過程儀表基礎(chǔ)知識

1、過程儀表,制作人：董祥波,目錄,第一章：儀表基礎(chǔ)知識第二章：溫度測量儀表第三章：壓力測量儀表第四章：流量測量儀表第五章：物位測量儀表第六章：過程分析儀表第七章：執(zhí)行機構(gòu)第八章：DCS系統(tǒng)介紹,第一章 儀表基礎(chǔ)知識,一、基本概念1、過程參數(shù)檢測基本概念? 過程參數(shù)檢測-----指連續(xù)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、液位、和成分等參數(shù)的檢測。? 檢測儀表-----將檢測元件、變送器及顯示裝置統(tǒng)稱為檢測儀表。

2、? 一次儀表-----一般為將被測量轉(zhuǎn)換為便于計量的物理量所使用的儀表。? 二次儀表-----將測得的信號變送轉(zhuǎn)換為可計量的標準電、氣信號并顯示的儀表。即包括變送器和顯示裝置。,2、測量過程與測量誤差,? 測量過程-----利用一個已知的單位量(即標準量)與被測的同類量進行比較的過程，即用儀器獲取數(shù)據(jù)各方面信息的過程。? 測量誤差-----在測量過程中測量結(jié)果與被測量的真值之間會有一定的差值。它反映了測量結(jié)果的可靠

3、程度。,3、測量誤差的分類,按誤差的數(shù)值表示來分，分為絕對誤差、相對誤差和引用誤差? 絕對誤差-----指測量結(jié)果與被測量的真值之差。? 相對誤差-----指絕對誤差與真值或測量值之百分比。? 引用誤差-----指絕對誤差與測量范圍上限值或測量 儀表量程的比值，以百分數(shù)表示。工 業(yè)儀表通常用引用誤差來表示儀表的 準確程度。,按誤

4、差出現(xiàn)的規(guī)律來分，可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和疏忽誤差。? 系統(tǒng)誤差-----指測量儀表本身或其他原因(如零點沒有調(diào)整 好等)引起的有規(guī)律的誤差。? 隨機誤差-----指在測量中所出現(xiàn)的沒有一定規(guī)律的誤差。? 疏忽誤差-----指觀察人員誤讀或不正確使用儀器與測試方 法等人為因素所引起的誤差。,按儀表使用的條件來分，有基本誤

5、差、附加誤差? 基本誤差-----指儀表在規(guī)定的正常工作條件下所具有的 誤差。? 附加誤差-----指儀表超出規(guī)定的正常工作條件時所增加 的誤差。,4、儀表分類,? 檢測與過程控制儀表最通用的分類，是按儀表在測量與控制系統(tǒng)中的作用進行劃分，一般分為檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)（控制）儀表和執(zhí)行器4大類。? 檢測儀表根據(jù)被測變量分為：壓力儀表、溫度儀表

6、、流量儀表、物位儀表、成分分析儀表。,在工程上儀表性能指標通常用準確度（又稱精度）、變差、靈敏度來描述。儀表工校驗儀表通常也是調(diào)校精確度、變差和靈敏度三項。 1、準確度和準確度等級? 儀表精確度：簡言之就是儀表測量值接近真值的準確程度，通常用相對百分誤差 （也稱相 對折合誤差）表示。? 準確度等級：在工業(yè)測量中，為了便于表示儀表的質(zhì)量，通常用準確度等級來表示儀表 的準確程度。準確度等級就是最大引用誤差去掉正

7、、負號及百分號。準確度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標。我國工業(yè)儀表等級一般劃分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七個等級。? 儀表準確度習(xí)慣上稱精度，準確度等級習(xí)慣上稱為精度等級,二、儀表主要性能指標,,2、變差 ? 變差:是指儀表被測變量（可理解為輸入信號）多次從不同方向達到同一數(shù)值時，儀表指示值之間的最大差值，或者說是儀表在外界條件不變的情況下，被測參數(shù)由小到大變化（正向特性）和被測參數(shù)由大

8、到小變化（反向特性）不一致的程度，兩者之差即為儀表變差。變差大小取最大絕對誤差與儀表標尺范圍之比的百分比。 變差產(chǎn)生的主要原因:是儀表傳動機構(gòu)的間隙，運動部件的摩擦，彈性元件滯后等。取勝著儀表制造技術(shù)的不斷改進，特別 是微電子技術(shù)的引入，許多儀表全電子化了，無可動部件，模擬儀表改為數(shù)字儀表等等，所以變差這個指標在智能型儀表中顯得不那么重要和突出了。,3、靈敏度? 靈敏度:是指儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度，或者說是對被測的

9、量變化的反應(yīng)能力，是在穩(wěn)態(tài)下，輸出變化增量對輸入變化增量的比值.靈敏度有時也稱“放大比”，也是儀表靜特性貼切線上各點的斜率。增加放大倍數(shù)可以提高儀表靈敏度，單純加大靈敏度并不改變儀表的基本性能，即儀表精度并沒有提高，相反有時會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，造成輸出不穩(wěn)定。儀表靈敏度應(yīng)保持適當(dāng)?shù)牧?。然而對于儀表用戶，諸如化工企業(yè)儀表工來講，儀表精度固然是一個重要指標，但在實際使用中，往往更強調(diào)儀表的穩(wěn)定性和可靠性，因為化工企業(yè)檢測與過程控制儀表用于計

