校本教材 應(yīng)用化工技術(shù) 化工儀表及自動化

專業(yè)名稱：應(yīng)用化工技術(shù)

年級：級

課程名稱：化工儀表及自動化

主編：卜雪峰

目錄

緒論......................................................................1

項(xiàng)目一檢測儀表基本知識...................................................3

項(xiàng)目二壓力檢測..........................................................10

任務(wù)1壓力單位及測壓儀表...............................................................10

任務(wù)2彈性式壓力計.....................................................................12

任務(wù)3電氣式壓力計.....................................................................13

任務(wù)4智能式變送器.....................................................................15

任務(wù)5壓力計的選用及安裝...............................................................16

任務(wù)6例題分析.........................................................................18

項(xiàng)目三流量檢測..........................................................19

任務(wù)1差壓式流量計.....................................................................20

任務(wù)2轉(zhuǎn)子流量計.......................................................................25

任務(wù)3漩渦流量計.......................................................................27

項(xiàng)目四物位檢測..........................................................28

任務(wù)1差壓式液位計.....................................................................28

任務(wù)2其他物位計.......................................................................30

項(xiàng)目五溫度檢測..........................................................32

任務(wù)1概述.............................................................................32

任務(wù)2熱電偶溫度計.....................................................................34

任務(wù)3熱電阻溫度計.....................................................................40

項(xiàng)目六顯示儀表..........................................................44

項(xiàng)目七自動控制系統(tǒng)......................................................47

任務(wù)1自動控制系統(tǒng)的組成..............................................................47

任務(wù)2自動控制系統(tǒng)的方塊圖............................................................49

任務(wù)3過渡過程和品質(zhì)指標(biāo)..............................................................52

項(xiàng)目八基本控制規(guī)律.......................................................54

任務(wù)1位式控制.........................................................................55

任務(wù)2比例控制.........................................................................56

任務(wù)3積分控制.........................................................................59

項(xiàng)目九自動控制儀表......................................................60

任務(wù)1控制儀表的作用與分類............................................................60

任務(wù)2模擬式控制儀表...................................................................61

項(xiàng)目十執(zhí)行器............................................................64

任務(wù)1氣動執(zhí)行器......................................................................64

任務(wù)2電動執(zhí)行器.......................................................................67

項(xiàng)目十一簡單控制系統(tǒng)....................................................68

任務(wù)1概述.............................................................................68

任務(wù)2被控變量的選擇..................................................................70

任務(wù)3操縱變量的選擇...................................................................70

任務(wù)4控制器控制規(guī)律的原則及參數(shù)整定..................................................71

項(xiàng)目十二復(fù)雜控制系統(tǒng)....................................................72

任務(wù)1串級控制系統(tǒng)....................................................................72

任務(wù)2其他復(fù)雜控制系統(tǒng).................................................................76

項(xiàng)目十三典型化工單元的控制方案..........................................78

任務(wù)1流體輸送設(shè)備的自動控制..........................................................78

任務(wù)2傳熱設(shè)備的自動控制...............................................................86

任務(wù)4化學(xué)反應(yīng)器的自動控制............................................................90

項(xiàng)目十四化工總控工國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)..........................................91

任務(wù)1化工總控工要求...................................................................91

一、基本概況.......................................................................91

二、基本要求.......................................................................92

任務(wù)2化工總控工考核題目..............................................................93

附錄.....................................................................106

附錄一伯鑄10-伯熱電偶分度表...............................................106

附錄二銀銘―康銅熱電偶分度表..............................................111

附錄三伯熱電阻分度表....................................................114

附錄四銅熱電阻分度表....................................................117

緒論

一、化工自動化的意義及目的

1.加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。

2.減輕勞動強(qiáng)度、改善勞動條件。

3.能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生或擴(kuò)大，達(dá)到延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備利用率、保障

人身安全的目的。

4.生產(chǎn)過程自動化的實(shí)現(xiàn)，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術(shù)水平，以適應(yīng)當(dāng)代信息技

術(shù)革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要。

二、化工自動化的發(fā)展情況

20世紀(jì)40年代以前，絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀況，操作工人根據(jù)反映主要參數(shù)的儀

表指示情況，用人工來改變操作條件，生產(chǎn)過程單憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。低效率，花費(fèi)龐大。20世紀(jì)50年

代到60年代，人們對化工生產(chǎn)各種單元操作進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，使得化工生產(chǎn)過程朝著大規(guī)模、

