过程参数检测及仪表复习资料(华电 热能专业)

华北电力大学过程参数检测及仪表 B 热能与动力工程专业专业小抄笔记

测量过程有三要素：一是测量单位；二是测量方法；三是测量工具。测量的定义：测量是利用某种工具并以实验或计算的方法获取被测参数数值的过程。绝对误差：仪表的测量值和真实值之间的代数差。示值误差：示值误差是指仪表的某一个测量值（示值）的误差，它反映在该点仪表示值的准确性。基本误差：在规定的正常工作条件下，仪表整个量程范围内各点示值误差中绝对值最大的误差称为仪表的基本误差。允许误差：按计量部门的规定，仪表厂家保证某一类仪表的基本误差不超过某个规定的数值，此数值就被称为仪表的允许误差（容许误差）注意: 允许误差是一种极限误差，在仪表刻度范围内各点的示值误差均应保证小于至多等于允许误差值。测量误差的来源有三个方面：测量仪器的精度，观测者技术水平，外界条件的影响。该三个方面条件相同的观测称为等精度测量。精确度等级:以引用误差（γa）的形式表示的允许误差去掉百分号剩下的数值就称为仪表的精确度等级（或准确度等级），俗称精度级。仪表的灵敏度：仪表的灵敏度是指其输出信号的变化值与对应的输入信号变化值的比值。线性度反映仪表的输入一输出特性曲线与选用的对比直线之间的偏离程度。线性度又称为非线性误差。输入量上升和下降时，同一输入量相应的两输出量平均值之间的最大偏差与量程之比的百分数称为仪表的回差。产生的原因：它通常是由于仪表运动系统的摩擦、间隙、弹性元件的弹性滞后等原因造成的。重复性：同一工作条件下，按同一方向输入信号，并在全量程范围内多次变换信号时，对应同一输入值，仪表输出值的一致性成为重复性。仪表的可靠性：保险期：仪表使用后能有效地完成规定任务的期限，超过了这一期限可靠性就逐渐降低。有效性：仪表在规定时间内能正常工作的概率。概率的大小取决于系统故障率的高低、发现故障的快慢和故障修复时间的长短。狭义可靠性：由结构可靠性和性能可靠性两部分组成。前者指仪表在工作时不出故障的概率，后者指仪表能满足原定要求的概率。定量描述检测仪表可靠性的度量指标有可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均故障修复时间等。仪表的检定方法：（l）标准物质检定法：标准物质是指能提供某一种参数的标准量值的物质。用被检定仪表去测标准物质提供的标准量以确定其性能的方法就称为标准物质检定法。（2）示值比较检定法:这种方法是用标准表对被检定仪表进行检定。被检表和标准表同时测同一被测量，把标准表的示值当成真值（约定真值），比较二者的示值以确定被检仪表有关性能指标，这就是示值比较检定法。

粗大误差：明显歪曲结果，使测量值无效的误差原因：测量者主观过失，操作错误，测量系统突发故障处理方法：剔除坏值随机误差：在相同条件下对同一被测量进行多次重复测量，误差的大小和符号的变化没有一定规律、且不可预知。特点：单次测量值误差的大小和正负不确定；但对一系列重复测量，误差的分布有规律：服从统计规律随机误差与系统误差之间即有区别又有联系；二者无绝对界限，一定条件可相互转化。系统误差：同一被测量多次测量，误差的绝对值和符号保持不变，或按某种确定规律变化。特点: 增加测量次数不能减小该误差原因：仪表本身原因，使用不当，测量环境发生大的改变处理方法：校正——求得与误差数值相等、符号相反的校正值，加上测量值随机误差热电偶测温特点：热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。

热电偶由两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成。A、B是热偶丝，也叫热电极。

放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。理论和实践都证实，热电现象中产生的热电势是由接触电

势和温差电势两种电势的综合效果。

（1）热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。（2）如果保持热电偶冷端温度t0恒定不变，对一定材料的热电偶，其eAB（t0）亦为常数，设为C，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关，若测得EAB(t,t0) 值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即EAB(t,t0)=fAB(t) –C

热电偶的基本定律：1、均质导体定律：该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势2、中间导体定律：该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。3、中间温度定律：热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和，即EAB（t1，t3）＝EAB（t1，t2）＋EAB（t2，t3）

