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热工仪表 吉林建华于生龙 2020 3 17 1 热工仪表概述 1 概述热工测量技术包括热工参数的测量方法和实现测量的仪表 热工测量参数包括温度 压力 流量 物位 成分 如气体分析仪 等 在工业锅炉运行中 通过热工参数的测量 可以及时反映热力设备的运行工况 为运行人员提供操作依据 为锅炉控制系统准确及时地提供信号 因此 热工测量是保证热力设备安全 经济运行及实现自动化的基础条件 目前我国电动仪表中并存着两种标准信号制度 在DDZ 和DDZ 型仪表中采用0 10毫安直流电流作为标准信号 而在DDZ 型仪表中 采用目前国际上统一的4 20毫安直流电流作为标准信号 从安全防爆 减少损耗 节省能量考虑 信号电流的满度值都希望选小一些 但太小也有困难 起点电流太小将会给两线制仪表带来困难 因为它将要求降低整个仪表在零信号时消耗的总电流 而在目前的元器件水平下 起点电流比4mA再小有时将发生困难 因此 目前国际上采用4 20mA作为标准信号 有利于识别仪表断电 断线等故障 且为现场变送器实现两线制提供了可能 2020 3 17 2 2 热工仪表组成检测仪表的组成一般有四部分组成 感受 一次表 传递 一次表 和显示 二次表 及传输 二次表 2020 3 17 3 热工仪表分类 2020 3 17 4 压力测量 1 基本概念 在物理概念中 压力是垂直作用在单位面积上的力 是工业生产中的重要参数之一 在压力测量中 常有绝对压力 表压力 负压力和真空度之分 所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力 用符号Pj表示 地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力 用Pq来表示 绝对压力与大气压力之差 称为表压力 有Pb来表示 即Pb Pj Pq 当绝对压力值小于大气压力值时 表压力为负值 即负压力 此负压力值的绝对值 称为真空度 用Pz来表示 1标准大气压 760毫米汞柱 1 013 105帕斯卡 10 336米水柱 P绝 大 P表 P真 P绝 小 绝对压力的零线 绝对压力 表压 真空度 的关系 1个标准大气压Pq 2020 3 17 5 2 压力测量原理 按测量原理分为两种 根据压力的定义直接测量单位面积上受力的大小 例 液柱式 弹性式应用压力作用于物体后所产生的各种物理效应来实现压力测量 例 电阻式 它是由金属导体或半导体制成的电阻体 其阻值随压力的变化而变化 压电效应 当晶体受压力作用发生机械变形时 在其相对的两个侧面上产生异性电荷的现象 3 压力测量仪表的分类 压力测量原理可分为液柱式 弹性式 电阻式 电容式 电感式等 弹性式压力计 将被测压力转换成弹性元件变形的位移 类型 弹簧管压力计 波纹管压力计及膜式压力计等 特点 结构简单 使用可靠 读数清晰 价格低廉 在工业上广泛应用 2020 3 17 6 电气式压力计 压力变送器 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 结构分类 各种压力传感器和压力变送器 例 电容式压力变送器它是由检测和变送两个环节组成 检测环节感受被测压力的变化转换成电容量的变化 变送环节则将电容变化量转换成标准电流信号4 20mADC输出 压力变送器 测压点的选择 测量流动介质 取压点与流动方向垂直 测液体压力 取压点在管道下部测气体压力 取压点在管道上部 压力变送器 2020 3 17 7 4 常见故障原因及处理 2020 3 17 8 5 选型要点 连接方式 螺纹连接 法兰连接 卡扣连接 快接头 等 压力等级 可根据被测介质所在设备的额定压力等级决定 变送器的压力等级要大于等于设备的额定压力等级 量程范围 对于压力的测量 应保证工作压力在仪表量程的1 3 1 2处 变送器的材质 无腐蚀性 有腐蚀性来决定 如304 316 316L等 信号传输方式 2 4线制 4 20mA电流信号 变送器功能 是否就地显示 指针显示还是液晶屏显示 是否需要 价格上有区别 2020 3 17 9 温度测量 一 温度仪表分类温度参数是不能直接测量的 一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系 实现间接测量 温度测量的基本原理是与这些特性值的选择密切相关的 工业上测温的基本原理有应用热膨胀原理测温应用压力随温度变化的原理测温应用热阻效应测温应用热电效应测温应用热辐射原理测温 按工作原理分 有膨胀式 热电阻 热电偶以及辐射等按测量方式分 有接触式和非接触式两类 2020 3 17 10 二 热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器 它的主要特点是测量精度高 性能稳定 