道流量，且节流件开孔轴线必须与管道同轴。节流件方向不能装反；管道内部不得有突入物；节流件装置附近不得安装测温元件或开设其他测压口。为了减少流体波动对测量的影响，要求在节流元件前后应保留一定长度的直管段（大于前10D，后5D）。b.引压管路的安装引压导管应按被测流体的性质和参数要求使用耐压、耐腐蚀的管材，引压管内径不得小于6mm，长度最好在16m以内。引压管应垂直或倾斜敷设，其倾斜度不得小于1：12，倾斜方向视流体而定。c.差压计保护装置安装及投运差压计与节流元件之间应加装三阀组。117投运步骤开表：开平衡阀→同时开两侧切断阀→关平衡阀停表：开平衡阀→同时关两侧切断阀

②差压计安装示意图a.被测流体是液体管道下半部取压，保证导压管内充满液体b.被测流体为气体管道顶部取压，保证导压管中仅有气体

c.蒸汽流量测量保证导压管内冷凝水位相同。

1213.4.3容积式流量计

容积式流量计，又称定排量流量计。利用机械测量元件，把流体连续不断地分隔为单个的固定容积部分排出，而后通过计数单位时间或某一时间间隔内经仪表排出的流体固定容积的数目来实现流量的计量。典型容积式流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计

1）椭圆齿轮式流量计构成及工作原理构成：测量本体由一对相互啮合的椭圆齿轮和壳体组成，122工作原理2）流量测量椭圆齿轮每旋转一周，流量计将排出4个初月形(测量室)体积的流体。流量方程式：n：单位时间内的齿轮转动圈数V0：初月形测量室容积；1233）椭圆齿轮流量计特点适于测量液体介质，尤其适于测量高粘度清洁液体。容积式流量计测量精度较高。流量计基本误差：±0.2％~±0.5％，量程比：l0:1。工作温度：＜120℃避免被测介质含有脏污物或颗粒状，以防止早期磨损或损坏仪表，或加装过滤器，以保证测量的准确性。具有一定的泄漏量。1241）工作原理浮子流量计是由一根自下向上扩大的垂直锥管和一个可以上下自由浮动的浮子所组成。工作原理:

基本检测依据：节流原理转子的重量不变，平衡时节流元件（转子）上下的差压值基本保持不变。锥形管通道，不同流量对应不同平衡位置，对应不同的节流面积。属恒压降、变截面流量计。3.4.4浮子(转子)流量计2）流量方程：①流体流动速度（环形区域）根据浮子受力分析

f1：浮子重力，f2：浮子所受浮力f3：流体作用于浮子垂直向上的阻力②

流体流通面积（环形区域）③

流体流量方程式环形流通面流体流速126玻璃管、金属管转子流量计3）转子流量计的应用特点适用于中小管径和低雷诺数的中小流量测量；对直管段的要求不高，刻度近似线性；压力损失小且恒定，灵敏度高，量程比宽(10:1)；仪表基本误差为量程的1%~2%，精度一般在1.5级左右。仪表受被测介质密度、粘度、温度、压力、安装质量等因素的影响较大转子流量计要求垂直安装。注意：浮子流量计出厂时其刻度是按标准状态下的水或空气标定的，实际使用前，需按照实际测量介质的密度及环境因素，对仪表刻度指示值重新标定。1273.4.5电磁流量计1）测量原理及流量方程a.测量原理电磁流量计是基于法拉第电磁感应原理制成的一种流量计，其测量原理如图所示。感应电势：K：常数；B：磁感应强度；D：管道内径；

u：流体平均流速。b.流量方程

k：仪表常数；注意：上式必须符合以下假定条件时才成立，即：磁场是均匀分布的恒定磁场；被测流体是非磁性的；流速轴为对称分布；流体电导率均匀且各向同性。3）电磁流量计的特点压力损失极小，测量导管内无可动部件或突出于管道内部的部件；适用于含有颗粒、悬浮物（纸浆、矿浆、煤粉）等流量测量，可以测量酸、碱、盐等腐蚀性介质；流量计的输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响；电磁流量计的量程比一般为10：1，精度较高的量程比可达100:1；测量口径范围大，可以从lmm到2m以上，特别适用于lm以上口径的水流量测量；测量精度一般优于0.5％；电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量；被测流体必须是导电的，不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量；一般使用温度为0～200℃；最高工作压力有一定限制。结构比较复杂3.4.6涡街流量计涡街流量计是利用流体振荡的原理进行流量测量，是一种正在得到广泛应用的流量仪表。1）组成涡街流量计的主体是漩涡发生体。

流体流过漩涡发生体时，在其两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称的漩涡列，称之为“卡门涡列”或“涡街”。旋涡发生体管道在均匀流动的流体中，垂直地插人一个具有非流线型截面的柱体，称为漩涡发生体。涡街示意图：涡街特点：根据冯·卡门的理论证明，当两列漩涡之间的距离h和同列中相邻漩涡的间距L满足关系h／L=0.281时，涡街是稳定的。2）检测原理实验证明，在一定的雷诺数范围内，稳定的漩涡产生频率（f）与漩涡发生体形状和流体流速u的关系如下：d：漩涡发生体的特征尺寸；

