热工仪表复习提纲
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热工仪表复习提纲
1、测量的基本概念、测量的基本方法及测量仪表的品质指标(精度、变差、灵敏度、分辨率等)。
1.1.1测量的概念
测量是一个比较的过程。
是将被测量(被测参数)与同性质的标准量进行比较,求取二者的比值,从而得到被测量数值大小的过程。
1、按如何取得测量结果进行分类分为:直接测量、间接测量组合测量。
2、按采用测量的方法来分类:偏差式测量、零位式测量和微差式测量。
1、测量误差:对某一参数进行测量时,由于各种因素的影响,使测量值与被测参数的真值之间存在一定的差值,此差值就是测量误差。
造成测量误差的原因有:
a、测量方法引起的误差;
b、测量工具,仪器引起的误差;
c、环境条件变化引起的误差;
d、测量人员水平和观察能力引起的误差;
e、被测量对象本身变化所引起的误差。
2、研究测量误差的意义:正确认识测量误差的性质与分析测量误差产生的原因,寻求最大限度地减小与消除测量误差的途径。
寻求正确处理测量数据的理论和方法,以便在同样条件下,能获得最精确最可靠地反映真值的测量结果。
1、根据误差产生的原因将测量误差分为:
系统误差随机误差粗大误差
2、根据仪表使用的工作条件分为:
基本误差附加误差允许误差
a.基本误差:在正常工作条件下,仪表的示值误差。
b.附加误差:仪表在非正常工作条件下所产生的测量误差。
c.允许误差(也称仪表最大允许误差):仪表允许的误差界限。
指仪表的测量上限和仪表的基本误差界限(精度等级为0.1→基本误差限±0.1﹪,1→±1﹪)的乘积。
3、根据被测量变化的速度分为:
静态误差动态误差
1、测量范围与量程
测量范围是指在正常的工作条件下,检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围,其最低值和最高值称为测量范围的下限与上限,测量范围用下限至上限值来表示;测量范围上限与下限的代数差称为测量量程。
2、精度(精度等级或准确度)
精度和误差是一对孪生兄弟,因为有误差存在,才有精度的概念。
一般用最大引用误差表示:
△max →仪表允许的最大绝对误差
将%及±去掉,所得数值即为精度等级。
a 越大,精度越低;
a 越小,精度越高。
例1:某一压力表的量程为0~50Kgf/cm2,其允许的最大绝对误差为±1kgf/cm2,则:
取其数字部分,则仪表的精度等级为2级,无2级标准,故取2.5级。
工业用仪表精度等级有0.5、1.0、1.5、2.5、4等级别。
一只合格的仪表,在使用过程中其指示值出现的最大绝对误差应小于或等于仪表的允许的绝对误差。
否则测量结果不合格,故我们知道了一只仪表的精度,就可以知道该仪表在使用中的可靠程度。
仪表选择的一般原则:在满足工艺条件的前提下,尽量选用精度较低的仪表。
例2:一只测温范围为0~1100℃的测温仪表,其精度等级为1级,则用此表测温时其可能产生多少的温差?
%
%100max
αα±=⨯∆→A %2%100/)050(/122±=⨯-±=cm kgf cm kgf a 11%0.101100max ±=±⨯-=≤)
(允δδ
4、灵敏度和灵敏限
(1)灵敏度:灵敏度是仪表在稳定状态下输出微小的变化与输入微小变化之比,即以下式表示:
式中: S →仪表的灵敏度;
△α→指针式仪表的线位移或角位移;
△ x →输入变化量。
△x 越小,△a 越大,仪表灵敏度越高,稳定性越差。
(2)灵敏限:当仪表的输入量从零不断增加时, 在仪表示值发生可察觉的极微小变化时, 此时对应的输入量的最小变化值, 称为灵敏限。
注意:上述指标仅适用于指针式仪表,在数字式仪表中,往往用分辨率来表示仪表灵敏度的大小。
5、分辨率
分辨率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。
仪表最低量程的分辨率称为该表的最高分辨率也叫灵敏度。
如:某仪表的分辨率为10μV 。
6、线性度(非线性误差)
线性度:对于理论上是线性输入输出特性曲线的仪表,实际特性曲线往往偏离线性关系。
它们间的最大差值与量程范围之比的百分数称为线性度。
用于反映仪表实测输入输出特性曲线与理想线性输入输出特性曲线的偏离程度。
例题:1、某台测温仪表的测温范围为200~700℃,校验该仪表时得到的最大绝对误差为+4℃,试确定该仪表的精度等级。
解: 该仪表实际等级为:
去掉“+”号与“%”其数值为0.8。
根据工业仪表精度等级无0.8级,该仪表的误差超过0.5级仪表所允许的最大误差,故取1.0级。
例题2、某台测量仪表的测温范围0~1000℃。
根据工艺要求,温度指示值x s ∆∆=α%
8.0%1002007004+=⨯-+=a
的误差不允许超过±7℃,试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求?
