化工仪表及自动化课件

1、1,化 工 仪 表 及 自 动 化,高教育出版社,检测仪表,1 过程检测仪表,2,1 过程检测仪表,教学内容： 1.1 过程检测仪表的分类 1.2 压力、物位检测仪表 1.3 流量检测仪表 1.4 温度检测仪表 1.5 变送器,高教育出版社,检测仪表,3,1 过程检测仪表,1.1.1 过程检测仪表的结构：相应的测量仪表由三部分组成如图所示：,传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如mV、V、mA、Hz、位移、力等等。 由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出

2、转换成如010mA、420mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。 有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被测量显示出来。,高教育出版社,检测仪表,4,1.1.2 过程检测仪表的分类 （1）根据所测参数的不同：分成压力（差压、负压）测量仪表、流量测量仪表、物位（液位）测量仪表、温度测量仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。 （2）按表达示数的方式不同：分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。 （3）按精度等级及使用场合的不同：分成实用仪表、范型仪表和标准仪表，分别使用在现场、实验室、标定室。 （4）按检测仪表与被测介质接触的情

3、况分类 : 可分为接触式检测仪表与非接触式检测仪表。,高教育出版社,检测仪表,5,1.2 压力、物位检测仪表,（1）压力的定义及表示方法 压力：化工生产中，由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。 化工生产中，通常遇到压力和真空度的测量。若压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，还会造成严重生产事故。化学反应中，压力既影响物料平衡关系，也影响化学反应速度。所以，压力的测量与控制，对保证生产过程正常进行，达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。,1.2.1 压力检测仪表概述,高教育出版社,检测仪表,6,三种压力表示方法,绝对压力 pa 表压力 p 负压或真空度 ph,绝对压力是指

4、物体所受的实际压力。,表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即,真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即,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。 除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。,高教育出版社,检测仪表,7,（2）常用压力检测仪表,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： 一般采用充有水或水银等液体的玻璃U形管或单管进行测

5、量。 (2)弹性式压力检测： 它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行 测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。 (3)电气式压力检测： 它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪 表，如电阻、电荷量等。 (4)活塞式压力检测： 它是根据液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来进行测量。 活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.050.02，它普遍被用作标准 仪器对压力检测仪表进行检定。,高教育出版社,检测仪表,8,1.2.2 弹簧管压力表,1.弹性元件:弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测

6、方法。,膜 片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号； 波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（1.0106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级； 弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。,高教育出版社,检测仪表,9,2.弹簧管和弹簧管

7、压力表,弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形），弯成圆弧状（中心角常为270）的空心管子。,管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作为自由端，开口端作为固定端。,被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：,式中0为弹簧管中心角的初始角；为受压后中心角的改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。,高教育出版社,检测仪表,10,1弹簧管 2拉杆 3扇形齿轮 4中心齿轮 5指针 6面

8、板 7游丝 8调节螺钉 9接头 图3-18 弹簧管压力表,弹簧管自由端B的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。,单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）,弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压.,一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达0.15级。,高教育出版社,检测仪表,11,3.电接点信号压力表,为了实现报警，可以在弹性式压力表上增加附加机构，如图所示，

9、在单圈弹簧管压力表的表盘上装两个电极分别对应被测压力的低限和高限。,高教育出版社,检测仪表,12,1. 压力计的选用,三个方面选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型（材质）等。,量程,仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围 关键：根据操作中需要测量的参数的大小来确定。同时必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。 在测量稳定压力时：一般压力表最大量程选择在接近或大于正常压力测量值的1.5倍。 在测量脉动压力时：一般压力表最大量程选择在接近或大于正常压力测量值

10、的2倍。 在测量高压时：一般压力表最大量程应大于最大压力测量值的1.7倍。 在测量机泵出口处压力时：一般压力表最大量程选择为机泵出口处最大压力值。 为保证压力测量的精度，一般被测压力的最小值应大于仪表刻度上限的。 仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们10n倍。 在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。,这只是一个一般经验要求，不是绝对的！,1.2.3 压力表的使用,检测仪表,13,仪表精度,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差应小于仪表的基本误差。 在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的

