热工仪表与仪表讲义

热工测量和仪表讲义自动控制系统的关键部件对象√测量、变送传感器、变送器、显示、报警、记录装置调节器执行器执行机构、调节机构调节器执行器对象测量变送x(t)e(t)u(t)q(t)y(t)z(t)＋－主要内容测量与误差温度测量和仪表压力测量和仪表流量测量和仪表汽包水位测量和仪表烟气分析和仪表实验：热工仪表校验§4-1测量与误差一、测量的基本概念与测量方法测量：从客观事物中提取有关信息的认识过程，经整理后成为数据。三要素：比值、单位、误差00XaxXax：被测量的真值：测量单位：二者的比值测量方法按测量和被测量的差值大小非零法：弹簧压力表零位法：天平微差法：测量压力的U形管接触法、非接触法接触式非接触式静态和动态静态：被测对象处于稳定状态下的测量动态：被测对象处于不稳定状态下的测量点测量和场测量点参数测量：测量某点的被测量场参数测量：测量多点的被测量直接测量和间接测量直接测量：无需对被测量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算而直接得到的被测量的值间接测量：直接测量的量与被测量之间有已知函数关系，而得到的被测量的值。二、测量系统测量系统：为完成测量任务而组合在一起的总体测量设备：测量中使用的一切设备传感器：测量系统与测量对象发生直接关系的部分准确性和稳定性灵敏性负载小经济性和耐腐蚀性中间变换器：将传感器的输出信号进行远距离的发送、放大、线性化和转换成统一信号的装置准确地传输、放大、和转换信号，信号损失小，•显示装置（测量终端）：向观察者显示被测参数的数值和量值的装置三、测量误差测量误差：测量结果与被测量的真值之差00iixXxX：测量结果＝：真值绝对误差：0X＝相对误差：真值无法测定，测量结果、误差系统误差：在偏离规定条件时或由于测量方法所引入的因素，按某确定规律所引起的误差在同一条件下，多次测量同一被测量时，误差的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某种确定规律变化的误差测量实际值＝测量读数＋修正值修正值＝标准表读书值－仪表读数•随机误差：在测量条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号可以不可预定的方式变化的误差•疏忽误差：系统误差、随机误差、疏忽误差系统误差大、随即误差小随机误差大、系统误差小随机误差小、系统误差小，有疏忽误差随机误差的特性及处理当系统误差消除后，对一被测量进行无数次测量时，同一方法、同一仪表，测量次数无穷多时，总的算术平均就是被测参数的真值1231ninixxxxxXnn最佳值（最优概值）：工程中n（测量次数）的数值不可能无穷大，所得的结果只是真值的近似。测量结果的正态分布概率密度为：221exp22y221exp22d分布函数为：正态分布概率密度图测量值均匀地分布在真值的两边，差别越大的点，出现的可能性越低每个曲线下的面积为100%0.00.20.4标准偏差作为单次测得值不可靠性的评定标准越大，分散范围大在一定条件下，测量列中随机误差的概率分布情况2221221limnnnniinn对称性：绝对值相等的正负误差，在多次测量中出现的概率大致相等，以＝0对称在实际测量条件下，对同一量进行多次测量，其误差的算术平均值随着测量次数n的无限增大而趋于0单峰性：绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的出现次数多可以舍去出现概论为0的误差值四、测量仪表的特性仪表特性：包括静态特性和动态特性静态特性：被测量在不随时间变换或变化极慢的情况下，用一组与时间无关的参数来描述测量仪表的特性动态特性：被测量在随时间变化的情况下，用微分方程来描述测量仪表的输入、输出的动态关系负载效应：被测量受到仪表干扰而产生的偏离静态特性：测量范围：在允许的误差限内，测量仪表的被测量值的范围，上限、下限之差为量程准确度等级根据测量仪表准确度大小所划分的等级和范围引用误差基本误差允许误差稳定度灵敏度和灵敏阈线性度和变差温度误差动态特性动态特性：仪表对随时间