自动化仪表讲课

1、 自动化仪表学习、交流总公司 4月：0。9622亿 85。7%5月 1。0365亿 79。62002年价格 0。4667元/KWH 近5000万元/月燃气发电 9。9亿KWH/年 0。825KWH/月 月节电费： （0。4667-。18）*0。825=2365万元 消耗高炉煤气：13.7万NM3/H焦炉煤气：2。8万NM3/H 占总（8万）35%目前放散高炉煤气：5万KWH/H *0。045=2250/H 5。4W/R焦炉煤气：1万NM3/H *0。52=5200/H 12。48W/R数字来源-测量（检测）第一部分：热工仪表检测（重点） 二。 控制（显示） 控制仪表计算机取代 显示仪表 第一节

2、：基本知识一 测量和测量方法测量：就是用试验的方法把被测量与所采用的测量单位相比较，求出其数学比值的过程。数学形式如下：q=Q/VQ-被测量V-测量单位q-测量结果的数值测量是通过一种比较的装置来进行的。这种装置为测量仪表。测量方法：好多 方法影响结果 加油机（桶、涡轮、科里奥里 按测量结果分类1 直接测量法：被测量与测量单位直接比较所的结果。例如：指针压力表、体温表2 间接测量法：通过直接测量与被测量有确定函数的一个或多个量，然后计算出被测量的方法。例如：导体电阻 R=U/I 流量=速度*面积3 组合测量法：当被测量与直接测量的一些量不是一个函数关系，需要求解一个方程组才能取得时即为组合测量

3、法。 主要用于实验室和科学研究。二测量误差1 随机误差：不能预定的误差。是在相同测量条件下多次重复测量同一个量时，以不可预定的方式变化的测量误差的分量。2 系统误差：有确定规律的误差。 是在相同测量条件下多次重复测量同一个量时，保持固定不变的误差的分量。3 粗大误差：超出规定条件下预期的误差测量结果显著偏离被测量的实际值所对应的误差。严重歪曲测量结果，人为因素-测量条件变化。三仪表误差和不确定度1绝对误差：测量值-真值2相对误差：绝对误差 / 真值3引用误差：绝对误差 / 仪表上限值（或量程）4不确定度：由于误差的存在而对被测量值不能肯定的程度。四误差来源：1。装置误差：天平水平。 2环境误差

4、：温度、湿度，电磁干扰 3人为误差：操作、读数 4方法误差：测量（插入深度），计算（常量）第二节 压力测量仪表一 压力压力系指流体对单位面积上的垂直作用力，也就是物理学中的压强。 P=F/S P：压力 F：流体对某面积上的垂直作用力S：流体作用的面积压力单位：Pa、MPa 1MPa=10 Pa习惯工程压力 1Kgf/cm2=0。0980665MPa表压：P表（压力表指示）绝对压力：P绝对（压强）P绝对=P表+P大气（当地） 济南：102241Pa 拉萨：64916Pa二U型管压力计原理：利用一定高度的液柱对底面产生的静压力与被测压力相平衡的原理，通过液柱高度反映被测压力的大小的仪器。 结构：H

5、：液体高度差r：液体的重度 水（10C）：1000Kgf/m3 水银P=P0+r*H （绝压） P表=r*H 读数误差 1mm+1mm 2mm为减少相对误差，提高灵敏度，采用低重度的液体。范围：最简单 适用于压力、真空度、压力差 实验室误差：1.温度误差 ，液体重度 35C：994 Kgf/m32.安装位置误差 要求U管严格垂直优缺点：结构简单使用方便，有较高的精度 量程受限于液柱高度，测差压时静压受限于玻璃管 无远传信号三、弹簧管压力表原来：利用各种弹性元件弹性变形产生的弹性力与被测压力产生的力相平衡，通过测量弹性元件变形量来测量压力。结构： 形状：椭圆、扁圆 材质：黄、紫铜-灵敏高钢 -压

6、力高范围：适用广泛，压力、真空，气（汽），水量程 厘米水柱到万公斤（几百Pa 几十MPa）同时具有远传信号及报警电接的点。四电测测压仪表（压力变送器）目前我公司常用：散硅应变式、电容式工作原理： 电阻变化 测量部分 | 转换部分 |4-20mADC 电容变化1 测量部分1 硅应变式：扩散硅受压，基于压阻效应而改变电阻，使其输出信号。结构：2 电容式：感压模片受压产生移位，改变电容极板距离，而改变电容，使其输出信号。结构： S：面积C=e*S/d d：极板距离3 转换部分：电子技术、加工工艺发展型：分离元件、220V、四线制、0-10mA，庞大、笨重，精度低 1%，飘移大型：集成，220V、四线

