過程控制系統(tǒng)中的儀器儀表

1、過程控制系統(tǒng)中的儀器儀表第1頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四1概 述一、 測量的基本知識 （一）測量過程測量：用專用工具將被測量與基準(zhǔn)單位進行比較的過程.測量實質(zhì)：將被測量經(jīng)一次或多次信號能量形式的變換和傳遞，最終獲得便于和基準(zhǔn)單位比較的信號能量形式，再通過指針位移或數(shù)字符號等將比較結(jié)果顯示出來。（二）測量誤差測量誤差:測量值與真實值之間的差值。 第2頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四2二、檢測儀表的基礎(chǔ)知識（一）檢測儀表的分類1根據(jù)敏感元件與被測介質(zhì)是否接觸2按精度等級的不同接觸式檢測儀表非接觸式檢測儀表標(biāo)準(zhǔn)儀表范型儀表實用儀表3按使用場合不同標(biāo)

2、定室儀表實驗室儀表現(xiàn)場儀表4.按被測變量分類壓力檢測儀表物位檢測儀表流量檢測儀表溫度檢測儀表成分分析儀表概 述第3頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四34.1檢測變送及儀表4.1.1 溫度檢測一、溫度檢測的基本概念（一）溫度的基本概念溫度是表征物體冷熱程度的物理量。它反映了物體分子作無規(guī)則熱運動平均動能的大小。溫度測量不能直接測量，只能間接測量。溫度測量的方法（1）冷熱不同的物體之間的熱交換（2）物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度不同而變化的特性來加以間接的測量。第4頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四4一、溫度檢測的基本概念（二）測溫儀表的分類1.按測溫范圍

3、來分2.按工作原理分3.按感溫元件和被測介質(zhì)接觸與否高溫計：測量600以上溫度的儀表溫度計：測量600以下溫度的儀表膨脹式溫度計熱電偶溫度計熱電阻溫度計壓力式溫度計輻射高溫計光學(xué)高溫計接觸式溫度計非接觸溫度計第5頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四5一、溫度檢測的基本概念測溫方式溫度計名稱簡單原理及常用測溫范圍優(yōu)點缺點接觸式熱膨脹玻璃溫度計液體受熱時體積膨脹100600價廉、精度較高、穩(wěn)定性好易破損，只能安裝在易觀察的地方雙金屬溫度計金屬受熱時線性膨脹50600示值清楚、機械強度較好精度較低壓力式溫度計溫包內(nèi)的氣體或液體因受熱而改變壓力50600價廉、最易就地集中檢測毛細(xì)管

4、機械強度差，損壞后不易修復(fù)熱電阻熱電阻溫度計導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而改變200600測量準(zhǔn)確，可用于低溫或低溫差測量和熱電偶相比，維護工作量大振動場合容易損壞熱電勢熱電偶溫度計兩種不同金屬導(dǎo)體接點受熱產(chǎn)生熱電勢501600測量準(zhǔn)確，和熱電阻相比安裝維護方便不易損壞，需要補償導(dǎo)線，安裝費用較高非接觸式熱輻射光學(xué)高溫計加熱體的亮度隨溫度高低而變化7003200測溫范圍廣，攜帶使用方便價格便宜只能目測，必須熟練才能測得比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)光電高溫計加熱體的顏色隨溫度高低而變化502000反應(yīng)速度快測量較準(zhǔn)確構(gòu)造復(fù)雜，價格高，讀數(shù)麻煩輻射高溫計加熱體的輻射能量隨溫度高低而變化502000反應(yīng)速度快誤差較

5、大第6頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四6液體膨脹式溫度計酒精式水銀式膨脹式溫度計第7頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四7熱電偶溫度計結(jié)構(gòu)：括熱電偶、顯示儀表、導(dǎo)線熱電偶-測溫元件；顯示儀表-檢測熱電偶產(chǎn)生的熱電勢信號，可以采用動圈式儀表，也可以用ER180系列等其他儀表；導(dǎo)線 連接熱電偶和顯示儀表，補償導(dǎo)線1熱電偶的測溫原理（熱電效應(yīng)原理）熱電偶：由兩種不同材料的導(dǎo)體A和B焊接或絞接而成。導(dǎo)體A、B稱為熱電極，合稱熱電偶。 mV自由端參比端冷端工作端測量端熱端第8頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四8第9頁，共58頁，2022年

