化工仪表及自动化教案第1-6章

《化工仪表及自动化》

绪论

内容提要:

1. 2. 3. 4. 5.

化工自动化的含义

化工生产过程自动化的目的 化工自动化的发展情况

化工仪表及自动化系统的分类 本学科的作用

★2学时★

1.化工自动化的含义

 是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。

 在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上

自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。 2.化工生产过程自动化的目的

 加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。  减轻劳动强度，改善劳动条件。

 能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。  生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳

动和脑力劳动之间的差别创造条件。 3.化工自动化的发展情况  20世纪40年代以前

绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。低效率，花费庞大，见图。

 20世纪50年代到60年代

人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。  20世纪70年代以来，化工自动化技术又有

了新的发展

已发展为综合自动化，应用的领域和规模越来越大；显示了知识密集化、高技术集成化的特点；智能化程度日益增加 。

 20世纪末，计算机、信息技术的飞速发展，

引发了自动化系统结构的变革。 4. 化工仪表及自动化系统的分类

 需要测量和控制的参数是多种多样的，主要

有热工量（压力、流量、液位、温度）和成分（或物性）量。  化工自动化仪表按其功能分为：检测、显示、控制仪表和执行器。

 由上述各类仪表，可以构成自动检测、自动操纵、自动保护和自动控制四种自动化系统。 5.本学科的作用

化工生产过程自动化是一门综合性的技术学科。它应用自动控制学科、仪器仪表学科及计算机学科的理论与技术服务于化学工程学科。

对于熟悉化学工程学科的人员，如能再学习和掌握一些检测技术和控制系统方面的知识，必能

1

在推进中国的化工自动化事业中，起到事半功倍的作用。

第一章 检测仪表基本知识

内容提要:

1. 测量过程与测量误差 2. 仪表的性能指标 3. 工业仪表的分类

★4学时★（3学时讲授，1学时习题巩固）

1.测量过程和测量误差

测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。

测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。

绝对误差

xixt

式中：xi仪表指示值, xt被测量的真值。

由于真值无法得到

xx0

式中：x被校表的读数值，x0标准表的读数值

相对误差

yxx0 x0x02.仪表的性能指标

精确度（简称精度）→两大影响因素：绝对误差和仪表的测量范围

说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。

相对百分误差

允许误差

max100%

测量范围上限值测量范围下限值仪表允许的最大绝对误差值100%

测量范围上限值测量范围下限值允小结：仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。 目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。

例：某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该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 该仪表的相对百分误差为

4100%0.8%

700200如果将该仪表的δ去掉“＋”号与“％”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。

例：某台测温仪表的测温范围为０～1000℃。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±

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７℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？

解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为

允7100%0.7%

10000如果将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号，其数值介于0.5～1.0之间，如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为±1.0％，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。

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，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。

仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。 如： 1.5 1.0

小结：根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。

变差：变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。

变差最大绝对差值100%

测量范围上限值测量范围下限值

灵敏度与灵敏限：仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量的比值。即

S x式中：S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。

仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。

注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。

分辨率：对于数字式仪表，分辨力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。

不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。

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线性度：线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。

fmax100%

仪表量程式中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对

f于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。

反应时间：反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。

仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。

仪表的反应时间有不同的表示方法：a.当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。b.仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2％（95％）所用的时间，可用来表示反应时间。 3.工业仪表的分类

按仪表使用的能源分类

气动仪表、电动仪表（常用）、液动仪表 常用电动仪表优缺点：

优点：以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。

缺点：一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。

按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检测仪表：作用是获取信息，并进行适当的转换。

显示仪表：作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。 集中控制装置：包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。 控制仪表：可以根据需要对输入信号进行各种运算。

执行器：可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。 各类仪表的作用，如图：

按仪表的组成形式分类

分为基地式仪表和单元组合仪表。

基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。

单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。

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注意：化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。

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第二章 压力检测

内容提要:

1. 2. 3. 4. 5.

