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第二章过程检测仪表 第一节温度检测仪表 第二节压力 差压 检测仪表 第三节流量检测仪表 第四节物位检测仪表 第一节温度检测仪表 1 温标 用来度量物体温度高低的标尺叫做温标 温标是将温度数值化的一套规则和方法 它规定了温度的起点和测量温度的基本单位 一 概述 2 温度检测仪表的分类 1 接触式测温仪表 2 非接触式测温仪表 1 接触式测温 原理 被测介质 热交换 热平衡 测量体 特点 简单 可靠 精度高 缺点 滞后现象 产生化学反应 测量体受耐高温材料限制 2 非接触式测温 原理 特点 温度上限原则上不受限制 测温快 可测量运动体的温度 缺点 物体的辐射率 距离 烟尘 水汽等因素影响 精度较低 被测介质的热辐射来判断温度 常用温度计的种类及适用温度见下图 二 热电偶温度计 图2 1热电偶外观图 图2 2热电效应示意图 1 热电偶的测温原理 图2 3接触电动势原理 1 接触电动势 图2 4温差电动势原理 2 温差电动势 图2 5热电偶回路电动势图 3 回路总电动势EAB T T0 EAB T EAB T0 2 热电偶的应用 1 热电偶分度表 对于确定的热电偶 热电势只与热端和冷端温度有关 当冷端温度固定时 EAB t t0 是热端温度t的单值函数 2 热电偶的基本定律 1 均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路中 不论其截面和长度如何 以及沿长度方向上各处的温度分布如何 都不能产生热电势 热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成 但其截面和长度不限 2 中间导体定律在热电偶回路中接入另一种中间导体后 只要中间导体两端温度相同 中间导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响 热电偶在使用时 总要将热电偶回路打开 接入测量仪表 即插入第三种导体 这一结论可以推广至接入多种导体 3 中间温度定律热电偶AB在接点温度为t1 t3时的热电势 等于热电偶AB在接点温度为t1 t2和t2 t3时的热电势之代数和 即EAB t1 t3 EAB t1 t2 EAB t2 t3 3 热电偶的构造热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成 其构造分普通型 铠装型 簿膜型等 选取原则 在测温范围内具有稳定的化学及物理性质 热电势要大 且与温度接近线性关系 IEC规定了热电偶材料的取材标准 并用分度号命名不同的热电势 并给出了标准的热电势分度表 4 热电偶类型 几种常用的标准型热电偶简介 3 热电偶的冷端补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关 还与冷端温度有关 所以使用时 需保持热电偶冷端温度恒定 但热电偶的冷端和热端离得很近 使用时冷端温度较高且变化较大 为此应将热电偶冷端延至温度稳定处 3 热电偶的冷端补偿 图2 8补偿导线连接图 为了节约 工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属 作为热偶丝在低温区的替代品来延长热电偶 称为补偿导线 用补偿导线延长热电偶的必须条件是 补偿导线的热电特性在低温段与所配热电偶相同 使用补偿导线只是将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方 而标准热电势要求冷端温度为零度 为此还要采取进一步的补偿措施 1 查表法 计算法 如果某介质的温度为t 用热电偶进行测量 其冷端温度为t0 测得的热电势为EAB