2015年仪表讲课稿.doc

一、计量基本知识二、现场仪表一、 计量基本知识1.1 什么是测量？测量就是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。n 直接测量 利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，直接从显示结果获得被测参数的具体数值的测量方法。n 如，米尺，秒表，玻璃温度计，普通天平，游标卡尺。n 间接测量是指通过测量与被测量有函数关系的其他量,才能得到被测量值的测量方法。n 如，用万用表测电阻，常见电子仪表等。 直接测质量（砝码） 间接测质量（应变传感器）测量误差就是由仪表读得的被测值 (测量值)与被测参数的真实值之间的差距。分为绝对误差和相对误差。 绝对误差，仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。xI：仪表指示值, xt：被测量的真值由于真值无法得到，只能以标准表作为真值参照 x：被校表的读数值，x0 ：标准表的读数值 其特点：绝对误差有单位，且其单位与测量结果相同；绝对误差有大小（值）和符号（），表示测量结果偏离参考量值的程度；绝对误差不是对某一被测量而言，而是对该量的某一给出值而言。例如：砝码的误差为+0.002g（错误表述），10g砝码的误差（或示值误差）为+0.002g（正确表述）。相对误差，是指在某一测量点仪表的绝对误差与该点标准值的比值。式中；相对误差绝对误差X0被测量的真值（约定真值）相对误差只有大小和符号，没有量纲（也就是没有单位）。测量工作中主要是用绝对误差来表示测量误差。相对误差常用来表示具有多档示值范围的仪表的测量准确度；还可用来比较不同量值的测量准确度。1.2测量误差的处理1.2.1系统误差的处理系统误差的产生原因：系统误差的产生通常与测量设备或装置本身的准确程度有关；与测量时的外界条件、测量方法及测量者本身的状况有关。（1） 与仪器设备、装置的准确度有关在检定、校准或测试中，标准仪器或设备均存在一定的误差。例如，在进行检定向下一级标准量值传递时，标准值的误差是固定不变的，属于系统误差，又称“工具误差”或“仪器误差”。（2）某些仪器、设备、在测量前需先进行调零位，若因测量前疏忽没有调查零位，或存在零位偏差，使得标准仪器在测量前即存在某一初始值，该初始值必然直接影响测量结果，给测量结果带来误差。这种误差，通常称“零位误差”（称“零差”）（3）某些仪器、设备如末按要求放置，特别是某些电磁测量和无线电测量仪器设备，未正确接地或屏蔽，或未用专用连接导线，也会给测量结果带来误差（称“装置误差）（4）测量环境条件带来的误差测量时的环境条件有，如温、湿度；恒定磁场等也会给测量结果带来误差。如与重力加速度有关的测量，如未按测量地点的不同加以适当的修正，也会给测量结果带来误差。这类由客观环境引起的误差，通常称为“环境误差”。（5）因测量方法不完善带来的误差由于某些测量方法的不完善，如检定、测试中所使用的某些测量设备，在设计制造时受到某些条件（如元器件、制造工艺）的限制，不得不降低个别指标；采用一些近似公式、经验公式，无疑也会给测量结果引入一定的误差。这些误差称为“方法误差”或“理论误差”（6）由测量者引入的误差在测量中，测量者本身生理上的某些缺陷，如听觉、视觉等缺陷或不良习惯，也会给测量结果带来误差，这就是通常所说的“人员误差”。消除系统误差的原则：n 1在测量前尽可能估计到一切可能产生系差的来源，并设法消除它们，或使用影响减到非常微小的程度；n 2采取修正的方法消除之；n 3在测量过程中，选择适当的测量方法使系统误差抵消从而不带入测量值中。随机误差：指在测量中所出现的没有一定规律的误差。它是由很多复杂因素微小变化的总和引起的。它不易被发觉，也不好分析，还难以修正。这类误差的大小与测量次数有关，它的算术平均值将随测量次数的增多而减小（但不是线性关系）随机误差决定了测量的精密度。它的平均值愈小，测量愈精密。减少随机误差的原则：1、选用精度更高稳定性更好的仪器（比如用刻划1米的尺和刻划1毫米的尺测量的精度是不同的，用电子钟和沙漏测量时间的精度是不同的）； 2、可以让更熟练的人进行仪器操作（读数越快，仪器的变动越小，精度越高，而不熟练的人操纵仪器会带来仪器的震动和扭曲等） 3、选择合适的观测时间，让仪器受光照和温度带来的热胀冷缩更小，在稳定的地点设置仪器，避免不规则沉降带来的误差。 4、从统计学和概率论上讲，最有效的一种减少随机误差的方法是多次测量，取平均值。 疏忽误差：指观察人员误差读或不正确使用仪器与测试方案等人为因素所引起的误差。产生这类误差的主要原因是操作者粗枝大叶；过度疲劳，操作有错或偶然一个外界干扰等。这类误差在测量中是不允许的，其测量结果是无效的。但它易被发觉，一旦发现，就应剔除。1.3测量不确定度评定分析过程的简要说明在实际测量中，影响测量质量的“人、机、料、法、环”因素，可能有以下一些导致测量不确定度的来源。