热工仪表基础知识讲义

1主要内容一、四大参数的测量原理及仪表二、自动控制基础知识三、调节阀四、联锁系统的构成2一、四大参数的测量原理及仪表现场仪表测量参数的分类：现场仪表测量参数一般分为温度、压力、流量、液位四大参数。下面就着重介绍一下这四大参数的测量原理，以及测量这四大参数所运用的仪表。31、温度的测量与变送温度是化工生产中既普遍而又十分重要的参数之一。任何一个化工生产过程，都伴随着物质的物理和化学性质的改变，都必然有能量的转化和交换，而热交换则是这些能量转换中最普遍的交换形式。因此，在很多煤化工反应的过程中，温度的测量和控制，常常是保证这些反应过程正常进行与安全运行的重要环节；它对产品产量和质量的提高都有很大的影响。41、温度的测量与变送温度测量仪麦种类繁多，若按测量方式的不同，测温仪表可分为接触式和非接触式两大类。前者感温元件与被测介质直接接触，后者的感温元件却不与被测介质相接触。接触式测温元件简单、可靠、测量精度较高；但是，由于测温元件要与被测介质接触进行充分的热交换才能达到热平衡，因而产生了滞后现象，而且可能与被测介质产生化学反应；另外高温材料的限制，接触式测温仪表不能应用于很高温度的测量。而非接触式测温仪表不与被测介质接触，因而其测温范围很广，其测温上限原则上不受限限制；由于它是通过热辐射来测量温度的，所以不会破坏被测介质的温度场，测温速度也较快，但是这种方法受到被测介质至仪表之间的距离以及幅射通道上的水汽、烟雾、尘埃等其它介质的影响，因此测量量精度较低。51、温度的测量与变送下表列出了常用测温仪麦的测温原理、测温范围和主要特点。表中所列的各种温度计，机械式的大多只能就地指示，幅射式的精度较差，只有电的测温仪表精度高，且测温元件很容易与温度变送器配用，转换成统一标准信号进行远传，以实现对温度的自动记录和调节。因此，在生产过程控制中应用最多的是热电偶和热电阻温度计。本节仅介绍这两种温度计。671、温度的测量与变送1.1热电偶温度计热电偶温度计由热电偶、电测部份(动圈仪表、电位差计或DCS)及连接导线组成如图所示。由于热电偶的性能稳定、结构简单、使用方便、测量范围广、有较高的准确度，且能方便地将温度信号转换为电势信号，便于信号的远传和多点集中测量，因而在石油化工生产中应用极为普遍。8231热电偶温度计测量线路1、热电偶2、连接导线3、电测仪表t0t0tAB1、温度的测量与变送9热电偶是由两根不同的导体或半导体材料(如上图中的A和B)焊接或绞接而成。焊接的一端称为热电偶的热端(测量端或工作端)，和导线连接的一端称为热电偶的冷端(自由端)。组成热电偶的两根导体或半导体称作热电极。把热电偶的热端插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备的外面，如果两端所处的温度不同(譬如，热端温度为t，冷瑞温度为to)，则在热电偶回路中便会产生热电势E。该热电势E与热电偶两端的温度t和to均E有关。如果保持t。不变，则热电势E只是被测温度t的函数。用电测仪表测得E的数值后，便知道被测温度t的大小。1、温度的测量与变送由于热电极的材料不同，所产生的接触电势亦不同，因此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，这在各种热电偶的分度表中可以查到。根据热电测温的基本原理，理论上似乎任意两种导体都可以组成热电偶。但实际情况它们还必须进行严格的选择，热电极材料应满足如下要求。1．在测温范围内其热电性质要稳定，不随时间变化。2．稳定性要高，即在高温下不被氧化和腐蚀。3．电阻温度系数要小，导电率要高，组成热电偶后产生的热电势要大，热电势与温度间要成线性关系，这样有利于提高仪表的测量精度。4．复现性要好(同种成分的材料制成的热电偶，其热电特性相一致的性质称复现性)，这样便于成批生产，而且在使用上也可保证良好的互换性。5、材料组织要均匀，要有良好的韧性，便于加工成丝。