解:根据工艺要求仪表的允许精度等级
0.7其数值介0.5~1.0之间。
如果选择1.0级仪表的最大允许误差超过±7℃,故选择0.5级才满足要求。
2、测量仪表的组成及各组成部分的作用。
检测仪表组一般由四部分组成:感受、传递和显示及传输。
1、感受部分(一次仪表)
感受被测参数的变化,并将感受到的参数信号或以能量的形式,转换成显示部分所能接受的信号传递出去,因此也称传感器。
如:电量、位移等。
要求:a.准确性,输入信号与输出信号的关系
→ 单值函数
线性关系
b.稳定性,受外界因素的干扰影响小。
c.灵敏性。
d.其它,经济、耐腐蚀、低能耗。
2、传递部分(变换器或变送器)
将传感器的输出信号进行远距离传送、放大、线性化或转换成统一的信号,供给显示器。
①当传感器中输出的信号可以直接送显示器时,传递部分仅起传递作用;
②当传感器中输出的信号不符合显示器的要求时,传递部分还起到变换作用。
3、显示部分(显示器或二次仪表)
向观察者显示被测量数值得大小。
它可以通过指针、数字、曲线、图像等方式显示。
显示仪表分为:指针式,数字式,屏幕式。
4、传输通道
为上述的个环节的输入、输出信号提供通路。
注意:传输通道的合理选择、布置与匹配可有效防止信号损失、失真和外界干扰,提高测量的准确度。
如:温度测量用补偿导线、屏蔽导线等。
%
7.0%100010007±=⨯-±=a
3、什么是不确定度,引入不确定度对测量结果分析有何意义。
测量不确定度与误差有什么样的区别?
4、目前常见的温标有哪些?什么是温标的三要素?了解各种常见温度计的组成及基本结构。
目前所用的温标有几种? 1.华氏温标 2.摄氏温标 3.热力学温标
5、什么是热电效应、热电偶的测温原理?
1、热电偶的测温原理
把两种性质不同的导体A和B的两端连接起来,形成一个闭合回路。
如果他们的两个接点处的温度分别为t和t0,当t﹥t0时,回路中就有电动势EAB(t, t0)产生,这一现象成为热电效应。
该电势称为热电势,热电势由接触电势和温差电势两部分组成。
6、掌握热电偶的相关性质,特别是中间导体定律及中间温度定律,明白其原理及推导过程。
热电偶是工业上最常用的温度检测器件之一。
优点:
•测量精度高。
因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。
•测量范围广。
常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。
•构造简单,使用方便。
热电偶通常是由两种不同的金属组成,而且不受大小的限制,外有保护套管,使用非常方便;适用于远距离测量和自动控制。
热电偶温度检测仪表的组成:热电偶、补偿导线、显示仪构成。
与被测对象接触的一端:热端、测量端、工作段。
与显示仪表连接的一端:冷端、自由端、参考端。
热电偶分度表是将冷端温度保持为0 ℃,通过实验建立起来的热电势与温度之间的数值对应关系。
1)均质导体定律
由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路,不论导体(半导体)的截面积如何及各处的温度分布如何,都不能产生热电势。
推论:
A)热电偶必须由两种不同性质的材料构成。
B)由一种材料组成的闭合回路存在温差时,回路如产生热电势,便说明该材料是不均匀的。
据此,可检查点击材料的均匀性。
2)中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要其两端的温度相等,该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电势
3)中间温度定律
如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2);当接点温度为T2、T3时,其热电势为EAB(T2, T3);当接点温度为T1、T3时,其热电势为EAB(T1, T3),则有:
7、了解热电偶的分类,知道热电偶冷端温度补偿的常见方法及原理。
热电偶的基本结构及类型
热电偶的结构:有四部分组成,即热电极、绝缘管、保护套管、接线盒。
热电偶的材料要求:
A、热电势要足够大,与温度呈线性或近似线性关系;
B、在使用温度范围内,物理、化学性能稳定;
C、热电性能稳定,易于复现,同类型热电偶互换性好;
D、电导率高,比热与电阻温度系数要小;
E、加工方便,价格便宜。
1. 铂铑10-铂热电偶(S型)
