过程仪表基础知识

1、过程仪表制作人：董祥波目录第一章：仪表基础知识第二章：温度测量仪表第三章：压力测量仪表第四章：流量测量仪表第五章：物位测量仪表第六章：过程分析仪表第七章：执行机构第八章：DCS系统介绍第一章 仪表基础知识一、基本概念1、过程参数检测基本概念 过程参数检测-指连续生产过程中的温度、压力、流量、液位、和成分等参数的检测。 检测仪表-将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表。 一次仪表一次仪表-一般为将被测量转换为便于计量的物理量所使用的仪表。 二次仪表二次仪表-将测得的信号变送转换为可计量的标准电、气信号并显示的仪表。即包括变送器和显示装置。2 2、测量过程与测量误差、测量过程与测量误差 测量过

2、程测量过程-利用一个已知的单位量(即标准量)与被测的同类量进行比较的过程，即用仪器获取数据各方面信息的过程。 测量误差测量误差-在测量过程中测量结果与被测量的真值之间会有一定的差值。它反映了测量结果的可靠程度。 3 3、测量误差的分类、测量误差的分类按误差的数值表示来分，分为绝对误差、相对误差和引用误差按误差的数值表示来分，分为绝对误差、相对误差和引用误差 绝对误差绝对误差-指测量结果与被测量的真值之差。 相对误差相对误差-指绝对误差与真值或测量值之百分比。 引用误差引用误差-指绝对误差与测量范围上限值或测量 仪表量程的比值，以百分数表示。工 业仪表通常用引用误差来表示仪表的 准确程度。按误差

3、出现的规律来分，可分为系统误差、随机误按误差出现的规律来分，可分为系统误差、随机误差和疏忽误差。差和疏忽误差。 系统误差系统误差-指测量仪表本身或其他原因(如零点没有调整 好等)引起的有规律的误差。 随机误差随机误差-指在测量中所出现的没有一定规律的误差。 疏忽误差疏忽误差-指观察人员误读或不正确使用仪器与测试方 法等人为因素所引起的误差。按仪表使用的条件来分，有基本误差、附加误差按仪表使用的条件来分，有基本误差、附加误差 基本误差基本误差-指仪表在规定的正常工作条件下所具有的 误差。 附加误差附加误差-指仪表超出规定的正常工作条件时所增加 的误差。4 4、仪表分类、仪表分类 检测与过程控制仪

4、表最通用的分类，是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分，一般分为检测仪表、显示仪表、调节（控制）仪表和执行器4大类。 检测仪表根据被测变量分为：压力仪表、温度仪表、流量仪表、物位仪表、成分分析仪表。在工程上仪表性能指标通常用准确度（又称精度）、变差、灵敏度来描述。仪表工校验仪表通常也是调校精确度、变差和灵敏度三项。 1 1、准确度和准确度等级、准确度和准确度等级 仪表精确度：仪表精确度：简言之就是仪表测量值接近真值的准确程度，通常用相对百分误差 （也称相 对折合误差）表示。 准确度等级：准确度等级：在工业测量中，为了便于表示仪表的质量，通常用准确度等级来表示仪表 的准确程度。准确度等级就是最

5、大引用误差去掉正、负号及百分号。准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标。我国工业仪表等级一般划分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。 仪表准确度习惯上称精度，准确度等级习惯上称为精度等级二、仪表主要性能指标二、仪表主要性能指标 2 2、变差、变差 变差变差:是指仪表被测变量（可理解为输入信号）多次从不同方向达到同一数值时，仪表指示值之间的最大差值，或者说是仪表在外界条件不变的情况下，被测参数由小到大变化（正向仪表在外界条件不变的情况下，被测参数由小到大变化（正向特性）和被测参数由大到小变化（反向特性）不一致的程度特性）和被测参数由大到小变化（反向特性）不一致的程度

6、，两者之差即为仪表变差。变差大小取最大绝对误差与仪表标尺范围之比的百分比。 变差产生的主要原因变差产生的主要原因:是仪表传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件滞后等。取胜着仪表制造技术的不断改进，特别 是微电子技术的引入，许多仪表全电子化了，无可动部件，模拟仪表改为数字仪表等等，所以变差这个指标在智能型仪表中显得不那么重要和突出了。3 3、灵敏度、灵敏度 灵敏度灵敏度:是指仪表对被测参数变化的灵敏程度，或者说是对被测的量变化的反应能力，是在稳态下，输出变化增量对输入变化增量的比值.灵敏度有时也称“放大比”，也是仪表静特性贴切线上各点的斜率。增加放大倍数可以提高仪表灵敏度，单纯加大灵敏度并不改