10、量的為數(shù)不多，而大量的是用于檢測。另外，使用在過程控制系統(tǒng)中的檢測儀表其穩(wěn)定性、可靠性比精度更為重要。,4、復(fù)現(xiàn)性（又叫重復(fù)性）? 測量復(fù)現(xiàn)性（重復(fù)性）:是在不同測量條件下，如不同的方法，不同的觀測者，在不同的檢測環(huán)境對同一被檢測的量進行檢測時，其測量結(jié)果一致的程度。測量復(fù)現(xiàn)性必將成為儀表的重要性能指標。,5、穩(wěn)定性? 穩(wěn)定性:在規(guī)定工作條件內(nèi)，儀表某些性能隨時間保持不變的能力稱為穩(wěn)定性（度）。儀表穩(wěn)定性是化工企業(yè)儀表工十分

11、關(guān)心的一個性能指標。由于化工企業(yè)使用儀表的環(huán)境相對比較惡劣，被測量的介質(zhì)溫度、壓力變化也相對比較大，在這種環(huán)境中投入儀表使用，儀表的某些部件隨時間保持不變的能力會降低，儀表的穩(wěn)定性會下降。徇或表征儀表穩(wěn)定性現(xiàn)在尚未有定量值，化工企業(yè)通常用儀表零漂移來衡量儀表的穩(wěn)定性。儀表投入運行一年之中零位沒有漂移，相反儀表投入運行不到3個月，儀表零位就變了，說明儀表穩(wěn)定性不好。儀表穩(wěn)定性的好壞直接關(guān)系到儀表的使用范圍，有時直接影響化工生產(chǎn)，儀表穩(wěn)定性

12、不好造成的影響往往比儀表精度下降對化工生產(chǎn)的影響還要大。儀表穩(wěn)定性不好儀表維護量也大，是儀表工最不希望出現(xiàn)的事情。,6、可靠性? 可靠性:儀表可靠性是化工企業(yè)儀表工所追求的另一重要性能指標。可靠性和儀表維護量是相反相成的，儀表可靠性高說明儀表維護量小，反之儀表可靠性差，儀表維護量就大。對于化工企業(yè)檢測與過程控制儀表，大部分安裝在工藝管道、各類塔、釜、罐、器上，而且化工生產(chǎn)的連續(xù)性，多數(shù)有毒、易燃易爆的環(huán)境，這些惡劣條件給儀表維護增

13、加了很多困難，一是考慮化工生產(chǎn)安全，二是關(guān)系到儀表維護人員人身安全，所以化工企業(yè)使用檢測與過程控制儀表要求維護量越小越好，亦即要求儀表可靠性盡可能地高。隨著儀表更新?lián)Q代，特別 是微電子技術(shù)引入儀表制造行業(yè)，使儀表可靠性大大提高。儀表生產(chǎn)廠商對這個性能指標也越來越重視，通常用平均無故障時間MTBF來描述儀表的可靠性。一臺全智能變送器的MTBF比一般非智能儀表如電動Ⅲ變送器要高10倍左右，它可高達100~390年。,舉例PDT-2120

14、P—代表壓力D—代表差壓T—代表傳送或變送器,三、儀表位號的表示方法 1、儀表位號的組成,2、被測變量和儀表功能的字母代號,第一節(jié) 熱量傳遞的方式,本節(jié)的主要內(nèi)容,一、熱傳導(dǎo)二、對流傳熱三、輻射傳熱,第二章、溫度測量儀表,在環(huán)境工程中，很多過程涉及加熱和冷卻：?對水或污泥進行加熱；?對管道及反應(yīng)器進行保溫以減少系統(tǒng)的熱量散失；?在冷卻操作中移出熱量。,傳熱是極普遍的過程：,凡是有溫差存在的地方，就必然有熱量傳遞。

15、,環(huán)境工程中涉及的傳熱過程主要有兩種情況：?強化傳熱過程，如各種熱交換設(shè)備中的傳熱；?削弱傳熱過程，如對設(shè)備和管道的保溫，以減少熱量損失。,傳熱速率問題,,物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過程。,根據(jù)傳熱機理的不同，熱的傳遞主要有三種方式：,熱傳導(dǎo),對流傳熱,輻射傳熱,通過物質(zhì)的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發(fā)生的熱量傳遞過程。,流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，僅發(fā)生在液體和氣體中。通常認為是流體與固體壁面之間的熱

16、傳遞過程。,物體各部分之間無宏觀運動,本節(jié)思考題,(1)什么是熱傳導(dǎo)？(2)什么是對流傳熱？分別舉出一個強制對流傳熱和自然對流傳熱的實例。(3)簡述輻射傳熱的過程及其特點。(4)試分析在居室內(nèi)人體所發(fā)生的傳熱過程，設(shè)室內(nèi)空氣處于流動狀態(tài)。(5)若冬季和夏季的室溫均為18℃，人對冷暖的感覺是否相同？在哪種情況下覺得更暖和？為什么？,第二節(jié)、 基本概念? 溫度：反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和化學(xué)過程相聯(lián)系。?