11、仪表。,例：有一压力容器在正常工作时压力范围为0.40.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差不大于被测压力的4，试确定该表的量程和精度等级。,解：由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设仪表量程为 0AMPa ，则,根据工作压力的要求：,根据仪表的量程系列，可选用量程范围为01.0MPa的弹簧管压力表。,由题意，被测压力的允许最大绝对误差为：max=0.4*4%=0.016 MPa 这就要求所选仪表的相对百分误差为： 0.016/（1-0）*100%=1.6% 按照仪表的精度等级，可选择15级的压力表。,高教育出版社,检测仪表,14,仪表类型,正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及

12、安全生产的前提。主要应考虑以下几个方面:,仪表的材料,压力检测(检测仪表)的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。,输出信号类型,只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表； 如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表； 如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器； 如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。,例如：对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件； 氨用压力表则要求仪表的材料不

13、允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强； 又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。,使用环境,对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低的环境，应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换元件。,上述选型原则也适用于差压、流量、液位等其它检测仪表的选型,检测仪表,15,2. 压力计的安装,分三种情况介绍：,一般压力检测仪表的安装 特殊压力检测仪表的安装（高温、高压、腐蚀等） 压力变送器的安装,高教育出版社,检测仪表,16,一般压力测量仪表的安装,无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程

14、中都应注意以下几点： 压力仪表必须经检验合格后才能安装 压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏 压力仪表尽可能安装在室温，相对湿度小于80，振动小，灰尘少，没有腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰 压力仪表应垂直安装。一般情况下，安装高度应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装高度应高于一般人的头部 测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正 导压管的粗细合适，一般为610mm，长度尽可能短，否则会引起测量迟缓 压力仪表与取压口之间应安装

15、切断阀，以便维修,高教育出版社,检测仪表,17,测量特殊介质时的压力测量仪表安装,测量高温（60以上）流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。如图(a)、(b),测量高压流体介质的压力时，安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处，以防发生以外。 测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来，如图(c)、(d),高教育出版社,检测仪表,18,测量波动剧烈（如泵、压缩机的出口压力）的压力时，应在压力仪表之前加装针

16、形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器，如图(e),测量粘性大或易结晶的介质压力时，应在取压装置上安装隔离罐，使罐内和导压管内充满隔离液，必要时可采取保温措施，如图(f),测量含尘介质压力时，最好在取压装置后安装一个除尘器，如图(g)。,总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵和防尘等措施,高教育出版社,检测仪表,19,差压变送器的安装,三个方面的内容： 取压口的选择 引压管的安装 变送器本身的安装,高教育出版社,检测仪表,20,差压变送器取压口的选择,液体、气体、蒸汽？,被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道水平线成045角内，目的是保证引压管内没有气泡，两根引压

17、管内液柱产生的附加压力可以相互抵消； 问：能否从底部引出？为什么？,被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成045角内，其目的时为了保证引压管中不积聚和滞留液体。,被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成045角内。最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同。,检测仪表,21,差压变送器引压管的安装,引压管应按最短距离敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径一般不小于引压管外径的10倍。引压管的管路应保持垂直，或者与水平线之间不小于1:10的倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排

18、除收集物。,引压管内径与引压管长度,高教育出版社,检测仪表,22,在测量液体介质时，变送器只能安装在取样口之上时，在引压管的管路中应有排气装置，如图(a)所示，这样，即使有少量气泡，也不会对测量精度造成影响。 在测量气体介质时，如果差压变送器只能安装在取样口之下时，必须加装如图(b)所致的贮液罐和排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。 测量蒸汽时的引压管管路则如图(c)所示。,高教育出版社,检测仪表,23,差压变送器本身的安装,差压变送器通常必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组,在启用差压变送器时，应先开平衡阀3，使正、负压室连通，受压相同，然后再打开切断阀1、2，最后再关闭平衡阀3，

