过程控制系统中的仪器仪表

过程控制系统中的仪器仪表第一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六1概述一、测量的基本知识（一）测量过程测量：用专用工具将被测量与基准单位进行比较的过程.测量实质：将被测量经一次或多次信号能量形式的变换和传递，最终获得便于和基准单位比较的信号能量形式，再通过指针位移或数字符号等将比较结果显示出来。（二）测量误差测量误差:测量值与真实值之间的差值。第二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六2二、检测仪表的基础知识（一）检测仪表的分类1．根据敏感元件与被测介质是否接触2．按精度等级的不同接触式检测仪表非接触式检测仪表标准仪表范型仪表实用仪表3．按使用场合不同标定室仪表实验室仪表现场仪表4.按被测变量分类压力检测仪表物位检测仪表流量检测仪表温度检测仪表成分分析仪表概述第三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六34.1检测变送及仪表

4.1.1温度检测一、温度检测的基本概念（一）温度的基本概念温度——是表征物体冷热程度的物理量。它反映了物体分子作无规则热运动平均动能的大小。温度测量——不能直接测量，只能间接测量。温度测量的方法（1）冷热不同的物体之间的热交换（2）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的测量。第四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六4一、温度检测的基本概念（二）测温仪表的分类1.按测温范围来分2.按工作原理分3.按感温元件和被测介质接触与否高温计：测量600℃以上温度的仪表温度计：测量600℃以下温度的仪表膨胀式温度计热电偶温度计热电阻温度计压力式温度计辐射高温计光学高温计接触式温度计非接触温度计第五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六5一、温度检测的基本概念测温方式温度计名称简单原理及常用测温范围优点缺点接触式热膨胀玻璃温度计液体受热时体积膨胀－100℃～600℃价廉、精度较高、稳定性好易破损，只能安装在易观察的地方双金属温度计金属受热时线性膨胀－50℃～600℃示值清楚、机械强度较好精度较低压力式温度计温包内的气体或液体因受热而改变压力－50℃～600℃价廉、最易就地集中检测毛细管机械强度差，损坏后不易修复热电阻热电阻温度计导体或半导体的电阻值随温度而改变－200℃～600℃测量准确，可用于低温或低温差测量和热电偶相比，维护工作量大．振动场合容易损坏热电势热电偶温度计两种不同金属导体接点受热产生热电势－50℃～1600℃测量准确，和热电阻相比安装维护方便不易损坏，需要补偿导线，安装费用较高非接触式热辐射光学高温计加热体的亮度随温度高低而变化700℃～3200℃测温范围广，携带使用方便．价格便宜只能目测，必须熟练才能测得比较准确的数据光电高温计加热体的颜色随温度高低而变化50℃～2000℃反应速度快．测量较准确构造复杂，价格高，读数麻烦辐射高温计加热体的辐射能量随温度高低而变化50℃～2000℃反应速度快误差较大第六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六6液体膨胀式温度计酒精式水银式膨胀式温度计第七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六7热电偶温度计结构：括热电偶、显示仪表、导线热电偶--测温元件；显示仪表--检测热电偶产生的热电势信号，可以采用动圈式仪表，也可以用ER180系列等其他仪表；导线–连接热电偶和显示仪表，补偿导线1．热电偶的测温原理（热电效应原理）热电偶：由两种不同材料的导体A和B焊接或绞接而成。导体A、B称为热电极，合称热电偶。mV自由端参比端冷端工作端测量端热端第八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六8第九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六9二、热电偶温度计1．热电偶的测温原理（热电效应原理）热电效应：将热电偶的工作端插入需要测量温度的生产设备中，冷端置于生产设备的外面，当两端所处的温度不同时（如热端为t，冷端为t0），在热电偶回路内就会产生热电势，我们把这种物理现象称为热电效应。当冷端温度t0不变、两种热电极材料一定时，EAB(t0)=C为常数,则：

EAB（t，t0）=EAB（t）-C=f（t）EAB(t)