高效率、連續(xù)生產(chǎn)、綜合利用方向迅速發(fā)展。20世紀(jì)70年代以來，化工自動化技術(shù)水平得到了很

大的提高。20世紀(jì)70年代，計算機(jī)開始用于控制生產(chǎn)過程，出現(xiàn)了計算機(jī)控制系統(tǒng)。20世紀(jì)80年

代末至90年代，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。

三、化工儀表及自動化系統(tǒng)的分類

按功能不同，分四類：

檢測儀表（包括各種參數(shù)的測量和變送）

顯示儀表（包括模擬量顯示和數(shù)字量顯示）

控制儀表（包括氣動、電動控制儀表及數(shù)字式控制器）

執(zhí)行器（包括氣動、電動、液動等執(zhí)行器）

檢測儀表及

變送器顯

示

儀

表

工業(yè)生產(chǎn)過程

圖0-1各類儀表之間的關(guān)系

1.自動檢測系統(tǒng)

利用各種儀表對生產(chǎn)過程中主要工藝參數(shù)進(jìn)行測量、指示或記錄的部分。

作用：對過程信息的獲取與記錄作用。

I

敏感元件對被測變量作出響應(yīng),把它轉(zhuǎn)換為適合測量的物理量。

傳感器對檢測元件輸出的物理量信號作進(jìn)一步信號轉(zhuǎn)換

顯示儀表將檢測結(jié)果以指針位移、數(shù)字、圖像等形式,準(zhǔn)確地指示、記錄或儲存。

2.自動信號和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)

對某些關(guān)鍵性參數(shù)設(shè)有自動信號聯(lián)鎖保護(hù)裝置，是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。

自動信號聯(lián)鎖保護(hù)電路按主要構(gòu)成元件不同分類：有觸點(diǎn)式、無觸點(diǎn)式兩類。

3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)

自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行某種周期性操作。

自動開停車系統(tǒng)可以按照預(yù)先規(guī)定好的步驟,將生產(chǎn)過程自動地投入運(yùn)行或自動停車。

4.自動控制系統(tǒng)

對生產(chǎn)中某些關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行自動控制，使它們在受到外界干擾的影響而偏離正常狀態(tài)時，能自

動地調(diào)回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。

四、學(xué)習(xí)目標(biāo)：

通過本門課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)能了解主要工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量及物位）的檢測方法及其儀表

的工作原理及特點(diǎn)；

能根據(jù)工藝要求,正確地選用和使用常見的檢測儀表及控制儀表；

能了解化工自動化的初步知識,理解基本控制規(guī)律,懂得控制器參數(shù)是如何影響控制質(zhì)量的；

2

能根據(jù)工藝的需要,和自控設(shè)計人員共同討論和提出合理的自動控制方案；

能為自控設(shè)計提供正確的工藝條件和數(shù)據(jù)；

能在生產(chǎn)開停車過程中，初步掌握自動控制系統(tǒng)的投運(yùn)及控制器的參數(shù)整定;

能了解檢測技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展趨勢和最新發(fā)展動態(tài).

項(xiàng)目一檢測儀表基本知識

一、測量過程與測量誤差

測量是用實(shí)驗(yàn)的方法，求出某個量的大小。不如我們要測量一段導(dǎo)線的長度，就需要一把米尺與

它比試一下，看它有多長，即可得知該段導(dǎo)線的長度。

、—±測一般導(dǎo)線的長唐

Q=qV^^

接測量、

間接測量

測量實(shí)質(zhì)：是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比較的過程。

測量誤差：由儀表讀得的被測值（測量值）與被測參數(shù)的真實(shí)值之間的差距。

測量誤差按其產(chǎn)生原因的不同，可以分為三類：系統(tǒng)誤差、疏忽誤差、偶然誤差。

絕對誤差：

XI：儀表指示值xt：被測量的真值

由于真值無法得到

△=X-X。

x：被校表的讀數(shù)值，xO：標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)值

相對誤差：

A=A=』或忙出

入0玉）X，

二、檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)

3

1.測量儀表的準(zhǔn)確度（精確度）

兩大影響因素

-絕對誤差和儀表的標(biāo)尺范圍

說明：儀表的測量誤差可以用絕對誤差△來表示。但是，儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點(diǎn)

不相同。因此，常說的“絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大值A(chǔ)max。

1.指標(biāo)

