1、仪表专业考工定级培训教程化工测量及仪表基础知识2014 年 11 月 12 日一、测量的基本知识在化工生产过程中，常常要对过程的压力、温度、物料的物位、流体的流量，物质的性质、成分等被测量进行测量和调节。而化工测量就是依据不同的测量原理，借助各种化工测量仪表来自动地。连续地检测上述各被测量的变化情况，并将测量结果自动地指示或记录下来，以便于操作者根据各被测量的变化情况进行更好的生产操作。因此，人们常说化工测量是化工生产的“眼睛” 。第一节：测量的基本知识1测量的定义所谓测量，就是通过专门的技术工具，用试验和计算的方法，把要求的被测量与其测量单位（国际上或者国家公认的）进行比较，求出二者的比值，
2、从而得到被测量的量值。.测量的基本公式：XgV其中 X被测量，g被测量与测量单位的比值，V测量单位2测量过程将被测参数与其测量单位进行比较的过程。能自动实现被测参数与其测量单位进行比较的过程的测量称自动检测。3测量变换把被测量按一定的规律转变成便于传输或处理的另一种物理量的过程。最简单的也是最理想的变换规律是线性变换规律，即变换前后的参数之间成比例。4测量方法按比较方法分：直接比较法、间接比较法。按仪器的操作方法分：直读法、零位法、微差法。第二节：测量误差的基本知识1误差的基本概念就仪表测量专业而言，误差就是仪表测得的测量值与真实值之间的差值。2误差的分类一般按误差出现的规律分类，可以分为一下
3、几类。（1）系统误差（又称规律误差） 即大小和方向都不改变的误差；或在条件改变时，按一定规律变化的误差。这类误差在测量中是容易修正的，因为它们是有规律的。产生系统误差的主要原因：a.仪表本身的缺陷；b.使用仪表的方法不正确；c.观察者的习惯或偏向；d.单因素环境条件的变化等。.系统误差决定了测量的正确度。系统误差愈小，测量就愈正确。（2）随机误差（又称为偶然误差）指服从于统计规律的误差。它是由许多复杂因素微小变化的总和引起的。它不易被发觉，也不好分析，还难于修正。这类误差的大小与测量次数有关，它的算术平均值将随测量次数的增多而减小（但不是线性关系） 。.随机误差决定了测量的精密度。它的平均值愈
4、小，测量愈精密。（3）疏失误差：它是一类显然与事实不符的误差。没有任何规律可循。产生随机误差的主要原因：a.操作者粗枝大叶；b.操作者过度疲劳；c.操作有错或者偶然一个外界干扰等。这类误差在测量中是不允许的，其测量结果是无效的。但它易被发觉。一旦发现，就应剔除。（4）缓变误差：即数值上随时间缓慢变化的误差。产生这类误差的主要原因多为零件老化所致，其特点是单调缓慢变化，故可在某瞬时引进校正值加以消除；但经过一段时间后，又需要重新进行校正，以消除新的缓变误差。.由以上可知，系统误差一般只需一次校正，而缓变误差则需经常校正。第三节：测量仪表的基本知识1. 测量仪表的基本组成 测量仪表一般是由传感器、
5、变换器和显示装置三部分组成， 。他们的关系如下图所示：被测量 测量值传感器 变换器 显示装置a.传感器 它是仪表与被测对象直接发生联系的部分，它将决定整个仪表的测量质量。作用：感受被测量的变化，并将感受到的参数信号或能量形式转换成某种能被显示装置所接收的信号（若此信号是标准信号，则可把这种传感器叫做变送器） 。如热电偶、热电阻、节流装置等等，就是传感器的具体例子。对传感器的要求：输入与输出之间应有单值函数关系，最好是线性关系；其输出不受被测量的影响；消耗的能量要小（即不影响被测对象的状态或影响极小） 。传感器也可称为检测元件或感测元件或敏感元件。b.变换器 为了将传感器的输出进行远距离传送、放