变化的被测参数的响应特性输出量随时间的变化曲线与被测参数随同一时间变化的曲线一致或比较接近阶跃响应：仪表在输入阶跃信号时，输出信号能否立即跟随输入信号变化的能力频率相应：由仪表的固有频率决定，固有频率高，频率特性好五、热工仪表的质量指标仪表的准确度仪表的非线性误差变差重复性不灵敏区漂移§4-2温度测量及仪表一、温度测量的基本概念温度的定义：表征分子热运动的程度的物理量温标：衡量温度大小的标尺摄氏：℃热力学：K华氏：℉温度计的分类和形式膨胀式温度计玻璃温度计压力式温度计双金属温度计热电偶温度计热电阻温度计辐射式温度计ET-IRMAN温度安检门二、膨胀式温度计玻璃温度计压力式温度计双金属温度计1、玻璃液体温度计是膨胀式温度计之一种,利用液体受热膨胀的性质制成,常用的液体有水银和酒精。广泛用于测量-200-500摄氏度范围内的温度。（1）优点和缺点玻璃液体温度计是最常用,也是最简单,最便宜的温度计。这种温度计主要优点是构造简单,使用方便,精度高和价格低廉。缺点是惰性大,能见度低,不能自动记录及远距离传送。玻璃管温度计（2）注意事项(1)温度计不宜平放和平装,保存与安装时都应使玻璃温度计直立,而且测温泡在下部。如果倾斜安装也应使测温泡在下部。(2)使用时应检查液柱是否脱离,测温泡内是否含有气泡,如果液柱脱离可以缓慢加热或微振动起来消除。(3)对于全浸式温度计,安装深度应满足要求,对于工业用玻璃管温度计,则应将尾部全部插入被测介质中。注意事项(4)被测介质具有一定压力时,应在测温处焊上(或用螺丝旋紧)测温套管为减少热阻,测温套管壁不宜太厚(一般为1-2mm)。(5)测量流体温度时,温度计不能顺向安置,应逆向安放,或与流向垂直或有一定倾斜角,而且测温套管的插入深度要超过中心线。使测温泡刚好位于中心线上。玻璃温度计2、压力式温度计压力式温度计的工作原理是当温度变化时,工质的体积或压力相应发生变化,以此制成温度计这种温度计的主要优点是构造简单,防震可以远距离测量,并可制成自动记录式。主要缺点是损坏后很难修理,不能测点温和表面温度。国产WTQ型式气体压力温度计,可用来指示货记录工业设备中气体,蒸汽货液体的温度。测量范围:0-120,0-160,0-200,0-3009(单位摄氏度)工作压力:60kgf/cm^2,精度1.5与2.5级。压力式温度计3、双金属温度计(一)双金属温度计的工作原理：双金属温度计是利用两种不同膨胀系数的金属片A和B将其焊接在一起并将一端固定。当温度发生变化时,膨胀悉数较大的金属片B伸长较多,故其未固定端(自由端)必然向膨胀系数较小的金属A一方弯曲变形。利用弯曲变形的大小不同,从而可表示出温度的高低不同。双金属温度计(二).双金属片温度计按指示部分与保护管连接方式不同,分为下列三种类型:(1)轴项型(2)径向型(3)135度角型双金属温度计三、热电偶1、热电偶的测温原理热电势：两种不同的导体材料（或半导体）A，B组成的闭合回路。相接触时，存在电子的迁移，达到平衡时，在接触的两端形成电势可用于点温度的测量只与材料和温度有关，与热电偶的长度、直径无关接触电势和温差电势组成mV(1)接触电势在一定温度下，如果从金属A扩散到金属B去的电子数等于从金属B吸向金属A的电子数时，就达到了动态平衡。这时金属A，B之间形成的电位差称为接触电势。接触电势的大小与接头温度的高低和金属的种类有关，温度越高，两金属的自由电子密度差越大，则接触电势越大。(2)温差电势温差电势：同一金属导体两端温度不同而产生的。高温端流向低温端的自由电子与低温端被电场吸引流向高温端的自由电子达到了动态平衡，这时的电位差称为温差电势e，大小仅与金属材料及两端温差有关，而与几何尺寸及金属（导体）温度分布无关。e(t,t0)可用下面的函数差来表示eA(t,t0)=eA(t)-eA(t0)(1)热电偶基本定律的内容两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电级直径，长度和沿热电级长度上的温度分布无关，只与热电级材料和两端温度有关；热电势大小是两端温度的函数差，如果两端温度相等，则热电势为零。