7、变仪表的基本性能，即仪表精度并没有提高，相反有时会出现振荡现象，造成输出不稳定。仪表灵敏度应保持适当的量。然而对于仪表用户，诸如化工企业仪表工来讲，仪表精度固然是一个重要指标，但在实际使用中，往往更强调仪表的稳定性和可靠性，因为化工企业检测与过程控制仪表用于计量的为数不多，而大量的是用于检测。另外，使用在过程控制系统中的检测仪表其稳定性、可靠性比精度更为重要。4、复现性（又叫重复性）、复现性（又叫重复性） 测量复现性（重复性）测量复现性（重复性）:是在不同测量条件下，如不同的方法，不同的观测者，在不同的检测环境对同一被检测的量进行检测时，其测量结果一致的程度。测量复现性必将成为仪表的重要性能指

8、标。5、稳定性稳定性 稳定性稳定性:在规定工作条件内，仪表某些性能随时间保持不变的能力称在规定工作条件内，仪表某些性能随时间保持不变的能力称为稳定性（度）。为稳定性（度）。仪表稳定性是化工企业仪表工十分关心的一个性能指标。由于化工企业使用仪表的环境相对比较恶劣环境相对比较恶劣，被测量的介质温度、压力变化也相对比较大，在这种环境中投入仪表使用，仪表的某些部件在这种环境中投入仪表使用，仪表的某些部件随时间保持不变的能力会降低，仪表的稳定性会下降。随时间保持不变的能力会降低，仪表的稳定性会下降。徇或表征仪表稳定性现在尚未有定量值，化工企业通常用仪表零漂移来衡量仪表的稳定化工企业通常用仪表零漂移来衡量

9、仪表的稳定性性。仪表投入运行一年之中零位没有漂移，相反仪表投入运行不到3个月，仪表零位就变了，说明仪表稳定性不好。仪表稳定性的好坏直接关系到仪表的使用范围，有时直接影响化工生产，仪表稳定性不好造成的影仪表稳定性不好造成的影响往往比仪表精度下降对化工生产的影响还要大响往往比仪表精度下降对化工生产的影响还要大。仪表稳定性不好仪表维护量也大，是仪表工最不希望出现的事情。6、可靠性 可靠性:仪表可靠性是化工企业仪表工所追求的另一重要性能指标。可靠性和仪表可靠性和仪表维护量是相反相成的，仪表可靠性高说明仪表维护量小，反之仪表可靠性差，仪表维维护量是相反相成的，仪表可靠性高说明仪表维护量小，反之仪表可靠性

10、差，仪表维护量就大护量就大。对于化工企业检测与过程控制仪表，大部分安装在工艺管道、各类塔、釜、罐、器上，而且化工生产的连续性，多数有毒、易燃易爆的环境，这些恶劣条件给仪表维护增加了很多困难，一是考虑化工生产安全，二是关系到仪表维护人员人身安全，所以化工企业使用检测与过程控制仪表要求维护量越小越好，亦即要求仪表可靠性尽可能地高。随着仪表更新换代，特别 是微电子技术引入仪表制造行业，使仪表可靠性大大提高。仪表生产厂商对这个性能指标也越来越重视，通常用平均无故障时间MTBF来描述仪表的可靠性。一台全智能变送器的MTBF比一般非智能仪表如电动变送器要高10倍左右，它可高达100390年。举例PDT-2

11、120P代表压力D代表差压T代表传送或变送器三、仪表位号的表示方法 1、仪表位号的组成2 2、被测变量和仪表功能的字母代、被测变量和仪表功能的字母代号号第一节 热量传递的方式本节的主要内容一、热传导二、对流传热三、辐射传热第二章、温度测量仪表第二章、温度测量仪表在环境工程中，很多过程涉及加热和冷却：对水或污泥进行加热；对管道及反应器进行保温以减少系统的热量散失；在冷却操作中移出热量。传热是极普遍的过程：凡是有温差存在的地方，就必然有热量传递。环境工程中涉及的传热过程主要有两种情况：强化传热过程，如各种热交换设备中的传热；削弱传热过程，如对设备和管道的保温，以减少热量损失。传热速率问题物体由于热

12、的原因而发出辐射能的过程。根据传热机理的不同，热的传递主要有三种方式：热传导对流传热辐射传热通过物质的分子、原子和电子的振动、位移和相互碰撞发生的热量传递过程。 流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，仅发生在液体和气体中。通常认为是流体与固体壁面之间的热传递过程。物体各部分之间无宏观运动 本节思考题(1)什么是热传导？(2)什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。(3)简述辐射传热的过程及其特点。(4)试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。(5)若冬季和夏季的室温均为18，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？第二节、第二节、

13、 基本概念基本概念 温度：温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。过程相联系。 温度概念的建立及测量：温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的以热平衡为基础的， 温度最本质的性质：温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生生 导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相导热换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。同的温度。 而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标

