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仪表基础知识 石松来 检测技术 检测技术 就是利用各种物理化学效应 选择合适的方法和装置 将生产 科研 生活中的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程 能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术 对于检测仪表来说 包括检测 变送与显示三个部分 1 检测元件它直接与被测对象相联系 感受被测参数的变化 并将感受到得被测参数的变化转换成相应的信号输出 检测元件有时也称敏感元件 一次元件或传感器 2 变送部分变送部分的作用是将感受元件的输出信号根据显示部分的要求 做相应的转换并传输给显示部分显示 3 显示部分仪表最终是通过它的显示部分向观察者反应被测参数变化的 在自动化中 最常见的变量有温度 压力 流量 物位等 利用检测元件将工艺变量转化成一个与之成对应关系的输出信号 4 20mA直流电流信号 按照误差的出现规律 误差可分为系统误差 随机误差 疏忽误差 按照仪表的使用条件来分 误差可分为基本误差 附加误差 按照被测变量随时间变化的关系来分 误差可分为静态误差 动态误差 测量误差 测量误差 测量误差 按照误差数值的表示方法 误差可分为绝对误差 相对误差 引用误差 绝对误差是指仪表指示值x与被测量的真值x0之间的差值 即绝对误差 仪表指示值 真值 相对误差是绝对误差与被测量值之比 常用绝对误差与仪表指示值之比 以百分数表示 即相对误差 绝对误差 仪表示值 100 引用误差 它是绝对误差与被测量变量的量程之比 绝对误差 100 量程上限一量程下限仪表的精度等级是根据引用误差来划分的 例 如果某台仪表的最大基本允许误差为 1 5 则该仪表的精度等级为1 5级 通常用圆圈内的数字表明在仪表的面板上 可以用1 5级 1 5 1 5 我国工业仪表的精度等级一般分为7个精度等级 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 例 有两台测温仪表 其测温范围分别是0 800 和600 1100 已知其最大绝对误差均为 6 试分别确定两台仪表的精度等级 解 根据公式可得 常见的检测仪表 温度检测仪表流量检测仪表压力检测仪表物位检测仪表 温度的概念温度是表示物质冷热程度的一个量 它反映物质内部热运动的状况 任何一种物质都是由大量的分子组成的 这些分子总是处于热运动的状态 分子热运动越快 物质的温度越高 相反分子的热运动越慢 物质的温度越低 温标衡量物质温度的标尺 称为温标 1 摄氏温标单位用 来表示 它把标准大气压下冰的熔点定为0 把水的沸点作为100 在0 100之间划分100等份 每一等分为1 2 开氏温标开氏温标也称绝对温标 单位用K来表示 开氏温标把冰的熔点定为273 15K 把水的沸点定为373 15K 273 15 373 15之间划分100等分 每一等分为1K 它与摄氏温标之间的换算 K 273 15 T 3 华氏温标单位用 表示 它把冰的熔点定为32 把水的沸点定为212 在32 212之间划分180等分 每一等分为1 与摄氏温度的换算关系 1 8T 32 温度检测仪表 1 主要温度检测方法a 接触式 膨胀式 玻璃液体 双金属 压力式 压力式温度计 热电类 热电偶 热电阻 铂电阻 铜电阻 热敏电阻 b 非接触式 光纤类 光纤温度传感器 光纤辐射温度 辐射式 辐射式 光学式 比色式 膨胀式温度计1 玻璃管温度计液体膨胀温度计是利用液体体积随温度升高而膨胀的原理制成的 优点 反应迅速 结构简单 造价低廉 缺点 易碎 只能就地读数 不能远距离传送 2 双金属温度计它是由两种膨胀系数相差很大的金属片紧密焊接而成 受热时由于膨胀长度不同 使金属片发生弯曲 偏转一个角度 3 压力式温度计压力式温度计主要是由温包 毛细管 弹簧管压力计三个基本部分组成 工作原理压力式温度计是利用感温物质的压力随温度而变化的特性工作的 当温包内的感温物质受到温度的作用后 