6、大、线性化或变换成统一的信号等，需要用变换器来对传感器的输出作必要的加工处理。如压力表的传动机构、差压式流量计中的开方器等就是这种变换器的例子。c.显示装置 向观测者显示被测量的值。2. 测量仪表的基本技术性能一台测量仪表的质量好坏，可用它的技术性能来衡量。下面简单介绍常见的几项基本技术性能。（1）测量仪表的精确度和精确的等级测量仪表的精确度（简称精度）代表了其测量结果与真值的一致程度。它包含了两个方面的意思，即精密度与准确度（或叫正确度） ，精密度高的仪表偶然误差就小；准确度高的仪表系统误差就小。因此，精确度高的仪表意味着其系统误差和偶然误差都小。测量仪表的精度等级（简称精度级）是按仪表精确
7、度高低来划分的。仪表的精度级是用国家规定的一系列数字来表示的。其数值愈小，则精度愈高。测量仪表的精确度的确定，要先从仪表的误差讲起。所谓仪表的误差，是指测量中由仪表本身引起的误差，它有以下几种表示形式：a.仪表示值误差（绝对误差）=（指示值）（计量检定值）仪表示值误差在其标尺范围内个刻度点上的大小往往是不同的。它们是被检表与标准表同时对统一参数进行测量所得的两个示值之差。我们常说的某仪表的示值误差值得是全标尺范围内各刻度点上的绝对误差的最大值。因为每台仪表的标尺范围不同，因而即使有相同的绝对误差的两台仪表也可能有不同精确度。b.仪表示值相对误差=仪表示值误差/指示值同一台仪表的整个测量范围内，
8、相对误差不是一个定值，它将随被测量的值而变化，当被测量趋于零时，相对误差在理论上讲趋于无穷大。c.仪表引用误差=仪表示值误差/仪表标尺范围一般用百分数来表示：=（ max/标尺上限刻度标尺下限刻度）100%仪表的引用误差 max仪表的最大绝对误差在仪表制造厂家，根据仪表设计、制造的质量，使其出厂的仪表的基本误差不超过某一规定值，此规定值称为允许误差，允许误差的百分数的分子便是仪表的精度级。应当指出：当求得的仪表精度级与国家规定的精度级系列值不符时，其精度级应该定为与之相邻而又稍低的等级。仪表的误差还与其使用条件有关，因此还要讲讲基本误差和附加误差的概念。a.基本误差：指仪表在规定的参比条件下确
9、定的误差。这种规定的参比工作条件，常称为正常条件或标准条件，它是指仪表在刻度时所要保持的条件。如电源电压为交流 2205%V，温度为205，湿度小于 80%等等，这实际上是对测量将产生影响的各种因素所做的人为地规定。b.附加误差：指仪表在非标准条件下使用时，除基本误差外还会产生的误差。这些附加误差的数值可能很大，常常分别规定其数值。使用时应按使用条件把附加误差叠加到基本误差上。最后还应说明一点：一台合格的仪表的基本误差应小于或等于其允许误差。使用者不能按自己检定的基本误差随意将仪表升级使用；相反，某些情况下，可以降级使用。（2）测量仪表的变差 是指在外界条件不变的情况下，用同一台仪表对某一参数
10、进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，仪表正反行程的两次示值之差。又称为来回差或滞后误差。变差的大小，用仪表各刻度点上正反行程示值的最大差值与仪表标尺范围之比的百分数来表示，即变差= max/（表示上限刻度-标尺下限刻度）100%应当注意，仪表的变差不能超过其基本允许误差，否则应及时修正。（3）线性度（或非线性误差）对于理论上具有线性“输入输出”特性的测量仪表，往往会由于各种因素的影响，使仪表的实际特性曲线偏离其理论上的线性关系，这种偏差叫做非线性偏差，它用校验曲线与相应的直线之间的最大偏差与仪表标尺范围之比的百分数来表示，即非线性误差= max/（标尺上限刻度值-标尺下限刻度值