压力单位及测压仪表 弹性式压力计 电气式压力计 智能式变送器

压力计的选用及安装

★5学时★

1.压力单位及测压仪表

压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。

F S式中，p表示压力；F表示垂直作用力；S表示受力面积。p压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）

1Pa1Nm2

1MPa1106Pa

为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。

压力单位 帕 兆帕

帕/Pa

工程大气压/ 物理大气压/ 汞柱/

兆帕/ MPa

(kgf/cm2) atm mmHg 1×106 1

1.0197×10-5 10.197 1 1.0332 1.3595×10-3 0.1000 0.07031 1.0197

水柱/ （磅/英寸2）/

巴/bar

mH2O （1b/in2）

1 1×106

7.501×1.0197×

9.869×10-6 1.450×10-4 1×10-5

10-3 10-4 7.501×1.0197×

9.869 1.450×102 10

103 102 0.9678 1 1.3158×

10-3 0.09678 0.06805 0.9869

735.6 760 1 73.55

10.00 10.33

14.22 14.70

0.9807 1.0133 1.3332×10-3 0.09806 0.06895

1

工程大9.807×

9.807×104

气压 10-2 物理大

1.0133×105 0.10133 气压

1.3332×

汞柱 1.3332×102

10-4 水柱 9.806×103

9.806×10-3

0.0136 1.934×10-2 1

1.422 1 14.50

（磅/英6.895×

6.895×103

寸2） 10-3 巴

1×105

0.1

51.71 0.7031 750.1 10.197

在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。

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p表P绝P真大气压力线p表压绝对压力的零线

p绝对压力p大气压力

P绝当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。

p真空度p大气压力p绝对压力 测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。

液柱式压力计

它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。 按其结构形式的不同有U形管压力计、单管压力计等

优点：这类压力计结构简单、使用方便

缺点：其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。

弹性式压力计

它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。

电气式压力计

它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。 活塞式压力计

它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。

优点：测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。 缺点：结构较复杂，价格较贵。 2.弹性式压力计

弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。

优点：具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。

弹性元件

弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。

弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。

弹簧管压力表 分类：

使用的测压元件：单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。

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用途：普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。

1—弹簧管；2 —拉杆；3 —扇形齿轮；4 —中心齿轮；5 —指针；6 —面板；7 —游丝；8 —调整螺丝；9 —接头 基本测量原理

单圈弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头９上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。

注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。

警惕：在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。

电接点信号压力表：

1，4 —静触点；2 —动触点；3 —绿灯；5 —红灯

压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。

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3.电气式压力计

电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。 优点：该仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5Pa至5×102MPa的压力，允许误差可至0.2％； 由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。

组成（电气式压力计组成方框图）

一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。

几种常见的传感器或变送器： 霍尔片式压力传感器

霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。

霍尔电势可用下式表示

UHRHBI

式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。

注意：霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为3～20mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。

导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。

将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图所示：霍尔片式压力传感器。

1—弹簧管；2 —磁钢；3 —霍尔片

当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。

利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。 应变片压力传感器

应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。

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如图：应变片压力传感器示意图

1—应变筒；2—外壳；3—密封膜片

压阻式压力传感器 如图：压阻式压力传感器

1—基座；2—单晶硅片；3—导环；4—螺母；5—密封垫圈；6—等效电阻

工作原理：压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。

采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。

当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。

特点：精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；便于实现显示数字化；可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。

力矩平衡式压力变送器

力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度（一般为0.5级）、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。

以DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器为例，如图： DDZ-Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器示意图

1—测量膜片；2—轴封膜片；3—主杠杆；4—矢量机构 5—量程调整螺钉；6—连杆；7—副杠杆；8—检测片（衔铁）；9—差动变压器；10—反馈动圈；11—放大器；12—调零弹簧；13—永久磁钢

DDZ-Ⅲ型系列为直流24V供电，输出4～20mA（DC）,两线制，安全防爆。

被测压力p作用在测量膜片1上，通过膜片的有效面积转变成集中力Fi。

即 Fifp f为膜片的有效面积。

该变送器是按力矩平衡原理工作的。根据主、副杠杆的平衡条件可以推导出被测压力p与输出信号I0的关系。

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当主杠杆平衡时，应有

FiliF1l2

式中：li、l2 分别为Fi、F1离支点O1的距离。

由以上两式：

l1fpK1p l2l式中, K11f为一比例系数。

l2F1而

F2F1tanK1ptan

F2l3Ffl4

式中：l3、l4分别为F2及电磁反馈力离支点O2的距离。

FfK2I0

代入上式：

F2联立F2F1tanK1ptan、F2l4K2I0K3I0 l3l4K2I0K3I0，得： l3I0Kptan K式中，K1为转换比例系数

K3电容式压力变送器

电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的4～20mA（DC）电流信号。

工作原理：先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。 如图：电容式差压变送器原理图。

1—隔离膜片；2，7—固定电极；3—硅油；4—测量膜片；5—玻璃层；6—底座；8—引线 小结：电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，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，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。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。 4.智能式变送器

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智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。

