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&&&&&&仪表原理&&&&&&一、概述&&&&&&（一）、自动化仪表的发展&&&&&&从工业自动化仪表的发展过程看，大体上经历了三个阶段。&&&&&&1、基地式仪表阶段：这是历史上首先发展起来的，大约是在20世纪30～40年代期间。这类仪表的优点是，简单、价廉、实用。但是，只适用于简单的控制系统，无法或不便于应用在复杂控制系统中。&&&&&&2、单元组合式仪表阶段：我国20世纪50年代以后发展起来的，它们与复杂控制系统的推广应用相适应。用单元组合式仪表，可以方便地组成简单与复杂的控制系统。这类仪表的广泛应用与系统结构的发展和需要是分不开的。单元组合仪表按其发展，可分为I、II、III型。&&&&&&3、以微处理器为基本组成部分的控制装置阶段：微处理器于20世纪70年代初出现，由于它灵活、可靠、价廉、迅速成为信息科学与技术的宠儿，被广泛应用于工业、国防、家庭等领域。&&&&&&以微处理器为基本组成部分的控制装置，主要沿着三条路发展。&&&&&&1）、分散型综合控制系统（总体分散控制装置）：这是20世纪70年代后期由仪表制造厂和计算机制造厂推出的新产品。作为最简单的形式，它是由各个基本控制站与数据总线构成。每个控制站可控制几个回路，相互间由数据总线传递信息，并可配置屏幕显示器操作站等。&&&&&&2）、可编程数字调节器：有些产品简称单回路调节器。它们采用微处理器为基本元件。控制规律采用数字运算。但它们的输入和输出与模拟式调节器相似，不须另加A／D与D／A插件。这类仪表的功能相当丰富。表现在：&&&&&&a、每台调节器可有多个输入，1～2个输出；&&&&&&b、有数十种控制规律（功能），用以实现复杂控制十分方便；&&&&&&c、编程容易，几乎不需要计算机软件方面的专门知识，就可学会操作；&&&&&&d、改变控制方案和算法非常容易，只要输入和输出变量不增加，就不需要调整外部接线。&&&&&&另一类以顺序控制为主的形式称为可编程逻辑控制器，也有很好的功能和广泛的应用。&&&&&&3）、微计算机系统：微计算机包括个人计算机（PC）、单片机、单板机等，有些本来是通用的，也可供过程控制之用。&&&&&&（二）、自动化仪表的分类&&&&&&自动化仪表能从几个主要方面加以分类。&&&&&&1、按仪表工作所需能源来分可分为三类；&&&&&&一类是气动仪表，它以干燥、清洁的压缩空气为能源，其压力大小一般为0.14MPa&&&&&&一类是电动仪表，一般其能源为220伏交流供电。或24伏直流供电；&&&&&&还有一类是以液压为工作能源的液动仪表。&&&&&&2、按组成结构分&&&&&&有基地式仪表、单元组合式仪表、组装式仪表和分散型综合控制系统等。&&&&&&1）、基地式仪表：基地式仪表是给定、测量、调节等机构全装在一个壳体内的仪表。它是专为某种被测参数在特定的测量范围内使用的仪表。它与单输入单输出的简单控制系统相适应。&&&&&&2）、单元组合式仪表：单元组合式仪表按照自动调节系统中各组成部分的功能和现场使用要求，分成若干个独立的单元。各单元之间用标准信号联系。在使用时再按一定的要求，将各单元组合在一起。单元组合仪表按工作能源又可分成气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。&&&&&&3）、组件组装式仪表：它是将集成电路和其它一些电子元件按照功能制成若干插件，根据需要选择不同的插件就能组成；自动调节或控制系统。&&&&&&4）、分散型综合控制系统：在控制技术（Contro1）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）、屏幕显示技术（CRT）等四“C”技术迅速发展的基础上研制成的一种新型控制系统。它的设计思想是分散控制、集中管理。&&&&&&3、按防爆能力分&&&&&&有普通型、隔爆型和安全火花型等类仪表。&&&&&&工业的迅猛发展，特别是石油化工企业对仪表的防爆能力日益重视，除气动仪表已应用在易燃、易爆场合外，电动仪表的设计者也考虑了各种防爆措施。现场仪表的防爆能力已成为仪表性能的重要指标。&&&&&&1）、普通型：凡是未采取防爆措施的仪表&&&&&&2）、隔爆型：只能应用在非危险场所。&&&&&&采取隔离措施以防止引燃引爆事故的仪表例如最普通的办法是采用足够厚的金属外壳，其连接处采用符合规定的螺纹。有的情况下对壳体的材质和壳内空间的尺寸也有规定。这样的仪表。当表内电路出现故障时，其破坏范围被限制在密闭的壳体内，不至于将周围易燃气体引燃。&&&&&&也有采用充入惰性气体或将电路浸在油中的办法隔离的。其用意是用惰性气体或油熄灭电火花，并帮助散热降温。同时，使周围易燃物与电路隔离。&&&&&&3）、安全火花型仪表：这类仪表采用低压直流小功率电源供电，并且对电路中的储能元件（例如电容、电感）严加限制，使电路在故障下所产生的火花微弱到不足以点燃周围的易燃气体。此外，危险区以外发生电路的混触，也有可靠的措施，使高电压大电流不能进入危险区。安全火花型仪表是电动仪表中防爆性能最好的一类。&&&&&&（三）、单元组合仪表的统一信号、分类和命名&&&&&&1、统一信号&&&&&&单元组台式仪表按其能源分为气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。气动单元组合仪表的能源为140kPa的干燥清洁的压缩空气，它的统一信号为20～100kPa。I型电动单元组合仪表的能源为交流220V，统一信号为直流0～10mA，II型单元组合仪表能源为直流24V，统一信号为直流4～20mA。&&&&&&2、分类&&&&&&单元组合式仪表可分为现场安装仪表和控制室安装仪表两大部分，共八大类。按仪表在系统中所起的不同作用，现场安装仪表可分为变送单元类和执行单元类；控制室内安装仪表又可分为调节单元类、转换单元类、运算单元类、显示单元类、给定单元类和辅助单元类等。各单元的作用和品种如下：&&&&&&1）、变送单元类：它将各种被测参数如温度、压力、流量、物位等物理量转换成相应的0～10mA DC、4～20mA DC或20～100kPa信号，并将其传送到显示、调节单元，以供指示、记录或控制。变送单元的主要品种有：温度变送器、压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器等。&&&&&&2）、转换单元类：转换单元是单元组合仪表与其它系列仪表之间联系的桥梁，它能将电压、频率等电信号转换成相应0～10mA DC、4～20mA DC或20～100kPa信号，实现与电动单元组合仪表标准信号之间的转换，如电动调节单元的输出需进行电—气转换才能驱动最常用的气动薄膜调节阀。&&&&&&这类产品有：直流毫伏转换器、频率转换器、气—电转换器、电—气转换器等。&&&&&&3）、调节单元类：它将来自变送单元的测量信号和给定信号进行比较，按其差值给出控制信号去控制执行器的动作，使测量值和给定值相等。调节单元的品种有比例、积分、微分调节器；比例、积分调节器；比例、微分调节器和比例调节器等。&&&&&&4）、运算单元类：它将各类仪表输出的标准统一信号进行加、减、乘、除、开方、平方等数学运算，以满足多参数复台测量、校正和调节的要求。运算单元的品种有加减器、乘除器和开方器等。&&&&&&5）、显示单元类：已将各种被测参数进行指示、记录、报警和积算等，供操作人员监视控制系统工况之用。显示单元副品种有：比例积算器、开方积算器、自动显示记录仪等。&&&&&&6）、给定单元类：提供被控参数的给定值送到调节单元，实现定值控制。给定单元的输出也可供给其它仪表作为参考基准值。其品种有恒流结定器、比值给定器和时间程序给定器等。&&&&&&7）、执行单元类：它接收调节器所输出的调节信号或手动控制信号，使阀门开大或关小，以达到调节的目的。这类产品有电动执行器和各种气动调节阀。&&&&&&8）、辅助单元类：辅助单元有操作器、阻尼器、限幅器、安全栅等。操作器用于手动操作。阻尼器用于压力或流量等信号的平滑阻尼。限幅器用于限制信号的上、下限范围。安全栅用于将危险场所与非危险场所隔开，起安全防爆作用。&&&&&&二、测量的基本知识&&&&&&在石油生产过程中，为了正确地指导生产操作，保证安全生产，保证产品质量和实现生产过程自动调节，需要对工艺生产中的压力、物位、流量、温度等参数进行自动测量。用来测量这些参数的仪表称为测量仪表。&&&&&&（一）、测量过程&&&&&&1、测量的概念&&&&&&测量是用实验的方法或专门的设备，将被测物理量与该参数的已知测量单位（标准量）进行比较，以求得二者比值，进而求得被测物理量的量值。被测量量值与测量单位的关系可用式（0-1）表示：&&&&&&g=A／UX&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（0-1）&&&&&&A----被测量&&&&&&UX-----测量单位&&&&&&g------比值&&&&&&比值与测量单位的大小有关。为了准确地表达被测量的测量值，在其比值结果上均须乘以测量单位，即&&&&&&A==g UX&&&&&&上式取近似相等是因为任何测量都必然存在误差。&&&&&&2、测量方法&&&&&&测量方法就是实现被测量与其单位比较的方法。对其参数的测量来说、测量方法的选择十分重要。若方法不当，即使有精密的测量仪表和设备，也往往不能得到理想的结果。&&&&&&测量方法从不同的角度出发，有不同的分类方法。&&&&&&（1）按测量方式分类&&&&&&1）、直接测量&&&&&&将被测量与标准量（测量单位）直接进行比较或用预先按标准标定好的仪器直接得出测量值的方法。例如，用尺子量长度，用温度计测体温等。&&&&&&2）、间接测量&&&&&&对几个与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过函数关系式求得被测量的结果。例如求矩形面积A＝L（长）×B（宽），只要将直接测得的L和B代入算式就可得到面积A的值。&&&&&&（2）按接触方式分类&&&&&&1）、接触式测量&&&&&&在测量过程中测量的敏感元件直接与被测介质接触，得到被测量结果的方法。例如水银温度计测量温度。此类方法一般精度较高，测量范围广，使用方便。&&&&&&2）、非接触式测量&&&&&&在测量过程中测量仪表的任何部分都不与被测介质接触就能得到测量结果的方法。例如光学、超声波、放射线等仪表。它不干扰被测对象，特别是在一些接触式测量方法不能胜任的场合，例如运动对象的参数测量、腐蚀性介质及危险场合下的参数测量等，使用非接触测量方法就更为方便、安全和准确。&&&&&&3、测量仪表&&&&&&测量仪表是进行测量的基本工具之一。&&&&&&由于石油加工参数种类繁多，生产条件各有不同。应用的各种测量仪表工作原理和结构也各有不同。