t t0 根据中间温度定律 有EAB t 0 EAB t t0 EAB t0 0 得出标准热电势EAB t 0 再查分度表就可得出被测温度 解由分度表可以查得E 30 0 1 203mV则E t 0 E t 30 E 30 0 36 122 1 203 37 325mV再查分度表可以查得37 325mV对应的温度为900 计算法适用于实验或临时测温 例 用K型热电偶测量某加热炉的温度 测得的热电势E t t0 36 122mV 而自由端的温度t0 30 求被测的实际温度 2 冷端温度冰浴法把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中 然后将试管放入装有冰水混合物的容器中 保持冷端为0 这种方法多数用于热电偶的检定 图2 9冷端温度补偿电路 3 补偿电桥法 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势 来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值 三 热电阻温度计 用热电偶测量500 以下温度时 热电势小 测量精度低 且使用中经常需要进行冷端温度补偿 故工业上在测低温时通常采用热电阻温度计 其测温范围为 200 500 根据感温元件的材质可分为金属导体和半导体两大类 金属热电阻目前大量使用的有铂 铜两种 按准确度等级可分为标准电阻温度计和工业电阻温度计 1 常用热电阻种类 2 热电阻材料要求 1 物理及化学性质稳定 2 电阻温度系数大 3 电阻率大 4 电阻值与温度近似为线性关系 5 复现性好 6 价格便宜 1 铂热电阻 Pt 特点 稳定性好 精确度高 性能可靠 铂的电阻值与温度的关系在 200 0 范围内 在0 850 范围内 铂电阻的纯度 通常用R100 R0表示 铂电阻的分度号 Pt10 Pt100 Pt50Pt100 表示铂电阻在0 时的电阻值为R0 100 铂热电阻分度表 铜电阻与温度的关系在 50 150 范围内 在0 100 范围内 电阻温度关系是线性的 Rt R0 1 t 2 铜热电阻 Cu 优点 R t关系近似线性 较大 材料易提纯 价格便宜 互换性好 缺点 电阻率较小 为保持一定阻值需要细而长的铜丝 使体积 热惯性 测温上限低 因为铜在100 以上易氧化且抗腐蚀性差 铜电阻的分度号Cu50和Cu100 热电阻的结构外形 结构组成 一般包括电阻体 绝缘套管 保护套管和接线盒等部分 热电阻的接线方法 引出线 由热电阻体至接线端子的连接导线 1 两线制存在引出线电阻随温度变化产生的附加误差 2 三线制可以消除引出线电阻的影响 工业上多采用 3 四线制不仅可消除引出线电阻的影响 还可消除连接导线间接触电阻及其阻值变化的影响 多用于标准铂热电阻的引出线上 3 热敏电阻半导体材料的电阻值具有负温度系数 可以作温度传感元件 特点是 电阻率大 电阻体积小 响应快 温度系数大 灵敏度高 非线性严重 影响精度 温度特性分散 互换性差 四 辐射测温方法 1概述 2辐射测温的基本原理 物体受热 激励了原子中带电粒子 使一部分热能以电磁波的形式向空间传播 它不需任何物质作媒介 即在真空条件下也能传播 将热能传递给对方 这种能量的传播方式称为热辐射 简称辐射 传播的能量叫辐射能 物体的辐射能量的大小与波长 温度有关 红外线测温计 光学高温计 1 辐射式温度计通过测量物体热辐射功率来测量温度 2 红外式温度计通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度 第二节压力 差压 检测仪表 一 概述压力或压差是工业与建筑环境设备的过程控制中 反映工况质量状态的重要参数 工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为 