6、，5月20日，12點5分，星期四9二、熱電偶溫度計1熱電偶的測溫原理（熱電效應(yīng)原理）熱電效應(yīng)：將熱電偶的工作端插入需要測量溫度的生產(chǎn)設(shè)備中，冷端置于生產(chǎn)設(shè)備的外面，當(dāng)兩端所處的溫度不同時（如熱端為t，冷端為t0），在熱電偶回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電勢，我們把這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。當(dāng)冷端溫度t0不變、兩種熱電極材料一定時， EAB(t0)= C為常數(shù),則： EAB（t，t0）=EAB（t）- C =f（t）EAB(t) 指熱電偶工作端溫度t，冷端溫度為0時的熱電勢EAB(t0)指熱電偶工作端溫度t0，冷端溫度為0時的熱電勢第10頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四10結(jié)論：（1）

7、保持冷端溫度不變時，用表測出熱電勢EAB(t,t0)就可得知測溫度。（2） 產(chǎn)生熱電勢的充要條件：A、B導(dǎo)體材料不同，兩接觸點溫度不同。注意：1）EAB(t,t0)f(t-t0),是溫度函數(shù)的差，非溫度差的函數(shù)2）常用分度表在T0=0時列出的3）接觸電勢差電勢（一般情況下）故熱電勢的極性取決于接觸電勢極性。二、熱電偶溫度計第11頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四11二、熱電偶溫度計熱電偶名稱分度號主要性能測溫范圍/長期使用短期使用鉑銠10鉑S熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性能好，適用于氧化性和中性氣氛中測量，但熱電勢小，成本高。2013001600鉑銠30鉑銠6B穩(wěn)定性好，測量溫度

8、高，參比端在0100范圍內(nèi)可以不用補償導(dǎo)線；適于氧化性氣氛中的測溫；熱電勢小，價格高。30016001800鎳鉻鎳硅K熱電勢大，線性好，適于在氧化性和中性氣氛中測溫，且價格便宜，是工業(yè)上使用最多的一種。-5010001200鎳鉻銅鎳E熱電勢大，靈敏度高，價格便宜，中低溫穩(wěn)定性好。適用于氧化或弱還原性氣氛中測溫。-50800900鐵銅鎳J測量精度高，穩(wěn)定性好，低溫時靈敏度高，價格最低。適用于氧化和還原性氣氛中測溫。-40700750銅銅鎳T低溫時靈敏度高、穩(wěn)定性好，價格便宜。適用于氧化和還原性氣氛中測溫。-40300350正極含銠30%負(fù)極含銠6%第12頁，共58頁，2022年，5月20日，12

9、點5分，星期四12 【例】用一只鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號為K）測量爐溫，已知熱電偶工作端溫度為800，自由端溫度為25，求熱電偶產(chǎn)生的熱電勢 E（800，25）。二、熱電偶溫度計解：由附錄可以查得： E(800,0) =33.277mV E(25,0) =1.000mV E(800,25) =E(800,0)E(25,0)=32.277mV第13頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四132.熱電偶的基本定律（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律即：由一種均質(zhì)導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路，不論其截面及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極 （2）中間導(dǎo)體定律在

10、熱電偶回路中，只要接入的中間導(dǎo)體(可多種)兩端溫度相同，則對熱電偶回路的總電勢無影響。 EAB（T，T0）EAB（T，Ta）EAB（Ta，T0）（3）中間溫度定律在熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體C ，只要這第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢保持不變。 二、熱電偶溫度計第14頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四14 電極（熱端）絕緣子保護管接線盒冷端二、熱電偶溫度計連接熱電偶與補償導(dǎo)線用3熱電偶的結(jié)構(gòu)組成：熱電極、絕緣套管、保護套管、接線盒第15頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四15二、熱電偶溫度計第16頁，共58頁，2022年，5月20日，1

11、2點5分，星期四16溫度變送器的作用：將熱電偶或熱電阻輸出的電勢值或電阻值轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，再送給其他單元組合儀表進行指示、記錄或控制。 溫度變送器種類：常用的有DDZ-型溫度變送器、智能型溫度變送器等等。DDZ-型溫度變送器為安全火花型防爆儀表分兩大類（架裝型和現(xiàn)場安裝型）、三個品種（熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器和直流毫伏變送器）。每個品種都有量程單元和放大單元兩個部分，分別制在二塊印刷線路板上。 特點：量程單元各不相同，放大單元可以共用。四、溫度變送器第17頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四17一、壓力檢測儀表的分類按照其轉(zhuǎn)換原理不同(P45表32)液柱式壓力

