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热工仪表基础知识 2011年9月吴佳宁 凡涉及热力过程的各种生产中 各种热工参数 如温度 压力 流量 液位等 的测量方法为热工测量 是在监测工艺状态和检査设备情况的主要手段 可以准确及时反映热力设备及系统的运行工况 为运行人员提供可靠的操作依据 并通过自动调节系统 来改善操作人员的劳动条件 提高系统设备安全经济的生产运行 前言 热工测量基本知识 一 测量的概念和测量方法测量的定义测量是利用合适的工具确定某个给定对象在某个给定属性上的量的程序或过程 使测量结果有意义的要求 用来进行比较的标准量应该是国际上或国家所公认的 且性能稳定 进行比较所用的方法和仪表必须经过验证 热工测量基本知识 测量单位国际单位制代号为SI法定计量单位我国的法定计量单位包括 1 国际单位制的基本单位 2 国际单位制的辅助单位 3 国际单位制中具有专门名称的导出单位 4 国家选定的非国际单位制单位 5 由以上单位构成的组合形式的单位 6 由词头和以上单位构成的十进倍数和分数单位 热工测量基本知识 测量方法测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法 测量方法的分类 按测量结果产生的方式分 1 直接测量法 使被测量直接与选用的标准量进行比较 或者预先标定好了的测量仪表进行测量 从而直接求得被测量数值的测量方法 2 间接测量法 通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的其它各个变量 然后将所测得的数值代入函数关系进行计算 从而求得被测量数值的方法 热工测量基本知识 3 组合测量法 测量中使各个未知量以不同的组合形式出现 或改变测量条件以获得这种不同组合 根据直接测量或间接测量所获得的数据 通过解联立方程组以求得未知量的数值 这类测量称为组合测量 这种测量方式比较复杂 测量时间长 但精度较高 一般适用于科学实验 热工仪表的定义 组成和分类 一 热工仪表的定义热工仪表可以说是 工业自动化控制过程中对工艺流程的物位 温度 压力 流量 密度 化学特性 振动特性 转速 等等进行测量 显示和控制的仪表 以及服务于这个对象的工种 热工仪表主要包括 压力表 压力变送器 差压变送器 压力校验仪 热工信号校验仪 就地温度计 热电阻 热电偶 液位变送器 温度变送器 压力传感器 液位变送器 液位计 智能数显仪 闪光报警仪 无纸记录仪 流量积算仪 压力校验装置 温度校验装置等 热工仪表的定义 组成和分类 二 热工仪表的组成热工仪表尽管在工作原理和结构上各不相同 但从各部件的作用来看 可分为三大部分 1 感受部件 又称为敏感元件 都是把非电量的物理量转换成电量 理想感受元件应满足的要求 传感器输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系 感受元件应该只对被测量的变化敏感 而对其它一切可能的输入信号不敏感 在测量过程中 感受元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态 热工仪表的定义 组成和分类 2 传输变换部件它是传感器和显示装置中间的部分 它是将传感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部件 对变换器的要求 性能稳定 精确度高 使信息损失最小 3 显示装置它是测量系统直接与观测者发生联系的部分显示装置的基本形式 模拟式显示元件 数字式显示元件 屏幕式显示元件 热工仪表的定义 组成和分类 CTR显示 热工仪表的定义 组成和分类 三 热工仪表的分类按被测参数分 压力 温度 流量 料位 成分分析仪表以及其他按显示功能分 指示仪 记录仪 积算仪 数字式及屏幕式仪表及其他 热工仪表的定义 组成和分类 1 温度检测仪表按照测量体是否与被测介质接触 可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类 a 接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象相接触 两者之间进行充分的热交换 最后达到热平衡 这种测温方法优点是直观可靠 缺点是感温元件影响被测温度场的分布 接触不良等都会带来测量误差 另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响 热工仪表的定义 组成和分类 b 非接触测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触 而是通过辐射进行热交换 故可避免接触测温法的缺点 具有较高的测温上限 此外 非接触测温法热惯性小 可达千分之一秒 便于测量运动物体的温度和快速变化的温度 由于受物体的发射率 被测对象到仪表之间的距离以及烟尘 水汽等其他介质的影响 这种测温方法一般测温误差较大 热工仪表的定义 组成和分类 温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量 而用来量度物体温度数值的标尺叫温标 温标是温度数值化的标尺 