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仪表分类、结构、原理和常见仪表故障、分析、判断、处理
2013年12月16日 星期一-2013年12月21日 星期六
误差的分类
按误差数值表示的方法分为：绝对误差、相对误差、引用误差；
按误差出现的规律分为：系统误差（规律误差）、随机误差（偶然误差）、疏忽误差（粗大误差）
检测与过程控制仪表（通常称自动化仪表）分类方法很多很多：
• 根据能源分：气动、电动、液动、核能等
• 根据组合：基地式、单元式、综合控制
• 根据安装：现场、盘装、架装
• 根据是否可引入计算机：智能、非智能
• 根据仪表信号形式：模拟仪表、数字仪表
最通用的分类是按仪表在测量与控制系统中的作用进行划分：检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行器
按功能
按被测变量
按工作原理或结构形式
按能源
其它
检测仪表
压力
液柱式、弹性式、电气式
电、气

温度
电偶、电阻、辐射、

流量
节流、转子、靶式、涡
电、气
物位
浮力、静压、声波、光学、辐射
电、气
成分
PH值、色谱、氧分析、红外
电、核　
显示

模拟和数字
电、气

指示和记录
调节仪表

自力式
电、气

组装式

可编程式
电　
执行器
执行机构
薄膜工、活塞、长行程、其它
电、气、液

阀
直通、套筒、蝶阀、偏心旋转、三通

直线、对数、抛物线、快开
第一节　温度仪表分类
　温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，实现间接测量，温度测量的基本原理是与这些特性值的选择密切相关的。
　工业上测温的基本原理有：
应用热膨胀原理测温
应用压力随温度变化的原理测温
应用热阻效应测温
应用热电效应测温
应用热辐射原理测温
按工作原理分：有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射等。
按测量方式分：有接触式和非接触式两类。
第二节　热电偶
1、原理
热电偶温度计是基于热电效应这一原理测量温度的；它的测温范围很广，可测量-200~160O℃范围内在在特殊情况下，可测至2800 ℃的高温。
将两种不同的导体或半导体连接成如图所示的闭合回路，如果两个接点的温度不同（T>T0),则在回路内会产生热电动势，这种现象称为赛贝克热电效应。图中闭合回路称之为热电偶。导体A和B称之为热电偶的热电丝或热偶丝。热电偶两个接点中，置于温度为t的被测对象中的接点称为测量端，又称工作端，温度为参考温度t0的另一端称之为参考端，又称自由端或冷端。

2、特点
测量精度高，测量范围广，构造简单，使用方便，不受大小和形状的限制，外有保护套管，用起来方便。
3、热电偶的类形
8种标准化热电偶：
S ：铂铑10-铂 –20～1300℃
B ：铂铑90-铂铑6 300～1600 ℃
K ：镍铬-镍硅 -50～1000 ℃
J ：铁-康铜 -40～750 ℃
R ：铂铑13-铂 -0～1600 ℃
E ：镍铬-康铜 -40 ～1000 ℃
T ：铜-康铜 -40 ～350 ℃
4、各种热电偶的分度表均是在参考端即温度t0为0 ℃的条件下得到的热电势与温度之间的关系，因此，热电偶测温时，冷端温度必须为0 ℃，否则将产生测量误差。而在工业上使用时，要使冷端温度保持在0 ℃是比较困难的，所以，必须根据不同的使用条件和要求的测量精度，对热电偶冷端温度采用一些不同的处理办法，常用的方法有如下几种：
补偿导线延伸法
冰点法
计算修正法
仪表零点校正法
补偿电桥法
5、补偿导线延伸法
热电偶做得很长，使冷端延长到温度比较稳定的地方。由于热电偶本身不便于敷设，对于贵金属热电偶也很不经济，因此，采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，而这种导线也是由两种不同金属材料制成，在一定温度范围内（100 ℃以下）与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性，其材料也是廉价金属，将这种导线称为补偿导线。
注意：无论是补偿型还是延伸型，补偿导线本身并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只是起到热电偶冷端延伸作用，改变冷位置。在规定的范围内，由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误差。
6、计算修正法
当热电偶冷温度不是0 ℃而是t0时，测得的热电偶回路中的热电势为E(t, t0)。可采用正式进行修正：
E(t, 0)= E(t, t0)+ E(t0, 0)
只适用于实验室或临时性测温的情况，而对于现场的连续测量显然是不实用的
7、常见故障原因及处理
故障现象
可能原因
处理方法
温度示值偏低或不稳
电极短路
找出短路原因，如潮湿或绝缘损坏
接线柱处积灰
清扫
补偿导线与热偶极性接反
纠正接线
补偿导线与热偶极不配套
更换相配套的补偿导线
冷端补偿不符要求
调整冷端补偿达到要求
热偶安装位置不当
按规定重新安装
温度示值偏高
补偿导线与热偶极不配套
更换相配套的补偿导线
有直流干扰信号进入
排除直流干扰
显示不稳定
接线柱处接触不良
将接线柱拧紧
测量线路绝缘破损，引起断续短路或接地
找出故障点，修复绝缘
热偶安装不牢或有震动
紧固电偶，消除震动
热电偶电极将断未断
更换热偶
外界干扰
查出干扰源，采取屏蔽措施
显示误差大
热电偶电极变质
更换热偶
热电偶安装位置不当
改变安装位置
保护管表面积灰
清除积灰
显示无穷大
接线断路
找到断点，重新接好
热电极断开或损坏
更换热电偶
第三节 热电阻
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂电阻的测量精度是最高的，可作为基准仪器。
1、测温原理：
热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度成一定函数关系的原理实现温度测量的。
2、热电阻材料
目前，使用的金属热电阻材料有铜、铂、镍、铁等，其中因铁、镍提纯比较困难，其电阻与温度的关系线性较差，纯铂丝的各种性能最好，纯铜丝在低温下性能也好，所以实际应用最广的是铜、铂两种材料，并已列入了标准化生产。
铂电阻（PT100） -200~850℃
铜电阻（Cu50、Cu100） -50~150℃
镍电阻（Ni100） -60~180℃
3、常见故障原因及处理
故障现象
可能原因
处理方法
温度示值偏低或不稳
保护管内有金属屑、积灰，接线柱处脏污或短路
除去金属屑，清扫灰尘、水滴等，找到短路点，加强绝缘
温度示值无穷大
热电阻或引线断路
更换热电阻，找到断点重新接好
温度显示负值
热电阻接线有错或有短路现象
改正接线，找出短路处，加强绝缘
温度显示误差大
热电阻丝材料受腐蚀变质
更换热电阻
第四节 压力测量
1、基本概念
在物理概念中，压力是垂直作用在单位面积上的力。是工业生产中的重要参数之一，在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力和真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号Pj表示。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用Pq来表示。绝对压力与大气压力之差，称为表压力，有Pb来表示。即Pb=Pj-Pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用Pz来表示。