17、 溫度概念的建立及測量：以熱平衡為基礎(chǔ)的，? 溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當(dāng)兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生? 導(dǎo)熱換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。? 而用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學(xué)溫標和國際實用溫標。,? 華氏溫標（ºF）規(guī)定：在標準大氣壓下，冰的熔點為32度，水的

18、沸點為212度，中間劃分180等分，每等份為華氏1度，符號為ºF。? 攝氏溫度（℃）規(guī)定：在標準大氣壓下，冰的熔點為0度，水的沸點為100度，中間劃分100等分，每等份為攝氏1度，符號為℃。? 攝氏溫度值t和華氏溫度值tF有如下關(guān)系：? 熱力學(xué)溫標又稱開爾文溫標，或稱絕對溫標，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度，記符號為K。? 熱力學(xué)溫度T（K）與攝氏溫度t的關(guān)系是：T（K）=273.15+t(℃

19、)。,第三節(jié)、溫度測量儀表的分類,? 按使用的測量范圍分 常把測量600℃以上的測溫儀表叫高溫計；測量600℃以下的測溫儀表叫溫度計? 按用途分 標準儀表和實用儀表 ? 按工作原理分 分為膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計五類 ? 按測量方式分 分為接觸式與非接觸式兩大類。前者測溫元件直接與被測介質(zhì)接觸，這樣可以使被測介質(zhì)與測溫元件

20、進行充分地?zé)峤粨Q而達到測溫目的；后者測溫元件與被測介質(zhì)不接觸，通過輻射或?qū)α鲗崿F(xiàn)熱交換來達到測溫的目的。,第三節(jié)、溫度測量儀表的分類,1、接觸式測溫 溫度敏感元件與被測對象接觸，經(jīng)過換熱后兩者溫度相等。 (1) 膨脹式溫度計 (2) 熱電阻溫度計 (3)熱電偶溫度計 (4)其他原理的溫度計,直觀、可靠，測量儀表也比較簡單,特點,缺點：由于測溫元件與被測對象必

21、須經(jīng)過充分的熱交換且達到平衡后才能測量，這樣容易破壞被測對象的溫度場，同時帶來測溫過程的延遲現(xiàn)象，不適于測量熱容量小的對象、極高溫的對象、處于運動中的對象。不適于直接對腐蝕性介質(zhì)測量。,2、非接觸測溫 溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過輻射能量進行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的溫度。 (1) 輻射式溫度計 (2) 紅外線溫度計：,特點,不與被測物體接觸，不破壞原有的溫度場。精度一般不高。,缺

22、點：容易受到外界因素的干擾，測量誤差較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格比較昂貴。,1、應(yīng)用熱膨脹原理測溫,測量原理,物體受熱時產(chǎn)生膨脹,液體膨脹式溫度計,固體膨脹式溫度計,玻璃管溫度計,雙金屬溫度計,第四節(jié)、工業(yè)常用溫度檢測儀表,2、膨脹式溫度計,雙金屬片,雙金屬片溫度計,雙金屬溫度信號器1-雙金屬片 2-調(diào)節(jié)螺釘 3-絕緣子 4-信號燈,感溫元件:兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊在一起而制成的.,3、壓力式溫度計,利用密閉系統(tǒng)中的液體、氣體或低沸

23、點液體的飽和蒸汽受熱后體積膨脹或壓力變化這一原理而制成的，并用壓力表來測量這種變化，從而測得溫度,工作介質(zhì)是氣體、液體或蒸氣簡單可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性動態(tài)性能差，示值的滯后較大，不能測量迅速變化的溫度,4、雙金屬溫度計一、工作原理 雙金屬溫度計屬于固體膨脹式溫度計。雙金屬溫度計中的感溫元件是用兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊在一起而制成的。雙金屬片受熱后，由于兩金屬片的膨脹長度不同而產(chǎn)生彎曲，溫度越

24、高產(chǎn)生的線膨脹長度差就越大，因而引起彎曲的角度就越大。雙金屬溫度計就是基于這一原理而制成的，它是用雙金屬片制成螺旋形感溫元件，外加金屬保護套管，當(dāng)溫度變化時，螺旋的自由端便圍繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，同時帶動指針在刻度盤上指示出相應(yīng)的溫度數(shù)值。,雙金屬溫度計是一種測量中 低溫度的現(xiàn)場檢測儀表。可 以直接測量各種生產(chǎn)過程中 的-80℃～+500℃范圍內(nèi)液體 、蒸汽和氣體介質(zhì)溫度。特點 現(xiàn)場顯示溫度，直觀方便； 安全可靠，

25、使用壽命長； 多種結(jié)構(gòu)形式。,5、熱電阻 熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。 它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精度是最高的，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。,應(yīng)用熱電阻原理測溫,導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化,測量原理,熱電阻溫度計適用于測量-200~500℃范圍內(nèi)液體、氣體、蒸汽及固體表面的溫度；具有遠傳、自動記錄和實現(xiàn)多點測量等優(yōu)點。熱電阻輸出信號大，測量準確,什么是RTD?