相對百分誤差3

S=-----------------------------------X100%

標(biāo)尺上限值-標(biāo)尺下限值

允許誤差

K+儀表允許的最大絕對誤差值1①。/

允=標(biāo)尺上限值-標(biāo)尺下限值0

小結(jié)：儀表的6允越大，表示它的精確度越低：反之，儀表的8允越小，表示儀表的精確度越

高。將儀表的允許相對百分誤差去掉“土”號及“％”號，便可以用來確定儀表的精確度等級。目

前常用的精確度等級有0005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。

舉例：例1T某臺測溫儀表的測溫范圍為200~700℃,校驗(yàn)該表時得到的最大絕對誤差為±4℃,

試確定該儀表的相對百分誤差與準(zhǔn)確度等級。

解：該儀表的相對百分誤差為

+4

5=x100%=±0.8%

700-200

如果將該儀表的3去掉“土”號與“％”號，其數(shù)值為0.8。由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8

級儀表，同時，該儀表的誤差超過了0.5級儀表所允許的最大誤差，所以，這臺測溫儀表的精度等級

為1.0級。

儀表的準(zhǔn)確度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。準(zhǔn)確度等級數(shù)值越小，就表征該儀表

的準(zhǔn)確度等級越高，儀表的準(zhǔn)確度越高。工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表，其準(zhǔn)確度大多在0.5級以下。

儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標(biāo)志在儀表面板上。

注意：在工業(yè)上應(yīng)用時,對檢測儀表準(zhǔn)確度的要求,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)操作的實(shí)際情況和該參數(shù)對整個

工藝過程的影響程度所提供的誤差允許范圍來確定，這樣才能保證生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

4

2.檢測儀表的恒定度

變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對被測量在儀表全部測量范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程

（即被測參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時，被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線

之間的差值。

變差=太-中盤譽(yù)梏xioo%

標(biāo)尺上限值-標(biāo)尺下限值

儀表的變差不能超出儀表的允許誤差，否則應(yīng)及時檢修。

3.靈敏度與靈敏限

儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起這個位移的被測參數(shù)變化量的比值。即

。ba

S----

Ar

式中，S為儀表的靈敏度；Aa為指針的線位移或角位移；Ax為引起△a所需的被測參數(shù)變化

量。

儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數(shù)的最小變化量。通常儀表靈敏限的數(shù)值

應(yīng)不大于儀表允許絕對誤差的一半。

注意：上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，往往用分辨率表示。

4.反應(yīng)時間

反應(yīng)時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo)。反應(yīng)時間長，說明儀表需

要較長時間才能給出準(zhǔn)確的指示值，那就不宜用來測量變化頻繁的參數(shù)。

儀表反應(yīng)時間的長短，實(shí)際上反映了儀表動態(tài)特性的好壞。

5

儀表的反當(dāng)輸入信號突然變化一個數(shù)值后，輸出信號將由原始值

應(yīng)時間有逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值。

不同的表

示方法;儀表的輸出信號由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%

（95%）所用的時間，可用來表示反應(yīng)時間。

5.線性度

線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實(shí)際校準(zhǔn)曲線與理論直線的吻合程度。通常總

是希望測量儀表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。

磔

匕

爬

$<

0

3熹r1。%

式中，6f為線性度（又稱非線性誤差）；Afmax為校準(zhǔn)曲線對于理論直線的最大偏差（以儀表

示值的單位計算）。

6.重復(fù)性

重復(fù)性表示檢測儀表在被測參數(shù)按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得標(biāo)定特性曲線不一致

的程度。若標(biāo)定的特性曲線一致,重復(fù)性就好,重復(fù)性誤差就小。

X100%

儀表量程

6

H

K

那

$<

Z

uez

la

被測變量

圖1-3重復(fù)性示意圖

三、檢測系統(tǒng)中的常見信號類型

作用于檢測裝置輸入端的被測信號，通常要轉(zhuǎn)換成以下幾種便于傳輸和顯示的信號類型：

1.位移信號

2.壓力信號

3.電氣信號

4.光信號

四、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式

1.模擬信號

在時間上是連續(xù)變化的，即在任何瞬時都可以確定其數(shù)值的信號。

2.數(shù)字信號

數(shù)字信號是一種以離散形式出現(xiàn)的不連續(xù)信號，通常用二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”組合的代碼序列

來表示。

3.開關(guān)信號

用兩種狀態(tài)或用兩個數(shù)值范圍表示的不連續(xù)信號。

五、檢測儀表與測量方法的分類

1.檢測儀表的分類

①依據(jù)所測參數(shù)的不同，可分成壓力（包括差壓、負(fù)壓）檢測儀表、流量檢測儀表、物位（液位）

檢測儀表、溫度檢測儀表、物質(zhì)成分分析儀表及物性檢測儀表等。

②按表達(dá)示數(shù)的方式不同，可分成指示型、記錄型、訊號型、遠(yuǎn)傳指示型、累積型等。

③按精度等級及使用場合的不同，可分為實(shí)用儀表、范型儀表和標(biāo)準(zhǔn)儀表，分別使用在現(xiàn)場、實(shí)

