仪表工基本常识

仪表工基本常识1在测量时往往会用到许多计算。例如：用差压法测量液位时，知道了差压，还需要乘上介质密度和重力加速度，才能获得液位；又如：在测量流量时，知道了流速，还要乘上管道截面才能获得体积流量。再通过换算获得标准流量。进一步乘上介质密度得到质量流量。再进一步乘上重力加速度得到重量流量；…………问题：这些计算是在哪里用什么方法进行的？常识：任何数学计算，它的结果都是一个客观存在而且确定的东西，而我们只需通过某种方法来找到它。比如，将两根不同刻度的标尺重合在一起，可以构成一个如下图1所示的简单计算尺。由于两根标尺刻度的关系，可以从上方标尺上的任意一点和下面标尺重合处下方的读数，得到上方标尺该点度数除以2的结果；通过同样的方法可以得到下方标尺上的任意一点乘以2的结果。在测量仪表中，我们有一根叫做测量范围的标尺，还有一根叫做指示范围的尺……。推论：刻度可以是一种计算方法：在１米长的直杆上做刻度的话，可以是3市尺或30寸，也可以是100厘米或1000毫米，当这根直杆用来测量底面积为1平米的柱形容器水位时，你可以直接以0～1000kg或者0～1000L来刻度，然后用来测量容器中水的重量或容量；同样，如果把一台4-20mA的电流表或者1-5V的电压表的刻度画成其它各种范围和单位表达的时候，可以直接读出变送器输出所代表的温度，压力，流量，液位。其实这种电流表有一个专门的名称━━指示仪。仪表工基本常识（2）——烧东西要在火焰上方对于同一种流体，由于通常温度越高密度越小（有例外，如低于4℃的水。这里不讨论）。所以容器中的流体，即使处于静置状态，其内部也会因为受热部分上升，冷却部分下降而形成对流。并且通过这种对流来传递热量。在条件适合的情况下传递距离可以很远。如果容器中的流体本身就处于下面冷上面热的状态，这种对流将会被极大的减弱。所以烧水要水在上火在下，冰镇要水在下冰在上。倒过来效率会很低很低。根据以上道理。在仪表测量中，只要在引压管的走向上，在某个局部管段形成管内介质下面冷上面热的状态，就可以有效阻断介质温度向仪表传递的过程。从而测量温度远超仪表工作范围的介质。例如：一截下降管段可以阻止介质的高温传到变送器处；一截上升管段可以阻止介质的低温影响到变送器。在引压管很短的情况下，一些仪表附件（如下图所示）可以同时形成所需要的上升管段和下降管段。你能说出几种？[hide][/hide]仪表工基本常识（3）——热电偶的温度补偿热电偶的温度补偿上面这个图，是热电偶简单（典型）的应用方式。图中：T1－测量端温度T2－接线盒温度T3－控制室温度（物理上的冷端温度）T0－冷端补偿电路的补偿温度点（理论上的冷端温度）从这个图可以知道，测量所需的热电偶温差电势E(T1,T0)，实际上是由三个电势叠加构成的：E(T1,T2)－热电偶测温元件产生的电势E(T2,T3)－补偿导线产生的电势E(T3,T0)－冷端补偿电路产生的电势这样一理顺，就可以轻松理解关于冷端补偿的几个常见问题：１、补偿导线补偿的是测温元件接线处温度与控制室温度之差；２、补偿电路补偿的是控制室温度与需要固定的理论上的冷端温度之差；３、热电偶及补偿导线用反了的后果。例如：当热电偶与补偿导线连接处的温度高于控制室温度时，补偿导线的补偿电势为正，应该是热电偶产生的热电势加上补偿导线产生的补偿电势，接反了相当于加上了一个负值会使指示偏低；当热电偶与补偿导线连接处的温度低于控制室温度时，补偿导线的补偿电势为负，应该是热电偶产生的热电势减去补偿导线产生的补偿电势，接反了相当于减去了一个负值会使指示偏高；当热电偶与补偿导线连接处的温度等于控制室温度时，补偿导线的补偿电势为零，对测量不产生影响。仪表工基本常识（4）——热电偶的补偿温度基本常识：热电偶的参考端（冷端）温度，不一定是0℃。热电偶温度变送器或卡件，都有温度补偿电路。其作用是根据热电偶中间温度定律－“热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。