但是，从测量仪表的组成来看，基本上是由检测环节、传送放大环节和显示环节三部分组成，各部分之间的关系如图0-1所示。&&&&&&检测环节直接感受被测量，并将它变换成适合于测量的信号，经传送放大环节对信号进行传送并最后由显示部分进行指示、记录。&&&&&&综上所述，测量仪表无论应用那一种原理，它们的共性在于被测参数都要经过一次或多次的信号能量形式变换，最后由指针的位移或数字形式显示出来。所以各种测量仪表的测量过程，实质上就是将被测参数信号能量形式一次或多次的不断变换和传送，并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变送和比较的工具。&&&&&&（二）、仪表的测量误差及性能指标&&&&&&1、测量误差&&&&&&所谓误差就是某一量值的给出值与客观真实值之差。测量的目的是希望能正确地反映被测参数的真实值。但是无论怎样努力（包括测量原理、方法、精确度等方面的努力），因在测量过程中始终存在着各种各样的影响因素，使得测量结果不可能绝对准确，而只能尽量接近真实值。测量值与真实值之间始终存在着一定差值，这一差值称为测量误差。一个测量结果，只有当知道它的测量误差或指明其误差范围时，这种测量结果才有意义。&&&&&&在测量过程中，测量误差按其产生的原因不同，可以分为三类。&&&&&&1）、系统误差&&&&&&在同一条件下，多次测量同一被测参数时，测量结果的误差大小与符号均保持不变或在条件变化时按某一确定规律变化的误差。它是由于测量过程中仪表使用不当或测量时外界条件变化等原因所引起的。&&&&&&必须指出，单纯地增加测量次数是无法减少系统误差对测量结果的影响的，但在找出产生误差的原因之后，便可通过对测量结果引入适当的修正值而加以消除。系统误差决定测量结果的准确性。&&&&&&2）、随机误差&&&&&&在相同条件下，对某一参数进行重复测量时，测量结果的误差大小与符号均不固定，且无一定规律的误差。产生随机误差的原因很复杂，是由许多微小变化的复杂因素共同作用的结果所致。&&&&&&对单次测量来说，随机误差是没有任何规律的、既不可预测，也无法控制，但对于一系列重复测量结果来说，它的分布服从统计规律。因此，可以取多次测量结果的算术平均值作为最终的测量结果，以算术平均值均方根误差的2～3倍作为随机误差的置信区间，相应的概率作为置信概率，可减小误差对测量结果的影响。随机误差决定测量结果的精密度。&&&&&&3）、疏忽误差&&&&&&测量结果显著偏离校测量的实际值所对应的误差。产生的主要原因是由于工作人员在读取或记录测量数据时的疏忽大意所造成的，带有这类误差的测量结果毫无意义，因此应加强责任感，细小工作，避免发生这类误差。&&&&&&2、仪表的性能指标&&&&&&仪表的性能指标是评价仪表性能好坏、质量优劣的主要依据，也是正确地选择仪表和使用仪表以进行准确测量所必需具备和了解的知识。若仪表选择和使用不当。即使选用性能好、质量高的仪表，也不能得到准确的测量结果。相反，如果选择、使用得当，用精度稍差的仪表往往也可以满足测量要求。因此，深入了解反映仪表性能的主要指标，根据要求正确地选择和使用仪表，对于测量工作者来说是十分重要的。&&&&&&仪表的性能指标很多，概括起来不外乎技术、经济及使用方面的指标。&&&&&&仪表技术方面的指标有：基本误差、精度等级、回差、灵敏度、反应时间等。&&&&&&仪表经济方面的指标有：功耗、价格、使用寿命等。&&&&&&仪表使用方面的指标有：操作维修是否方便、能否安全可靠运行以及抗干扰与防护能力的强弱、重量体积的大小、自动化程度的高低等。&&&&&&显然。上述性能指标的划分也是相对的。在未加说明的情况下，有关性能指标一般指仪表在规定的正常工作条件下而言。正常工作条件即电源电压、频率、温度、压力、湿度、振动、外界磁场、安装位置等等，应符合仪表出厂时的规定要求。&&&&&&下面对仪表的一些重要性能指标分别介绍如下：&&&&&&1、绝对误差和相对误差&&&&&&1）、绝对误差&&&&&&仪表的测量值与真实值之间的代数差，可表示为&&&&&&式中：a——绝对误差，&&&&&&x——被测参数的测量值；&&&&&&x。——被测参数的真实值。&&&&&&在工程上，要知道被测参数的真实值是困难的。一般采用标准表（精确度较高的仪表）的指标值作为测量的“真实值”。应注意绝对误差不是误差的绝对值。&&&&&&2）、相对误差&&&&&&测量值的绝对误差与其真实值之比百分数，即&&&&&&式中：r——相对误差；&&&&&&其它参数意义同式（0－2）。&&&&&&因为相对误差随被测量的变化而变化，故相对误差可反映测量值在某一点上的准确度，而不能全面反映仪表在整个测量范围内的准确度。事实上，仪表的准确度不仅与绝对误差有关，而且还与仪表的测量范围有关，工业上一般采用引用误差来衡量仪表的准确度。&&&&&&2、引用误差&&&&&&测量值的绝对误差与测量仪表的量程之比的百分数，即&&&&&&式中：q——引用误差，&&&&&&L——仪表的量程，即仪表测量范围的上限值L与下限值L之差。&&&&&&显然，具有相同绝对误差的两台仪表T，量程大的仪表引用误差较量程小的为低。&&&&&&通常在规定的工作条件下，当被测量平稳地增加或减少时，仪表测量范围内各点绝对误差取最大者Mmax与量程L之比的百分数称为该仪表的最大引用误差qmax即&&&&&&它是仪表基本误差的主要形式，常称为仪表的基本误差。它也是仪表的主要性能指标，可以比较确切地反映仪表的测量精度。&&&&&&3、精确度及其等级&&&&&&1）、精确度&&&&&&精确度（简称精度）是精密度和准确度的综合。表示正常使用条件下所得结果的可靠程度。一般用允许引用误差作为确定精度的尺度。&&&&&&允许引用误差q允（简称允许误差）是仪表出厂时所规定的引用误差的最大允许值。它是根据仪表的最大引用误差qmax与国家规定的精度等级综合后确定的，即&&&&&&允许误差去掉“±”号与“％”号，其数值即为仪表的精度&&&&&&2）、精度等级&&&&&&它是按国家统一规定的允许误差大小而划分的。某一级仪表的允许误差是指在正常情况下与国家规定这类仪表所允许具有的最大引用误差。例如；精度等级为1级的仪表，其允许误差为±1％，也就是说该仪表在测量范围内各点处的引用误差均不允许超过±1％。&&&&&&目前，我国规定生产的仪表精度等级有：0.005；0.02；0.05；0.1；0.2；0.25；0.4；0.5；1.0；1.5；2.5等。无论哪种仪表，凡用于同一等级的仪表均应满足它所规定的全部精度要求。&&&&&&4、回差（又称变差）&&&&&&在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程（被测参数由小到大和由大到小）测量时，所得仪表示值之间的差值，称为回差。回差的大小、一般用在同一被测参数数值下，正、反行程时仪表示值之间的最大差值与仪表量程之比的百分数表示。即&&&&&&造成回差的原因很多，例如传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件的弹性滞后的影响等；回差的大小反映了仪表的精密度，因此要求仪表的回差不能超出仪表精度等级所限定的允许误差。测量仪表的回差示意图见图0－2。&&&&&&5、灵敏度、灵敏限及分辨率&&&&&&1）、灵敏度&&&&&&它反映了仪表示值变化对被测参数变化的灵敏程度。它是指仪表到达稳态后，输出增量与输入增量之比，一般用仪表的输出变化量（例如指针的线位移或角位移）与引起此变化的输入（被测参数）变化量之比来表示，即&&&&&&测量仪表的灵敏度可以用增大放大系统（电子或机械）的放大倍数的方法来提高。仪表灵敏度高，仪表示值读数精度可以提高，但是必须指出，仪表的性能指标主要取决于仪表的基本误差，如果想单纯地通过提高灵敏度来达到更准确的测量是不合理的。相反灵敏度过高，会出现虚假现象，反而会使精确度降低，因此为防止虚假灵敏度，通常规定仪表标尺刻度上的最小分格值不能小于仪表允许的绝对误差值。&&&&&&2）、灵敏限&&&&&&它是指能引起仪表示值发生可见变化的被测参数的最小变化量。它代表了仪表的不灵敏区，主要由元件的惯性、摩擦阻力、传动间隙等所致。通常规定仪表的灵敏限不得大于仪表允许绝对误差的一半。&&&&&&3）、分辨率&&&&&&上述灵敏度和灵敏限的概念，一般适用于模拟式仪表。而在数字式仪表中，往往用分辨率来表示仪表灵敏度或灵敏限的大小。数字式仪表的分辨率是指仪表在最小量程上最末一位改变一个数字所表示的物理量。例如：七位数字式电压表，若在最小量程时满度值为1V，则该数字式电压表的分辨率为0.1uV。&&&&&&数字仪表能稳定显示的位数越多，则分辨率就越高。&&&&&&5、反应时间&&&&&&当用仪表对被测参数进行测量时，在该测参数变化以后。仪表指示值总要经过一段时间后才能准确地显示出来。反应时间就是用来表示测量仪表能不能尽快反应出被测参数变化的性能指标。反应时间大，说明仪表需较长时间才能给出准确的指示，这就不宜用来测量变化频繁的参数。因为在这种情况下，当仪表尚未准确显示出被测参数时，参数本身却早已改变了，使仪表始终显示不出被测参数瞬时值的真实情况，将会导致显著的动态误差。所以，仪表的反应时间长短，实际上是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。当输入信号突然（阶跃）变化一个数值时，仪表的输出（即指示值）从一个稳态变化到一个新的稳态需要一定的时间，可用仪表的输出由开始变化到达到新稳态值的63.2％所用的时间来表示反应时间，也有用变化到新稳态值的95％所用的时间来表示反应时间的。&&&&&&6、可靠性&&&&&&现代工业生产的自动化程度日益提高，仪表的任务不仅要提供检测数据，而且要以此为依据，直接参与生产过程的控制，因此仪表在生产过程中的地位越来越重要。仪表出现故障往往会导致严重的事故，为此必须加强仪表可靠性的研究?提高仪表的质量。&&&&&&衡量仪表可靠性的综合指标是有效率，其定义为：&&&&&&对使用者来说，当然希望平均无故障工作时间尽可能长，同时又希望平均修复时间尽可能短，即有效度的数值越接近于1，仪表工作就越可靠。&&&&&&三、压力检测仪表&&&&&&压力（包含差压和真空度）是工业生产中最重要的参数之一。它决定着生产过程能否正常进行，关系到设备和人身的安全等。另外，有些物理量如液位、流量、温度等常常是通过压力来间接进行检测的。&&&&&&（一）、压力的定义及单位&&&&&&工程上的压力与物理学上的压强具有相同的概念，即垂直作用在物体单位面积上的力称为压力。它的数值由两个因素决定，即受力面积和垂直作用力的大小。&&&&&&在国际单位制中其单位为牛顿／米2，即：帕斯卡，其表示的符号为：Pa，简称“帕”，帕这个单位很小，约为0.1mm水柱所产生的压力。Pa、kPa、MPa是法定的压力计量单位。