石油化工过程测量仪表

第二章石油化工过程测量仪表第一节概述第二节温度检测及仪表第三节流量检测及仪表第四节压力检测及仪表第五节物位检测及仪表第一节概述一、参数的测量参数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示和传递的信号的过程。传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。传感器的输出信号种类多，一般需要将其转换成如0～10mA、4～20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为变送器。被测变量传感器参数检测的基本过程被测对象变送器显示装置被测变量传感器参数检测的基本过程被测对象变送器显示装置二、检测仪表的性能1.准确度与误差准确度：测量值与的接近程度。绝对误差：仪表测得的测量值xi与被测真值xt之差。相对误差：绝对误差与被测量真值之比。–实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比；–示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比；–引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。允许误差：最大引用相对误差。精确度（简称精度）：仪表检测微小参数变化的能力。我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等被测真值真实值例1：某台测温仪表的测温范围是200~700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为+4℃，试确定该仪表的精确等级解：该仪表的相对百分误差为δ=(+4)/(700-200)*100%=+0.8%该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，因此该测温仪表的精度等级为1.0级例2：某台测温仪表的测温范围为0~1000℃，根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±7℃，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？解：根据工艺要求，仪表的允许误差为δ=(±7)/(1000-0)*100%=±0.7%如果选择精度等级为1.0的仪表，其允许的误差为±1.0%，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。二、检测仪表的性能2.变差变差：在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对相同的被测参数进行正、反行程测量，被测量值正行和反行所得到的两条特征曲线之间的最大偏差：被测变量仪表输出下行程上行程max被测变量仪表输出下行程上行程maxmax100测量范围上限－测量范围下限变差％二、检测仪表的性能3.灵敏度、灵敏限与分辨力灵敏度：仪表指针的线位移或角位移，与引起该位移的被测参数变化量之比值，即灵敏限：能引起仪表指针发生位移的被测参数的最小变化量。通常仪表的灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。分辨力：数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。灵敏度和灵敏限一般适用于指针式仪表；而分辨力一般适用于数字式仪表。xS二、检测仪表的性能4.线性度通常情况下，希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性关系几乎所有的仪表都无法达到这样的效果线性度：测量仪表在全量程范围内输出量和输入量的对应关系与理论直线的吻合程度。★其中△fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差被测变量仪表显示值maxfmax100ff测量范围上限－测量范围下限％二、检测仪表的性能5.反应时间反应时间：显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。这是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。一般将仪表的输出信号（即指示值）由开始变化到新稳态值的63.2%或95%所用的时间来表示反应时间。三、工业仪表的分类按被测参数分类：–温度、压力、流量、物位测量仪表和成分分析仪表等；按使用性质分类：–标准表。准确度高，一般用来校准工业用表和准确测量；–工业用表。准确度较低，生产上用于测量被测参数；按显示方式分类：–指示仪、记录仪、计算仪、调节仪。调节仪除了显示被测参数外，还具有调节被测参数的作用；按显示方式分类：–基地式仪表是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳内，形成一个整体。这种仪表适用于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制–单元组合仪表将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，如变送单元、显示单元、控制单元等）。分电动单元组合和气动单元组合仪表，分别简称DDZ、QDZ第二节温度检测与仪表温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数–所有的过程都是在一定的温度条件下进行的；–温度决定一些反应能否进行和反应方向；–温度决定一些反应的进程程度；–温度显示反应的能量变化。温度不能直接测量。温度的测量都是借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及通过温度传递到敏感元件后，其物理性质随温度变化而进行的。温度计的分类按测量范围分：高温计（600℃以上）、温度计（600℃以下）按用途分：标准仪表、实用仪表按工作原理分：膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、辐射高温计按测量方式分：接触式温度计、非接触式温度计常用温度计的种类及适用温度CCCCCCCCCCCCCCC2000~200:3500~0:1700~900:3200~700:2000~400:150~50:600~200:600~50:1000~50:1600~0:250~0:600~20:600~30:600~80:600~50:热电式光电式红外线比色光辐射热辐射辐射式非接触式、铜热电阻：铂考铜镍铬镍硅镍铬铂铂铑热电偶蒸汽气体液体压力式双金属玻璃液体膨胀式接触式温度计温标–摄氏温度。将标准大气压下纯水的冰点为0度，沸点为100度，在0～100之间分100等分，每一等分为1摄氏度，用符号t表示，单位为℃–华氏温度。