14、、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。 华氏温标（F）规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等份为华氏1度，符号为F。 摄氏温度（）规定：在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等份为摄氏1度，符号为。 摄氏温度值t和华氏温度值tF有如下关系： 热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。 热力学温度T（K）与摄氏温度t的关系是：T（K）=273.15+t()。CttF)32(95第三节、温度测量仪表的分类第三节、温度测量仪表的分类 按使用的测量范围分按使用的测量范围分

15、常把测量600以上的测温仪表叫高温计；测量600以下的测温仪表叫温度计 按用途分按用途分 标准仪表和实用仪表 按工作原理分按工作原理分 分为膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计五类 按测量方式分按测量方式分 分为接触式与非接触式两大类。前者测温元件直接与被测介质接触，这样可以使被测介质与测温元件进行充分地热交换而达到测温目的；后者测温元件与被测介质不接触，通过辐射或对流实现热交换来达到测温的目的。第三节、温度测量仪表的分类第三节、温度测量仪表的分类1 1、接触式测温、接触式测温 温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等。 (1) 膨胀式温度计 (2) 热

16、电阻温度计 (3)热电偶温度计 (4)其他原理的温度计直观、可靠，测量仪表也比较简单特点缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。2 2、非接触测温、非接触测温 温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度。 (1) 辐射式温度计 (2) 红外线温度计红外线温度计：特点不与被测物体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价

17、格比较昂贵。1、应用热膨胀原理测温、应用热膨胀原理测温 测量原理物体受热时产生膨胀 液体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计 玻璃管温度计 双金属温度计第四节、工业常用温度检测仪表第四节、工业常用温度检测仪表2、膨胀式温度计、膨胀式温度计 双金属片双金属片温度计双金属温度信号器1-双金属片 2-调节螺钉 3-绝缘子 4-信号灯感温元件:两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的.3、压力式温度计、压力式温度计 利用密闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀利用密闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度

18、或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度u 工作介质是气体、液体或蒸气工作介质是气体、液体或蒸气u 简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性u 动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度速变化的温度4 4、双金属温度计、双金属温度计一、工作原理 双金属温度计属于固体膨胀式温度计。双金属温度计中的感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的。双金属片受热后，由于两金属片的膨胀长度不同双金属片受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引起

19、弯曲的角度就越大。而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引起弯曲的角度就越大。双金属温度计就是基于这一原理而制成的，它是用双金属片制成螺旋形感温元件，外加金属保护套管，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴旋转，同时带动指针在刻度盘上指示出相应的温度数值。双金属温度计是一种测量中 低温度的现场检测仪表。可 以直接测量各种生产过程中 的-80+500范围内液体 、蒸汽和气体介质温度。特点 现场显示温度，直观方便； 安全可靠，使用寿命长； 多种结构形式。5 5、热电阻、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。其中铂热电阻的测量精度是最高的

20、，它广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。 应用热电阻原理测温应用热电阻原理测温 导体或半导体的电阻值随温度变化导体或半导体的电阻值随温度变化 测量原理 T R热电阻热电阻温度计适用于测量热电阻温度计适用于测量-200500范围内液体、气体、蒸汽及固体表范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度；具有远传、自动记录和实现多点测量等优点。热电阻输出信面的温度；具有远传、自动记录和实现多点测量等优点。热电阻输出信号大，测量准确号大，测量准确o 什么是RTD?n Resistance Temperature Detectorn 铂线电阻的变化近于理想曲线 IEC 751 电电 阻阻( 欧欧 姆姆)

21、 电阻与温度电阻与温度国际通用关系图国际通用关系图:oCOhms0100.0010103.9020107.7930111.67IEC 751IEC751温温 度度 (oC) 热电阻测温原理及材料热电阻测温原理及材料： 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用铑、镍、锰等材料制造热电阻。 热电阻测温系统的组成：热电阻测温系统的组成： 热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和温度控制显示表等组成。必须注意两点：“热电阻和温度控制显示表的分度号必须一致；为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采取三线

22、制接法。” 常用工业热电阻包括常用工业热电阻包括： 铠装热电阻、装配热电阻、防爆热电阻4- 线线 RTD 为什么使用2-, 3-,或4- 线 RTD? 2- 线线: 成本最低 - 使用极少，因为引线电阻的误差很大 3- 线线: 成本/性能比适中. 引线补偿良好. 4- 线线: 理论上最好的引线补偿方法(完全补偿); 精度最高，成本最高.常见故障原因及处理常见故障原因及处理 RrRtWZP-230 总长/插入深度=500/350mmWZPK2-230 总长/插入深度=300/150mm6、 热电偶热电偶如图所示，两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。置于被测温度为 t 的介