2、压力测量原理
按测量原理分为两种：
根据压力的定义直接测量单位面积上受力的大小。
例：液柱式、弹性式
应用压力作用于物体后所产生的各种物理效应来实现压力。
例：电阻式：它是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力的变化而变化。
压电效应：当晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷的现象。
3、压力测量仪表的分类
压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等。
弹性式压力计
将被测压力转换成弹性元件变形的位移。
类型：弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。
特点：结构简单、使用可靠、读数清晰、价格低廉，在工业上广泛应用。

电气式压力计
通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）。
结构分类：各种压力传感器和压力变送器。
例：电容式压力变送器
它是由检测和变送两个环节组成。检测环节感受被测压力的变化转换成电容量的变化 。变送环节则将电容变化量转换成标准电流信号4~20mA DC输出。
测压点的选择
被测介质直管段
测量流动介质：取压点与流动方向垂直。
测液体压力：取压点在管道下部
测气体压力：取压点在管道上部
4、常见故障原因及处理
故障现象
可能原因
处理方法
压力无指示
无电源
检查电源接线，接通电源
信号接线断路
检找断点，重新接线
压力指示跳动
被测介质压力波动大
关小阀门开度
安装位置震动大
可安装减震器或移到震动小的地方
显示不变化
导压管堵
透通导压管
导压管切断阀未打开
打开切断阀
显示误差大
变送器与仪表量程设置不一致
重新设置量程
检测元件损坏
更换压力计
零点量程调跑了
重新调校压力计
第五节 流量仪表
1、基本概念
流量是单位时间内流经某一截面的流体数量。流量可用体积流量和质量流量来表示。
体积流量：流体量以体积表示时称为体积流量。 qv=uA
质量流量：流体量以质量表示时称为质量流量。 qm=ρqv=ρuA
2、分类
工业上常用的流量仪表可分为两大类
（1）速度式流量计：以测量流体在管道中的流速作为测量依据来计算的仪表。
（2）容积式流量计：它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据。
流量测量仪表还可以有以下的分类
节流式流量计
转子流量计
电磁流量计
容积式流量计
流体振动式流量计
超声波流量计
质量流量计
差压式流量计
节流装置与差压变送器配套测量流体的流量，是目前使用最广的一种流量测量仪表。在管道中流动的流体具有动能和位能，在一定条件下这两种能量可以相互转换，但参加转换的能量总和是不变的。节流元件测量流量就是利用这个原理来实现的。在节流装置中，应用最多的是孔板、喷嘴、文丘利管等。
根据能量守恒定律及流体连续原理，节流装置的流量公式可以写成：
Q=k√△P