在工程中常用单位还有工程大气压（kgf／cm2）、物理大气压（atm）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）、磅／英寸2（psi）、巴（bar）等，工程大气压（kgf／cm2）、物理大气压（atm）和巴（bar）压力等级基本相同。1巴≈1公斤力≈100KPa≈14.5psi，相当于10米水柱的压力。它们之间的常用换算见表3-1各压力单位间的换算。&&&&&&表3-1各压力单位间的换算&&&&&&常用压力压强单位换算表 &帕斯卡Pa（N／m2）千克力每平方厘米Kgf／cm2巴 bar毫巴 mbar标准大气压 atm托 torr英寸水柱 inH2O毫米汞柱 mmHg磅每平方英寸 PSI（lb／in2）Pa11.02×10-51×10-50.019.87×10-67.5×10-34.01×10-37.5×10-31.45×10-4Kgf／cm29.8×10410.98980.670.967735.56393735.5614.2bar1×1051.02110000.987750.06401750.0614.5mbar1001.02×10-30.00119.87×10-40.750.4010.751.45×10-2atm1013251.031.011013.25176040676014.7torr133.321.36×10-31.33×10-31.331.32×10-310.53511.93×10-2inH2O249.092.54×10-32.49×10-32.492.46×10-31.8711.873.61×10-2mmHg133.321.36×10-31.33×10-31.331.32×10-310.53511.93×10-2PSI68957.03×10-26.90×10-268.956.81×10-251.71527.651.7151&&&&&&为方便记忆，可以简化为如下规律：&&&&&&1.&1atm=0.1MPa=100KPa=1公斤=1bar=10米水柱＝14.5PSI&&&&&&2.&1KPa=0.01公斤=0.01bar=10mbar=7.5mmHg=0.3inHg=7.5torr=100mmH2O=4inH2O&&&&&&绝对压力的零线&&&&&&P表压&&&&&&大气压力线&&&&&&P绝压&&&&&&P绝压&&&&&&1&&&&&&1&&&&&&0&&&&&&0&&&&&&P负压·真空（二）、压力的分类&&&&&&图3-1各种压力间的关系&&&&&&在压力检测中，压力常分为表压、绝压、负压或真空度、差压或压差。绝对压力是液体、气体或蒸汽所处空间的全部压力和。表压和真空度是相对大气压力而言的，大气压力即地球表面空气柱重量所产生的压力。工业上所用的压力指示值常为表压，表压是当绝对压力高于大气压力时，绝对压力和大气压力之差；真空度是当绝对压力小于大气压力时，大气压力和绝对压力之差。差压力是任意两个压力相比较时的差值。它们之间的关系如图3-1各种压力间的关系。&&&&&&（三）、压力检测方法&&&&&&测量压力或真空度的仪表很多，按其转换原理的不同，大致可以分四大类：&&&&&&1、液柱式压力计&&&&&&液柱式压力计是依据流体动力学的原理，把被测压力转换成液柱高度的压力汁。它被广泛应用于表压和真空度的测量中。也可以测定两点的压力差。按其结构形式不同，有u型管压力计、单管压力计和斜管压力计等。这类压力计结构简单，使用方便，但其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围窄。&&&&&&2、弹性式压力计&&&&&&弹性式压力计是利用弹性元件受压后所产生的弹性变形的原理进行测量的。由于测量范围不同，所以弹性元件也不一样，例如弹簧管压力计、波纹管压力计及薄膜式压力计等。&&&&&&3、电气式压力计&&&&&&它是将被测的压力通过机械和电气元件转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表，如电容式、电感式、应变片式和霍尔片式等压力计。&&&&&&4、活塞式压力计&&&&&&它是特被测压力转换成活塞上所加平均砝码的重量来进行测量的，是一种精度较高的标准型压力计，允许误差可为0.05％～0.02％。常用于校验其它压力计。类别名称示意图测量范围Kgf／cm2输出特性最大最小薄膜式平薄膜0~10-10~103波纹膜0~10-50~10挠性膜0~10-70~1波纹管波纹管0~10-50~10弹簧管式单圈弹簧管0~10-30~104多圈弹簧管0~10-40~103&&&&&&在海洋采油工艺主要采用弹性变形测压力和电测法测量压力。用弹性变形测压法测量压力时，当被测压力作用于弹性元件时，弹性元件便产生相应的形变，根据形变的大小便可测出压力的大小。常用的弹性元件有三类：薄膜式、波纹管式和弹簧管式，其种类及性能如下表弹性元件种类及性能。&&&&&&（1）、压力表&&&&&&弹簧管式压力表是工业生产上应用广泛的一种测压仪表，并以单圈弹簧管的应用为最多。单圈弹簧管是弯成圆弧形的空心管管，如图1—3所示。它的截面积呈扁圆或椭圆形。椭圆形的长轴a与图面垂直和弹簧管中心袖O相干行。A为弹簧管的固定端，即被测压力的输入端；B为弹簧管的自由端。即位移输出端，r为弹簧管中心角初始角，△r为中心角的变化量；R和r分别为弹簧管弯曲圆弧的外半径和内半径，a和b为弹簧管椭圆截面的长半袖和短半袖。&&&&&&作为压力－位移转换元件的弹簧管，当它的固定端通入被测压力后，由于椭圆形截面在压力P的作用下将趋向圆形，其自由端就由B移到B’，如图1—3上虚线所示，弹簧管的中心角即减小△r。根据弹性变形的原理可知，中心角的相对变化值△r与被测压力P的关系可用下式表示：&&&&&&由式（1—2）可知，如要求P与△r／r成正比关系，必须使式中其余各参数均为定值。而中心角的变化量△r与中心角的初始值r成正比（一般取y＝270°），并随椭圆短半轴b的减小而增大。如果b＝a，则△r将等于零，即具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能作测压元件。此外，△r的数值还与弹性材料的性质、几何尺寸等因素有关。&&&&&&由以上可知，弹簧管受压后其形变位移和受力的大小具有比例关系。因此，生产中，我们大多采用弹簧管作为弹性元件来测压，经常使用单弹簧管和多弹簧管，以单弹簧管应用为最多。弹簧管压力表是工业生产上应用最为广泛的一种测压仪表。&&&&&&1）、弹簧管压力表的结构&&&&&&弹簧管压力表的结构如图1-4弹簧管压力表所示。压力表外观见图3-5。被测压力由接头9通入，迫使弹簧管1的自由端B向上方扩张。自由端B的弹性变形位移由拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转，从而在面板6的刻度尺上显示出被测压力P的数值。由于自由端的位移与被测压力之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。&&&&&&游丝7是用来克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙所产生的仪表变差的。改变调整螺钉8的位置（即改变机械传动的放大系数），可以实现压力表量程的调整。&&&&&&弹簧管的材料，因被测介质的性质、被测压力的高低而不同。但是，使用压力表时，必须注意被测介质的化学性质。例如，测量氨气压力必须采用不锈钢弹簧管，而不能采用铜质材料；测氧气压力时，则严禁沾有油脂，以确保安全生产。&&&&&&（四）、压力变送器&&&&&&变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。变送器的任务是把各种非电量的工艺参数（如压力、流量、温度、液位等）。变换成统一标准信号，然后根据系统的需要，传送到有关单元进行控制、显示或记录。&&&&&&变送单元根据被测参数的不同，可分为压力变送器、差压变送器、液位变送器和温度变送器等。&&&&&&压力变送器可分为测量表压的普通压力变送器和测量绝对压力的绝对压力变送器。&&&&&&1、电容式差压变送器&&&&&&电容式压力变送器是目前常用的一种变送器，它的精度高、使用方便、稳定性好。&&&&&&（1）、特点&&&&&&电容式差压变送器的敏感元件为差动电容式敏感元件。将差压的变化转换为电容量的变化。这个变化经变送部分运算放大后变送器输出与被测差压成线性的4～20mA直流信号。电容式差压变送器与其它差压变速器相比有下列优点；当测量膜盒一侧承受单向过载压力时。具有单向保护机构；在变送器中因没有杠杆系统，所以静压误差的问题比较容易解决，比较耐振耐冲击，使其可靠性、稳定性高。整个差压变送器的精度较高，允许误差不超过量程的±0.25％；电容式差压变送器是二线制变送器，供电电压为24VDC，当负载电阻过大达1650欧时，供电电压可提高到45VDC，在无负载时，变送器供电电压可降到12VDC，所以电容式差压、压力变送器被广泛用于生产过程中。由于是两线传输，即采用变送单元的供电电流作为信号，变送单元需要一定的静态工作电流，所以信号的下限不能选在0mA，根据国际电工委员会标准，电流信号的下限为4mA，即所谓的“活”零点。仪表零点为4mA比0mA安全，便于区分仪表是断电还是指示最小。&&&&&&两线制的优点是：&&&&&&1、二线制可以做到本安防爆，因此可应用于大部分需防爆的场合，但是只能用于传感器本身功耗小的情况。&&&&&&2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线，屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。&&&&&&3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；&&&&&&4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制；&&&&&&5、将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。&&&&&&6、在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件，有利于安全防雷防爆。&&&&&&7、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用。&&&&&&（2）、工作原理&&&&&&电容式差压变送器的原理方框图如图1—13所示。&&&&&&图1－13&变送器原理方框图&&&&&&它是由检测部分相传送部分组成，检测部分是将被测的差压经活动电极转换为静电容量变化。传送部分是将静电容的变化量经测量电路转换为电压，再经将电压转换成电流的运算放大器，输出与被测差压成线性的直流电流信号。