特点：可进行远程通信

利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。

以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。 如图：3051C型智能差压变送器（4～20mA）方框图（图2-9）

3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。

如图：手持通信器的连接示意图

实现的功能：（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断

注意：要对智能型差压变送器每五年校验一次，智能型差压变送器与手持通信器结合使用，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，给变送器的运行和维护带来了极大的方便。 5.压力计的选用与安装

压力计的选用 ：压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析， 一般考虑以下几个问题：仪表类型的选用；仪表测量范围的确定；仪表精度级的选取

例：某台往复式压缩机的出口压力范围为25～28MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。

解 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为

p1pmax228256MPa 根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa。

由于

251，故被测压力的最小值不低于满量程的 6031100%1.67% 60 1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为

所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为0～60MPa，精度等级为1.5级。

压力计的安装

（1）测压点的选择 应能反映被测压力的真实大小。

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① 要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。

② 测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。

③ 测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。 （2）导压管铺设

① 导压管粗细要合适，一般内径为6～10mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如超过50m，应选用能远距离传送的压力计。

② 导压管水平安装时应保证有1:10～1:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。

③ 当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。

④ 取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。

（3）压力计的安装

①压力计应安装在易观察和检修的地方。 ②安装地点应力求避免振动和高温影响。

③测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触[图（a）］；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，图（b）表示了被测介质密度ρ2大于和小于隔离液密度ρ1的两种情况。如图：压力计安装示意图

１—压力计；２—切断阀门；３—凝液管；４—取压容器

④压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。

⑤当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按Δp＝±Hρg进行修正。式中H为高度差，ρ为导压管中介质的密度，g为重力加速度。

⑥为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。

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第三章 流量检测

内容提要:

1. 2. 3. 4. 5.

差压式流量计 转子流量计 旋涡流量计 质量流量计 其他流量计

★8学时★

基本概念：

介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以及进行经济核算所必需的一个重要参数。 流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量。

总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。 1.差压式流量计

差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。

通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以及显示仪表所组成。

节流现象与流量基本方程式 （1）节流现象

流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置包括节流件和取压装置。

如图3-1孔板装置及压力、流速分布图

注意：要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的压力有困难，因为产生最低静压力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速的不同会改变。因此是在孔板前后的管壁上选择两个固定的取压点，来测量流体在节流装置前后的压力变化。因而所测得的压差与流量之间的关系，与测压点及测压方式的选择是紧密相关的。

（2）节流基本方程式

流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连续性方程式推导而得的。

QF021pMF021p

可以看出：要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。流量与压力差ΔP的平方根成正比。

标准节流装置

国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里管等标准化，并称为“标准节流装置”。 标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加工要求、取压方法、使用条件等。

例：如图（孔板断面示意图），标准孔板对尺寸和公差、粗糙度等都有详细规定。

其中d／D应在0.2～0.8之间；最小孔径应不小于12.5mm；直孔部分的厚度h＝（0.005～0.02）D；总厚度H＜0.05D；锥面的斜角α＝30°～45°等等，需要时可参阅设计手册。

我国规定：标准节流装置取压方法分为角接取压法、法兰取压法。

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例：标准孔板采用角接取压法和法兰取压法，标准喷嘴为角接取压法。 如图：环式取压结构

１— 管道法兰；2—环室；3—孔板；4—夹紧环

环室取压法能得到较好的测量精度，但是加工制造和安装要求严格，如果由于加工和现场安装条件的限制，达不到预定的要求时，其测量精度仍难保证。所以，在现场使用时，为了加工和安装方便，有时不用环室而用单独钻孔取压，特别是对大口径管道。

优点 缺点

标准孔板

应用广泛，结构简单，安装流体经过孔板后压力损失大，当工艺管道上不

方便，适用于大流量的测量 允许有较大的压力损失时，便不宜采用。

标准喷嘴压力损失较孔板小 结构比较复杂，不易加工

和标准文丘里管

标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104～105以上的流体，而且流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变。

节流装置将管道中流体流量的大小转换为相应的差压大小，但这个差压信号还必须由导压管引出，并传递到相应的差压计，以便显示出流量的数值。

差压式流量计的测量误差

在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差，有的甚至高达10％～20％。

注意：不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造，更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保证差压式流量计有足够的实际测量精度。

误差产生的原因：被测流体工作状态的变动；节流装置安装不正确；孔板入口边缘的磨损；导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象；差压计安装或使用不正确。

