热工仪表基础知识讲课教案.docx
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热工仪表基础知识讲课教案
热工仪表基础知识
第一章、热工测量和仪表
第一节、测量的基本概念
一、测量：
1、测量是人们借助专门工具，通过试验和对试验数据的分析计算，
将被测量Xo以测量单位U的倍数显示出来的过程。
x0U
2、被测量的真值卩只能近似地等于其测量值x:
XoXU
3、热工测量是指压力、温度等热力状态参数的测量，通常还包括一
些与热力生产过程密切相关的参数的测量。
二、测量方法:
按测量结果的获取方式来分
（1）直接测量法:
使被测量直接与测量单位进行比较，或者用预先标定好的测量仪器进行测量、从而得到被测量数值的测量方法，称直接测量法。
（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他各变量、再按函数关系进行计算，从而求得被测量数值的方法，称为间接测量法。
按被测量与测量单位的比较方式来分
（1）偏差测量法:
测量器具受被测量的作用，其工作参数产生与初始状态的偏离，由偏离量得到被测量值，称为偏差测量法。
（2）微差测量法:
用准确已知的、与被测量同类的恒定量去平衡掉被测量的大部分，然后用偏差法测量余下的差值，测量结果是已知量值和偏差法测得值的代数和。
（3）零差测量法:
用作比较的量是准确已知并连续可调的，测量过程中使它随时等于被测量，也就是说，使已知量和被测量的差值为零，这时偏差测量仅起检零作用，因此，被测量就是已知的比较量。
三、测量误差
测量误差是被测量参数的测量值X与其真值卩的之差。
真值常用的方法有：
（1）用标准物质（标准器）所提供的标准值，例如水的三相点。
（2）用高一级的标准仪表测量得到的值来近似作为真值。
（3）对被测量进行N次等准确度测量，各次测量值的算术平均值近似为真值。
N越大，越接近真值。
常见的测量误差表达方式:
1.绝对误差
2.实际相对误差
3.标称相对误差
4.折合误差
XX。
—100%
xX
100%
Xo
X。
-100%
XX。
100%
X
X
—100%
AmaXA
min
X0
X
A
折合误差一般用于比较测量仪表的优劣。
折合误差也称引用误差。
四、测量系统
为了实现一定的测量目的，将测量设备按一定方式进行组合的系统称为测量系统，也称检测系统。
（一）测量系统的组成
1.传感元件
（1）输出信号必须随被测参数的变化而变化，即要求传感元件的输出信号与输入的被测信号之间有稳定的单值函数关系，最好是线性关系，而且可复现。
（2）非被测量对传感元件输出的影响应小得可以忽略。
若不能忽略，将造成测量误差。
在这种情况下，一般要附加补偿装置进行补偿或修正。
（3）传感元件需尽量少地消耗被测对象的能量，并且不干扰被测对象的状态或者干扰极小。
2.传送变换元件
（1）单纯起传输作用。
（2）将感受件输出的信号放大，以满足远距离传输以及驱动显示、记录装置的需要。
（3）为了使各种感受件的输出信号便于与显示仪表和调节装置配接，要通过变换件把信号转换成标准化的统一信号，各种感受件的输出信号都被转换成统一数值范围的气、电信号。
这时的传送件常称为变送器。
这样，同一种类型的显示仪表常可用来显示不同类型的被测量。
3．显示元件
显示元件的作用是向观测者显示被测参数的量值。
（1）模拟式显示：
（2）数字式显示：
（3）屏幕画面显示：
五、测量误差的分析与处理根据测量误差性质的不同
1、系统误差
（一）系统误差的概念在同一条件下（同一观测者，同一台测量器具，相同的环境条件等），多次测量同一被测量，绝对值和符号保持不变或按某种确定规律变化的误差。
恒值系统误差
变值系统误差
产生原因：
（1）测量仪表本身的原因
（2）仪表使用不当
（3）测量环境条件发生较大改变。
（二）消除系统误差的一般方法
（1）消除系统误差的来源在测量工作投入之前，仔细检查测量系统中各环节的安装及连接线路，使其达到规定要求，尽量消除误差的来源。
（2）在测量结果中加修正值对不能消除的系统误差，在测量之前，对检测系统中的各仪表进行检定，确定出修正值。
对各种影响量如温度、气压、湿度等要力求确定出修正公式、修正曲线或修正表格以便对测量结果进行修正。
（3）米用补偿措施
在检测系统中加装补偿装置（或自动补偿环节），以便在测量中自动消除系统误差。
（4）改善测量方法
采用较完善的测量方法，消除或减少系统误差对测量结果的影响。
常用两种方法：
交换法；交换法是消除定值系统误差的常用方法，也叫对置法。
此种方法的实质是交换某些测量条件，使得引起定值系统误差的原因以相反方向影响测量结果，从而消除其影响。
