化工基础实验第四讲

第4章化工实验参数测量方法4.1测量技术基础知识静态特性精度线性度回差（又称变差）灵敏度（又称静态灵敏度）和灵敏限重复性阂值稳定性漂移动态特性反映测量仪表对于随时间变化的输入量的响应特性测量仪表在被测输入量的各个值处于稳定状态下的输出与输入之间的关系。主要考虑其非线性与随机变化等因素。1.精确度max100%xx测标允量程上限量程下限仪表的最大允许误差：注：是用标准表和该仪表对同一变量测量时所得到的两个读数之差，这个差值在测量范围内各点是不同的，最大的差值即是。评定工业测量仪表的指标测量值接近真实值的准确程度maxxx测标工业自动化仪表精度等级的划分1.0,1.5,2.5,4.0高低Ⅰ级标准表Ⅱ级标准表工业用表0.005,0.002,0.050.1,0.2,0.4,0.5精度等级是把仪表的最大允许误差δ去掉“±”和“％”后的数值。上表中的值越小，表示仪表的精度越高；反之，数值越大，仪表的精度越低。精度|最大绝对误差|=1.5%×（4-0）=60kPa例1确定仪表精度等级某台测温仪表的量程为600℃～1100℃，校验该仪表的最大绝对误差为±4℃，试求该仪表的允许误差与精度等级。％＝）℃（℃＝允8.060011004所以仪表的等级为1.0级仪表的允许误差某台测温仪表的量称为0℃～1000℃，工艺要求该仪表指示值的误差不超过±7℃，应该选精度等级为多少的仪表才能满足要求？％＝）℃（℃＝允7.0010007所以应该选用0.5级的仪表例2选择一定精度的仪表根据工艺要求，仪表允许的误差为：2.线性度（非线性误差）表征线性刻度仪表输出量与输入量的实际标准曲线与理论直线的吻合程度，如图1所示。%100max仪表量程ff图1非线性误差特性示意图3.回差（又称变差）max100%X回差量程在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程测量时，被测量值正、反行程所得到的两条特性曲线之间的最大偏差，如图2所示。0被测参数测量值ΔXmax反行程正行程图2仪表的回差特性示意图灵敏度：用来表示仪表对被测参数变化的反应灵敏程度，是指仪表达到稳态后，输出变化量与对应输入变化量之比，即4.灵敏度与灵敏限XYSS:仪表灵敏度△X：输入变化量△Y：输出变化量灵敏限：指能引起仪表指针发生位移时所需被测参数的最小变化量，一般规定，仪表的灵敏限数值应不大于仪表允许测量误差绝对值的1/2。量程精度等级灵敏限%21max21数字式仪表中，往往用分辨力来表示灵敏度的大小。数字式仪表的分辨力是指仪表在最小量程上最后一位数字所表示的物理量。当灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率。分辨率与仪表的有效数字有关。分辨力和分辨率五位半表头5.重复性6.阂值重复性是衡量测量仪表在同一条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条曲线越靠近，重复性越好。阂值是能使测量仪表输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。漂移是指在一定时间间隔内，测量仪表输出与输入量无关的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移，一般时间和周围温度环境可以引起漂移。8.漂移7.稳定性稳定性是指仪表在相当长的时间内保持其性能的能力时间常数τ0测量仪表输出值上升到稳态值yc的63.2%所需的时间动态特性y0.632y0τycτ0图3一阶系统的阶跃响应曲线4.2.1压力测量仪表分类（按转换原理分）a.液柱式压力计b.弹性式压力仪表c.电气式压力仪表d.活塞式压力标准仪表b.弹性式压力计（1）弹性元件4.2压力检测变送仪表图4弹性测压计元件的结构弹性式压力仪表(实物图及内部结构）图5弹性式压力表示意图b.测量原理(以弹簧管式压力表为例)测量压力时，被测压力介质通过管接头进入弹簧管的内腔内，从而使弹簧管的自由端产生位移，自由端的位移放大后，指示出相应的压力。弹簧管式P弹簧管压力表机芯放大机构电气式压力计组成压力传感器电信号电信号加工装置输出仪表压力传感器的作用是把信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够进一步转换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。电信号加工装置对传感器输出的电信号经适当加工处理,如衰减、放大、滤波、运算等。输出仪表则是用表头显示，或用笔式记录仪、打印机、屏幕显示等输出设备进行显示。霍尔片式压力传感器霍尔效应在半导体制成的霍尔片的Z轴方向加一磁场，在Y轴方向加一外电场。电子在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏转，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一端面上正电荷过剩，从而在X轴方向上出现电位差，该电位差称为霍尔电势，这种现象叫“霍尔效应”。BIRUHHUH——霍尔电势B——磁感应强度I——控制电流RH——霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关霍尔电势一般为几十毫伏数量级（I为3-20mA，B约为几千高斯）；导体也有霍尔效应，但远小于半导体。1-弹簧管；2-磁钢；3-霍尔片将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器。当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端发生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。应变片式压力传感器a.分类：有金属应变片式和半导体应变片式两类4.2.2压力传感器c.特点：●被测压力可达25MPa；●固有频率在25000Hz以上，有较好的动态性能，适合测快速变化的压力；●非线性及滞后误差小于额定压力的1%b.测压原理：电阻应变原理1.压力表的选用a.仪表类型的选用显示方式的要求、被测介质的物理化学性质及现场环境条件。b.仪表量程的选用根据工艺生产过程中操作压力变化的范围来考虑。c.