其中铂电阻的测量精度是最高的 可作为基准仪器 1 测温原理 热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度成一定函数关系的原理实现温度测量的 2 热电阻材料 目前 使用的金属热电阻材料有铜 铂 镍 铁等 其中因铁 镍提纯比较困难 其电阻与温度的关系线性较差 纯铂丝的各种性能最好 纯铜丝在低温下性能也好 所以实际应用最广的是铜 铂两种材料 并已列入了标准化生产 其中最常用的有 PT100 CU50铂电阻 PT100 PT1000 200 850 铜电阻 Cu50 Cu100 50 150 镍电阻 Ni100 60 180 2020 3 17 11 3 常见故障原因及处理 2020 3 17 12 4 选型要点 连接方式 螺纹连接 法兰连接等 量程范围 对于温度的测量 应保证工作温度在仪表量程的2 3 3 4处 外护套材质 是否耐高温 耐腐蚀 耐磨等 信号传输方式 2 3 4线制 电阻信号 分度号选择 PT100 CU50等 电阻特性 如PT100特征为在标准条件下0度时的测量电阻为100欧姆 测量方式 表面式 插入式等 如为插入式还需对插入深度进行选择 2020 3 17 13 5 其它 B CU50最便宜 PT100其次 其中PT100应用最广泛 C 热电阻的电气信号特征 如PT100特征为在标准条件下0度时的测量电阻为100欧姆 随着被测温度的升高阻值增大 CU50在标准条件下0度时的测量电阻为多少 D 进行信号传送时 接线不分正 负 其中3 4线制可实现相对远距离传输 同时可以消除因导线电阻引起的误差 E 要学会对应分度号查表 热电阻型号 WZ 测温仪表1 2单 双只外保护管直径热电阻接线盒形式 防水 防爆 类型 P铂 C铜安装固定装置 螺纹 法兰等 A 选型举例 2020 3 17 14 E 热电阻PT100分度表 注 温度每增加一度热电阻增加0 39欧姆 2020 3 17 15 三 热电偶 1 原理热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的 它的测温范围很广 可测量 200 160O 范围内 在特殊情况下 可测至2800 的高温 将两种不同的导体或半导体连接成如图所示的闭合回路 如果两个接点的温度不同 T T0 则在回路内会产生热电动势 这种现象称为赛贝克热电效应 图中闭合回路称之为热电偶 导体A和B称之为热电偶的热电丝或热偶丝 热电偶两个接点中 置于温度为t的被测对象中的接点称为测量端 又称工作端 温度为参考温度t0的另一端称之为参考端 又称自由端或冷端 2 特点测量精度高 测量范围广 构造简单 使用方便 不受大小和形状的限制 外有保护套管 用起来方便 2020 3 17 16 3 热电偶的类形 S 铂铑10 铂 20 1300 B 铂铑30 铂铑6300 1600 K 镍铬 镍硅 镍铬 镍铝 50 1000 J 铁 康铜 40 750 R 铂铑13 铂 0 1600 E 镍铬 康铜 40 1000 T 铜 康铜 40 350 4 各种热电偶的分度表均是在参考端即温度t0为0 的条件下得到的热电势与温度之间的关系 因此 热电偶测温时 冷端温度必须为0 否则将产生测量误差 而在工业上使用时 要使冷端温度保持在0 是比较困难的 所以 必须根据不同的使用条件和要求的测量精度 对热电偶冷端温度采用一些不同的处理办法 常用的方法有如下几种 补偿导线延伸法冰点法计算修正法仪表零点校正法补偿电桥法 2020 3 17 17 5 补偿导线延伸法热电偶做得很长 使冷端延长到温度比较稳定的地方 由于热电偶本身不便于敷设 对于贵金属热电偶也很不经济 因此 采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来 而这种导线也是由两种不同金属材料制成 在一定温度范围内 100 以下 与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性 其材料也是廉价金属 将这种导线称为补偿导线 注意 无论是补偿型还是延伸型 补偿导线本身并不能补偿热电偶冷端温度的变化 只是起到热电偶冷端延伸作用 改变冷位置 在规定的范围内 由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同 因而仍存在一定的误差 6 计算修正法当热电偶冷温度不是0 而是t0时 测得的热电偶回路中的热电势为E t t0 可采用正式进行修正 E t 0 E t t0 E t0 0 只适用于实验室或临时性测温的情况 而对于现场的连续测量显然是不实用的 2020 3 17 18 7 常见故障原因及处理 2020 3 17 19 8 其它 热电偶型号 WR 测温仪表外保护管直径热电偶接线盒形式 防水 防爆灯 类型 K 镍铬 镍硅 安装固定装置 螺纹 法兰等 E 镍铬 铜镍 S 铂铑10 铂 