指热电偶工作端温度t，冷端温度为0时的热电势EAB(t0)指热电偶工作端温度t0，冷端温度为0时的热电势第十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六10结论：（1）保持冷端温度不变时，用表测出热电势EAB(t,t0)就可得知测温度。（2）产生热电势的充要条件：A、B导体材料不同，两接触点温度不同。注意：1）EAB(t,t0)≠f(t-t0),是温度函数的差，非温度差的函数2）常用分度表在T0=0℃时列出的3）接触电势>>差电势（一般情况下）故热电势的极性取决于接触电势极性。二、热电偶温度计第十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六11二、热电偶温度计热电偶名称分度号主要性能测温范围/℃长期使用短期使用铂铑10—铂S热电性能稳定，抗氧化性能好，适用于氧化性和中性气氛中测量，但热电势小，成本高。20～13001600铂铑30—铂铑6B稳定性好，测量温度高，参比端在0～100℃范围内可以不用补偿导线；适于氧化性气氛中的测温；热电势小，价格高。300～16001800镍铬—镍硅K热电势大，线性好，适于在氧化性和中性气氛中测温，且价格便宜，是工业上使用最多的一种。-50～10001200镍铬—铜镍E热电势大，灵敏度高，价格便宜，中低温稳定性好。适用于氧化或弱还原性气氛中测温。-50～800900铁—铜镍J测量精度高，稳定性好，低温时灵敏度高，价格最低。适用于氧化和还原性气氛中测温。-40～700750铜—铜镍T低温时灵敏度高、稳定性好，价格便宜。适用于氧化和还原性气氛中测温。-40～300350正极含铑30%负极含铑6%第十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六12

【例】用一只镍铬-镍硅热电偶（分度号为K）测量炉温，已知热电偶工作端温度为800℃，自由端温度为25℃，求热电偶产生的热电势E（800，25）。二、热电偶温度计解：由附录可以查得：

E(800,0)=33.277mV

E(25,0)=1.000mVE(800,25)=E(800,0)－E(25,0)=32.277mV第十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六132.热电偶的基本定律（1）均质导体定律即：由一种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论其截面及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。即热电偶必须采用两种不同材料作为电极

（2）中间导体定律在热电偶回路中，只要接入的中间导体(可多种)两端温度相同，则对热电偶回路的总电势无影响。EAB（T，T0）＝EAB（T，Ta）＋EAB（Ta，T0）（3）中间温度定律在热电偶回路中，接入第三种导体C，只要这第三种导体两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。二、热电偶温度计第十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六14

电极（热端）绝缘子保护管接线盒冷端二、热电偶温度计连接热电偶与补偿导线用3．热电偶的结构组成：热电极、绝缘套管、保护套管、接线盒第十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六15二、热电偶温度计第十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六16温度变送器的作用：将热电偶或热电阻输出的电势值或电阻值转换成统一标准信号，再送给其他单元组合仪表进行指示、记录或控制。温度变送器种类：常用的有DDZ-Ⅲ型温度变送器、智能型温度变送器等等。DDZ-Ⅲ型温度变送器为安全火花型防爆仪表分两大类（架装型和现场安装型）、三个品种（热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器）。每个品种都有量程单元和放大单元两个部分，分别制在二块印刷线路板上。

特点：量程单元各不相同，放大单元可以共用。四、温度变送器第十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六17一、压力检测仪表的分类按照其转换原理不同(P45表3－2)液柱式压力计弹性式压力计活塞式压力计电气式压力计4.1.2压力测量第十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六18二、单圈弹簧管压力表1．特点：测压范围宽，测量精度较高、仪表刻度均匀、坚固耐用，所以应用非常广泛。它主要用于现场的压力指示。2.组成：1-弹簧管；2-拉杆；3-调整螺钉；4-扇形齿轮；5-指针；6-中心齿轮；7-游丝；8-面板；9-接头第十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六192．组成：单圈弹簧管、传动放大机构、指示机构和表壳。（1）单圈弹簧管1是弯成圆弧形的金属管子，截面为扁圆或椭圆形，自由端封闭。当通入被测压力后，截面有变圆的趋势，迫使自由端产生位移。（2）传动放大机构包括拉杆2、扇形齿轮4、中心齿轮6、调整螺钉3及游丝7。（3）指示机构包括指针5、刻度盘8（4）表壳包括壳座、盖圈、表玻璃等3．原理：P↑→弹簧管自由端位移↑→拉杆直线位移↑→扇形齿轮逆转角↑→中心齿轮顺转↑→指针顺转↑→压力值↑由于自由端的位移与被测压力呈线性关系，所以弹簧管压力表的刻度标尺为均匀分度。第二十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六20第二十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六21上图弹簧管下图压力表机心第二十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六22三、压力（差压）变送器（一）变送器概述1.变送器作用：将被测变量转换为统一标准信号，送给指示仪、记录仪、控制器或计算机控制系统，从而实现对被测变量的自动检测和控制。如DDZ-Ⅲ型压力变送器：是用来将液体、气体或蒸汽的压力转换成4～20mADC标准电信号的仪表。2.种类电容式压力变送器（应用广泛）电感式压力变送器扩散硅式压力变送器振弦式压力变送器矢量机构式差压变送器