&&&&&&1）、检测部分&&&&&&检测部分的工作原理如图1—14所示。&&&&&&图1－14检测部分结构原理图&&&&&&测量膜盒充以填充液（硅油），测量膜片（可动电极）和两边弧形固定电极分别形成电容C1和C2。被测的差压通过导压管进入变送器的正、负压室，分别加于左右两个隔离膜片上。通过硅油将压力传送到测量膜片上，在两边压力差的作用下，可左右移动0.1毫米的距离，从而使C1和C2的电容量不再相等。这一静电容量变化经引出线送往传送部分放大，转换为4～20mA DC信号输出。&&&&&&在正常输入差压作用下，浮动膜片基本上是不动的。当膜盒一侧承受单向过载压力时，浮动膜片产生位移。这样就使测量膜片的变形量减小、由于检测部分们核心体是随单向过载压力浮动的，因此。在承受单向压力时隔离膜片与基座波纹间挤出的充灌液被吸收，测量膜片不会紧贴到对面的球形固定电极上，而是隔离膜片紧贴在与其吻合的基座保护波纹上，因此，便能顶住外加压力，起到了过载保护的作用。&&&&&&下而我们讨论检测部分的静态特性。&&&&&&假设测量膜片在差压△P的作用下移动距离为△d，由于位移量很小，可近似认为△P与△d成比例变化，即&&&&&&△d＝K1△P&&&&&&式中&K1——比例系数。&&&&&&这样可动电极（测量膜片）与左、右固定极板间距离由原来的d0变为d0＋△d和d0－△d根据平行板电容公式，两个电容可分别写成：&&&&&&C1＝K2／（d0＋△d）&&&&&&&&&&&&&（1－6）&&&&&&C2＝K2／（d0－△d）&&&&&&&&&&&&&（1－7）&&&&&&式中K2是由电容器极板面积和介质介电常数决定的系数&&&&&&解式（1－6）、式（1－75）可得出差压△P与差动电容C1、C2的关系如下：&&&&&&式中K3＝K2／d0为一常数&&&&&&由上式可知，电容C1、C2与△P是成正比关系。因此传送部分的任务是将（C2一C1）与（C2十C1）的比值转换为电压或电流。&&&&&&2）、传送部分&&&&&&放大器是由运算放大器IC和晶体管组成的电流放大器；反馈部分是由电阻和电位器组成曲线性电阻网络。其电容式差压变送器的结构方框图如图1—15所示。&&&&&&图1－15电容式差压变送器的结构方框图&&&&&&当P1和P2分别引入正、负压室，两者之差即被测差压△P（△P＝P1－P2）使差动电容敏感元件中的电容C1的容量减小，电容C2的容量增加。由于差动电容敏感元件是由高频振荡器供电，因此两个电容量变化，被转换为电流变化，其中流过C1的电流为i1，流过C2的电流为i2。经相联整流（即解调）后输出两组信号，一组（i2－i1）称为差动信号，即为变送器检测部分的输出信号I1（I1=i2－i1）；另一组（i1+i2）称为共模信号Icm（Icm=i1+i2）。I1与反馈信号If进行比较。其差值经电流放大器放大成4～20mA DC输出。输出电流I0流过变送器负载R1，并通过反馈部分的电阻网络，转换成与I0成正比的直流电流信号If，反馈至电流放大器的输入端，从而保证了与Jf之间的线性关系。&&&&&&共模信号Icm反馈到两对标准电阻上，与基准源在这两对标准电阻上所产生的压降进行比较，作为振荡放大器的输入信号，以控制高额振荡器的供电电压，使得Icm保持不变，从而保证了I1与被测压差△P之间成单一的比例关系。&&&&&&2、其它压力检测仪表&&&&&&（1）应变片式压力变送器&&&&&&物体受压后会产生内应力和产生弹性变形，在弹性限度之内，内应力与变形率（即应变）成正比，因而可以通过测量物体应变来求物体所受的压力。应变片式压力变送器就是通过测量胶粘在弹性元件上或者与弹性元件制成一体的应变电阻值的大小来测量受压弹性元件的应变，从而测得弹性元件所感受的压力。&&&&&&1、应变片原理&&&&&&作为感压元件的应变片是由金属导体或半导体材料制成的电导体，它的电阻值及随压力所产生的应变而变化。半导体材料具有较大电阻率的变化率，原因在于它远比金属导体有显著的压电电阻效应。当在半导体（例如单晶硅）的晶体结构上加以压力，会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电结构，表现为它的电阻率ρ的变化，这一物理现象称为压电电阻效应，并且，根据半导体材料的情况和所加压力的方向，可使电阻串增加或减小。因此，应变片式压力传感器利用应变片作为转换元件，把被测压力P转换成应变片的电阻值变化，然后经桥式电路得到毫伏级电量输出结显示仪表。&&&&&&2、应变片式压力变送器&&&&&&压力传感器如图1－17所示。应变筒1的上端与外壳2固定在一起，它的下端与不锈钢密封膜片紧密接触。两片应变片r1和r2用特殊胶桔剂紧贴在应变筒的外壁。r1沿应变简的轴向贴放，作为测量片，r2沿径向贴放，作为温度补偿片。应变片与筒体间不应有相对滑动现象，并保持电气绝缘。当被测压力P作用于不锈钢膜片而使应变筒作轴向受压变形时，沿轴向贴放的应变片r1也将产生轴向压缩应变，应变量为ε1，于是r1的阻值变小，而沿径向贴放的应变片r2由于本身受到横向压缩将引起纵向拉伸应变，应变量为ε2，于是、阻值变大。但是由于ε2比ε1要小，故实际上r1的减小量将比r2的增加量要大。&&&&&&图l—17&压力传感器示意图&&&&&&1。应变筒：2。外壳，3一密封膜片&&&&&&图l—18&测量桥路&&&&&&r1和r2与另外两个定电阻r3与r4组成桥式电路如图1－18所示。当被测压力为零时r1＝r2、r3＝r4，电桥处于平衡状态、桥路输出电压ΔU＝0。当被测压力作用于不锈钢密封膜片时，r1将减小，r2将增大，电桥失去平衡、从而获得不平衡电压ΔU作为压力传感器的输出信号，这不平衡电压，通过显示仪、记录仪显示被测压力值。&&&&&&应变片压力传感器的测压范围同弹簧管压力表，有：0～1.0，0～1.6，直到0～25MPa，传感器的固有频率在25kHz以上。因此，具有较好的动态性能，适用于快速变化的压力测量。&&&&&&阻式压力传感器&&&&&&压阻式压力传感器是利用压阻效应的原理（半导体材料受压时电阻率发生变化）直接将压力转换为电信号。其工作原理如图l—19所示。在杯状单晶硅膜片的表面上，沿一定的晶轴方向扩散着一些长条形电阻。当硅膜片上下两侧出现压差时，膜片内部产生应力，使扩散电阻的阻值产生变化。阻值的变化与压力是成比例的。这里扩散电阻的变仍：与普通金属丝受力变形产生阻值变化是不一样的，而半导体扩散电阻在受到一定方向的应力作用时，材料内部品格之间的距离发生变化，禁带宽度及载流子之间的相互作用都发生变化，使载流子浓度和迁移率改变，导致半导体材料的电阻率ρ发生强烈的变化。其灵敏度约比金属应变电阻高100倍左右。&&&&&&为了减小半导体电阻随温度变化引起的误差，在硅膜片上常扩散四个阻值相等的电阻，以便接成桥式输出电路获得温度补偿。&&&&&&它的主要优点是具有精度高、工作可靠、结构简单、响应速度快。当被测介质对硅膜片有毒害时，使用隔离膜片，通过硅油将被测压力传递给测量元件，可测有腐蚀性介质。它不仅用来测量压力，相加改变，可以测差压、液位高度等。&&&&&&图1—31&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&&&&&&3、智能式压力变送器&&&&&&智能式压力变送器是在原变送器（如电容式）的基础上增加微处理器而形成的。由于对信号采用了数字化处理，所以这种变送器的功能很强，使用更方便。这里简单介绍一种典型产品，如图1—16所示。它的外形与普通变送器相同、安装接线也完全相同。&&&&&&图1－16&智能式压力变送器和遥控接口&&&&&&除具有普通压力变送器的功能之外。智能式压力变送器还具有如下特点。&&&&&&组态功能使得使用更加灵活方便。可以组态线性化、更换工程单位、增加阻尼（滤波）、程序调量程等功能。&&&&&&设有自动调零、自动调量程按钮。加入起始压力后将自动调零钮按下5秒钟，就可实现调零；加入满量程压力后按下自动调量程钮5秒钟就可实现调量程。&&&&&&为了调校组态方便，配有遥控接口（见图中左）。该接口可以挂在变送器（两线制）的两根信导线上（不分极性），利用键控相移技术（一种信号调制方法）将高频信号迭加到4～20mA信号上，从而实现与变送器的通信，同时不影响4～20mA信号的接收（由计算机高速采样时可能会有影响）。&&&&&&变送器内装有非易失性存储器（EEPROM），不需另装电池就可长期保存组态数据。&&&&&&具备自诊断功能，能自动检查变送器回路系统故障。&&&&&&（1）、电动压力变送器&&&&&&电动压力变送器是将一定范围的压力信号转换成标准电流或电压信号的压力仪表。目前，海洋采油生产中大多采用电容式压力变送器。电容式压力变送器的工作原理简单的说就是将弹性测压元件的位移转换成电容的变化，再经一定的转换电路输出标准电流或电压信号。目前，海洋采油平台上常用到的电动压力变送器的输出标准信号一般为4~20mA电流信号，4mA电流信号对应被测压力的低限，20mA电流信号对应被测压力的高限，被测压力与输出的电流信号成比例。其输出信号为连续的模拟信号，常用作远传信号。&&&&&&目前，海洋采油平台上常用到电动压力变送器主要是：ROSEMOUNT 、3051等系列模拟型和智能型压力变送器；FOXBORO I／A系列智能型压力变送器以及少量HONEYWELL厂家的压力变送器。随着科学技术和海洋石油的发展，现在采油平台上的模拟型压力变送器已经逐步被智能型压力变送器替代。&&&&&&下面以1151系列电动变送器为例详细叙述电动变送器的结构及性能等。&&&&&&1、概述&&&&&&1151系列电容式压力变送器具有安装使用方便、精度高、体积小、调整方便、稳定性高、单向过载能力好等特点。&&&&&&由于它体积小，又采用两线制，量程和零点外部可调，具有防爆和全天候工作的能力，故安装使用都很方便。接线端子和电子线路均装入彼此分开的小室内。而且电子线路在使用过程中一直是密封的，所以使用起来安全可靠。&&&&&&1151系列压力变送器是将相对真空的绝对压力或相对某标准的相对压力转换成为4～20mA或10～50mA直流电流信号，电流信号与被测压力成线性关系。&&&&&&1151系列压力变送器是采用两线制串联工作方式，如图3-9 1151压力变送器控制回路接线图所示。&&&&&&2、结构&&&&&&从总体结构来说，1151系列压力变送器可以分为两部分。一部分是敏感元件部分，它是由δ室和两个法兰组成；另一部分是电气部分，它包括接线端子、电子线路及端盖。δ室是感受被测压力并转变成电容的变化，两端的法兰是固定、和保护δ室的，并且传送压力到δ室。&&&&&&&&&&&电子线路板分为两块。一块是放大板；一块是刻度板。&&&&&&3、主要性能指标&&&&&&1151系列分A、B、E、G四种型号。A、B为测量绝对压力，E、G为测量相对压力；A、E输出为4～20mA；B、G输出为10～50mA。