转子流量计
转子流量计又称面积式流量计或恒压降式流量计，也是以液体流动时的节流原理为基础的一种流量测量仪表。其特点是可以测量多种介质的流量，压力损失小而且稳定，反应灵敏，量程较宽，结构简单，价格便宜，使用维护方便。但转子流量计的精度受测量介质的温度、密度和粘度的影响，而且仪表必须垂直安装。
原理：转子流量计是由一段向上扩大的圆锥形管子和密度大于被测介质密度，且能随被测介质流量大小上下浮动的转子组成的。当液体自下而上流过时，转子因受到液体冲击而向上运动。随着转子的上移，转子与锥形管之间的环形流通面积增大，液体流速减低，冲击作用减弱，直到液体作用在转子上向上的推力与转子在流体中的重力相平衡。此时，转子停留在锥管中某一高度上。如果液体流量再增大，则平衡时转子所处的位置更高；反之则相反。因此，根据转子悬浮的高低就可测知液体流量的大小。
故障现象
可能原因
处理方法
显示偏低
正压则切断阀未打开或正导压管堵
打开切断阀，透通导压管
平衡阀关不严
关严平衡阀或更换三阀组
显示偏高
负压则切断阀未打开或负导压管堵
打开切断阀，透通导压管
导压管内隔离液被介质置换
重新加注隔离液，使两导压管内充满隔离液
显示跳动
被测介质压力波动大
关小阀门开度
安装位置震动大
可安装减震器或移到震动小的地方
显示不变化
导压管堵
透通导压管
导压管切断阀未打开
打开切断阀
显示误差大
变送器与仪表量程设置不一致
重新设置量程
检测元件损坏
更换压力计
零点量程调跑了
重新调校压力计
没有开方运算
设置开方运算
第六节 物位仪表
1、概念
生产过程中罐、塔、槽等容器中存放的液体表面位置称为液位。把料斗、堆场仓库等储存的固体块、颗粒、粉料等的堆积高度和表面位置称为料位；两种互一相溶的物质的界面位置称为界位。液位、料位以及界位总称为物位。用来测量物位的仪表称为物位仪表。
2、分类
物位测量仪表的种类很多，按液位、料位和界位来可分：
（1）液位仪表：浮力式（浮筒、浮球、浮标、沉筒）、静压式（压力式、差压式）、电容式、电感式、电阻式、超声波式、微波式等。
（2）界位仪表：浮力式、差压式、电极式、超声波式等。
（3）料位仪表：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、放射性式等。
3、浮力式液位计
浮力式液位计有两种。一种是维持浮力不变的液位计，称为恒浮力式液位计，如浮球、浮标式液位计等。另一种是在检测过程中浮力是发生变化的，称为变浮力式液位计，如沉筒式液位计等。
（1）恒浮力式液位计
恒浮力式液位计是利用浮子本身的重量和所受的浮力均为定值，并使浮子始终漂浮在液面上，并随液面的变化而变化的原理来测量液位的。
（2）变浮力式液位计
变浮力式液位计的检测元件是沉浸在液体事的浮筒。它随液位变化而产生浮力的变化，去推动气动或电动元件，发出信号给显示仪表，以指示被测液面的值。
图示为位移平衡浮筒式液位变送原理图。当液位发生变化时，浮筒1（又称沉筒）本身的重力与所受的浮力的不平衡力，经杠杆2传至扭力管3，而扭力管产生转角弹性变形，由心轴4传出，经推板5传到霍尔片6，转换成霍尔电势，经功率放大后转换成统一的标准电信号输出，以远传给显示仪表指示。

（3）差压式液位计
差压式液位是利用容器内的液位改变时，液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。图为差压式液位计测量原理图。当差压计一端接液相，另一端接气相时，根据液体静力学原理，有：Pb=Pa+ρgH
式中 H------液位高度
ρ------被测介质密度
g--------被测当地的重力加速度
所以有：△P=Pb-Pa=ρgH
在一般情况下，被测介质的密度和重力加速度都是已知的，因此，差压计测得的差压与液位的高度H成正比，这样就把测量液位高度的问题变成了测量差压的问题。

(4)翻板液位计
翻板液位计的翻板是由导磁的薄铁皮制成。垂直排列，并各自能绕框架上的小轴翻转（如图）。翻板一面涂红漆，另一面涂银灰色漆。工作时，液位计的连通管经法兰与容器相连通，构成一连通器。连通器中间有浮标，它随液位的变化而变化。浮标中间有一磁钢，其位置正好与液面一致。当液位上升时，磁钢将吸引翻板，并将它们逐个翻转，使红的一面在外边；下降时，又将它们翻过来，使银灰的一面在外边。即以颜色表示液位高低，十分醒目。

