中电投热工培训班讲课稿热工测量仪表应用1.docx
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中电投热工培训班讲课稿热工测量仪表应用1
热工测量仪表应用
名词解释：
热工
字面解释：
热力工质（热工表示热力过程的工作介质）
工质：
实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，依靠它在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功，而做功通过工质才能传递热．
热工名称的由来：
热工是一门专业。
然而热工这门专业到底从事什么具体工作呢?
截至今日在非电力行业中的许多人并不清楚，甚至产生误解，认为是锅炉房里的铸造工。
其实热工是一门技术性很强、高科技含量很重、知识涵盖面广、发展非常迅速的一门专业，它的比较确切的名称应该是热工仪表及其自动控制。
它包括对各种工业设备的工况检测、生产过程的自动控制（包括程序控制）和设备运行中的自动保护。
之所以称之为热工，是因为50年代中国刚解放，工业从无到有，加之西方世界对我国进行封锁，我国的工业设备都从前苏联引进，发电厂也不例外，当时前苏联称发电厂中的锅炉、汽轮机及其辅助设备都叫热工设备，而用于监控热力设备运行状况及热力介质物理性质的仪表称之为热工仪表，从事热工仪表及其控制的专业叫热工专业，一直沿用到今天。
名词解释：
测量
测量就是确定量值进行的一组操作。
一般的定义：
测量是利用合适的工器具，确定某个给定对象在某个给定属性上的量的程序或过程，作为测量结果的量通常用数值表示。
该数值是在一个给定的量纲或尺度系统下，由属性的量和测量单位的比值决定的。
测量的意义：
测量是人类对自然界中客观事物取得数量观念的一种认识过程。
在这一过程中，人们借助于专门工具，通过试验和对试验数据的分析计算，求得被测量的值，获得对于客观事物的定量的概念和内在规律的认识。
测量学上的测定是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据
热工测量是指温度、压力、流量、烟气成分等参数的测量。
测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：
（1）直接测量法：
使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者预先标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求得被测量数值的测量方法。
（2）间接测量法：
通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。
名词解释：
仪表
工业自动化仪表按功能可分为检测仪表、显示仪表等；其中检测仪表按被测物理量又分为温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表和机械量测量仪表等；温度测量仪表按测量方式又分为接触式测温仪表和非接触式测温仪表。
衡量仪器仪表性能的主要技术指标有精确度、灵敏度、响应时间等。
精确度表示仪表测量结果与被测量真值的一致程度。
仪器仪表的精确度常用精确度等级来表示，如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级等，0.1级表示仪表总的误差不超过±0.1%范围。
精确度等级数小，说明仪表的系统误差和随机误差都小，也就是这种仪表精密。
灵敏度表示当被测的量有一个很小的增量时与此增量引起仪表示值增量之比，它反映仪表能够测量的最小被测量；响应时间是指仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的95%时的时间为准；此外，还有重复性、线性度、滞环、死区、漂移等性能技术指标。
热工仪表发展：
DDZ是“电动单元组合”的汉语拼音首字母。
D---电动（Diandong）
第二个D---单元（Danyuan）
Z----组合（Zuhe）
i,ii,III的含义：
i第一代，是电子管年代II表示第2代产品即晶体管
70年代III是集成电路的
•标志性的区别
仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。
真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。
广义来说，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表，和电动调节仪表，以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。
热工仪表的组成
测量系统由四个基本环节组成：
传感器、变送器、传输通道和显示装置。
•
传感器（敏感元件）
◆它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。
◆理想敏感元件应满足的要求：
◆敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。
◆敏感元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一切可能的输入信号不敏感。
◆在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态。
变送器
它是传感器和显示装置中间的部分，它是将传感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部件。
工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
◆对变送器的要求：
性能稳定，精确度高，使信息损失最小。
显示装置
◆它是测量系统直接与观测者发生联系的部分
◆显示装置的基本形式：
模拟式显示元件
数字式显示元件
屏幕式显示元件
•主要为大家介绍四个方面内容:
•第一部分.温度测量仪表
•第二部分.压力测量仪表
•第三部分.流量测量仪表
•第四部分.特殊测量仪表
•第一部分.温度测量仪表
一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。
在简单的温度测量仪表中，这两部分是连成一体的，如水银温度计；在较复杂的仪表中则分成两个独立的部分，中间用导线联接，如热电偶或热电阻是检测部分，而与之相配的指示和记录仪表是显示部分。
按测量方式，温度测量仪表可分为接触式和非接触式两大类。
测量时，其检测部分直接与被测介质相接触的为接触式温度测量仪表；非接触温度测量仪表在测量时，温度测量仪表的检测部分不必与被测介质直接接触，因此可测运动物体的温度
热电偶是热电效应理论的具体应用之一，它在温度测量中有广泛的应用.热电偶具有结构简单、性能稳定、容易制造、使用方便、测量准确度高、动态特性好以及便于远距离显示和传送信号等优点。
热电偶体积小，可用于点温测量和表面温度测量等，热电偶测温可靠.属于接触测量.