导压管要正确地安装，防止堵塞与渗漏，否则会引起较大的测量误差。对于不同的被测介质，导压管的安装亦有不同的要求，下面分类讨论。

如图3-3测量液体流量时的取压点位置 如图3-4测量液体流量时的连接图

1—节流装置；2—引压导管；3—放空阀；4—平衡阀；5—差压变送器；6—贮气罐；7—切断阀

① 测量液体的流量时，应该使两根导压管内都充满同样的液体而无气泡，以使两根导压管内的液体密度相等。

a) 取压点应该位于节流装置的下半部，与水平线夹角α为0°～45°。

b) 引压导管最好垂直向下，如条件不许可，导压管亦应下倾一定坡度（至少1∶20～1∶10），使气泡易于排出。

c) 在引压导管的管路中，应有排气的装置。

② 测量气体流量时，上述的这些基本原则仍然适用。

15

a) 取压点应在节流装置的上半部。

b) 引压导管最好垂直向上，至少亦应向上倾斜一定的坡度，以使引压导管中不滞留液体。 c) 如果差压计必须装在节流装置之下，则需加装贮液罐和排放阀，如图3-5。

③ 测量蒸汽的流量时，要实现上述的基本原则，必须解决蒸汽冷凝液的等液位问题，以消除冷凝液液位的高低对测量精度的影响。常见的接法见图3-6所示。

差压计或差压变送器安装或使用不正确也会引起测量误差。

由引压导管接至差压计或变送器前，必须安装切断阀1、2和平衡阀3，构成三阀组，如图3-7所示。

测量腐蚀性（或因易凝固不适宜直接进入差压计）的介质流量时，必须采取隔离措施。常用的两种隔离罐形式如图3-8所示。 2.转子流量计

工作原理：以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小，即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。如图3-9所示。

转子流量计中转子的平衡条件是

Vtfgp1p2A

pp1p2VtfgA

根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小

Mh2fp

或Qh将pp1p22VtfgAfp

代入以上两式：

Mh2gVtffA2gVtf

或QhfA电远传式转子流量计

它可以将反映流量大小的转子高度h转换为电信号，适合于远传，进行显示或记录。 LZD系列电远传式转子流量计主要由流量变送及电动显示两部分组成。 流量变送部分如图所示：差动变压器结构

转换原理：若将转子流量计的转子与差动变压器的铁芯连接起来，使转子随流量变化的运动带动铁芯一起运动，那么，就可以将流量的大小转换成输出感应电势的大小。

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电动显示部分（如图：LTD系列电远传转子流量计）

转子流量计的指示值修正（教材中不涉及，选学）

转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体来讲是代表20℃时水的流量值，对用于测量气体来讲则是代表20℃，0.10133MPa压力下空气的流量值。所以，在实际使用时，要根据具体体情况进行修正。

（1）液体流量测量时的修正

Q0h2gVtw

wA2gVtf

如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大，可近似认为Φ是常数，则有

Qfh整理后得

fAQ0twftfwQfKQQf

KQ同理可导得质量流量的修正公式为

twftfwQ0fwMfKMMf

twfwKMtwtffw

当采用耐酸不锈钢作为转子材料时，ρt＝7.9g/cm3，水的密度ρw＝1g/cm3，代入（3-34）与式（3-36）得

KQ6.9f7.9f

KM6.97.9ff

当介质密度ρf变化时，密度修正系数KQ、KM的数值见下表。 密度修正系数表

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ρt KQ KM ρt KQ KM ρt KQ KM

0.40 0.670 1.516 0.95 0.971 1.022 1.50 1.272 0.847 0.45 0.646 1.435 1.00 1.000 1.000 1.55 1.297 0.837 0.50 0.683 1.365 1.05 1.028 0.979 1.60 0.323 0.827 0.55 0.719 1.307 1.10 1.056 0.960 1.65 1.351 0.818 0.60 0.754 1.256 1.15 1.084 0.943 1.70 1.376 0.809 0.65 0.787 1.211 1.20 1.111 0.927 1.75 1.401 0.800 0.70 0.819 1.170 1.25 1.139 0.911 1.80 1.427 0.792 0.75 0.851 1.134 1.30 1.165 0.897 1.85 1.453 0.785 0.80 0.882 1.102 1.35 1.193 0.884 1.90 1.477 0.778 0.85 0.912 1.073 1.40 1.220 0.872 1.95 1.504 0.771 0.90 0.944 1.046 1.45 1.245 0.859 2.00 1.529 0.764

