仪表基础知识

化工仪表、仪表、自控

热电阻

• 工作原理
  • 铠装热电偶的电极由两根不同导体材质组成。当测量端与 参比端存在温差时，就会产生热电势，工作仪表便显示出热电 势所对应的温度值
  • EAB(T,T0)=EAB(T,0)-EAB(T0,0) 其中，EAB(T,T0) 为热电势，EAB(T,0) 是温度为 T 时的 接触电势，EAB(T0,0) 是温度为 T0 时的接触电势
• 测量端形式
• 常用分度号
  • K（镍铬-镍硅）：0~1000
  • S（铂铑10－铂）：0~1600
  • E（镍铬－康铜）：0~800
  • N、J、T、R
  • K型热电偶分度值
    • 1℃ 0.0397mV
    • 100℃4.095mV
  • 一般情况下，测量600℃以下常用热电阻测量，600℃以上用热电偶测量，热电阻的误差会更小，600℃以上建议用热电偶，要着重考虑长期工作温度和工作中的最高温度。
• 常温绝缘电阻
  • 温绝缘电阻热电偶在环境温度为15~35℃ ,相对湿度45%~75%,试验电压为500±50V（直流）电极与外套管之间的绝缘电阻≥1000MΩ.m。即1m长的试样的绝缘电阻为1000MΩ;10m长的试样的绝缘电阻为100MΩ
• 接线时区分正负极
  • 如果补偿导线与热电偶正负极反接，那么热电偶冷端温度的影响不仅得不到补偿，反而会产生2倍的误差，因此在接线时必须注意。如果未能确定热电偶补偿导线极性时，可以取一段补偿导线‚去掉一端绝缘后拧在一起‚放在热水杯中，用普通万用表直流电压量程最低档测量另一端的根线，万用表上会显示测量电压的正负，信号的正极为补偿导线的正极。
• 冷端补偿
  • 在实际测量时，温度测量的目的是测得以 0℃为基准的热端的温度 t，而上式中的热电势 EAB(T,T0) 却反映的是热端和冷端的相对电势，因此，只有将冷端置于冰水混合物中，才能使冷端不受外界温度的影响始终保持为 0℃，此时 EAB对应于标准分度表的温度才是热端的实际温度。但实际测量过程中，因为冷端处在外界环境中，受环境温度影响很大，所以保持冷端温度恒定很困难，因此，使用热电偶测温的过程中需要冷端补偿。
• 热电偶的安装
  • 1、管道上安装时，热电阻的敏感元件应与被测介质形成逆流，至少应与被测介质流束成90°，同时，应将测温元件总长的1/2放置在最高流束的位置，铂热电阻的保护套管末端应越过流束中心线50~70mm。
  • 2、热电阻的插入深度，一般不小于外套管外径的8~10倍，一般不小于300mm，如果插入深度不够，外露部分有空气流通，测出的温度比实际温度低3~4°。
  • 3、为避免液体、灰尘渗入电阻的接线盒内，应将其接线口朝下。
  • 4、与工艺管道倾斜安装时，应逆着介质流向，夹角应为45°。
  • 5、在管道的拐弯处安装时，应逆着无良流向，切缘部件轴线应与管道轴线相交。
  • 6、取源部件安装在扩大管上时，扩大管的安装方式应符合设计文件的规定。
• 差压液位计
  • 双法兰液位计
    • 变送器安装位置
      • 原理示意图
      • 计算过程
        • 假设工艺介质的密度为 ρ，双法兰液位计毛细管内填充液的密度为 ρ0，以及密闭容器中工艺介质上方的压力为 p0。故变送器的量程为 ：∆p=Hρg，而此时正压侧压力 p+=h2 ρ0g +p0，负压侧压力p-=h1 ρ0g +p0，因此该情况下双法兰变送器的迁移量 p为 ：p=p+-p- =h2 ρ0 g +p0-(h1 ρ0g +p0 ) =-Hρ0g
      • 原理示意图
      • 计算过程
        • 正 压 侧 压 力 p+=-h2ρ0g +p0， 负 压 侧 压 力p-=h1 ρ0g +p0，因此该情况下双法兰变送器的迁移量p 为 ：p=p+-p- =-h2 ρ0 g +p0-(h1 ρ0g +p0 ) =-Hρ0g
      • 原理示意图
      • 计算过程
        • 正压侧压力 p+=-h2ρ0g +p0，负压侧压力 p-=-h1 ρ0g +p0，因此该情况下双法兰变送器的迁移量 p为 ：p=p+- p- =-h2ρ0g +p0-( -h1ρ0g +p0) =-Hρ0g
      • 结论
        • 可见双法兰变送器不同于差压变送器，其量程和零点迁移量是固定的
    • 毛细管填充液