贵金属热电偶。
电极线径规定为0.5mm,
正极(SP)的名义化学成分为铂铑合金
负极(SN)为纯铂,故俗称为单铂铑热电偶。
长期最高使用温度为1300℃,短期最高使用温度为1600℃。
优点:准确度高,稳定性好,测温温区和使用寿命长,物理化学性能良好,在高温下抗氧化性能好,适用于氧化和惰性气氛中。
缺点:热电率较小,灵敏度低,高温下机械强度下降,对污染敏感,贵金属材料昂贵,因此一次性投资较大。
2. 铂铑30-铂铑6(B型)
为贵金属热电偶。
热偶丝线径规定为0.5mm,
正极(BP)和负极(BN)的名义化学成分均为铂铑合金,只是含量不同,故俗称为双铂铑热电偶。
长期最高使用温度为1600℃,短期最高使用温度为1800℃。
优点:准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长等,适用于氧化性和惰性气氛中,也可短期用于真空中,但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属
蒸汽中;参比端不需进行冷端补偿,因为在0~50℃范围内热电势小于3µV。
缺点:热电率较小,灵敏度低,高温下机械强度下降,抗污染能力差,贵金属材料昂贵。
3. 镍铬-镍硅热电偶(K型)
使用量最大的廉金属热电偶,用量为其他热电偶的总和
正极(KP)的名义化学成分为:Ni:Cr=90:10,
负极(KN)的名义化学化学成分为Ni:Si=97:3。
其使用温度为-200~1300℃。
优点:线性度好,热电势较大,灵敏度较高,稳定性和复现性均好,抗氧化性强,价格便宜。
能用于氧化性和惰性气氛中。
K型热电偶不能在高温下直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中,也不能用于真空中。
5、热电偶冷端温度补偿
为什么须对冷端温度进行补偿?
要求冷端温度恒定或为零度,是因为热电偶所产生的热电势不仅与被测温度有关,而且还和冷端的温度有关,只有冷端温度恒定后,热电势才能和被测温度成单值函数关系;保持冷端为0℃,是因为热电偶分度表和显示仪表都是以冷端为0℃制定和设计的;实际测量时,冷端温度受设备温度和环境温度影响不能恒定和维持0℃,从而造成测量误差,故须对冷端温度进行补偿。
热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关,而且也与冷端温度有关,只有当冷端温度恒定,通过测量热电势的大小得到热端的温度。
热电偶的冷端处理和补偿:
当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时,必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方,再考虑将冷端处理为0℃。
常用的补偿方法:
①补偿导线法(延伸导线法)
②计算校正法/热电势修正法(最常见的方法)
③冷端恒温法/冰点法(实验室常用)
④补偿电桥法(冷端补偿器)
热电偶的使用
(1)合理选择热电偶
(2)确定配套的补偿导线和补偿自由端温度的改变
(3)正确安装热电偶
(4)检查和校验热电偶
8、了解热电阻测温的原理、分类、性质和特点。
热电阻温度计是依据某些材料的电阻随温度变化而变化的效应,测温电阻是其测温的传感器,称为热电阻。
热电阻温度计由热电阻(感温元件)、导线、显示器三大件组成。
特点:
①适合-200~650℃范围的温度测量;
②测温精度高,标准铂电阻被选为“90国际温标”测量13.8033K~688.78 K范围内作为温度测量的基准仪器;
③不需要冷端温度补偿,且信号便于远传和多点切换测量;
④测量范围较大,尤其是在低温范围被广泛应用。
缺点:不能测量太高的温度,感温元件结构复杂,体积较大,热惯性大,不适宜测体积狭小和温度瞬变区域的温度,抗机械冲击与振动性能差。
一、对金属测温电阻的要求
1、电阻温度系数大:
2、在测温范围内物理及化学性质稳定;
3、有较大的电阻率;
4、电阻值与温度的关系近似为线性的,以便于分度和读数;
5、复现性好,复制性强,容易得到纯净的物质;
6、价格便宜。
附1、热电阻的校验方法有
一种是分度值校验法:即在不同温度点上测量电阻值,看其与温度的关系是否符合规定。
另一种是纯度校验法:即在0℃和100℃时测量电阻R0和R100,求出R100与R0的比值R100/R0,看其是否符合规定。
9、了解热电阻的接线方式,为什么要采用三线制接线?