19、变送器即可投入运行。 差压变送器需要停用检修时，应先打开平衡阀，然后再关闭切断阀1、2。 当切断阀1、2关闭，平衡阀3打开时，即可以对仪表进行零点校验。,变送器是用来测量差压的，但如果正、负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者关闭时，就会造成差压变送器单向受很大的静压力，有时会使仪表产生附加误差，严重时会使仪表损坏。 为了防止差压计单向受很大的静压力，必须正确使用平衡阀。,高教育出版社,检测仪表,24,一、 概述,几个概念,在容器中液体介质的高低叫液位， 容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位 测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计 测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计 在物

20、位检测中，有时需要对物位进行连续检测，有时只需要测量物位是否达到某一特定位置，用于定点物位测量的仪表称为物位开关,物位检测的作用,控制、计量、报警等。,检测方法分类,直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。 差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。 浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。 电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化，如电容 核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理 声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。根据工作原理分为声波遮断

21、式、反射式和阻尼式。 光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作 ,1.2.4 物位检测仪表,高教育出版社,检测仪表,25,直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。 差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。 浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。 电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化，如电容 核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理 声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。根据工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。 光学式物位仪

22、表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作 ,1.2.4.1物位检测仪表的类型,检测仪表,26,1.2.4.2差压式液位计,（1）差压式液位计的工作原理,如图17 所示 P=gH 测出差压P的大小，便知液位H的高低。,图1-7 差压式液位计原理图,检测仪表,27,（2）差压式液位计的使用,零点迁移,P=1gH,P=1gH -2g（h2-h1）,P=1gH +1gh1,零点迁移的目的：使H0时，变送器输出为Iomin为零（如电动仪表中4mA）,无迁移,负迁移,迁移量：,-2g（h2-h1）,正迁移,迁移量：,1gh1,由于安装的位置不同会造成 液位为零差压不为零的问题。,检测仪表,28,例 3.2,

23、已知1=1200kg/m3，2=950kg/m3，h1=1m，h2=5m， 液位变化范围02.5米，求：变送器的量程和迁移量。,解,Hmax1g=2.5*1200*9.8=29400Pa 变送器量程可选为：40kPa 当H=0时，-2g（h2-h1）=-4*950*9.8=-37.24 kPa 变送器需要进行负迁移，迁移量为37.24 kPa,结论： 差压式液位变送器，事实上就是一个差压变送器，无非液位变送器的输出与液位高度H成线性关系 因此，差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的。 为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线容易出现被

24、腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器（压力信号的远传装置），分单法兰式及双法兰式两种。,检测仪表,29,一、概述,流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，也就是所谓的瞬时流量。,体积流量,以体积表示的瞬时流量用 qv 表示，单位为 m3/s,质量流量,以质量表示的瞬时流量用 qm 表示，单位为 kg/s,1.3 流量检测仪表,高教育出版社,检测仪表,30,流量检测的主要方法和分类,流量检测方法有很多，就测量方式而言，可以分为直接测量法和间接测量法两类。,就测量原理而言 可以分为三大类： （1） 速度式流量计 速度式流量计是以管道内流体的流速作为检测依据

25、的流量计。生产中用的差压式流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计等，都属于速度式流量计。 （2） 容积式流量计 容积式流量计是以单位时间内所排出流体的固定容积数作为检测依据的流量计。常用的有椭圆齿轮流量计和腰轮流量计。 （3） 质量流量计 质量流量计是直接检测通过管道流体质量的流量计。分为直接式和补偿式,高教育出版社,检测仪表,31,1.3.1差压式流量计,差压式流量计也称为节流式流量计，它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。 如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，

26、其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。 压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。 差压式流量计由节流装置、引压管和差压计三个部分组成，如图1-9所示。,图1-9 差压式流量计的组成,概述,高教育出版社,检测仪表,32,(a) 标准孔板,(b) 喷嘴,(c) 文丘里管,把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流元件。 作为流量检测用的节流元件有标准的和特殊的两种。 标准节流元件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。 对于标准化的节流元件，在设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需的有