      • 甲基硅油（ D.C.200）、氟油、卤化烃、乙二醇与水
      • 选用原则 ：1）满足过程对压力和温度要求 ；2）必须与过程介质 兼容 ；3）粘度较小 ，膨胀系数较小
• 电磁流量计
  • 工作原理
    • 测量原理是基于法拉第电磁感应定律。即：导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应 电动势，其感应电势 E 为：E = KBVD 式中： K 为仪表常数； B 为磁感应强度； V 为测量管截面内的平均流速； D 为测量管的内径
    • 在电磁流量计测量流量时，流体流过垂直于流动方向时产生磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速 ( 亦即体积流量 ) 成正比的电压，其感应电压信号通过两个与液体直接接触的电极检出，并通过专用信号电缆传送至信号放大器，最终转换成统一的输出信号
  • 优点
    • 1、测量不受流体密度、黏度、温度、压力等工况条件的影响
    • 2、测量管内任何无节流元件，所以介质流过时，不会造成压损，直管段要求与其他形式流量计相比相对较低
    • 3、具有良好的耐腐蚀和耐磨损特性
    • 4、功耗相对其他形式的流量计相对较低、零点稳定、精确度较高
  • 缺点
    • 1、无法测量气体、蒸汽以及含有大量气体的介质
    • 2、基本无法测量电导率很低或者不导电的液体介质
    • 3、会受到周围强磁场的影响
  • 选型
    • 量程及口径
      • 电磁流量计的量程较宽，量程比达到100:1，选择量程时要满足两个条件：满量程要高于液体的最大流量值； 液体正常流量值高于满量程的50%。在口径选择上，主参考液体流速，通常在2-4m/s；若液体中含有固体颗粒，则流速应不大于3m/s；若液体粘附管壁，则流速应不大于2m/s
    • 电极
      • 被测介质及其他可能存在的其他介质
    • 衬里
      • PTFE
        • -40 ～ 180 ℃，酸碱等强腐蚀性介质
      • 氯丁橡胶
        • -5～ 80 ℃，一般的水、污水、泥浆、矿浆
    • 接地环
      • 普通接地环，保护接地环，用于保护 PTFE 翻边不受损伤及带颈接地环，适用于磨损性介质，保护端部衬里，延长传感器寿命 ( 建议与仪表一起订货和标定，否则可能影响精度 )，接地环材质：不锈钢、哈氏合金、钽等
  • 选用原则
    • 1、满量程要大于预计量程，流量大于满量程1/2
    • 2、上下游直管要求，上游至少5D，下游至少3D
    • 3、可靠接地，电阻要小于10Ω
    • 4、接地极和接地环
    • 5、抗电磁干扰和振动
    • 6、必要时安装整流器
    • 7、流量计管道内，要一直有液体存在，不能空管
• 差压流量计
  • 工作原理
    • 节流式差压流量计由三部分组成,即节流装置、差压变送器和流量显示仪表
    • 充满管道的流体, 当它流经管道内的节流件时,流束在节流件处形成局部收缩, 此时 流速增大, 静压降低, 在节流件前后产生差压, 流量越大, 差压越大, 因而可依据差压来衡量流量的大小。 这种测量方法是以流动连续性方程 ( 质量守恒定律)和伯努利方程 ( 能量守恒定律) 为基础的。 差压的大小不仅与流量有关, 还与其他许多因素有关, 如节流装置形式、管道内流体的物理性质 ( 密度、黏度) 及流动状况等。
  • 安装方式
    • “小进大出”是仪表行业人员对于孔板安装流向的常用语， 其意思是孔板的锐边应迎着被测流体的流向， 使流体从孔板的上游端流向孔板的下游端面。
    • 对于标准孔板、圆缺孔板和偏心孔板都是正确的， 然而 1 /4 圆孔板和锥形入口孔板却恰恰相反，它们开孔的锋利端必须背着被测流体的流向， 是“大进小出”。
  • 多孔平衡与标准孔板对比
• 压力仪表
  • 基础知识
    • 压力容器压力等级分类
      • 低压容器 0.1~1.6Mpa
      • 中压容器 1.6~10Mpa
      • 高压容器 10~100Mpa
      • 超高压容器＞100Mpa
    • 压力的表示方法
      • 大气压
      • 标准大气压