压力 即P F S 压力的单位是 帕斯卡 1Pa 1N m21MPa 106Pa1工程大气压 1kg cm2 9 80665 104Pa 0 1MPa 工程中压力的表示方式有 表压 负压 真空度 差压 绝对压力 工业中所用仪表的压力指示值 大多数为表压和差压 p差压 p被测压力1 p被测压力2 表压 绝对压力 负压 真空度 差压之间的关系 p表压 p绝对压力 p大气压力 p真空度 p大气压力 p绝对压力 压力测量仪表品种很多 按照其转换原理的不同 大致可分为四大类 1 液柱式压力计利用液体静力学原理测压 如U型管压力计 当被测压力P大于大气压力B时 液柱会产生高度差 在U型管h2处等压面上有 P 1g H h1 h2 B 2gH g h1 h2 则 p P B 2 1 gH 2 g h1 h2 只要读出 h1 h2 便可知p 目前 液柱式压力计使用较少 2 弹性式压力计 是将被测压力转换成弹性元件的变形位移进行测量的 3 电气式压力计是通过各种敏感元件将被测压力转换成电量 电压 电流 频率等 进行测量的 例如力平衡式压力变送器 电容式压力变送器等 4 活塞式压力计是根据液体传送压力的原理 将被测压力与活塞上所加的砝码质量进行平衡来测量的 它的测量精度很高 二 弹性式压力测量元件 利用弹性元件受压产生变形可以测量压力 由于其产生的位移或力易转化为电量 且构造简单 价格便宜 测压范围宽 被广泛使用 工业上最常见的弹性测压元件有弹簧管 波纹管及膜片三类 将截面为椭圆形的金属空心管弯成270 圆弧形 顶端封口 当通入压力p后 它的自由端就会产生位移 1 单圈弹簧管 测压范围较宽 可高达1000MPa 弹簧管压力表的结构原理 1 弹簧管 2 拉杆 3 扇形齿轮 4 中心齿轮 5 指针 6 面板 7 游丝 8 调整螺钉 9 接头 弹簧管是一根弯成270 圆弧的椭圆截面的空心金属管 管子的自由端B封闭 并连接拉杆及扇形齿轮 带动中心齿轮及指针 在被测压力p的作用下 弹簧管的椭圆形截面趋于圆形 圆弧状的弹簧管随之向外扩张变形 自由端B的位移与输入压力p成正比 通过拉杆 齿轮的传递 放大 带动指针偏转 基本测量原理 传递及放大过程 游丝7用来压紧扇形齿轮和中心齿轮间的接触面 调整螺钉8 改变机械传动系数 调整仪表量程 自由端B的位移 拉杆2 扇形齿轮3 中心齿轮4 同轴的指针5转动 在面板6的刻度标尺上指示出被测压力p的数值 测压关系 自由端的相对角位移 o与被测压力P成正比 o KP 生产中 常需要把压力控制在某一范围内 要求当压力超出给定范围时 测量仪表能发出信号 以提醒操作人员 或启动继电器实现压力的自动控制 这就要求压力表带有报警或控制输出 在普通弹簧管压力表的基础上稍添部件 便可成为电接点信号压力表 增加两个报警针 上面分别装静触点1和4 指示针上装动触点2 分别用软导线引至输出接线柱 使用时可后接两个信号灯或继电器3 5 2 电接点压力表 报警原理 若压力降到下限值时 动触点2与静触点1接触 接通了信号灯3的电路 当压力超过上限值时 动触点2和静触点4接触 信号灯5的电路被接通 2 膜片用金属或非金属材料做成的具有弹性的圆片 有平膜片和波纹膜片 在压力作用下 其中心产生变形位移 可测低压 膜盒 将两张金属膜片沿周口对焊 内充硅油 使膜片增加强度 在自动化仪表中广泛使用 3 波纹管将金属薄管折皱成风琴风箱形状而成的 能得到最大的直线位移 可测微压 1MPa 三 压力 差压 变送器 压力 差压 变送器外观结构如图2 14所示 在生产过程中 压力 差压 变送器用来测量各种液体 气体以及蒸汽的压力 压差 并把它转换成统一标准信号输出 与其他单元仪表配套进行自动控制 显示 纪录和报警 图2 14压力 差压 变送器外观图 1 力平衡压力 差压 变送器 1 力平衡压力 差压 