热电阻工作原理：
192
热电阻是中低温区常用的一种测温元件。
热电阻利用金属导体或半导体在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。
热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀的缠绕在绝缘材料制成的骨架上。
它的主要特点是测量精度高，性能稳定。
其中铂热电阻的测量精确度最高。
热电偶工作原理196
用热电偶测温是基于1821年西贝克（T.J.Seebeck）发现的热电效应，1826年贝克雷尔（A.C.Becquerel）第一个根据热电效应来测量温度。
将两种不同的均质导体（或叫热电极也叫偶丝）焊接在一起，另一端连接电流计构成闭合回路，当焊接端（或叫测量端）与电流计端（或叫参比端）温度不一致时，回路中就会有电流通过，这种现象称为西贝克效应，又称热电效应。
热电特性是物质具有的一种普遍特性，热电偶是应用最为广泛的测温仪表。
热电偶回路中的热电动势由温差电势和接触电势两部分组成。
下面介绍热电偶分度号、测温仪表的应用、常见故障及维护等知识。
分度号：
热电偶类别
代号
分度号
测量范围
基本误差限
镍铬－康铜
WRK
E
0－800℃
±0.75%t
镍铬－镍硅
WRN
K
0－1300℃
±0.75%t
铂铑13-铂
WRB
R
0-1600℃
±0.25%t
铂铑10－铂
WRP
S
0－1600℃
±0.25%t
铂铑30－铂铑6
WRR
B
0－1800℃
±0.25%t
二等标准热电偶
如下图所示：
回路中A，B称为热电极.回路中产生的电动势称为热电势。
用EAB（T，T0）表示，大小:
EAB（T，T0）=EAB（T）+EB（T，T0）-EAB（T0）-EA（T，T0）
=EAB（T）-EAB（T0）
当T0维持一定时EAB（T0）等于常数C
EAB（T，T0）=EAB（T）-C
所以我们得到以下结论：
（1）热电偶产生热电势的条件是两种不同的导体材料构成闭合回路，且两端接点处的温度不同。
（2）热电势大小只与热电极材料及两端温度有关，与热偶丝的粗细和长短无关。
（3）热电极材料确定以后，热电势的大小只与温度有关。
热电偶应用的定律：
热电偶的应用定则
1）均质导体定则
由同一种匀质导体（电子密度处处相同）组成的闭合回路中,不论导体的截面,长度以及各处的温度分布如何,均不产生热电势.
这条定则说明:
两种材料相同的热电极不能构成热电偶.
2）中间导体定则
在热电偶回路中接入第三种导体,只要与第三种导体相连接的两端温度相同,接入第三种导体后,对热电偶回路中的总电势没有影响.
3）中间温度定则
它是指热电偶在两接点温度为T,T0时的热电势等于该热电偶在两接点温度分别为T,Tn和Tn,T0时相应热电势的代数和.