仪表精度等级选择精度等级是根据已选定仪表的量程和工艺生产上所允许的最大测量误差，求最大允许误差来确定的。4.2.4压力表的选用与安装2.压力表的安装a.测量点的选择●选在被测介质直线流动的直管段部分。●测压点应与流动方向垂直，测压管端面与生产设备连接处的内壁保持相平，不应有凸出物和毛刺等。●测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存空气；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。图6流体管道的取压口（a）液体管道；（b）气体管道流动直管测压点导压管压力表图7压力测量系统安装示意图b.导压管的选择安装●导压管的粗细长短合适；●根据被测介质易冷凝或是冷冻时，必须加保温伴热管线；●压口和压力表之间应加截断阀门；●导压管水平安装时要有一定斜度。HPP’图8仪表与取压点不等高的影响c.压力表的安装●安装在易于维修和观察的地方；●应力求避免振动和高温等的不利影响；●安装高度应与取压点相同或相近，否则会产生测量误差。表压P`=P+Hρg●测量蒸汽压时，应加装盘形管，以防高温蒸汽与被测元件直接接触；●对于腐蚀性介质，要加隔离罐；●在压力表和导压管的连接处应加装密封衬片，防止泄漏；●放空阀、切断阀、平衡阀的使用。图9隔离器的结构形式图分类质量流量检测仪表速度式：差压式（节流式）、转子流量计、涡轮流量计，涡街流量计等容积式：椭圆齿轮流量计，活塞式体积流量检测仪表直接式：量热式、角动量式、科氏力式等间接式4.3流量检测变送仪表差压式流量计a.原理利用流体流经节流装置产生的压力差而实现流量测量b.组成由节流装置和差压计及显示仪表组成。节流装置包括节流元件和取压装置，有孔板、喷嘴、文丘里管等。孔板式流量计动能与静压能的转化压力分布速度分布图10孔板装置、压力分布及速度分布图a.流量基本方程pFQ20α—流量系数ε—膨胀校正系数F0—开孔截面积ΔP—节流装置前后压力差ρ—流体密度▲α与节流装置形式、节流孔面积与管道面积之比、取压方式、及Re等有关；▲ΔP与取压方法有关，我国规定的标准节流装置取压方法为角接取压法和法兰取压法。b.压差式流量计使用和安装▲流体必须是清洁单相流体，或认为是无相变的流体。▲流体在节流装置前后必须完全充满管道整个截面，并在节流装置前后有足够长的直管段。▲导压管的安装要求与“压力检测变送仪表”中导压管的一样。▲节流元件的安装方向，可以垂直也可以水平，但对流向有一定要求。图11节流式流量计▲若被测流体的工作流体与实际计算时有所不同，要对所测数值进行校正。实实实实标标标标＝＝QQQQ——标定流体密度；——实际流体密度。标实转子流量计tfttAppgV)()(21tfttAgVppp/)(21phQf2tffttAgVhQ)(2a.工作原理图12转子流量计示意图是以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小。b.基本方程及应用被测介质的密度和工作状态与工业基准状态不同时，需对流量指示值进行修正。wftfwtfQQ)()(0★液体流量测量时的修正10011001TTppQQ★气体流量测量时的修正wfftwtfMQ)(0★蒸汽流量测量时的换算将蒸汽流量换算为水流量C.特点适合测量管径50mm以下管道的流量，测量流量比较小的场合。涡轮流量计流体推动涡轮叶片，使涡轮旋转高导磁的涡轮在旋转的同时，周期性地扫过磁钢，使磁路的磁阻发生周期性变化，线圈中感应出交流电信号交变信号频率送往电子计数器或电子频率计，累积或指示流量1.涡轮；2.导流器；3.磁电感应转换器4.外壳；5.前置放大器图13涡轮流量计示意图a.工作原理4.4温度检测变送仪表非接触式辐射高温计红外线温度计接触式膨胀式测温仪表压力式温度计热电偶温度计热电阻温度计分类4.4.1热电偶温度计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：把两种不同导体或者半导体连接成一个闭合回路，把两个接点分别置于温度t的热源和温度t0的冷端，在回路中就会产生电势，这种效应叫作热电效应。工作端热端测量端tt0自由端冷端热电极图14热电偶结构示意图热电势接触电势：两种不同导体A、B接触时，由于两者电子密度不同，电子扩散速率不同，在A、B间形成的电位差，用eAB(t)表示。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。用eA(t,t0)表示。温差电势远小于接触电势，总电势由接触电势决定。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。)()(),(00tetettEABABABAB––––eAB––––––––––图15静电场的形成图16温差电势的形成―At0+teA(t,t0)忽略2.热电偶基本定律),(),(),(000ttEttEttECBACAB★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、电极尺寸及形状无关；★在热电偶回路中，接入第三种材料的导线，只要第三导线两端的温度相同，其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★若接点温度为t1和t2时回路的热电势为E1；接点温度为t2和t3时的热电势为E2，则接点温度为t1和t3时的回路热电势为E=E1+E2——冷端修正理论依据。3.热电势与温度关系特性★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dtctbtaEt列表法可用数学表示法表示（冷端温度均为0℃）图示法★列表法将温度与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。★数学法热电势与温度的关系用一个公式表示4.常用热电偶材料a.对热电偶材料的要求①热电性能好；②物化性能稳定；③测量温度范围宽；④电阻温度系数小；⑤有良好的机加性能。热电偶名称分度号测温范围/℃特点长期使用短期使用铂铑30-铂铑6B300～16001800热电势小，测量温度高，精度高适用于中性和氧化性介质，价格高铂铑10-铂S0～13001600热电势小，精度高，线性差适用于中性和氧化性介质价格高镍铬-镍硅（镍铝）K0～10001200热电势大，线性好，适用于中性和