A 选型举例 B K型热电偶最便宜且常用 其测温范围很大 C K型热电偶的补偿导线型号为 KX 延长型 正极KPX红色 镍铬 负极KNX黑色 镍硅 KC 补偿型 正极KPC红色 铜 负极KNC蓝色 铜镍 一般选用补偿型 价格较便宜 接线注意不能反接 尤其是接显示表那一侧 红色接热电偶正极 D 在使用容易磨断 可以在不引入其他金属的情况下 将热电偶的正负极用火焊重新焊接 仍可以继续使用 E 一般用于测量炉膛温度的热电偶的外护套宜选用耐磨型 如1Cr18Ni9Ti 乌碳等高硬度材质 2020 3 17 20 F K型热电偶分度表 温度单位 电压单位 mV 2020 3 17 21 1 基本概念流量是单位时间内流经某一截面的流体数量 流量可用体积流量和质量流量来表示 体积流量 流体量以体积表示时称为体积流量 质量流量 流体量以质量表示时称为质量流量 2 分类工业上常用的流量仪表可分为两大类 1 速度式流量计 以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算的仪表 2 容积式流量计 它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据 流量测量仪表还可以有以下的分类 节流式流量计 转子流量计 电磁流量计 容积式流量计 流体振动式流量计 超声波流量计 质量流量计 流量测量 2020 3 17 22 3 差压式流量计 节流装置与差压变送器配套测量流体的流量 是目前使用最广的一种流量测量仪表 在管道中流动的流体具有动能和位能 在一定条件下这两种能量可以相互转换 但参加转换的能量总和是不变的 节流元件测量流量就是利用这个原理来实现的 在节流装置中 应用最多的是孔板 喷嘴 文丘利 V锥流量计管等 根据能量守恒定律及流体连续原理 节流装置的流量公式可以写成 Q k P 2020 3 17 23 4 安装要点 对于流量计安装的过程中要注意如下事项 A 流量计前后直管段的长度有要求 如前后有阀门 弯头时前后直管段要按规加长 B 流量计中线要与管道的中心重合 C 现场进行温度 压力补偿时温度计要安装在流量计后1米外的距离 D 安装时内壁的焊口要光滑不要有凸起 在密封垫装制时同样也不要形成内凸 E 流量计的安装位置要便于日后的检修维护 2020 3 17 24 5 安装要点 关于直管段要求 A 流量计前后直管段的长度有要求 如前后有阀门 弯头时前后直管段要按规加长 2020 3 17 25 1 概念生产过程中罐 塔 槽等容器中存放的液体表面位置称为液位 把料斗 堆场仓库等储存的固体块 颗粒 粉料等的堆积高度和表面位置称为料位 两种互不相溶的物质的界面位置称为界位 液位 料位以及界位总称为物位 用来测量物位的仪表称为物位仪表 2 分类物位测量仪表的种类很多 按液位 料位和界位来可分 1 液位仪表 浮力式 浮筒 浮球 浮标 沉筒 静压式 压力式 差压式 电容式 电感式 电阻式 超声波式 微波式等 2 界位仪表 浮力式 差压式 电极式 超声波式等 3 料位仪表 重锤探测式 音叉式 超声波式 激光式 放射性式等 3 玻璃管 板 液位计玻璃管 板 液位计是一种直读式液位测量仪表 适用于工业生产过程中一般贮液设备中的液体位置的现场检测 其结构简单 测量准确 是传统的现场液位测量工具 但其缺点是玻璃管易赃 易碎 物位测量 2020 3 17 26 4 差压式液位计差压式液位是利用容器内的液位改变时 液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的 图为差压式液位计测量原理图 当差压计一端接液相 另一端接气相时 根据液体静力学原理 有 Pb Pa gH式中H 液位高度 被测介质密度g 被测当地的重力加速度所以有 P Pb Pa gH在一般情况下 被测介质的密度和重力加速度都是已知的 因此 差压计测得的差压与液位的高度H成正比 这样就把测量液位高度的问题变成了测量差压的问题 2020 3 17 27 5 翻板液位计翻板液位计的翻板是由导磁的薄铁皮制成 垂直排列 并各自能绕框架上的小轴翻转 如图 翻板一面涂红漆 另一面涂银灰色漆 工作时 液位计的连通管经法兰与容器相连通 构成一连通器 连通器中间有浮标 它随液位的变化而变化 浮标中间有一磁钢 其位置正好与液面一致 当液位上升时 磁钢将吸引翻板 并将它们逐个翻转 使红的一面在外边 下降时 又将它们翻过来 使银灰的一面在外边 即以颜色表示液位高低 十分醒目 2020 3 17 28 6 汽包水位测量与计算 汽包水位测量装置按照测量原理分为三种 带工业电视的双色水位计 电接点水位计和差压水位计 分单室平衡容器和双室平衡容器两种 发电厂中差压水位计一般用于汽包水位的自动调节和锅炉MFT 锅炉主燃料跳闸 保护 因此它测量的准确性和可靠性直接影响到锅炉运行的稳定性和安全性 7 关于汽包水位的规定 7 1防止锅炉汽包满水和缺水事故 汽包