23、质 中，称为工作段，另一端为自由端，放在温度为t0的恒定温度下，当工作段的被测介质温度发生变化时，热电势也随温度发生一定规律的变化。热电偶产生的热电动势，其大小只与电极材料与两端的温差有关，而与热电极的长度和直径的粗细无关。采用热电偶为测量元件的变送器称之为热电偶温度变送器。从外观上看，热电阻和热电偶温度变送器没有太大的区别。热电偶两端的热电势差可以用下式表示：E=eAB(t)-eAB(t0) 式中：Et-热电偶的热电势； eAB(t)-温度为t时工作端的热电势； eAB(t0)-温度t0时自由端的热电势； 热电偶产生热电势的条件是两热电极材料相两热电极材料相异、两接点温度相异异、两接点温度相

24、异。同种补偿导线配同种热电偶，如果所选的补偿导线种类不对，一样产生误差。假设使用S 型热电偶，选择了K 型偶的补偿导线KX，如图5 所示。根据中间导体定律，仪表所接收的总热电势为EZ（T1，T2）=ES（T1，T3）+EKX（T3，T2）如果正确使用S 型偶补偿导线SC，不考虑补偿导线自身误差，仪表测量的总电势为EZ（T1，T2）=ES（T1，T3）+ES（T3，T2）由于选错了补偿导线仪表测量值由此产生误差为式:EZ- EZ= ES（T1，T3）+EKX（T3，T2） - ES（T1，T3）- ES（T3，T2） = EKX（T3，T2） - - ES（T3，T2如果S 型热电偶工作温度为9

25、00，控制间环境温度为25，仍按照T3- T2=8，分别查S 偶和K 偶分度表，得出电势差为； EK（T3，T2）- ES（T3，T2）=0.278mV仪表测量温度比实际温度高。如果仪表控制在900时，实际值只有875.1，误差24.9。如果上述情况又将极性接反，仪表测量值偏高，仪表显示900时，实际温度为933.2，误差33.2。如果正确连接，仪表所接收的总热电势为： EZ=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）因为连接的错误，根据中间导体定律，仪表所接收的总热电势为：EZ=EK（T1，T3）-EKX（T3，T2）计算，仪表测量值由此产生误差为：EZ- EZ=EK（T1，T3）+ EKX（

26、T3，T2）- EK（T1，T3）- EKX（T3，T2）=2EK（T3，T2）一般工业炉附近的温度，至少比控制间的温度高8。那么由此产生误差正好是补偿导线补偿值的2 倍。对于 K型偶，微分电势值基本在 40（/ V）左右，测量温度大约比实际温度低16。如果控制温度设定在600，实际温度应该在616左右。从上面的分析可以看出，当热电偶补偿导线正负极接反，不仅没有起到补偿作用，误差比不接补偿导线还增加一倍，因此补偿导线在连接时一定要注意极性。如果不能确定热电偶补偿导线极性时，可以取一段补偿导线，将一端绝缘去掉后拧在一起，放在热水杯中，用普通万用表直流电压量程最低档测量另一端的2 根线，万用表上会

27、显示测量电压的正负，信号的正极为补偿导线的正极。温度变送器的作用:有人说是测量温度的，这是不对的。其作用是将检测的热电偶或则热电阻等温度信号转变为标准的仪表信号如4-20mADC,或者1-5VDC.七、温度变送器AD105拨码开关型智能温度变送器Pt100、Cu50、Pt1000输入，4.20mA输出，防雷，抗脉冲群，抗射频干扰，能有效抑制因漏电造成的影响AD105拨码开关型智能温度变送器，是一种可以通过拨码开关设置量程范围的智能型两线制温度变送器，同时还具备PC可编程的功能。它能接受热电阻信号输入，并对输入信号进行线性化处理，输出4.20mA(两线制) 标准信号，并传输到DCS、PLC等系统

28、控制设备；具有传感器损坏、短路故障信号可预设置等特点。供电方式为输出回路供电，无需另配电源，即无源式，一般安装在温度传感器的头部接线盒里，安装孔为圆形条状设计，可满足不同尺寸接线盒的要求，也可通过安装支架装在标准DIN导轨上。第三章第三章 压力测量仪表压力测量仪表第一节第一节 概述概述第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计第四节第四节 电气式压力计电气式压力计第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验 第六节第六节 差压变送器差压变送器第一节第一节 概述概述压力是重要的热工参数之一压力是重要的热工参数之一, , 正确测量和控制压力对保证

29、生正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。量还广泛地应用在流量和液位的测量中。 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。在国际单位制（。在国际单位制（SISI）和我国法定计量单位中，压力的单位是和我国法定计量单位中，压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称“帕帕”，符号为，符号为“Pa”Pa”。 1Pa=1N/m21Pa=1N/m2 即即1N1N力垂直均匀作用在力垂直均匀作用在1m1m2 2的面积上所形成的压力值为的面积上所形成的压力值为1Pa1P

