化工仪表及自动化第3章2

化工仪表及自动化第三章检测仪表与传感器2内容提要物位检测及仪表概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计称重式液罐计量仪温度检测及仪表温度检测方法热电偶温度计热电阻温度计电动温度变送器一体化温度变送器智能式温度变送器测温元件的安装3第四节物位检测及仪表一、概论几个概念液位料位液位计料位计界面计测量物位的两个目的按其工作原理分为直读式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表●确定容器或贮存库中的原料、辅料、半成品或成品的数量;●进行监视和控制生产工艺过程。4二、差压式液位变送器1.工作原理图3-39差压液位变送器原理图图3-40压力表式液位计第四节物位检测及仪表5第四节物位检测及仪表ppgHpp21将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此gHppp21当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表，如图3-40所示。6第四节物位检测及仪表gHp01211pgHghp0222pghp2.零点迁移问题ghghgHpp2221121ghhgHp2121图3-41负迁移示意图在使用差压变送器测量液位时，一般来说实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为则7第四节物位检测及仪表迁移弹簧的作用改变变送器的零点。迁移和调零都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。迁移同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。8第四节物位检测及仪表图3-42正负迁移示意图图3-43正迁移示意图举例某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。9第四节物位检测及仪表3.用法兰式差压变送器测量液位图3-44法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器单法兰式双法兰式法兰式差压变送器按其结构形式为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。10三、电容式物位传感器dDLCln21.测量原理图3-45电容器的组成1—内电极；2—外电极两圆筒间的电容量C当D和d一定时，电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε的乘积成比例。通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。第四节物位检测及仪表11四、核辐射物位计HeII0射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（3-63）。（3-63）图3-48核辐射物位计示意图1—辐射源；2—接受器第四节物位检测及仪表五、磁致伸缩式液位计六、光纤式液位计七、称重式液罐计量仪121.液面和界面测量应选用差压式仪表、浮筒式仪表和浮子式仪表。不满足要求时，可选用电容式、电阻式、声波式、磁致伸缩式等仪表。2.仪表的结构形式及材质应根据被测介质的特性来选择。3.仪表的显示方式和功能，应根据被测介质的特性来选择。4.仪表量程应根据工艺对象实际需要现实的范围或实际变化范围确定。5.仪表精确度应根据工艺要求选择。6.用于爆炸危险场所的电子式物位仪表，应根据危险场所类别及被测介质的危险程度，选择合适的防爆结构形式或采取其他的防爆措施。第四节物位检测及仪表八、物位测量仪表的选型（P75表3-6）13一、温度检测方法温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。分类按测量范围按用途高温计、温度计标准仪表、实用仪表按工作原理膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计按测量方式接触式与非接触式第五节温度检测及仪表14第五节温度检测及仪表易受外界干扰，标定困难测温范围大，适于测温度分布，不破坏被测温度场，响应快0～3500200～2000光电探测热电探测红外线低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度测温时，不破坏被测温度场400～2000700～3200900～1700辐射式光学式比色式辐射式非接触式测温仪表不能测高温，需注意环境温度的影响测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制-200～600-50～150铂铜热电阻需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制0～1600-50～1000-50～600铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-考铜热电偶精度低，测温距离短，滞后大结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉-30～600-20～3500～250液体气体蒸汽压力式精度低，量程和使用范围有限结构紧凑，牢固可靠-80～600双金属测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉-50～600玻璃液体膨胀式接触式测温仪表缺点优点测温范围／℃温度计种类测温方式常用温度计的种类及优缺点15第五节温度检测及仪表1.膨胀式温度计图3-50双金属片图3-51双金属温度信号器1—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—信号灯膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。162.压力式温度计它是根据在封闭系统中的液体、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。图3-52压力式温度计结构原理图1—传动机构；2—刻度盘；3—指针；4—弹簧管；5—连杆；6—接头；7—毛细管；8—温包；9—工作物质应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。