26、Resistance Temperature Detector鉑線電阻的變化近于理想曲線－ IEC 751,電 阻( 歐 姆),電阻與溫度國際通用關(guān)系圖:,,IEC 751,IEC751,溫 度 (oC),? 熱電阻測溫原理及材料： 熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用銠、鎳、錳等材料制造熱電阻。?

27、熱電阻測溫系統(tǒng)的組成： 熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和溫度控制顯示表等組成。必須注意兩點：“熱電阻和溫度控制顯示表的分度號必須一致；為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采取三線制接法?！? 常用工業(yè)熱電阻包括： 鎧裝熱電阻、裝配熱電阻、防爆熱電阻,4- 線 RTD,為什么使用2-, 3-,或4- 線 RTD?? 2- 線: 成本最低 -- 使用極少，因為引線電阻的誤差很大? 3-

28、線: 成本/性能比適中. 引線補償良好. ? 4- 線: 理論上最好的引線補償方法(完全補償); 精度最高，成本最高.,,常見故障原因及處理,Rr,Rt,WZP-230 總長/插入深度=500/350mm,WZPK2-230 總長/插入深度=300/150mm,6、 熱電偶,如圖所示，兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路。置于被測溫度為 t 的介質(zhì) 中，稱為工作段，另一端為自由端

29、，放在溫度為t0的恒定溫度下，當(dāng)工作段的被測介質(zhì)溫度發(fā)生變化時，熱電勢也隨溫度發(fā)生一定規(guī)律的變化。,熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢，其大小只與電極材料與兩端的溫差有關(guān)，而與熱電極的長度和直徑的粗細無關(guān)。采用熱電偶為測量元件的變送器稱之為熱電偶溫度變送器。從外觀上看，熱電阻和熱電偶溫度變送器沒有太大的區(qū)別。熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示：E=eAB(t)-eAB(t0) 式中：Et----熱電偶的熱電勢；

30、 eAB(t)----溫度為t時工作端的熱電勢； eAB(t0)----溫度t0時自由端的熱電勢；,熱電偶產(chǎn)生熱電勢的條件是兩熱電極材料相異、兩接點溫度相異。,同種補償導(dǎo)線配同種熱電偶，如果所選的補償導(dǎo)線種類不對，一樣產(chǎn)生誤差。假設(shè)使用S 型熱電偶，選擇了K 型偶的補償導(dǎo)線KX，如圖5 所示。根據(jù)中間導(dǎo)

31、體定律，儀表所接收的總熱電勢為E′Z（T1，T2）=ES（T1，T3）+EKX（T3，T2）如果正確使用S 型偶補償導(dǎo)線SC，不考慮補償導(dǎo)線自身誤差，儀表測量的總電勢為EZ（T1，T2）=ES（T1，T3）+ES（T3，T2）,由于選錯了補償導(dǎo)線儀表測量值由此產(chǎn)生誤差為式:EZ′- EZ= ES（T1，T3）+EKX（T3，T2） - ES（T1，T3）- ES（T3，T2） = EKX（T3，T2） -

32、 - ES（T3，T2如果S 型熱電偶工作溫度為900℃，控制間環(huán)境溫度為25℃，仍按照T3- T2=8℃，分別查S 偶和K 偶分度表，得出電勢差為； EK（T3，T2）- ES（T3，T2）=0.278mV儀表測量溫度比實際溫度高。如果儀表控制在900℃時，實際值只有875.1℃，誤差24.9℃。如果上述情況又將極性接反，儀表測量值偏高，儀表顯示900℃時，實際溫度為933.2℃，誤差33.2℃。,如果正確連接，儀表所接

33、收的總熱電勢為： EZ=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）因為連接的錯誤，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，儀表所接收的總熱電勢為：E′Z=EK（T1，T3）-EKX（T3，T2）計算，儀表測量值由此產(chǎn)生誤差為：EZ′- EZ=EK（T1，T3）+ EKX（T3，T2）- EK（T1，T3）- EKX（T3，T2）=2EK（T3，T2）,一般工業(yè)爐附近的溫度，至少比控制間的溫度高8℃。那么由此產(chǎn)生誤差正好是補償導(dǎo)線補償值的2 倍。對

34、于 K型偶，微分電勢值基本在 40℃（/ μV）左右，測量溫度大約比實際溫度低16℃。如果控制溫度設(shè)定在600℃，實際溫度應(yīng)該在616℃左右。從上面的分析可以看出，當(dāng)熱電偶補償導(dǎo)線正負極接反，不僅沒有起到補償作用，誤差比不接補償導(dǎo)線還增加一倍，因此補償導(dǎo)線在連接時一定要注意極性。如果不能確定熱電偶補償導(dǎo)線極性時，可以取一段補償導(dǎo)線，將一端絕緣去掉后擰在一起，放在熱水杯中，用普通萬用表直流電壓量程最低檔測量另一端的2 根

