第4章 生产工艺参数检测仪表.docx

第四章 生产工艺参数检测仪表4.1 温度检测仪表4.1.1 温标三要素：可实现的固定点温度、表示固定点之间温度的内插仪器、确定相邻固定温度点之间的内插公式4.1.2 摄氏温标是把在标准大气压下水的冰点定为零摄氏度，把水的沸点定为100摄氏度的一种温标。在零摄氏度到100摄氏度之间进行100等分，每一等分为1摄氏度，单位符号为4.1.3 华氏温标：标准大气压下的纯水的冰点温度为32华氏度，水的沸点定为212华氏度，中间划分180等分。每一等分称为1华氏度。单位符号为4.1.4 列氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0列氏度，水沸点为80列氏度，中间等分为80等分，每一等分为1列氏度。单位符号为R 4.1.5 摄氏、华氏、列氏温度之间的换算关系为4.1.6 国际温标 t90=(T90-273.15) 4.1.7 温度检测的主要方法及分类 接触式测温方法 是使温度敏感元件和被测温度对象相接触，当被测温度与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测温度对象的温度相等 优点：结构简单，工作可靠，精度高，稳定性好，价格低廉 这类测温方法的温度传感器主要有：基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度传感器；基于导体或半导体电阻值随温度变化的电阻式温度传感器；基于热电效应的热电偶温度传感器 非接触式测温方法 是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理 优缺点：理论上不存在热接触式温度传感器的测量滞后和在温度范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便4.1.8 接触式温度传感器 4.1.8.1 热膨胀式温度传感器 双金属温度计：由两种热膨胀系数 a不同的金属片组合而成压力式温度计：是根据一定质量的液体、气体在定容条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理制成的（压力式温度计的主要特点是结构简单，强度较高，抗振性较好） 充气体的压力式温度计 充蒸气的压力式温度计 4.1.8.2 热电偶 特点：温度测量范围宽、性能稳定、准确可靠、信号可以远传和记录 4.1.8.3 热电效应 在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果它们两个结点的温度不同，则回路中产生一个电动势，通常我们称这种电动势为热电势，这种现象就是热电效应 4.1.8.4 接触电势 当电子扩散能力与此电场阻力相平衡时，自由电子的扩散达到了动态平衡，这样在接触处形成一个稳定的电动势 K为波耳兹曼常数，K=1.3810-23J/K；e为电子电荷，e=1.6010-19C 热电偶的两个电极材料相同(NA=NB)，则不会产生接触电势。因此，热电偶的两个电极材料必须不同 4.1.8.5 温差电势（也称汤姆逊电势）是指在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的电动势 4.1.8.6 热电偶闭合回路的总电势 EAB（T，T0）=EAB（T）EAB（T0）+EA（T，T0）EB（T，T0） 4.1.8.7 两种相同材料的导体构成热电偶时，其热电势为零； 当两种导体材料不同，但两端温度相同时，其热电偶的热电势为零； 热电势的大小只与电极的材料和结点的温度有关，与热电偶的尺寸、形状无关。 4.1.8.8 热电偶基本定律 中间导体定律 EABC（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T，T0） 中间温度定律 EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0） 标准电极定律EAB（T，T0）=EAC（T，T0）-EBC（T，T0） 均质导体定律：由一种均质导体组成的闭合回路中，不论导体的截面和长度如何，以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。（这条定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。） 4.1.8.9 热电偶的材料要求：（1）在测温范围内，热电性质稳定，不随时间和被测介质而变化，物理化学性能稳定，不易氧化或腐蚀； （2）电导率要高，并且电阻温度系数要小（3）它们组成的热电偶的热电势随温度的变化率要大，并且希望该变化率在测温范围内接近常数； （4）材料的机械强度要高，复制性好，复制工艺要简单，价格便宜。 