标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶。

非标准化热电偶是为适应更高或更低的温度以及特殊的介质气氛而出现的,它们没有统一的国家标准和统一的分度号。它们是标准化热电偶的补充。

对热电偶冷端温度进行处理的原因：热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。

手动电位差计：工作电流回路工作电力标准化回路测量回路三步调零：机械调零工作电流标准化测量调零Ux-IsRab=I∑R 影响电位差计准确性测量的关键是工作电流值和电阻值Rab的准确度以及测量装置的灵敏度

常用的热电偶冷端温度处理办法：1、计算修正法2、仪表机械零点调整法3、恒温法：恒温法分为冰点槽法和恒温箱法4、补偿电桥法（冷端补偿器）：补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。5、补偿导线法。热电偶测温的误差分析（1）热电偶的分度误差（2）热电偶冷端温度补偿误差3）显示仪表误差（4）总误差

热电偶的校验：一种是定点法，就是在国际温标规定的定点温度下进行校验。这种方法的特点是精确度高，但设备复杂、校验点数少，而且校验操作复杂。该方法只用于对高精确度的铂铑一铂热电偶的校验。另一种是比较法，它是广泛采用的方法，可用于实验室和工业用热电偶的校验。

热电阻测温特点:准确度高；在中低温下（500℃以下）测温, 它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。组成:由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘套管和保护套管等主要部件组成。原理：根据金属导体或半导体的电阻随温度变化而改变的性质而工作的。热电阻的误差分析（1）动态误差（2）连线电阻变化引起测量误差（3）热电阻通电发热引起误差（4）机械力带来的误差（5）氧化带来的误差(6) 淬火效应的误差

非接触式测温仪表是利用物体的辐射能随其温度变化的原理而制成的。

光学高温计基本原理：由普朗克定律知道，物体的光谱辐射出射率Mλ与温度有关，而物体在高温下会发光，称亮度，因亮度Lλ与光谱辐射出射率Mλ成正比，故通过测物体亮度Lλ可求物体的温度。Lλ=cMλ=cελ M0 λ亮度温度T s：当物体在辐射波长为λ，温度为时T，其光谱辐射亮度Lλ和黑体在辐射波长为λ，温度为T s时的光谱辐射亮度L0λ相等，则把T s

称为这个物体在波长 下的亮度温度。灰色吸收玻璃的作用：加入吸收玻璃，在14000C以上时，可减弱热源进入仪表的亮度后，再和灯丝比较，加大光学高温计的测量范围。红色滤光片的作用：造成单色光造成窄的光谱段，使其在波长范围0.6-0.7μm内进行亮度比较。影响光学高温计测量精确度的因素1）发射率ελ的影响2）中间介质的影响

光电高温计由光学系统与测量、放大显示两大部分组成。

辐射高温计原理：物体的辐射出射度与其温度的关系为M =εσT4对确定的物体，可近似认为其发射率ε为定值，那么M与T将呈单值对应关系，测出辐射出射度M与其发射率ε即可知其温度。辐射高温计能连续自动测温。组成：辐射高温计由辐射传感器和显示仪表组成，辐射传感器又由光学系统与辐射变换器两部分构成。若温度为T的物体的辐射出射度与全辐射体在温度T0下的辐射出射度相等，则把全辐射体的温度Tp称为该物体的辐射温度辐射温度低于被测物体的实际温度影响辐射高温计测量精确度的主要因素如下：1）发射率ε的影响2）热电堆冷端温度的影响3）距离系数L／D的影响

比色高温计原理：根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度。温度为T的物体在波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值，与温度为Tc的全辐射体在同样的波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值如果相等，则把全辐射体的温度称为该物体的比色温度。特点:它的测量准确度高，中间介质的影响小，可在恶劣环境下工作。红外测温仪依据的是光谱辐射原理，以被测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关系而制成的仪器。由光学系统、红外探测器、信号处理放大部分及显示仪表和其他附属部分（包括目标瞄准器、供电电源与整体机械结构）等部分组成。

按压力表的工作原理可分为：液柱式压力计、弹性式压力计、物性式压力计、活塞式压力计等。按压力表的功能可分为；指示式压力表、压力变送器。

液柱式压力计工作原理：液柱式压力计是利用一定高度的液柱所产生的压力平衡被测压力，而用相应的液柱高度去显示被测压力的。有U形管压力计、单管压力计、多管压力计、斜管微压计、补偿式微压计、差动式微压计、钟罩式压力计、水银气压计等。

