过程参数检测及仪表复习资料
（一）绪论
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。
分辨率反映仪表对输入量微小变化的反应能力。
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。
(二)温度测量
定量地表示物体温度数值大小的尺度称为温度标尺，简称温标。建立温标（1）选定测温物质的性质；（2）定义固定点温度（3）确定内插仪器和公式，得到温度的单位。
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）
我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。
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。
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。
三线制接法（平衡） 热电阻引线的三线制
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
（三）非接触式测温 特点：不存在因接触传热而产生的测温传热误差；理论上讲，测温上限不受测温传感器材料的限制，可高达2000℃以上；动态性能好，反应快等,可测运动物体的温度。因低温下物体的辐射能力很弱，因此辐射式仪表多用来测700℃以上的高温。但用红外测量仪表，也可测低达100℃左右的温度。
光学高温计 理论依据：普朗克定律 由光学系统与电气系统两部分组成。光学系统包括物镜、目镜、灯泡、红色滤光片、灰色吸收玻璃等。电气系统包括灯泡、电源、调整电阻及测量线路。
如全辐射体的单色亮度与温度为T 的实际物体的单色亮度相等，则全辐射体的温度称为该实际物体的亮度温度，并以Ts 表示。
影响光学高温计测量精确度的因素比较多，主要有以下几个：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。
222
2d c f t εεεεε+++=
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。
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。
（四）压力测量
绝对压力：以参考零点０所表示的压力称为绝对压力。
表压力：以大气压力为参考零点所表示压力称为表压力。
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。
液体压力计的测量误差分析及其修正：1. 毛细现象2．温度变化对测量结果的影响与修正3．重力加速度对测量结果的影响与修正4．读数误差
弹性式压力计特点：它的结构简单，使用操作方便，性能可靠，价格便宜，可以直接测量气体、油、水、蒸汽等介质的压力。其测量范围很宽，可以从几十帕到数吉帕。它可以测量正压、负压和差压。分类：可分为机械弹性式压力计和弹性式压力变送器两类。
弹性式压力计主要由弹性元件、机械传动放大机构、指示机构、外壳、机座等部分构成。弹性式压力计中的弹性元件主要有膜片、膜盒、弹簧管、波纹管等。
弹性元件的特性(1)蠕变和疲劳形变：弹性元件经过长时间的负荷作用，当负荷取消后，不能恢复原来的形态，这种特性称为弹性元件的蠕变。(2)弹性迟滞：弹性元件在弹性范围内加负荷与减负荷时其弹性形变输出特性曲线不重合，这种特性称为弹性迟滞。(3)弹性后效：当加在弹性元件上的负荷停止变化或被取消时，弹性元件的形变并不是立即就完成，而是要经过一定的时间才完成相应的形变，这种特性称为弹性后效。（4）弹性特性（5）刚度和灵敏度（6）温度特性
1151系列电容式压力(压差)变送器特点：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。
差动式压力(差压)—电容转换关系
测量电路的作用：一 完成电容—电流的转换，转换成的电流为直流并与⊿d 成正比。这由解调器、振荡器、振荡控制放大器完成。
二 对转换成的直流电流信号进行控制放大使之成为4～20mA ，DC 输出，并能实现零点、量程、阻尼调整等功能。这由调零电路、量程调整电路、电流控制放大器、电流转换电路(功率放大)、阻尼调整电路等完成。
三 输出电流限制和外接电压保护功能，这由电流限制电路和反极性保护电路完成。
四 线性调整功能，这由线性调整电路完成。
工业弹簧管压力表的检定与调整(1)检定方法: 比较法(2)主要检定项目:基本误差、变差、零位、指针移动的平稳性、轻敲表示值的变动量、外观检查等.(3)调整可调整的部位：指针的定位、曲柄长度（OB=r)、拉杆与曲柄之间的初始夹角以及游丝的松紧等。
（五）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。按测量方法和结构分类将流量计分成差压式流量计、容积式流量计、浮子流量计、叶轮式流量计、电磁流量计、流体振荡流量计、超声波流量计、质量流量计、插入式流量计、明渠流量计和其它流量计（包括激光流量计，靶式流量计、冲量流量计和标记法流量计等）11大类。
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。