变送器的结构如图所示 1 低压室2 高压室3 测量元件 膜盒 膜片 4 轴封膜5 主杠杆6 过载保护片7 静压调整螺钉8 矢量机构9 零点迁移弹簧10 平衡锤11 量程调整螺钉12 检测片 衔铁 13 差动变压器14 副杠杆15 放大器16 反馈动圈17 永久磁钢18 电源19 负载电阻20 调零弹簧 图2 15力平衡式电动差压变送器的结构示意图 差压变送器由测量部分 杠杆部分 放大器和反馈机构组成 1 测量部分 检测元件为膜片 波纹管等弹性元件 作用 是把测量差压 P转换成作用于主杠杆下端的输入力Fi Fi 组成 正 负压室 检测元件 密封膜片及连接检测元件与主杠杆的弹簧片等部分 当变送器的输出电流过反馈动圈时 就会产生电磁反馈力Ff Ff与I0之间的关系为 2 电磁反馈装置 作用 电磁反馈装置的作用是把变送器的输出电流I0转换成作用于副杠杆的电磁反馈力Ff 组成 它由反馈动圈和永久磁钢组成 Kf 电磁反馈装置的转换系数 放大器 作用 放大器采用低频位移检测放大器 它实质上是一个位移 电流转换器 把副杠杆上位移检测片 衔铁 的微小位移S转换成4 20mA的直流输出电流 组成 低频位移检测放大器由位移检测变压器 低频振荡器 整流滤波电路及功率放大器组成 杠杆系统 作用 是进行力的传递和力矩比较 组成 由主杠杆1 矢量机构2和副杠杆4等部分组成 杠杆系统结构受力图 主杠杆 将输入力Fi转换为作用于矢量机构上的力F1 密封膜片为主杠杆的支点 同时又起密封作用 矢量机构 将推力F1进行分解 一个为作用力F3顺着矢量板的方向 被矢量板固定支点的反作用力所平衡 不起作用 另一个F2垂直向上作用于副杠杆 使其以支点M为中心逆时针方向偏转 副杠杆 进行力矩比较 F2使副杠杆以M为支点逆时针偏转 带动副杠杆上的衔铁靠近差动变压器 衔铁与变压器之间的距离变化通过位移检测放大器转换为4 20mA直流电流I 同时I又通过电磁反馈装置产生一个反馈力Ff 使杠杆顺时针偏转 2 力平衡式电动压力 差压 变送器工作过程变送器是根据力平衡原理工作的 这种结构是一个具有深度负反馈的有差系统 其信号转换 传递关系如图所示 图2 16力平衡式变送器工作原理框图 3 力平衡式电动压力 差压 变送器的电路原理仪表电气部分的任务是检测微小的位移量并转换成一个统一的DC4 20mA电流信号输出 从而完成仪表的变送任务 图2 17位移检测放大器电路框图 1 震荡级它是一个变压器耦合式低频震荡器 图2 18震荡级电路 2 整流滤波级它由二极管 电容 电阻组成 它把震荡级输出的正弦交流信号变成直流信号送到功放级 3 功率放大级它由复合管组成 它把前级输出的直流信号转换成直流电流输出 具有较高的放大倍数和较好的温度稳定性 4 电源负载级负载和电源串接在放大器输出回路 得到DC4 20mA直流电流信号 同时在输出回路中还串有反馈动圈和现场指示表 放大器输出信号和检测片位置有着单值对应关系 4 力平衡式电动压力 差压 变送器的功能参数调整 图2 20差压变送器零点迁移前后的输入输出特性 1 零点调整 使变送器的测量起点为零 2 零点迁移差压变送器零点迁移前后的输入输出特性如图2 20 4 力平衡式电动压力 差压 变送器的功能参数调整 1 零点调整和零点迁移 目的 是使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应 xmin 0时称零点调整 xmin 0时成为零点迁移 零点调整目的 使变送器的测量起点为零零点迁移目的 是把测量的起始点由零迁移到某一数值 正值或负值 测量的起始点由零变为某一正值 称为正迁移 测量的起始点由零变为某一负值 称为负迁移 由上图可以看出 零点迁移以后 变送器的输入输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离 