30、a。 过去采用的压力单位过去采用的压力单位“工程大气压力工程大气压力”（kgf/cmkgf/cm2 2）、“毫米汞柱毫米汞柱”（mmHgmmHg）、）、“毫米水柱毫米水柱”（mmHmmH2 2O O）、）、“物理大气压物理大气压”（atmatm）、）、“巴巴”（barbar）、）、“PSI”PSI”等均应等均应改成法定计量单位帕。改成法定计量单位帕。 换算关系如下：换算关系如下：1kgf/cm1kgf/cm2 2 = 0.9807= 0.980710105 5PaPa 1mmH 1mmH2 2O = 0.9807O = 0.980710Pa10Pa 1mmHg = 1.332 1mmHg =

31、1.33210102 2PaPa 1atm = 1.01325 1atm = 1.0132510105 5PaPa bar = 10 bar = 105 5PaPa 1PSI = 6.891PSI = 6.8910103 3PaPa第一节第一节 概述概述一、压力几种不同表示方法一、压力几种不同表示方法 (1) (1) 绝对压力绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力指作用于物体表面积上的全部压力, , 其零其零点以绝对真空为基准点以绝对真空为基准, , 又称总压力又称总压力, , 一般用大写符号一般用大写符号P P表示。表示。 (2) (2) 大气压力大气压力 指地球表面上的空气柱重量所产生的

32、压指地球表面上的空气柱重量所产生的压力力, , 以以P P0 0表示。表示。 (3) (3) 表压力表压力 绝对压力与大气压力之差绝对压力与大气压力之差, , 一般用一般用P P表示。表示。测压仪表一般指示的压力都是表压力测压仪表一般指示的压力都是表压力, , 表压力又称相对压表压力又称相对压力。当绝对压力小于大气压力力。当绝对压力小于大气压力, , 则表压力为负压则表压力为负压, , 负压又负压又可用真空度表示可用真空度表示, ,负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。道气的压力均是负压。 (4) (4) 差压差压 任意两个压力之差称为差压

33、。如静压式液位计任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小。流量的大小。第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述1.1.平衡法平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力。平衡的原理测量压力。2. 2. 弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小。压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小。3.

34、 3. 电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。量的变化。三、压力测量仪表的分类三、压力测量仪表的分类第一节第一节 概述概述u压力传感器从其原理及结构可分为：液柱式、机械式压力传感器从其原理及结构可分为：液柱式、机械式及电气式及电气式u测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：测量压力的仪表，按信号原理不同，大致可分为四类：液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液液柱式：根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度；柱高度；机械式：根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力机械式：根据弹性元件受力变形的原理，

35、将被测压力转换成位移；转换成位移；电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电气式：将被测压力转换成各种电量，如电感、电容、电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量；电阻、电位差等，依据电量的大小实现压力的间接测量；活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压活塞式：根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 u利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的利用液柱对液柱底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理原理，通过液柱高度来反映被测压力的大小。通过液柱高度来反映被

36、测压力的大小。u采用水银或水为工作液，用采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的检测。低压、负压或压力差的检测。u被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、被广泛用于实验室压力测量或现场锅炉烟、风道各段压力、通风空调系统各段压力的测量。通风空调系统各段压力的测量。u优点：优点：结构简单，使用方便，有相当高的准确度，应用广泛。结构简单，使用方便，有相当高的准确度，应用广泛。u缺点：缺点：量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及量程受液柱高度的限制，体积大，玻璃管容易损坏及读数不方便。读数不方便。一、一、U U形管压力计形管

37、压力计P=PP=P1 1P P2 2=g(h=g(h1 1+h+h2 2) )提高工作液密度将提高工作液密度将增加压力的测量范增加压力的测量范围，但灵敏度要降围，但灵敏度要降低。低。U U形管压力计原理图形管压力计原理图1-U1-U型玻璃管；型玻璃管；2-2-工作液；工作液；3-3-刻度尺刻度尺第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 二、单管压力计二、单管压力计因因则则故故由于由于 Dd，所以，所以 P =gh212224d4hDh2Dd122hh 2d21)1 ()(p22hghhgD单管液柱式压力计单管液柱式压力计1-1-测量管测量管 2-2-宽口容器宽口容器 3-3-刻度尺刻度尺第二节第

38、二节 液柱式压力计液柱式压力计 由于由于U形管压力计需两次读形管压力计需两次读取液面高度，为使用方便，设取液面高度，为使用方便，设计出一次读取液面高度的单管计出一次读取液面高度的单管压力计。压力计。习题习题 1 1、用平管液柱式压力计测得的介质压力为液柱高度、用平管液柱式压力计测得的介质压力为液柱高度380mmH380mmH2 2O,O,由于大容器由于大容器Dd(dDd(d为测压管直径为测压管直径),),可忽略可忽略大容器液位下降值大容器液位下降值. .求介质压力。求介质压力。已知：容器中灌注为已知：容器中灌注为1K,1K,设设=1000kg/m=1000kg/m3 3,g=9.81 ,g=9