27、关数据及程序，可直接按照标准制造；安装和使用时不必进行标定。 特殊节流元件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测，它必须用实验方法单独标定。,相比而言，标准孔板制作最简单，使用也最以泛，以下只介绍标准孔板。,高教育出版社,检测仪表,33,（1）差压式流量计工作原理,流体在管道内连续流动时，由于受到节流装置的阻挡，在节流装置前后流体的静压发生变化，出现压差，流体流量越大，此压差越大，即节流装置前后的压差的大小反映了管道中流量的大小。,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,说明（1）流量与压差的平方根成正比。 （2）流量与压差间呈非线性关系。 （3）用压差计显示时，流量标尺是非均匀刻度。,34,3、

28、标准节流元件(孔板),节流装置包括节流元件、取压装置和符合要求的前后直管段 标准节流装置是指节流元件、取压装置都标准化，前后直管段符合规定要求，可以直接投入使用,标准孔板，要求： d/D 应在0.20.75之间 d不小于12.5mm 直孔厚度h应在0.005D到0.02D之间 孔板的总厚度H应在h和0.05D之间 圆锥面的斜角应在3045之间 标准喷嘴和标准文丘里管的结构参数的规定也可以查阅相关的设计手册。,有手册可查，不要求记,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,35,5、节流式流量计的安装,节流装置的安装 ： 孔板等节流装置应垂直安装于水平管道上，且孔中心与管道同心；在节流装置前后应有足够的

29、直管长度；另外，流体流过节流装置的方向应与节流装置上箭头所标明方向一致。 引压管的安装如前所述（见压力仪表的安装） 差压计的安装：一般应垂直安装在无振动，温度适中，灰尘少，便于维修的地方。差压计与引压管连接时，应加装高低压阀和平衡阀，目的是避免差压计单向受压。,图1-11 差压式流量计安装示意图 1-节流装置；2-切断阀；3-排放阀； 4-高压阀；5-低压阀；6-平衡阀；7-差压计,高教育出版社,检测仪表,36,（1）转子流量计,在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量

30、可小到每小时几升。,孔板流量计：,节流面积不变,流量变化,压差发生变化,转子流量计：,压差不变,流量变化,节流面积发生变化,转子流量计主要由两个部分组成： 一是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明玻璃制成） 二是放在锥形管内可自由运动的转子。 被测流体由锥形管下端进入，流经转子与锥形管之间的环隙，再从上端流出。 当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。 若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向

31、上力也就变小。这样，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应。,1.3.2 其他流量计,第一篇 自动化仪表,37,流量方程,转子的平衡关系：,V为转子的体积；t和f分别为转子和流体的密度；g为重力加速度；P为转子前后的压差；A为转子的最大截面积,转子和锥形管间的环隙面积相当于节流式流量计的节流孔面积，但它是变化的，并与转子高度h成近似的线性关系，因此，转子流量计的流量公式可以表示为：,式中：为仪表常数；h为转子浮起的高度。,流量与转子高度h成线性关系 式中的其它参数为常数,转子流量计的锥形管一般采用透明材料制成，在锥形管上刻有流量读数，用户只

32、要根据转子高度来读取读数。 转子流量计一般只适用于就地指示。对配有电远传装置的转子流量计，也可以把反应流量大小的转子高度h转换为电信号，传送到其它仪表进行显示、记录或控制。,高教育出版社,检测仪表,38,流量修正,由于转子流量计在生产的时候，是在工业基准状态（20，0.10133Mpa）下用水或空气进行刻度的。如果工作状态不同，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行修正。,液体流量测量时的修正,如果某转子流量计的转子高度为h，如果介质为20的水，则流量qv0与h的关系满足：,式中：qv0为用水标定时的流量刻度 w为水的密度,如果介质不是20的水，则流量qvf与h