U形管压力计组成有三部分：U形的玻璃管、标尺及管内的工作液体(称为封液)。

单管压力计是由一个宽容器(杯形容器)、一支肘管、标尺、封液等构成的。

电容式压力(压差)变送器基本工作原理：将激励电压加于电容器，产生的交变电流经整流、控制、放大，输出4—20mA直流电流特点：它具有精确度高，性能稳定，单向过载保护性能好，调整方便，体积小，重量轻等一系列优点。应用：使用在电力、石油、化工等各领域的生产过程中。在火力发电厂使用1151电容式压力(差压)变送器几乎有一种替代其他种类压力(差压)变送器的趋势。组成：变送器由两部分组成：差动式压力(差压)—电容转换和测量电路。为什么采用差动平板电容：为提高灵敏度和改善非线性，采用差动形式

应变式压力变送器原理：利用金属应变片或半导体应变片将测压弹性元件的应变转换成电阻变化。应变式压力变送器的型式组成：两部分，感压弹性元件，应变片。也可将二者结合成一体。测量电路的工作：将应变片电阻的变化转换成电流或电压输出是由测量电路完成的。常用压力仪表的准确度有1.0级、1.6级、2.5级、4.0级等四个级别。

流量测量按不同的测量原理，流量仪表可分为容积式、速度式和质量式三类按测量对象分为封闭管道流量计和明渠流量计两类。流量计特性曲线是描述随流量变化流量计性能变化的曲线，主要有两种不同的表示形式：一种是表示流量计的某种特性（通常是流量系数或仪表系数，也有的是某一与流量有关的输出量）与流量q或雷诺数Re的关系；另一种是表示流量计测量误差随流量q或雷诺数Re变化的关系，这种特性曲线一般称为流量计的误差特性曲线。量程比：在保证仪器准确度的条件下可测的最大流量与最小流量的比值

流量系数表示通过流量计的实际流量与理论流量的比值，一般是通过实验确定。仪表系数表

示通过流量计的单位体积流量所对应的信号脉冲数。重复性表示用该流量计连续多次测量同一流量时给出相同结果的能力线性度是表示在整个流量范围上的特性曲线偏离最佳拟合直线的程度。流体流经节流元件时，因为节流元件很短，其与外界的热交换及摩擦生热均可忽略，所以该过程可近似认为是等熵的。容积式流量计工作原理：如果使流体以固定的、已知大小的体积V逐次从流量计中排放流出，则计数单位时间内排放次数就可以求得通过仪器的体积流量。这就是容积法的工作原理：q v＝nV测量特点1 适用于小口径流量和高粘度流体流量的测量。2 惯性较大，动态特性不好（仪表有可动部分）3 存在漏油量，有测量误差，小流量不精确。速度式流量计分类：涡轮式，电磁式，超声波式，热式和差压式。涡轮流量计工作原理：（1）在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动涡轮旋转，涡轮的转速与流速成正比。（2）涡轮转动时，涡轮上导磁的叶片顺次接近管壁上的线圈，改变线圈磁回路的磁阻，使线圈磁通量发生变化，产生与流量成正比的脉冲信号。（3）将此脉冲转换成电流信号给出瞬时流量信号，同时累积得到累计流量。这种将转速转换成脉冲信号的方法叫磁阻法。