其斜率并没有改变 即变送器的量程不变 2 量程调整目的 是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应 测量量程的改变即改变变送器的输入输出特性的斜率 由变送器的矢量机构来实现 图2 21矢量机构力的分解图 2 先进行量程调整 0 0 6MPa 2 再进行零点迁移 1 1 6 3 例 某变送器的量程为0 1MPa 输出信号为4 20mA 欲把该变送器用于测量1 1 6MPa的信号 试问 该变送器应作何调整 量程够用 直接零点迁移2 再调整量程3 3 压力 差压变送器使用时量程 迁移调整范围要求 1 正向迁移后的量程 仪表最小量程 2 正向迁移量 正迁移后量程 最高测量范围 3 负向迁移后的量程 仪表最小量程 4 仪表负向迁移量 仪表最大量程 2 微位移式差压变送器微位移式差压变送器因其传感器元件位移和变形极小而得名 法兰式电容差压变送器 电容差压变送器 电容式压力变送器是20世纪70年代初由美国公司研发 结构简单 过载能力强 可靠性好 精度高 体积小 特点 灵敏度高 量程宽 过载能力强 没有杠杆传动机构 因而结构紧凑 稳定性与抗振性好 测量精度高 可达0 2级 原理介绍 电容式压力变送器先将压力的变化转换为电容量的变化 然后用电路测电容 其输出信号是标准的4 20mA DC 电流信号 P1 P2 P中心膜片变形位移电容量变化 3 智能式差压压力变送器 内部电路装有CPU芯片 有很强的数字处理能力 除检测功能外 还具有静压补偿 计算 显示 报警 控制 诊断等功能 与智能式执行器配合使用 可就地构成控制回路 并随时与上位机通讯 流量检测是控制生产以及经济核算的一个重要检测参数 常用来确定物料的配比和消耗量 1 流量的基本概念流量指单位时间内流过某一截面的流体数量 即瞬时流量 表示方法有 质量流量M t h kg h kg s 体积流量Q m3 h L h L min 二者的关系 流体的密度 M Q 第三节流量检测仪表 总量指一定时间内流过某截面的流体流量的总和 即累计流量 以t表示时间 则流量和总量之间的关系是 流量计的种类繁多 若按测量原理分 流量计可分为 速度式流量计质量式流量计容积式流量计 2 差压式流量计差压式 也称节流式 流量计是基于流体流动的节流原理 利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量 1 节流现象流体在流过节流装置时 在节流装置前后的管壁处 流体的静压力产生差异的现象称为节流现象 节流装置 设置在管道中能使流体产生局部收缩的节流元件和取压装置的总称 包括节流件和取压装置 节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件 应用最广泛的是孔板 其次是喷嘴 文丘里管等 2 节流原理具有一定能量的流体 才可能在管道中流动 流动着的流体含有两种能量 静压能和动能 静压能表现在流体对管壁的压力 动能表现在流体有流动速度 这两种能量在一定条件下可以互相转化 截面 处能量 截面 处能量 损耗 根据能量守恒定律 在没有再加能量的情况下 流体所具有的静压能和动能 加上克服流动阻力的能量损失 其总和是不变的 即 节流装置测流量的基本原理 节流装置前后压差的大小与流量有关 管道中流体的流量越大 在节流装置前后产生的差压也越大 体积流量 质量流量 结论 流量与节流件前后压差的平方根成正比 只要测得差压便 p可测得流量 则 不可压缩的流体 流量基本方程式 如果流体是可压缩的 如蒸汽 则要对公式进行修正 3 标准节流装置标准节流装置包括标准节流件和标准取压装置 节流装置标准化的具体内容有 节流装置的结构 尺寸 公差 光洁度 取压孔位置和使用条件等 标准节流件有 孔板 喷嘴 文丘里管 标准节流装置取压方法 