仪表与自动化(何道清)(二版) 第3章 检测仪表与传感器-2

3.4物位检测及仪表3.4.1概述液位计——测液位物位仪表料位计——测固体或颗粒状物质的料位界面计——测密度不同且互不相溶的两种液体介质的分界面物位检测的目的：确定物质的体积或质量，物位绝对值准确；保持物位一定高度，以及超限报警物位相对值准确。监测物料平衡3.4.1概述物位计仪表的类型：直读式物位仪表；差压式物位仪表；浮力式物位仪表；电磁式物位仪表；核辐射式物位仪表；声波式物位仪表；光学式物位仪表；……。3.4.2差压式液位变送器1.工作原理容器内液位改变，液柱静压相应变化。如图3-43所示。图3-43差压液位变送器原理图由图3-43知p1=p+gH；p2=pp=p1p2=gHH—液位高度；—介质密度；g—重力加速度；p1、p2—分别为差压变送器正、负压室的压力。当H=0时，p=0，无零点迁移。对于敞口容器，可以直接用压力表测液位（压力表按液位刻度），如图3-44所示。图3-44压力表式液位计3.4.2差压式液位变送器3.4.2差压式液位变送器2.零点迁移问题负迁移实际液位测量时，在差压变送器正、负压室与取压点之间安装有隔离室，并充有隔离液（2且21），如图3-45所示。图3-45负迁移示意图由图3-45知p1=2gh1+1gH+p0；p2=2gh2+p0由此可得p=p1p2=2gh1+1gH+p02gh2p0=1gH(h2h1)2g当H=0时，p=(h2h1)2g≠0，有零点迁当有零点迁移时，必须采用“零点迁移”的办法使H=0时，p=0，DDZ-Ⅲ型差压变送器零点输出I0=4mA。“零点迁移”相当于测量范围平移，不改变仪表原来的量程。对于图3-45所示的情况，迁移量为(h2h1)2g调节液位检测仪表上的迁移弹簧来抵消“零点迁移”量，实现零点迁移。图3-46正、负迁移示意图3.4.2差压式液位变送器正迁移：图3-46为正迁移情况。由图3-46知p=p1p2=g（h+H）+p0p0=gH+gh当H=0时，p=gh（正迁移）。图3-46正迁移示意图3.4.2差压式液位变送器3.4.2差压式液位变送器图3-47法兰取压式差压变送器测量液位示意图1-法兰式测压头；2-毛细管；3-变送器3.用法兰取压式差压变送器测量液位3.4.3电容式物位计1.测量原理柱形电容器（如图3-49（a）所示）电容量为dDLCln21图3-49柱形电容器测物位原理图3.4.3电容式物位计2.液位检测如图3-49（b）所示，液位H=0时液位上升为H时，dDLCln210dDHLdDHCln2ln212电容量的变化Cx为KHHdDCCCxln2120dDKln212式中，—比例系数。可见电容量的变化Cx与液位高度H成线性关系。图3-49柱形电容器测物位原理图3.4.3电容式物位计3.料位检测采用金属棒作为内电极，金属容器壁作为外电极，如图3-49所示。电容量为KHHdDCxln20式中，K—比例系数；0—空气电介常数；—物料的电介常数。02lnKDd图3-49料位检测1-金属棒内电极；2-金属容器外电极3.4.4核辐射检测利用放射性同位素辐射的射线，穿过一定厚度介质的衰减规律来测物位。式中，—介质对射线的吸收系数；H—介质层的厚度；I—穿过介质后的射线强度；I0—入射射线强度。HeII0图3-51核辐射物位计示意图1-射线源；2-接受器核辐射射线检测属非接触测量，具有一系列独特的优点。当射线对人体有害，应注意安全防护措施。3.4.5称重式液罐计量仪石油石化行业大型贮罐要求测量准确。温度引起体积变化，贮罐内介质的质量储量难测准。称重仪根据天平原理设计，如图3-51所示。p1、p2作用于波纹管1、2，其差压p产生力矩（测量力矩）使杠杆失衡，可逆电机工作移动砝码5，使其力矩去平衡测量力矩。杠杆平衡时，(p1p2)A1L1=MgL2式中，M—砝码质量；g—重力加速度；L1、L2—杠杆臂长；A1—波纹管有效面积。