常用热电偶（型号材料）：
镍铬-康铜（E型）；镍铬-镍硅（K）；铜-康铜（T）
分度号：
热电偶类别
代号
分度号
测量范围
基本误差限
镍铬－康铜
WRK
E
0－800℃
±0.75%t
镍铬－镍硅
WRN
K
0－1300℃
±0.75%t
铂铑13-铂
WRB
R
0-1600℃
±0.25%t
铂铑10－铂
WRP
S
0－1600℃
±0.25%t
铂铑30－铂铑6
WRR
B
0－1800℃
±0.25%t
二等标准热电偶
热电偶工业应用中冷端温度处理方式
1、补偿导线法
补偿导线法的测量回路
1一测温接点;2一补偿导线;3一冷端;4一铜导线;5一测温仪表
该方法就是利用补偿导线将热电偶延长
2、冷端温度测量计算法
采用补偿导线将热电偶冷端温度移到T0处，但是T0通常为环境温度而不是0℃，此时需要测量冷端温度。
进行计算修正后，可查分度表求得T。
E（T，0）=E（T，T0）+E（T0，0）
冷端温度测量计算法需要保持冷端温度恒定.
实际应用中冷端温度都是自动补偿.
3、冷端恒温法
在实验室情况及精密测量中，是把冷端置于能保持恒温的冰点槽中，冷端温度为0℃（实验室）。
测得热电势后，直接查分度表得知被测温度。
工业应用时，一般设法保持冷端温度维持在某一恒定值。
4、一体化温度变送器
现在有一种装配式热电偶，直接制成“一体化温度变送器”。
这种温度变送器具有冷端温度补偿功能，并装在接线盒中，因而不需要补偿导线，输出信号为4~20mA或0~10mA标准信号，适用于-20~100℃的环境温度。
热电偶的检查
（1）外观检查。
（接线盒、保护管完整性）
（2）品质检查。
（接线端子、热电极、热电偶直阻）
热电偶的安装注意事项
（1）根据测量的范图和对象，选择适当的热电偶、保护管、补偿导线、二次仪表。
（2）热电偶安装地点应避免靠近有强磁场的地方，热电偶的接线盒不可与被测介质容器壁相接触，热电偶冷端温度一般不应超过100℃.禁止将热电偶引线与动力电缆装在同一根管道内.
（3）热电偶插入的深度一般要求工作端超过管道中心线5~10mm，工作端与被测流体要成正交或逆向45°.
（4）热电偶插入深度应不小于本身保护管直径的8-10倍.
（5）热电偶安装在有压容器上时，必须严格保证其密封性能。
带瓷保护套管的热电偶须避免骤冷和骤热，以防瓷管爆裂（空预器入口烟温元件爆炸）.安装地点应不防碍其他设备的拆装.
（6）测管道表面温度时，应使表面清洁、干净，一定要使热端与表面接触好并保温.（瓦块、管壁温度）
（7）热电偶要定期进行检定，合格后方能使用.
（8）补偿导线、导线要加以屏蔽,接线时要注意极性,屏蔽线只能单端接地。
热电偶测温中常见故障及处理
测量值不准201
1.热电偶断,测量热电偶引出线，其阻值为无穷大。
处理方法：
更换。
2.补偿导线断或热电偶过度接线端子松脱,在热电偶引出线处测量其阻值正常，但卡件入口处为无穷大。
处理方法：
断点对接、更换元件、紧固端子。
3.热电偶自身短路,测量的温度偏低，在热电偶输出第一个端子处测量其阻值和热电势偏小；
4.热电偶过度接线（补偿导线）短路,在热电偶输出第一个端子处测量其阻值、热电势正常，但卡件入口处热电势偏小；
5.热电偶长期使用后，由于氧化和其他原因引起特性变差，校验不合格，超差；更换
6.热电偶型号与测量仪表（补偿导线）型号不匹配；
7.热电偶元件或补偿导线绝缘低；
8.中间过度端子表面氧化或接线端子压接不牢固，产生接触电势影响测量精度；
9.测温元件安装位置，方向不合适，元件不能反映被测介质的真实温度；
10.测温元件长度比保护套管长度短，元件与保护套管间有间隙，显示温度偏低；
11.保护管内有粉尘或其他垃圾，使元件无法与套管紧密结合，影响测量；
12.补偿导线接错，单端接错，变化趋势反向,即实际温度升高显示温度下降，元件侧与仪表侧都接错,显示温度与实际温度误差是，仪表输入端与就地元件接线端子处温差电势的两倍对应的温度；
测量值波动
1.被测介质温度不均匀
2.保护套管破裂；（磨损较大的地方磨出口等）
3.接触不良
4.元件或补偿导线绝缘低
5.屏蔽线未接地、接地不可靠或双端接地；
6.外界电磁干扰。
现场估算温度（有偏差）
经验公式：
（热电阻pt100:
估算温度＝（实测阻值-100）/0.382）
K型热电偶的
估计温度=电偶输出端毫伏值/40微伏+电偶输出端温度
E型热电偶：
200°以下（12mv），【热电势+环境温度（20°的mv）】÷0.06
200°以上，【热电势+环境温度（20°的mv）】÷0.07
当然是经验计算公式,离实际值有一定差异
第二部分压力测量仪表
敏感元件：
压力变送器
我们讨论的两线制、三线制、四线制，是指各种输出为模拟直流电流信号的变送器，其工作原理和结构上的区别，而并非只指变送器的接线形式。
否则热电偶配毫伏计测量温度可称为是两线制的鼻祖了!