Tn称中间温度”。在热电偶冷端温度产生一个温度为Tn、T0时的热电势。来对热电偶冷端温度的不确定进行补偿。它实质上，就是能产生一个随参考端环境温度变化而变化的直流毫伏信号。把它串接在热电偶测量回路中测温时，就可以使参考端温度得到自动补偿。采用热电偶冷端补偿电路的根本原因，在于冷端温度的不确定。虽然热电偶的分度标准是以零度为基准的；虽然通常以冷端为零度作为基准来解释温度补偿原理。但在实际上，如果冷端温度可以固定下来，则只需计算出T(T,To)和T(T,Tn)之间的差值，在指示过程中人为制造一个相反的误差，来抵消冷端温度不为零会带来误差。就可以得到正确的测量值。所以冷端补偿电路在温度补偿中，不一定非要以零度作为基准。同时，热电偶的冷端补偿电路往往有一个适应范围，超出这个范围就无法满足补偿的要求。从适应环境，降低成本，简化线路，减小体积等多方面因素出发，选择一个适合的，不为零的温度点作为冷端补偿电路的补偿基准，就成为一种常见的做法。这个冷端补偿电路的补偿基准，称为补偿电路的补偿温度。每台有冷端补偿功能的仪表或卡件，都有这个指标。（如果没有标出则默认为0℃，常见于带冷端补偿的温度指示仪和温度变送器）补偿温度的意义在于：热电偶的温差电势E(T,Tn)与补偿电路的补偿电势E(TN,Tn）之和，等于热电偶工作端与补偿温度之间的电势Ｅ(T,TN)。当补偿电路的补偿温度点TN≠0℃时，会产生一个补偿温度点TN＝冷端基准温度T0=0℃时极少遇到的问题。即环境Tn（热电偶冷端）温度低于补偿温度点TN。对于测量需要的热电势，有：E(T,T0)＝E(T,Tn)＋E(TN,Tn)＋E(TN,T0)式中：E(T,T0)以0℃为基准的测量热电势E(T,Tn)热电偶工作端与室温（冷端）之间的温差电势E(TN,Tn)补偿电路针对补偿温度和室温（冷端）之间的温差产生的补偿电势E(TN,T0)补偿温度和基准温度（0℃）之间的温差电势（实际应用中有时不必以电势的形式出现。例如，可以将后续电路或指示仪表的零点设置为TN。）当TN=T0时，E(TN,T0)＝0；E(TN,Tn)＝E(Tn,T0)这时E(T,T0)＝E(T,Tn)＋E(TN,Tn)＋E(TN,T0)＝E(T,Tn)＋E(Tn,T0)当TN≠T0，TN≤Tn时，E(Tn,TN)＋E(TN,T0)＝E(Tn,T0)这时E(T,T0)＝E(T,Tn)＋E(TN,Tn)＋E(TN,T0)＝E(T,Tn)＋E(Tn,T0)当TN≠T0，TN＞Tn时，E(TN,Tn)是一个负值这时E(T,T0)＝E(T,Tn)＋E(TN,Tn)＋E(TN,T0)＝E(T,Tn)＋［－E(TN,Tn)］＋E(TN,T0)＝E(T,Tn)－E(TN,Tn)＋E(TN,T0)∵E(TN,T0)－E(TN,Tn)＝Ｅ(Tn,T0)∴E(T,T0)＝E(T,Tn)＋E(Tn,T0)可见，无论补偿温度是否设置为０，对于整个热电偶测量系统来说，结果是一样的。但是，补偿温度是否设置为０℃，对于热电偶测量系统不同部分的应用，会有所区别。下面是一些个人体会。大家可以讨论补充。★冷端补偿可以分为动态补偿E(TN,Tn)和定值补偿E(TN,T0)两个部分。（这个名称是我起的，仅为描述方便）显然，如果动态补偿和定值补偿在同一设备中，或者虽然不在同一设备中但可以将两项功能看做一体时，其外在表现就是补偿温度为０℃。除了分析电路外，在实际应用中，无论其工作过程是怎样的，都应看做补偿温度为０℃。★动态补偿和定值补偿可以在不同设备或单元中实现。★对于补偿单元来说，会将热电偶的电势信号从E(T,Tn）裁接成E(T,TN）。当补偿单元的输入为0时，输出为TN。这和补偿温度没有关系。但对于习惯了补偿温度为0℃的人来说，容易造成困惑。★对于补偿单元之后的部分（如显示仪）来说，需要产生一个相当于E(TN,T0)的信号。换句话说，就是当显示仪输入为0时（不带补偿器），显示仪应当指示TN。