101、温度的测量与变送国际电工委员会（IEC）对其中已被国际公认，性能优良和产量最大的七种制定了标准，即IEC584-1和IEC584-2中所规定的：S分度(铂铑10-铂)；B分度号(铂铑30-铂铑6)；K分度号(镍铬-镍硅)；E分度号(镍铬-康铜)；T分度号(铜-康铜)；J分度号（铁-康铜）；R分度号(铂铑13-铂)等热电偶。热电偶根据测温条件和安装位置的不同，具有多种结构型式。虽然它们的结构和外形不尽相同，但其基本结构通常均由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。111、温度的测量与变送121、温度的测量与变送1.2热电阻温度计热电阻温度计由热电阻、电测仪表(动圈仪表或平衡电桥)和连接导线所组成，其中热电阻是感温元件，有导体的和半导体两种。热电阻温度计广泛用来测量中、低温(一般为500℃以下)。它的特点是准确度高，在测量中、低温时，它的输出信号比热电偶要大得多，灵敏度高，同样可实现远传、自动记录和多点测量。131、温度的测量与变送热电阻的测温原理金属导体的电阻值随温度的变比而变化的。一般说来，他们之间的关系为:Rt=R0[1+α(t-t0)]ΔRt=Rt-R0=αR0Δt式中Rt温度为t℃时的电阻值;R。温度为t0℃(通常为0℃)时的电阻值;α电阻温度系数即温度变化1℃时电阻值的相对变化量，单位是℃-1，;Δt温度的变化量，即t-t。=ΔtΔRt温度改变Δt时的电阻变化量。141、温度的测量与变送由上可知，温度的变化，导致了导体电阻的变化。实验证明，大多数金属导体在温度每升高1℃时，其电阻值要增加0.4一0.6%，热电阻温度计就是把温度变化所引起热电阻的变化值，通过测量电路(电桥)转换成电压(毫伏)信号，然后由显示仪表指示或记录被测温度。热电阻温度计与热电偶温度计的测温原理是不相同的。热电偶温度计把温度的变化通过感温元件——热电偶转换为热电势的变化值来测量温度的；而热电阻温度计则是把温度的变化通过感温元件——热电阻转换为电阻的变化来测量温度的。151、温度的测量与变送对于制作热电阻丝的材料是有一定技术要求的，一般应具有下列特性；电阻温度系数要大，则测量灵敏度就高；热容量要小，则对温度变化的响应就快，即动态特性较好；电阻率要大，则相同的电阻值下电阻体体积就小，因而热容量也小；在整个测温范围内，具有稳定的物理和化学性质；要容易加工，有良好的复制性，电阻与温度的关系最好近于线性或为平滑的曲线，以便于分度和读数；价格便宜等。根据具体情况，目前应用最广泛的是铂和铜，分度号Pt50铂电阻、分度号Pt100铂电阻和分度号Cu50铜电阻、分度号Cu100铜电阻。相应的分度表(电阻值与温度对照表)可在相关资料中查到。热电阻是由电阻体、保护套管以及接线盒等主要部件所组成。除电阻体外，其余部分的结构形状一般与热电偶的相应部分相同。161、温度的测量与变送在选用测温仪表解决现场测温问题时，首先要分析被测对象特点及状态，然后根据现有温度计的特点及其技术指标确定选用的类型。一般应考虑以下几个方面:1．仪表的可能测温范围及常用测温范围，是否符合被测对象的温度变化范围的要求;2．仪表的精度、稳定性、响应时间是否适应测温要求;3．根据测量场所有无冲击、振动及电磁场，来考虑仪表的防震、防冲击、抗干扰性能是否良好;4．仪表输出信号能否自动记录和远传;5．仪表的防腐性、防爆性和连续使用期限，是否满足被测对象的要求;6．电源电压、频率变化及环境温度变化对仪表示值的影响程度;7．测温元件的体积大小是否适当;8．仪表使用是否方便、安装维护是否容易。172、压力的测量与变送在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即：P表=P绝-P大负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压力之差，即：P真=P大-P绝绝对压力、表压力、大气压力、负压力（真空度）之间的关系如下图所示。因为各种工艺设备和测量仪表都处于大气中，所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因此，在工程上无特别说明时，所提的压力均指表压力或真空度。