驗(yàn)室和標(biāo)定室。

2.測量方法的分類

7

按照測量結(jié)果的獲得過程直接測量

間接測量

(1)直接測量

利用經(jīng)過標(biāo)定的儀表對被測參數(shù)進(jìn)行測量，直接從顯示結(jié)果獲得被測參數(shù)的具體數(shù)值的測量方

法。

根據(jù)被測參數(shù)獲得方式的不同，直接測量又有偏差法與平衡法(零位法)之分。

(2)間接測量

當(dāng)被測量不宜直接測量時，可以通過測量與被測量有關(guān)的幾個相關(guān)量后，再經(jīng)過計算來確定被測

量的大小。

六'化工檢測的發(fā)展趨勢

1.檢測技術(shù)的現(xiàn)代化

2.檢測儀表的集成化、數(shù)字化、智能化

3.軟測量技術(shù)和虛擬儀器

八、例題分析

1.某臺具有線性關(guān)系的溫度變送器,其測溫范圍為0?200℃,變送器的輸出為4?20mA。對這

臺溫度變送器進(jìn)行校驗(yàn),得到下列數(shù)據(jù)：

輸入信號標(biāo)準(zhǔn)溫度/℃050100150200

正行程讀數(shù)X正4812.0116.0120

輸出信號/mA

正行程讀數(shù)X反4.028.1012.1016.0920.01

試根據(jù)以上校驗(yàn)數(shù)據(jù)確定該儀表的變差、準(zhǔn)確度等級與線性度。

解:該題的解題步驟如下。

(1)根據(jù)儀表的輸出范圍確定在各溫度測試點(diǎn)的輸出標(biāo)準(zhǔn)值x標(biāo)。任一溫度值的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號

(mA)為

,溫度值(輸出上限值-輸出下限值)“

輸入上限值-輸入下限值

例如，當(dāng)溫度為5OC時，對應(yīng)的輸出應(yīng)為

50(20-4)

+4=8(/nA)

200-0

8

其余類推。

(2)算出各測試點(diǎn)正、反行程時的絕對誤差△正與△反，并算出正、反行程之差△變，分別填入

下表內(nèi)(計算A變時可不考慮符號,取正值)。

輸入信號/°C050100150200

正行程讀數(shù)X正4812.0116.0120

輸出信號/mA反行程讀數(shù)X反4.028.1012.1016.0920.01

標(biāo)準(zhǔn)值48121620

正行程△正000.010.010

絕對誤差/mA

反行程A反0.020.100.100.090.01

正反行程之差A(yù)變0.020.100.090.080.01

(3)由上表找出最大的絕對誤差△max，并計算最大的相對百分誤差6max。由上表可知

Amax=0.10(^)

繪皓xl00%=0.625%

去掉6max的“土”號及“％”號后，其數(shù)值為0.625,數(shù)值在0.5~1.0之間，由于該表的6max已

超過0.5級表所允許的6允,故該表的準(zhǔn)確度等級為1.0級。

(4)計算變差

^2^x100%=0.625%

20-4

由于該變差數(shù)值在1.0級表允許的誤差范圍內(nèi)，故不影響表的準(zhǔn)確度等級。注意若變差數(shù)值△變

max超過了絕對誤差A(yù)max,則應(yīng)以△變max來確定儀表的準(zhǔn)確度等級。

(5)由計算結(jié)果可知,非線性誤差的最大值A(chǔ)fmax-0.10,故線性度8f為

x100%=x100%=0.625%

儀表量程20-4

注意：在具體校驗(yàn)儀表時,為了可靠起見,應(yīng)適當(dāng)增加測試點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)次數(shù),本例題只是簡單列舉幾

個數(shù)據(jù)說明問題罷了。

2.某臺測溫儀表的測溫范圍為200?1000℃,工藝上要求測溫誤差不能大于土5℃,試確定應(yīng)選

儀表的準(zhǔn)確度等級。

解:工藝上允許的相對百分誤差為

±5

x100%=0.625%

1000-200

要求所選的儀表的相對百分誤差不能大于工藝上的6允，才能保證測溫誤差不大于±5℃,所以

所選儀表的準(zhǔn)確度等級應(yīng)為0.5級。當(dāng)然儀表的準(zhǔn)確度等級越高,能使測溫誤差越小,但為了不增加

投資費(fèi)用，不宜選過高準(zhǔn)確度的儀表。

9

項(xiàng)目—壓力檢:則

在化工生產(chǎn)中，壓力是指由氣體或液體均勻垂直地作用于單位面積上的力。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,