例如；1）被测量的定义不完整 2）被测量定义的复现不理想 3）取样的代表性不够，即被测样本可能不完全代表所定义的被测量。 4）对测量受环境条件的影响认识不足或对环境条件的测量不完善； 5）模拟式仪器的人员读数偏移； 6）测量仪器的计量性能（如最大允许误差、灵敏度、分辨率、死区及稳定性等）的局限性，而导致的不确定度； 7）测量标准或标准物质提供的标准值的不准确； 8）引用的常数或其他常数值不准确； 9）测量方法和测量程序中的近似和变化； 10）在相同条件下，被测量重复观测值的变化；在撰写标准的建标报告过程中注意：1）在分析误差来源时，要做到不遗漏不重复。因为遗漏将导致评定出的测量不确定度减小，而重复则导致其增大，二者将歪曲最终的评定结果。2）在分析标准的重复性时，是在装置正常条件下，在相同的测量条件下，用该标准装置在某一点连续测量10次，其测量结果用贝塞尔公式得出其值小于合成不确定度即符合标准不确定度的重复性评定；如；在装置正常条件下，重复测量一台温度指示仪,分度号为PT100，在相同的测量条件下，用该检定装置在40受检点共连续测量10次，测量结果如表： 单位： 测量 结果测量次数Xi()Xi-X()(Xi-X)21115.5450.0050.2510-42115.5750.03512.2510-43115.495-0.04520.2510-44115.525-0.0152.2510-45115.5550.0152.2510-46115.5450.0050.2510-47115.5450.0050.2510-48115.525-0.0152.2510-49115.5750.03512.2510-410115.5450.0050.2510-4115.543 (Xi-)252.510-40.024uc （ uc=0.12） （0.024 查表得0.06） 因为Sn(x)uC，所以该测量标准不确定度的分析与评定合理。3）在分析标准的稳定性时，是在装置工作正常情况下，每隔二个月用该装置在某一点共测量6次，取平均值作为测量结果，一年共测4次，将最大平均值减去最小平均值，其小于扩展不确定度，即符合要求如：选一稳定的分度号为PT100的温度指示仪，在装置工作正常情况下，每隔二个月用该装置在50共测量6次，取平均值作为测量结果，共测4次，其测量结果如下表： 单位：观测时间观测次数2月4月6月8月1119.67119.66119.64119.682119.70119.68119.68119.653119.65119.69119.68119.684119.62119.68119.65119.665119.68119.63119.67119.656119.67119.62119.66119.66119.665119.660119.663119.663最大值最小值0.005从上表可知标准装置的稳定性为0.005U （U =0.24）0.005查表得0.01所以该测量标准的稳定性符合要求。因为在计量标准不确定度分析时要用到数据修约，下面就讲讲数值修约规则；1.4数值修约规则现代被广泛使用的数值修约规则主要有四舍五入规则和四舍六入五留双规则。在计量修约的过程中我们采用后者。因为四舍五入修约规则，逢五就进，必然会造成结果的系统偏高，误差偏大，为了避免这样的状况出现，尽量减小因修约而产生的误差，在某些时候需要使用四舍六入五留双的修约规则。（一）：四舍五入规则四舍五入规则是人们习惯采用的一种数值修约规则。四舍五入规则的具体使用方法是:在需要保留数字的位次后一位，逢五就进，逢四就舍。例如:将数字2.1875精确保留到千分位(小数点后第三位)，因小数点后第四位数字为5，按照此规则应向前一位进一，所以结果为2.188。同理，将下列数字全部修约到两位小数，结果为:10.2750-10.2818.06501-18.0716.4050-16.4127.1850-27.19（二）；四舍六入五留双规则为了避免四舍五入规则造成的结果偏高，误差偏大的现象出现，一般采用四舍六入五留双规则。当尾数小于或等于4时，直接将尾数舍去例如将下列数字全部修约到两位小数，结果为:10.2731-10.27（直接舍去）18.5049-18.50（直接舍去）16.4005-16.40（直接舍去）27.1829-27.18（直接舍去）当尾数大于或等于6时将尾数舍去向前一位进位例如将下列数字全部修约到两位小数，结果为:16.7777-16.78（六入）10.29701-10.30（六入）21.0191-21.02（六入）(三)当尾数为5，而尾数后面的数字均为0时，应看尾数5的前一位:若前一位数字此时为奇数，就应向前进一位;若前一位数字此时为偶数，则应将尾数舍去。数字0在此时应被视为偶数。