33、的关系满足：,qvf和f分别为被测介质的实际流量和密度,如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大，可以近似认为是常数，则有,刻度流量,实际流量,修正系数,第一篇 自动化仪表,39,例 3.1,现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量，已知转子的材料为不锈钢（密度7.9g/cm3），苯的密度为0.83g/cm3 ，请问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？,解：,修正公式,因此,质量流量的修正公式,高教育出版社,检测仪表,40,气体流量测量时的修正,假设实际被测气体的密度为f， 因此被测流体流量Qf与指示值Q0的关系是：,通常，气体流量需要把它转化成工业基准状态（T020293K，P0

34、1.0133105Pa）,记被测时的压力和温度分别为：Pf、Tf，所以被测流体对应标准状态的体积流量为：,此时的密度f还是实际密度，由于测量的困难，也需要把它转化成标态下的密度更为方便：,于是有修正公式,温度单位是绝对温标，压力为绝对压力。 （P0=1.0133*105Pa，T0=293K） 0 空气标准状态密度（1.293kg/m3） f0 被测介质标准状态密度 Q0 显示流量 Qf0 实际流量（标准状态）,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,41,转子流量计的特点,转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量； 流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高； 流量计

35、的基本误差约为仪表量程的土2，量程比可达10：1 流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。,检测仪表,42,（2）椭圆齿轮流量计,基本工作原理,“一碗一碗”计量,转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。在V一定的情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量,流量方程,特点和要求,计量精度高，一般可达0.20.5级，有的甚至能达到0.1级 安装直管段对计量精度影响不大，量程比一般为10:1 一般只适用于10150mm的中小口径。 容积式流量计对被测流体的粘度变化不敏感，特别适合于测量高粘度的流体（例如重油、树

36、脂等）甚至糊状物的流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，所以一般情况下，流量计前要装过滤器。 由于受零件变形的影响，容积式流量计一般不宜在高温或低温下使用。,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,43,（3）涡轮流量计,基本工作原理,流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲,流量方程,特点和要求,流量与涡轮转速之间成线性关系，量程比一般为1O：1； 涡轮流量计的测量精度较高，可达到0.5级以上； 反应迅速，可测脉动流量； 主要用于中小口径的流量检测； 仅适用洁净的被测介质，通常在涡轮前要安装过滤装置； 流量计水平安装，前后

37、需一定长度的直管段，一般上游侧和下游侧的直管段长度要求在10D和5D以上； 常温下用水标定，当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿,检测仪表,44,（4）电磁流量计,基本工作原理,导体切割磁力线，会产生电动势,适用场合,可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量，但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。,流量公式,当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁力线时，就会在管道两边的电极上产生感应电势，感应电势的大小与磁场的强度、流体的速度和流体垂直切割磁力线的有效长度成正比：,式中：Ex为感应电势；K为比例系数；B为磁场强度；D为管道直径；v为垂直于

38、磁力线的流体流动速度。,在管道直径D已经确定，磁场强度B维持不变时，流体的体积流量与磁感应电势成线性关系。利用上述原理制成的流量检测仪表称为电磁流量计。,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,45,电磁流量计的特点,测量导管内无可动或突出于管道内部的部件，因而压力损失极小； 只要是导电的，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，也可以是酸、碱、盐等腐蚀性物质； 流量计的输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响； 电磁流量计的量程比一般为10:1，精度较高的量程比可达100:1；测量口径范围大，可以从lmm到2m以上，特别适用于lm以上口径的水流量测量；测量精度一般优

39、于0.5级； 电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量； 主要缺点： 被测流体必须是导电的，不能小于水的电导率 不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量 由于衬里材料的限制，一般使用温度为0200； 因电极嵌装在测量导管上的，使工作压力限制(一般0.25MPa）,检测仪表,46,电磁流量计的安装,可以水平安装，也可以垂直安装，但要求液体充满管道； 直管段要求：前10D，后5D以上； 远离磁场； 变送器前后管道有时带有较大的杂散电流，一般要把变送器前后11.5m出和变送器外壳连接在一起，共同接地。,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,47,（5）漩涡流量计,基本工作原理,把一个漩涡发生体（非流线型对称物体

