热工测量及仪表基本知识 重点

热工测量
●热工测量：是指压力、温度等热力状态参数的测量，通常还包括一些与热力生产过程密切相关的参数测量，如测量流量、液位、振动、位移、转速和烟气成分等。

●测量方法：
按测量结果获取方式：直接、间接测量法；
按被测量与测量单位的比较方式：偏差、微差、零差测量法；
按被测量过程中状态分：静态、动态测量法。

●热工仪表组成：感受件，传送件，显示件。

●仪表的质量指标：准确度、线性度、回差、重复性误差、分辨率、灵敏度、漂移。

●热力学温标所确定的温度数值称为热力学温度也称绝对温度，用符号T表示。

单位为开尔文，用K表示。

●测量方法分类：
接触式测温方法：膨胀式液体和固体温度计、压力式温度计、热电偶温度计和热电阻温度计、热敏电阻温度计。

非接触式测温方法：光学高温计，光电高温计、辐射温度计和比色温度计。

温度测量部分
接触式测温
（1）热电偶温度计
①标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。

②非标准化的热电偶：进一步扩展高温和低温的测量范围；但还没有统一的分度表，使用前需个别标定。

●热电偶温度计：由热电偶、电测仪表和连接导线组成。

标准化热电偶-200~1600℃；非标准化热电偶-270~2800℃。

①测温范围广，可以在1K至2800℃的范围内使用；
②精度高；
③性能稳定；
④结构简单；
⑤动态特性好；
⑥由温度转换的电信号便于处理和远传。

·8种标准化热电偶：S型、R型、B型、K型、N型、E型、T型、J型
·四类非标准化热电偶：贵金属、贵—廉金属混合式、难熔金属、非金属
●热电偶测温原理：热电效应：两种不同成分的导体（或半导体）A和B的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合回路，如果两个接点的温度不同，则回路中将产生一个电动势，称之为热电势，这种效应称为热电效应。

●热电偶的基本定律：均质导体定律、中间导体定律、连接温度（中间温度）定律。

①均质导体定律：由一种均质导体所组成的闭和回路，不论导体的截面积如何及导体各处温度分布如何，都不能产生热电势。

②中间导体定律：在热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端温度相等，则中间导体的接入对回路总电动势没有影响。

●热电偶冷端处理和补偿：补偿导线法、参比端温度修正法、冰槽法、机械零点调整法、冷端补偿器法、软件修正法。

●热电偶的结构形式（四点）：接线盒、保护套管、绝缘套管、热电极丝。

（2）热电阻温度计
●热电阻温度计：测量范围宽、精度高、灵敏度搞、稳定性好。

－200～＋850℃
●热电阻对材料的要求：①电阻相对温度系数值要大、②电阻率要大。

●标准热电阻：①铂热电阻：Pt10和Pt100；②铜热电阻：Cu50和Cu100。

●热电阻的结构形式（五点）：接线盒，保护套管，绝缘套管，骨架，电阻体。

●标准热电阻连接方式：标准热电阻在使用时多采用三线制连接方式；如果使用恒流源和直流源电位差计来测量电阻的阻值时，就要采用四线制接法。

●热电偶和热电阻的安装方式及注意事项：
①两种测温元件的测量端应有足够的插入深度；
②保护套管外露长度应尽可能短（防止热损失）；
③安装角度必须遵循规定及要求：为防止高温下保护套管变形，应尽量垂直安装。

在有流速的管子中必须倾斜安装，如有条件应尽量在管道的弯关处安装。

上述情况都应使测量端迎向流速方向。

若需水平安装时，则应有支架加以支撑。

非接触式测温
非接触式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。

非接触式测温仪表分两大类，其一是光学高温计，其二是辐射温度计。

●基尔霍夫定律：基尔霍夫定律是物体热辐射的基本定律，它建立了理想黑体和实际物体辐射之间的关系。

基尔霍夫定律表明：各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，它和物
体的性质无关，是物体的温度T和发射波长λ的函数。

●黑体辐射定律：①普朗克定律（单色辐射强度定律）；②维恩公式；③斯蒂芬·玻耳兹曼定律（全辐射强度定律，也称为四次方定律）
●温度变送器与显示仪表：
●温度变送器是一种仪表装置；可与温度传感器如热电偶和热电阻连接，将热电势和电阻值转化为直流4～20mA标准信号进行远传，完成从温度量到传输信号量的转换。