对称法；对称法是消除线性系统误差的有效方法。
2、随机误差
（一）随机误差的概念
在相同条件下多次测量同一被测量时，绝对值和符号不可预知地变化着的误差称为随机误差。
误差的大小和正、负都是不确定的。
产生原因：
随机误差大多是由测量过程中大量彼此独立的微小因素对测量影响的综合结果造成的。
3、疏忽误差
明显歪曲了测量结果，使该次测量失效的误差称为疏忽误差。
含有疏忽误差的测量值称为坏值。
出现坏值的原因有：
测量者的主观过失，如读错、记错测量值;操作错误；测量系统突发故障等。
处理：
存在这类误差的测量值应当剔除。
第二节、仪表或测量系统的静态性能指标
1、准确度
这是表征仪表指示值接近被测量值程度的质量指标
（1）仪表的示值误差
绝对误差5:
相对误差丫：
100%100%—100%
丨x
（2）仪表的基本误差:
在规定的工作条件下，仪表量程范围内各示值误差中的绝对值最大者：
jmax
max
仪表的折合误差
ymax
100%
A
超出正常工作条件引起的误差称为仪表的附加误差。
（3）仪表的准确度等级：
某类仪表在正常工作条件下，为了保证质量，对各类仪表人为规定了其基本误差不能超过的极限值，此极限值称为该类仪表的允许误差。
工业仪表准确度等级的国家标准系列有0.005，0.01，0.02，0.04，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等等级。
仪表刻度盘上应标明该仪表的准确度等级。
数字越小，准确度越高。
仪表最大折合误差表示的允许误差去掉百分号后余下的数字
值为该仪表的准确度等级。
仪表的允许误差二士准确度等级%
2、变差
输入量上升（正行程）和下降（反行程）时，同一输入量相应的两输出量平均值之间的最大差值与量程之比的百分数称为仪
表的变差。
max
100%
3、线性度（或非线性误差）
实际特性曲线往往偏离线性关系，它们之间最大偏差的绝对值与量程之比的百分数，称之为线性度。
4、重复性和重复性误差
同一工作条件下，多次按同一方向输入信号作全量程变化时，对应于同一输入信号值，仪表输出值的一致程度称为重复性。
对于全范围行程，在同一工作条件下从同方向对同一输入值进行多次连续测量所获得的输出两极限值之间的代数差或均方根误差称为重复性误差，它通常以量程的百分数表示。
5、分辨率引起仪表示值可察觉的最小变动所需的输入信号的变化，称仪表的分辨率。
也称灵敏限或鉴别阀。
6、灵敏度仪表在到达稳态后，输出增量与输入增量之比，称为仪表的灵敏度。
7、漂移在保持工作条件和输入信号不变的条件下，经过规定的较长—段时间后输出的变化，称为漂移，它以仪表量程各点上输出的最大变化量与量程之比的百分数来表示。
第三节、仪表的检定检定是为了评定仪表的计量性能，并与规定的指标比较，以确定仪表是否合格。
进行检定工作应遵循国家法定性技术文件：
国家计量检定规程。
规程详细规定了被检仪表的技术条件；检定用的标准测量器具和设备；检定项目、方法和步骤，检定结果处理；检定证书的格式和填写要求等。
检定方法：
定点法是：
提供被检仪表测量所需的某种标准量值，例如已知的某种纯金属相变点温度，标准成分气样等，从而确定仪表的示值误差。
示值比较法：
就是使被检仪表与标准仪表同时去测量同一被测量，比较两者的指示值，从而确定被检仪表的基本误差、变差等质量指标。
一般要求标准仪表的测量上限应等于或稍大于被检仪表的测量上限。
标准仪表的允许误差为被检仪表误差的1/3~1/10。
在这种情况下，可以忽略标准仪表的误差。
将标准仪表的指示值作为被测量的真值。
检定点常常取在仪表标尺的整数分度值（包括上、下限）上和经常使用的标尺刻度附近，必要时可适当加密检定点。
第二章、温度测量及仪表
第一节、温度测量概述
一、温度温度是表征物体冷热程度的物理量
温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量
二、温度测量
1、温度测量的基本概念温度的定义：
表征分子热运动的程度的物理量
2、温标：
衡量温度大小的标尺
-摄氏：
C
-热力学：
K
-华氏：
°F
第二节、膨胀式温度计
膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。
一、温度计的分类和形式
膨胀式温度计：
玻璃温度计、压力式温度计、双金属温度计热电偶温度计
热电阻温度计
辐射式温度计
二、膨胀式温度计
1、玻璃液体温度计
是膨胀式温度计之一种，利用液体受热膨胀的性质制成，常用的液体有水银和酒精。
广泛用于测量-200-500摄氏度范围内的温度。
（1）优点和缺点