温标规定了温度的读数起点 零点 和测量温度的基本单位 温度仪表膨胀式温度计 双金属温度计 压力式温度计 热电偶温度计 铂铑 铂 镍铬 镍硅 镍铬 铜 热电阻温度计 铂电阻 铜电阻 辐射测温仪表 从短波 紫外光 可见光 红外光 热工仪表的定义 组成和分类 2 压力检测仪表在工程上将垂直而均匀作用在单位面积上的力称为压力 两个测量压力之间的差值称为压力差或压差 工程上习惯叫差压 在工程上 被测压力通常有绝对压力 表压和负压 真空度 之分 绝对压力是指作用在单位面积上的全部压力 用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表 地面上空气柱所产生的平均压力称为大气压力 高于大气压的绝对压力与大气压力之差称为表压 低于大气压力的被测压力称为负压或真空度 其值为大气压力与绝对压力之差 热工仪表的定义 组成和分类 由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中 本身就承受着大气压力 因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小 一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度 目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多 根据敏感元件和转换原理的不同 一般分为四类 1 液柱式压力检测 U型管压力计 单管压力计 2 弹性式压力检测 膜片 波纹管 弹簧管 3 电气式压力检测 压力变送器 数字式压力表 4 活塞式压力检测 常用作标准仪器对压力仪表进行检定 热工仪表的定义 组成和分类 压力表的选用与安装压力表的选用应根据工艺要求 合理地选择压力表的种类 型号 量程和精度等级等 压力表正确安装与否 直接影响到测量结果的准确性和压力表的使用寿命 热工仪表的定义 组成和分类 3 流量检测仪表生产过程中的物料平衡和能量平衡等都与流量有着密切的关系 因此通过对生产过程中各种物料的流量测量 可以进行整个生产过程的物料和能量衡算 实时最优控制 流体的流量是指流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量 前者称体积流量 m3 s 后者称质量流 kg s 热工仪表的定义 组成和分类 由于流量检测条件的多样性和复杂性 流量的检测方法非常多 是工业生产过程常见参数中检测方法最多的 差压式流量计 在流通管道内安装流动阻力元件 流体通过阻力元件时 前后产生压力差 通过差压计检出 速度式流量计电磁流量计超声波流量计质量流量计相关流量计 热工仪表的定义 组成和分类 4 物位检测仪表物位统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置 它包括以下3个方面 1 液位 容器中液体介质的高低 测量液位的仪表叫液位计 2 料位 容器中固体或颗粒状物质的堆积高度 测量料位的仪表叫料位计 3 界位 两种密度不同液体介质或液体与固体的分界面的高低 测量界位的仪表叫界面计 热工仪表的定义 组成和分类 由于被测对象种类繁多 检测的条件和环境也有很大的差别 因而物位检测的方法有很多 归纳起来有以下种 1 直读式 采用在设备容器侧壁开窗口或旁通管方式 直接显示物位的高度 这种方法最简单也最常见 方法可靠 准确 但只能就地指示 主要用于液位检测和压力较低的场合 2 静压式 基于流体静力学原理 容器内的液面高度与液柱质量形成的静压力成比例系 当被测介质密度不变时 通过测量参考点的压力可测量液位 基于这种方法的液位检测仪表有压力式 吹气式和差压式等 热工仪表的定义 组成和分类 3 浮力式 基于阿基米德定理 漂浮于液面上的浮子或浸没在液体中的浮筒 在液位发生变化时其浮力发生相应的变化 这类液位检测仪表有浮子式 浮筒式和翻转式等 4 机械接触式 通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量 主要有重锤式 音叉式和旋翼式等 5 射线式 放射线同位素所发出的射线 如 射线 穿过被测介质时因被介质吸收其强度衰减 通过检测放射线强度的变化达到测量物位的目的 这种方法可以实现物位的非接触式测量 热工仪表的定义 组成和分类 6 电气式 将电气式物位敏感元件置于被测介质中 当物位发生变化时 其电气参数如电阻 电容 磁场等会发生相应的改变 通过检测这些参数就可以测量物位 这种方法既可以测量液位也可以测量料位 主要有电阻式 电容式和磁致收缩式等物位检测仪表 7 声学式 利用超声波在介质中的传播速度以及在不同相界面之间的发射特性来检测物位的大小 可以测量液位和料位 8 光纤式 基于物位对光波的折射和反射原理进行物位测量 热工仪表的定义 组成和分类 5 成分分析仪表成分分析仪表是对物质的成分及性质进行分析和测量的仪表 成分分析的方法有两种类型 一种是定期采样并通过实验室测定的实验分析方法 另一种是利用仪表连续测定被测物质的含量或性质的自动分析方法 按照测量原理来分 可以分为电化学式 热学式 光学式等 举例有 热导式气体分析仪红外线气体分析仪色谱分析仪氧含量的检测 