11、）*100%（4）灵敏度、死区、灵敏限 测量仪表的灵敏度（常用字母 S 表示） ，使用仪表输出的变化（如指针的线位移L 或角位移）与引起此变化的被测参数的变化量（X）之比来表示的。如某量程为 0-10kgf/cm2 的弹簧管压力表的指针偏转角为 0-270，则该压力表的灵敏度 S 为：S=/X=270/10kgf/cm 2=27/（kgf/cm 2）测量仪表的灵敏度可以通过提高放大系统（机械的或电子的）的放大倍数来提高。但必须指出，仪表的性能主要取决于仪表的基本误差。单纯地以增大仪表灵敏度的办法来企图达到更精准的读数的做法是不合理的。因为这样做时，很可能出现似乎灵敏度很高，但实际精度却下降了的
12、虚假现象。为了防止这种虚假灵敏度，常规定仪表标尺的分格值不能小于仪表允许误差的绝对值。输入量的变化不致引起输出量有任何可察觉的变化的有限区间称为死区。把仪表能响应的输入信号的最小变化量叫做仪表的灵敏限（也称始动灵敏度） 。通常仪表的灵敏限的数值应不大于仪表基本误差绝对值的一半。应当注意，灵敏度与灵敏限是不相同的，不能混为一谈。3.测量仪表的分类测量仪表的种类非常之多，现就化工生产中常用的测量仪表的几种分类法作一介绍。（1） 依据所测物理量的不同，可分为压力（包括压差、负压力）测量仪表、物位测量仪表、流量测量仪表、温度测量仪表、自动成分分析仪表等。（2） 按表达示数的方式不同，可分成指示型、记录
13、型、讯号型、远传指示型、累计型等。（3） 按精度等级不同，可分为工业用仪表和标准仪表。二、压力测量第一节 概述1压力的基本概念压力 P 是指均匀而垂直作用在单位面积上的力。它由受力面积 S 和垂直作用力 F 的大小决定。方向则指向受压物体。可以用下式表示：P=F/S压力也可以用液柱高度来表示，即P=F/S=hS/S= h式中 液体的重度，N/m 3。水的重度在 4和标准重力加速度情况下为 9806.65 N/m3；h液柱高度，m。有上式可知，压力等于液体重度与液柱高度的乘积。. =g2.压力测量单位压力测量的单位取决于所选的基本单位制。现在常用的压力测量单位有：（1） 国际单位制（SI 制）在
14、国际单位制中，压力的单位是牛顿/米 2（用符号 N/M2 表示），又称为帕斯卡（简称帕，用符号 Pa 表示。1 帕约等于 0.1 毫米水柱的压力） 。（2） 工程大气压 一个工程大气压，是指在一平方厘米的面积上有一公斤均匀、垂直的作用力。用 kgf/cm2 表示。1kgf/cm 2 约等于 9.81*104Pa.（3） 毫米水柱或毫米水银柱 这类压力单位常用来表示低压。它们相当于重力加速度为980.665cm/s2 ,温度为 4（水）或 0（水银）时，液柱高度为 1mm 的水货水银作业在底面积上的压力。在真空测量中，常常引入单位“托” （用符号 Torr 表示） ，1 托等于 1 毫米汞柱。（
15、4） 物理大气压（也称标准大气压） 是科学技术中最早采用的一种压力单位。它定义为在温度为 0（此时水银的密度为 13.5951 g/cm3）和标准重力加速度（980.6655cm/s 2）下，760 毫米高的水银垂直作用在底面积上的压力。（5） 在 CGS 制中，压力的单位是 dyn/cm2 (因达/厘米 2)。也叫微巴（用符号 表示） 。，。这类单位常用在气象测量中。kgf/cm 2。.大气压力、表压力、绝对压力、负压力大气压力是由于空气的重力作用在底面积上所产生的压力。在物理学中，常用绝对压力。而在工程技术中，则常用表压力（又叫做正压力或者剩余压力） ，故所使用的仪表也多为直接指示超出大气