密闭系统内的压力发生变化 使弹簧管的自由端产生位移 压力式温度计组成1 温包 温包是感受被测介质温度变化的敏感元件 2 毛细管 毛细管是由铜或钢的无缝管冷拉而成 其作用是传递压力3 压力计 它是用来测量压力的变化并指示被测温度 根据工作介质的不同 压力式温度计有 充液体的 充蒸气的 充气体的三种型式 热电偶 普通型热电偶铠装热电偶 普通型热电偶基本结构图 铠装热电偶 冷端t0B t0 毫伏表 加热端tA t1 热电偶的工作原理温差电势当我们把一根金属导线的一端加热 另一端保持原来的状态 那么在导线的两端会出现一个电动势 用电流表将导线两端连接起来 就会产生电流 这一现象称为热电效应 产生的电动势称为温差电动势 接触电势若将两种不同的金属首尾相连 A端为受热端温度为t B端为冷端 温度为t0 A B两端存在温差 t t t0 总电动势 E1 2 t t0 E1 2 t E2 t t0 E1 2 t0 E1 t t0 温差电动势与接触电动势相比要小的多 因此在总电动势中 接触电动势起决定性的作用 一般会忽略温差电动势的影响 则总电动势为 E1 2 t t0 E1 2 t E1 2 t0 热电极的材质 序号材质分度号测温范围铜 康铜T 200 350 镍铬 康铜E 200 750 镍铬 镍硅K 200 1200 铂铑10 铂S0 1300 铂铑30 铂铑6B0 1600 冷端的温度问题在热电偶的工作原理中 为使热电偶的总电动势只与被测温度成单一关系 需把冷端温度固定好 一般固定在0 我们在应用热电偶时 只有把冷端温度保持在0 才能得到准确的测量结果 但是在实际生产当中 冷端是暴漏在大气环境当中的 受环境影响较大 因此需要冷端补偿 热电偶参比温度补偿方法计算法 根据补偿原理计算修正 冰浴法 一般仅用于实验室 机械调零法 一般仪表在未工作时指针指在零位 机械零点 补偿电桥法 利用参比端温度补偿器产生的不平衡电势去补偿热电偶因温度变化而引起的热电势变化值 补偿导线补偿导线的作用是将热电偶的冷端延长 使之延长至距离热源较远的地方或温度比较稳定的地方 At0 A t0tBt0 B t0 结论 1 将两种不同材质的金属导线一端焊接在一起 当首尾处于不同的温度时 则热端和冷端便产生热电势 2 热电偶的总电动势只和两端的温度及所用的材质有关 与材质的粗细长短无关 3 若在热电偶中加上第三种金属导线 只要第三种导线两端的温度相同 则不改变热电偶的总电动势 安装 选择有代表性的测温点位置 测温元件有足够的插人深度 热电偶的接线盒的出线孔应朝下 以免积水及灰尘等造成接触不良 防止弓入扰动信号 检测元件应避开热辐射强烈影响处 热电偶的补偿导线有正负极之分 正负极不可接错 热电阻温度计热电阻温度计一般用来测量 200 500 的温度 它的优点 测量精度高 便于远传 不需要温度补偿 尤其是在温度比较低时 比热电偶具有较高的灵敏度和准确度 缺点 不能测量高温 体积大热惯性也大 并且不能测量某一点的温度 只能测量某一区域的平均温度 在应用时需要供电 因而在爆炸危险的生产中使用受到限制 热电阻的结构热电阻主要由四部分组成 电阻丝 支架 引出线 保护套管 a 铜电阻b 铂电阻c 电阻体的外形 工作原理热电阻温度计是利用某些金属导体或半导体的电阻值随温度的变化而改变的性质来进行工作的 在一定的温度范围内 电阻与温度的关系可用下式来表达 Rt R0 1 t Rt 温度为t 时的电阻值R0 温度为t0 时的电阻值 t 温度的变化量 温度在t0 t 之间 金属导体的平均电阻温度系数 1 二线制在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制 这种引线方法很简单 但由于连接导线必然存在引线电阻r r大小与导线的材质和长度的因素有关 因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 2 三线制在热电阻的根部的一端连接一根引线 另一端连接两根引线的方式称为三线制 这种方式通常与电桥配套使用 可以较好的消除引线电阻的影响 