35、線，萬用表上會顯示測量電壓的正負，信號的正極為補償導(dǎo)線的正極。,溫度變送器的作用:有人說是測量溫度的，這是不對的。其作用是將檢測的熱電偶或則熱電阻等溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴实膬x表信號如4-20mADC,或者1-5VDC.,七、溫度變送器,AD105撥碼開關(guān)型智能溫度變送器Pt100、Cu50、Pt1000輸入，4...20mA輸出，防雷，抗脈沖群，抗射頻干擾，能有效抑制因漏電造成的影響,AD105撥碼開關(guān)型智能溫度變送器，是一種可以

36、通過撥碼開關(guān)設(shè)置量程范圍的智能型兩線制溫度變送器，同時還具備PC可編程的功能。它能接受熱電阻信號輸入，并對輸入信號進行線性化處理，輸出4...20mA(兩線制) 標準信號，并傳輸?shù)紻CS、PLC等系統(tǒng)控制設(shè)備；具有傳感器損壞、短路故障信號可預(yù)設(shè)置等特點。供電方式為輸出回路供電，無需另配電源，即無源式，一般安裝在溫度傳感器的頭部接線盒里，安裝孔為圓形條狀設(shè)計，可滿足不同尺寸接線盒的要求，也可通過安裝支架裝在標準DIN導(dǎo)軌上。,第三章 壓

37、力測量儀表,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 液柱式壓力計,第三節(jié) 彈性式壓力計,第四節(jié) 電氣式壓力計,第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校驗,第六節(jié) 差壓變送器,第一節(jié) 概述,壓力是重要的熱工參數(shù)之一, 正確測量和控制壓力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測量中。 垂直作用在單位面積上的力稱壓力。在國際單位制（SI）和我國法定計量單位中，壓力的單位是“帕斯卡”，簡稱“帕”，符

38、號為“Pa”。 1Pa=1N/m2 即1N力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa。,過去采用的壓力單位“工程大氣壓力”（kgf/cm2）、“毫米汞柱”（mmHg）、“毫米水柱”（mmH2O）、“物理大氣壓”（atm）、“巴”（bar）、“PSI”等均應(yīng)改成法定計量單位帕。 換算關(guān)系如下：1kgf/cm2 = 0.9807×105P

39、a 1mmH2O = 0.9807×10Pa 1mmHg = 1.332×102Pa 1atm = 1.01325×105Pa bar = 105Pa 1PSI = 6.89×103Pa,第一節(jié) 概述,一、壓力幾種不同表示方法 (1) 絕對壓力 指作用于物體表面積上的全部壓力, 其零點以絕對真空為基準, 又稱總壓

40、力, 一般用大寫符號P表示。 (2) 大氣壓力 指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力, 以P0表示。 (3) 表壓力 絕對壓力與大氣壓力之差, 一般用P表示。測壓儀表一般指示的壓力都是表壓力, 表壓力又稱相對壓力。當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力, 則表壓力為負壓, 負壓又可用真空度表示,負壓的絕對值稱為真空度。如測爐膛和煙道氣的壓力均是負壓。 (4) 差壓 任意兩個壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計和差壓式流量計就是利用測量差壓的

41、大小知道液位和流體流量的大小。,第一節(jié) 概述,第一節(jié) 概述,1.平衡法：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理測量壓力。2. 彈性法：利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)的表壓力或負壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形來反映被測壓力的大小。3. 電氣式：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。,三、壓力測量儀表的分類,第一節(jié) 概述,壓力傳感器從其原理及結(jié)構(gòu)可分為：液柱式、機械式及電氣式測量壓力的儀表，按

42、信號原理不同，大致可分為四類：液柱式：根據(jù)流體靜力學(xué)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度；機械式：根據(jù)彈性元件受力變形的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成位移；電氣式：將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量，如電感、電容、電阻、電位差等，依據(jù)電量的大小實現(xiàn)壓力的間接測量；活塞式：根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量。,第二節(jié) 液柱式壓力計,利用液柱對液柱底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過液柱高度來反映被測壓力的大

43、小。采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進行測量，常用于低壓、負壓或壓力差的檢測。被廣泛用于實驗室壓力測量或現(xiàn)場鍋爐煙、風(fēng)道各段壓力、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)各段壓力的測量。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有相當(dāng)高的準確度，應(yīng)用廣泛。缺點：量程受液柱高度的限制，體積大，玻璃管容易損壞及讀數(shù)不方便。,一、U形管壓力計,△P=P1－P2=ρg(h1+h2),提高工作液密度將增加壓力的測量范圍，但靈敏度要降低。,U形管壓力計原理圖1-U型玻璃管；2-

44、工作液；3-刻度尺,第二節(jié) 液柱式壓力計,二、單管壓力計,因則故由于 D>>d，所以 P =ρgh2,單管液柱式壓力計1-測量管 2-寬口容器 3-刻度尺,第二節(jié) 液柱式壓力計,由于U形管壓力計需兩次讀取液面高度，為使用方便，設(shè)計出一次讀取液面高度的單管壓力計。,習(xí)題,1、用平管液柱式壓力計測得的介質(zhì)壓力為液柱高度380mmH2O,由于大容器D>>d(d為測壓管直徑),可忽略大容器液位下降值.求介質(zhì)壓

