热工仪表及自动化讲义讲述

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1、仪控部-安全生产处安全生产处 2 主要内容 一、概述 二、压力、温度、流量、液位参数的测量 原理及仪表 三、自动控制基础知识 3 一、概述 在热电生产中，热工测量是热力过程控制系统的一个组成部分。热工 测量在控制系统中具有重要地位，通过热工参数测量，可及时反映热 力设备的运行工况，为运行人员提供操作依据；为热工自动化装置准 确及时的提供信号；为运行的经济性计算提供数据。因此，热工测量 是保证热力设备安全，经济运行及实现自动化的必要条件，亦是经济 管理、环境保护，研究新型热力生产系统和设备的重要条件。其质量 的好坏直接影响着自动过程的水平。 随着热源厂自动化水平的日益提高，对热工测量的准确性及可

2、靠性要 求也越来越高，测点数目也越来越多，并且随着新材料及及技术的使 用，新型测量仪表不断涌现，需使用DCS对大量测量数据进行处理。 在热源厂的运行中， 要求整个测量系统长期处于投入状态，能正确而 及时的反映设备的运行工况，并改善运行人员的劳动条件。所以从事 热工测量工作的技术人员必须充分熟悉热工测量仪表及系统，掌握测 量方法，对热力设备（被测对象）的结构和性能也要有一定的了解。 由于测量中总存在着测量偏差，我们工作任务之一就是要尽量使之减 小。 4 二、热工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压力、温 度、流量、液位四大参数。 下面就着重介绍一下这四大参数

3、的测 量原理，以及测量这四大参数所运用的仪 表。 5 1、 压力的测量与变送 在压力测量中，通常有绝对压力，表压力、负压、或 真空度等名词。绝对压力是指介质所受的实际压力。表压 是指高于大气压的绝对压力与大气压之差，即： P表=P绝-P大 负压与真空度是指大气压力与低于大气压力的绝对压 力之差，即： P真 =P大-P绝 绝对压力、表压力、大气压力、负压力（真空度）之 间的关系如下图所示。因为各种工艺设备和测量仪表都处 于大气中，所以工程上都用表压力或真空度来表示压力的 大小。我们用压力表来测量压力的数值，实际上也都是表 压或真空度（绝对压力表的指示值除外）。因此，在工程 上无特别说明时，所提的

4、压力均指表压力或真空度。 6 1、 压力的测量与变送 7 P表压 P负压（真空） P绝压 P绝压 大气压力线 大气压、表压、绝压、负压（真空）之间的关系图 标准大气压=760毫米汞柱 =1.013105帕斯卡 =10.336米水柱。 1、 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

5、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；通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。 8 1、 压力的测量与变送 目前，工业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

6、的位 移，能过转换位置，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。 9 1、 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）、示数装置（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 。 10 1、 压力的测量与变送 11 弹簧管压力表 1、弹簧管 2拉杆 3、扇

7、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 a b 1、 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要随即减小，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

8、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/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。 12 1、 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挺 直的扩张形变，自由端产生微小位移。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

9、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。 压力表在测量高于60的介质时，为防止弹性元件受 介质温度的影响而改变性能，一般应在压力表前加装冷凝 弯管。 13 1、 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

10、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。 14 1、 压力的测量与变送 15 1、 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

11、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。 16 1、 压力的测量与变送 17 基础 振子 引伸张力 硅膜片 过程压力 变送器工作原理图 1、 压力的测量与变送 （4）电容式传感器 18 S S0S0 S2S1 图2-19膜片位移原理图 420 mA 放大电 路 原理：P变化 C差动电容 电流的变化 1、 压力的测量与变送 19 原 1、 压力的测量与变送 20 原 1、 压力的测量与变送 压力表的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质 的性质，现场环境条件等来考虑仪表的类型、量程和精度等级。并确 定是否需要带有远传、报警等附加

12、装置。这样才能达到经济、合理和 有效的目的。 1类型的选用 仪表类型的选用必须满足工业生产的要求。例 如是否需要远传变送、 自动记录或报警；被测介质的物理化学性质 (如腐蚀性、温度高低、粘度大小、脏污程度、 易燃易爆等)是否对 仪表提出特殊要求；现场环境条件 (如高温、电磁场、振动等)对仪 表有否特殊要求等。 普通压力表的弹簧管材料多采用铜合金，高压的也有采用碳钢， 而氨用压力表的弹簧管材料都采用碳钢，不允许采用铜合金。因为氨 气对铜的腐蚀极强，所以普通压力表用于氨气压力测量很快就要损坏 。 氧气压力表与普通压力表在结构和材质上完全相同，只是氧用压 力表禁油。因为油进入氧气系统会引起爆炸。如果

13、必须采用现有的带 油污的压力表测量氧气压力时，使用前必须用四氯化碳反复清洗，认 真检查直到无油污为止。 21 1、 压力的测量与变送 2测量范围的确定 仪表的测量范围是根据被测压力的大小来确定的。对于弹性式压 力表，为保证弹性元件能在弹性变形的完全范围内可靠地工作，量程 的上限值应高于工艺生产中可能的最大压力值。在测量稳定压力时， 最大工作压力不应超过量程的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力 不超过量程的1/2； 测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的 3/5。 为了保证测量的准确度，所测的压力值不能太接近于仪表的下限 值 ，亦即仪表的量程不能选得太大，一般被测压力的最小值应不低 于量程

14、的1/3。 按上述要求算出后，实取稍大的相邻系列值，一般可在相应的产 品目录申查到。 3精度级的选取 仪表的精度主妥是根据生产上允许的最大测量误差来确定的。此 外，在满足工艺要求的前提下，还要考虑经济性，即尽可能选用精度 较低、价廉耐用的仪表。 22 2、 温度的测量与变送 在选用测温仪表解决现场测温问题时，首先要分析被测对象特点 及状态，然后根据现有温度计的特点及其技术指标确定选用的类型。 一般应考虑以下几个方面: 1仪表的可能测温范围及常用测温范围，是否符合被测对象的温 度变化范围的要求; 2仪表的精度、稳定性、响应时间是否适应测温要求; 3根据测量场所有无冲击、振动及电磁场，来考虑仪表的

15、防震、 防冲击、抗干扰性能是否良好; 4仪表输出信号能否自动记录和远传; 5仪表的防腐性、防爆性和连续使用期限，是否满足被测对象的 要求; 6电源电压、频率变化及环境温度变化对仪表示值的影响程度; 7测温元件的体积大小是否适当; 8仪表使用是否方便、安装维护是否容易。 23 2、 温度的测量与变送 温度是工业生产中既普遍而又十分重要的参 数之一。工业生产过程，大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，在很多生产过程中，温度的测量和控 制，常常是保证这些生产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。 24 2、 温度的测量与变送 温度测量仪表种类繁多，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