玻璃液体温度计是最常用，也是最简单，最便宜的温度计。
这种温度计主要优点是构造简单，使用方便,精度高和价格低廉。
缺点是惰性大，能见度低，不能自动记录及远距离传送。
（2）注意事项
（1）、温度计不宜平放和平装，保存与安装时都应使玻璃温度计直立而且测温泡在下部。
如果倾斜安装也应使测温泡在下部。
（2）、使用时应检查液柱是否脱离，测温泡内是否含有气泡，如果液柱脱离可以缓慢加热或微振动起来消除。
（3）、对于全浸式温度计，安装深度应满足要求，对于工业用玻璃管温度计,则应将尾部全部插入被测介质中。
（4）、被测介质具有一定压力时，应在测温处焊上（或用螺丝旋紧）测温套管为减少热阻，测温套管壁不宜太厚（一般为1-2mm）
（5）、测量流体温度时，温度计不能顺向安置，应逆向安放,或与流向垂直或有一定倾斜角，而且测温套管的插入深度要超过中心线。
使测温泡刚好位于中心线上。
2、压力式温度计
压力式温度计的工作原理是当温度变化时，工质的体积或压力相
应发生变化，以此制成温度计
这种温度计的主要优点是构造简单，防震可以远距离测量，并可制成自动记录式。
主要缺点是损坏后很难修理，不能测点温和表面温度。
3、双金属温度计
双金属温度计的工作原理：
双金属温度计是利用两种不同膨胀系数的金属片A和B将其焊
接在一起并将一端固定。
当温度发生变化时，膨胀悉数较大的金属片Bf申长较多，故其未固定端（自由端）必然向膨胀系数较小的金属A—方弯曲变形。
利用弯曲变形的大小不同，从而可表示出温度的高低不同。
園体膨胀式厦度针
r玖全属温皮计丿
第三章、温度测量原理
第一节、热电偶的工作原理
一、热电偶的测温原理
1、热电势：
两种不同的导体材料（或半导体）A,B组成的闭合回路。
相接触时，存在电子的迁移，达到平衡时，在接触的两端形成电势
-可用于点温度的测量
-只与材料和温度有关，与热电偶的长度、直径无关
-接触电势和温差电势组成
2、热电偶基本定律的内容
两种均质金属组成的热电偶，其电势大小与热电级直径，长度和沿热电级长度上的温度分布无关，只与热电级材料和两端温度有关；
热电势大小是两端温度的函数差，如果两端温度相等，则热电势为零。
3、热电偶基本定律的推论
1）热电偶必须用两种性质不同的热电级构成。
2）若热电级材料的性质不均匀，即当热电级温度分布不同时，则热电偶将产生附加电势。
所以根据附加热电势检查热电极材料是否均匀，从而衡量热电偶质量
的高低。
4、中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种均质导体后，只要保证所接入导体两端温度
相同，就不会影响热电偶的热电势。
5、中间温度定律与连接导体定律
（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行分度，只要引入适当修正，就可以在另外的冷端温度下使用。
这就为制订热电偶的热电势-温度关系温度表奠定了理论基础。
2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶的热电势。
这就为工业测温中应用
补偿导线提供了理论依据。
二、标准化热电偶及其分度号
1.铂铑10-铂热电偶（S）
2.铂铑30-铂铑6（B）热电偶
3.镍铬-镍硅（K）热电偶
1、热电偶的分度号
（1）热电偶的分度号有主要有S、R、B、NKE、J、T等几种。
其中S、R、B属于贵金属热电偶，NK、E、J、T属于廉金属热电偶。
（2）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1000C,短期1200C。
在所有热电偶中使用最广泛；
（3）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；
三、热电偶的构造
1、普通型热电偶的构造
热电极、绝缘材料、保护套管、接线盒
（1）热电极
热电偶的热电极直径由材料的机械强度,电导率,价格及热电偶的用途和测量范围等决定。
用贵金属时直径很细，为0.35-0.65mm,用廉价金属时,其直径为1-2mm.热电偶的长度可根据实际需要来决定。
普通插入式热电偶的长度可在300mm-2150mto间。
（2）绝缘材料
在热电偶的两根电极上套有绝缘材料,其作用是防止两根电极之间和电极与保护套管之间发生短路。
常用绝缘材料橡皮,塑料等,最常用的绝缘材料是瓷管和高温瓷管,其结构有单孔,双孔,四孔,孔的大小根据热电极的直径而定
（3）保护套管
热电偶的热电极（包括绝缘管）装在保护套管中。
使热电极避免遭受有害气体的腐蚀,玷污及机械损伤,防止或减小火焰与气流的冲刷和辐射,保护热电极.