45、力。已知：容器中灌注為1K,設(shè)ρ=1000kg/m3,g=9.81 。,解：被測介質(zhì)壓力 P=ρgh =1000×9.81×0.38 =3.73×103(Pa),三、斜管微壓計,第二節(jié) 液柱式壓力計,主要用于測量微小壓力、負壓和壓差，它將單管液柱壓力計的測量管傾斜放置，這樣可以提高靈敏度，減少讀數(shù)相對誤差。,傾斜角度越小，l越長，測量靈敏度就越高；但不可太小，否則

46、液柱易沖散，讀數(shù)較困難，誤差增大，不能小于15°。這種傾斜管液柱式壓力計可以測量到0.98Pa的微壓。為了進一步提高微壓計的精確度，應(yīng)選用密度小的酒精作為工作液體。,三、斜管微壓計,第二節(jié) 液柱式壓力計,第三節(jié) 彈性式壓力計,用彈性傳感器（又稱彈性元件）組成的壓力測量儀表稱為彈性式壓力計。彈性元件受壓后產(chǎn)生的形變輸出（力或位移），可以通過傳動機構(gòu)直接帶動指針指示壓力（或壓差），也可以通過某種電氣元件組成變送器，實現(xiàn)壓力（或壓

47、差）信號的遠傳。,1、彈性元件 采用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件, 可以適用于不同場合、不同范圍的壓力測量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。,第三節(jié) 彈性式壓力計,測壓原理：彈性元件在彈性限度內(nèi)受壓后會產(chǎn)生變形，變形大小與被測壓力成正比關(guān)系。,F：軸向外力； A: 彈性元件承受壓力的有效面積； P: 被測壓力； C：彈性元件的剛度系數(shù)； X: 彈性元件的形變位移。,第三節(jié) 彈性式壓力計,

48、2、彈簧管壓力表 彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)如圖所示。被測壓力由接頭9通入, 迫使彈簧管1的自由端產(chǎn)生位移, 通過拉桿2使扇形齒輪3作逆時針偏轉(zhuǎn), 于是指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動而作順時針偏轉(zhuǎn), 在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力的數(shù)值。,第三節(jié) 彈性式壓力計,結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，使用范圍廣，測量范圍寬; 可測負壓、微壓、低壓、中壓和高壓; 精度有0.5、1.0、1.5、2.5等。,第三節(jié) 彈性式壓力計,2、彈簧

49、管壓力表,第四節(jié) 電氣式壓力計,為適應(yīng)集中檢測、自動調(diào)節(jié)及使用計算機技術(shù)的需要，希望把彈性元件的輸出——位移或壓力轉(zhuǎn)為統(tǒng)一信號，出現(xiàn)了電氣式壓力計。電氣式壓力檢測方法一般是用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化。 能實現(xiàn)壓力－電量轉(zhuǎn)換的壓敏元件主要有壓電材料、應(yīng)變片和壓阻元件。,1、壓電式壓力傳感器 壓電效應(yīng)原理：壓電材料受壓時會在其表面產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的壓力成正比。 壓電材料：單晶體、多晶體 特點：結(jié)

50、構(gòu)簡單、緊湊，小巧輕便，工作可靠，線性度好，頻率響應(yīng)高，量程范圍廣。,霍爾元件是利用( )工作的半導(dǎo)體元件。A磁電效應(yīng) B電磁效應(yīng) C壓電效應(yīng) D以上都不是,C,問題？,第四節(jié) 電氣式壓力計,2、 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變片是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，當(dāng)應(yīng)變片受外力作用產(chǎn)生形變時，應(yīng)變片的電阻值也將發(fā)生相應(yīng)變化。應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性元件、應(yīng)變片以及相應(yīng)的橋路組成的，利用彈性敏感元件和應(yīng)變計將被測壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)

51、電阻值變化的壓力傳感器。,第四節(jié) 電氣式壓力計,缺點：輸出信號小、線性范圍窄,而且動態(tài)響應(yīng)較差(見電阻應(yīng)變計、半導(dǎo)體應(yīng)變計)。優(yōu)點：應(yīng)變片的體積小,商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。分類：按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式和組合式4種。,2、應(yīng)變式壓力傳感器,第四節(jié) 電氣式壓力計,3、壓

52、阻式壓力傳感器 壓阻元件是基于壓阻效應(yīng)工作的一種壓力敏感元件，它指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，當(dāng)它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。 擴散電阻正常工作需依附彈性元件，常用的是單晶體硅膜片。,優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能直接反映微小的壓力變化，動態(tài)響應(yīng)好；缺點：敏感元件易受溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。,第四節(jié) 電氣式壓力計,右圖是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。在一塊圓形的單晶硅膜片上, 布