        • 把温度为0℃、纬度45度海平面上的气压称为1个大气压,水银气压表上的数值为760毫米水银柱高(相当于1013.25百帕)。
      • 表压
        • 以大气压为基准点。绝对压力-大气压=表压
      • 绝压
        • 以绝对零压为基准点（MPa（A））
  • 工作原理
    • 硅谐振
      • EJA
    • 硅电容
      • 罗斯蒙特
  • 规范要求
    • 1、温度和压力在同一跟管段，应在温度上游。
    • 2、当检测带有灰尘、固体颗粒或沉淀物等混浊物料的压力，应垂直或倾斜的安装在设备和管道上，倾斜向上安装，在水平管道上宜顺物料流束成锐角安装。
    • • ①测量气体压力时，应在管道的上半部分。
      • ②测量液体压力，应在管道的上半部与管道的水平中心线成0~45°夹角的范围内。
      • ③测量蒸汽压力时，应在管道的上半部，以及下半部与管道水平中心线成0~45°夹角的范围内。
    • 4、压力表不应固定在强烈振动的设备及管道上。测量低压的压力表安装高度，应与取压点高度一致。测量高压的压力表安装在操作岗位附近时，宜距地面1.8m以上，或加设保护罩。
• 热电阻
  • 热电阻工作原理
    • 基于电阻热效应进行温度测量，热电阻的测量原理基于导体或半导体材料的电阻与温度之间存在的函数关系。即当温度变化时导体或半导体的电阻也随之而变化，然后通过显示仪表显示出被测对象的温度数值。
  • 热电阻测温范围
    • -200~600℃
    • 允差
      • A级：±（0.15＋0.2%）
      • B级：±（0.3＋0.5%）
  • 热电阻按材质分类
    • 铂热电阻
      • R0=10Ω，R0=100Ω，R0=1000Ω
      • 铂电阻准确度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小
    • 铜热电阻
      • R0=50Ω，R0=100Ω
      • 适用于无腐蚀介质
  • 热电阻按结构和制造工艺分类
    • 铠装热电阻
      • 将电阻元件封焊在由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉末）和金属导线散着组成的盒内，套管直径一般为φ3/4/5/6/8，可以弯曲，一边需要加装外套管。
    • 装配式热电阻
      • 接线盒、磁环（磁珠），保护套管、感温元件组成，套管直径一般为φ12/16，不可弯曲，不需要外套管。
  • 接线方式
    • 二线
      • 由于连接导线的电阻r无法测得而被计算到热电阻的阻值中，使测量结果产生附加误差。热电阻引线电阻无法消除，测量结果偏大，用于连接线短，精度要求不高的场所。
        • • 子主题
      • 在100℃时，Pt100热电阻的电阻率为0.379Ω/℃，2Ω引起5.3℃的测量误差
    • 三线
      • 增加一根导线用以补偿连接导线的电阻引起的测量误差，三线制要求三根导线的材质、线径、长度一致且工作温度相同，使三根导线的电阻相同，通过导线1、3施加电流，导线2的电流为0。增加1跟补偿导线，减小引线电阻带来的误差，用于导线较长，兼顾精度及应急成本的场所
        • • 电桥外的引线不会计入测量电桥，因此不会引入测量误差。
    • 四线
      • 依靠测量线路消除引线电阻的影响，测温精度高，用于实验室中高精度温度测量，作为计量标准器热电阻。
  • 热电阻的安装
    • 1、管道上安装时，热电阻的敏感元件应与被测介质形成逆流，至少应与被测介质流束成90°，同时，应将测温元件总长的1/2放置在最高流束的位置，铂热电阻的保护套管末端应越过流束中心线50~70mm。
    • 2、热电阻的插入深度，一般不小于外套管外径的8~10倍，一般不小于300mm，如果插入深度不够，外露部分有空气流通，测出的温度比实际温度低3~4°。
    • 3、为避免液体、灰尘渗入电阻的接线盒内，应将其接线口朝下。
    • 4、与工艺管道倾斜安装时，应逆着介质流向，夹角应为45°。
    • 5、在管道的拐弯处安装时，应逆着无良流向，切缘部件轴线应与管道轴线相交。
    • 6、取源部件安装在扩大管上时，扩大管的安装方式应符合设计文件的规定。
• 常规四大变送器工作原理及名词解释