39、.81 。 解：被测介质压力解：被测介质压力 P=ghP=gh =1000 =10009.819.810.380.38 =3.73 =3.7310103 3(Pa)(Pa)三、斜管微压计三、斜管微压计第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 主要用于测量微小压力、主要用于测量微小压力、负压和压差，它将单管液柱负压和压差，它将单管液柱压力计的测量管倾斜放置，压力计的测量管倾斜放置，这样可以提高灵敏度，减少这样可以提高灵敏度，减少读数相对误差。读数相对误差。倾斜角度越小，倾斜角度越小，l越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，越长，测量灵敏度就越高；但不可太小，否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大，不能

40、小于否则液柱易冲散，读数较困难，误差增大，不能小于15。这种这种倾斜管液柱式压力计倾斜管液柱式压力计可以测量到可以测量到0.98Pa的微压。为了的微压。为了进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作进一步提高微压计的精确度，应选用密度小的酒精作为工作液体。液体。 三、斜管微压计三、斜管微压计第二节第二节 液柱式压力计液柱式压力计 第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表用弹性传感器（又称弹性元件）组成的压力测量仪表称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出称为弹性式压力计。弹性元件受压后产生的形变输出（力或位移），可以通过传动机构直接

41、带动指针指示（力或位移），可以通过传动机构直接带动指针指示压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送压力（或压差），也可以通过某种电气元件组成变送器，实现压力（或压差）信号的远传器，实现压力（或压差）信号的远传。1 1、弹性元件、弹性元件 采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件, , 可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 CPACFxCxFPAF 测压原理：测压原理

42、：弹性元件在弹性限度内受压后会产生弹性元件在弹性限度内受压后会产生变形，变形大小与被测压力成正比关系。变形，变形大小与被测压力成正比关系。 F：轴向外力；轴向外力； A: 弹性元件承受压力的有效面积；弹性元件承受压力的有效面积； P: 被测压力；被测压力； C：弹性元件的刚度系数；弹性元件的刚度系数； X: 弹性元件的形变位移。弹性元件的形变位移。 第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 2 2、弹簧管压力表、弹簧管压力表 弹簧管压力表结构如图所示。弹簧管压力表结构如图所示。被测压力由接头被测压力由接头9 9通入通入, , 迫使弹簧管迫使弹簧管1 1的自由端产生位移的自由端产生位移, , 通过

43、拉杆通过拉杆2 2使使扇形齿轮扇形齿轮3 3作逆时针偏转作逆时针偏转, , 于是指针于是指针5 5通过同轴的中心齿轮通过同轴的中心齿轮4 4的带动而作的带动而作顺时针偏转顺时针偏转, , 在面板在面板6 6的刻度标尺上的刻度标尺上显示出被测压力的数值。显示出被测压力的数值。 第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 u 结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量结构简单，使用方便，价格低廉，使用范围广，测量范围宽范围宽;u 可测负压、微压、低压、中压和高压可测负压、微压、低压、中压和高压;u 精度有精度有0.5、1.0、1.5、2.5等。等。第三节第三节 弹性式压力计弹性式压力计 2 2、弹

44、簧管压力表、弹簧管压力表第四节第四节 电气式压力计电气式压力计u为适应集中检测、自动调节及使用计算机技为适应集中检测、自动调节及使用计算机技术的需要，希望把弹性元件的输出术的需要，希望把弹性元件的输出位移或位移或压力转为统一信号，出现了电气式压力计。压力转为统一信号，出现了电气式压力计。u电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件电气式压力检测方法一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。 u能实现压力电量转换的压敏元件主要有压能实现压力电量转换的压敏元件主要有压电材料、应变片和压阻元件。电材料、应变片和压阻元件。1 1、压电式压力传感

45、器、压电式压力传感器u 压电效应原理压电效应原理：压电材料受：压电材料受压时会在其表面产生电荷，其电压时会在其表面产生电荷，其电荷量与所受的压力成正比。荷量与所受的压力成正比。u 压电材料压电材料：单晶体、多晶体：单晶体、多晶体u 特点特点：结构简单、紧凑，小：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，线性度好，巧轻便，工作可靠，线性度好，频率响应高，量程范围广。频率响应高，量程范围广。霍尔元件是利用霍尔元件是利用( )( )工作的半导体元件。工作的半导体元件。A A磁电效应磁电效应 B B电磁效应电磁效应 C C压电效应压电效应 D D以上都不是以上都不是C C问题？问题？第四节第四节 电气式压力