例：现用一只以水标定的转子流量计来测量苯的流量，已知转子材料为不锈钢，ρt＝7.9g/cm3，苯的密度为ρf＝0.83g/cm3。试问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？

解：由式：KQ将此值代入式Q06.9f7.9f或查上表：KQ0.9

twftfwQfKQQf，得Qf11Q03.64L/s KQ0.9 即苯的实际流量为4L/s。

（2）气体流量测定时的修正

对被测介质的密度、工作压力和温度均需进行修正。

当已知仪表显示刻度Q0，要计算实际的工作介质流量时，可按下式修正。

Q10Tp11110Q0Q0 1p0T1KKPKT注意：上式计算得到的Q１是被测介质在单位时间（小时）内流过转子流量计的标准状态下的容

积数（标准立方米），而不是被测介质在实际工作状态下的容积流量。

例：某厂用转子流量计来测量温度为27℃，表压为0.16MPa的空气流量，问转子流量计读数为38Nm3/h时，空气的实际流量是多少？

解 已知Q0＝38Nm3/h，p1＝0.16＋0.10133＝0.26133MPa，T1＝27＋273＝300K，T0＝293K，p0＝0.10133MPa， ρ1＝ρ0＝1.293Kg/Nm3。

将上列数据代入上式，便可得

Q11.2930.261332933860.3Nm3/h 1.2930.10133300 即这时空气的流量为60.3Nm3/h。

（3）蒸汽流量测量时的换算

转子流量计用来测量水蒸气流量时，若将蒸汽流量换算为水流量，可按式

Q0fwMfKMMf计算。

twfwQ0若转子材料为不锈钢，ρt ＝7.9g/cm3，则有

tw7.911000MfMf

tffw7.9ff 18

当ft时，Q029.561fMf

可以看出：若已知某饱和蒸汽（温度不超过200℃）流量值时，可从上式换算成相应的水流量值，然后按转子流量计规格选择合适口径的仪表。

3.漩涡流量计

特点：精度高、测量范围宽、没有运动部件、无机械磨损、维护方便、压力损失小、节能效果明显。

卡曼涡街：

漩涡流量计是利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。

满足h／L＝0.281时，则所产生的涡街是稳定的。由圆柱体形成的卡曼漩涡，其单侧漩涡产生的频率为

fStv d漩涡频率的检测方法：热敏检测法、电容检测法、应力检测法、超声检测法 如图：圆柱检出器原理图

１—

4.质量流量计

直接式质量流量计

科氏力流量计的测量原理是基于流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力。

如图：科氏力流量计测量原理

图3-34 圆柱检出器原理图

空腔；2—圆柱棒；3—导压孔；4—铂电阻丝；5—隔墙

1—空腔；2—圆柱棒；3—导压孔；4—铂电阻丝；5—隔墙 19

质量流量

MKS 4r优点：能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）的影响，测量精度高； 测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管段长度的要求；可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。

缺点：它的阻力损失较大；零点不稳定；管路振动会影响测量精度。 间接式质量流量计

（1）测量体积流量Q的仪表与密度计配合（如图）

质量流量：xyKQ

（2）测量ρQ2的仪表与密度计配合

质量流量：xyKQ

（3）测量ρQ2的仪表与测量Q的仪表配合

20

质量流量：

5.其他流量计 椭圆齿轮流量计 工作原理：

xQKKQ yQ2

通过椭圆齿轮流量计的体积流量

Q4nV0

使用特点：

 适用于高黏度介质的流量测量。

 测量精度较高，压力损失较小，安装使用也较方便。  椭圆齿轮流量计的入口端必须加装过滤器。  椭圆齿轮流量计的使用温度有一定范围。

 椭圆齿轮流量计的结构复杂，加工成本较高。 涡轮流量计

1—涡轮；2—导流器；3—磁电感应转换器；4—外壳；5—前置放大器

优点：安装方便； 测量精度高，可耐高压；反应快，可测脉动流量；输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。

缺点：一般应加过滤器； 安装时，前后要有一定的直管段。

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电磁流量计

电磁流量计原理图：

能够测量酸、碱、盐溶液以及含有固体颗粒（例如泥浆）或纤维液体的流量。 感应电势的方向由右手定则判断，大小由下式决定

EXKBDv

而 Q12Dv 4将其代入上式，得

EX4KBDKD D注意：只能用来测量导电液体的流量，且导电率要求不小于水的导电率，不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量。要引入高放大倍数的放大器，会造成测量系统很复杂、成本高，并且易受外界电磁场的干扰。使用中要注意维护，防止电极与管道间绝缘的破坏。安装时要远离一切磁源。不能有振动。

