化工仪表及其自动化

化工仪表及其自动化第一页，共六十六页，2022年，8月28日内容提要压力检测及仪表压力单位及测压仪表压力计的选用流量检测及仪表概述差压式流量计转子流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计漩涡流量计质量流量计第二页，共六十六页，2022年，8月28日内容提要物位检测及仪表概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计称重式液罐计量仪温度检测及仪表温度检测方法热电偶温度计热电阻温度计电动温度变送器第三页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表一、压力单位及测量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）第四页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表压力单位帕/Pa兆帕/MPa工程大气压/(kgf/cm2)物理大气压/atm汞柱/mmHg水柱/mH2O（磅/英寸2）/（1b/in2）巴/bar帕11×1061.0197×10-59.869×10-67.501×10-31.0197×10-41.450×10-41×10-5兆帕1×106110.1979.8697.501×1031.0197×1021.450×10210工程大气压9.807×1049.807×10-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气压1.0133×1050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.3332×1021.3332×10-41.3595×10-31.3158×10-310.01361.934×10-21.3332×10-3水柱9.806×1039.806×10-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.895×1036.895×10-30.070310.0680551.710.703110.06895巴1×1050.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1各种压力单位换算表

国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。第五页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表p表P真P绝P绝大气压力线绝对压力的零线在压力测量中，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。图3-4绝对压力、表压、负压（真空度）的关系第六页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及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。

第七页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表

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。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进行测量的。

3.电气式压力计

第八页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表4.活塞式压力计

它是根据水压机液体传送压力的原理，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，允许误差可小到0.05%～0.02%。结构较复杂，价格较贵。

第九页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表

目前化工生产中常见的压力表为第二类。在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。

警惕！第十页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表二、压力计的选用及安装1.压力计的选用

压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析，一般考虑以下几个问题。仪表类型的选用考虑反应介质等因素，如：氨气、乙炔禁用铜，酸介质、碱介质下耐腐蚀等等

仪表精度级的选取

仪表测量范围的确定按照“化工自控设计技术规定”来选

第十一页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表举例

例3某台往复式压缩机的出口压力范围为25～28MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。

解

1、选型根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa

2、量程范围确定

由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择

1/3仪表量程上限<系统压力<1/2仪表量程上限第十二页，共六十六页，2022年，8月28日第一节压力检测及仪表所以由本章附录一，可选精度等级为1.5级的仪表 综上所述，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa，精度等级为1.5级。

公式变形得 2系统压力<仪表量程上限<3系统压力所以可得

56MPa<仪表量程上限<75MPa（why）因此由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa

3、精度选择

δ允许≤(1/60)×100%=1.67%第十三页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表一、概述

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。定义第十四页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表质量流量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。

第十五页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表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。分类第十六页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表二、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。第十七页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表1.节流现象与流量基本方程式（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。

节流装置包括节流件和取压装置。第十八页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表图3-18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。注意第十九页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表（2）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。可以看出要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。

流量与压力差ΔP的平方根成正比。

第二十页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表2.标准节流装置

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”。

标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。第二十一页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表图3-19孔板断面示意图如左图，标准孔板对尺寸和公差、粗糙度等都有详细规定。举例

其中d／D应在0.2～0.8之间；最小孔径应不小于12.5mm；直孔部分的厚度h＝（0.005～0.02）D；总厚度H＜0.05D；锥面的斜角α＝30°～45°等等，需要时可参阅设计手册。第二十二页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表优点缺点标准孔板应用广泛，结构简单，安装方便，适用于大流量的测量流体经过孔板后压力损失大，当工艺管道上不允许有较大的压力损失时，便不宜采用。标准喷嘴和标准文丘里管压力损失较孔板小结构比较复杂，不易加工第二十三页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表3.差压式流量计的测量误差

在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达10％～20％。

不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。注意第二十四页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表误差产生的原因被测流体工作状态的变动。节流装置安装不正确。孔板入口边缘的磨损。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象差压计安装或使用不正确第二十五页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表三、转子流量计1.工作原理

以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。图3-27转子流量计的工作原理图第二十六页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表转子流量计中转子的平衡条件是（2-25）由式（2-25）可得根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小或将式（3-26）代入上两式，得或（2-26）第二十七页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表2.转子流量计的指示值修正

转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体来讲是代表20℃时水的流量值，对用于测量气体来讲则是代表20℃，0.10133MPa压力下空气的流量值。所以，在实际使用时，要根据具体体情况进行修正。（1）液体流量测量时的修正（2-31）第二十八页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大，可近似认为Φ是常数，则有

（2-32）整理后得（2-34）（2-33）第二十九页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表同理可导得质量流量的修正公式为当采用耐酸不锈钢作为转子材料时，ρt＝7.9g/cm3，水的密度ρw＝1g/cm3，代入（2-34）与式（2-36）得（2-35）（2-36）（3-37）第三十页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表四、其他流量计直接式质量流量计图3-35科氏力流量计测量原理科氏力流量计的测量原理是基于流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。质量流量第三十一页，共六十六页，2022年，8月28日第二节流量检测及仪表优点

能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）的影响，测量精度高；测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管段长度的要求；可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。

缺点

它的阻力损失较大；零点不稳定；管路振动会影响测量精度。第三十二页，共六十六页，2022年，8月28日第三节物位检测及仪表一、概论几个概念液位料位液位计界位计测量物位的两个目的按其工作原理分为直读式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表第三十三页，共六十六页，2022年，8月28日第三节物位检测及仪表1.工作原理图3-39差压液位变送器原理图图3-40压力表式液位计二、差压式液位变送器第三十四页，共六十六页，2022年，8月28日第三节物位检测及仪表将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此