热工仪表的定义 组成和分类 6 机械量检测仪表机械量包括尺寸 位移 速度 质量 力 力矩和振动等参数 基本举例有 位移检测仪表 速度检测仪表 加速度检测7 连续调节器自动化控制仪表包括调节器 执行器 操作器以及可编程序调节器等各种新型控制仪表及装置 自动化控制仪表按使用能源分 有气动仪表和电动仪表 常用热工仪表介绍 1 常用热工仪表热工仪表主要包括 压力变送器 差压变送器 压力校验仪 热工信号校验仪 热电阻 热电偶 液位变送器 温度变送器 压力传感器 智能数显仪 闪光报警仪 无纸记录仪 流量积算仪 压力校验装置 温度校验装置等 常用热工仪表介绍 压力变送器 常用热工仪表介绍 一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器 也称作压力传感器 测量电路和过程连接件三部分组成 它能将测压元件传感器感受到的气体 液体等物理压力参数转变成标准的电信号 如4 20mADC等 以供给指示报警仪 记录仪 调节器等二次仪表进行测量 指示和过程调节 可分成一般压力变送 0 001MPa 35MPa 和微差压变送器 0 1 5kPa 负压变送器三种 常用热工仪表介绍 压力变送器的被测介质的两种压力通入高 低两压力室 低压室压力采用大气压或真空 作用在 元 即敏感元件 的两侧隔离膜片上 通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧 压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器 当两侧压力不一致时 致使测量膜片产生位移 其位移量和压力差成正比 故两侧电容量就不等 通过振荡和解调环节 转换成与压力成正比的信号 常用热工仪表介绍 差压变送器 常用热工仪表介绍 差压变送器用于测量液体 气体和蒸汽的液位 密度和压力 然后将其转变成4 20mADC的电流信号输出 LY 3851DP也可以通过BRAIN手操器或CENTUMCS XL或HART275手操器相互通讯 通过它们进行设定和监控等 差压变送器的基本原理是 将一个空间用敏感元件 多用膜盒 分割成两个腔室 分别向两个腔室引入压力时 传感器在两方压力共同作用下产生位移 或位移的趋势 这个位移量和两个腔室压力差 差压 成正比 将这种位移转换成可以反映差压大小的标准信号输出 常用热工仪表介绍 压力校验仪 常用热工仪表介绍 压力校验仪 是为校验各种压力变送器 压力传感器 压力开关 差压变送器 数字压力表 专用压力校验仪器 在测量压力的同时 也可测量电流 所测压力与设定的压力百分数及测量电流同屏显示 电流及电流百分数可通过显示菜单选择 压力校验仪其内部高性能的微处理器对仪表零点和线性进行连续修正 保证仪表长时间内零点和准确度具有良好的重复性和稳定性 测量准确度高 同时具有超量程报警功能 当所加压力超出额定满量程 2500字时 仪表将显示OVERRANGE 常用热工仪表介绍 并且内置蜂鸣器将断续发声 以表示压力 电流 超出满量程 应停止加压 并卸掉部分压力使其在规定量程内 以免损坏压力传感器 当振动仪压力校验仪所测量的电流超出22mA时仪表将显示OVERRANGE I并且内置蜂鸣器将断续发声 以表示所测电流超量程 常用热工仪表介绍 热电阻 常用热工仪表介绍 热电阻是电阻值随温度变化的温度检测元件 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 其中铂热电阻的测量精确度是最高的 它不仅广泛应用于工业测温 而且被制成标准的基准仪 金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构 麻花骨架结构得杆式结构等 金属热电阻常用的感温材料种类较多 最常用的是铂丝 工业测量用金属热电阻材料除铂丝外 还有铜 镍 铁 铁 镍 钨 银等 薄膜热电阻是利用电子阴极溅射的方法制造 可实现工业化大批量生产 其中骨架用陶瓷 引线采用铂钯合金 常用热工仪表介绍 热电偶 常用热工仪表介绍 热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件 是由两种不同成分的导体两端接合成回路时 当两接合点热电偶温度不同时 就会在回路内产生热电流 如果热电偶的工作端与参比端存有温差时 显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值 热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长 它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关 与热电极的长度 直径无关 各种热电偶的外形常因需要而极不相同 但是它们的基本结构却大致相同 通常由热电极 绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成 通常和显示仪表 记录仪表和电子调节器配套使用 常用热工仪表介绍 在热电偶回路中接入第三种金属材料时 只要该材料两个接点的温度相同 热电偶所产生的热电势将保持不变 即不受第三种金属接入回路中的影响 因此 在热电偶测温时 可接入测量仪表 