12、計彈性式壓力計活塞式壓力計電氣式壓力計4.1.2壓力測量第18頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四18二、單圈彈簧管壓力表1特點：測壓范圍寬，測量精度較高、儀表刻度均勻、堅固耐用，所以應(yīng)用非常廣泛。它主要用于現(xiàn)場的壓力指示。2. 組成：1-彈簧管；2-拉桿；3-調(diào)整螺釘；4-扇形齒輪；5-指針；6-中心齒輪；7-游絲；8-面板；9-接頭第19頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四192組成：單圈彈簧管、傳動放大機構(gòu)、指示機構(gòu)和表殼。（1）單圈彈簧管1是彎成圓弧形的金屬管子，截面為扁圓或橢圓形，自由端封閉。當(dāng)通入被測壓力后，截面有變圓的趨勢，迫使自由端產(chǎn)生位

13、移。（2）傳動放大機構(gòu) 包括拉桿2、扇形齒輪4、中心齒輪6、調(diào)整螺釘3及游絲7。（3）指示機構(gòu) 包括指針5、刻度盤8（4） 表殼 包括殼座、蓋圈、表玻璃等3原理：P彈簧管自由端位移拉桿直線位移扇形齒輪逆轉(zhuǎn)角中心齒輪順轉(zhuǎn)指針順轉(zhuǎn)壓力值 由于自由端的位移與被測壓力呈線性關(guān)系，所以彈簧管壓力表的刻度標(biāo)尺為均勻分度。第20頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四20第21頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四21上圖 彈簧管下圖 壓力表機心第22頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四22三、壓力（差壓）變送器（一）變送器概述1.變送器作用：將被測變量

14、轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，送給指示儀、記錄儀、控制器或計算機控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對被測變量的自動檢測和控制。如DDZ-型壓力變送器：是用來將液體、氣體或蒸汽的壓力轉(zhuǎn)換成420mA DC標(biāo)準(zhǔn)電信號的儀表。2.種類電容式壓力變送器（應(yīng)用廣泛）電感式壓力變送器擴散硅式壓力變送器振弦式壓力變送器矢量機構(gòu)式差壓變送器 微位移式差壓變送器第23頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四23（二）電容式差壓變送器1.結(jié)構(gòu)：測量部件轉(zhuǎn)換放大電路1-隔離膜片；2，7-固定弧形電極3-硅油；4-測量膜片；5-玻璃層；6-底座第24頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四24第25頁，共58頁

15、，2022年，5月20日，12點5分，星期四253特點： 精度很高，引用誤差不超過量程的0.25。能經(jīng)受振動和沖擊，其可靠性和穩(wěn)定性較高。體積小、重量輕，零點、量程調(diào)整方便。4.兩線制連接：變送器有兩根輸出導(dǎo)線，在輸出反映被測壓力大小的420mA DC電流信號的同時，也為變送器傳遞所需的24V DC電源，即變送器與控制室儀表之間只有兩根導(dǎo)線，故稱兩線制連接2原理：第26頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四264.1.3 流量檢測及儀表 一、流量檢測的基本概念1、流量：單位時間內(nèi)流過管道某截面流體的量，包括體積流量和質(zhì)量流量瞬時流量：瞬時流量一般簡稱流量，指的是單位時間內(nèi)流過

16、管道某截面流體的數(shù)量。 累計流量：累計流量指的是在某一段時間內(nèi)流過管道的流體流量的總和，稱為總量。2、單位體積流量單位:m3/s,工程上通常采用:m3/h, l/min.質(zhì)量流量的單位: Kg/s 或 Kg/h. 流體總量單位分別為: m3,Kg T(噸). 3、體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為：4、流量檢測儀表的分類：見P64表3-7差壓式、轉(zhuǎn)子式、容積式、速度式、靶式、電磁、漩渦式 第27頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四27二、差壓式流量計1測量原理：基于流體流動的節(jié)流原理，它是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的靜壓差來實現(xiàn)流量測量的。2差壓式流量計的構(gòu)成：節(jié)流裝置（包括節(jié)流元