涡街流量计工作原理：漩涡流量计是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。卡门涡街：在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体(加三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。检测方法：热检法、差压法特点：频率只与流速有关，在一定雷诺数范围内，不受流体性质（压力、温度、粘度和密度等）的影响，故可不需单独标定。（2）测量精度高，误差约为1级，重复性约±0.5级，不存在零点漂移的问题。（3）压力损失小，流量测量范围宽。涡街流量计特别适于大口径管道的流量测量。超声波流量计工作原理：超声波脉冲在流体中向上游流和向下游的传播速度不同（叠加了流体流速），故可根据超生波向上、下游传播速度之差测得流体的流速。测速度之差法：时差法(测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差)、相差法(测量超声波在顺、逆流中传播的相位差) 频差法（是目前常用的测量方法）。差压式流量测量工作原理：伯努利定律，通过测量流体流动过程中产生的差压来测量流速或流量。种类：毕托管、均速管、节流变压降流量计毕托管：1）对毕托管部件尺寸有要求；2）测量时必须将毕托管固定，3）毕托管探头的轴线必须与管道中心轴线平行，4）前后要有足够长的直管段特点怎样测平均流速(1)毕托管只能测管道某一点的流速，并不是平均流速。(2)在层流中，平均流速从管壁算起为y=0.2929R处(3)紊流由于截面的流速与雷诺数有关，故用实验法在截面上取若干个测点处,确定平均流速. 节流式流量计工作原理：在管道中放置一节流元件，流体流经节流元件时发生节流，在节流元件的前后两侧产生压力差（差压）。当流体、工况、管道、节流件、差压取出方式一定时，管道流量与差压有确定的关系。因此可通过测量差压来测量流量。节流式流量计也称为变压降式流量计。分类：节流式流量计有标准化和非标准化两类。非标准化流量计是非通用仪表，即安装在生产过程中使用着的节流式流量计仅适用于该地的情况和工况。因此节流式流量计是根据要求具体设计、安装、使用的。节流式流量计的测量系统由节流装置、差压计或差压变送器、二次显示仪表（动圈表、自动电位差计）等组成。标准节流装置由三部分组成：节流件、取压装置、测量直管段（节流件前10D，后5D）。定义：按照国际标准和国家标准规定的技术条件设计定制使用的节流装置取压装置：角接取压分为环室取压和单独钻孔取压, 上、下侧压力在节流件前后端面处取出。法兰取压装置上、下侧压力在连接法兰上距节流件前后端面25.4mm处取出。径距取压上、下侧压力在测量管段上距节流件前端面Ｄ和后Ｄ处取出。节流变压降流量计作原理：1)在管道内装入节流件，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差．2) 在节流件一定；流体状态一定；管道工况一定；取压方式一定的条件下，管道流量与节流差压流量计的差压信号有确定的关系。3）因此可通过测

量差压来测流量。常用的节流装置：标准孔板、喷嘴、文丘里管，1/4圆喷嘴等。。3 节流变压降流量计的显示：显示仪表为差压计，不过按流量刻度标准节流装置的管道条件：要求在节流件前2~4D处的管道截面上已基本形成典型的紊流速度分布，节流件下游的阻力件不影响流速的正常恢复。测量液位的方法1.浮力式2.静压式3.电气式4.声波式

根据锅炉汽包水位测量的重要性和测量技术的特点，锅炉汽包水位测量系统至少应满足下列基本要求：(1)准确性好。(2)可靠性高(3)维护性好

汽包水位沿其长度方向常常是不一致的，甚至会有很大偏差，其原因有以下几方面：1、汽包安装条件的影响2、下降管的影响3、燃烧偏差的影响

云母水位计：由于汽包内汽水界面不像一般储水容器中那样分明，所以汽包水位的测量目前都是测量汽包内的重量水位。工作原理：此时，在汽包水位测量基准线开一导压口所引出的压力与假想运行状态时在该导压口处引出的压力是相同的,所引出压力的变化代表了水位的变化。重量水位，即假想某一瞬时汽包出口与入口都封闭起来，汽侧中的水回到水一侧，水侧中的汽回到汽一侧，而且汽、水平静下来时的水位。由于云母水位计温度低于汽包内温度，因此云母水位计的示值水柱高度低于汽包重量水位高度误差原因：云母水位计中的水的平均密度ρav不等于汽包内饱和水的密度时ρw，使得液位计显示的液位不同于容器中的液位，影响因素主要在于：由于液位计中与被测容器中的液温有差别，另外与锅炉汽包压力的变化有关．减小误差措施：常采用保温、加热、校正等手段．云母水位计的特点：最大优点：直接反映汽包水位，直观，可靠，缺点：但只能就地监视，并且液位显示不够清晰双色水位计工作原理：改进了云母水位计结构，辅以光学系统，利用光从空气进入蒸汽或水产生不同的折射，使汽水分界面显示成红、绿两色的分界面，显示清晰，并有利于用工业电视等方式远传显示。具体方法：当红绿光以不同的角度进入到蒸汽空间，由于蒸汽与空气的光学性质相近，所以折射小，红光通过到影屏上显示，绿光不被显示。当红绿光以不同的角度进入到水空间，由于水棱镜的折射作用，绿光通过到影屏上显示，红光不被显示。结论：水位计中汽柱呈红色，水柱呈绿色。电接点水位计工作原理：电接点水位计使利用汽包内汽、水介质的电阻率相差极大的性质来测量汽包水位。电接点水位计由水位传感器和电气显示仪表组成。水位传感器就是一个带有若干个电接点的连通容器，利用其中汽、水导电性能的差别：被水淹没的电接点所在电路处于低电阻(相当于开关闭合)，因此被水接通的电接点位置可表示水位．显示电接点已被导通(即水位位置)的方法很多，最简单的如灯泡亮，也有用带放大器的发光二极管等．特点：散热引起的误差比云母水位计小，但指示不连续，两电极间的距离就是仪表的不灵敏区。接点之间在高度上的间距不是均匀的，在正常水位附近要密一些。双室平衡容器特点:温度补偿给固定水柱增装了蒸汽保温室，使得固定水柱的温度达到了汽包内的汽水温度，因而消除了固定水柱非饱和状态时温度的影响。误差原因(1) 输出的信号差压与成负线性关系(压力不变时)。(2) 汽包压力变化时，输出仍受压力的影响(水位不变时)。(3) 不同水位时压力影响所产生的误差是不同的，在不变的情况下，汽包压力的变化所产生的输出误差为——————误差原因:汽包压力的变化校正原理通：过引入汽包压力信号进行一定的校正计算，从而消除压力对测量影响的一种补偿方法

