自动化仪表知识汇编

1.测量仪表的概念
在工业生产过程中，为了有效地进行生产操作和自动控制，需要对工艺生产中的一些主要参数进行自动测量。

用来测量这些参数的仪表称为测量仪表。

2.参数检测的基本过程
3.传感器与变送器
传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于靠着的输出信号，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。

由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如0~10mA、4~20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。

4.测量误差
由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测仪表(精度较低)和标准表(精度较高)在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的2个读数之差。

即：Δ＝x i－x0也即绝对误差。

5.测量仪表的精确度
在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。

由于仪表的绝对误差在测量范围内的上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差：
δ＝最大绝对误差/量程＝Δmax/(X max-X min)*100%
仪表的精度等级(精确度等级)是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。

把仪表允许的最大相对百分误差去掉“±”号和“%”号，便可以用来确定仪表的精度等级。

目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：
0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。

所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为±0.5%，以此类推。

精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上。

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，表示仪表的精确度越高。

精度等级数值小于等于0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于0.5。

6.误差分类
按照测量误差的基本性质不同，可以将误差分为系统误差、随机误差和粗大误差。

系统误差：相同条件下多次重复测量同一被测量时，如果每次测量值的误差恒定不变(绝对值和符号均保持不变)或按某种确定的规律变化，这种误差称为系统误差。

随机误差：是指在相同条件下多次测量同一被测量是产生的绝对值和符号不可预知的随机变化着的误差。

有称偶然误差。

粗大误差：是指由于操作人员的操作错误、粗心大意及仪表的误动作等原因而造成的误差。

也称为疏失误差。

7.灵敏度
灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输出变化量和输入变化是之比，即：灵敏度=△y∕△x
8.测量系统中信号的传递形式
从传递信号的连续性的观点来分，在检测系统中传递信号的形式可以分为模拟信号、数字信号和开关信号：
1)模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号。

可以变换
为电信号，即是平滑地、连续地变化的电压或电流信号。

例如：连续变化的湿度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连续变化的电势信号。

2)数字信号：是一种以离散形式出现的不连续信号，通常用二进制数“0”和“1”组合
的代码序列来表示。

数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲和高低电平交替变化的电压信号。

连续变化的工艺参数(模拟信号)可以通过数字式传感器直接转换成数字信号。

然而，大多数情况是首先把这些参数变换成电形式的模拟信号，然后再利用模拟-数字(A∕D)转换技术把电模拟量转换成数字量。

将一个模拟信号转换为数字信号时，必须用一定的计量单位使连续参数整量化，即用最接近的离散值(数字量)来近似表示连续量的大小。

由于数字量只能增大或减小一个单位，所以，计量单位越小，整量化所造成的误差也就越小。

3)开关信号：用状态或用两个数值范围表示的不连续信号。

例如：用水银触点湿度计来
检测温度的变化时，可利用水银触点的“断开”与“闭合”来判断温度是否达到给定定值。

在自动检测技术中，利用开关式稳压器(如干簧管、电触点式传感器)可以将模拟信号变换成开关信号。

9.测量仪表的分类
1)根据所测参数的不同，分成压力(差压、负压)测量仪表、流量测量仪表、物位(液位)
测量仪表、温度测量仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。

2)按表达示数的方式不同，分成指示型、记录型、迅号型、远传指示型、累积型等。

3)按精度等级用场合的不同，分成实用仪表、范型仪表和标准仪表，分别使用在现场、
实验室、标定室。

10.IP等级术语
IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示防尘、防止外物侵入的等级，第2个数字表示防潮气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示防护等级越高。