4.1.8.10 热电偶的分类 按热电偶材料分类有廉金属、贵金属、难熔金属和非金属四大类 铂锗10铂热电偶（S型）复制精度和测量准确度较高，主要缺点是金属材料的价格昂贵；热电势小，而且热电特性曲线非线性较大 铂锗30铂锗热电偶（B型）抗污染能力强；主要缺点是灵敏度低、热电势小 镍铬镍硅（镍铬镍铝）热电偶（K型）具有复制性好，产生热电势大，线性好，价格便宜等优点 镍铬一康铜热电偶（E型） 钨铼系热电偶 铱锗系热电偶 镍钴镍铝热电偶按照用途和结构分为普通工业用和专用两类 按其结构形式：普通型热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、快速消耗型热电偶、4.1.8.11 热电偶的基本组成包括热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等部分4.1.8.12 热电偶的冷端温度补偿：温度修正法、冰浴法、补偿电桥法、补偿导线法4.1.8.13 热电阻温度传感器：利用热电阻和热敏电阻的温度系数制成的温度传感器 4.1.8.13.1 一般选作感温电阻的材料必须满足如下要求：电阻温度系数要高；在测温范围内，化学、物理性能稳定；具有良好的输出特性具有比较高的电阻率；具有良好的可加工性，且价格便宜。 4.1.8.13.2 热电阻类型 铂热电阻（WZP型号）、铜热电阻（WZC型号）Rt是温度为t时铜电阻值；R0是温度为0时铜电阻值；A是常数，A=4.2810-3-1其他热电阻铟电阻4215温度范围内，灵敏度比铂高10倍。缺点是材料软，复制性差。4.1.8.13.3 热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等组成4.1.8.13.4 DDZ温度变送器主要有三种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器4.1.9 非接触式测温 4.1.9.1 黑体是指能对落在它上面的辐射能量全部吸收的物体 4.1.9.2 白体是对落在它上面的辐射能量完全不能吸收的物体 4.1.9.3 灰体：物体的比辐射率不随波长而变 4.1.9.4 黑体辐射定律 普朗克定律： 维恩位移定律 斯忒藩玻耳兹曼定律 4.1.9.5 实际物体的辐射能量与黑体在相同温度下的辐射能量之比称为该物体的比辐射率或黑度 4.1.9.6 辐射测温方法亮度温度：某一被测体在温度为T、 波长为时的光谱辐射能量，等于黑体在同一波长下的光谱辐射能量 e为有效波长；为有效波长e的比辐射率； T为被测体的真温； TL为被测体的亮温比色温度的定义是：黑体在波长1和2下的光谱辐射能量之比等于被测体在这两个波长下的光谱辐射能量之比， 此时黑体的温度称为被测体的比色温度(简称色温)全辐射测温的理论依据是斯忒藩玻耳兹曼定律。全辐射温度的定义是：当某一被测体的全波长范围的辐射总能量与黑体的全波长范围的辐射总能量相等时， 黑体的温度就称为该被测体的全辐射温度 4.1.9.7 辐射测温仪表 光学高温计 按其结构可分为灯丝隐灭式和灯丝恒亮式两类 光电比色高温计 全辐射温度计4.1.10 温度检测仪表的选用 玻璃液体温度计具有结构简单、使用方便、测量准确、价格便宜等优点，但强度差、容易损坏，通常用于指示精度较高，现场没有震动的场合，还可作温度报警和位式控制。 双金属温度计具有体积小、使用方便、刻度清晰、机械强度高等优点，但测量误差较大，适用于指示清晰，有震动的场合， 也可作报警和位式控制。 压力式温度计有充气式、充液体式和充蒸汽式三种。 可以实现温度指示、记录、调节、远传和报警，刻度清晰， 但毛细管的机械强度较差，测量误差较大，一般用于就地集中测量或要求记录的场合。 热敏电阻温度计具有体积小、灵敏度高、惯性小、结实耐用等优点，但是热敏电阻的特性差异很大，可用于间断测量固体表面温度的场合。 测量微小物体和运动物体的温度或测量因高温、振动、 冲击等原因而不能安装测温元件的物体的温度，应采用光学高温计、 辐射感温器等辐射型温度计。 辐射型温度计测温度必须考虑现场环境条件，如受水蒸气、烟雾、一氧化碳、二氧化碳等影响，应采取相应措施， 克服干扰。 光学高温计具有测温范围广、使用携带方便等优点， 但是只能目测，不能记录或控制温度。 辐射感温器具有性能稳定、使用方便等优点，与显示仪表配套使用能连续指示记录和控制温度，但测出的物体温度和真实温度相差较大，使用时应进行修正。当与瞄准管配套测量时，可测得真实温度4.2 压力检测与仪表 4.2.1 差压任意两个压力之差称为差压 4.2.1 压力范围的划分（1）微压压力在00.1MPa以内；（2）低压压力在0.110MPa以内；（3）高压压力在10600MPa以内；（4）超高压压力高于600MPa 4.2.3 压力仪表的分类 按敏感元件和转换原理的特性不同分类。