是工业过程控制中的最常用的引线电阻 3 四线制在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制 其中两根引线为热电阻提供恒定电流I 把R转换成电压信号U 再通过另两根引线把U引至二次仪表 可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响 主要用于高精度的温度检测 热辐射式温度计在温度比较高的情况下 一般的热电偶测温就受到了一定的限制 在高温下热电偶的电极材料的物理和化学稳定性会大大降低 很快就会变质和损坏 热辐射温度计就是为了解决高温的测量而发展起来的 任何物体受热之后 就有一部分热能转化为辐射能 例如有X光 紫外线 红外线 可见光 电磁波等等 它们被物体吸收后 辐射能又可以转化为热能 所以称这些辐射能为热辐射能 热辐射式温度计就是利用这部分热辐射能来工作的 流量检测仪表 流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量 流量分体积流量 质量流量 单位时间内流过的流体以体积表示的 称为体积流量 常用Q来表示 单位NM3 HM3 HL H 单位时间内流过的流体以质量表示的 称为质量流量 常用M表示 单位t hkg h体积流量和质量流量之间的关系 M Q 或Q M 流量检测1 流量检测的主要方法 1 测体积流量 容积法 速度法 差压式 节流式 旋涡式 涡轮式 声学式 热学式 2 测质量流量 直接法直接测量质量流量 间接法又称推导法 差压式流量计它是通过测量流体流动过程中产生的压差来测量流量的 属于这种测量方法的流量计有 节流装置 转子流量计 差压式流量计 1 节流装置 包括孔板 喷嘴和文丘管 基本原理充满管道的流体 当它流经管道内的节流装置时 流束在节流装置处形成局部收缩 从而使流速增加 静压力下降 于是在节流装置前后便产生了压差 流体的流量越大 节流装置前后的压差也越大 所以可以通过测量压差的方法来衡量流体流量的大小 节流装置的流量基本方程式 公式经简化 可得到 节流装置与差压变送器连接 要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符 必须做到以下几点1 差压变送器的差压和显示仪表流量量程选择时应与节流装置孔径匹配 2 在测量蒸汽和气体流量时 遇到工作条件的密度 与设计时的密度 c不相同 必须对示数进行修正 3 显示仪表测量值 差压信号 要经开方运算线性化处理后再送显示仪表 4 节流装置应正确安装 5 保证节流装置前后有一定的直管段 一般必须保证前10后5 6 接至差压变送器的差压应该与节流装置前后差压相一致 这就需要正确安装差压信号管路 如后面图示 被测流体为液体时的信号管路安装示意图 被测流体为气体时信号管路安装示意图 被测流体为水蒸气时信号管路安装示意图 3 转子流量计 转子流量计的计算公式 假设为常数 则流量的大小只与环形空隙的面积F成正比 而环形空隙的面积是随转子的升高而增加的 因此根据转子稳定后的高度就可以知道流量的大小 实际上流量系数是随转子高度的不同而变化的 而且影响它的因素很多 如转子的重度和形状 流体介质的性质和流量的大小等等 转子流量计安装垂直安装 流体从下向上流 靶式流量计在流体管道中装了一个圆形的钢片称之为靶 流体的流动对靶产生一个作用力 作用力的大小和流量的平方成正比 安装1 靶式流量计可以水平安装也可以垂直安装 但流体中含有固体悬浮物时需水平安装 垂直安装时流体方向应由下而上 2 安装时应注意流体方向 流体应对准靶片流动 3 靶式流量计的安装 必须使靶片的中心与管道轴线同心 4 靶式流量计流体入口端前的直管段长度不短于5D 出口端不短于3D 5 电磁流量计 电磁流量计是根据电磁感应的原理进行工作的 它只能用来测量导电的液体 在工作管道两侧有一对磁极 另有一对电极安装在磁力线和管道垂直的平面上 当导电流体以平均速度V流过直径为D的测量管段时 切割磁力线 于是电极上产生感应电动势 电动势的大小为 E 感应电动势D 管道直径C1 常数B 磁场的磁感应强度V 