几线制的称谓，是在两线制变送器诞生后才有的。
这是电子放大器在仪表中广泛应用的结果，放大的本质就是一种能量转换过程，这就离不开供电。
因此最先出现的是四线制的变送器；即两根线负责电源的供应，另外两根线负责输出被转换放大的信号（如电压、电流、等）。
DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表的出现，供电为220V.AC，输出信号为0--10mA.DC的四线制变送器得到了广泛的应用,目前在有些工厂还可见到它的身影。
七十年代我国开始生产DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表，并采用国际电工委员会（IEC）的:
过程控制系统用模拟信号标准。
即仪表传输信号采用4-20mA.DC,联络信号采用1-5V.DC，即采用电流传输、电压接收的信号系统。
采用4-20mA.DC信号，现场仪表就可实现两线制。
但限于条件，当时两线制仅在压力、差压变送器上采用，温度变送器等仍采用四线制。
现在国内两线制变送器的产品范围也大大扩展了，应用领域也越来越多。
同时从国外进来的变送器也是两线制的居多。
所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。
两线制变送器由于信号起点电流为4mA.DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA.DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。
而且两线制还便于利于安全防爆。
两线制变送器供电为24V.DC，输出信号为4-20mA.DC，负载电阻为250Ω，24V电源的负线电位最低，它就是信号公共线。
上限取20mA是因为防爆的要求：
20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：
正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！
因此在应用中两线制传感器必然是首选。
两线制变送器的结构与原理
两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
这是两线制变送器的设计根本原则之一。
从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：
传感器、调理电路、两线制V/I变换器构成。
传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。
两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。
除了V/I变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。
如图，采样电阻Rs串联在电路的低端，所有的电流都将通过Rs流回到电源负极。
从Rs上取到的反馈信号，包含了所有电路的耗电。
在两线制变送器中，所有的电路总功耗不能大于3.5mA，因此电路的低功耗成为主要的设计难点。
下面将逐一分析各个部分电路的原理与设计要点。
两线制V/I变换器 V/I 变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。
两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在：
电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。
同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电。
若A点因为某种原因高于0V，则运放OP1输出升高，Re两端电压升高，通过Re的电流变大。
相当于整体耗电变大，通过采样电阻Rs的电流也变大，B点电压变低（负更多）。
结果是通过R2将A点电压拉下来。
反之，若A点因某种原因低于0V，也会被负反馈抬高回0V。
总之，负反馈的结果是运放OP1虚短，A点电压＝0V。
下面分析Vo对总耗电的控制原理：
假设调理电路输出电压为Vo，则流过R1的电流 I1=Vo/R1 运放输入端不可能吸收电流，则I1全部流过R2，那么B点电压 VB= -I1＊R2 = -Vo＊R2/R1 取R1=R2时，有VB=-Vo 电源负和整个便送器电路之间只有Rs、R2两个电阻，因此所有的电流都流过Rs和R2。
R2上端是虚地（0V），Rs上端是GND。
因此R2、Rs两端电压完全一样,都等于VB 。
相当于Rs与 R2并联作为电流采样电阻。
因此电路总电流：