7、制，0-10mA，精度 0。5%，型：超大集成，24V，二线制4-20mA，（供电、信号公用）小巧、安全、方便，精度高0。1% 智能表：单片机，除具有 型表优点外，还具有，表头显示、无可调整部位（零点、量程）、量程调整宽（手持终端），无须打压标定，精度高0。075%-0。025%，输出信号模拟数字兼容，具有自诊断功能（欠、超压）4适应范围：液体、气体、蒸汽，微、高压（差），50Pa-50MPa，负压（真空）5安装要求：取压垂直与流体方向 气体：防止积水 液体：防止气阻 蒸汽：防止烫表（冷凝器）第三节 温度测量仪表一 温度测量的一般概念工业生产、科学实验重要的热工参数之一，自然界存在的实体都具有

8、温度参数。气体、液体、物体，1 温标：就是温度数值的表示方法。2 摄氏温标：习惯用，将冰的融点定为零度（0 C），水的沸点定为一百度（100 C），中间分外为一百等格，每一格代表摄氏一度。（1C）3 热力学温标（可尔文、K）：热力学物质三相点（固、液、汽）三态平衡时规定，水： 固-液 273。16 K（0。01C）4 摄氏温度与热力学温度关系： t=T-273。15 t：摄氏温度T：热力学温度 二温度测量的方法1 利用物体膨胀固体：如双金属温度计液体：如水银玻璃温度计气体：如压力表式的温度计2 利用金属或半导体电阻与温度的关系：如电阻温度计。3 利用热电效应： 如热电偶温度计。4 利用物体辐射

9、能与温度的关系：红外辐射温度计。三电阻温度计 导体或半导体的电阻随温度变化而变化。当温度升高一度，大多数金属导体的电阻要生高0。4-0。6%，而半导体要减少3-6%。1 原理：金属导体电阻与温度的关系：Rt=Rt01+a（t-t0）Rt-温度为t C 时的电阻值。Rt0-温度为t0C 时的电阻值a-导体的温度系数。a随温度变化而变化，计算时通常取t-t0之间的平均值。2 材料：(1).铂热电阻: 用0。05-0。07毫米铂金属绕制而成。它化学比较稳定，测量精度较高，可靠性较好。量范围200-500C。电阻值与温度之间的函数为非线性关系： Rt=R0（1+At+Bt ），利用公式计算电阻与温度的

10、数值，并列成表，既为铂热电阻分度表。（2）铜热电阻:用0。1毫米铜漆包线绕制而成。用于测量-50-150C的温度。温度系数较大，价格低，应用广泛。电阻值与温度之间的函数为线性关系：Rt=R0（1+at） 计算并列成表，既为铜热电阻分度表。3 结构：4 安装使用为保证测量精度要求：（1）。安装位置便于施工、维护。（2）热电偶插入方向应与被测介质流向相逆，或垂直。（3）。插入深度越深越好，为取得较大的插入深度，可采取斜插、扩插或弯管出插入。 5 误差分析（1）。分度误差：热电阻与温度的关系与分度表之间的误差。系统误差，通过校表可以求得。（2）线路电阻变化引起的误差：接线电阻随环境温度变化而变化，使

11、测量产生误差。可采用三线制接线法来消除。 四热电偶温度计 应用广泛，长期使用1300C以下，特殊材料制成可达2800C。1工作原理： 利用二个电势 （1）。接触电势：当二种不同的金属导体或半导体A和B相互接触时，由于两者有不同的电子密度（例如Na Nb），A向B扩散电子，A体带正电，B体带负电。因此，在A、B的接触面形成一电位差，电势的形成对扩散起阻止作用。最后达到某种动平衡状态，平衡后的这一电势称接触电势。接触电势的大小，取决于导体的性质（密度）和接触点的温度。 （2）。温差电势：把一根均质金属导线的一端加热，而另一端保持原来的状态，则在导线的二端产生一个电动势，称为温差电势。 温差电势于金