例如将下列数字全部修约到两位小数，结果为:12.6450-12.64（5后为0，看前一位，偶数则舍）18.2750-18.28（5后为0，看前一位，奇数则进）12.7350-12.74（5后为0，看前一位，奇数则进）21.845000-21.84（5后为0，看前一位，偶数则舍）(四)当尾数为5，而尾数5的后面还有任何不是0的数字时，无论前一位在此时为奇数还是偶数，也无论5后面不为0的数字在哪一位上，都应向前进一位。例如将下列数字全部修约到两位小数，结果为:12.73507-12.74（尾数为5，尾数后有任何不是0的数，此时不管5前后是奇数还是偶数均进一位）21.84502-21.8512.64501-12.6518.27509-18.2838.305000001-38.31按照四舍六入五留双规则进行数字修约时，也应像四舍五入规则那样，一次性修约到指定的位数，不可以进行数次修约，否则得到的结果也有可能是错误的。例如将数字10.2749945001修约到两位小数时，应一步到位:10.2749945001-10.27(正确)。如果按照四舍六入五留双规则分步修约将得到错误结果:10.2749945001-10.274995-10.275-10.28(错误)。数值修约简明口诀:4舍6入5看右，5后有数进上去，尾数为0向左看，左数奇进偶舍弃。 二、现场仪表（1）压力表n 1、压力表的选择n 压力表的选择应根据工艺过程对压力测量的要求,被测介质的性质, 现场环境条件等来考虑仪表的种类、型号、量程和精度,并确定是否需要带有远传、报警等附加装置。这样才能达到经济、合理和有效的目的。n 1.1仪表量程的确定n 仪表量程是根据被测压力的大小来确定的，对于弹性式压力表，为保证弹性元件能在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择压力表量程时，必须根据被测压力的性质（压力变化的速度）留有足够的余地。例如；测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不应超过量程的1/2；测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的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。按此要求算出后，实取稍大的相邻系列值。n 例某汽水分离器的最高工作压力为(0.91.0)MPa,试确定用于测量该分离器内压力的弹簧压力表的量程.n 解因此分离器内的压力可按稳定的压力考虑,故仪表的量程为n 1.02/3=1.5MPan 根据仪表产品规格的系列值,应选用量程(01.6) MPa的普通弹簧压力表.1.3测压点的选择与压力表的安装1.3.1测压点的选择 选择测压点的原则是要使所选测压点能反映被测压力的真实情况.具体要求如下:(1)测压点要选在被测介质作真线流动的直管上,不可选在管路拐弯、分岔、死角或其他能形成漩涡的地方.(2)测量流动介质的压力时,取压管应与介质流动方向垂直,管口应与器壁平齐,并不得有毛刺.(3)测量液体压力时,取压点应在管道下部,使导压管内不能积存气体,测量气体压力时,取压点应在管道上方,使导压管内不会积存液体.1.3.2压力表的安装(1)压力表应安装有能满足规定的使用环境条件和易于观察维修的地方.(2)应尽量避免温度变化对仪表的影响,当测高温气体或蒸汽压力时,应加装U形隔离管或回转冷凝器(盘管).(3)测量有腐蚀性或粘度较大等质和含有结晶或沉淀物的介质压力时,对压力表应采取相应的保护措施,以防腐蚀、堵塞等发生.(4)仪表安装在有振动的场所时,应加装减震器.(5)当被测压力波动频繁和剧烈(如泵压缩机的出口压力)时,应装缓冲器或选用减震型压力表.(6)仪表必须垂直安装,若装在室外时,还应加保护罩.（2）温度检测仪表温度仪表分类 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。 下面主要讲讲我们常用的热电阻（热电偶、水银温度计等这里就不讲了）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。 铂电阻（PT100） -200850 铜电阻（Cu50、Cu100） -50150 镍电阻（Ni100） -60180温度检测仪表的故障现象及处理方法：故障现象可能原因处理方法温度示值偏低或不稳保护管内有金属屑、积灰，接线柱处脏污或短路除去金属屑，清扫灰尘、水滴等，找到短路点，加强绝缘温度示值无穷大热电阻或引线断路更换热电阻，找到断点重新接好温度显示负值热电阻接线有错或有短路现象改正接线，找出短路处，加强绝缘温度显示误差大热电阻丝材料受腐蚀变质更换热电阻（3）流量仪表测量管道或明沟中液体、气体或蒸汽等流体流量的工业自动化仪表，又称流量计。流量是指单位时间内流经管道有效截面的流体数量。流体数量用体积表示者称为体积流量，单位为米3 /时、升/时等；流体数量用质量表示者称为质量流量，单位为吨/时、千克/时等。