角接取压法法兰取压法如角接取压法是在孔板前后端面与管壁的夹角处取压 节流装置的安装首先 流向要正确 一般情况下 节流装置露出部分所标注的 号一侧是流体的入口方向 当用孔板作为节流装置时 应使流体从孔板90 锐口的一侧流入 此外 节流装置前后应有一定长度的直管段 标准节流装置使用条件 流体应当清洁 充满圆管并连续稳定地流动 流体的雷诺数在104 105以上 不发生相变 管道必须是直的圆形截面 直径大于50mm 为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态 在节流装置的上 下游必须配置一定长度的直管段 二 电磁流量计在流量测量过程中 有些液体具有导电性 故可以应用电磁感应的方法来测量其流量 称为电磁流量计 它能够测量酸 碱 盐溶液以及矿浆 水 污水等的流量 工作原理 在管道两侧安放磁铁 流动的液体当作切割磁力线的导体 产生的感应电动势与流体的流速成正比关系 当磁感应强度B不变 管道直径一定时 流体切割磁力线而产生的感应电势Ex的大小仅与流体的流速v有关 式中 Ex 感应电势 B 磁感应强度 D 管道直径 v 流体速度 当BD一定时 感应电势Ex与流速v成正比 感应电势的方向由右手定则判断 其大小为 Ex BDv 体积流量Q与流速v的关系为 称为仪表常数 感应电势Ex与被测流量Q成正比关系 优点 测量导管内无任何阻碍物 因而被测流体的压力损失很小 可以测量各种导电液体的流量 如酸 碱 盐溶液 流体可以含有固体颗粒 悬浮物等 输出信号与流量之间的关系不受流体的物理性质 例温度 压力 粘度等 变化和流动状态的影响 测量响应速度快 可用来测量脉动流量 由于感应电势数值很小 后级采用高放大倍数的放大器 很容易受外界电磁场干扰的影响 只能用来测量导电液体的流量 要求导电率不小于水的导电率 不能测量气体 蒸汽及石油制品等的流量 缺点 三 涡街流量计利用流体遇到阻碍物后产生的旋涡来测量流量 可以用来测量管道中的液体 气体和蒸汽的流量 旋涡式流量计有两类 旋进型旋涡流量计和卡曼型旋涡流量计 常称涡街流量计 涡街流量计测量原理 在测量管道中垂直插入一个非流线形的柱状物 圆柱或三角柱 作为阻流体 当流体受到阻碍物阻挡时 会在阻碍物的下游处产生两列平行 且上下交替出现的旋涡 因为这些旋涡有如街道旁的路灯 故有 涡街 之称 又因此现象首先被卡曼 Karman 发现 也称作 卡曼涡街 当两列旋涡的间距h和同列相邻两个旋涡之间的距离l之比能满足h l 0 218时 所产生的涡街是稳定的 满足如下关系 公式表明 St为常数时 单侧旋涡的发生频率f与流体平均流速v成正比 f 单侧旋涡发生频率St 斯特劳哈尔系数v 流体平均流速d 圆柱体直径 旋涡频率的检测方法有 热敏检测法 超声波检测法 电容检测法等 原理 利用旋涡的局部压力 密度 流速等的变化作用于敏感元件 产生电信号再经过放大整形 得到脉冲信号输出 测得f便可算出体积流量Q A 管道中旋涡发生体处流通截面积 涡街流量计的特点是精确度高 测量范围宽 没有运动部件 压力损失小 四 超声波流量计超声波流量测量属于非接触式测量 它通过发射超声波 穿过流动的流体 被接收后 经过信号处理反映出流体的流速 根据流速便能算出流量 超声波的测量有多种不同的方式 如 传播时间法 旋涡法 多普勒效应法等 最常用的方法是测量超声波在顺流和逆流中的传播速度差 即 测超声脉冲在顺流 逆流时的重复频率 特点 超声波流量计属非接触式测量 不会影响被测流体的流动状况 测量液体流量精度可达0 2级 测量气体流量精度可达0 5级 量程范围可达20 1 要求流体清洁 以避免对超声波束的干扰 测量管前后要有足够长的直管段 以保证流速均匀 五 质量流量计 质量流量计大致分为两大类 1 直接式即直接检测与质量流量成比例的量 检测元件直接反映出质量流量 2 推导