IP65中的“6”表示完全防止侵入，且可完全防止灰尘进入；“5”表示防止来自各方向由喷嘴喷射出的水进入仪表造成损坏。

IP67表示在常温常压下，当仪表外壳暂时浸泡在1M深的水里将不会造成有害影响。

IP68表示持续浸泡在水里将不会对仪表造成有害影响。

11.一次仪表和二次仪表
一次仪表：是指安装在现场且直接与工艺介质相接触的仪表。

如弹簧管压力表、双金属温度计、双波纹管差压计、热电偶与热电阻不称作仪表，而作为感温元件，所以又称一次元件。

二次仪表：是仪表示值信号不直接来自工艺介质的各类仪表的冲锋。

二次仪表的仪表示值信号通常由变送器变换成标准信号。

二次仪表接受的标准信号一般有三种：①气动信号，0.02~0.10kpa②Ⅱ型电动单元仪表信号0～10Madc。

③Ⅲ型电动单元仪表信号受的标准信4~20mADC。

也有个别的不用标准信号，一次仪表发出电信呈，二次仪表直接指示，如远传压力表等。

二次仪表通常安装在仪表盘上。

按安装位置又可分为盘装仪表和架装仪表。

12.几道填空题
1)管道内的流体速度，一般情况下，在(管道中心线)处的流速最大，在( 管壁)处的流
速等于零压力表。

2)自动调节系统主要由(调节器)、(调节阀)、(调节对象)和(变送器)四大部分组成。

13.压力的定义
这里的压力概念，实际上指的是物理学上的压强，即单位面积上所承受压力的大小。

绝对压力：以绝对压力零位为基准，高于绝对压力零位的压力。

正压：以大气压力为基准，高于大气压力的压力。

负压(真空)：以大气压力为基准，低于大气压力的压力。

差压：两个压力之间的差值。

表压：以大气压力为基准，大于或小于大气压力的压力。

除特殊说明之外，所提及的压力均指表压。

14.压力表的分类
1)按其测量精确度：分成精密压力表、一般压力表。

精密压力表的测量精确度等级分别
为0.1、0.16、0.25、0.4级；一般压力表的测量精确度等级分别为1.0，1.6，2.5，
4.0级。

2)按指示压力的基准不同：分为一般压力表、绝对压力表、差压表。

一般压力表以大气
压力为基准；绝压表以绝对压力零位为基准；差压表测量两个被测压力之差。

3)按测量范围：分为真空表、压力真空表、微压表、低压表、中压表及高压表。

真空表
用于测量小于大气压力的压力值；压力真空表用于测量小于和大于大气压力的压力值；微压表用于测量小于60000pa的压力值；低压表用于测量0~6Mpa压力值；中压表用于测量10~60Mpa压力值；高压表用于测量100Mpa以上压力值。

4)耐震压力表：壳体制成全密封结构，且在壳体内填充阻尼油，由于其阻尼作用可以使
用在工作环境振动或介质压力(载荷)脉动的测量场所。

5)带有电接点控制开关的压力表可以实现发讯报警或控制功能。

6)带有远传机构的压力表可以提供工业工程中所需要的电信号(比如电阻信号或标准直
流电流信号)。

7)隔膜表所使用的隔离器(化学密封)能通过隔离膜片，将被测介质与仪表隔离，以便测
量强腐蚀、高温、易结晶介质的压力。

15.压力表按检测原理分类
目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理的不同，一般分为四类：
1)液柱式压力检测：一般采用充有水或水银等液体的玻璃∪形管进行测量。

2)弹性式压力检测：它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测
量的。

常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。

3)电气式压力检测：它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪
表，如电阻、电荷量等。

4)活塞式压力检测：它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积
上所加平衡砝码的质量来进行测量。

活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到0.05%~0.02%，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。

16.弹性式压力表
膜片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。

但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为2.5级。

膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；
波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。

其特点是灵敏高(特别是在低压区)，常用于检测较低的压力(1.0~106pa)，但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级；
弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负
压、微压、低压、中压和高压，因此应用十分广泛。

根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。

17.弹簧管压力表
弹簧管是横截面呈非圆形(椭圆形或扁圆形)，弯成圆弧状(中心角常为270°)的空心管子。

管子的一端为封闭，另一端为开口。

闭口端作为自由端，开口端作为固定端。

被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其中心角。

弹簧管自由端的位移量一般很小，需要通过放大机构才能指示出来，为了加大弹簧管自由端的位移量，也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧相似。

单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示式压力检测仪表(也有电接点输出的弹簧管压力表)
一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精度等级最高可达0.15级。

18.膜盒式差压变送器
膜盒式差压变送器构成：
工作原理：力矩平衡；
检测元件----膜盒或膜片；
杠杆系统则有单杠杆、双杠杆和矢量机构。

19.电气式压力计
1)电容式差压变送器
电容式差压变送器采用差动电容作为检测元件，主要包括测量部件和转换放大电路
电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。

由图可见传感器有左右固极板，在两个固定极板之间是弹性材料制成的测量膜片，作为电容的中央动极板，在测量膜片两侧的空腔中充满硅油。

电容式差压变送器的结构可以有效地测量膜片，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，与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。

2)压阻式(扩散硅)压力∕差压变送器
因电阻率变化引起阻值变化称为压阻效应。

半导体材料的压阻效应比较明显。

用作压阻式传感器的基片材料主要为硅片和锗片，由于单晶硅材料纯、功耗小、滞后和蠕变极小、机械稳定性好，而且传感器的制造工艺和硅集成电路工艺有很好的兼容性，以扩散硅压阻传感器作为检测元件的压力检测仪表得到了广泛的使用。