17、件和取壓裝置）導(dǎo)壓管差壓計或差壓變送器顯示儀表第28頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四28節(jié)流式流量計1-夾持件2節(jié)流件3針型閥4支撐桿 5導(dǎo)壓管 6差壓變送器7防凍式隔離器8法蘭9螺栓10管道第29頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四29（一）節(jié)流元件的測量原理1節(jié)流元件（1）節(jié)流元件：設(shè)置在管道中使流體產(chǎn)生局部收縮的元件。（2）節(jié)流元件有： 孔板噴嘴文丘利管第30頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四30（一）節(jié)流元件的測量原理當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，由于流通面積突然變小，流束被迫局部收縮，流速加快，動能增加。在節(jié)流元件前后產(chǎn)生了靜

18、壓差。壓差值與流體的流量關(guān)系：流量系數(shù)，由實驗確定；膨脹校正系數(shù)，查閱手冊；對于不可壓縮液體可取=1； F0節(jié)流裝置的開孔截面積，m2；節(jié)流裝置前的流體密度，kg/m3；p節(jié)流裝置前后的壓差，Pa。流束的壓縮與收縮現(xiàn)象第31頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四31（一）節(jié)流元件的測量原理節(jié)流：流束的壓縮與收縮現(xiàn)象動能+靜壓能P1動能+靜壓能動能+靜壓能P2總能=動能+靜壓能保持不變返回第32頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四32（一）節(jié)流元件的測量原理第33頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四33流量與差壓之間具有開方關(guān)系，為指示方

19、便，希望送給顯示儀表的信號與流量成線性，所以常在差壓變送器后增加一個開方器，使IO與流量Q變成線性關(guān)系后，再送顯示儀表進行顯示。在要求較高的情況下，都要對差壓式流量計進行溫度和壓力補償。（三）壓差檢測管道中的流體節(jié)流元件雙波紋管差壓計膜盒式差壓計差壓變送器開方器顯示儀QPI0I0第34頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四34三、轉(zhuǎn)子流量計特點：壓力損失小檢測范圍大（量程比10：1）結(jié)構(gòu)簡單使用方便可以測量液體或氣體的流量，適宜在小于200mm的垂直安裝的小管徑上測量測量精度1%2%。流體的流向應(yīng)由下而上,不得接反. 第35頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星

20、期四35（一）基本結(jié)構(gòu)流通域流通域板式盤式第36頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四36第37頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四37 （三）金屬管式轉(zhuǎn)子流量計可做成透明玻璃管直讀式但當(dāng)介質(zhì)不透明或為高溫高壓時，就必須采用金屬管（非導(dǎo)磁材）轉(zhuǎn)子流量計，測量轉(zhuǎn)子的位量，并實現(xiàn)遠(yuǎn)傳。第38頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四38四、其他流量計（一）橢圓齒輪流量計（是容積式流量計）特點： 1.測量精度高，可達(dá)0.2% 2.量程比寬。101 3.壓損小。 4.測量過程與流體的流動狀態(tài)即無關(guān)。5.表前、后直管段長度要求不嚴(yán)。 6.安裝使用較方便

21、。 7.特別適于高粘度流體的測量（如：重油、聚乙烯醇、樹脂等）。 第39頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四39（一）橢圓齒輪流量計1結(jié)構(gòu)及工作原理 ABP1P2aABP1P2bABP1P2V0c順時針轉(zhuǎn)第40頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四40 流體通過儀表時，形成壓力差P=P1-P2 在P作用下： 圖(a)A主動輪，順時針轉(zhuǎn) B從動輪，逆時針轉(zhuǎn)動 圖(b)A主動輪，順時針轉(zhuǎn) B主動輪，逆時針轉(zhuǎn)動 圖(c)B主動輪，逆時針轉(zhuǎn) A從動輪，順時針轉(zhuǎn)（一）橢圓齒輪流量計結(jié)論：每轉(zhuǎn)一周排出四個月牙形體積流體 Q4nV0第41頁，共58頁，2022年，5月2

22、0日，12點5分，星期四41橢圓齒輪流量計第42頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四42特點： 1.測量導(dǎo)管內(nèi)無可動部件和阻流體，因而壓損很小，無機械慣性，故反應(yīng)十分靈敏。 2.可測范圍寬，量程比10：1，最高可達(dá)100：1。 3.可測含有固體顆粒、懸浮物、或酸、堿、鹽溶液等具有一定電導(dǎo)率的介質(zhì)的體積流量，也可測脈動流量，并可雙向測量。 4.EX=Kqv線性關(guān)系，故儀表刻度均勻。 5.電磁流量計與介質(zhì)的物理性質(zhì)，流動狀態(tài)無關(guān)，故只需用水標(biāo)定后即可使用，無需修正。（二）電磁流量計 第43頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四431工作原理及組成（二）電磁流量

