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1、热工仪表第三章 测量元件与变换器3.1 概述,一、参数的测量参数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示和传递的信号的过程。根据信号的不同，参数检测仪表可以分为气动检测仪表和电动检测仪表两类。非电量的电测法：将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。,二、检测仪表的性能,1.准确度与误差准确度：测量值与被测量真值的接近程度；绝对误差：测量值与被测量真值之差；相对误差：绝对误差与被测量真值之比；实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比；示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比；引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。允许误差：最大
2、引用相对误差。,二、检测仪表的性能,2.指示变差与精密度指示变差：同一仪表对相同的被测参数进行正、反行程测量时，其显示值的差异。精密度（简称精度）：仪表检测微小参数变化的能力。仪表精度等级：用允许误差的绝对值表示：常用仪表等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等，精确度：仪表精密而准确的程度。,二、检测仪表的性能,3.灵敏度、灵敏限与分辨率灵敏度：仪表的指示位移变化量与被测参数变化量之比。灵敏限：能引起仪表指针发生位移变化的被测参数的最小变化量。分辨率：测试仪表数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。,二、检测仪
3、表的性能,4.线性度与反应时间线性度：测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论对应值的吻合程度。反应时间：显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。,被测变量,仪表显示值,三、检测系统的构成,被测参数,敏感元件,信号变换,信号传输,信号测量,显示,记录,控制,+,-,A/D,PLC,3.2 压力的测量与变送一、压力的表示与单位,压力的表示：绝对压力单位面积所受到的力相对压力（表压）绝对压力与大气压之差真空度大气压与绝对压力之差,绝对压力,绝对压力,真空度,表压,标准大气压,压力（压强）的单位,压强（俗称压力）：单位面积所受到的垂直作用力。工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。,二、压力
4、计的分类与工作原理,工业压力计通常按敏感元件的类型进行分类：液柱式压力计活塞式压力计弹性式压力计电气式压力计,1.液柱式压力计,测量原理：P=h 所以 h=P/,2.活塞式压力计,测量原理：P=G/S 所以 G=PS精确度高常用作标准仪表，检验其它压力计,3、弹性式压力计与常用压力表,工作原理：采用弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：弹簧管式压力计薄膜式压力计波纹管式压力计,4、电气式压力计与信号转换,电气式压力计，实际上是将弹性元件、液柱式压力计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计。电气式
5、压力计通常两部分组成：一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参数；二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。,电气式压力计一次探头,常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。常见压力变换器（压力探头）有：应变式压力变换器；压电电阻式压力变换器；电感式压力变换器；电容式压力变换器；霍尔片式压力变换器。,电阻应变式压力计一次探头,电线的电阻为：R=L/S当电线受到拉（应）力作用时，L变大，S变小，R变大。当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数。,压力变化,弹性变形,电阻变化,电感式压力计一次探
6、头,磁路的磁阻与铁芯的间隙相关。所以，当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电感也随之发生变化。从而，可以将位移量转化为电感量。,电容式压力计一次探头,电容器的电容量：C=S/d当S或d发生变化时，电容量发生变化。,霍尔式压力计一次探头,霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压：UH=RHBI,N,S,电气压力计前置放大器,传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能进行远距离传送，需要进行初步放大。电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压方式输出；电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率方式输出；电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方式输出。,电气压力计前置放大器,电气压力计二次仪表,
7、作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。DDZ 型仪表标准通讯信号为：420mA。智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能，如：模/数转换与数据通讯，工程单位转换，信号（变化）阻尼，故障诊断等。,三、压力计的选型,选型内容：类型选择功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；如：氨气表防腐，氧气表禁油。环境条件：温度、震动、电磁场等。量程与盘面大小；工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程。盘面大小应方便安装和观察。精度等级：根据工艺需要确定。,常见压力传感器外形,三、压力计的安装,安装事项：取压位置：由工艺条件确定；尽量避免涡流影响；避
8、免流速影响；避免导压管产生压差。隔离：温度隔离：采用铜管散热；腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）；脏污隔离：采用空气包。,3.3 流量的测量与变送,按测量途径分类：速度式流量计通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。容积式流量计采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积。质量流量计计量可压缩流体的质量通过量。,一、速度式流量计,根据测速方法可以分为以下几类：压差流量计转子流量计电磁流量计超声波流量计涡轮流量计堰式流量计,1.压差流量计,由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后，会产生一定的压降。根据流速和压降的关系可以推导出下列方程：通过测量孔板前后压差即可计算出流速和流量。,p1,p2,2.转子流量计