壓力往往是重要的操作參數(shù)之一。壓力的檢測與控制，對保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、

低消耗和安全是十分重要的。

任務(wù)1壓力單位及測壓儀表

一'壓力單位

壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力。

F

p=—S

式中，p表示壓力；R表示垂直作用力；S表示受力面積。

壓力的單位為帕斯卡，簡稱帕（Pa）

\Pa=1N/m2

lMPa=M06Pa

為了使大家了解國際單位制中的壓力單位（Pa或MPa）與過去的單位之間的關(guān)系，下面給出幾

種單位之間的換算關(guān)系表。

表2-1各種壓力單位換算表

壓力單位帕/Pa兆帕/工程大氣壓/物理大氣壓/汞柱/水柱/(磅/英寸2)/巴/bar

MPa（kgf7cm2）atmmmHgmH2O(lb/in2)

帕11X1061.0197X9.869X10-67.501X1.0197X1.450X10-41X10-5

10-510-310-4

兆帕IX106110.1979.8697.501X1.0197X1.450X10210

103102

工程大氣9.807X9.807X10.9678735.610.0014.220.9807

壓10410-2

物理大氣1.0133X0.101331.0332176010.3314.701.0133

壓105

汞柱1.3332X1.3332X1.3595XI.3158X10.01361.934X10-2I.3332X

10210-410-310-310-3

水柱9.806X9.806X0.10000.0967873.5511.4220.09806

10310-3

10

（磅/英寸6.895X6.895X0.070310.0680551.710.703110.06895

2）10310-3

巴1X1050.11.01970.9869750.110.19714.501

在壓力測量中，常有表壓、絕對壓力、負(fù)壓或真空度之分。

〃表壓二〃絕對壓力一P大氣壓力

圖2-1絕對壓力、表壓、負(fù)壓（真空度）的關(guān)系

當(dāng)被測壓力低于大氣壓力時，一般用負(fù)壓或真空度來表示。

，真空度=，大氣壓力-P絕對壓力

二、測壓儀表

測量壓力或真空度的儀表按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，分為四類。

1.液柱式壓力計

它根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進(jìn)行測量。

按其結(jié)構(gòu)形式的不同有U形管壓力計、單管壓力計等

優(yōu)點(diǎn)這類壓力計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便

缺點(diǎn)其精度受工作液的毛細(xì)管作用、密度及視差等因素的影響，測量范圍較窄，一般用來測量

較低壓力、真空度或壓力差。

2.彈性式壓力計

它是將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移進(jìn)行測量的。

3.電氣式壓力計

它是通過機(jī)械和電氣元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量（如電壓、電流、頻率等）來進(jìn)行測量的儀表。

4.活塞式壓力計

它是根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡祛碼的質(zhì)量來進(jìn)行測

量的。

優(yōu)點(diǎn)：測量精度很高，允許誤差可小到0.05%?0.02%。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較貴。

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任務(wù)2彈性式壓力計

定義：彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質(zhì)壓力的作用下，使彈性元件受壓

后產(chǎn)生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。

優(yōu)點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠、讀數(shù)清晰、牢固可靠、價格低廉、測量范圍寬以及有足夠的

精度等優(yōu)點(diǎn)。

可用來測量幾百帕到數(shù)千兆帕范圍內(nèi)的壓力。

一'彈性元件

彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。當(dāng)測壓范圍不同時，所用的彈性元件也不一樣。

圖2-2彈性元件示意圖

1—彈簧管；2—拉桿；3一扇形齒輪；4一中心齒輪;

5一指針；6一面板；7—游絲；8一調(diào)整螺絲;

9一接頭

彈簧壓

圖2-3彈簧管壓力表基本測量原理

單圈彈簧管是一根彎成270。圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自由端B封閉，另一端

固定在接頭9上。當(dāng)通入被測的壓力p后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下，將趨于圓形，而彎

成圓弧形的彈簧管也隨之產(chǎn)生擴(kuò)張變形。同時，使彈簧管的自由端B產(chǎn)生位移。輸入壓力p越大，

產(chǎn)生的變形也越大。由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比，所以只要測得B點(diǎn)的位移量，

就能反映壓力p的大小。

注意：彈簧管自由端B的位移量一般很小，直接顯示有困難，所以必須通過放大機(jī)構(gòu)才能指示

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出來。

警惕：在化工生產(chǎn)過程中，常需要把壓力控制在某一范圍內(nèi)，即當(dāng)壓力低于或高于給定范圍時,

就會破壞正常工藝條件，甚至可能發(fā)生危險。這時就應(yīng)采用帶有報警或控制觸點(diǎn)的壓力表。將普通

彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點(diǎn)信號壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時，及時發(fā)出信號,