(2)热电偶基本定律的推论（1）热电偶必须用两种性质不同的热电级构成。（2）若热电级材料的性质不均匀，即当热电级温度分布不同时，则热电偶将产生附加电势。所以根据附加热电势检查热电极材料是否均匀，从而衡量热电偶质量的高低。(3)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种均质导体后，只要保证所接入导体两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。金属mV液态金属mV(4)中间温度定律与连接导体定律（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行分度，只要引入适当修正，就可以在另外的冷端温度下使用。这就为制订热电偶的热电势－温度关系温度表奠定了理论基础。（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶的热电势。这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。三.标准化热电偶1.铂铑10-铂热电偶(LB-3)2.铂铑30-铂铑6(EU-2)热电偶3.镍铬-镍硅(EU-2)热电偶4.镍铬-考铜热电偶(EA-2)5.铜-康铜热电偶(CK)序号计量器具名称准确度等级测量范围R-001-304标准组铂铑10-铂热电偶标准组标准组300～1300℃R-002-305标准铂铑10-铂热电偶一等300～1300℃二等300～1300℃工作铂铑10-铂热电偶0级0～1600℃0级0～1600℃R-003-306标准铂铑30-铂铑6热电偶一等1200～1600℃二等1200～1600℃工作用铂铑30-铂铑6热电偶0级1200～1600℃R-004-307工作用镍铬-镍硅热电偶0级0～1300℃R-005-308标准铜-康铜热电偶±2℃0级0～200℃工作用铜-康铜热电偶0级0～200℃热工计量器具（R）耐腐热电偶和耐磨热电偶压着式铠装热电偶耐高温耐腐蚀热电偶以特殊金属陶瓷材料作为外保护套管，采用复合型结构，使用温度1600°C，具有良好的耐高温、抗气流冲击、抗氧化性能。主要用于高温加热炉、裂解炉、尾气焚烧炉、焦化炉等装置的测温。吹气型热电偶吹气型热电偶的结构原理：铠装热电偶感温元件和外保护管之间构成一定的气路，在气路中，通入一定压力的惰性气体，以排除或减少热电偶在高温、高压条件下还原气体的渗入WR系列隔爆热电偶热电偶温度计四.热电偶的构造1.热电偶的作用原理2.普通型热电偶的构造3.铠装热电偶的构造热电偶的工作原理2.普通型热电偶的构造(1)热电极(2)绝缘材料(3)保护套管(4)接线盒3.铠装热电偶的构造铠装热电偶是由热电极,绝缘材料和金属套管三者组合而成的坚实结合体。铠装热电偶的套管材料为铜,不锈钢或镍基高温合金等。在热电偶与套管之间填满氧化粉末绝缘材料,套管中的热电极有单丝的,双丝的和四丝的,互不接触。热电偶的种类有铂铑10-铂,铂铑30-铂铑6,镍铬-镍硅和镍铬-考铜等.目前生产的铠装热电偶,其外径为12-25mm,长度可达100m以上。铠装热电偶的结构(1)热电极热电偶的热电极直径由材料的机械强度,电导率,价格及热电偶的用途和测量范围等决定。用贵金属时直径很细,为0.35-0.65mm,用廉价金属时,其直径为1-2mm.热电偶的长度可根据实际需要来决定。普通插入式热电偶的长度可在300mm-2150mm之间。(2)绝缘材料在热电偶的两根电极上套有绝缘材料,其作用是防止两根电极之间和电极与保护套管之间发生短路。常用绝缘材料橡皮,塑料等,最常用的绝缘材料是瓷管和高温瓷管,其结构有单孔,双孔,四孔,孔的大小根据热电极的直径而定(3)保护套管热电偶的热电极(包括绝缘管)装在保护套管中。使热电极避免遭受有害气体的腐蚀,玷污及机械损伤,防止或减小火焰与气流的冲刷和辐射,保护热电极.对保护套管材料的要求是耐腐蚀,不渗透气体,不与氧化性和还原性气体发生化学反应,耐酸碱腐蚀,热惯性小,能承受温度剧变,价格低。常用的保护套管材料有:铜,20号碳钢,镍铬合金。(4)接线盒主要