12、属材料及两端温差有关，温差越大，温差电势越大。 （3）。热电偶回路热电势分布及特性： AB（t，t0）= AB（t）+ B（t，t0）- AB（t0）- A（t，t0） B（t，t0），A（t，t0）产生的温差电势很小且两者接近，可忽略。因此： AB（t，t0）= AB（t）- AB（t0）热电偶有以下特性：1 热电偶回路热电势的大小只于热电极材料及热电偶两端温度有关，与材料的几何尺寸无关。2 当热电偶两端温度相同，则热电势为零。既 AB（t，t0）=0。3 相同电极材料组成的热电偶，由于Na=Nb ，所以总热电势为零。4 如使热电偶一端温度t0不变，则热电势只与另一端温度t有关，这样只要测得

13、 AB（t，t0）的大小既可知道温度t的大小，这就是热电偶测量温度的原理。 在热电偶的冷端温度t=0C时，确定出 AB（t，t0）与热端温度t的数值关系，既为热电偶的分度关系，列成表，则为热电偶分度表。热电偶分度表是冷端温度t=0C时确定的，而现场环境温度t0不可能为零，因此，需要冷端温度校正补偿，才能测出正确结果。2常用电偶的种类（1）。铂铑铂热电偶用铂铑、铂作热电极组成的热电偶称为铂铑铂热电偶。铂铑作热电极的正极，由铂90%、铑10%制成的合金；铂作热电极的负极，由较纯的铂丝。铂铑铂热电偶物理性能稳定，测量精确度高，便于复制，可用眼于精密测量和制成标准热电偶。长时间1300C，短1600C

14、。缺点：灵敏度低，0。009mv/C，线性度较差、材料贵，成本高。铂铑铂热电偶的分度号为LB-3。 （2）。镍铬镍硅热电偶用镍铬镍硅作热电极组成的热电偶称为镍铬镍硅热电偶。镍铬作热电极的正极，由镍90%、铬10%制成的合金；镍硅作热电极的负极，由镍95%、5%的铝、硅、锰制成的合金。镍铬镍硅热电偶抗氧化，抗腐蚀，复制性较好，灵敏度较高0。041mv/C，长时间900C，短1300C。缺点：精度不高，但可满足工业生产的需要。镍铬镍硅热电偶的分度号为EU-2。（3）。镍铬考铜热电偶用镍铬考铜作热电极组成的热电偶称为镍铬考铜热电偶。镍铬作热电极的正极，由镍90%、铬10%制成的合金；考铜作热电极的负

15、极，由镍44%、56%的铜制成的合金。特点：灵敏度高0。078mv/C，广泛应用测量800C以下的温度。镍铬考铜热电偶的分度号为EA-2。3结构（1）热电极：把两根热电极的一端焊接在一起成为热电偶的热端。（2）。绝缘子为防止两根电极之间和电极与保护管之间短路，在两根电极上套有的绝缘子。 （3）。保护管： 为防止热电极受腐蚀和机械损伤，加装的保护管。无缝管、不锈钢管、陶瓷管。 （4）。接线合：5 安装要求： 同热电阻 （1）。安装位置便于施工、维护。 （2）热电偶插入方向应与被测介质流向相逆，或垂直。且顶端超过中心线50mm。 （3）。插入深度越深越好，为取得较大的插入深度，可采取斜插、扩插或弯

16、管出插入。6 误差分析：（1）。静态误差：电偶热量辐射管壁，通过保护管传给低温的空间。（2）。动态误差：热电偶与被测介质热交换需要一定的时间，及热惯性造成的误差。 （3）。其他误差：热电极内部材料结构不均匀，热电特性与标准分度之间的误差。第四节 流量测量仪表 流量测量仪表应用广泛，从工农业、国防科研到人民生活都离不开，家庭中电，水表，煤气表等等。 流量测量是热工三大参数，测量难度最大测量技术。一。基础知识 p：密度 kg/m 1流体密度： p=m/v m：流体质量 kg v： 流体体积 m 2体积流量： Qv=U*A U：流体平均速度 m/s A：管道的截面积 m Qv： m /s 3质量流量

17、： Qm=p*Qv Qm： kg/s4总流量（累计流量）：在一个时间段内流过管道截面的流量体。v= Qv*dt mm= Qm*dt kg 二流量测量与仪表的分类按测量原理： 1 力学原理：差压（孔板、文丘里、插入式威力巴 2 热学原理：热式质量流量计 3 声学原理：超声波流量计 4 电学原理：电磁流量计 5 其他 ： 光学、原子物理学等三差压式流量测量仪表（一）。标准孔板流量计（节流装置）最传统，应用最广泛。国际、我国建立标准。标准孔板节流装置：是指按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准既可确定其流量值并估算测量误差。 相似的几何尺寸，相似的流体条件。 *现场条件、制造、安装1 工