以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)壓力的自動控制。

1、4-靜觸點(diǎn)；2-動觸點(diǎn)；3-綠燈；5-紅燈

任務(wù)3電氣式壓力計

定義：電氣式壓力計是一種能將壓力轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行傳輸及顯示的儀表。

<1.該儀表的測量范圍較廣，分別可測7X10-5Pa至5X102MPa的壓力，允許

誤差可至0.2%；

優(yōu)點(diǎn)，

2.由于可以遠(yuǎn)距離傳送信號，所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中可以實(shí)現(xiàn)壓力自

動控制和報警，并可與工業(yè)控制機(jī)聯(lián)用。

組成

圖2-5電氣式壓力計組成方框圖

一般由壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置所組成。常用的信號處理裝置有指示儀、記錄儀

以及控制器、微處理機(jī)等。

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一、應(yīng)變片壓力傳感器

應(yīng)變片式壓力傳感器利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成。電阻應(yīng)變片有金屬和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類，被測壓

力使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生壓縮(拉伸)應(yīng)變時，其阻值減小(增加)，再通過橋式電路獲

得相應(yīng)的毫伏級電勢輸出，并用毫伏計或其他記錄儀表顯示出被測壓力，從而組成應(yīng)變片式壓力計。

1一應(yīng)變筒；

2—外殼；

3—密封膜片。

(b)測量橋路

圖2-6應(yīng)變片壓力傳感器示意圖

二'壓阻式壓力傳感器

工作原理:壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)而構(gòu)成。

采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴(kuò)散一

組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內(nèi)。

當(dāng)壓力發(fā)生變化時，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻產(chǎn)生與被測壓力成比例的

變化，再由橋式電路獲得相應(yīng)的電壓輸出信號。

(b)結(jié)構(gòu)

圖3-12壓阻式壓力傳感器

1—基座；2—單晶硅片；3—導(dǎo)環(huán)；4—螺母;

5—密封墊圈；6一等效電阻

三、電容式壓力變送器

1.特點(diǎn)

精度高、工作可靠、頻率響應(yīng)高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單；便于實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字化;

可以測量壓力，稍加改變，還可以測量差壓、高度、速度、加速度等參數(shù)。

2.工作原理

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先將壓力的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后進(jìn)行測量。

1-中心感應(yīng)膜片（可

動電極）；

2-固定電極；

3-測量側(cè)；

4-隔離膜片

圖2-8電容式測量膜盒

任務(wù)4智能式變送器

智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎(chǔ)上增加微處理器電路而形成的智能

檢測儀表。

一'智能變送器的特點(diǎn)

①性能穩(wěn)定,可靠性好,測量精度高,基本誤差僅為±0.1%。

②量程范圍可達(dá)100：1,時間常數(shù)可在0?36s內(nèi)調(diào)整,有較寬的零點(diǎn)遷移范圍。

③具有溫度、靜壓的自動補(bǔ)償功能,在檢測溫度時,可對非線性進(jìn)行自動校正。

④具有數(shù)字、模擬兩種輸出方式,能夠?qū)崿F(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊,可以與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和上位計算機(jī)相連.

⑤可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，通過現(xiàn)場通訊器，使變送器具有自修正、自補(bǔ)償、自診斷及錯誤方式告警等多

種功能,簡化了調(diào)整、校準(zhǔn)與維護(hù)過程,使維護(hù)和使用都十分方便。

二'智能變送器的結(jié)構(gòu)原理

從整體上來看，由硬件和軟件兩大部分組成。

從電路結(jié)構(gòu)上來看,包括傳感器部件和電子部件兩部分。

舉例以美國費(fèi)希爾-羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為例介紹其工作原理。

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圖2-93051c型智能差壓變送器（4?20mA）方框圖

3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤及液晶顯示器。可以接在現(xiàn)場

變送器的信號端子上，就地設(shè)定或檢測，也可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的控制室中，接在某個變送器的信號線

上進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定及檢測。

三'實(shí)現(xiàn)的功能

1.組態(tài)

2.測量范圍的變更

3.變送器的校準(zhǔn)

4.自診斷

圖2-10手持通信器的連接示意圖

注意要對智能型差壓變送器每五年校驗(yàn)一次，智能型差壓變送器與手持通信器結(jié)合使用，可遠(yuǎn)