&&&&&&测量对象为液体、气体、汽体。&&&&&&零点迁移与输出无关。&&&&&&精度包括线性度、变差、重复性误差在内，为刻度范围的+0.25%。&&&&&&稳定性在6个月内精度保证为量程上限的+0.25%。&&&&&&4、故障及排除&&&&&&请按表3-3压力变送器故障及排除进行。&&&&&&4、压力开关&&&&&&压力开关是另外一种压力检测仪表，如图3-10。压力开关检测的是压力的变化，它利用弹性元件由于受压而产生的形变来驱动开关动作。压力开关分为高压开关和低压开关，高压开关是当压力升高至设定压力时，开关动作；低压开关是压力降低至设定压力时，开关动作。压力开关的输出信号是一个开关量，因此，压力开关的输出信号常用来作为报警关停信号。大多数压力开关都提供两组触点：常开点（NO）和常闭点（NC）。在压力开关不受压（放空）的情况下，与公共端（C）不相通的触点是常开点（NO），与公共端相通的触点是常闭点（NC），根据生产控制的需要，可以利用不同的触点用于不同的需要。在生产现场，根据本质安全的原则，压力低开关一般使用常开触点，压力高开关一般使用常闭触点，这样，工艺生产正常时，开关为闭合状态，异常报警时开关为断开状态，因此在安装、维修及校验时应特别注意高低开关的使用触点。&&&&&&压力检测仪表的选择、校验和安装&&&&&&5、压力检测仪表的选择&&&&&&压力检测仪表的选择应根据使用的需要，针对具体的情况作具体分析。在符合生产过程所提供的技术条件下，应以节约为原则，合理的进行种类、型号、量程、精度等级的选择。选择主要考虑三个方面：&&&&&&a.根据被测压力的大小，确定仪表量程。对于弹性式压力检测仪表，为了保证弹性元件在弹性形变的安全范围内可靠的工作，在选择压力检测仪表的量程时，必须考虑到留有充分的余地，一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的3／4；在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2／3。为了保证测量精度，被测压力值应不低于全量程的1／3为宜。&&&&&&b.根据生产容许的最大测量误差确定仪表的精度，选择时，应在满足生产要求的情况下尽可能选择精度较低、价廉耐用的压力检测仪表。&&&&&&c.选择压力检测仪表时还要考虑被测介质的性质。如温度的高低，黏度大小，腐蚀性，脏污程度，易燃易爆等。还要考虑现场的环境条件，如高温、腐蚀、潮湿、振动等。根据这些因素来确定压力检测仪表的种类和型号。&&&&&&6、压力检测仪表的校验&&&&&&（1）、压力表的校验&&&&&&压力表的校验就是将被校压力表和标准压力表通以相同的压力，比较它们的指示数值。所选择的标准压力表的绝对误差一般应小于被校压力表绝对误差的1／3，所以它的误差可以忽略，认为标准表的读数就是真实压力的数值。如果被校压力表对于标准压力表的误差不大于被校压力表的允许误差，则认为被校压力表合格。被校压力表的允许误差为被校压力表的精度百分数乘以量程。&&&&&&常用的压力校验仪器是活塞式压力计，又名净重仪，如图3-11，其结构原理如图3-12所示，它由压力发生部分和测量部分组成。&&&&&&压力发生部分是一个螺旋压力发生器4，通过手轮7旋转丝杠8，推动工作活塞9挤压工作液，经工作液传压给测量活塞1。&&&&&&测量部分由测量活塞和标准砝码组成，测量活塞1上端的托盘上放有标准砝码2，活塞1插入活塞柱3内，下端承受螺旋压力发生器4挤压工作液所产生的压力。当活塞1下端面因压力作用产生向上的力与活塞1和托盘及砝码2的重力相等时，活塞1将被顶起而稳定在活塞柱3内的任一平衡位置上。一般取活塞有效面积为1cm2或0.1cm2，因此可以方便而准确的由平衡时所加的砝码和活塞及托盘的重量知道被测压力的数值。如果把被校验的压力表6上的指示值与这一准确的标准压力值相比较，便可知道被校压力表的误差大小。也可在b阀上接标准压力表，由压力发生器改变工作压力，比较被校压力表和标准压力表上的指示值，进行校验。&&&&&&压力表的校验包括：外观检查、零点检查、刻度示值及量程校验。首先观察压力表有没有摩擦，变差主要由摩擦产生的，所以必须消除摩擦，然后观察整个刻度范围内误差的规律。&&&&&&&&&如果是线性非均匀误差，则首先把零位调好后再调整量程。误差是正值时，即指示值大于标准值，只需要将拉杆与扇形齿轮的铰接螺丝松开，把拉杆往外移动，这样，弹簧管自由端相同的位移，扇形齿轮及指针的转角就小，指示值就可下降；反之，如果误差是负值，则将拉杆向里移动。&&&&&&如果误差是非线性误差，可调整拉杆与扇形齿轮间的夹角θ，随着压力指示值的增大，夹角θ由小于90度逐渐变化到大于90度，这就使扇形齿轮转角与弹簧管自由端位移的线性关系有改变。若压力表指针在中间刻度时，使θ等于90度，就可把非线性关系平均分配在中间刻度的两边。所以出现非线性误差时可调夹角θ，由于拉杆长度是固定的无法调整，一般通过调整游丝的松紧度来调节夹角θ的起始值；多数压力表的机芯与支座的连接是可动的，可以改变机芯的位置来改变夹角θ的大小。&&&&&&还有一种误差是压力表在全刻度范围内只有一个校验点误差特别大，其余各校验点误差都符合要求，这种现象可能是由于扇形齿轮与小齿轮的齿间间隙太小，游丝力矩改变方向所致。有时在刻度起始位置，由于游丝过松，游丝不能向外移动，而是向内转动使指针向上移动。在这种情况下游丝所产生的力矩并不是和弹簧管变形所产生的力矩相反的反作用力矩，而是正作用力矩，但是待指针转动一定角度以后，游丝稍紧些，游丝的作用力矩等于0，指针再转过一些角度，游丝紧一些后，此时游丝产生力矩是反作用力矩，由于力矩方向的改变和齿轮间隙的存在，使齿轮与齿轮之间的接触面改变，造成了弹簧管位移的死行程，因此在这一点误差特别大，指针也往往会发生跳动现象，消除这种现象的方法是改变游丝起始位置的松紧度。&&&&&&压力表的刻度校验时按标有分度线的刻度进行校验，一般按量程的四等分刻度进行校验，校验时逐渐升高压力，校验各校验点的上行值，当示值达到量程时，耐压三分钟，然后逐渐降低压力，校验各校验点的下行值，上下行误差及上、下行绝对误差应不大于该压力表的最大允许误差；在每各校验点上，需要轻敲表壳，轻敲前后的示值与标准示值之差不应大于最大允许误差，轻敲表壳引起的这种示值变动量不得超过最大允许误差绝对值的1／2；进行刻度校验时，压力表在全分度范围内应平稳移动，不得有跳动或卡位现象。&&&&&&（2）、压力变送器的校验&&&&&&压力变送器的校验和压力表的校验相似，用压力发生器给压力变送器提供量程范围的标准压力，观察压力变送器的输出值，比较实际输出值和理论输出值，进行校验。&&&&&&校验压力变送器时，首先要与中控室取得联系，对相关信号进行旁通，再对压力变送器进行隔离、旁通、泻压；然后将变送器连接打压，差压变送器的连接应连接于高压端，低压端放空；零点压力时，输出信号应为4mA，否则调节零点调节纽使输出信号为4mA，量程压力时，输出信号应为20mA，否则调节量程调节纽使输出信号为20mA，校验好零点合量程后，观察量程的1／4、1／2、3／4处输出是否满足8 mA、12 mA、16 mA。&&&&&&目前生产现场广泛使用的智能压力变送器能自动调节零点和量程，另外，也可用手操器直接对智能压力变送器进行零点和量程的调整。图3-13是用HART通讯仪调节智能压力变送气的连接图。在车间调节变送器时，由于没有长距离的电源和信号线，要用一个250欧姆左右的电阻串连在变送器和电源之间来模拟电缆，然后将HART通讯仪并联在智能压力变送器一端，通讯仪才能识别变送器。&&&&&&（3）、压力开关的校验&&&&&&压力开关都有设定点，校验压力开关时，用压力发生器给压力开关提供标准压力，改变压力的大小，观察压力开关动作时压力发生器所提供的标准压力是否与压力开关的设定点一致。现场校验压力开关时，要预先通知中控室，对一些关停信号进行旁通；校验高压开关或高高压力开关时，逐渐升高压力观察压力开关的动作值，如果与设点不一致，需要调整调节机构，直到开关在设点动作为止，然后降低压力，观察开关的复位值；校验低压开关或低低压力开关时，先给开关打压到压力开关复位，然后逐渐降低压力观察压力开关的动作值。当压力开关动作后，再升高压力，当压力开关再次动作时的标准压力就是压力开关的复位值。&&&&&&7、检测仪表的安装&&&&&&（1）、测压点的选择&&&&&&为了所选择的测压点能反映被测压力的真实情况，测压点要选在被测介质直线流动的管线部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其它易形成旋涡的地方；测量流动介质时，应使取压点与流动方向垂直，清除钻孔毛刺；测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体时，取压点应在管道的上方，使导压管内不积存液体。&&&&&&（2）、导压管的铺设&&&&&&导压管粗细应合适，一般内径6~10mm，长度3~50m；当被测介质易冷凝或冻结时，必须加保温伴热管线；取压口到压力表之间应装截止阀，且靠近取压口。&&&&&&（3）、压力检测仪表的安装&&&&&&压力检测仪表应安装在易观察和维修的地方，如图3-14压力仪表典型安装；安装地点力求避免震动和高温；测量高温介质压力时，应加装凝液管，以防止高温介质直接和测压元件接触；对于有腐蚀介质时，应加装充有中性介质的隔离罐等；对于易结晶或粘稠介质，应采取法兰取压，针对具体情况要采取相应的保护措施。另外，当压力检测仪表被安装在取压点的上方或下方，而取压点到仪表间的液柱压力又不能忽略时，压力检测仪表应作零点迁移或将指示值减去这一段液柱压力。&&&&&&表3-3压力变送器故障及排除故障故障部位故障原因排除方法输出高导压管道管线有泄露或堵塞排除之变送器过程法兰有沉积物排除沉积物变送器的电气连接卡口连接处有脏物清除脏物敏感元件引出线不好连接好卡口8#引线没有接到仪表外壳上将8#引线接外壳电子器件放大器板损坏更换新放大器板刻度板损坏更换刻度板敏感元件隔离膜片被刺破更换敏感元件填充油泄漏更换敏感元件电源电源电压不正确调整到正确值输出低或无输出导压管导压管连接不正确按规定重新连接导压管有泄漏或堵塞排除液体管线中有残余气体排除残余气体过程法兰中有沉积物清除沉积物变送器的电气连接同输出高的原因同输出高的部分敏感元件引线短路排除试验二级管损坏损坏敏感元件同高输出同高输出回路布线电源极性连错连接正确电路阻抗不符要求调整回路阻抗电路中有短路或多点接地（注意检查回路时电压不得超过100V）排除输出不稳定回路布线有周期性的短路、开路或多点接地检查并排除过程流体脉动调节阻尼调节导压管线液体管线中有残留气体排出气体变送器的电气连接有短路或开路处连接好电子器件同高输出同高输出&&&&&&四、温度检测仪表&&&&&&基本概念&&&&&&温度是—个很重要的物理量，它是国际单位制（SI）中7个基本物理量之一，也是工业生产中的主要工艺参数。