St：称为斯特罗哈尔数。

St与漩涡发生体形状及流体雷诺数有关，并且在一定的雷诺数的范围（500-150000）内，St值基本不变。结论：漩涡产生的频率仅决定于流体的流速u和漩涡发生体的特征尺寸，而与流体的物理参数如温度、压力、密度、粘度及组成成分无关。3）流量方程式设漩涡发生体为圆柱体，直径为d，管道内径为D，流体的平均流速为u，则在漩涡发生体处的流通截面积流量方程式：当d／D<0.3时，可近似为根据4）涡街流量计的特点涡街流量计适用于气体、液体和蒸汽介质的流量测量，其测量几乎不受流体参数(温度、压力、密度、粘度)变化的影响。涡街流量计在仪表内部无可动部件，使用寿命长；压力损失小；输出为频率信号；有较宽的范围度（30:1）；测量精度比较高，为±0.5％～±1％。流体流速分布情况和脉动情况将影响测量准确度，旋涡发生体被玷污也会引起误差。在仪表安装要求上、下游有一定的直管段，下游长度为5D，上游长度根据阻力件形式而定，约15D～40D，上游不应设流量调节阀。136课程小结流量测量：了解各类流量计的工作原理和特点；重点掌握差压式流量计的测量原理、流量方程式和投运。

1373.5物位测量仪表物位检测方法2概述31静压式液位计磁浮子式液位计电容式物位计其他物位测量仪表331381）

物位的定义：物位是液位、料位、界位的总称。液位：指设备和容器中液体介质表面的高低。料位：指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。界位：描述界面位置。一般指容器中液一液、液一固相界面的位置。物位检测仪表：对物位进行测量、指示的仪表。3.5.1概述1392）物位检测仪表的分类：由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大差别，所以物位检测的方法有多种多样。①按测量方式分类：连续测量和定点测量连续测量方式能持续测量物位的变化，实时反映物位状态。检测工艺设备中介质物位，为工业控制提供必要的依据数据；检测料罐储量，为经济核算提供必要的数据；定点测量方式仅检测物位是否达到某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。主要应用于检测储罐及工艺设备内物位，实现开关控制和报警140②按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、浮力式、静压式、电磁式、声波式、辐射式等。直读式物位检测仪表基于连通器原理，采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。主要用于液位的就地指示。方法可靠、准确。静压式物位检测仪表基于流体静力学原理。通过物位高度与对设定面（测压参考点）形成的静压力关系测量物位。主要用于流体的液位和界位检测。典型仪表：压力式、吹气式和差压式等型式。141浮力式物位检测仪表基于阿基米德定律。浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮子位置或浮筒所受浮力会产生相应的变化。据此检测液位。主要用于液位测量。典型仪表：浮子式液位计、浮(沉)筒式液位计等。电气式物位仪表通过检测置于被测介质中的物位敏感元件随物位变化时电量变化检测物位。可应用于液位、界位、料位的测量。典型仪表：电容式式物位计142声波式物位仪表:基于声学回声原理，利用声波在介质中的传播速度及在界面的反射特性来检测物位。可应用于液位、界位、料位的测量典型仪表：超声波物位计辐射式物位仪表:利用射线透过物质时其能量被部分吸收的性质，通过检测放射性同位素所放出的射线穿过被测介质时能量衰减程度检测物位。可用于液位、料位的非接触测量。典型仪表：射线式物位计1433.5.2

物位检测方法1）静压式液位计①工作原理静压式液位计是根据液体在容器内的液位与液柱高度产生的静压力成正比的原理进行工作的。

A：实际液面，B：零液位，H：液柱高度，根据流体静力学原理，A、B两点的压力差为

pA、pB：A点、B点静压力ρ：液体密度原理图：主要应用仪表：压力变送器、差压变送器②液位测量A、敞口容器的液位测量：原理图：144液位描述式：注意事项：液体密度应为定值，否则会引起误差。压力仪表应与零液位点在同一水平面。P：压力表示值（取压平面上的静压力）B.密闭容器液位测量：特点：容器测压点的静压力与液位高度及液面以上介质(气体)压力有关。考虑A、B两点间压力差结论：密闭容器场合，可以用测量差压的方法来测量液位。PA差压变送器差压变送器高压侧信号差压变送器低压侧信号③变送器量程迁移问题的提出：举例：表现：由于安装和介质特性引入了附加静压，零液位时变送器感受非零输入，仪表输出非零。

量程迁移作用：使变送器在只受附加静压(静压差)作用时输出为“零”ρ2ρ1ρ1ρ1量程迁移的种类无迁移：无附加静压差正迁移：附加静压力作用于变送器的正压室（零液位时正压室受压大于负压室）。负迁移：附加静压力作用于变送器的负压室（零液位时负压室受压大于正压室）。无迁移分析：输出表现：液位零点变送器无附加静压差信号，输出零液位信号示意图：信号分析：正压室信号：

p+=p0+Hρg负压室信号：

p-=p0差压信号：

输出特点：

H=0；△p=0输出零液位信号

H=Hmax：△p=Hmaxρg输出上限液位信号无需量程迁移。气体△p=p+-p-=Hρg负迁移示意图：压力分析正压室信号：附加静压力特性：零液位时变送器正、负压室不平衡。负压室信号：差压信号：迁移方向：负迁移迁移量：

B

量程负迁移曲线示意图：注意：迁移前后仪表量程不变，仅测量范围发生变化。（曲线平移）附加静压差：

正迁移示意图信号分析正压室信号：负压室信号：

附加静压力特性：零液位时变送器正、负压室不平衡。差压信号：量程正迁移曲线示意图：

迁移方向：正迁移迁移量：A附加静压差：量程迁移小结：通过迁移装置改变量程的零点，其作用是同时改变测量范围的上下限，但是不改变量程。迁移量等于零液位时差压计正、负压室承受的压力差的绝对值。迁移方向取决于零液位时差压（△p=p+-p-)的符号。△p＞0：正迁移；△p=0：无需迁移；△p＜0：负迁移；量程迁移示意图：154针对上述三种情况，如果选用的差压变送器测量范围为0～5kPa，且零点通过迁移功能抵消的固定静压分