当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表，如图3-40所示。第三十五页，共六十六页，2022年，8月28日第三节物位检测及仪表2.零点迁移问题图3-41负迁移示意图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分别为第三十六页，共六十六页，2022年，8月28日第三节物位检测及仪表迁移弹簧的作用

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。第三十七页，共六十六页，2022年，8月28日第三节物位检测及仪表3.料位的检测

用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。1—金属电极棒；2—容器壁左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。

电容量变化与料位升降的关系为图3-47料位检测第三十八页，共六十六页，2022年，8月28日第三节物位检测及仪表优点

电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。

缺点

需借助较复杂的电子线路。

应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。第三十九页，共六十六页，2022年，8月28日第三节物位检测及仪表四、核辐射物位计射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（3-63）。（3-63）图3-48核辐射物位计示意图1—辐射源；2—接受器特点

适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。可在高温、烟雾等环境下工作。但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。第四十页，共六十六页，2022年，8月28日第四节温度检测及仪表一、温度检测方法

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。分类按测量范围

按用途

高温计、温度计标准仪表、实用仪表

按工作原理

膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计

按测量方式

接触式与非接触式

第四十一页，共六十六页，2022年，8月28日测温方式温度计种类测温范围／℃优点缺点接触式测温仪表膨胀式玻璃液体-50～600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传双金属-80～600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体气体蒸汽-30～600-20～3500～250结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉精度低，测温距离短，滞后大热电偶铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-考铜0～1600-50～1000-50～600测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低热电阻铂铜-200～600-50～150测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测高温，需注意环境温度的影响非接触式测温仪表辐射式辐射式光学式比色式400～2000700～3200900～1700测温时，不破坏被测温度场低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度红外线光电探测热电探测0～3500200～2000测温范围大，适于测温度分布，不破坏被测温度场，响应快易受外界干扰，标定困难表3-3常用温度计的种类及优缺点第四节温度检测及仪表第四十二页，共六十六页，2022年，8月28日1.膨胀式温度计图3-50双金属片

图3-51

双金属温度信号器1—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—信号灯膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。第四节温度检测及仪表第四十三页，共六十六页，2022年，8月28日2.压力式温度计

它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。图3-52压力式温度计结构原理图

1—传动机构；2—刻度盘；3—指针；4—弹簧管；5—连杆；6—接头；7—毛细管；8—温包；9—工作物质

应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。

第四节温度检测及仪表第四十四页，共六十六页，2022年，8月28日3.辐射式温度计辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。压力式温度计的构造由以下三部分组成

温包毛细管弹簧管（或盘簧管）

第四节温度检测及仪表第四十五页，共六十六页，2022年，8月28日第四节温度检测及仪表热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。图3-53热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶；2—导线；3—测量仪表热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。1.热电偶图3-54热电偶示意图二、热电偶温度计第四十六页，共六十六页，2022年，8月28日（1）热电现象及测温原理

图3-55热电现象图3-56接触电势形成的过程图3-57热电偶原理及电路图左图闭合回路中总的热电势或第四节温度检测及仪表第四十七页，共六十六页，2022年，8月28日注意

如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也就是说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。第四节温度检测及仪表第四十八页，共六十六页，2022年，8月28日（2）插入第三种导线的问题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，见下图。

图3-58热电偶测温系统连接图图（a）总的热电势（3-72）由于（3-75）（3-74）将式（3-73）、式（3-74）代入式（3-72）（3-73）第四节温度检测及仪表第四十九页，共六十六页，2022年，8月28日说明：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。

故得（3-76）图（b）总的热电势第四节温度检测及仪表第五十页，共六十六页，2022年，8月28日（3）常用热电偶的种类工业上对热电极材料的要求温度每增加１℃时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能成线性关系；物理稳定性要高；化学稳定性要高；材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。第四节温度检测及仪表第五十一页，共六十六页，2022年，8月28日热电偶名称代号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WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-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3-4工业用热电偶第四节温度检测及仪表第五十二页，共六十六页，2022年，8月28日（4）热电偶的结构①普通型热电偶图3-59热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒第四节温度检测及仪表第五十三页，共六十六页，2022年，8月28日材料工作温度/℃橡皮、绝缘漆珐琅玻璃管石英管瓷管纯氧化铝管80150500120014001700表3-5常用绝缘子材料表3-6常用保护套管材料工作温度/℃无缝钢管不锈钢管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上第四节温度检测及仪表第五十四页，共六十六页，2022年，8月28日２补偿导线的选用图3-61补偿导线接线图

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。第四节温度检测及仪表第五十五页，共六十六页，2022年，8月28日在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。热电偶名称补偿导线工作端为100℃，冷端为0℃时的标准热电势/mV正极负极材料颜色材料颜色铂铑10-铂镍铬-镍硅（镍铝）镍铬-铜镍铜-铜镍铜铜镍铬铜红红红红铜镍铜镍铜镍铜镍绿蓝棕白0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047表3-7常用热电偶的补偿导线第四节温度检测及仪表第五十六页，共六十六页，2022年，8月28日３.冷端温度的补偿

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。（1）冷端温度保持为０℃的方法图3-61

热电偶冷端温度保持０℃的方法（2）冷端温度修正方法

在实际生产中，冷端温度往往不是0℃，而是某一温度t1，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。第四节温度检测及仪表第五十七页，共六十六页，2022年，8月28日

用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临时测温，在连续测量中显然是不实用的。注意第五十八页，共六十六页，2022年，8月28日（3）校正仪表零点法

若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调