流量计的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。 流量计的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。
流量计的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。
流量计的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。在此过程中，流体的压力p 与比容v 的k 次方的乘积为常数，即 常数k 称为等熵指数。
转子流量计按锥形管材料的不同，分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计。玻璃管转子流量计耐压能力低，一般为就地直读式。金属管转子流量计耐压能力高，一般有就地指示型和信号远传型。
特点：1、适用于小管径和低雷诺数的中小流量测量；2、压力损失较低；3、上游直管段的要求较低；4、测量范围宽。 #
（六）节流装置
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。
02121d d C C C C ?=+-
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 ）。 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。
我国GB/T2624—93标准中规定的标准节流装置有：
角接取压标准孔板、法兰取压标准孔板、D 和1/2D 取压标准孔板、角接取压标准喷嘴（ISA1932喷嘴）、长径喷嘴（D 和1/2D 取压）、经典文丘里管（入口圆筒段上取压和喉部取压）、文丘里喷嘴（上游角接取压和喉部取压） # 角接取压标准孔板的适用范围：d ≥12.5mm ，50mm ≤D ≤1000mm ， 0.2≤β≤0.75， ReD ≥5×103（0.2≤β≤0.45）， ReD ＞104（β＞0.45）。
法兰取压和径距取压标准孔板的适用范围：d ≥12.5mm ，50mm ≤D ≤1000mm ，0.2≤β≤0.75，ReD ≥1260β2D （D ：m ）。 #
流量公式 不可压缩
可压缩
流量公式中各量的单位为：体积流量qV —m3/s ；质量流量qm ——Kg/s ；直径d 或D —m ；密度ρ1—kg/m3；差压Δp —Pa 。 #
对于一定形式的标准节流装置，其流量系数α和流出系数C 仅与β和雷诺数ReD 有关。当雷诺数大到一定值后，α和C 就与雷诺数值无关，趋于一定值。 #
（七）液位测量
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
锅炉汽包水位测量对象的动态特性是指锅炉给水流量、蒸汽流量或燃烧率扰动时汽包水位变化的特性。1.给水流量扰动造成给水流量与蒸汽流量不平衡时，汽包水位响应特性2.蒸汽流量扰动时，汽包水位响应特性
p d C q m ?-=ρπβ24124ρπβp d C q V ?-=24124p d C q m ?-=124241ρπεβp D C q m ?-=1224241ρβπεβ124241ρπεβp d C q V ?-=1224241ρβπεβp D C q V ?-=
当锅炉负荷急剧变化时，例如蒸汽流量快速增加，此时，汽包压力将随之快速降低，对应的饱和水温度降低，于是汽包水平面以下的水容积中的一部分水会汽化而生成汽泡，造成汽包水位抬高，由于炉水汽化造成的水位抬高速度快于汽水不平衡造成的水位下降速度，因而出现“假水位”现象。反之，当蒸汽流量快速减少时，汽包压力增加，由于对应的饱和水温度升高，使汽包水平面以下水容积中的一部分汽泡变成水，汽泡含量减少，造成水位先行降低的“假水位”现象。
危害：当“假水位”超过汽包水位紧急停炉水位值时，同样也会造成炉水被带入过热器，甚至汽轮机中，轻则造成蒸汽品质恶化、含盐量增加，重则进入主蒸汽管道和汽轮机的蒸汽中含水造成水冲击 。 # 汽包正常水位(Normal Water Level ，NWL)是指锅炉正常运行过程中汽包中的水位应该保持的高度，一般称为汽包的零水位。 #
推荐新建锅炉应配置1套就地水位计、3套差压式水位测量装置和3套电极式水位测量装置，这三种工作原理共存的配置方式较为理想。3套差压式水位测量装置用于汽包水位控制系统，3套电极式水位测量装置用于汽包水位保护系统，1套就地水位表因是无电源的，可以作为电源消失时的最后监视保证。建议锅炉启动时应以电极式汽包水位测量装置为主要监视仪表，这种配置也能满足这种要求。 # 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-+-=?p p p 0000()()()()()()()()a w s a s w s a s
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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。
（八）成分分析
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。