化工常用仪表类型及原理

化工仪表主讲：任道凯目录第一章：概述仪表的性能指标第二章：压力检测及仪表压力单位及测压仪表弹性式压力计电气式压力计智能型压力变送器第三章：流量检测及仪表差压式流量计转子流量计椭圆齿轮流量计涡轮流量计电磁流量计漩涡流量计第四章：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第五章：第温度检测及仪表温度检测方法热电偶温度计热电阻温度计电动温度变送器第一章概述第一章概述一、测量过程与测量误差6测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。第一章概述tixx绝对误差0xx000xxxxyxi：仪表指示值,xt：被测量的真值由于真值无法得到x：被校表的读数值，x0：标准表的读数值相对误差7第一章概述二、仪表的性能指标%100max测量范围下限值测量范围上限值81.精确度（简称精度）说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。两大影响因素绝对误差和仪表的测量范围相对百分误差δ允许误差%100测量范围下限值测量范围上限值差值仪表允许的最大绝对误允第一章概述仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。小结9第一章概述%2.1%100)50(2003允例1某台测温仪表的测温范围为-50～200℃。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±3℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？解根据工艺上的要求，仪表的允许误差为如果将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号，其数值介于1.0～1.5之间，如果选择精度等级为1.5级的仪表，其允许的误差为±1.5％，超过了工艺上允许的数值，故应选择1.0级仪表才能满足工艺要求。11第一章概述12仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。举例1.51.0如：第一节概述%100测量范围下限值测量范围上限值最大绝对差值变差2.变差变差是指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（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。图3-1测量仪表的变差14注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则，应及时检修。第一章概述153.灵敏度与灵敏限仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即xS式中，S为仪表的灵敏度；Δα为指针的线位移或角位移；Δx为引起Δα所需的被测参数变化量。仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。第一章概述4.分辨率对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。16第一节概述%100max仪表量程fi175.线性度线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。图3-2线性度示意图式中，δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。第一章概述186.反应时间反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。仪表的反应时间有不同的表示方法当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2％（95％）所用的时间，可用来表示反应时间。第二章压力检测及仪表第二章压力检测及仪表一、压力单位及测量仪表表示受力面积。表示垂直作用力；表示压力；式中，SFpSFp压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）211mNPaPaMPa6101124第二章压力检测及仪表大气压力绝对压力表压ppp27p表P真P绝P绝大气压力线绝对压力的零线在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。绝对压力大气压力真空度ppp当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。图3-4绝对压力、表压、负压（真空度）的关系第二章压力检测及仪表28测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。1.液柱式压力计它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。按其结构形式的不同有U形管压力计、单管压力计等优点这类压力计结构简单、使用方便缺点其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。第二章压力检测及仪表2.弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。例如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计。3.电气式压力计它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。例如各种压力传感器和压力变送器。29第二章压力检测及仪表4.活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。优点缺点测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。结构较复杂，价格较贵。30第二章压力检测及仪表二、弹性式压力计31定义弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。优点具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。第二章压力检测及仪表321.弹性元件弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。图3-5弹性元件示意图弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。第二章压力检测及仪表332.弹簧管压力表分类使用的测压元件单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。用途普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。1—弹簧管；2—拉杆；3—扇形齿轮；4—中心齿轮；5—指针；6—面板；7—游丝；8—调整螺丝；9—接头弹簧压力表第二章压力检测及仪表基本测量原理单圈弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头９上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。34第二章压力检测及仪表在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。警惕！35第二章压力检测及仪表图3-7电接点信号压力表1，4—静触点；2—动触点；3—绿灯；5—红灯压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调章指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调章。36第二章压力检测及仪表三、电气式压力计定义电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。37优点1.该仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％；2.由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。第二章压力检测及仪表图3-8电气式压力计组成方框图组成一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。38第二章压力检测及仪表几种常见的传感器或变送器：1.霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。图3-9霍尔效应霍尔电势可用下式表示BIRUHH式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。39第二章压力检测及仪表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，如图3-10所示。图3-10霍尔片式压力传感器1—弹簧管；2—磁钢；3—霍尔片当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，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。利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。4142第二章压力检测及仪表2.应变片压力传感器应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。图3-11应变片压力传感器示意图1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片第二章压力检测及仪表3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。工作原理43第二章压力检测及仪表图3-12压阻式压力传感器1—基座；2—单晶硅片；3—导环；4—螺母；5—密封垫圈；6—等效电阻特点精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；便于实现显示数字化；可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。44JF202系列压阻式压力传感器第二章压力检测及仪表4.电容式压力变送器电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。工作原理图3-14电容式差压变送器原理图1—隔离膜片；2，7—固定电极；3—硅油；4—测量膜片；5—玻璃层；6—底座；8—引线49先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。电容式压力变送器第二章压力检测及仪表电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平