将标准大气压下纯水的冰点为32度，沸点为212度，在32～212之间180等分，每一等分为1华氏度，符号为℉–摄氏温度与华氏温度之间的关系为：o1.832FFCtt一、膨胀式温度计玻璃液体温度计（液体膨胀式）–利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度t=t0tt0双金属温度计（固体膨胀式）–不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度二、压力式温度计利用液体蒸发或气体膨胀而引起的压力变化进行测量。根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理制成，并用压力表来测量这种变化从而得到温度。组成部分：–温包：直接与被测介质相接触来感受温度变化的元件。用于传热、容纳膨胀介质；要求其具有高强度、低膨胀系数、高热导率、抗腐蚀性等–毛细管：传递压力变化；其直径越细、长度越长，则传递压力滞后现象越严重–弹簧管：压力表使用的弹性元件显示压力（温度）。三、辐射式高温计辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。目前它已被广泛用来测量高于800℃的温度。在化工生产中，使用最多的是利用热电偶和热电阻这两种感温元件来测量温度四、热电偶温度计1.热电偶工作原理–以热电效应为基础，由两种不同材料的导体A和B焊接而成–不同金属具有不同的电子密度；–两种金属接触面因为电子扩散作用而产生电场—热电现象；–电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；++--扩散作用电场作用金属A金属BABBA热电偶示意图ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)热电现象ABBA热电偶示意图ABBA热电偶示意图ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)热电现象ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)热电现象四、热电偶温度计1.热电偶工作原理–接触电势差仅与两金属材料及接触点温度有关，温度越高金属中自由电子越活跃，由A迁移到B的自由电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度也增加，因而接触电动势也增高。由于这个电势太小，在热电偶材料确定后只和温度有关，故称热电势。–如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零。++--扩散作用电场作用金属A金属BABBA热电偶示意图ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)热电现象ABBA热电偶示意图ABBA热电偶示意图ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)热电现象ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)热电现象2.热电偶的材质与选择热电偶的材质要求：–单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；–热电性质稳定；–化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；–具有较好的延展性，易于加工；–复现性好，便于批量生产和互换。不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择–测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。3.热电偶的结构热电极–工作部分，组成热电偶的两根热偶丝。正负热电极的材料不同。绝缘子–防止电极与电极、套管短路。材料的选取由使用温度范围而定。保护套管–保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。材料要求耐高温、耐腐蚀、能承受温度剧变、有较好气密性、高热导系数。接线盒–供热电极和补偿导线连线之用。4、关于分度号的讨论热电偶的分度号有主要有S、R、B、N、K、E、J、T等几种。S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶T、S分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1400℃短期1600℃。在所有热电偶中，S分度号的精确度等级最高，通常用作标准热电偶；R分度号与S分度号相比除热电动势大15%左右，其它性能几乎完全相同B分度号在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线。它的长期使用温度为1600℃，短期1800℃。可在氧化性或中性气氛中使用，也可在真空条件下短期使用。N分度号的特点是1300℃下高温抗氧化能力强，热电动势的长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好，可以部分代替S分度号热电偶；K分度号的特点是抗氧化性能强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃。在所有热电偶中使用最广泛；E分度号的特点是在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃；J分度号的特点是既可用于氧化性气氛(使用温度上限750℃)，也可用于还原性气氛(使用温度上限950℃)，并且耐H2及CO气体腐蚀，多用于炼油及化工；T分度号的特点是在所有廉金属热电偶中精确度等级最高，通常用来测量300℃以下的温度。5.热电偶的补偿热电偶的导线补偿–用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定的控制室内；冷端温度补偿–将冷端浸泡在恒温0℃的冰水中；–更多情况下采用冷端温度修正方法+-补偿导线测量电路热电偶补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用；补偿导线的材质不同，接线时应特别注意不能接错。6.热电偶回路不同金属连接在一起都构成热电偶作用；热电偶回路电动势为各接点热电势的总和；对于有外接导线的热电偶回路，其总电动势为热端与冷端热电动势之差。000000)()(0)()(teteEteteteteteteEABABtCABCABCABCABt热电偶测量的关键是如何保证冷端的温度例：用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E(t,t1)=66982μV，而自由端的温度t1=30℃，求被测的实际温度。解：由附录2（P307）可以查得E(30,0)=1801μV,则E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=66982+