40、）垂直插在管道中，当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡，形成涡列，该漩涡列就称为卡门涡街 只有当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足为hl0.281条件时，卡门涡列才是稳定的。且单列漩涡产生的频率f与流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸d（漩涡发生体的迎面最大宽度）成反比，即：,流量方程,St称为斯特劳哈尔数（无因次数），St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关。在雷诺数为5000150000的范围内，St基本上为一常数。,特点和要求,涡街流量计输出信号（频率）不受流体物性和组分变化的影响，在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响

41、，故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定； 管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小；测量精度高（约为士0.51），量程比20:1； 尤其适用于大口径管道的流量测量。但是流量计安装时要求有足够的直管段长度，上游和下游的直管段分别要求不少于2OD和5D，漩涡发生体的轴线应与管路轴线垂直。,高教育出版社,检测仪表,48,（6）超声波流量计,原理：在被测管道上下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头，其中一对是顺流传播，另一对是逆流传播。根据这两束超声波在流体中传播速度的不同，采用测量两接收探头上超声波传播的时间差或频率差等方法，可检测出流体的流量。,特点：能

42、传播超声波的流体均可以用超声波流量计测量其流量，也可以测量高黏度液体、非导电性液体或者气体的流量。超声波流量计还可以从厚的金属管道外侧检测管道内流体的流量，这是其他方法所不具备的。,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,49,（7）质量流量计,质量流量计分为两种，一种是检测元件能够直接反映出质量流量的大小的直接式质量流量计，另一种是分别检测出体积流量和流体的密度，然后通过运算器得到质量流量的推导式质量流量计,高教育出版社,检测仪表,50,A、 其它科里奥利力质量流量计,基本工作原理 （实验）,将充水软管（水不流动）两端悬挂，使其中段下垂成U形，静止时，U形的两管处于同一平面，并垂直于地面，左右摆时

43、，两管同时弯曲，仍然保持在同一曲面,若将软管与水源相接，使水由一端流入，从另一端流出（如图b和c）。当U形管受外力作用向右左摆动时，它将发生扭曲。扭曲的方向总是出水侧的摆动要早于人水侧；,随着质量流量的增加，这种现象变得更加明显，出水侧摆动相位超前于入水侧更多。,这就是科氏力质量流量的检测原理，它利用两管的振动（摆动）相位差来反映流经该U形管的质量流量,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,51,利用科氏力构成的质量流量计有直管、弯管、单管、双管等多种形式 双弯管型是最常见 它由两根金属U形管组成，其端部连通并与被测管路相连。这样流体可以同时在两个U形管内流动 在两管的中间A、B、C三处各装有一组

44、压电换能器 换能器A在外加交变电压作用下产生交变力，使两根U形管彼此一开一合地振动，相当于两根软管按相反方向不断摆动 换能器B和C用来检测两管的振动情况 由于B处于进口侧，C处于出口侧，则根据出口侧振动相位超前于进口侧的规律，C输出的交变信号的相位将超前于B某个相位 此相位差的大小与质量流量成正比,科里奥利力质量流量计,若将这两个交流信号相位差经过电路进一步转换成直流420mA等标准信号，就成为质量流量变送器。,特点和要求,科氏力质量流量计的测量精度较高，主要用于粘度和密度相对较大的单相和混相流体的流量测量 由于结构等原因，这种流量计适用于中小尺寸的管道的流量检测。,高教育出版社,检测仪表,5

45、2,B:间接式质量流量测量,（其它略）,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,53,1.4 温度检测仪表,1.4.1概述 （1）温度与温标 温度是化工生产过程中一个重要的操作变量，许多生产过程都要求在一定温度范围内进行。温度的检测与控制，是实现生产过程优质高产和安全低耗的重要手段。 温度是反映物体冷热程度的物理量，必须通过温标才能定量描述。温标是温度的数值表示。国内日常使用的温标为摄氏温标，而科学计算中使用的是国际实用温标。 摄氏温标规定：在标准大气压下，冰的融点为零度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为。 国际实用温标是一个国际协议性温标，所表示的温度称为开尔文温度