182、压力的测量与变送19P表压P负压P绝压P绝压大气压力线表压、绝压、真空之间的关系图2、压力的测量与变送压力测量仪表的品种，规格甚多。常用的压力测量方法和仪表有：通过液体产生或传递压力来平衡被测压力的平衡法。属于应于这类方法的仪表有液柱式压力计和活塞式压力计；将被测压力通过一些隔离元件（如弹性元件）转换成一个集中力，并在测量过程中用一个外界力（如电磁力或气动力）来平衡这个未知的集中力，然后通过对外界力的测量而得知被测压力的机械力平衡法。力平衡式压力变送器就是属于应用此法的例子；根据弹性元件受压后产生弹性变型的大小来测量弹性力平衡法。属于这类应用方法的仪表很多，若根据所用弹性元件来分，可分为薄膜式，波纹管式，弹簧管式压力表；能过机械和电子元件将被测压力转换在成各种电量（如电压、电流、频率等）来测量的电测法。例如电容式、电阻式、电感式、应变片式和霍尔片式等变送器应于此法的压力测量仪表。202、压力的测量与变送目前，石油化工生产中应用中广泛的一种压力测量仪表是弹性元件。根据测压范围不同，常用的测压元件有单圈弹簧管、多圈弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。在被测介质压力的作用下，弹性元件发生弹性变型，而产生相应的位移，能过转换位置，可将位移转换成相应的电信号或气信号，以远传显示，报警或调节用。212、压力的测量与变送主要压力检测仪表：（1）弹簧管压力表弹簧管压力表是压力仪表的主要组成部份之一，它有着极为广泛的应用价值，它具有结构简单，品种规格齐全、测量范围广、便于制造和维修和价格低廉等特点。弹簧管压力表是单圈弹簧压力表的简称。它主要由弹簧管、齿轮传动机构（包括拉杆、扇形齿轮、中心齿轮）、示数装置（指针和分度盘）以及外壳等几部份组成，如下图所示。弹簧管是一端封闭并弯成270度圆孤形的空心管子。222、压力的测量与变送23弹簧管压力表1、弹簧管2拉杆3、扇型齿轮3、中心齿轮5、指针6、面板7、游丝8、调整螺钉9接头ab2、压力的测量与变送它的截面呈扁圆形或椭圆形，椭圆的长轴2a与图面垂直的弹簧管的中心轴O相平行。管子封闭的一端B为自由端，即位移输出端；而另一端A则是固定的，作为被测压力的输入端。当由它的固定端A通入被测压力P后，由于呈椭圆形截面的管子在压力P的作用下，将趋于圆形，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，使自由端B发生位移。此时弹簧管的中心角γ要随即减小Δγ，也就是自由端将由B移到B，处，如图2-3(b)上虚线所示。此位移量就相应于某一压力值。自由端B的弹性变形位移通过拉杆使扇形齿轮作逆时针偏转，使固定在中心齿轮轴上的指针也作顺时针偏转，从而在面板的刻度标尺上显示出被测压力的数值。由于弹簧管自由端位移而引起弹簧管中心角相对变化值Δγ/γ与被测压力P之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是均匀的。242、压力的测量与变送由上述可如，弹簧管自由端将随压力的增大而向外伸张。反之若管内压力小于管外压力，则自由端将随负压的增大而向内弯曲。所以，利用弹簧管不仅可以制成压力表，而且还可制成真空表或压力真空表。弹簧管压力表除普通型外，还有一些是具有特殊用途的，例如耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧用压力表等。为了能表明具体适用何种特殊介质的压力测量，常在其表壳、衬圈或表盘上涂以规定的色标，并注有特殊介质的名称，使用时应予以注意。252、压力的测量与变送（2）应变式压力变送器应变式变送器以是以电为能源，它利用应变片作为转换元件，将被测压力转换成应变片电阻值的变化，然后经过桥式电路得到毫伏级的电量输出，供显示仪表显示被测压力或经放大电路转换成统一标准信号后，再传送到记录仪和调节器等仪表。应变片有金属电阻丝应变片(金属丝粘贴在衬底上组成的元件)和半导体应变片两类。根据电阻应变原理，应变片在压力作用下产生弹性变形dL/L(即应