引出线
由热电阻体至接线端子的连接导线称为引出线。
铂电阻—用银丝作引出线。
铜电阻—用铜丝作引出线。
镍电阻—用镍丝作引出线,电丝粗。
引出线制
①二线制:热电阻体的两端分别引线,会产生误差。
②三线制:热电阻一端引出两线,另一端引出一线,可以清除引出线电阻的影响,测量准确度高。
③四线制:热电阻两端各引出两根引线,可清除引出线电阻和接触电阻的影响,多用在标准铂电阻的引出线。
10、了解常见非接触式温度计的测温原理?
辐射式温度计的优点:
A、测量上限温度高(感受元件不受材料熔点的限制);
B、在测温过程中,感受元件不必与测量介质温度达到热平衡,故滞后小,测温速度快;
C、不破坏原有测量介质的温度场。
辐射式温度计的缺点:
测量的准确度不高,易受中间介质的辐射干扰,只能测物体表面温度,不能测物体内部温度。
1、光学高温计的原理
任何物体都会以电磁波形式向外放射能量,这就是热辐射。
物体吸收热辐射能温度升高转成热能。
如果物体能全部吸收外界辐射投入到其表面上的辐射能,该物体就成为绝对黑体,简称黑体。
吸收辐射能力强的物体,其辐射能力也强。
物体在单位时间内每单位面积辐射出的所有波长的总辐射能称为物体的全辐射力,而每一定波长的辐射能称为物体的单色辐射力。
11、感温原件的安装需要注意什么问题?
12、什么是压力,表压力、绝对压力、负压力(真空度)之间有何关系?知道常见压力单位的换算关系。
压力检测仪表的基本方法有哪些,各采用什么原理来实现压力的检测。
1、大气压力:大气自重所产生的压力成为大气压力。
2、绝对压力:以压力为零作为参考点的压力值称为绝对压力。
3、表压力:以环境大气压力作为参考点的压力称为表压力。
4、真空度:绝对压力小于大气压力是称之为真空度。
完全真空是一种理想而实际不存在的状态,对任何容器内抽真空都存在微量的压力,这叫真空度。
5、静态压力:在所研究的压力领域中,不变压力或变化缓慢到可以不考虑
其随时间变化的压力称为静态压力。
6、动态压力:在所研究的压力领域中,随时间变化的压力称为动态压力。
压力表的分类液柱式压力表弹性式压力计电气式压力计
活塞式压力计
13、常用的压力检测弹性元件有哪些?各有什么特点?压力计的选择和安装需要注意什么?
14、了解压缩式真空计、热电偶式真空计、热电阻式真空计的工作原理。
15、流量的定义及单位,流量计的分类。
标准节流装置的基本原理及形式各有什么不同?安装节流装置应注意什么问题?
16、电磁式流量计、容积式流量计、转子流量计、超声波流量计的测量原理。
17、浮力式液位计、压差式液位计电容式液位计的测量原理。
18、显示仪表有哪几种类型?各有什么特点?各种显示仪表主要由哪些部分组成,各有什么作用?
凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累计的仪表统称为显示仪表。
模拟式显示动圈式仪表
显示仪表分为数字式显示
屏幕显示模拟式+数字式,并具有存储和记忆功能
7.1动圈式仪表(磁电式仪表)
XCZ—101,热电偶
指示型XCZ XCZ—102,热电阻
按其功能
调节型XCT(指示、调节)
型号XCZ—101:X→显示,C→磁电式,Z→指示仪,T→调节或控制。
模拟式仪表:以指针与标尺间的相对位移量或偏转角来模拟显示被测参数的连续变化的仪表。
优点:结构简单、工作可靠、易于反映被测参数的变化趋势。
缺点:精度较低,数度慢,线性刻度较差,信息能量传递效率低,灵敏度不高。
数字式仪表:直接以数字形式显示背测变化。
数字式仪表的特点:
1)精度高,可避免视察。
2)灵敏度高,响应速度快,而且不受输送距离的限制。
3)量程范围宽,能直接读出测量值和累计值。
4)体积小,重量轻,易安装,可以在恶劣环境中工作。
5)可编程逻辑控制,可以数据掉电保护。
3、动圈式仪表使用时注意的问题
A 、动圈式仪表刻度为温度时,必须注意刻度上标明的
测温元件配套使用;
B 、 注意调整R 外为规定值:热电偶R 外=15Ω、热电阻 R 外=5Ω。
C 、与热电偶连接需要考虑冷端补偿方式 ;与热电阻连接考虑连接方式。
D 、 仪表出厂或搬动时将短路端子用导线短接。
19、电子电位差计原理、自动平衡电桥的原理是什么? 20、何谓数字显示仪表的三要素?三要素的相互关系如何?
21、过程自动控制的组成,自动控制系统图形符号(方框图)。
自动控制系统过渡过程的品质指标(主要)有哪些?
22、过程控制系统有哪些分类方法?按设定值形式的不同通常分为几类?每一类个有什么特点?
22、被控对象过程的特性有哪些类型?各有什么不同? 23、外加书背后的复习与思考题(讲的内容)。
1、量程0~16Mpa 的弹簧管压力表,精度为2.5级,检测时在某点上出现最大绝对误差为0.5MPa ,问这表是否合格?
解:根据精确度的定义可以算出仪表的允许误差:
根据判据:最大绝对误差应小于或等于仪表的允许绝对误差,即: 。
就可以判断仪表是否合格。
而题目中在检测时,某点出现最大绝对误差为0.5Mp ,它大于了仪表允许的最大绝对误差,所以此表不合格。
2、有一块压力表量程为0~10MPa ,精度为1.0级,问1MPa 、5MPa 、10MPa 三点最大允许绝对误差△和三点最大允许相对误差δ为多少?
解:根据精确度的定义可计算三点的
允
δδ≤max Mp
A
4.0%
100)
016(%5.2%
100%max =-⨯=
⨯=
∆αmax
∆Mp
1.0%
100)
010(%0.1max =-⨯=
∆
根据相对误差定义可计算δ
3、被测对象温度为380℃。
现有两只温度计,一只读数范围为0~500℃,准确度为2.0级;另一只为0~1000℃,准确度为1.5级,你将选用哪一只,为什么?
解:根据仪表选择的一般原则:在满足工艺条件的前提下,尽量选用精度较低的仪表。
首先,看所选仪表能否满足工艺条件:被测对象温度为380℃ ,两支仪表的测量范围均大于380℃,仪表量程满足条件。
其次,选用精度小的仪表(综合考虑)。
利用最大绝对误差、相对误差等判断。
%
100%%
%100max max
A
A
⨯=
∆±=⨯∆=
αααMp
Mp
Mp 01.0%10010
1.00
2.0%10051.01.0%10011.0%100=⨯=
=⨯==⨯=⨯∆
=δδδδ约定值%
6.2%100380
101=⨯=
δ15
%5.110001=⨯=∆Max %
9.3%100380
152=⨯=
δ
4、用K 型热电偶测某设备的温度,测得的热电势为20mv ,冷端(室温)为25℃,求设备的温度?如果改用S 型热电偶来测温,在相同的条件下,S 型热电偶测得的热电势为多少?
解:求某中仪表的温度或是它的热电势可以考虑用计算效正法来实现,即应用中间温度定律。
1)由于室温为25℃,查表可以得到冷端温度为0 ℃热端温度为25 ℃时热电偶的热电势E (25,0)=1mv 。
查表得:t=510 ℃
2)同理,可求得改用S 型热电偶时的温度E (510,25)=4.190mv
10
%2.05001=⨯=∆Max )
,(),(),(0'0
'00t t E t t E t t E AB AB AB +=mv
E t E t E AB AB AB 21120)
0,25()25,()0,(=+=+=。