构成框图：
Uz
电磁放大部分
压阻式压力稳压器的主要优点是体积小，结构简单，其核心部分就是一个既是弹性元件又是压敏元件的单晶硅膜片。

20.压力计的选用
三个方面-----选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件本着节约的原则合理地考虑仪表的量程、精度、类型(材质)等。

1)仪表的量程是指该仪表可按规定的精确度对被测量进行测量的范围。

关键：根据操作中需要测量的参数的大小来确定。

同进必须考虑到被测对象可能发生的异常超压情况，对仪表的量程选择必须留有足够的余地。

测量稳定压力：最大工作压力pi max不超过上限值p max3∕4，正常操作压力值应在测量范围上限值的1∕3～2∕3 .
测量脉动压力(如：泵、压缩机和风机等出口处压力)：最大工作压力pi max不超过上限值p max的2/3，正常操作压力值应在测量范围上限值的1/3~1/2.
测量高、中压力(大于4MPa):最大工作压力pi max不超过上限值p max的3/5，正常操作压力值不应超过仪表测量范围上限值的1/2.
最小工作压力pi min不低于上限值p max的1/3.
仪表的量程等级：1、1.6、2.5、4.0、6.0kpa以及它们10n倍。

在选用仪表量程时，应采用相应规程或者标准中的数值。

2)仪表的精度
根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于
仪表的基本误差。

在选择时应坚持节约的原则，只要测量精度能满足生产的要求，就不必追求用过高精度的仪表。

3)仪表的类型
正确选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的前提。

主要应考虑以下几个方面：
仪表的材料：
压力检测(检测)仪表的特点是压力敏感元件往往要与被测介质直接接触，因此在选择仪表材料的时候要综合考虑仪表的工作条件。

例如：
对腐蚀性较强的介质应使用像不锈钢之类的弹性元件或敏感元件；
氨用压力表则要求仪表的材料不允许采用铜或铜合金，因为氨气对铜的腐蚀性极强；
又如氧用压力表在结构和材质上可以与普通压力表完全相同，但要禁油，因为油进入氧气系统极易引起爆炸。

输出信号类型：
只需观察压力变化的，可选如弹簧管压力表、液柱式压力计那样的直接指示型的仪表；
如需将压力信号远传到控制室或其他电动仪表，则可选用电气式压力检测仪表或其他具有电信号输出的仪表；
如果要检测快速变化的压力信号，则可选用电气式压力检测仪表，如压阻式压力传感器；
如果控制系统要求能进行数字量通信，则可选用智能式压力检测仪表。

使用环境：
对爆炸性较强的环境，在使用电气压力仪表时，应选择防爆型压力仪表；对于温度特别高或特别低的环境，应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换元件。

上述选型原则也适用于差压、流量，液位等其它检测仪表的选型。

21.压力表外型尺寸的选择
1)在管道和设备上安装的压力表，表盘直径为Φ100mm或Φ150mm。

2)在仪表气动管路及其辅助设备上安装的压力表，表盘直径为小60mm。

3)安装在照度较低，位置较高或示值不易观测场合的压力表，表盘直径为Φ150mm或Φ
200mm。

22.一般压力测量仪表的安装
无论选用何种压力仪表和采用何种安装方式，在安装过程中都应注意以下几点：1）压力仪表必须经检验合格后才能安装；
2）压力仪表的连接处，应根据被测压力的高低和被测介质性质，选择适当的材料作为密封垫圈，以防泄漏。

3）压力仪表尽可能安装在室温，相对湿度小于80%，振动小，灰尘少，没有腐蚀性物质的地方，对于电气式压力仪表应尽可能避免受到电磁干扰。

4）压力仪表应垂直安装，一般情况下，安装调试应与人的视线齐平，对于高压压力仪表，其安装调试应高于一般人的头部。

5）测量液体或蒸汽介质压力时，应避免液柱产生的误差，压力仪表应安装在与取压口同一水平的位置上，否则必须对压力仪表的示值进行修正。

6）导压管的粗细合适，一般为6－10mm，长度尽短，否则会引起测量迟缓。

7）压力仪表与取压口之间应安装切断阀，以便维修。

23.测量特殊介质时的压力测量仪表安装
1）测量高温（60℃以上）流体介质的压力时，为防止热介质与弹性元件直接接触，压力仪表之前应加装U形管或盘旋管等形式的冷凝器，避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。