微位移式差压变送器第二十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六23（二）电容式差压变送器1.结构：测量部件转换放大电路1-隔离膜片；2，7-固定弧形电极3-硅油；4-测量膜片；5-玻璃层；6-底座第二十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六24第二十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六253．特点：精度很高，引用误差不超过量程的0.25％。能经受振动和冲击，其可靠性和稳定性较高。体积小、重量轻，零点、量程调整方便。4.两线制连接：变送器有两根输出导线，在输出反映被测压力大小的4～20mADC电流信号的同时，也为变送器传递所需的24VDC电源，即变送器与控制室仪表之间只有两根导线，故称两线制连接2．原理：第二十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六264.1.3流量检测及仪表

一、流量检测的基本概念1、流量：单位时间内流过管道某截面流体的量，包括体积流量和质量流量瞬时流量：瞬时流量一般简称流量，指的是单位时间内流过管道某截面流体的数量。累计流量：累计流量指的是在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，称为总量。2、单位 体积流量单位:m3/s,工程上通常采用:m3/h,l/min.

质量流量的单位:Kg/s或Kg/h.

流体总量单位分别为:m3,KgT(吨).

3、体积流量与质量流量的关系为：4、流量检测仪表的分类：见P64表3-7差压式、转子式、容积式、速度式、靶式、电磁、漩涡式第二十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六27二、差压式流量计1．测量原理：基于流体流动的节流原理，它是利用流体流经节流装置时产生的静压差来实现流量测量的。2．差压式流量计的构成：节流装置（包括节流元件和取压装置） 导压管 差压计或差压变送器 显示仪表第二十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六28节流式流量计1-夹持件2－节流件3－针型阀4－支撑杆5－导压管6－差压变送器7－防冻式隔离器8－法兰9－螺栓10－管道第二十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六29（一）节流元件的测量原理1．节流元件（1）节流元件：设置在管道中使流体产生局部收缩的元件。（2）节流元件有：孔板 喷嘴 文丘利管第三十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六30（一）节流元件的测量原理当流体流经节流装置时，由于流通面积突然变小，流束被迫局部收缩，流速加快，动能增加。在节流元件前后产生了静压差。压差值与流体的流量关系：α——流量系数，由实验确定；ε——膨胀校正系数，查阅手册；对于不可压缩液体可取ε=1；

F0——节流装置的开孔截面积，m2；ρ——节流装置前的流体密度，kg/m3；Δp——节流装置前后的压差，Pa。流束的压缩与收缩现象第三十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六31（一）节流元件的测量原理节流：流束的压缩与收缩现象动能+静压能P1动能↑+静压能↓动能↓+静压能↑P2总能=动能+静压能保持不变返回第三十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六32（一）节流元件的测量原理第三十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六33流量与差压之间具有开方关系，为指示方便，希望送给显示仪表的信号与流量成线性，所以常在差压变送器后增加一个开方器，使I’O与流量Q变成线性关系后，再送显示仪表进行显示。在要求较高的情况下，都要对差压式流量计进行温度和压力补偿。（三）压差检测管道中的流体节流元件双波纹管差压计膜盒式差压计差压变送器开方器显示仪Q△PI0I‘0第三十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六34三、转子流量计特点：①压力损失小②检测范围大（量程比10：1）③结构简单使用方便④可以测量液体或气体的流量，适宜在小于200mm的垂直安装的小管径上测量⑤测量精度±1%~2%。⑥流体的流向应由下而上,不得接反.第三十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六35（一）基本结构流通域流通域板式盘式第三十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六36第三十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六37

（三）金属管式转子流量计可做成透明玻璃管直读式但当介质不透明或为高温高压时，就必须采用金属管（非导磁材）转子流量计，测量转子的位量，并实现远传。第三十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六38四、其他流量计（一）椭圆齿轮流量计（是容积式流量计）特点：1.测量精度高，可达±0.2%2.量程比宽。10﹕13.压损小。4.测量过程与流体的流动状态即无关。5.表前、后直管段长度要求不严。6.安装使用较方便。7.特别适于高粘度流体的测量（如：重油、聚乙烯醇、树脂等）。第三十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六39（一）椭圆齿轮流量计1．结构及工作原理

ABP1P2aABP1P2bABP1P2V0c顺时针转第四十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六40

流体通过仪表时，形成压力差△P=P1-P2

在△P作用下：图(a)A—主动轮，顺时针转B—从动轮，逆时针转动图(b)A—主动轮，顺时针转B—主动轮，逆时针转动图(c)B—主动轮，逆时针转A——从动轮，顺时针转（一）椭圆齿轮流量计结论：每转一周排出四个月牙形体积流体