●温度显示仪表：①动圈式温度仪表、②平衡式显示仪表（电位差计、电子电位差计、测量电桥）、③数字式显示仪表。

压力测量部分
压力：指一定介质垂直作用于单位面积上的力，即物理学上所说的压强。

压力在国际单位中的单位是牛顿/米2，通常称为帕斯卡或简称帕（Pa）。

液柱式压力计
●液柱式压力测量是以流体静力学理论为基础的压力测量方法。

●液柱式压力计测压元件主要由装有一定介质液体的玻璃管组成。

●液柱式压力计：U型管压力计、单管压力计、斜管压力计
特点：结构简单，使用方便，测量精度高，但测量结果只能就地读取，不能进行远传，量程也受限于玻璃管的的高度，应用受到一定的限制。

●液柱式压力计的误差来源：①流体动压的影响；②读数误差；③封液密度改变；④大气压力变化；⑤环境温度变化；⑥未校正重力加速度；⑦毛细现象；⑧安装有误。

弹性式压力计
●弹性压力计所使用的弹性元件有：弹簧管式、波纹管式、薄膜式。

●工作原理：利用弹性元件在外力作用下产生的形变可直接进行压力的测取。

弹簧管式压力计、波纹管压力计、膜盒式微压计、弹性式远传压力计（①霍尔片式远传压力计、②电感式远传压力计）；
压力（压差）传感器和变送器
电位器式压力传感器、电感式压力传感器、霍尔压力传感器；
力平衡式压力变送器、电容式压力变送器、应变式压力变送器、振弦式压力变送器。

●扩散硅型压阻式传感器及变送器：敏感元件和应变材料合二为一制成。

特点：①采用IC（集成电路）技术；②准确度高；③线性度好；④适用范围广；⑤体积小、重量轻、结构简单；⑥价格便宜。

●压力基准是用活塞压力计建立起来的
●压力表校验：在压力表校验时，通过手轮对加压泵内的油液加压，根据流体静力学中液体压力传递平衡原理，该外加压力均匀传递到活塞缸内顶起活塞。

由于活塞上部是承重盘和砝码，当油液中的压力P产生的活塞上顶力与承重盘和砝码的重力相等时，活塞被稳定在某一平衡位置上。

●压力测量仪表的选择：
（1）压力测量仪表种类的选择：
①被测介质的性质（流动或静止；黏性；温度；液体或气体；是否具有腐蚀、爆炸和可燃性等）。

②对仪表输出信号的要求：就地或远传
③压力测量仪表的使用环境：振动；温度；湿度；是否具有腐蚀、爆炸和可燃性等。

（2）仪表量程的选择：
①按系列生产；量程上限为：1、1.6、2.5、4.0、6.0KPa以及它们的10n倍数（n 为整数）；
②为保证精度，量程上限即不能取太大和太小；
③若所测压力较稳定，其值应在满量程的1/3～2/3处；若所测压力波动较大或脉动时，其值应在满量程的1/2左右。

（3）仪表精确度的选择：根据生产允许的最大误差来选择其精确度。

●压力测量仪表的安装使用要求
（1）取压口的位置和形状：
①远离各种阻力件、走向合理；
②垂直于容器或管道内壁的圆形开孔不能倒角、凸缘物和毛刺；
③测液体介质时，在管道水平中心线以下并与管道水平中心线成0°～45°夹角的的范围内；测气体介质时，在管道截面的上部；测蒸汽介质时，在管道水平中心线的两侧。

（2）导压信号管路：
①对于水、蒸汽介质，导压管的内径一般取ф7～ф13，管路≤60m；
②导压管路应倾斜安装，应尽量直行少急弯；
③若是差压仪表，两根导压管应并行敷设，根据需要，作防冻、隔热处理；
（3）导压信号管路附件
①应按要求安装必要的阀门；
②为隔离弹性元件，免受介质加热，应加装密封垫片冷凝盘或弯头；
③当测量脉动压力，应加阻尼器，但测量动态压力不应加阻尼器；
④测腐蚀介质时，应加装隔离容器。