差压水位计工作原理：利用平衡容器将水位转换成差压信号，通过测量差压来得到水位。水位—差压转换装置称为平衡容器，其结构形式如图所示，(a)为简单平衡容器，(b)为双室平衡容器，(c)为结构补偿式双室平衡容器。对图(a)中所示简单平衡容器，在图(b)所示的双室平衡容器中，给固定水柱增装了蒸汽保温室，使得固定水柱的温度达到了汽包内的汽水温度，因而消除了固定水柱非饱和状态时温度的影响。输出的信号差压与成负线性关系(压力不变时)。汽包压力变化时，输出仍受压力的影响(水位不变时)。不同水位时压力影响所产生的误差是不同的双差压平衡容器采用双差压平衡容器的差压式水位测量系统的优点是水位测量不再受汽包压力及环境温度等诸多因素影响。但是它有下列缺点：(1)平衡容器结构复

杂。(2)虽然不需要装设校正用压力变送器，但却要装设校正用差压变送器。差压变送器及其管路系统相对较复杂，测量可靠性差，容易产生附加误差。结构补偿式平衡容器并没有消除汽包压力对输出的影响。l 的长度是经过设计确定的，只要适当选择l的长度就可以在一定水位上使得压力的影响减小到最低程度。采用汽包水位的压力校正原理：差压水位的压力校正是指对简单平衡容器或双室平衡容器输出的差压信号，通过引入汽包压力信号进行一定的校正计算，从而消除压力对测量影响的一种补偿方法。

氧化锆氧量计组成：它由传感器（锆头）和变送显示器组成。特点：这种氧量计的传感器精确度高，可达到±0.2％。它不需要复杂的预处理，响应快（＜10s达到被测氧量90％），适用的烟气温度可高达1000℃，其变送显示器的精确度优于1.0级。复现性和稳定性高，输出信号为0～10mA和4～20mA，DC。显示可为模拟显示，亦可以为数字显示，且显示的功能多，能显示氧含量（％）、氧量信号（mA）、本底电势（mV）、锆头温度（oC）。锆头寿命为1～2年。应用：氧化锆氧量计广泛地应用在火力发电、采暖、炼油、化工、轻纺、水泥等工业领域内。

氧化锆氧量计的传感器对待测气样中氧量的测量就是利用了氧浓差电池的工作原理。由以上分析可知，要正确测量出待测气样中的含氧量（浓度），必须保证以下的条件：1、氧化锆传感器需要恒温或在计算电路中采取补偿措施，以消除传感器温度（池温）对测量的影响。氧化锆氧量计又分为恒温式和补偿式两种。2、氧化锆传感器要在一定高温下工作，以保证有足够高的灵敏度。3、保持参比气样的压力与待测气样的压力相等。4、保持参比气样和待测气样一定的流速，以保证测量的准确性。