对于习惯了TN=T0=0℃的人来说，容易产生疏忽。★将补偿的温度范围的中点设置在冷端所处环境温度变化中点，是一种提高器件性价比的方式。所以采用补偿温度不为0℃的补偿单元，在设计时都会有自身的考虑。例如把补偿温度设为常见的室内平均环境温度20℃；再如在密集安装的热电偶输入卡件会采用30℃的补偿温度；一些现场安装的补偿单元甚至会定为50℃。需要注意的是，在一些补偿温度明显高于通常会产生的环境温度的情况下，如密集安装的热电偶输入卡件将补偿温度定为30℃。有很大可能热电偶冷端所处的实际位置（卡件内部）的温度会高于环境温度。如果拿控制室墙上的温度计当作冷端温度往往会产生偏差。（个人经验：这时候直接拿补偿温度作为冷端温度，偏差不会太大。）仪表工基本常识（5）——拿U形管说事１对于U形管（图1）有：P1-P2=h·g·ρ或P2=P1-h·g·ρ将两个Ｕ形管串联（图２）有：P1-P3=h1·g·ρ或P3=P1-h1·g·ρP3-P2=h2·g·ρ或P2=P3-h3·g·ρ两式相互代入则有：P2=P1-(h1+h2)·g·ρ就是说，当用管子连接压力P1时。若管子在垂直方向形成U形弯，并有液体存在。则无论在P2还是P3位置测到的压力都和P1有所不同。将上图中的Ｕ形管的两个接口，像两边拉到很远，Ｕ形管看上去会像水平直管，但Ｕ形管的效应仍然存在。在化工测量中，会大量用到引压管线。这些引压管上上下下同样会形成Ｕ形管（虽然形状不再是Ｕ形）。所以，在引压管敷设时会有要求：仪表工基本常识（６）——拿U形管说事２━━关于连通管类液位计的误差在一台直立放置的Ｕ形管内注入适量的密度为ρ1液体，例如水，两侧的液面应该等高。然后在Ｕ形管的一侧（这里设定为右侧）注入适量的密度为ρ2，ρ1＞ρ2，且不与原有液体相容的液体，例如油（如图所示）这时，右侧的液面会高于左侧的液面。这是因为：∵Ｕ形管最低处两侧的压力相等；∵h12=h22液体密度相等且等高，两相抵消；∴h1×ρ1＝h2×ρ2或ρ1/ρ2＝h2/h1（这个原理可以用来测量液体的比重或密度）∵ρ1＞ρ2∴ｈ2＞h1这个例子说明，使用连通管的液位计，在特定的场合或对测量精度要求很高的情况下，有时也会靠不住。在绝大多数情况下，这种误差都是可以容忍的。但在一些较大（高）的，需要靠液位计量的储罐上，这种误差就显得较为突出。例如，一台量程1米的直读式液位计，误差1%是10mm；但量程10米的直读式液位计，同样误差1%，误差就是100mm。解决方法是把误差分散开来（如图）。假使用10台1米的液位计来测量10米的罐子，误差就能控制在10mm。这种误差产生的规律：外测管内的介质密度有大于容器内介质密度趋势时，上述误差不会产生。原因参考仪表工基本常识（2）——烧东西要在火焰上方可能（容易）产生这种误差的情形：环境温度高于容器内部；介质中部分组分容易产生相变；介质为混悬液……仪表工基本常识（7）——拿U形管说事３━━单管压力计和凝液罐往U形管一侧输入压力，一侧的液柱下降，另一侧则上升（见图1）。因为液体是从一侧流到另一侧的，所以一侧减少的液体体积等于另一侧增加的体积。即S1×h1＝S2×h2，或S1/S2＝h2/h1其中S1，S2分别为两侧管子的截面积。由此可知：两侧液柱高度变化之比，与管道截面积之比成反比。将Ｕ形管的一侧的截面积做得大于大于另一侧（见图2），这时输入压力P1时左侧液柱的变化量h1相对右侧的液柱变化量h2几乎可以忽略。这时若在右侧的刻度上稍作补偿，就可以通过右侧的液柱直接读出压力值，而无需计算两个液柱之差。这种压力计称单管压力计。从单管压力计的原理出发，发散一下思维，可以看出，当某种影响液面高低的因素发生时，液面的面积越大，液面高低变化受到的影响越小。在影响因素同样大小的前提下，液面高低变化受到的影响和液面表面积成反比。在图３所示的管路中，若同样大小的影响因素在管道２中对液面高低会产生明显影响时，对管路１的液面影响可以被忽略。图３可以表达哪种仪表附件的原理示意？仪表工基本常识（８）——拿U形管说