16、压的数值。因此，在工程上无特别说明时，均指表压力。表压力和绝对压力之间的关系式： 绝对 表 大气 （当地）或 表 绝对 大气 （当地）由上式可知，当绝对压力低于当地大气压时，表压将出现负值，故称负压力或真空度。负压力的绝对值愈大，即绝对压力愈小，则真空度愈高。.压力测量的一般方法和压力测量仪表的分类（）压力测量的一般方法压力测量的方法很多，大致可以分为液体压力平衡法，机械力平衡法，弹性力平衡法，利用其它物理性质与压力的关系来测量压力的方法。（）压力测量仪表的分类按工作原理分，压力测量仪表可以分为液柱式和活塞式压力计；弹性式压力计；电测型压力计等。第二节 液式压力测量仪表柱液柱式压力测量仪表是以
17、液体静力平衡原理为基础，常见的有型管液柱压力计，单管压力计，斜管微压计。液柱式压力计常以水或水银为工作液。它对工作液的要求是：不与被测介质混合或发生化学反应；重度与温度的关系已知；在环境温度变化范围内不得汽化或凝固。1.U 型管液柱压力计a. U 型管液柱压力计结构U 型、内截面积相同的玻璃管被固定在底板上，在 U 型管中间设一个刻度标尺，零点在标尺中央。U 型玻璃管内充入水银或水等工作液，液体到零点处。如下图：b.U 型管液柱压力计的工作原理 当 p1=p2 时，两管中自由液面同处于标尺中央零刻度。当 p2p1 时，右边管中液面下降，左边管中液面上升，一直到液面的高度差 H 产生的压力与被测
18、差压平衡为止。依据惊讶平衡原理，设工作液的重度为 ，Px=H2.单管液柱压力计特点及原理U 形管压力计要读两次数增大了读数误差，也不方便。将一边的肘管换成大截面容器构成单管式压力计。原理：大容器中封液的减少等于管中封液的增加h2A2=h1A1（A1，A2,分别为管子截面积和大容器的截面积)若肘管内径远小于杯容器内径，则：P=P1P2=g(-1) h2单管压力计的应用：将数根肘管连至同一个大截面容器，则成为多管压力计，电厂用它测炉膛和烟道各处的负压。大容器内通大气，各肘管连至烟道各测点，此时各肘管中的液体高度即代表各处负压。第三节 弹性式压力测量仪表弹性式压力测量仪表是以弹性元件受压变形产生的反
19、作用力与被测压力相平衡，然后测量弹性元件的变形位移为基础的。常用的弹性元件有薄膜式、波纹管式、弹簧管式等。现就弹簧管式压力计做一详细介绍。1. 弹簧管式压力计a.弹簧管的测压原理弹簧管式压力计是以弹簧管为感测元件。常见的弹簧管式压力表有单圈弹簧管压力表和多圈弹簧管压力表，并以单圈弹簧的应用为最多。弹簧管式压力表可以直接测量蒸汽、油、水和气体等介质的表压力、负压和绝压，测量范围可以是-0.1-1500MPa 。其优点是结构简单、使用方便、操作安全可靠，其缺点是测量准确度不高，不适于动态测试。弹簧管式压力表的测压原理是根据虎克定律，利用弹性敏感元件受压后产生的弹性形变，并将形变转换成位移放大后，用
20、指针指示出被测的压力。下图为单圈弹簧管压力表的弹簧管的结构图。它的截面呈扁圆或椭圆形，椭圆或扁圆的长轴 a 与图画垂直的弹簧管中心轴 0 相平行。管子封闭的一端为自由端，即位移的输出端。管子的另一端则是固定端，作为压力表的输入端。作为压力 位移转换元件的弹簧管，当由它的固定端输入被测压 P 后，由于椭圆形截面在压力 p 作用下将趋向圆形，即长轴变短，短轴增长。换言之，弯形圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形，其自由端 B 发生位移。而变形后的管子长度没有改变。b.弹簧管压力表（1）.弹簧管压力表的结构及动作原理弹簧管压力表是单圈弹簧管压力表的简称。它主要是由弹簧管，齿轮传动机构即机芯（指拉