测得热电动势后 即可知道被测介质的温度 热电偶测量温度时要求其冷端 测量端为热端 通过引线与测量电路连接的端称为冷端 的温度保持不变 其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系 若测量时 冷端的 环境 温度变化 将严重影响测量的准确性 在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿正常 常用热工仪表介绍 压力传感器 常用热工仪表介绍 压力传感器是能感受压力并转换成可用输出信号的传感器 我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的 这样的传感器也称为压电传感器 我们知道 晶体是各向异性的 非晶体是各向同性的 某些晶体介质 当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时 就产生了极化效应 当机械力撤掉之后 又会重新回到不带电的状态 也就是受到压力的时候 某些晶体可能产生出电的效应 这就是所谓的极化效应 科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器 常用热工仪表介绍 流量积算仪 二次仪表 常用热工仪表介绍 二次仪表是接受由变送器 转换器 传感器 包括热电偶 热电阻 等送来的电或气信号 并指示所检测的过程工艺参数量值的仪表 是自动检测装置的部件 元件 之一 用以指示 记录或积算来自一次仪表的测量结果 二次仪表接受的标准信号一般有三种 气动信号 20 100KPa 0 02 0 1MPa 型电动单元仪表信号0 10mADC 型电动单元仪表信号4 20mADC 二次仪表通常安装在仪表盘上 按安装位置又可分为盘装仪表和架装仪表 常用热工仪表介绍 插入式超声波流量计 常用热工仪表介绍 超声波流量计是通过检测流体流动对超声束 或超声脉冲 的作用以测量流量的仪表 根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法 直接时差法 时差法 相位差法和频差法 波束偏移法 多普勒法 互相关法 空间滤法及噪声法等 超声流量计和电磁流量计一样 因仪表流通通道未设置任何阻碍件 均属无阻碍流量计 是适于解决流量测量困难问题的一类流量计 特别在大口径流量测量方面有较突出的优点 近年来它是发展迅速的一类流量计之一 可编程控制器 可编程控制器 可编程控制器 可通过编程或软件配置改变控制对策的控制器 可编程控制器简称PC 英文全称 ProgrammableController 它经历可编程序矩阵控制器PMC 可编程序顺序控制器PSC 可编程序逻辑控制器PLC 英文全称 ProgrammableLogicController 和可编程序控制器PC几个不同时期 为与个人计算机 PC 相区别 现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字 可编程控制器 PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 可编程控制器 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机 其硬件结构基本上与微型计算机相同 基本构成为 1 电源PLC的电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源 在整个系统中起着十分重要的作用 如果没有一个良好的 可靠的电源系统是无法正常工作的 因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视 一般交流电压波动在 10 15 范围内 可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 同时 有的还为输入电路提供24V的工作电源 电源输入类型有 交流电源 220VAC或110VAC 直流电源 常用的为24VDC 可编程控制器 2 中央处理单元 CPU 中央处理单元 CPU 是PLC的控制中枢 是PLC的核心起神经中枢的作用 每套PLC至少有一个CPU 它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据 检查电源 存储器 I O以及警戒定时器的状态 并能诊断用户程序中的语法错误 当PLC投入运行时 首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据 并分别存入I O映象区 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序 经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I O映象区或数据寄存器内 可编程控制器 等所有的用户程序执行完毕之后 最后将I O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置 如此循环运行 直到停止运行 为了进一步提高PLC的可靠性 近年来对大型PLC还采用双C