46、计电气式压力计2、 应变式压力传感器应变式压力传感器u应变片应变片是基于应变效应工作的一种压力敏感元件是基于应变效应工作的一种压力敏感元件，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻，当应变片受外力作用产生形变时，应变片的电阻值也将发生相应变化。值也将发生相应变化。u应变式压力传感器应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相是由弹性元件、应变片以及相应的桥路组成的，利用弹性敏感元件和应变计将被应的桥路组成的，利用弹性敏感元件和应变计将被测压力转换为相应电阻值变化的压力传感器。测压力转换为相应电阻值变化的压力传感器。第四节第四节 电气式压力计电气式压力计u缺点：缺点：输出信号小、线性范围窄输出信

47、号小、线性范围窄,而且动态响应较而且动态响应较差差(见电阻应变计、半导体应变计见电阻应变计、半导体应变计)。u优点：优点：应变片的体积小应变片的体积小,商品化的应变片有多种规商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。力传感器仍有广泛的应用。u分类：分类：按弹性敏感元件结构的不同按弹性敏感元件结构的不同,应变式压力传应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁

48、式和组合式式4种。种。2 2、应变式压力传感器、应变式压力传感器第四节第四节 电气式压力计电气式压力计3、压阻式压力传感器、压阻式压力传感器u 压阻元件压阻元件是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它是基于压阻效应工作的一种压力敏感元件，它指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。u 扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅扩散电阻正常工作需依附弹性元件，常用的是单晶体硅膜片。膜片。u优点优点：体积小，结构简单，能直接反映微小的压

49、力变化，：体积小，结构简单，能直接反映微小的压力变化，动态响应好；动态响应好；u缺点：缺点：敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大敏感元件易受温度的影响，从而影响压阻系数的大小。小。第四节第四节 电气式压力计电气式压力计右图是压阻式压力传感器的结右图是压阻式压力传感器的结构示意图。在一块圆形的单晶构示意图。在一块圆形的单晶硅膜片上硅膜片上, , 布置四个扩散电阻布置四个扩散电阻, , 组成一个全桥测量电路。膜片组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定用一个圆形硅杯固定, , 将两个将两个气腔隔开。一端接被测压力气腔隔开。一端接被测压力, , 另一端接参考压力。当存在压另一端接参考压力

50、。当存在压差时差时, , 膜片产生变形膜片产生变形, , 使两对使两对电阻的阻值发生变化电阻的阻值发生变化, , 电桥失电桥失去平衡去平衡, , 其输出电压反映膜片其输出电压反映膜片承受的压差的大小。承受的压差的大小。 第四节第四节 电气式压力计电气式压力计第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验一、压力检测仪表的选择一、压力检测仪表的选择1.1.仪表量程的选择仪表量程的选择u被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的的3/43/4；u被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压

51、力不应超过仪表满量程的超过仪表满量程的2/32/3；u为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/31/3；u优先满足最大工作压力条件。优先满足最大工作压力条件。2. 仪表精度的选择仪表精度的选择 压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。差应小于仪表的基本误差。3. 仪表类型的选择仪表类型的选择u从被测介质压力大小来考虑从被测介质压力大小来考虑u被测介质的性质被测介质的性质u对仪表输出信号

52、的要求对仪表输出信号的要求u使用的环境使用的环境第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验一、压力检测仪表的选择一、压力检测仪表的选择习题习题1616、锅炉给水压力值最大、锅炉给水压力值最大16MPa,16MPa,最小最小15MPa,15MPa,试问试问应选用多大量程的压力表？应选用多大量程的压力表？解：解：仪表刻度上限值仪表刻度上限值=3/2=3/2测量上限值测量上限值 =3/2=3/21616 =24MPa =24MPa 根据计算结果根据计算结果, ,可选用可选用0 025MPa25MPa的压力表。的压力表。二、压力仪表的校验二、压力仪表的校验第五节第五节 压力检测仪表

53、的选择与校验压力检测仪表的选择与校验u校验校验就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，就是将被校验压力表和标准压力表通以相同压力，比较它们指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，比较它们指示数值，如果被校表对于标准表的读数误差，不大于被校表规定最大准许绝对误差时，则认为被校表不大于被校表规定最大准许绝对误差时，则认为被校表合格。合格。u常用的校验仪器常用的校验仪器是活塞式压力计，它由压力发生部分是活塞式压力计，它由压力发生部分和测量部分组成，它的精度等级有和测量部分组成，它的精度等级有0.020.02、0.050.05和和0.20.2级，级，可用来校准可用来校准0.250.25级精密压力

54、表，也可校准各种工业用压级精密压力表，也可校准各种工业用压力表，被校压力的最高值为力表，被校压力的最高值为60MPa60MPa。校验方法：校验方法：1.1.在测量范围内选取在测量范围内选取3-43-4个点，选在带有刻度数字的大刻度个点，选在带有刻度数字的大刻度点上；点上；2.2.均匀增至刻度上限，保持上限压力均匀增至刻度上限，保持上限压力3min3min，观察指针的变，观察指针的变动情况；动情况；3.3.单方向增至校验点后度数，轻敲表壳再读数，再单方向单方向增至校验点后度数，轻敲表壳再读数，再单方向将至校验点校验，计算误差。将至校验点校验，计算误差。二、压力仪表的校验二、压力仪表的校验第五节第