46、。 摄氏温度t（）与国际实用温度T（K）的关系如下： T= T-273.25K 此外还有华氏温标和热力学温标。,高教育出版社,检测仪表,54,（2）测温仪表的分类,第一篇 自动化仪表,55,普通型热电偶,普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。,贵重金属热电极的直径一般为0.30.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.53.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为3502000mm。,绝缘管用于防止两根电极短路,保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤,材料的选择因工作条件而定,普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式,1.4.2 热电偶温度计,

47、（1）热电偶的结构及测温原理,检测仪表,56,铠装型热电偶,铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的,金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等,保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。,铠装型热电偶可以做得很细，一般为28mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。,铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,57,热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为 t 及 t0 的热源中

48、，则在该回路内就会产生热电势。,t 端称为工作端(假定该端置于热源中)，又称测量端或热端; t0端称为自由瑞，又称参考端或冷端 这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶;每根单独的导体或半导体称为热电极 .,高教育出版社,检测仪表,58,闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成：,下标A表示正电极，B表示负电极，由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，这样热电偶的电势可表示为：,注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相应改变，即,式(i)就是热电偶测温的基本公式。当冷端温度t0一定时，对于确定的热电偶来说，eAB(t0)为常数，因此，其总热电势EAB(t,t

49、0)就与温度t成单值函数对应关系，和热电偶的长短、直径无关。只要测量出热电势大小，就能判断被测温度的高低，这就是热电偶的温度测量原理。,重要结论： 1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零； 2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零 3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,59,标准化热电偶和分度号,从理论上分析，似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶，用来测量

50、温度。 但实际情况并非如此，目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种。,检测仪表,60,例3.4 用K型热电偶来测量温度，在冷端温度为t025时测得热电势为22.9mV，求被测介质的实际温度。,解1： 根据题意有,由K型热电偶的分度表查出,因此有:,反查分度表有,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,61,某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？,可以把热电偶做得很长，一直到控制室。,把冷端温度延伸到控制室，变为t0，恒定t0比较容易,此时，测得的热电势为,但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。,如果选用一组较廉价的材料

51、（C、D），且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CD来替代AB的延伸段。,CD即为热电偶AB的补偿导线，通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在0100范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。 在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100。,（2）热电偶温度计的使用,补偿导线,高教育出版社,检测仪表,62,常用热电偶的补偿导线,第一篇 自动化仪表,63,由于操作室内的温度往往高于0，而且也是不恒定的（即使有空调也是不恒定的），这

52、时，热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变。 因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为0，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。 目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：, 冰浴法 计算修正法 调整仪表零点法 电桥补偿法 串联热电偶补偿法,冷端温度补偿,高教育出版社,检测仪表,64,冰浴法把热电偶的冷端放入恒温装置中，保持冷端温度为0，多用于实验室,计算修正法如例3.4。这种方法适用于实验室或者临时测温。,电桥补偿法仪表中常用,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,65,电桥补偿法,是仪表中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的电

53、压来补偿热电偶因冷端温度的变化而引起热电势的变化,如图，电桥由R1、R2、R3（均为锰铜电阻）和RCu（热敏铜电阻）组成。,在设计的冷端温度（例如t00）时，满足R1R2，R3RCu，这时电桥平衡，无电压输出，即Uab=0，回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势,当冷端温度由t0变化到t0时，不妨设t0 t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中RCu随温度的上升而增大，于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uab(t0 ),此时回路中输出的热电势为:,经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即,于是实现了冷端温度的自动补偿。 实际的补偿电桥一般是按t020设计的，即t020时

54、，补偿电桥平衡无电压输出。,检测仪表,66,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,67,1、热电阻的测温原理,在工业应用中，热电偶一般适用于测量500以上的较高温度。对于500以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。,热电阻是基于电阻的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。 目前，主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。,1.4.3 热电阻温度计,检测仪表,6