53、置四個擴散電阻, 組成一個全橋測量電路。膜片用一個圓形硅杯固定, 將兩個氣腔隔開。一端接被測壓力, 另一端接參考壓力。當(dāng)存在壓差時, 膜片產(chǎn)生變形, 使兩對電阻的阻值發(fā)生變化, 電橋失去平衡, 其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。,第四節(jié) 電氣式壓力計,第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校驗,一、壓力檢測儀表的選擇1.儀表量程的選擇被測壓力較穩(wěn)定：最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4；被測壓力波動較大或測脈動壓力：最大工作壓力不應(yīng)超過

54、儀表滿量程的2/3；為保證測量準確度：最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3；優(yōu)先滿足最大工作壓力條件。,2. 儀表精度的選擇 壓力檢測儀表的精度主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定，即要求實際被測壓力允許的最大絕對誤差應(yīng)小于儀表的基本誤差。3. 儀表類型的選擇從被測介質(zhì)壓力大小來考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)對儀表輸出信號的要求使用的環(huán)境,第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校驗,一、壓力檢測儀表的選擇,習(xí)題,16、鍋爐給水壓力值

55、最大16MPa,最小15MPa,試問應(yīng)選用多大量程的壓力表？,解：儀表刻度上限值=3/2×測量上限值 =3/2×16 =24MPa 根據(jù)計算結(jié)果,可選用0～25MPa的壓力表。,二、壓力儀表的校驗,第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校驗,校驗就是將被校驗壓力表和標準壓力表通以相同壓力，比較它們指示數(shù)值，如果被校表對于標準表的讀數(shù)誤差，不大于被校表

56、規(guī)定最大準許絕對誤差時，則認為被校表合格。常用的校驗儀器是活塞式壓力計，它由壓力發(fā)生部分和測量部分組成，它的精度等級有0.02、0.05和0.2級，可用來校準0.25級精密壓力表，也可校準各種工業(yè)用壓力表，被校壓力的最高值為60MPa。,校驗方法：,1.在測量范圍內(nèi)選取3-4個點，選在帶有刻度數(shù)字的大刻度點上；2.均勻增至刻度上限，保持上限壓力3min，觀察指針的變動情況；3.單方向增至校驗點后度數(shù)，輕敲表殼再讀數(shù)，再單方向?qū)⒅列?/p>

57、驗點校驗，計算誤差。,二、壓力儀表的校驗,第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校驗,三、壓力表的安裝,第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校驗,1. 取壓口的選擇測量液體：在管道下部取壓測量氣體：在管道上部取壓測量蒸汽：在管道兩側(cè)偏上取壓,2. 導(dǎo)壓管的鋪設(shè)導(dǎo)壓管是傳遞壓力、壓差信號的，要有3%坡度，長度小于50m。導(dǎo)壓管應(yīng)垂直或傾斜敷設(shè)，起傾斜度不小于1:12，粘度高的流體，其傾斜度應(yīng)更增大。,三、壓力表的安裝,第五節(jié) 壓力檢測儀表的選擇與校

58、驗,3. 取壓口管與工質(zhì)流速方向垂直，與設(shè)備內(nèi)壁平齊，無凸起和毛刺。,4. 防止儀表傳感器與高溫和有害介質(zhì)直接接觸。,5. 取壓口和壓力表之間要有隔離閥，以備檢修。,習(xí)題,61、在水平管道上測量氣體壓力時的取壓點應(yīng)選在( )。 A、管道上部、垂直中心線兩側(cè)45度范圍內(nèi) B、管道下部、垂直中心線兩側(cè)45度范圍內(nèi) C、管道水平中心線以上兩側(cè)45度范圍內(nèi) D、管道上部、垂直

59、中心線兩側(cè)45度范圍內(nèi),64、一般工業(yè)用壓力表耐壓檢驗時間為( )分鐘。 A、 3 B、 5 C、 10 D、 8,17、在進行差壓管路敷設(shè)時,已知敷設(shè)的管路長度24米,試問管路兩端的最小高度差不少于多少米？,解：根據(jù)規(guī)程,在敷設(shè)差壓管路時,管路應(yīng)保持不小于1:12的坡度。 最小的高度差=24×（1/12） =2(米) 即管路

60、兩端最小高度差不應(yīng)小于2米。,差壓變送器可以測量液體、氣體和蒸汽的壓力、壓差及液位等參數(shù), 與節(jié)流裝置配合可測量流量。 差壓變送器有氣動差壓變送器（輸出20～100KPa壓力信號）和電動差壓變送器（輸出4～20mA或0～10mA標準電流信號）。,第六節(jié) 差壓變送器,力平衡式差壓變送器是基于力矩原理工作的, 它是以電磁反饋力產(chǎn)生的力矩去平衡輸入力產(chǎn)生的力矩。由于采用了深度負反饋, 因而測量精度較高, 而且保證了被測差壓ΔPi和輸