21、杆、扇形齿轮、中心齿轮等件） ，示数装置（指针和分度表盘）以及外壳等几部分组成。如下图：当被测压力的介质通过管接头 9 进人弹簧管的内腔中，呈椭圆形的弹簧管截面在介质压力的作用下有变圆的趋势，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形、从而使弹簧管的自由端产生位移。此位移牵动拉杆 2 带动扇形齿轮 3 作逆时针偏转，指针 5 通过同轴中心齿轮 4 的带动作顺时针方向转动，从而在面板 6 的刻度标尺上指示出被测压力(表压力)的数值。指针旋转角的大小与弹簧管自由端的位移量成正比，也就是与所测介质压力的大小成正比。被测压力被弹簧管自身的变形所产生的应力相平衡。游丝 7 的作用是用来克服扇形齿轮和中
22、心齿轮的传动间隙所引起的仪表变差。调核螺钉 8 可以改变拉杆和扇形齿轮的连接位置，即可改变传动机构的传动比(放大系数)，以调整仪表的量程。（2）.弹簧管的材质选择弹簧管的材质因被测介质的性质和被测压力的高低而不同。一般当 P200Kgf/cm 2时，采用磷青铜等。当 P200Kgf/cm 2时，采用不锈钢或合金钢。此外，选用压力表时，还必须注意被测介质的化学性质，例如测量氨气压力时，必须采用耐腐蚀的不锈钢弹簧管；测量乙炔压力时，不得用铜质弹簧管；测量氧气压力时，则严禁沾有油脂，否则后二者将有爆炸危险。2.压力表的选择、校验及安装a.压力表的选择 包括仪表量程的确定、仪表精度的确定、仪表种类和型
23、号的选择。量程确定的原则：测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的 2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不应超过量程的 1/2；测量高压压力时，最大工作压力不应超过量程的 3/5。为了保证测量准确度，最小工作压力不应低于量程的 1/3。仪表的精度主要是根据生产允许的最大误差来确定的。仪表种类和型号的选择要根据工艺要求，介质性质及现场环境等因素来确定。b.压力表的校验常用的压力校验仪器是活塞式压力计和压力校验泵。活塞式压力计可用法码校验法来校标准压力表，压力校验泵则用标准表比较法来校工业用弹簧管压力表。压力表的校验静态校验 动态校验标准表比较法 法码校验法标准表比较法校验原则：若被校表对于标准
24、表的读数不大于被校表的允许误差，则被认为被校表是合格的。标准表的测量上限应大于被校表的测量上限，其基本误差绝对值应小于被校表基本误差绝对值的 1/3。C压力表的安装 包含了测压点的选择，导压管的敷设和仪表本身的安装等内容。测压点的选择：所选择的测压点能反映被测压力的真实情况。 （1）要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其它易形成漩涡的地方。 （2）测量流动介质的压力时，应使取压力点与流动方向垂直，清除钻孔毛刺。 （3）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，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。导压管的敷设：（1）导压管粗细合适，一般内径 610mm，长度 35m。 （2 ）水平安装的引压管应保持有 1:101:20 的倾斜度。 （3 ）当被测介质易冷凝或冻结时，必须加保温伴热管线。（4 ）测量液体压力时，取压点应在管道水平中心线以下 0-45.夹角内，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道水平中心线以上 45-90.夹角内，使导压管内不积存液体；测量蒸