流量测量部分
流量的概念：单位时间内流过管道某截面流体的体积或质量称为流量。

前者称为体积流量，用qv表示，单位为m3/h。

后者称为质量流量，用qm表示，单位为kg/h。

●差压式流量计：
差压式流量计是基于节流装置的一种流量测量仪表，也称节流式流量计。

差压式流量计由节流装置、引压导管、差压变送器（差压计）组成。

差压式流量计按结构形式可分为节流差压式流量计、弯管流量计、匀速流量计、射流流量计等几种。

●差压式流量计的测量原理：是基于流体的机械能相互转换的原理。

在水平管道流动的流体，具有动压能和静压能（位能相等），在一定条件下，这两种形式的能量可以相互转换，
但能量总和不变。

流量公式的有关系数：流出系数C、可膨胀性系数ε、材料的热膨胀系数λ、被测流体的密度ρ。

●节流装置就是使管道中流动的流体产生静压力差的装置，可分为标准节流装置和非标准节流装置两类。

构成：完整的节流装置由节流元件、带有取压孔的取压装置、上下游测量直管段和上下游局部阻力件四部分组成。

标准节流装置是按照国家标准文件或国际计量组织文件设计、制造、安装和使用，不需要实流标定就可以确定差压和流量关系的装置。

标准节流装置种类有：角接取压标准孔板、法兰取压标准孔板、D-D/2取压标准孔板、角接取压标准喷嘴四种。

非标准节流装置是必须经过实流标定才能确定其差压和流量关系的装置。

●差压变送器的作用是将节流装置产生的差压信号转换成标准输出信号的仪表。

●节流式差压流量计：
节流差压式流量计主要由节流装置、差压变送器、压力信号管路三部分组成，亦简称为差压式流量计。

安装：节流式差压流量计的安装要求包括管道条件、管道连接情况、取压口结构、节流装置上下游直管段长度和差压信号管路的敷设情况。

●其它流量计：电磁流量计、涡街流量计、质量流量计等。

物位测量部分
物位是指贮存容器或工业生产设备里的液位、粉位状固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不同而形成的界面位置，根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。

物位测量常用仪器：压力式液位变送器、浮力式液位传感器及变送器、电容式物位传感器及变送器、电导式及电感式物位传感器、阻力式料位传感器及变送器、超声式物位传感器、微波式、γ射线物位仪表。

●物位测量中几个问题：
①流动性好的液体，液位是水平的，一般液位计只对安装高度要求，可以在同一高度上选择任何安装地点。

②流动性差的粉粒体物料，料面就不是水平的，应将料位计安装在距容器内壁1/3半径处。

③物位测量的另一个普遍性问题是盲区。

④有时容器的几何形状和传感器安装位置配合不当会出现死角。

⑤粉粒体料位还有滞留区。

⑥物位测量可用于计算物料储量。

⑦接触法测物位的仪表应考虑防腐蚀和渗漏。

●汽包水位测量
火电厂常用的锅炉汽包水位测量仪：
①（连通管式的）云母水位计、（带电视摄像远传的）双色水位计；
②电接点水位计；
③差压式水位计；
④带微处理器的锅炉汽包水位计。

●云母水位计
云母水位计是锅炉汽包一般都装设的就地显示水位表。

它是一连通器。

优点:直接反映汽包水位；直观、可靠。

缺点：一般只能现场就地观察；液位显示不够清晰，尤其是超出水位计可视范围时，很难判断是满水还是缺水。

●电接点水位计
电接点水位计由测量筒、水位传感器、电气显示三部分所组成。

工作原理：利用汽包内汽、水介质的电阻率相差极大的性质来测量汽包水位的。

●差压式水位计
差压式水位计由平衡容器、差压变送器、显示仪表三部分所组成。

是静压式液位测量仪表，在汽包水位、高加水位、除氧器水位测量中都能得到应用。

工作过程/过程：正压头液位高低保持一致；而负压头是随汽包水位变化而变化，因而负压头压力变化就直接反映了汽包水位的变化。

水位—差压转换原理：水位—差压转换装置又称平衡容器（简单平衡容器、为双室平衡容器、结构补偿式双室平衡容器）。

新型、改进型差压式水位计平衡容器的结构改变后的特点：
①为使正压管中的水位始终恒定，加大了正压容器的截面积；并在其上安装凝结水漏盘，使更多的凝结水不断流入正压容器，其多余的水不断溢出。

②用蒸汽加热的方法使正压容器中的水温等于饱和温度。

③多余的蒸汽凝结水由泻水管定期排入下降管；但即要排出多余的蒸汽凝结水，又不能使下降管抽空，泻水管中应始终保持一定高度的蒸汽凝结水。

④为保证压力引出管的垂直部分水的密度等于环境温度下水的密度，压力引出管的水平距离S应尽可能长。

机械量测量
机械量的测量范围包括：尺寸、位移、力学量（力、力矩、加速度、振动）等。

●转速测量：离心力法、光电码盘转速检测法、空间滤波器式检测法、本特利.内华达3300系统。

成份分析测量
过程分析仪器是安装在生产现场,可用来对物料的成分以及各种物理、化学特性进行分析测量的仪表。

常用的过程分析仪器：热导式气体分析仪、磁性氧量分析仪、氧化锆氧量计、红外线气体分析器、气相色谱仪、工业质谱仪、物性测量仪表。

●氧化锆氧量计
氧化锆氧量计可以用来连续地分析各种工业窑炉烟气中的氧含量，然后控制送风来调整过剩空气系数α值，以保证最佳的空气燃烧比，达到节能及环保的双重效果。

氧化锆氧量计测量原理：氧浓差电池。

在氧化锆中加入一定量的氧化钙和氧化钇，则其晶型变为不随温度而变的稳定的萤石型立方晶体，产生氧离子空穴；当温度为800℃以上时，空穴型的氧化锆就变成了良好的氧离子导体，从而可构成氧浓差电池。