液柱式压力计。根据液体静力学原理，把被测压力转换为液柱的高度来实现测量。如U形管压力计、单管压力计和斜管压力计等； 弹性式压力计。根据弹性元件受力变形的原理，把被测压力转换为位移来实现测量。如弹簧管压力计、膜片压力计和波纹管压力计等； 负荷式压力计。基于静力平衡原理测量。如活塞式压力计、浮球式压力计等； 电测式压力仪表 4.2.3.1 弹性式压力表 是以弹性元件受压产生弹性变形作为测量基础的，它结构简单、价格低廉、使用方便、测量范围宽、易于维修，在工程中得到应用的广泛 弹性元件有弹簧管、波纹管、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒 原理 当膜片两面受到不同的压力作用时，膜片将弯向压力低的一面，其中心部分产生位移 薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取绝于圆筒的半径和壁厚，与圆筒长度无关 弹簧管压力计测量范围宽，包括负压、微压、低压、中压和高压的测量。弹性式压力表价格低廉，结构简单，坚实牢固 4.2.3.2 电位式压力仪表 金属应变片式传感器的特点：精度高，测量范围广、频率响应特性较好、结构简单，尺寸小，重量轻、可在高（低）温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作、易实现小型化、固态化、价格低廉，品种多样，便于选择压电式压力计灵敏度高、线性范围大、体积小、结构简单、可靠性高、寿命长，应用非常广泛。尤其是它的动态响应频带宽、动态误差小的特点，但不能应用于静态压力的测量压电式压力计的结构，它主要由石英晶片、膜片、薄壁管、外壳等组 压力仪表量程的选择 测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的3/4； 测量脉动压力时，最大工作压力则不应超过量程的2/3； 测高压时，则不应超过量程的3/5。 为了保证测量准确度，最小工作压力不应低于量程的1/3。压力表准确度等级的选择 我国压力表准确度等级有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。一般0.35级以上的表为校验用的标准 4.3 流量检测与仪表 4.3.1 瞬时体积流量：体积流量Qv是以体积计算的单位时间内通过的流体量Qv=vA 瞬时质量流量：质量流量Qm是以质量表示单位时间内通过的流体量 累积体积流量：V是以体积计算的单位时间内通过的流体量，在工程中可用l（升）或m3（立方米 累积质量流量M等于累积体积流量V与流体密度的乘积 4.3.2 流量的检测方法 节流差压法 容积法 容积式流量计有椭圆齿轮流量计、腰轮（罗茨式）流量计、刮板式流量计、膜式煤气表及旋转叶轮式水表等 速度法 如动压管式、热量式、电磁式和超声式等 流体阻力法 涡轮法 卡门涡街法 质量流量测量 分为间接式和直接式 4.3.3 标准节流装置的使用条件:（1）被测介质应充满全部管道截面并连续地流动；（2）管道内的流束（流动状态）是稳定的；（3）在节流装置前后要有足够长的直管段，并且要求节流装置前后长度为二倍管道直径，管道的内表面上不能有凸出物和明显的粗糙不平现象 4.3.4 电磁流量计原理 管道由不导磁材料制成，管道内表面衬挂衬里。当导电的液体在导管中流动时，导电液体切割磁力线，于是在和磁场及其流动方向垂直的方向上产生感E=BDv 4.3.4 电磁流量计由外壳、励磁线圈及磁扼、电极和测量导管四部分组成 4.3.5电磁流量计的特点 (1)电磁流量变送器的测量管道内无运动部件和阻力环节，因此，使用可靠、维护方便、寿命长，而且压力损力很小； (2)只要流体具有一定的导电性，测量过程就不受被测介质的温度、密度、粘度、压力、流动状态（层流或紊流）的影响； (3)测量管道为绝缘衬里，只要选择合适的衬里材料，就可测量腐蚀性介质的流量； (4)测量中无惯性、滞后现象，流量信号反应快，可测脉冲流量； (5)测量范围大，满刻度量程连续可调； (6)仪表呈均匀刻度和线性输出，便于配套。 但是，在使用电磁流量计时，被测介质必须有足够的电导率，故不能测量气体、蒸气和石油制品等的流量 4.3.6 电磁流量变送器的选择 (1)量程的选择 (2)口径的选择 (3)压力的选择 (4)使用温度的选择4.3.7 超声波流量计 超声波顺流传播，速度快，时问短；逆流传播，速度慢，时间长 超声波测量方案：时差法、速差法、频差法、多普勒法、相关法4.3.8 质量流量检测的方法包括：（）直接式。检测元件的输出直接反映出质量流量；（）推导式。同时检测出被测流体的体积流量和密