18、作原理：1 连续方程式：p1 v1 A1=p2 v2 A2=Qm （质量守恒）2 伯努利方程：P+1/2 pv =常数 （能量守恒）由二式推出流量公式：Qm=KQv=Qm/pK：流量系数 P：差压 p：介质密度2 结构： （1）。孔板 （2）。取压： 角接取压 法兰取压 径距取压3 安装注意事项（主要）：1 测量位置，管子直且圆，满足前后直管段的要求。标准孔板有具体规定，一般采用前10D，后5D。2 要保证孔板的垂直度和同轴度。3 取压管安装方法（压力测量仪表已讲）4 导压管： 测量材质视被测介质确定，内径不小6mm，长度控制在10M以内。5 优缺点： 结构易于复制、简单、牢固、性能稳定可靠，

19、价格低廉。缺点，测量不确定因素错综复杂准确度难以提高，测量范围窄，1：3-1：4，压损大，安装难度大。（二）。插入式威力巴流量计（均速管）1 原理：利用差压原理，基于电子技术的发展（微差压变送器产生，可使量程为100Pa左右，精度0。075%），测量流体平均速度。2 结构：4 优缺点：安装维护方便（可在线），压损小，不易堵塞。差压小，低流速时精度不易保证。四电磁流量计1 原理：电磁流量计所依据的基本原理是法拉第电磁感应定律。当导体切割磁力线运动时，导体内将会产生感生电动势。 原理被用于管内流动的流体，流体流动的方向与磁场垂直。 流体产生的感生电动势被设在管子直径相对两侧的一对电极测量出来U ，

20、电压信号U与磁场强度B，电极距离D和平均流速V成正比。 由于磁场强度B和电极距离D是常数，则电压信号U与平均流速V成正比。 由体积流量公式可以看出，电压信号U与平均流速V成线性正比。 在信号变换器中，感应电压信号被变换成与流量成对于关系的模拟信号或数字信号。U：感应电压信号B：磁场强度D：电极距离V：平均流速UB D V =KBDVQv=A* V=D /4 V -U2 主要特点： 1 。测量管内为阻流及活动部件，因此无压损，也不会堵。因此节能，可用于两相流如污水，泥浆纸浆。2。安装要求直管段低 前5D，后2D。3量程比大通常50：1，特殊可1000：13 缺点：不能测量电导率低的液体，一般5u

21、s/cm。这相当于软化水，自来水100500us/cm。汽油、纯酒精不能测。 不能测量气体、蒸汽及含有气泡的液体。4 注意事项：1选型设计要注意液体流速一般满管式0。1m/S，插入式0。5m/s。2 安装位置和流向，传感器可水平或垂直，但要注意液体满管，无气泡。 3安装附近应避免强电磁场。五涡街流量计1工作原理 在测量管中插入柱状物体（旋涡发生体），流体通过柱状物两侧就交替地产生有规则的旋涡（如下图），这种旋涡称为卡门旋涡。旋涡列在旋涡发生体下游非对称排列。设旋涡的发生频率为 f，被测介质的平均速度为v，旋涡发生体的迎面宽度为d，测量管通径为D ，则有下列关系： f=St v/（1-1。2d/

22、D） St：系数（斯特劳哈尔数） 由：Qv=A*v 可推出：Qv= D v= K=f/Qv= 仪表系数K除与旋涡发生体，测量管几何尺寸，斯特劳哈尔数有关，不受其他因素影响。如流体的密度，组份，工况（温度、压力）影响。涡街流量公式：（不考虑气体压缩系数）Qvn=Qv*（PTn/PnT）=f/K（PTn/PnT）Qvn，Qv-分别为标准状态下（0C或20C，101。325Kpa）和工况下的体积流量，m /h；Pn，P-分别为标准状态下和工况下的绝对压力，Pa；Tn，T-分别为标准状态下和工况下的热力学温度，K。例如：一氧气瓶氧气 设P=10MPa，T=30C，Qv=3。14D /4*1。5=0。047mQvn=。047*（101。325+10000）273。15/101。325（273。15+30） =4。235 Nm 接近100倍（近似压力的比值）2。结构：1发生体：圆柱：三角状： 矩形状：2 测元件： 热敏式，应力式、电容式及光电式等3。优缺点：适应各种介质的测量（气体、液体、蒸汽），压损小（为孔的1/41/2），精度较高（0。5-1。5%），量程比较大通常20：1，安装维护方便。由于不上受工况影响（密度），可测量混合气体。高粘度，低