55、五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验三、压力表的安装三、压力表的安装第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验1. 取压口的选择取压口的选择u测量液体：在管道下部取压测量液体：在管道下部取压u测量气体：在管道上部取压测量气体：在管道上部取压u测量蒸汽：在管道两侧偏上取压测量蒸汽：在管道两侧偏上取压2. 导压管的铺设导压管的铺设u导压管是传递压力、压差信号的，要导压管是传递压力、压差信号的，要有有3%坡度，长度小于坡度，长度小于50m。导压管应导压管应垂直或倾斜敷设，起倾斜度不小于垂直或倾斜敷设，起倾斜度不小于1:121:12，粘度高的流体，其倾斜度应更增大

56、。粘度高的流体，其倾斜度应更增大。三、压力表的安装三、压力表的安装第五节第五节 压力检测仪表的选择与校验压力检测仪表的选择与校验3. 取压口管与工质流速方向垂直，与设备内壁平齐，无凸起和毛刺。取压口管与工质流速方向垂直，与设备内壁平齐，无凸起和毛刺。4. 防止仪表传感器与高温和有害介质直接接触。防止仪表传感器与高温和有害介质直接接触。5. 取压口和压力表之间要有隔离阀，以备检修。取压口和压力表之间要有隔离阀，以备检修。习题习题6161、在水平管道上测量气体压力时的取压点应选在、在水平管道上测量气体压力时的取压点应选在( ( ) )。 A A、管道上部、垂直中心线两侧、管道上部、垂直中心线两侧4

57、545度范围内度范围内 B B、管道下部、垂直中心线两侧、管道下部、垂直中心线两侧4545度范围内度范围内 C C、管道水平中心线以上两侧、管道水平中心线以上两侧4545度范围内度范围内 D D、管道上部、垂直中心线两侧、管道上部、垂直中心线两侧4545度范围内度范围内6464、一般工业用压力表耐压检验时间为、一般工业用压力表耐压检验时间为( )( )分钟。分钟。 A A、 3 B3 B、 5 C5 C、 10 D10 D、 8 81717、在进行差压管路敷设时、在进行差压管路敷设时, ,已知敷设的管路长度已知敷设的管路长度2424米米, ,试试问管路两端的最小高度差不少于多少米？问管路两端的

58、最小高度差不少于多少米？ 解：解：根据规程根据规程, ,在敷设差压管路时在敷设差压管路时, ,管路应保持不小管路应保持不小于于1:121:12的坡度。的坡度。 最小的高度差最小的高度差=24=24（1/121/12） =2(=2(米米) ) 即管路两端最小高度差不应小于即管路两端最小高度差不应小于2 2米米。 差压变送器可以测量液体、气差压变送器可以测量液体、气体和蒸汽的压力、压差及液位等参数体和蒸汽的压力、压差及液位等参数, , 与节流装置配合可测量流量。与节流装置配合可测量流量。 差压变送器有气动差压变送器差压变送器有气动差压变送器（输出（输出2020100KPa100KPa压力信号）和电

59、动压力信号）和电动差压变送器（输出差压变送器（输出4 420mA20mA或或0 010mA10mA标准电流信号）。标准电流信号）。第六节第六节 差压变送器差压变送器 力平衡式差压变送器是基于力矩原理工作的力平衡式差压变送器是基于力矩原理工作的, , 它是以电它是以电磁反馈力产生的力矩去平衡输入力产生的力矩。由于采用了磁反馈力产生的力矩去平衡输入力产生的力矩。由于采用了深度负反馈深度负反馈, , 因而测量精度较高因而测量精度较高, , 而且保证了被测差压而且保证了被测差压PPi i和输出电流和输出电流I I0 0之间的线性关系。之间的线性关系。 一、力平衡式差式变送器一、力平衡式差式变送器 力平

60、衡式差压变送器的构成方框图如图所示力平衡式差压变送器的构成方框图如图所示, , 它包括测它包括测量机构、杠杆力平衡机构、位移检测放大器及电磁反馈机构。量机构、杠杆力平衡机构、位移检测放大器及电磁反馈机构。第六节第六节 差压变送器差压变送器 压力、差压变送器结构都一样压力、差压变送器结构都一样, , 只是只是弹性元件稍有差别。右图为电动力平衡压弹性元件稍有差别。右图为电动力平衡压力变送器结构简图。被测压力力变送器结构简图。被测压力p p作用在测作用在测量膜片量膜片1 1上上, , 转换为输入力作用于主杠杆转换为输入力作用于主杠杆2 2的下端。主杠杆以支点膜片的下端。主杠杆以支点膜片3 3为轴而偏