保证氧化锆氧量计正常工作的三个条件：
①应使氧化锆传感器的温度恒定；
②必须要有参比气体，而且参比气体的氧含量要稳定不变；
③被测气体和参比气体应具有相同的压力。

氧化锆传感器的结构：主要由氧化锆管组成。

氧化锆氧量计特点：
①氧化锆氧量计具有灵敏度高、稳定性好、响应快和测量范围宽；
②氧化锆传感器探头可以直接插入烟道中进行测量，不需要复杂的采样和预处理系统，减少了仪器的维修工作量；
③氧化锆测量探头必须在850℃左右的高温下运行，否则灵敏度将会下降。

●试说出热电偶和热电阻的安装方式及注意事项？
答：⑴两种测温元件的测量端应有足够的插入深度，在Ф100以上管道上安装时应使保护套管的末端超过管道中心线5～10mm；
⑵为防止热损失，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层，减少由于热损失带来的测量误差；
⑶为防止高温下保护套管变形，应尽量垂直安装。

在有流速的管子中必须倾斜安装，如有条件应尽量在管道的弯管处安装。

测量端须迎向流速方向。

水平安装应有支架支撑。

●试说说动圈表（磁电式仪表）内环境温度变化时，温度补偿原理？
答：动圈表中随环境温度变化（0～50℃范围内）而出现的附加误差，主要是由动圈铜电阻变化引起的。

该表内采用热敏电阻对动圈电阻进行温度补偿。

负温度系数的热敏电阻，其阻值随温度升高而降低，与动圈电阻变化的趋势正好相反，但热敏电阻的温度特性是非线性的，直接使用补偿效果不会好。

因此，在热敏电阻RT上并联一锰铜电阻RB，使其并联后的电阻RK的特性近似为线性的，则RK与动圈电阻RD串联后的电阻R随温度变化很小，也即较好的达到了进行温度补偿的目的。

●试简述常见的几种模/数（A/D）转换器的名称，并分别指出各属于哪类转换法。

答：⑴双积分型（U-t转换型），属于间接法转换器；
⑵电压频率转换型（U-f转换型），属于间接法转换器；
⑶脉冲宽度调制型，属于间接法转换器；
⑷逐次比较电压反馈编码型，属于直接法转换器。

●衡量一台仪表合格的基本条件是什么？
答：衡量一台仪表合格的基本条件是：
仪表的基本误差≤允许误差；
仪表的变差（回差）≤允许误差。

●为什么热电偶数字温度仪表必须进行非线性处理?
答：热电偶的输入和输出呈非线性关系，在显示仪表上必须以绝对值的形式和量纲反映被测参数。

数字显示仪表中不可能用非线性刻度来表示，因为二进制数码是通过等量化取得的是线性递增或递减的，因此必须对被测参数的非线性函数进行线性化补偿。

●试说出非接触测温仪表主要应用的领域及测温范围。

答：非接触测温仪表主要应用的领域：冶金、电力、铸造、热处理、玻璃、陶瓷、耐火材料、军工等部门。

非接触测温仪表的测温范围：-50～4000℃
●火力发电厂中，使用差压变送器可用来测哪些热工参数？
答：使用差压变送器可用来测量的热工参数有：压力，差压，流量，物位等参数。

●试指出弹性敏感元件的特性。

答：弹性元件虽然种类繁多，结构设计上各不相同，但它们都有着共同的特性：⑴弹性特性；⑵刚度；⑶灵敏度；⑷弹性后效；⑸弹性滞后；⑹温度影响。

●为什么要对压力表进行检定?
答：由于压力表经过一段时间的使用，内部机件可能受到某些磨损和变形，导致仪表产生各种故障或量值的准确性的改变，为达到指示正确、安全可靠运行的目的，故应对压力表进行周期检定。

●压差式水位计由几部分组成?其中改进后的平衡容器有何特点?汽包内压力变化怎样解决?
答：平衡容器，差压变送器，显示仪表；
改进后的平衡容器：正负压室分开，正负压室引出管具有足够长的水平距离S，正压室水温得到恒定，正压室多余的凝结水得以及时排走，结构尺寸得以完善；
汽包内压力变化可以引入压力补偿装置进行处理。