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。因此，温度的测量是保证生产正常进行，确保产而质量和安全生产的关键环节。&&&&&&1、温标&&&&&&温标是表示物体冷热程度的物理量。用来度量物体温度高低的标尺叫做温度标尺，简称温标。它规定了温度的起点和测量温度的基本单位。各种温度计的分度值都是由温标决定的。目前国际上用得较多的温标有摄氏温标和国际实用温标，我国法定计量单位现已采用了这两种温标。&&&&&&1）、摄氏温标&&&&&&摄氏温标是根据物体受热后体积膨胀的性质建立起来的，一般用符号t表示，单位是度，记作℃。规定在标准大气压下冰的融点为零度（0℃），将水的沸点定为100℃，在0～100℃之间划分一百等份，每一等份为摄氏1度（1℃）。摄氏温标是工程上通用的温度标尺。&&&&&&2）、国际实用温标&&&&&&国际温标是一个国际协议性温标。选择了一些纯物质的平衡态温度作为温标的基准点，规定了不同温度范围内的标准仪器：如铂电阻、铂锗—铂热电偶和光学温度汁等。建立了标准仪器的示值与国际温标关系的补插公式，应用这些公式可以求出任何两个相邻基准点温度之间的温度值。&&&&&&国际实用温标几经修改，目前各国使用的温标是1968年国际实用温标（即IPTS—68），我国自日起正式采用此温标。根据国际实用温标规定；热力学温度是基本温度，用符号T表示，单位是开尔文，记为K。它规定水的三相点热力学温度为273.16K，定义为1K（开尔文一度）等于水三相点热力学温度约1／273.16。通常将比水的三相点低0.01K的温度值规定为绝对零度，它与摄氏温度之间的关系为：&&&&&&t＝T-273.15&&&&&&&&&&&&&&&& （1－1）&&&&&&式中&T――单位是开尔文，K；&&&&&&t――单位是摄氏度，℃。&&&&&&自日开始，各国已陆续采用1990年国际温标（简称ITS—90）。ITS—90是1989年7月第77届国际计量委员会（CIPM）批准的国际温度咨询委员会（CCT）制定的新温标，它对定义固定点、标准仪器以及内插公式进行了修改和补充，是以固定点温度指示值以及在此固定点上分度过的标准仪器来实现热力学温标的，各固定点间的温度是依据内差公式使标准仪器的示值与国际温标的温度值相联系。摄氏温度与热力学温度之间的关系仍如式（1—1）所示。&&&&&&我国从日起，首先从各种标准温度计着手改值，并在国际电工委员会（IEC）&&&&&&修订的新分度表公布后，进行了工业测温仪表的改值，从日已全面实行了新温标。&&&&&&2、温度测量仪表的分类&&&&&&温度测量范围甚广，测温仪表的种类也很多。按工作原理分：有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两类。&&&&&&温度不同的两物体相互接触由于它们之间有温差存在，热量就会从高温物体向低温物体传递，如果这两个物体与外界无能量交换，则经过足够长的时间两者就会达到热平衡状态即传热量为零，两者温度相等。接触式测温就是基于这一原理。接触式测温为了实现精确测量必须使温度计的感温部件与被测物体有良好的接触，它可以得到被测物体的真实温度，一般来说测温的准确性较高，应用广泛，但因感温部件与被测物体之间产生的热传递，会存在一定的测量滞后。特别对于热容量较小的被测对象。还会因传热而破坏被测物体原有的温度场。测温上限也受到感温材料耐温性能的限制。&&&&&&非接触式测温目前在工业上还是以辐射式测温为主，它的特点是感温元件不与被测物体相接触，而通过被测物体与感温元件之间的热辐射作用实现测温，因而不会破坏被测对象的温度场，不仅可以测量移动或转动物体的温度。而且可以通过扫描的方法测得物体表面的温度分布。但辐射式测温一般只能测得亮度温度或辐射温度，为了求得真实温度，还必须根据被测对象的黑度对测量值进行修正，另外还可能受到发射率、距离、烟尘等影响，故测温的准确性一般不高，通常仅用于高温测量。测量方式仪表名称测量原理精度范围特&&点测温范围（摄氏度）接触式测量仪表双金属温度计固体热膨胀变形与温度成正比1-2.5结构简单，指示清楚成本低，精度不高-80-600压力表温度计气体或液体在体积一定的容器中压力变化与温度成正比1-2.5结构简单，可短距离远传，精度低，受环境温度影响大0-300玻璃管液体温度计液体热膨胀的体积与温度成正比0.5-2.5结构简单，精度高，不能远传-100-600热电阻温度计金属和半导体的电阻变化与温度成正比0.5-3.0精度高，可远传，结构复杂，需外加电压-200-650热电偶温度计热电效应0.5-1.0测量范围大，精度高，可远传，低温时测量效果差-200-1800非接触式测量仪表光学高温计物体单色辐射强度及亮度随温度变化1.0-1.5结构简单携带方便不破坏被测对象温度场，外界辐射反射影响精度300-3200辐射高温计物体全辐射能随温度变化1.5结构简单稳定性好，光路上的环境介质影响测量精度700-2000&&&&&&膨胀式温度计&&&&&&基于物体受热体积膨胀的性质而制成的温度计叫做膨胀式温度计。它又分为液体膨胀、气体膨胀和固体膨胀三大类。&&&&&&1、玻璃管液体温度计&&&&&&液体膨胀式温度计中应用最广泛的是玻璃管液体温度计，其结构简单、使用方便、精确度高、价格低廉。&&&&&&1）、测温原理&&&&&&如图所示。当玻璃温包插入被测介质中，由于被测介质的温度变化，使感温液体膨胀或收缩，因而沿毛细管上升或下降，出刻度标尺显示出温度的数值。液体受热后体积膨胀和温度的关系可用下式表示：&&&&&&式中&Vt――液体衣温度为汽时的体积；&&&&&&Vto――液体在温度为to℃时的体积&&&&&&a――液体的体积膨胀系数‘&&&&&&a’――盛液容器的体积膨胀系数。&&&&&&从上式可以看出，液体的膨胀系数越大，温度计的灵敏度就越高。一般多采用水银和酒精做工作液，其中水银工作液较其它液体有许多优点，如不粘玻璃，不易氧化，容易提纯，线性较好等。&&&&&&2）、结构与分类&&&&&&玻璃管温度计按其结构可分为三种；棒状温度计、内标尺式温度计和外标尺式温度计。棒状温度计的标尺直接刻在玻璃管的外表面上。内标尺式温度计有乳白色的玻璃片温度标尺，该标尺放置在连通玻璃温包的毛细管后面，将毛细管和标尺一起变在玻璃管内，此温度计热惰性较大，但观测比较方便。外标尺式温度计是将连通玻璃温包的毛细管固定在标尺板上，这种温度计多用来测量室温。&&&&&&玻璃管温度计按用途分类又可分为工业、标准和实验室用三种。标准玻璃温度计有棒状的，也有内标尺式的，分为一等和二等，其分度值为0.05～0.1t，它是成套供应的，作为标准一般用于校验其它温度计。工业用温度计一般做成内标尺式，其后部有宜的、弯成90度角或135度角的，为了避免工业用温度计在使用时被碰伤，在玻璃管外通常罩有金属保护套管。在玻璃温包与金届套管之间填有良好的导热物质，以减少温度计测温的惰性。实验室用温度计形式与标渡的相仿，精度也较高。&&&&&&2、压力式温度计&&&&&&压力式温度计是根据封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸气压，受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制作的，并用压力表来测量此变化，从而测得温度。&&&&&&1）、测温原理&&&&&&对一定质量的气体或液体，如果它的体积一定，则它的压力与温度之间的关系可用下式表示：&&&&&&Pt-Pt’=k（t-t’）&&&&&&式中：Pt――气体、液体在一定体积的容器内温度为t时的压力&&&&&&Pt’――气体、液体在一定体积的容器内温度为t’时的压力&&&&&&由上式可以看出，当密封系统的容积不变时，气体或液体的压力与温度里线性关系，由此原理制成的压力式温度计的标尺应为均匀刻度。蒸气的压力与温度之间也呈一定的函数关系。达就是压力温度计的测温原理。&&&&&&2）、结构&&&&&&压力式温度计的基本结构是由充有感温介质的温包、传压元件（毛细管）及压力敏感元件（弹簧管）构成的全金属组件。温包内充填的感温介质有气体、液体及蒸发液体等。测温时将温包置于被测介质中，温包内的工作物质因温度升高体积膨胀而导致压力增大。该压力变化经毛细管传给弹簧管并使其产生一定的形变。然后借助齿轮或杠杆等传动机构，带动指针转动，指示出相应的温度。由此可见，温包、毛细管及弹簧管是压力式温度计的三个主要部分，其性能对该温度计的精度影响极大。&&&&&&温包是直接与被测介质相接触的感温元件，要求它具有一定强度、较低的膨胀系数、较高的热导率及一定的抗腐蚀性能。&&&&&&毛细管主要用来传递压力的变化。如果毛细管细而长，则传递压力的滞后现象很严重，致使温度计的响应速度变慢。但是，在长度相同的条件下、毛细管越细，仪表的精确度越高。&&&&&&液体压力式温度计多以有机液体（甲苯、酒精、戊烷等）或水银作为感温介质；气体压力式温度计多以氦气或氢气为感温介质，蒸汽压力式温度计以低沸点液体（丙酮、**等）为感温介质。&&&&&&3、双金属温度计&&&&&&利用两种膨胀系数不同的金属元件来测量温度的温度计称双金属温度计。它是一种固体膨胀式温度计。其结构简单、牢固，可部分取代水银温度计，用于气、液体及蒸汽的温度测量。采用双金属温度计是解决汞害的一条途径，因而近几年发展很快。&&&&&&双金属温度计是由两种膨胀系数不同的金属薄片叠焊在一起制成的。双金属片受热后由于两种金属片的膨胀系数不同而产生弯曲变形。弯曲的程度与温度高低成比例。&&&&&&为了提高仪表的灵敏度，工业上应用的双金属温度计是将双金属片制成螺旋形，如图所示，一端固定在测量管的下部，另一端为自由端，与插入螺旋形双金属片的中心轴焊接在一起。当被测温度发生变化时，双金属片自由端发生位移，使中心轴转动，经传动放大机构，由指针指示出被测温度值。其实际结构如图所示，它是一种轴向结构。除此之外还有一种径向结构，即刻度盘平面与保护管轴线成平行方向连接。可按生产操作中安装条件及观察方便来选择轴向与径向结构。&&&&&&双金属温度计原理图&&&&&&双金属温度计&&&&&&1－指针；2－表壳；3－金属保护套管；4－指针轴；5－双金属片&&&&&&6－固定端；7－仪表盘；8－温度表&&&&&&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。它的测量范围广，结构简单，使用方便，测温准确可靠，便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。&&&&&&1、热电偶的测温原理&&&&&&热电偶温度计由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。下图是最简单的热电偶温度计测温系统示意图。