9、,垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡。压差与流速有关；流速取决于转子的位置。由转子高度可直接读取通过的流量；测量转子位置可进一步获得相应的电气信号。,3.电磁流量计,当流道两侧有磁场作用时，导电流体在流动过程中切割磁力线，产生感应电动势：Ex=BDv10-12所以有：Q=K Ex,EX1,EX2,3.电磁流量计,电磁流量计由两部分组成：电磁流量变换器由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。二次仪表作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱电势信号进行放大，并输出相应的电流信号。组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率放大、霍尔反馈（克服电源波动）、电源等。,4.超声波流量计,多普勒效应
10、：当一束波射向移动的物质并产生散射时，其散射波的频率会产生变化（频移），且频率变化量与物质的运动速度成正比。超声波流量计的特点：非接触式测量；流体中需要有散射粒子：微泡或颗粒。,二、容积式流量计,容积式流量计主要包括两类：齿轮式流量计一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间，齿轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过量与齿轮转数成正比。活塞式流量计利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输送流体容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度不敏感，常用于测量重油等粘稠流体。,三、质量流量计,间接式质量流量计分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量
11、流量。直接式质量流量计利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体。,3.4 物位的测量与变送,物位：液位：容器中液体表面的高低；料位：容器中固体的堆积高度；界面：两相物质的交界面。,物位计的分类,直读式物位计浮力式物位计压差式物位计电磁式物位计核辐射式物位计超声波物位计光电式物位计,一、直读式物位计,用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以直接显示容器内液位的高低。,二、浮力式物位计,利用浮子高度随液面或液体界面变化而变化的原理工作。,三、压差式物位计,利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成正比的关系
12、进行测量。,液体密闭容器,液体敞开容器,固体称重仓,四、电容式物位计,圆柱形电容器的电容量的表达式为：电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为：由此可见，电容量的变化量与充料高度成正比。测量电容量变化即可知料位的变化。,四、电容式物位计,电容式液位计,电容（绳）式料位计,主要用于测量不导电流体,五、电极式物位计,利用物料的导电性能测量高低液位。也可以用于导电性较弱的液体和潮湿固体。,六、核辐射式物位计,放射线通过介质时，其强度衰减与物质的吸收系数和介质层厚度有关：目前，工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种。,七、超声波物位计,利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反
13、射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。注意事项：确保反射波能回到探头；防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）。,3.4 温度的测量与变送,温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；温度决定一些反应能否进行和反应方向；温度决定一些反应的进程程度；温度显示反应的能量变化。温度不能直接测量。温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，其物理性质随温度变化而进行的。,常用温度计的种类及适用温度,一、膨胀式温度计,玻璃液体温度计利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度双金属温度计不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而
14、显示温度,t=t0,t t0,二、压力式温度计,利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变化进行测量。温包：传热、容纳膨胀介质；毛细管：传递压力；弹簧管：显示压力（温度）。,三、辐射式温度计,通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。辐射式温度计：测定热辐射强度；光学温度计：采用光学分频法，测定不同频率光波的强度比值；比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。,四、热电偶温度计1.热电偶工作原理,不同金属具有不同的电子密度；两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场热电现象；电
15、子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。,+,-,扩散作用,电场作用,金属A,金属B,2.热电偶的材质与选择,热电偶的材质要求：单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；热电性质稳定；化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；具有较好的延展性，易于加工；复现性好，便于批量生产和互换。不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。,3.热电偶的结构,热电极工作部分绝缘子防止电极与电极、套管短路保护套管保护接线盒,4.热电偶回路,不同金属连接在一起都构成热电偶作用；热电偶回路电动势为各接点
16、热电势的总和；对于有外接导线的热电偶回路，其总电动势为热端与冷端热电动势之差。,A,B,C,C,热电偶测量的关键是如何保证冷端的温度,5.热电偶的补偿,热电偶的导线补偿用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内；冷端温度补偿将冷端浸泡在恒温的冰水中；采用电路差减法消除冷端热电势。,+,-,补偿导线,测量电路,热电偶,补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用；补偿导线的材质不同，接线时应特别注意不能接错。,五、热电阻温度计,测量原理利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；测量金属在不同温度下电阻值的变化。工业热电阻温度计主要有两种材质：铂电阻：0650C，Pt10，Pt100铜电阻：-50+150C，Cu50，Cu100结构：普通型，铠装型，薄膜型,六、电动温度计的二次仪表,功能：对信号进行放大和转换；信号的线性化。组成部分：输入电桥；放大器；反馈电路；电源电路。,热电偶或热电阻,输入电桥,放大电路,反馈电路,电源电路,被测温度,七、测温元件的安装注意事项,确保测温元件与被测材料有充分的接触；保持接线盒清洁干燥；防止热量散失；使用规定的补偿导线，并确保正确接线；一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不要有接头；信号线尽量单独穿管敷设。,本章习题,P921，3，4，9，21，41，48，60,