離生產(chǎn)現(xiàn)場，尤其是危險或不易到達(dá)的地方，給變送器的運(yùn)行和維護(hù)帶來了極大的方便。

任務(wù)5壓力計的選用及安裝

一、壓力計的選用

壓力計的選用應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)過程對壓力測量的要求，結(jié)合其他各方面的情況，加以全面的考

慮和具體的分析，一般考慮以下幾個問題。

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1.儀表類型的選用

2.儀表測量范圍的確定

3.儀表精度級的選取

二'壓力計的安裝

1.測壓點(diǎn)的選擇應(yīng)能反映被測壓力的真實(shí)大小。

①要選在被測介質(zhì)直線流動的管段部分，不要選在管路拐彎、分叉、死角或其他易形成漩渦的

地方。

②測量流動介質(zhì)的壓力時，應(yīng)使取壓點(diǎn)與流動方向垂直，取壓管內(nèi)端面與生產(chǎn)設(shè)備連接處的內(nèi)

壁應(yīng)保持平齊，不應(yīng)有凸出物或毛刺。

③測量液（氣）體壓力時，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道下（上）部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣（液）體。

2.導(dǎo)壓管鋪設(shè)

①導(dǎo)壓管粗細(xì)要合適，一般內(nèi)徑為6?10mm,長度應(yīng)盡可能短，最長不得超過50m,以減少壓

力指示的遲緩。如超過50m,應(yīng)選用能遠(yuǎn)距離傳送的壓力計。

②導(dǎo)壓管水平安裝時應(yīng)保證有1:10?1:20的傾斜度，以利于積存于其中之液體（或氣體）的

排出。

③當(dāng)被測介質(zhì)易冷凝或凍結(jié)時，必須加設(shè)保溫伴熱管線。

④取壓口到壓力計之間應(yīng)裝有切斷閥，以備檢修壓力計時使用。切斷閥應(yīng)裝設(shè)在靠近取壓口的

地方。

3.壓力計的安裝

①壓力計應(yīng)安裝在易觀察和檢修的地方。

②安裝地點(diǎn)應(yīng)力求避免振動和高溫影響。

③測量蒸汽壓力時，應(yīng)加裝凝液管，以防止高溫蒸汽直接與測壓元件接觸［圖3T7（a）］；對于

有腐蝕性介質(zhì)的壓力測量，應(yīng)加裝有中性介質(zhì)的隔離罐，右圖（b）表示了被測介質(zhì)密度P2大于和

小于隔離液密度P1的兩種情況。

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。1＜22時21＞夕2時

(a)測量蒸汽時(b)測量有腐蝕性介質(zhì)時

圖2-11壓力計安裝示意圖

1-壓力計；2-切斷閥門；

3-凝液管；4-取壓容器

④壓力計的連接處，應(yīng)根據(jù)被測壓力的高低和介質(zhì)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，作為密封墊片，以

防泄漏。

⑤當(dāng)被測壓力較小，而壓力計與取壓口又不在同一高度時，對由此高度而引起的測量誤差應(yīng)按

△p=±HPg進(jìn)行修正。式中H為高度差，P為導(dǎo)壓管中介質(zhì)的密度，g為重力加速度。

⑥為安全起見，測量高壓的壓力計除選用有通氣孔的外，安裝時表殼應(yīng)向墻壁或無人通過之處,

以防發(fā)生意外。

任務(wù)6例題分析

1.某臺往復(fù)式壓縮機(jī)的出口壓力范圍為25?28MPa,測量誤差不得大于IMPa。工藝上要求就地

觀察，并能高低限報警，試正確選用一臺壓力表，指出型號、精度與測量范圍。

解由于往復(fù)式壓縮機(jī)的出口壓力脈動較大，所以選擇儀表的上限值為

Px="maxX2=28X2=56MPa

根據(jù)就地觀察及能進(jìn)行高低限報警的要求，由本章附錄，可查得選用YXT50型電接點(diǎn)壓力表,

測量范圍為0?60MPa。

由于竺＞工故被測壓力的最小值不低于滿量程的1/3,這是允許的。另外，

603

根據(jù)測量誤差的要求，可算得允許誤差為

—xl00%=1.67%

60

18

所以，精度等級為1.5級的儀表完全可以滿足誤差要求。至此，可以確定，選擇的壓力表為YXT50

型電接點(diǎn)壓力表，測量范圍為0?60MPa,精度等級為1.5級。

2.如果某反應(yīng)器最大壓力為0.6MPa,允許最大絕對誤差為±0.02MPa?，F(xiàn)用一臺測量范圍為0?