55、8,2.工业上常用的金属热电阻,我国最常用的铂热电阻有R010、R0100和R01000等几种， 它们的分度号分别为Pt10、 Pt100 和 Pt1000； 铜热电阻有R050和 R0100两种， 分度号分别为Cu50和 Cu100 其中 Pt100 和 Cu50 的应用更为广泛 其结构形式与热点偶相似。,高教育出版社,检测仪表,普通型热电阻结构： 一般有电阻体、绝缘子、保护套管、接线盒组成 外形结构与普通热电偶像似。,69,3.热电阻的测温系统,热电阻温度计是把温度的变化所引起导体电阻的变化，通过测量桥路，转换成电压（毫伏）信号，然后送与显示仪表已指示或记录被测温度。 其测温系统有：热电阻

56、、连接导线、显示仪表三部分组成。热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。常用的引线方式有三种：,二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。这种引线方式最简单,但由于连接导线必然存在引线电阻r，r的大小与导线的材质和长度等因素有关。,很明显，图中的,因此，这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合。,第一篇 自动化仪表,70,三线制：在热电阻根部的一端连接一根引线， 另一端连接两根引线的方式称为三线制 这种方式通常与电桥配套使用， 可以较好地消除引线电阻的影响， 是工业过程中最常用的引线方式。,四线制：在热电阻根部

57、两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流Is，把Rt转换为电压信号Ui，再通过另两根引线把Ui引至二次仪表。可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度的温度检测。,检测仪表,71,概 述 用途：显示仪表直接接收检测元件或变送器或传感器(或经过处理)送来的信号， 然后经过测量线路和显示装置，最后对被测参数予以指示或记录或字、符、效、图象显示。 按所显示信息的类别可分为模拟式和数字式两大类； 按显示方式可分为指示仪表(包括指针指示和色带指示)、 记录仪表、 报警装置和图象显示仪等。,1.4.4温度显示仪表,高教育出版社,第一篇 自动化仪表,72,A. 模

58、拟式显示仪表,所谓模拟式显示仪表是以指针或记录笔的偏转角或位移量来显示被测参数的连续变化的仪表。 就其测量线路而言，又分为直接交换式和平衡式两种。 直接交换式线路简单价格低廉；但精度较低， 线性度较差，信息能量传递效率低，故灵敏度不高。 平衡式线路结构复杂，价格贵，稳定性较差； 但精度高，线性度好，信息能量传递效率高，故有较高灵敏度。,高教育出版社,检测仪表,73,B. 数字式显示仪表,数字式显示仪表直接以数字形式显示被测参数，其测量速度快，抗干扰性能好，精度高、读数直观，工作可靠，且有自动报警、 自动打印和自动检测等功能，更适用于生产集中监视和控制，近年来发展较快。,高教育出版社,第一篇 自

59、动化仪表,74,C. 图像显示仪,图象显示仪的实质是属于数字式，它直接把工艺参数用文字、符号、数字和图象配合的形式在大屏幕荧光屏上直接显示出来。并配以打字记录装置，按操作者的需要，任意以其中一种或多种方式同时显示。 具有模拟式与数字式显示仪表两种功能，并且具有计算机大存贮量的记忆能力与快速功能，也是现代计算机不可缺少的终端设备，常与计算机联用。作为计算机综合集中控制必不可少的显示装置。 是最近刚刚发展起来的一种新的显尔器。,高教育出版社,检测仪表,75,(1) 动圈式显示仪表,动圈式显示仪表可以对直流毫伏信号进行显示，也可以对非电势信号但能转换成电势信号的参数进行显示。 例如检测元件或传感器或变送器送来的是直流毫伏信号，就可直接进行显示；否则需经过适当的转换电路方可进行显示。 它具有如下特点： (1)该仪表可以作参数指示显示，如XCZ型；也可作参数指示显示和控制，如XCT型。它可与热电偶、热电阻等测温元件配合，作为温度显示、调节之用；也可与其他变送器配合，测量、控制其他参数。 (2)它采用灵敏区较高的磁电系测量机构，易将微弱的被测信号转