Q＝4nV0第四十一页，共五十八页，编辑于2023年，星期六41椭圆齿轮流量计第四十二页，共五十八页，编辑于2023年，星期六42特点：

1.测量导管内无可动部件和阻流体，因而压损很小，无机械惯性，故反应十分灵敏。2.可测范围宽，量程比10：1，最高可达100：1。3.可测含有固体颗粒、悬浮物、或酸、碱、盐溶液等具有一定电导率的介质的体积流量，也可测脉动流量，并可双向测量。4.EX=Kqv线性关系，故仪表刻度均匀。5.电磁流量计与介质的物理性质，流动状态无关，故只需用水标定后即可使用，无需修正。（二）电磁流量计

第四十三页，共五十八页，编辑于2023年，星期六431．工作原理及组成（二）电磁流量计

磁场方向+外壳磁轭线圈电极流体方向内衬右手定则:磁力线穿掌心大拇指指向运动方向四指指向动生电动势的方向第四十四页，共五十八页，编辑于2023年，星期六44（二）电磁流量计

将一个直径为D的管道放在一个均匀磁场中，并使之垂直于磁力线方向。当导电液体在管道中流动时，便会切割磁力线。如果在管道两侧各插入一根电极，则可以引出感应电势。流体的体积流量与感应电势的关系为：

E—感应电势；B—磁感应强度；D—管道内径。结论：Q∝E

第四十五页，共五十八页，编辑于2023年，星期六45五、流量检测仪表的选用

仪表

介质清洁液体脏污液体蒸汽或气体粘性液体腐蚀性液体腐蚀性浆液含纤维浆液高温介质低温介质低流速液体部分充满管道非牛顿液体节流式孔板○●O●◎××O●××●文丘里管○●O●●××●●●××喷觜○●O●●××O●●××弯管○●O×◎××O×××●电磁流量计○○××OOO●×◎●◎旋涡流量计○●◎●◎××◎◎×××容积式流量计○×OO●××◎◎◎××靶式流量计○◎O◎◎●×◎●××●涡轮流量计○●O◎◎××●◎●××超声被流量计○●×●●×××●●××转子流量计○●O◎◎××◎×◎××

注：○表示适用；◎表示可以用；●表示在一定条件下可以用；×表示不适用。第四十六页，共五十八页，编辑于2023年，星期六46第三节物位检测及仪表一、物位检测的基本概念物位：液位（气-液分界面）——液位计界位（液-液分界面）——界面计料位（气-固分界面）——料位计按其工作原理不同直读式物位计浮力式物位计差压式物位计电气式物位计辐射式物位计超声式物位计表4－4物位检测仪表分类比较(P108)第四十七页，共五十八页，编辑于2023年，星期六47二、差压式液位计（一）差压式液位计的工作原理根据容器内液位的高度H与液柱上下两端面的静压差成比例的原理而工作的。根据流体静力学原理，A点与B点的压力差Δp为：所以零点迁移：为了使液位H=0时，显示仪表的指示为零，对下面两种情况应该调整差压变送器（或其他差压计）的零点迁移装置，使之抵消液位H为零时，差压计指示不为零的那一部分固定差压值，这就是零点迁移。迁移只是改变了仪表的上、下限，相当于测量范围的平移，而不改变仪表的量程。第四十八页，共五十八页，编辑于2023年，星期六48（三）用法兰式差压变送器测量液位法兰式差压变送器应用：介质①有腐蚀②有结晶颗粒③粘度大④易凝固，避免引压管线被腐蚀或堵塞。单法兰：应用于粘度大、易结晶、沉淀、或聚合引起堵塞的场合插入式法兰：应用于介质大量沉淀或结晶析出双法兰：应用于腐蚀性强，无合适隔离液（用氟塑料薄膜防腐）隔离膜盒第四十九页，共五十八页，编辑于2023年，星期六49

三、浮力式液位计1．特点：结构简单、工作可靠、不易受外界环境的影响、维护也方便。与差压式液位计相比，在不少场合可免去隔离、吹洗工作，也不存在导压管内出现汽化或引起密度差等问题，应用广泛。l-浮筒；2-杠杆；3-扭力管；4-芯轴；5-外壳第五十页，共五十八页，编辑于2023年，星期六50三、浮力式液位计2．结构及原理：沉筒1:（液位检测元件）用不锈钢制成的空心长圆柱体，被垂直地悬挂于杠杆2的一端，并部分沉浸于被测介质中(不漂浮在液面上)，故称沉筒。杠杆2：右端与扭力管3，芯轴4的始端垂直固定在一起。扭力管3：是一种密封式输出轴，用弹性合金钢制成。芯轴4：末端用来输出角位移。第五十一页，共五十八页，编辑于2023年