1.6MPa,準(zhǔn)確度為1.5級的壓力表來進(jìn)行測量，問能否符合工藝上的誤差要求？若采用一臺測量范

圍為0?l.OMPa,準(zhǔn)確度為1.5級的壓力表，問能符合誤差要求嗎？試說明其理由。

解：對于測量范圍為。?1.6MPa,準(zhǔn)確度為1.5級的壓力表，允許的最大絕對誤差為

1.6X1.5%=0.024(MPa)

因?yàn)榇藬?shù)值超過了工藝上允許的最大絕對誤差數(shù)值,所以是不合格的。對于測量范圍為。?1.OMPa,

準(zhǔn)確度亦為1.5級的壓力表,允許的最大絕對誤差為

1.0X1.5%=0.015(MPa)

因?yàn)榇藬?shù)值小于工藝上允許的最大絕對誤差，故符合對測量準(zhǔn)確度的要求,可以采用。

該例說明了選一臺量程很大的儀表來測量很小的參數(shù)值是不適宜的。

項(xiàng)目三流量檢測

介質(zhì)流量是控制生產(chǎn)過程達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和安全生產(chǎn)以及進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算所必需的一個重要參數(shù)。

流量大?。簡挝粫r間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量的大小，即瞬時流量。

總量：在某一段時間內(nèi)流過管道的流體流量的總和，即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累計值。

質(zhì)量流量MM=Qp或。=絲

P

體積流量Q

如以t表示時間，則流量和總量之間的關(guān)系是

?？?￡。力，用總=]＞力

流量計:測量流體流量的儀表。

計量表:測量流體總量的儀表。

1.速度式流量計

以測量流體在管道內(nèi)的流速作為測量依據(jù)來計算流量的儀表。

2.容積式流量計

以單位時間內(nèi)所排出的流體的固定容積的數(shù)目作為測量依據(jù)來計算流量的儀表。

3.質(zhì)量流量計

以測量流體流過的質(zhì)量M為依據(jù)的流量計。質(zhì)量流量計分直接式和間接式兩種。

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任務(wù)1差壓式流量計

差壓式（也稱節(jié)流式）流量計是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓

力差而實(shí)現(xiàn)流量測量的。

通常是由能將被測流量轉(zhuǎn)換成壓差信號的節(jié)流裝置和能將此壓差轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的流量值顯示出來

的差壓計以及顯示儀表所組成。

一、節(jié)流現(xiàn)象與流量基本方程式

1.節(jié)流現(xiàn)象

流體在有節(jié)流裝置的管道中流動時，在節(jié)流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象

稱為節(jié)流現(xiàn)象。

節(jié)流裝置就是在管道中放置的一個局部收縮元件，應(yīng)用最廣泛的是孔板，其次是噴嘴、文丘里管。

注意：要準(zhǔn)確測量出截面1、n處的壓力有困難，因?yàn)楫a(chǎn)生最低靜壓力p2’的截面n的位置隨

著流速的不同會改變。因此是在孔板前后的管壁上選擇兩個固定的取壓點(diǎn)，來測量流體在節(jié)流裝置

前后的壓力變化。因而所測得的壓差與流量之間的關(guān)系，與測壓點(diǎn)及測壓方式的選擇是緊密相關(guān)的。

2.節(jié)流基本方程式

流量基本方程式是闡明流量與壓差之間定量關(guān)系的基本流量公式。它是根據(jù)流體力學(xué)中的伯努

利方程和流體連續(xù)性方程式推導(dǎo)而得的。

Q=a竭2ApM=a叫力2Pldp

可以看出要知道流量與壓差的確切關(guān)系，關(guān)鍵在于a的取值。流量與壓力差A(yù)P的平方根成

正比。

二、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置

國內(nèi)外把最常用的節(jié)流裝置、孔板、噴嘴、文丘里管等標(biāo)準(zhǔn)化，并稱為“標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置

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采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置進(jìn)行設(shè)計計算時都有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、要求和計算所需要的通用化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

資料。

1.節(jié)流裝置的選用

①在加工制造和安裝方面，以孔板為最簡單，噴嘴次之，文丘里管最復(fù)雜。造價高低也與此相對應(yīng)。

實(shí)際上，在一般場合下,以采用孔板為最多。

②當(dāng)要求壓力損失較小時,可采用噴嘴、文丘里管等。

③在測量某些易使節(jié)流裝置腐蝕、沾污、磨損、變形的介質(zhì)流量時,采用噴嘴較采用孔板為好。

④在流量值與壓差值都相同的條件下,使用噴嘴有較高的測量精度，而且所需的直管長度也較短。

⑤如被測介質(zhì)是高溫、高壓的，