22

第四章 物位检测

内容提要:

1. 物位检测意义及主要类型 2. 差压式液位计 3. 其他物位计

★4学时★

1.物位检测意义及主要类型 本节掌握三个内容；

a.几个概念：液位、料位、液位计、界位计。 b.测量物位的两个目的：教材Pg46。

c.按其工作原理分为：直读式物位仪表、差压式物位仪表、浮力式物位仪表、电磁式物位仪表、核辐射式物位仪表、声波式物位仪表、光学式物位仪表。 2.差压式液位计 工作原理

如图：差压液位变送器原理图

将差压变送器的一端接液相，另一端接气相

p1pHgp2p因此pp1p2Hg

当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表，如图：压力表式液位计所示。

零点迁移问题

如图：负迁移示意图

23

在使用差压变送器测量液位时，一般来说

pHg

实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为

p1h12gH1gp0

p2h22gp0

则 p1p2H1gh12gh22g

pH1gh2h12g

迁移弹簧的作用：改变变送器的零点。

迁移和调零：都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。

迁移：同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。

例：某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。

如图：正负迁移示意图

如图：正迁移示意图

用法兰式差压变送器测量液位

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示：法兰式差压

24

变送器测量液位示意图。

1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器

法兰式差压变送器按其结构形式：单法兰式、双法兰式 3.其他物位计

电容式物位传感器

测量原理：通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。 如图：电容器的组成

1—内电极；2—外电极

两圆筒间的电容量C

C2L Dlnd当 D 和 d 一定时，电容量 C 的大小与极板的长度 L 和介质的介电常数ε的乘积成比例。

液位的检测：对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示：非导电介质的液位测量

1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔

当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为

25

C0当液位上升为H时，电容量变为

20L DlndC电容量的变化为

2H20LH DDlnlndd20HKiH

DlndCXCC0结论：电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。 料位的检测：用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。 如图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。

1—金属电极棒；2—容器壁

电容量变化与料位升降的关系为

CX20H Dlnd电容物位计优缺点：

 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。  需借助较复杂的电子线路。

 应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。 核辐射物位计（见图4-11）

射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系如下式。

II0eH

特点：

 适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位

测量，还可以测量高温融熔金属的液位。  可在高温、烟雾等环境下工作。

 但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。 称重式液罐计量仪（见图4-14）

该计量仪既能将液位测得很准，又能反映出罐中真实的质量储量。 称重仪根据天平原理设计。

26

杠杆平衡时：p1p2A1L1MgL2，由于p2p1Hg，代入可得：

A1L1HKH M如果液罐是均匀截面 M0HA

MH0

AALK将此式代入L211HKH，得：L2M0

L2M如果液罐的横截面积A为常数，得

L2KiM0A式中：KKA1L1iAAM 27

第五章 温度检测

内容提要:

1. 2. 3. 4.

概述

热电偶温度计 热电阻温度计 温度变送器

★6学时★

1.概述

a.温度检测方法：温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。

b.了解分类情况。

c.常用温度计的种类及优缺点(见表5-1) 膨胀式温度计

膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。 压力式温度计

应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。

它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。

压力式温度计的构造由以下三部分组成  温包  毛细管

 弹簧管（或盘簧管） 辐射式温度计

辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。 2.热电偶温度计

热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。

热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。 热电偶（见图5-3热电偶温度计测温系统示意图；图5-4热电偶示意图） 热电现象及测温原理（见图5-5~7）

图5-7闭合回路：

Et,t0eABteABt0Et,t0eABteBAt0

注意：如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也就是说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。 插入第三种导线的问题

如图：热电偶测温系统连接图

图（a）总的热电势

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EteABteBCt1eCBt1eBAt0

由于

eBCt1eCBt1eBAt0eABt0

将该两式代入前式

EteABteABt0

图（b）总的热电势

EteABteBCt0eCAt0

eABt0eBCt0eCAt0

EteABteABt0

因此eABt0eBCt0eCAt00说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。 常用热电偶的种类（见表5-2）

工业上对热电极材料的要求

 温度每增加１℃时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能成线性关系；  物理稳定性要高；  化学稳定性要高；

 材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保

证良好的互换性。

热电偶的结构（见图5-10）

普通型热电偶：热电极、绝缘管、保护套管、接线盒 常用绝缘子材料

材 料 橡皮、绝缘漆

珐琅 玻璃管 石英管 瓷管 纯氧化铝管

常用保护套管

材 料 无缝钢管 不锈钢管 石英管 瓷管 Al2O3陶瓷管

工作温度/℃ 600 1000 1200 1400 1900以上 工作温度/℃

80 150 500 1200 1400 1700

补偿导线的选用（见图5-11）

采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。 它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。