Is=Vo/（Rs//R2） 如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 因此，图3中取Rs=100欧，当调理电路输出0.4~2V的时候，总耗电电流4~20mA. 若不能满足R2>>Rs也没关系，Rs与 R2并联（Rs//R2）是个固定值，Is与Vo仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。
除了电路正确以外，该电路正常工作还需要2个条件：
首先要自身耗电尽量小，省下的电流还要供给调理电路以及变送器。
其次要求运放能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接受0V输入，并能正常工作。
LM358/324是最常见也是价格最低的单电源运放，耗电400uA/每运放，基本可以接受。
单电源供电时，输入端从-0.3V~Vcc-1.5V范围内都能正常工作。
如果换成OP07等精密放大器，因为输入不允许低至0V，在该电路中反而无法工作。
R5和U1构成基准源，产生2.5V稳定的基准电压。
LM385是低成本的微功耗基准，20uA以上即可工作，手册上给出的曲线在100uA附近最平坦，所以通过R5控制电流100uA左右。
OP2构成一个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。
因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少，成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。
该部分电路也可以选择现成的集成电路。
比如XTR115/116/105等，精度和稳定性比自制的好，自身功耗也更低（意味着能留更多电流给调理电路，调理部分更容易设计）。
但成本比上述方案高10倍以上.
两线制压力变送器设计压力桥、称重传感器输出信号微弱，都属于mV级信号。
这一类小信号一般都要求用差动放大器对其进行第一级放大。
一般选用低失调、低温飘的差动放大器。
另外在两线制应用中，低功耗也是必需的。
AD623是常用的低功耗精密差动放大器，常用在差分输出前级的放大。
AD623失调最大200uV，温飘1uV/度，在一般压力变送应用保证了精度足够。
R0将0.4V叠加在AD623的REF脚（5脚）上，在压力=0情况下通过调整R0使输出4mA，再调整RG输出20.00mA，完成校准。
电路设计时需注意，压力桥传感器相当于一个千欧级的电阻，耗电一般比较大。
适当降低压力桥的激励电压可以减小耗电电流。
但是输出幅度也随之下降，需要提高AD623的增益。
图6给出的传感器采用恒压供电，实际应用中大部分半导体压力传感器需要恒流供电才能获得较好的温度特性，可以用一个运放构成恒流源为其提供激励。
稳定性和安全性的考虑工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高，因此两线制变送器的设计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。
1．电源保护。
电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。
电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误，输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。
如果输入端加一个全桥整流器，那么即使电源接反仍能正常工作。
为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器，变送器入口处可以加装一只TVS管来吸收瞬间过压的能量。
一般TVS电压值取比运放极限电压略低，才能起到保护作用。
如果可能遭受雷击，TVS可能吸收容量不够，压敏电阻也是必需的，但是压敏电阻本身漏电会带来一定误差。
2．过流保护。
设备运行过程中可能有传感器断线、短路等错误情况发生。
或者输入量本身很有可能超量程，变送器必须保证任何情况下输出不会无限制上升，否则有可能损坏变送器本身、电源、或者远方显示仪表。
图中Rb和Z1构成了过流保护电路。
无论什么原因导致OP1输出大于6.2V（1N4735是6.2V稳压管），都会被Z1钳位，Q1的基极不可能高于6.2V。
因此Re上电压不可能高于6.2-0.6=5.6V，因此总电流不会大于Ue/Re = 5.6V/200=28mA。
3．宽电压适应能力。
一般两线制变送器都能适应大范围的电压变化而不影响精度。
这样可以适用各类电源，同时能够适应大的负载电阻。
对电源最敏感的部分是基准源，同时基准源也是决定精度的主要元件。
3楼图中基准通过R5限流，当电源电压变化时，R5上电流也随之改变，对基准稳定性影响很大。
附图中利用恒流源LM334为基准供电
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