23、計 磁場方向+外殼磁軛線圈電極流體方向內(nèi)襯右手定則 :磁力線穿掌心大拇指指向運動方向四指指向動生電動勢的方向第44頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四44（二）電磁流量計 將一個直徑為D的管道放在一個均勻磁場中，并使之垂直于磁力線方向。當(dāng)導(dǎo)電液體在管道中流動時，便會切割磁力線。如果在管道兩側(cè)各插入一根電極，則可以引出感應(yīng)電勢。流體的體積流量與感應(yīng)電勢的關(guān)系為： E感應(yīng)電勢； B磁感應(yīng)強度； D管道內(nèi)徑。結(jié)論：QE 第45頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四45五、流量檢測儀表的選用 儀表 介質(zhì)清潔液體臟污液體蒸汽或氣體粘性液體腐蝕性液體腐蝕性漿液含纖維漿

24、液高溫介質(zhì)低溫介質(zhì)低流速液體部分充滿管道非牛頓液體節(jié)流式孔板OO文丘里管O噴觜OO彎管OO電磁流量計OOO旋渦流量計容積式流量計OO靶式流量計O渦輪流量計O超聲被流量計轉(zhuǎn)子流量計O 注：表示適用；表示可以用；表示在一定條件下可以用；表示不適用。 第46頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四46第三節(jié) 物位檢測及儀表一、物位檢測的基本概念物位：液位（氣-液分界面）液位計界位（液-液分界面）界面計料位（氣-固分界面）料位計按其工作原理不同直讀式物位計浮力式物位計差壓式物位計電氣式物位計輻射式物位計超聲式物位計表44物位檢測儀表分類比較(P108)第47頁，共58頁，2022年，5

25、月20日，12點5分，星期四47二、差壓式液位計（一）差壓式液位計的工作原理根據(jù)容器內(nèi)液位的高度H與液柱上下兩端面的靜壓差成比例的原理而工作的。根據(jù)流體靜力學(xué)原理，A點與B點的壓力差p為：所以零點遷移：為了使液位H = 0時，顯示儀表的指示為零，對下面兩種情況應(yīng)該調(diào)整差壓變送器（或其他差壓計）的零點遷移裝置，使之抵消液位H為零時，差壓計指示不為零的那一部分固定差壓值，這就是零點遷移。遷移只是改變了儀表的上、下限，相當(dāng)于測量范圍的平移，而不改變儀表的量程。第48頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四48（三）用法蘭式差壓變送器測量液位法蘭式差壓變送器應(yīng)用：介質(zhì)有腐蝕有結(jié)晶顆粒粘

26、度大易凝固，避免引壓管線被腐蝕或堵塞。單法蘭：應(yīng)用于粘度大、易結(jié)晶、沉淀、或聚合引起堵塞的場合插入式法蘭：應(yīng)用于介質(zhì)大量沉淀或結(jié)晶析出雙法蘭：應(yīng)用于腐蝕性強，無合適隔離液（用氟塑料薄膜防腐）隔離膜盒第49頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四49 三、浮力式液位計1特點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、不易受外界環(huán)境的影響、維護也方便。與差壓式液位計相比，在不少場合可免去隔離、吹洗工作，也不存在導(dǎo)壓管內(nèi)出現(xiàn)汽化或引起密度差等問題，應(yīng)用廣泛。l-浮筒；2-杠桿；3-扭力管；4-芯軸；5-外殼第50頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四50三、浮力式液位計2結(jié)構(gòu)及原理： 沉筒1:（液位檢測元件）用不銹鋼制成的空心長圓柱體，被垂直地懸掛于杠桿2的一端，并部分沉浸于被測介質(zhì)中(不漂浮在液面上)，故稱沉筒。杠桿2：右端與扭力管3，芯軸4的始端垂直固定在一起。 扭力管3：是一種密封式輸出軸，用彈性合金鋼制成。芯軸4：末端用來輸出角位移。第51頁，共58頁，2022年，5月20日，12點5分，星期四512結(jié)構(gòu)及原理沉筒扭力管十字簧片 杠桿 最大角位移