故障现象
可能原因
处理方法
显示偏低或不变化
沉筒脱落或漏；浮球脱落
修复沉筒、浮球或更换沉筒
沉筒扭力管被污物卡住
清理异物
显示偏高
筒底部有污物
排污
显示误差大
变送器与仪表量程设置不一致
重新设置量程
检测元件损坏
更换压力计
零点量程调跑了
重新调校压力计
第七节 执行器
1、概含
执行器常称为调节阀，它由执行机构和调节机构两部分组成。其中执行机构是调节阀的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使调节阀阀蕊产生相应的位移。调节机构是调节阀的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀蕊与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的目的。
2、分类
执行器按其能源形式分气动、电动、液动三大类。
气动执行器按其执行机构形式分薄膜式、活塞式和长行程式。
电动和液动执行器按执行机构的运行方式分为直行程和角行程两类。
目前在石化工业中普遍采用气动执行器。

3、执行机构
气动薄膜执行机构是应用最广泛的执行机构，它接受0.02~0.1MPa气动信号。它正作用和反作用两种形式，当信号压力增加时推杆向下移动的叫正作用执行机构。信号压力增加时推杆向上移动的叫反作用执行机构。

气动薄膜（有弹簧）的薄膜的有效面积越大，执行机构的推力和位移也越大。
气动活塞式（无弹簧）执行机构随气缸两侧压差而移动。因为没有反力弹簧抵消推力，所以有很大的输出推力，适用于高静压、高差压的工艺场合。
4、调节机构
调节机构又称阀。种类很多，根据结构、用途来分，其基本形式是直通单座阀、直通双座阀、蝶阀、三通阀、偏心旋转阀、套筒阀、角形阀等。
（1）直通单座阀：阀体内只有一个阀蕊和阀座，阀杆带动阀蕊上下移动来改变阀蕊与阀座之间的相对位置，从而改变流体流量。其主要优点是泄漏量小。

（2）直通双座阀：阀体内只有两个阀蕊和阀座，阀杆带动阀蕊上下移动来改变阀蕊与阀座之间的相对位置，从而改变流体流量。其主要优点是适用压差比同口径单座阀大。

（3）蝶阀：又称翻板阀，由于阀板在阀体内旋转的角度不同，使阀的流通面积不同，从而调节流体流量。其主要优点是适用于大口径、大流量和浓稠浆液及悬浮粒的场合。

（4）偏心旋转阀：又称凸轮挠曲阀，简称偏心阀。球面阀蕊6连在柔臂7上与轮毂8相接，轮毂与转轴4用键滑配，转轴带动球面阀蕊旋转改变流体流量。工作时转轴的运动是由气动执行机构驱动的，推杆的运动通过曲柄传给转轴。其主要优点是流路阻力小，可调比大，适用大压差、严密封的场合和粘度大及有颗粒介质的场合。很多场合可以取代直单、双座阀。
（5）套筒阀：也叫笼式阀，它的阀体与一般直通单座阀相似，阀内有一个圆柱形套筒，也叫笼子。阀蕊可在套筒中上下移动，利用套筒导向。阀蕊在套筒中移动，改变了套筒的节流孔面积，形成了各种特性并实现流量的调节。由于套筒阀采用了平衡阀蕊结构，阀蕊上、下受压相同，不平衡力小，并且阀蕊利用套筒侧面导向，所以它的稳定性好，不易振荡，阀蕊也不易人损坏。它的优点前后压差大和液体出现闪蒸或空化的场合，稳定性好，噪声低，可取代大部分直通单、双座阀，但它不适用于含颗粒介质的场合。
5、调节阀的气开、气关
气动执行器的气开式与气关式两种形式。
气开式：有压力信号时阀开、无压力信号时阀关；气关式反之。
气开、气关选择依据：工艺生产安全、节约能源以及从介质特性等。

5、阀门定位器
阀门定位器是调节阀的主要附件，可分为气动阀门定位器和电-气阀门定位器。动阀门定位器接受气动信号0.02~0.1MPa，输出0.02~0.1MPa。电-气阀门定位器将4~20mA DC的电信号，转换成0.02~0.1MPa的气压，并按气动阀门定位器的功能进行工作。
阀门定位器接受调节器输出的控制信号，去驱动调节阀动作，并利用阀杆的位移进行反馈，将位移信号直接与阀位比较，改善阀杆行程的线性度，克服阀杆的各种附加摩擦力，消除被调介质在阀上产生的不平衡力的影响，从而使阀位对应于调节器的控制信号，实现正确定位。