第五节温度检测及仪表17第五节温度检测及仪表3.辐射式温度计辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。压力式温度计的构造由以下三部分组成温包毛细管弹簧管（或盘簧管）18二、热电偶温度计热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。图3-53热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶；2—导线；3—测量仪表热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。1.热电偶图3-54热电偶示意图第五节温度检测及仪表19热电偶温度计是由三部分组成：热电偶——是由不同材料的导体焊接而成，作为感温元件测量仪表——动圈仪表或电位差计连接导线——铜导线及补偿导线工作端热端测量端tt0自由端冷端热电极1.热电偶及测温原理热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。热电效应：把两种导体或者半导体连接成一个闭合回路，把这两个接点分别置于温度t的热源和温度t0中，在回路中就会产生电势，这种效应叫作热电效应。20（1）热电现象及测温原理图3-55热电现象图3-56接触电势形成的过程图3-57热电偶原理及电路图0000,,tetettEtetettEBAABABAB左图闭合回路中总的热电势或第五节温度检测及仪表21整个回路的热电势由接触电势组成温差电势接触电势：两种不同导体A、B接触时，由于两者电子密度不同，则电子在两个方向扩散速率不同，从而在A、B间形成一个电位差，这就是接触电势。温差电势：在同一种导体的两端因其温度不同而产生的电势。温差电势远小于接触电势，整个热电偶回路的热电势:当A、B和t0一定时，EAB（t,t0）是温度t的单值函数，这就是热电偶测温的基本依据。00(,)()()ABABABEttetetAB+++－－－eAB222.热电偶基本定律★热电回路的热电势仅取决于热电极的材料和两个接触点温度，与温度沿热电极的分布及电极尺寸和形状无关；★在热电偶回路中，接入第三种材料的导线，只要第三导线的两端的温度相同，第三导线的引入不会影响热电偶的电势；★两种金属A和B分别与金属C配偶的热电势为EAC和ECB，则A和B配偶产生的热电势EAB为EAC和ECB之差，即★若结点温度为t1和t2时回路的热电势为E1；结点温度为t2和t3时的热电势为E2，则结点温度为t1和t3时的回路热电势为E=E1+E2——冷端修正理论依据。AB0AC0CB0(,)(,)(,)EttEttEtt233.热电势与温度关系特性可用列表法表示（冷端温度均为0℃）数学表示法图示法★列表法将温度与热电偶的热电势列成相应的表格，不同的热电偶其数值是不同的，每种热电偶都对应一个分度号。★数学表示法热电势与温度的关系用一个公式表示：★图示法把热电势与温度关系用曲线在坐标纸上表示出来。.....32dtctbtaEt24第五节温度检测及仪表注意如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。25第五节温度检测及仪表（3）常用热电偶的种类工业上对热电极材料的要求温度每增加１℃时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能成线性关系；物理稳定性要高；化学稳定性要高；材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。26第五节温度检测及仪表180016001200900750350300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-40～300铂铑6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金铂铑30合金铂铑10合金镍铬合金镍铬合金铁铜LL-2LB-3EU-2--CKBSKEJTWRRWRPWRNWREWRFWRC铂铑30-铂铑6铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铁-铜镍铜-铜镍短期使用长期使用负热电极正热电极旧新测温范围/℃热电极材料分度号代号热电偶名称表3-4工业用热电偶27（4）热电偶的结构①普通型热电偶图3-59热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒第五节温度检测及仪表28第五节温度检测及仪表80150500120014001700橡皮、绝缘漆珐琅玻璃管石英管瓷管纯氧化铝管工作温度/℃材料表3-5常用绝缘子材料表3-6常用保护套管6001000120014001900以上无缝钢管不锈钢管石英管瓷管Al2O3陶瓷管工作温度/℃材料29第五节温度检测及仪表②铠装热电偶由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型，然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。优点反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕振、耐高压等。③表面型热电偶专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶。优点反应速度极快、热惯性极小。30第五节温度检测及仪表④快速热电偶测量高温熔融物体一种专用热电偶。热电偶的结构形式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电偶选型时，要注意三个方面：热电极的材料；保护套管的结构，材料及耐压强度；保护套管的插入深度。31第五节温度检测及仪表２补偿导线的选用图3-61补偿导线接线图采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见左图。32补偿导线的特点：①在一定温度范围内，补偿导线与所要连接的热电极具有相同的热电性能；②价格比较低廉；③不同热电偶所用的补偿导线不同；④热电偶和补偿导线的两个接点处温度相同；⑤使用时型号相配，极性不能接错。第五节温度检测及仪表33第五节温度检测及仪表在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047绿蓝棕白铜镍铜镍铜镍铜镍红红红红铜铜镍铬铜铂铑10-铂镍铬-镍硅（镍铝）镍铬-铜镍铜-铜镍颜色材料颜色材料负极正极工作端为100℃