&&&&&&热电偶温度计&&&&&&1－热电偶；2－导线（或补偿导线）；3－显示仪表&&&&&&1）、测温原理&&&&&&按上图组成的热电偶温度计，如果将热电偶的热端加热，使得冷、热两端的温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象就称为热电现象（即热电效应）。&&&&&&在热电偶回路中产生的电势由温差电势和相接触电势两部分组成。&&&&&&温差电势：它是在同一导体材料的两端因其温度不同而产生的一种热电势。当同一导体两端温度不同时，由于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子比从低温端跑到高温端的电子数量要多，结果高温端因失去电子而显正电，低温端由于得到电子而显负电，从而在高、低温两端会形成一个由高温端指向低温端的静电场。该电场将阻止电子从高温端跑向低温端，同时加速电子从低温端向高温端移动，最后达到动态平衡，即从高温端跑向低温端的电子数等于从低温端他向高温端的电子数，则高、低温两端之间便形成一个电位差，会在导体内部产生电势。此电势称为温差电势，此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而与导体长度、截面大小及沿导体长度上的温度分布无关。&&&&&&接触电势：它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。当两种不同的导体A和B相接触时，假设导体A和B的电子密度分别为Na和Nb并且Na＞Nb，则在两导体的接触面上，电子在两个方向的扩散率就不相同，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数要多。导体A失去电子而显正电，导体B获很电子而显负电。因此，在A、B两导体的接触面上便形成一个由A到B的静电场，这个电场将阻碍扩散运动的继续进行，同时加速电子向相反方向运动，使从B到A的电子数增多，最后达到动态平衡状态。此时A、B之间也形成一电位差，这个电位差称为接触电势。此电势只与两种导体的性质相接触点的温度有关，当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接点温度有关。温度越高，导体中的电子就越活跃，由A导体扩散到B导体的电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。&&&&&&2、常用热电偶&&&&&&根据热电偶测温原理，理论上任意两种导体都可以组成热电偶。但实际情况并非如此，为保证一定的测量精度，对组成热电偶的材料必须进行严格的选择。工业用热电极材料应满足以下要求：热电极的物理和化学稳定性要高、即在测温范围内热电特性（热电势与温度之间的关系）不随时间变化；电阻温度系数小、导电率高，温度每升高1度所产生的热电势要大，而且热电势与温度之间尽可能为线性关系，材料组织要均匀，有韧性，复现性好（用同种成分材料制成的热电偶其热电特性相同的性质称复现性），便于成批生产及互换等。在实际生产中同时具备上述要求的热电极材料是难以找到的。因此，应根据不同的测温范围，选用不同的热电极材料。目前在国际上被公认的比较好的热电极材料只有几种，这些材料是经过精选而且标准化了的，应用在各温度范围内，测量效果较好。现将工业上最常用的（已标准化）几种热电偶介绍如下：&&&&&&1）、铂铑30—铂铑6热电偶（分度号为B）&&&&&&它也称双铂铑热电偶，是20世纪60年代发展起来的一种典型的高温热电偶。以铂铑30（铂70％，铑30％）为正极、铂铑（铂94％，铑6％）为负极，测温上限长期可达1600℃，短期可达1800℃。其热电特性在高温下更为稳定，适于在氧化性或中性介质中使用，但它产生的热电势小、价格高。在室温下热电势极小（25℃时为—2uv，50℃时为3uv），因此当冷端湿度在40 C以下范围使用时、一般不需要进行冷端温度补偿。&&&&&&2）、铂铑10—铂热电偶（分度号为S）&&&&&&铂铑10为正极，纯铂丝为负极，测温上限长期使用为1300℃，短期可达1600℃，适于在氧化性及中性介质中使用，物理化学性能稳定，耐高温，不易氧化，在所有的热电偶中，它的精度最高。可用于精密温度测量和做基准热电偶。但价格高，热电势小，线性较差，在还原介质及金属蒸汽中使用易于污染变质，在真空下只能短期使用。&&&&&&3）、镍铬—镍硅热电偶（分度号为K）&&&&&&镍铬为正极，镍硅为负极，测温上限长期使用为1000℃、短期使用可达1200℃。此热电偶由于正、负极材料中部含镍，故抗氧化性抗腐蚀性好，500℃以下可用于氧化性及还原性介质中。500℃以上只宜在氧化性和中性介质个使用。热电势与温度近似为线性，热电势比铂铑－铂热电偶高3～4倍，价格便宜，应用广泛。&&&&&&4）、镍铬—康铜热电偶（分度号为E）&&&&&&镍铬为正极，康铜（含镍40％的铜镍合金）为负极，测温范围为－200～870℃，但在750℃以上只宜短期使用。该热电偶稳定性好，使用条件同K型热电偶，但热电势比K型热电偶高—倍，价格低廉，并可用于低温测量，尤其适宜在0℃以下使用，而正在湿度大的情况下、较其它热电偶耐腐蚀。&&&&&&5）、铜－康铜热电偶（分度号为T）&&&&&&该热电偶正极为纯铜，负极为康铜，适用测温范围一般为－200～300℃，短期可达350℃。在廉价金属热电偶中它的精确度高。稳定性好，低温测量灵敏度高，可用于真空、氧化、还原及中性介质中，但由于铜在高温时易氧化，故一般使用时不超过300℃，因铜热电极的热导率高，低温下易引入误差。&&&&&&6）、铁—康铜热电偶（分度号为J）&&&&&&该热电偶正极为铁，负极为康铜，一般测温范围为－40～750℃。它是廉价金属热电偶，适用的介质同铜—康铜热电偶，这种热电偶在700℃以下线性非常好，具有较高的灵敏度。由于铁易氧化生锈，故它不能在高温或含硫的介质中使用。&&&&&&各种常用热电偶的热电势与温度的关系可由标准数据表中查到。这种表称为热电偶的分度表。此分度表是在热电偶冷端温度t＝0℃的条件下，得到的热电势与测量端温度的对应关系。分度号相同的热电偶可以共用同一分度表。&&&&&&除上述常用热电偶之外，在某些特殊测温条件下，如超高温、低温等测量中，也应用一些特殊热电偶，但目前还没有达到标准化程度，一般也没有统一的分度表。如钨铭系列热电偶，其热电极；是配比不同的钨锦合金，测温上限可达2800℃；镍销—金铁热电偶，主要适用于-273～0℃范围；薄膜热电偶以及非金属热电偶等。随着科技的发展，必定还会有各种新型热电偶出现，以适应各种特殊测量的需要。&&&&&&3、铠装热电偶的结构&&&&&&铠装热电偶是我国20世纪60年代发展起来的测温元件。它较好地解决了普通热电偶体积及热惯性较大，对被测对象温度场影响较大，不易在热容量较小的对象中使用，在结构复杂弯曲的对象上不便安装等问题。所谓铠装热电偶是将热电偶丝与绝缘材料及金属套管经整体拉伸工艺加工而成的坚实组合体，如下图所示。安管材料一般采用不锈钢或镍基高温合金热电极和套管之间填满了绝缘材料的粉末，绝缘材料采用高纯度脱水氧化镁或氧化铝粉末。热电极有单丝、双丝及四丝等。&&&&&&1－接线盒；2－金属套管；3－固定装置；4－绝缘材料；热电偶丝&&&&&&铠装型热电偶的外径为0.25～12mm，热电极直径为0.035～1.3mm，套管壁厚为0.12～0.60mm，长度可以根据需要任意裁取或选购，最长可达100m。热电偶冷端可以用接线盒或其它形式的接插件与外部导线连接。&&&&&&4、热电偶冷端温度的处理方法&&&&&&为了使用上的方便，与各种标准化热电偶配套的显示仪表是根据所配热电偶的分度表格热电势转换为对应的温度值来进行刻度的。前面已提到过各热电偶的分度表均是在冷端温度为0℃的条件下热电势与温度（t）之间的关系，因此要求在热电偶测温时，冷端必须保持在0℃，否则将产生误差。但在工业上使用时，要使冷端保持在0℃是比较因难的，因此，要根据不同的使用条件及要求的测量精度。对热电偶冷端采用一些不同的处理方法。&&&&&&1）、补偿导线延伸法&&&&&&由于热电偶一般做得比较短（除铠装热电偶外），特别是贵金属热电偶就更短。这样热电偶的冷端离被测对象很近，使冷端温度较高且波动较大。如果把热电偶做得很长，使冷端延伸到温度比较稳定的地方，这种方法由于热电极不便于敷设，且对于贵金属热电偶很不经济。解决这个问题的方法是采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，这种导线也是由两种材料制成。在一定温度范围内（100℃以下）与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性，其材料又是廉价金属，称为补偿导线。&&&&&&根据所用材料，补偿导线分为补偿型补偿导线（c）与延伸型补偿导线（x）两类。一般补偿型补偿导线材料与热电偶材料不同，因此常用于贵金属热电偶。而延伸型补偿导线基本是用与热电偶相同的材料制成，适用于廉价金属热电偶。&&&&&&应该注意，无论是补偿型还是延伸型的，补偿导线本身并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只是起到了热电偶冷端的延伸作用，改变热电偶的冷端位置，以便于采用其它补偿方法；另外，即使在规定使用温度范围内，由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存有一定的误差。&&&&&&2）、冰点法&&&&&&热电偶的分度表都是在冷端温度为0℃的情况下制定的，如果将冷端置于能保持温度为0℃的冰点槽内，则测得的热电势就代表被测的实际温度。此方法一般在实验室里精密测量中使用。因为这种方法需要保持冰、水两相共存，使用起来比较麻烦，故一般工业测量中均不采用。&&&&&&3）、仪表零点校正法&&&&&&如果热电偶冷端温度比较恒定，与之配用的显示仪表机械零点调整又比较方便，则可采用此种方法实现冷端温度补偿。若冷端温度t0已知，可将显示仪表的机械零点直接调至t0处，这相当于在插入热电偶热电势之前就结显示仪表输入了一个电势E（t0，0），因为与热电偶配套的显示仪表是根据分度表刻度的，这样在接入热电偶之后，使得输入显示仪表的电势相当于E（t，t0）＋E（t0，0）＝E（t，0），因此显示仪表可显示热端的温度t。应当注意，当冷端温度t0变化时需要重新调整仪表的机械零点，如冷端温度变化频繁，此方法则不宜采用。调整显示仪表的机械零点时，应在断开热电偶回路的情况下进行。&&&&&&4）、补偿电桥法&&&&&&补偿电桥法是采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，又称为冷端补偿器。&&&&&&热电阻温度计&&&&&&热电偶温度计是一种较为理想的高温测量仪表，但在测量较低温度时，由于产生的热电势较小，测量精度相应降低。