对保护套管材料的要求是耐腐蚀,不渗透气体,不与氧化性和还原性气体发生化学反应,耐酸碱腐蚀,热惯性小,能承受温度剧变,价格低。
常用的保护套管材料有:
铜,20号碳钢,镍铬合金。
（4）接线盒
主要作用是防止灰尘和水,汽的侵入,便于热电偶与补偿导线或导线连接。
接线盒用侣合金材料制成,装在保护套管的尾部,接线盒的上部有垫片或垫圈加以密封。
2、铠装热电偶的构造
铠装热电偶是由热电极,绝缘材料和金属套管三者组合而成的坚实结合体。
铠装热电偶的套管材料为铜,不锈钢或镍基高温合金等。
在热电偶与套管之间填满氧化粉末绝缘材料,套管中的热电极有单丝的双丝的和四丝的,互不接触。
热电偶的种类有铂铑10-铂,铂铑30-铂铑6,镍铬-镍硅等.目前生产的铠装热电偶，其外径为12-25mm长度可达100m以上。
耐高温耐腐蚀热电偶：
以特殊金属陶瓷材料作为外保护套管，采用复合型结构，使用温度1600°C,具有良好的耐高温、抗气流冲击、抗氧化性能。
主要用于高温加热炉、裂解炉、尾气焚烧炉、焦化炉等装置的测温。
吹气型热电偶：
铠装热电偶感温元件和外保护管之间构成一定的气路，在气路中，通入一定压力的惰性气体，以排除或减少热电偶在高温、高压条件下还原气体的渗入
第二节、热电偶冷端温度补偿
1、概述
热电偶的热电势是两个接点温度的函数表，只有当冷端温度不变
时,热电势才是热端温度的单值函数。
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，必须采取补偿措施.
冷端温度处理办法有以下几种：
-1.计算修正法
-2.仪表机械零点调整法
-3.恒温法
-4.补偿法
-5.多点测量的热电偶冷端温度补偿
热电偶补偿导线的外形图
撕輛濟社恆播斑冲稠劇接杯2（新的喪報
曹电偈补僥导歿的外壁国
2、恒温法
在精密测温中,一般要求热电偶温度保持为0摄氏度,通常采用冰点槽。
用清洁的水制成冰屑与清洁的水相混合盛于冰点槽的保温瓶内,并使其达到平衡而保持恒定的0摄氏度,使用时将热电偶冷端放在插入冰点槽的试管底部
恒温法是准确度很高的冷端处理方法,然而使用比较麻烦,需要保持冰,水两相。
3、补偿法补偿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。
4、热电偶的校验和误差分析
热电偶的误差来源主要有以下一些:
（1）分度误差:
由于热电极材料成分不符要求和材料均匀性等原因,
使热电偶的热电性质与统一的分度表之间产生分度误差。
（2）补偿导线误差:
由于补偿导线和热电极材料在1000C以下的热电性质不同将产生误差。
5、热电偶的校验和误差分析
（1）参比端温度变化引起的误差:
在利用补偿电桥进行参比温度补偿时,由于不能完全补偿而产生误差。
（2）由于热电极变质,使热电性质变化而产生误差。
第三节、热电阻温度计一、热电阻测温原理
物理学指出:
各种材料的电阻率都随温度变化。
若忽略物体的长度和截面随温度的变化,则在参比温度t0下的电阻值Rt0和电阻率的温度系数（简称电阻温度系数）a已知物体,可以通过测量此物体的电阻来反映其温度。
二、工业常用热电阻
在我国,标准化的热电阻现有铂的和铜的两种
1、分度号
根据规定，工业铂电阻有Pt10和PtIOO两种分度号
铜热电阻有Cu5（和Cu10（两种。
2、使用特点
铂热电阻用于一200—+650摄氏度范围内测温，铜热电阻因在高
温下易氧化而适用于50—+150摄氏度范围内测温。
前者稳定性好，准确度高；后者价格便宜，电阻与温度关系的线性度较好。
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