分类、性能、特点及工作原理流量可利用各种物理现象来间接测量，所以流量测量仪表种类繁多。按测量方法分，流量计有差压式、变面积式、容积式、速度式和电磁式等。下表列出各类流量计的主要性能和特点。差压流量计应用非常广泛的一类流量测量仪表，约占流量测量仪表总数的70。它由节流装置和差压计两部分组成（图1）。充满圆管的流体流经节流件（如孔板）时，流束在孔板处形成局部收缩，由于流速增加、静压力降低而在孔板前后产生压差。这一压差与流量的平方成正比。对于节流装置已制订有国际标准（ISO5167）。测量压差的仪表有应变、电容和振弦式等差压变送器以及双波纹管差压计等类型。这类仪表调试方便，且已规范化。只要将节流装置与差压计配套就可用于测量流体的流量。n 安装要求: 差压流量计，通常都是由层流管或毛细管组成，测量时分别取管两端的压力值，此时需要保证气体状态稳定，即稳流状态或层流状态，不能垂直地面90度安装，尽量保持水平安装，同时也应注意管路两侧需要有一定的直管段（3D）。还有呢差压流量计对气体是有一定要求的，基本的有气体清洁度的要求。 n 优点: u 应用最多的孔板式流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长; u 应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比拟; u 检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产,便于规模经济生产。n 缺点: u 测量精度普遍偏低; u 范围度窄,一般仅3:14:1; u 现场安装条件要求高; u 压损大(指孔板、喷嘴等)。 转子流量计 转子流量计又称面积式流量计或恒压降式流量计，也是以液体流动时的节流原理为基础的一种流量测量仪表。其特点是可以测量多种介质的流量，压力损失小而且稳定，反应灵敏，量程较宽，结构简单，价格便宜，使用维护方便。但转子流量计的精度受测量介质的温度、密度和粘度的影响，而且仪表必须垂直安装。原理：转子流量计是由一段向上扩大的圆锥形管子和密度大于被测介质密度，且能随被测介质流量大小上下浮动的转子组成的。当液体自下而上流过时，转子因受到液体冲击而向上运动。随着转子的上移，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，液体流速减低，冲击作用减弱，直到液体作用在转子上向上的推力与转子在流体中的重力相平衡。此时，转子停留在锥管中某一高度上。如果液体流量再增大，则平衡时转子所处的位置更高；反之则相反。因此，根据转子悬浮的高低就可测知液体流量的大小。 金属管转子流量计涡街流量计应用范围：涡街流量计用于测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量。并可作为流量变送器应用于自动化控制系统中。测量原理：涡街流量计应用是根据卡门（Karman）涡街原理来测量流量的，流体在管道中经过涡街流量变送器时，在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡，旋涡的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关 。涡街流量计涡街流量计具有结构简单，涡街变送器直接安装于管道上，克服了管路泄漏现象。另外，涡街流量计的压力损失较小，量程范围宽，对饱和蒸汽测量量程比可达30比1。电磁流量计 电磁流量计由传感器、转换器和显示仪表组成，根据法拉第电磁感应定律工作。传感器主要由励磁线圈和一对电极组成（图4）。在用非磁性材料制成的、直径为D的管道内，导电液体若以速度v流动，切割由励磁线圈感应出的均匀磁通密度为B的磁场，则在流体方向和磁场方向都垂直的一对电极上感应出电动势ES，则ES=CBDV，经换算可得到体积流量：式中C和K为比例常数。若已知流量计的直径和磁通密度，即可测得体积流量值。电磁流量计特点: u 测量精度不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响，传感器感应电压信号与平均流速呈线性关系，因此测量精度高。u 测量管道内无阻流件，因此没有附加的压力损失；测量管道内无可动部件，因此传感器寿命极长。u 由于感应电压信号是在整个充满磁场的空间中形成的，是管道载面上的平均值，因此传感器所需的直管段较短，长度为5倍的管道直径。u 传感器部分只有内衬和电极与被测液体接触，只要合理选择电极和内衬材料，即可耐腐蚀和耐磨损。u 双向测量系统，可测正向流量、反向流量。采用特殊的生产工艺和优质材料，确保产品的性能在长时候内保持稳定。（4）液位计 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。液位计的种类有：投入式液位计、插杆