如左图：
本图阀门安装位置与有的自控安装图册不同，安装图册是把阀门安装在根部（黑点处），阀门处于高温状态易泄漏和损坏。

而按图1安装阀门，则阀门处于常温状态下，大大延长了阀门的使用寿命，这是多年实践证明了的。

2）测量高压流体介质的压力时，安装时压力仪表表壳应朝向墙壁或者无人通过之处，以防发生意外。

3）测量腐蚀性介质的压力时，除选择具有防腐能力的压力仪表之外，还应加装隔离装置，利用隔离罐中的隔离液将被测介质和弹性元件隔离开来，如图（C）、（D）：
4）测量波动剧烈（如泵、压缩机的出口压力）的压力时，应在压力仪表之前针形阀和缓冲器，必要时还应加装阻尼器，如图（E）：
5）测量粘性大或易结晶的介质压力时，应在取压装置上安装隔离罐，使罐内和导压管内充满隔离液，必要时可采取保温措施，如图（F）：
6）测量含尘介质压力时，最好在取压装置后安装一个除尘器，如图（G）：
总之，针对被测介质的不同性质，要采取相应的防热、防腐、防冻、防堵和防尘等措施。

24.差压变送器的安装
包括三个方面的内容：取压口的选择，引压管的安装和变送器本身的安装。

1）差压变送器取压口的选择
被测介质为液体时，取压口应位于管道下半部与管道水平线成0－45°角内，目的是保证引压管内没有气泡，两根引压管内液柱产生的附加压力可以相互抵消。

被测介质为气体时，取压口应位于管道上半部与管道垂直中心线成0－45°角内，其目的是为了保证引压管中不积聚和滞留液体。

被测介质为蒸汽时，取压口应位于管道上半部与管道水平线成0－45°角内，最常见的接法是从管道水平位置接出，并分别安装凝液罐，这样两根引压管内部都充满冷凝液，而且液位高度相同。

2）差压变送器引压管的安装
引压管应按最短距离敷设，引压管的弯曲处应该是均匀的圆角，曲率半径一般不小于引压管外径的10倍。

引压管的小于管路应保持垂直，或者与水平线之间不小于1：10的倾斜度，必要时要加装气体、凝液、微粒收集器等设备，并定期排除收集物。

在测量液体介质时，变送器只能安装在取样口之上时，在引压管的管路中应有排气装置，如图（A）所示，这样，即使有少量气泡，也不会对测量精度造成影响。

在测量气体介质时，如果差压变送器只能安装在取样口之下时，必须加装如图（B）所致的贮液罐和排放阀，克服因滞留液对测量精度产生影响。

测量蒸汽时的引压管管路则如图（C ）所示。

（A ） （B ） （C ）
1－取压口 2－放空阀 3－贮气罐 4－贮液罐
5－排放阀 6－凝液罐 7－差压变送器
3） 差压变送器本身的安装
差压变送器通常必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组。

差压变送器是用来测量差压的，但如果正、负引压管上的两个切断阀不能同时打开或者关闭时，就会造成差压变送器单向受很大的静压力。

有时会使仪表产生附加误差，严重时会使仪表损坏。

为了防止差压计单向受很大的静压力，必须正确使用平衡阀。

在启用差压变送器时，应先开平衡阀3，使正、负压室连通，受压相同，然后再打开切断阀1、2，最后再关闭平衡阀3，变送器即可投入运行。

差压变送器需要停用检修时，应先打开平衡阀，然后再关闭切断阀1、2。

当切断阀1、2关闭，平衡阀3打开时，即可以对仪表进行零点检验。

25. 什么是变送器的二线制和四线制信号传输方式？
二线制传输方式中，供电电源，负载电阻、变送器是串联的，即二根导线同时传送变
送器所需的电源和输出电流信号，目前大多数变送器均为二线制变送器；四线制方式
4 4
5 5 5 5
中，供电电源、负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和变送器输出信号分别用二根导线传输。

26.温度检测方法和分类
27.如何选择合适的双金属温度计？
水平安装时，选择轴向或万向型双金属温度计；
垂直安装时，选择径向或万向型双金属温度计；
倾斜安装时，根据实际需要选择轴向、径向或万向型双金属温度计；
如需对测量点设置上下限报警控制时，可选择电接点双金属温度计。

28.热电偶工作原理
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应。

这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

29.影响热电热的因素
1）如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷，热两端的温度如何，闭合回路中的总热电热为零。

2）如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电热也为零。

3）热电偶产生的热电热除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电热是不
同的。

30.中间导体定律
在热回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电热没有影响。

同理，在热电偶中接入第四种、第五种……导体以后，只要接入导体的两端温度相同，
接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。

根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。

31.K型热电偶
常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。

其中K型也即镍铬－镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。

由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。

它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。

它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。

它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好，虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。

32.热电偶的结构形式
热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500℃以上较高温度的测量，普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。

普通型热电偶
普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。

贵重金属热电极的直径一般为0.3－0.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.5－
3.2mm，热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为350－2000mm。

绝缘管用于防止两根电极短路。

保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。

普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式。

铠装型热电偶
铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的。