热工仪表基础知识讲义

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1、 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。
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1、 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。
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1、 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臵的不同，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。
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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。
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1、 温度的测量与变送
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1、 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。
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1、 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。
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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。
t0 t0 1 A B
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t
热电偶温度计测量线路 1、热电偶 2、连接导线 3、电测仪表
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1、 温度的测量与变送
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， A和 B 两种不同的物质，电 子密度高的向电子密度低的流动，产生电流，形成电动势， 一般为mV信号，经过测温仪计算为测量介质的温度。
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1、 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。
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2、 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。
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2、 压力的测量与变送

基础
振子
ห้องสมุดไป่ตู้20
2、 压力的测量与变送

a
b
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
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2、 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Δ γ ，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Δ γ /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。
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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
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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。
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1、 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。

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1、 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。
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2、 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）、示数装臵（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 。
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2、 压力的测量与变送

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2、 压力的测量与变送


（3）单晶硅谐振式传感器
谐振式传感器是采用超精细加工工艺在单晶硅材料 上制成两个完全一致的H型谐振梁，并以一定的频率产生 振动。其谐振频率取决于梁的长度及张力，而张力随压力 的变化而变化，实现了压力变化转换成频率信号的变化， 并采用了频率差分技术，将两个频率信号直接输出到脉冲 计数器。从而使传感器具有误差小，重复性好、分解能力 和反应灵敏度高、直接输出数字信号等特点。由于传感器 良好的特性，可使变送器几乎不受静压和温度的影响，而 且具有优良的过压性能和范围较宽的量程。
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2、 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，能过转换位臵，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。
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2、 压力的测量与变送

我们生产中一般所说的压力，指发生在两个物体的接触表 面的作用力，或者是气体对于固体和液体表面的垂直作用 力，或者是液体对于固体表面的垂直作用力。
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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。
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2、 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(即应变e) ，其电阻值随之发生变化。如果已 如应变片的电阻变化与其变形(即应变)的关系，那么，通 过对应变片电阻变化的测量就可测知被测压力。