1-下波纹管；2-上波纹管；3-液相引压管；4-气相引压管；5-砝码；6-丝杠；7-可逆电机；8-编码盘；9-发讯器图3-51称重式液罐计量仪3.4.5称重式液罐计量仪（p1p2)A1L1=MgL2由于p1p2=gHHKHMLAL112MLAK11式中，—仪表常数；—被测介质密度。如果液罐截面均匀，设截面积为A，于是贮液罐内总的液体储量M0为M0=AH，即H=M0/A002MKMAKLi式中，AMLAAKKi11—仪表常数，可见L2与贮液罐内介质的总质量储量M0成比，而与介质密度无关。由此可得代入前式得3.4物位检测及仪表作业：3-52，3-54，3-56。3.5温度检测及仪表温度是非常重要而且最普遍的工程参数；在生产过程自动化中，温度是非常重要的检测、控制指标。油气集输、加工处理自动化过程，温度自动控制；油气计量，温度自动检测；等3.5.0温度测量的基本概念1.温标温度的基准量，规定温度的始点（零度）和测量温度的基本单位。温标的三要素：温度固定点，标准温度计(测温物质)，内插公式。2.热力学温标（K）1848年英国开尔文（L.Kelvin)提出以以热力学第二定律为基础的热力学温标，选定水的三相点为273.16K，定义水的三相点温度的1/173.16为1度，单位为开尔文，简称K(1954年国际计量会议)。热力学温度也称为绝对温度。3.5.0温度测量的基本概念3.国际实用温标（IPTS-68，ITS-90）温度的基本单位与热力学温标相同，其标度具有11个固定点。如表3-0所示。测量各固定点之间温度值得方法：13.81K~630.74℃范围内用基准铂电阻温度计进行插补，电阻-温度关系由一个已知的插补函数确定；630.74℃~1064.43℃范围内，采用铂铑-铂热电偶作为标准仪器。3.5.0温度测量的基本概念4.摄氏温标和华氏温标摄氏温标:标准大气压下冰的熔点定为零度（0℃），水的沸点定为100度（100℃）。在0℃和100℃之间划分为100等份，每一等份为一摄氏度(1℃）（1742，瑞典摄尔萨斯，A.Celsius)。华氏温标：规定标准大气压下冰的熔点为32℉，水的沸点为212℉，其间划分为180等份，每一等份为华氏一度(1℉）(1714,德国华林海特,G.D.Fahrenheit)。人的体温约为100℉。摄氏温度t与热力学温度T、华氏温度tF和之间的关系:T=273.16+t,t=T273.16)32(95,3259FFtttt3.5.1温度检测方法温度检测可分为接触测量（热交换）和非接触测量（热辐射）两类。具体分类见表3-1。表3-1常用温度计的种类及其优缺点3.5.2简单温度计（1）膨胀式温度计——利用物体受热体积膨胀原理玻璃温度计（液体）；双金属温度计（固体）；双金属片制成螺旋形感温元件。主要用于温度检测、控制。图3-52双金属片图3-53双金属温度信号器1-双金属片；2-调节螺钉；3-绝缘子；4-信号灯3.5.2简单温度计膨胀式双金属温度计（常用于工业现场温度就地检测显示）双金属片螺旋形感温元件1-指针;2-表壳;3-金属保护管;4-指针轴;5-双金属感温元件;6-固定端;7-刻度盘3.5.2简单温度计（2）压力式温度计——基于压力随温度变化原理压力式温度计如图3-54所示。由温包（感温元件）、毛细管（传递压力）、弹簧管、指针、刻度盘等组成。图3-54压力式温度计结构原理图l-传动机构；2-刻度盘；3-指针；4-弹簧管；5-连杆；6-接头；7-毛细管；8-温包；9-工作物质3.5.2简单温度计（3）辐射式高温计——基于维恩（Wien）位移定律物体热辐射能量随辐射波长变化，辐射能谱峰值波长m与物体自身的温度T成反比，即m=2898/T（m）式中，T—物体的温度(K)；m—物体热辐射能谱峰值波长。从上式可知，物体的温度T=2898/m辐射式高温计被广泛地用来测量高于800℃的温度。图3-54'黑体发射本领按波长和温度的分布工业用温度检测仪表生产过程自动化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。