流体的流速 流过管道的体积流量为 合并可得 感应电动势与流体的体积流量成正比 通过测量电动势的大小 就可以得到流体的流量大小 椭圆齿轮测量流量示意图 6 旋涡流量计 涡街流量计 7 超声波流量计 4 质量流量计 1 科里奥利质量流量计 5 流量仪表的选用 按被测介质特性选用流量计 压力检测仪表 四 压力检测1 压力单位和压力检测方法 1 压力单位在工程上 压力定义为垂直均匀地作用于单位面积上的力 用符号P表示 在国际单位制中定义1N垂直作用于1m2面积上所形成的压力为l帕斯卡 简称 帕 符号Pa 表压力是指一般压力仪表所测得的压力 P表压 P绝对压力一P大气压力真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差 是负的表压 负压 即P真空度 P大气压力一P绝对压力 常用压力检测仪表1 液柱式压力计 差压计 2 弹簧管式压力计弹簧管压力计是根据弹性元件的变形和所受压力成一定比例来测定压力的 根据弹簧管压力计还可以制成电接点压力表 电阻式远传压力表 模拟式变送器 智能变送器随着计算技术和通讯技术的发展 20世纪80年代 美国霍尼韦尔公司推出了ST3000系列智能压力变送器 特点 1 智能变送器可靠性高 体积小 2 精度较高 一般都在 0 1 0 2 现在一般都在 0 075 3 可以通过手持通讯器在远方设定仪表的零点和量程 4 与DCS系统之间可实现数字通信 智能变送器的通讯协议在各公司的智能变送器中存在着两种不同的通讯协议 1 HART协议将数字信号叠加在模拟信号上 两者可同时传输 2 DE协议数字信号和模拟信号分开传输 法兰式压力 差压 变送器法兰式变送器是在普通变送器的基础上增加了一个远传密封装置 远传密封装置由法兰膜盒 毛细管和毛细管内的填充液三部分组成 优点 防堵塞应用范围广缺点 精度下降 填充液特性 热膨胀系数要小 凝点低 挥发点高 其粘度受温度的影响较小 压力仪表的安装1 取压点的选择 所选取压点应能代表被测压力的真实情况 注意以下几点 1 测量流动介质的压力时 应使取压点与流动方向垂直 2 要选在被测介质的直管部分 3 介质为液体时 取压点选在管线下放 介质为气体 取压点选在管线上方 2 导压管的敷设1 导压管不能太长 长度 50m 2 导压管应保持一定的倾斜度 3 如果被测介质为易凝或易冻 必须给导压管配伴热和保温 3 压力仪表的安装1 远离高温热源 2 被测介质为高温或有腐蚀性时 必须采取保护措施 物位的检测 物位包括三个方面 液位 料位 界位1 物位检测方法 直读式 静压式 浮力式 电气式 声学式 射线式 光学式 物位开关工作原理与相应的物位计工作原理相同 物位开关有浮球式 电学式 超声波式 射线式 振动式等 2 常用物位检测仪表1 玻璃管液位计 2 单法兰液位计单法兰液位计适合测量敞口容器的液位 压力量程的确定 零点的迁移仪表的安装位置与取压点相平 不须迁移 安装位置比取压点低 正迁移 迁移量 安装位置比取压点高 负迁移 迁移量 3 双法兰液位计 零点的迁移与仪表安装位置无关 总是负迁移 差压量程的确定 利用差压还可以测量界位量程的确定 零点的迁移与双法兰的安装位置无关 浮球液位计适用于粘度比较大的液体介质的液位测量 浮筒液位计 雷达液位计它是基于发射波与反射波之间的频率差原理工作的 超声波物位计 应用回声测距法的原理制成的一种物位仪表 声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度成正比 核料位计 一个放射源对准一个接收器 核源不断的辐射出具有一定能量的射线 当射线遇到被测介质时 一部分射线被介质吸收 一部分被介质散射改变方向 因此到达接收器的射线强度被削弱 5 磁翻转式液位计 执行机构 常见执行器 执行器的作用接收调节器 计算机 输出的控制信号 使调节阀的开度产生相应变化 从而达到调节操作变量的目的 气动执行器 电动执行器 液动执行器 气动阀 电动阀 在过程控制领域应用很少 按阀门的输出 连续式 0 100 开关式 ON OFF 调节阀 分类 按使用的能源形式 执行机构的