因此在－200～500℃温度范围内，一般使用热电阻温度计测量效果较好。&&&&&&热电阻温度计是由热电阻、连接导线及显示仪表所组成，如图所示。由于热电阻输出的是电阻信号，所以热电阻温度计与热电偶温度计一样，也便于远距离显示或传送信号。但是由于热电阻温度计的感温部件——热电阻的体积较大，因此热容量较大，动态特性则不如热电偶。&&&&&&热电阻温度计&&&&&&1、热电阻的测温原理&&&&&&热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系的原理实现温度测量的。实验证明，大多数金属导体当温度上升1℃时，其电阻值均增大0.4％～0.6％；而半导体当温度上升1℃时，其电阻值则下降3％～6％。&&&&&&金属导体电阻与温度的关系一般可表示为：&&&&&&Rt=Rt0（1+a（t-t0））&&&&&&式中：Rt――温度为t时的电阻&&&&&&Rt0――温度为t0时的电阻&&&&&&a――电阻随温度变化系数&&&&&&由于一般金属材料的电阻与温度的关系并非线性，故a值也随温度而变化，并非常数，但在其一范围内可近似为常数。&&&&&&2、金属热电阻&&&&&&作为电阻温度计感温元件的热电阻，分为金属热电阻和半导体热电阻两类，其中以金属热电阻应用较多。一般对热电阻材料要求如下：&&&&&&（1）电阻温度系数大，即灵敏度高；&&&&&&（2）物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温环境；&&&&&&（3）电阻率要大，以使电阻体积较小，减小测温的热惯性；&&&&&&（4）电阻与温度之间近似为线性关系；&&&&&&（5）价格低廉，便于复制。&&&&&&普通热电阻结构：&&&&&&金属热电阻感温元件一般由电阻体、引线、绝缘子、保护套管及接线盒等组成电偶相似。热电阻通常也有普通型和铠装型等结构形式。下图为普通型热电阻的结构图：&&&&&&普通型热电阻&&&&&&1――电阻体；2――引线，3――绝缘体；4一保护套管&5――接线盒；6――固定螺纹&&&&&&3、接线方式：&&&&&&2线，电流回路和电压测量回路合二为一，精度差。（二线制的误差主要在电流回路在电缆中产生一定压降造成的测量误差）&&&&&&&3线，电流回路的参考位和电压测量回路的参考位为一条线。精度稍好。&&&&&&4线，电路回路和电压测量回路独立分开，精度高，但费线。&&&&&&4、常用热电阻&&&&&&1）、铂电阻&&&&&&铂电阻由纯铂电阻丝绕制而成，其使用温度范围（按国际电工协会IEC标准）为－200～850℃。&&&&&&铂电阻的特点是精度高、性能可靠、抗氧化性好、物理化学性能稳定。另外它易提纯，复制性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝（直径可达0.02mm或更细）或极薄铂箔，与其它热电阻材料相比，有较高电阻率。因此，它是一种较为理想的热电阻材料，除作为一般工业测温元件外，还可作为标准器件。但它的缺点是电阻温度系数小，电阻与温度里非线性，高温下不宜在还原性介质中使用，而且价格较贵。&&&&&&一般工业上常用的铂电阻，我国规定的分度号为Pt10和Pt100。即相应0℃时的电阻分别为RD＝10欧姆和RD＝100欧姆。Pt10的电阻温度计电阻丝较粗，主要应用于600℃以上的温度测量。&&&&&&2）、铜电阻&&&&&&铜电阻一般用于－50～150℃范围的温度测量。它的特点是电阻值与温度之间基本为线性关系，电阻温度系数大，且材料易提纯，价格便宜，但它的电阻率低，易氧化，所以在温度不同，测温元件体积无特殊限制时，可以使用铜电阻温度计。&&&&&&5、热电阻温度变送器的校验和故障排除&&&&&&1）、热电阻温度变送器的校验&&&&&&确认热电阻的型号（是Pt10，Pt100，Pt1000电阻中的哪一种）&&&&&&依据热电阻的型号来查找各不同温度对应的热电阻值；&&&&&&安装校验其它型号的两线制变送器的接线方法接线；&&&&&&将连接在变送器上的热电阻拆除；&&&&&&按变送器是两线，三线，四线来接上标准电阻箱；&&&&&&按照步骤2查得的数值来给变送器输入电阻，看变送器的输出是否正确。&&&&&&2）、热电阻温度变送器的故障排除故障现象解决方法热电阻温度变送器输出为0毫安检查变送器是否送电，检查热电阻的接线，检查校验仪表工作是否正常。热电阻温度变送器输出为20毫安检查热电阻的接线检查热电阻的型号是否正确检查供电电压是否正确。热电阻温度变送器输出与实际不符检查热电阻的接线检查热电阻的型号是否正确3。校验热电阻温度变送器。热电阻温度变送器无显示检查电源的极性是否接反；检查变送器的电路板工作是否正常。&&&&&&温度变送器&&&&&&海上油田上使用的温度变送器基本有两种：其一是温度感受元件为温包，原理与温度开关相同，它把温度转换成4～20mA信号。其二是温度感受元件为铂电阻，它的作用原理为金属丝的电阻与温度呈一定函数关系的金属导体或半导体材料制成的感温元件来测量温度的，当温度变化时，感温元件的电阻随温度变化而变化，将变化的电阻值变为4～20mA信号输入显示仪表或调节仪表。&&&&&&现场温度变送器的调校&&&&&&mA&&&&&&+24V&&&&&&POWER&&&&&&量程调整&&&&&&零点调整ZHENG&&整油田所用温度变送器基本都属于RTD型，敏感元件是铂电阻丝。校验时用电阻箱模拟热电阻的变化，在整个量程范围进行地照Tmin?Tmax对应Rmin?Rmax，看输出是否在4~20mA对应。下面说明其校验过程：&&&&&&校验时可以从温井处的接头处连入电阻箱，但最好是在变送器输入端连入电阻箱，以方便调校。连线如右图，&&&&&&2、连线完全正确无误后开始校正。查温度热电阻对照表如下：0℃50℃100℃150℃200℃100Ω119.40Ω138.50Ω157.31Ω175.84Ω4.00mA8.00mA12.00mA16.00mA20.00mA&&&&&&校正时，首先把电阻箱的电阻值固定在100Ω，看其零点4mA正确与否，有偏差调ZERO ADJ直到满足误差要求（误差应在其精度范围之内）。第二步将电阻值固定在175.84Ω看输出是否在20mA，有偏差要调SPAN ADJ直到满足要求。零点量程要多次调节方可达到要求。第三步是检查看中间值的输出是否满足要求，一般只要零点和量程校验正确，线性都很好，中间值都能一一对应上。如果偏差太大，则检查电路板，修理合格才能继续使用。&&&&&&3、校验完毕应将电路复原，该密封，绝缘的都要按要求进行。&&&&&&4、温度变送器的保养&&&&&&温度变送器定期校验，温井要密封住，以防异物进入影响接触。&&&&&&五、流量测量仪表&&&&&&流量概述&&&&&&一、流量测量的特点&&&&&&1、流体的流动状态直接影响流量测量的准确度。一般介质的流动多为非定常流，为保证仪表测量的准确度，仪表的结构和管道布局的设计应能适应流态的变化，能够消除上游阻力件造成的流态扰动以及管道上界面上流速不均匀分布带来的影响。&&&&&&2、不同流体的物理和化学特性对流量仪表提出了不同的要求。如温度、压力变化大、粘度高、流体有腐蚀性、多相流、脏污流、等等，都对仪表提出了相应的要求。&&&&&&3、被测介质状态的变化或组分变化都会引起流量测量的误差。&&&&&&4、介质处于流动的状态，任何接触测量的敏感元件都会干扰流动状态的变化和压力损失。&&&&&&二、流量计的分类&&&&&&1、差压式流量计：目前常用的节流元件有标准节流装置，如孔板、文丘利管、喷嘴。&&&&&&2、容积式流量计：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计。&&&&&&3、速度流量计：电磁流量计、涡轮流量计、超声波流量计。&&&&&&4、流体动量式流量计：如靶式流量计、浮子流量计、阿牛靶流量计。&&&&&&5、流体振荡式流量计：涡街流量计、旋进漩涡流量计。&&&&&&6、质量流量计：U型管式流量计。&&&&&&差压式流量计&&&&&&一、节流式元件的工作原理&&&&&&把节流装置装入管道中，当被测介质从节流装置中流过时其局部收缩，因此其流速必定增加，即动能增加，因而其静压力减小，即位能减小，所以在节流装置的前后产生一定的压力降。管道介质流量越大，介质的流速就越大，因而收缩时的压力降就越大。因此只要测出压降的大小就可以测量出介质的流量。&&&&&&下面以常用的孔板节流装置为例说明流体压力的变化。&&&&&&当流体流过孔板时，流速的收缩在到达孔板之前就开始了，流过孔板后在介质本身的惯性及孔板靠近管壁角落处漩涡的离心力作用下，使流束在孔板后面一段距离处达到最小截面，接着流束又逐渐扩大到整个管道的截面。图中所示的压力变化是沿管壁测得的。在节流元件前，由于孔板对流体的迎面阻力，使沿上游管道到孔板的压力逐渐上升，孔板以后的压力则随流束的收缩而逐渐降低，一直到达某一最低后，又随流束的扩张而逐渐上升。&&&&&&二、取压方法&&&&&&节流元件产生的差压输出信号是从节流装置前后取出的。不同的取样方法将直接影响输出差压值的大小。因此，不同的取样方法，对于同一节流装置，流量系数也不一样。下面介绍几种取压方法：&&&&&&1、角接取压法&&&&&&这种取压法是把两个取压点都靠近孔板前后两个端面，由于它与孔板靠的很近，带来了一些优点，即在结构上易于实现教均匀的环型取压；安装时直管段的要求较低，两个取压点之间除孔板的厚度外，没有其它管道部分，因此管道的内摩擦损失也较小，取压不会因摩擦力的变化而变化。其缺点是：对于取压点位置的选择及节流装置的安装要求很严。&&&&&&2、法兰取压&&&&&&这种取压方法，不管被测管道直径和节流装置的系数大小无关，取压点的位置完全一样，都位于孔板前后25.4mm处。这种取压方法在制造和使用上都比较方便，通用性较强。在很多国家法兰被规定为标准取压方法。&&&&&&三、孔板取压的计算公式&&&&&&流量方程式中的参数与很多参数有关，例如节流元件的类型、取压方式、被测介质的种类、选用的差压&&&&&&量计的型式、工业生产中流量所采用的单位、节流元件开孔直径选用的单位等。&&&&&&当采用标准的角接或法兰取压；流量单位取m3／h、kg／h；节流元件开口直径以mm为单位：&&&&&&Q＝K×d2×SQR（△P／γ）&&&&&&d----孔板的开孔直径，mm&&&&&&△P ----节流元件产生的差压&&&&&&γ----被测介质工作状态下的重度&&&&&&四、差压流量变送器&&&&&&差压流量变送器的工作原理与普通的差压变送器的工作原理是一样的，只是在输出之前加一个开方器。维修和保养与压力变送器相同。&&&&&&浮（转）子流量计&&&&&&一、工作原理&&&&&&浮子流量计是利用流动中的动量原理，将被测介质在流动中产生的与流速直接有关的力变换成另