61、出電流I0之間的線性關(guān)系。,一、力平衡式差式變送器 力平衡式差壓變送器的構(gòu)成方框圖如圖所示, 它包括測量機構(gòu)、杠桿力平衡機構(gòu)、位移檢測放大器及電磁反饋機構(gòu)。,第六節(jié) 差壓變送器,壓力、差壓變送器結(jié)構(gòu)都一樣, 只是彈性元件稍有差別。右圖為電動力平衡壓力變送器結(jié)構(gòu)簡圖。被測壓力p作用在測量膜片1上, 轉(zhuǎn)換為輸入力作用于主杠桿2的下端。主杠桿以支點膜片3為軸而偏轉(zhuǎn), 并以力沿水平方向推動矢量機構(gòu)4。矢量機構(gòu)將水平向左的力變成連桿6向上的

62、力, 此力帶動副杠桿7, 繞其支點順時針轉(zhuǎn)動, 因而使差動變壓器8的銜鐵下移, 氣隙變小, 銜鐵的位移變化量通過低頻位移檢測放大器9轉(zhuǎn)換并放大為4-20 mA的直流電流I0, 作為變送器的輸出信號。,第六節(jié) 差壓變送器,調(diào)節(jié)支點5的水平位置, 可改變矢量機構(gòu)的夾角θ, 從而能連續(xù)改變兩杠桿間的傳動比, 能細調(diào)量程。調(diào)節(jié)彈簧11的張力, 可起調(diào)整零點的作用。  低頻位移檢測放大器的作用是將副杠桿上銜鐵的微小位移轉(zhuǎn)換成直流輸出電流I0,

63、所以它實際上是一個位移-電流轉(zhuǎn)換器。,第六節(jié) 差壓變送器,二、電容式差壓變送器 電容式差壓變送器是沒有杠桿機構(gòu)的變送器, 它采用差動電容作為檢測元件, 整個變送器沒有傳動機構(gòu), 因而尺寸緊湊, 抗振性好, 性能穩(wěn)定可靠, 具有較高的精度。它可以測量壓力、差壓、絕對壓力、帶開方的差壓（用于測量流量）。,第六節(jié) 差壓變送器,1、電容式差壓變送器的組成 變送器包括差動電容傳感器和變送器電路兩部份, 其構(gòu)成方框圖如圖所示。輸入差壓

64、Δpi作用于差動電容的動極板, 使其產(chǎn)生位移, 從而使差動電容器的電容量發(fā)生變化。 此電容變化量由輸入轉(zhuǎn)換部份變換成直流電流信號, 此信號與反饋信號進行比較, 其差值送入放大電路, 經(jīng)放大得到整機的輸出電流I0。,第六節(jié) 差壓變送器,2．電容式差壓變送器測量原理 采用變電容原理，利用彈性元件受壓變形來改變可變電容器的電容量，然后通過測量電容量C便可以知道被測壓力的大小，從而實現(xiàn)壓力-電容轉(zhuǎn)換的。,第六節(jié) 差壓變送器,ε——電容器

65、極板間絕緣介質(zhì)的介電 常數(shù)，F(xiàn)/m A——電容器兩平行板覆蓋的面積，m2,d——兩平行板之間的距離，m C——電容量，F(xiàn),測量部分,測量部分包括電容膜盒、高低壓室及法蘭組件等. 測量原理: 將被測壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化。,第六節(jié) 差壓變送器,3.電容式壓力、差壓變送器特點,結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)性能好，電容相對變化大、靈敏度高在普通壓力傳感器上增加微處理器具有遠程通

66、訊的功能依靠手操通信器，用戶可在現(xiàn)場或控制室設(shè)定變送器各種參數(shù)使用維護方便長期穩(wěn)定工作，每5年才需校檢一次。,第六節(jié) 差壓變送器,簡答題：（第25小題）簡述電容式差壓變送器的組成和工作原理。,答：電容式差壓變送器的檢測元件采用電容式壓力傳感器，組成分測量和放大兩大部分。輸入差壓作用于測量部分電容式壓力傳感器的中心感壓膜片，從而使感壓膜片（即可動電極）與兩固定電極所組成的減去電容的電容量發(fā)生變化，此電容變化量由電容/電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)

67、換成電流信號和調(diào)零與零遷電路產(chǎn)生的調(diào)零信號的代數(shù)和同反饋電路產(chǎn)生的反饋信號進行比較，其差值送入放大器，經(jīng)放大得到整機的輸出信號IO。,習(xí)題,習(xí)題,下列說法錯誤的是（ ）。A、測量值小數(shù)點后的位數(shù)多，測量越精確。B、1.5級儀表的精度等級可寫為±1.5級。C、熱電偶的測溫原理是基于熱電效應(yīng)，它的熱電勢大小，不僅取決于熱電偶材料的材質(zhì)和兩端的溫度，而且與熱電偶的直徑和長短也有關(guān)系。D、力平衡式壓力變送器與電容式壓

68、力變送器一樣，都是利用彈性元件受壓后產(chǎn)生的位移變換成電量的,如果把1151變送器的電源極性接反，則儀表不可能是（ ）。A燒壞　B沒有輸出　C輸出跑最大　D輸出跑最小,解：儀表的原測量范圍為0～100KPa，輸出范圍：4～20mA現(xiàn)零位正遷了100%，所以： 1．測量范圍成了100～200KPa。 2．儀表的量程是200-100=100KPa。 3．輸入為100KPa時，儀表的輸出為4mA。