热电偶：tEAB(t,t0)标准信号（4~20mA）热电阻：tRt标准信号（4~20mA）3.5.3金属热电阻温度计1.原理与感温材料原理：温度电阻电阻-温度效应——大多数金属导体的电阻都随温度而变化。电阻－温度特性方程：Rt=R0(1+t+t2+…)热电阻感温元件：纯金属材料，其性能要求：大则灵敏度高；理化性能稳定；恒定，以保证线性关系；大，体积尺寸小；复现性好。3.5.3金属热电阻温度计2.铂热电阻（WZP）结构材料：φ0.02～0.07mmPt丝绕在云母等绝缘骨架上，装入保护套管，接出引线，＝0.0981×10－6Ω·m；或箔式结构，薄膜式结构。图3-55铂热电阻的结构3.5.3金属热电阻温度计测温范围和应用：－259.34～630.74℃；温度基准、标准用；百度电阻比：W(100)——纯度；W(100)＝R100/R0基准铂热电阻：W(100)≥1.39256，纯度99.9995％，精度：0.001℃～0.0001℃工业用标准热电阻：W(100)≥1.391，精度：200℃～0℃，1℃；0℃～100℃，0.5℃100℃～650℃，(0.5％)t电阻—温度关系：Rt=R0(1+At+Bt2)0℃≤t≤650℃Rt=R0(1+At+Bt2+C(t－100)t3)200℃≤t≤0℃其中A、B、C与W(100)有关，见相关资料。在测温范围不大时，基本线性。分度号：Pt100，（R0=100Ω）；Pt50，（R0=50Ω）；Pt1000，（R0=1000Ω）；等。分度表：见第3章末附表2。3.5.3金属热电阻温度计3.铜热电阻（WZC）结构材料：Cu丝绕制，＝（4.25～4.28）×10－3/℃＝0.017×10－6Ω·m；测温范围和应用：50℃～100℃，工业用温度计；百度电阻比：W(100)≥1.425，精度：50℃～50℃，0.5℃，50℃～100℃，(1％)t电阻－温度特性：Rt=R0(1+t)，在测温范围内线性。分度号：Cu100，Cu50，等。分度表：见第3章末附表3、4。另外，铁、镍材料也可制作热电阻温度计。3.5.3金属热电阻温度计4.热电阻测量线路直流电桥线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响，常采用三线接法和四线接法。如图3-56、图3-57所示。其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流10mA。图3-56热电阻测温电桥的三线连接法图3-57热电阻测温电桥的四线连接法3.5.4热电偶温度计热电效应热电势EAB（T,T0）或EAB（t,t0）1.热电偶的工作原理热电效应：将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭合回路（称为热电偶，见图3-58），若两接触点温度(T、T0)不同，则回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势效应或塞贝克（Seebeck）效应(1823)。回路中的电势称为热电势或塞贝克电势，用EAB（T,T0）或EAB（t,t0）表示。图3-58热电效应热电偶：热电极（导体A、B）；测量端（热端或工作端）T（或t）；参考端（冷端或自由端）T0（或t0）。3.5.4热电偶温度计Peltier效应——接触电势自由电子密度不同的两种金属接触处，由于电子的扩散现象在接触点处形成接触电势或Peltier电势，此现象称为Peltier效应。接触电势为BAABnnekTTEln)(BAABnnekTTEln)(00接触点T处接触电势：接触点T0处接触电势：总接触电势：式中，k—玻尔兹曼常数(1.381023J/K)；e—电子电量；nA、nB—分别为电极A、B材料的自由电子密度。BAABABnnTTekTETEln)()()(003.5.4热电偶温度计Th