29

在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。

常用热电偶的补偿导线

补偿导线

热电偶名称

正极 材料 颜色

铂铑10-铂 镍铬-镍硅（镍铝）

镍铬-铜镍 铜-铜镍

铜 铜 镍铬 铜

红 红 红 红

负极 材料 铜镍 铜镍 铜镍 铜镍

颜色 绿 蓝 棕 白

工作端为100℃，冷端为0℃时的标准热电势/mV

0.645±0.037 4.095±0.105 6.317±0.170 4.277±0.047

冷端温度的补偿

在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。 （1）冷端温度保持为０℃的方法（见图5-12） （2）冷端温度修正方法

在实际生产中，冷端温度往往不是0℃，而是某一温度t1，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。 （3）校正仪表零点法

若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。

注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。 （4）补偿电桥法（见图5-13）

利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。 注意：由于电桥是在20℃时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20℃处。如果补偿电桥是在0℃时平衡设计的（DDZ-Ⅱ型温度变送器中的补偿电桥），则仪表零位应调在0℃处。

（5）补偿热电偶法（见图5-14）

在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，常用多支热电偶而配用一台测温仪表。 3.热电阻温度计

在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜 热电阻温度计是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。 如图：热电阻温度计

测温原理

利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性（电阻温度效应）来进行温度测量的。 对于呈线性特性的电阻来说，其电阻值与温度关系如下式

RtRt01tt0

RtRtRt0Rt0t

热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。 工业常用热电阻

作为热电阻的材料一般要求是：  电阻温度系数、电阻率要大；

30

 热容量要小；

 在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性；  电阻值随温度的变化关系，最好呈线性。 工业上定型生产的热电阻有铂电阻和铜电阻。 （1）铂电阻

在0～650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为

RtR01AtBt2Ct3

由实验求得

A3.950103/C,B5.850107/C,C4.221022/C

工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝10Ω，对应分度号为Pt10。另一种是R0＝100Ω，对应分度号为Pt100。 （2）铜电阻

金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50～+150℃内，具有很好的稳定性。

在-50～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即

RtR01tt04.25103/C

工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝50Ω，对应的分度号为Cu10。另一种是R0＝100Ω，对应的分度号为Cu100。 4.温度变送器

DBW型温度（温差）变送器是DDZ-Ⅲ系列电动单元组合式检测调节仪表中的一个主要单元。它既可与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，又可与具有毫伏输出的各种变送器配合，然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对温度或温差及其他各种参数进行显示、控制。

DDZ-Ⅲ型的温度变送器与DDZ-Ⅱ型的温度变送器进行比较，它有以下主要特点。  线路上采用了安全火花型防爆措施。

 在热电偶和热电阻的温度变送器中采用了线性化机构。

 在线路中，由于使用了集成电路，这样使该变送器具有良好的可靠性、稳定性等各种技术性能。

AD693构成的热电偶温度变送器的电路原理图 ：一体化热电偶温度变送器电路原理

智能式温度变送器

以SMART公司的TT302温度变送器为例加以介绍： 优点：

 可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度；  具有量程范围宽、精度高；

 环境温度和振动影响小、抗干扰能力强；  质量轻；

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 安装维护方便。

结构：由硬件部分和软件部分两部分构成。

TT302温度变送器硬件构成原理框图：输入板、主电路板、液晶显示器

TT302温度变送器的软件构成：系统程序、功能模块

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第六章 显示仪表

内容提要:

1. 模拟式显示仪表 2. 数字式显示仪表 3. 新型显示仪表

★2学时★

显示仪表：

凡能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累积的仪表。

显示仪表一般都装在控制室的仪表盘上。它和各种测量元件或变送单元配套使用；又能与控制单元配套使用， 1. 模拟式显示仪表 自动电子电位差计

电子电位差计是用来测量直流电压信号的，凡是能转换成毫伏级直流电压信号的工艺变量都能用它来测量。 手动电位差计

工作原理: 根据平衡法将被测电势与已知的标准电势相比较，当两者的差值为零时，被测电势就等于已知的标准电势。

如图：电压平衡原理图

测量时，可调节滑动触点C的位置，使

UCBIRCB，同时有EtUCB条件：I检0



自动电子电位差计的工作原理（见图6-1） 根据这种电压平衡原理来进行工作。 特点：

 用可逆电动机及一套机械传动机构代替了人手进行电压平衡操作；  用放大器代替了检流计来检测不平衡电压并控制可逆电机的工作。

结论：电子电位差计既保持了手动电位差计测量精度高的优点，而且无须用手去调节就能自动指示和记录被测温度值。

自动电子电位差计的测量桥路（如图）

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（1）冷端温度补偿问题

例：用镍铬-镍硅热电偶测量温度，其热端温度不变，而冷端温度从０℃升高到25℃，这时热电势将降低１mV，仪表指针会指示偏低。

如果把R２做成随温度变化的电阻，且在温度从0℃升高到25℃时，其阻值变化量ΔR2＝0.5Ω，这时，电阻R2上的电压降UDB也增大，ΔUDB＝ΔR2·I2＝1mV。为了统一规格，上支路的电流规定为4mA（或2mA），下支路电流规定2mA（或1mA）。因为测量桥路的补偿电压UCD＝UCB－UDB，现在UDB增加了1mV，那么UCD就会减少1mV，此时滑动触点C的平衡位置不需变化。由于UCD的变化与热电势的变化相等，故能起到温度补偿作用，使仪表的指示值基本不受冷端温度变化的影响。

（2）量程匹配问题（见图6-3）

①R2铜电阻 装在仪表后接线板上以使其和热电偶冷端处于同一温度。

②下支路限流电阻R3 它与R2配合，保证了下支路回路的工作电流为2mA。 ③上支路限流电阻R4 把上支路的工作电流限定在4mA。

④滑线电阻RP 仪表的示值误差、记录误差、变差、灵敏度以及仪表运行的平滑性等都和滑线电阻的优劣有关。

⑤量程电阻RM 决定仪表量程大小的电阻。

⑥始端（下限）电阻RG 大小取决于测量下限的高低。 平衡电桥测温原理（见图6-5）

当被测温度为下限时，Rt有最小值Rt0，滑动触点应在RP的左端，此时电桥的平衡条件是

R3Rt0RPR2R4

当被测温度升高后的平衡条件是

R3Rt0RtRPr1R2R4r1

两式相减 RtR3r1R3R2r1r1R3Rt

R2R3结论：滑动触点B的位置就可以反映电阻的变化，亦即反映了温度的变化。并且可以看到触点的位移与热电阻的增量呈线性关系。 自动电子平衡电桥

如图：自动平衡电桥结构原理图

为了准确地指示出被测温度的数值，将热电阻的连接采用三线制接法，并加外接调整电阻。 自动电子平衡电桥与自动电子电位差计的比较

相同点：

 与这两种仪表配套的测温元件（热电偶、热电阻）在外形结构上十分相似。

 仪表的外形及其组成：如放大器、可逆电机、同步电机及指示记录部分都是完全相同的。

不同点：

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 它们的输入信号不同。  两者的作用原理不同。

 当用热电偶配电子电位差计测温时，其测量桥路需要考虑热电偶冷端温度的自动补偿问题；而

用热电阻配电子平衡电桥测温时，则不存在这个问题。  测温元件与测量桥路的连接方式不同。 2.数字式显示仪表

数字式显示仪表的特点及分类 特点：

 清晰直观、读数方便、不会产生视差。  线路简单、可靠性好、耐振性好。

 有利于制造、调试和维修，降低生产成本。 分类：

 按输入信号的形式来分，有电压型和频率型两类。  按被测信号的点数来分，它又可分成单点和多点两种。

 根据仪表所具有的功能，又可分为数字显示仪、数字显示报警仪、数字显示输出仪、数字显示

记录仪以及具有复合功能的数字显示报警输出记录仪等 如图：数字式显示仪表分类图

数字式显示仪表的基本组成

如图：数显仪表组成结构

1.信号变换电路2.前置放大电路3.非线性校正或开方运算电路4.模数转换电路（A／D转换）5.标度变换电路6.数字显示电路及光柱电平驱动电路7.V／I转换电路和控制电路 3.新型显示仪表

以CPU为核心采用液晶显示的记录仪，直接把记录信号转化成数字信号后，送到随机存储器加以保存，并在大屏液晶显示屏上加以显示。 无笔、无纸记录仪的原理和组成

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虚拟显示仪表

利用计算机强大的功能来完成显示仪表所有的工作。

结构：比较简单，仅由原有意义上的采样、模数转换电路通过输入通道插卡插入计算机即可。 特点：在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表。

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