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微机基础知识讲义
一、 量值传递：
量值传递是指将计量基准所复现的单位量值，通过计量检定（或其他传递方式），传递给下一等级的计量标准，并依次逐级传递到工作计量器具，以保证被测对象的量值准确一致，这一过程称之为量值传递。
相关概念：计量基准是国家计量基准器具的简称，用以复现和保存计量单位量值，经国务院计量行政部门批准，作为统一全国量值最高依据的计量器具。计量器具是指能用以直接或间接测出被测对象量值的装置、仪器仪表、量具和用于统一量值的标准物质，包括计量基准器具、计量标准器具、工作计量器具。计量检定：为评定计量器具的计量性能，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。
周期检定:为了保证量值的统一,按检定规程定期地对计量器具进行复查,叫周期检定.
二、 误差知识：
1、 基本概念：
1．1测量误差（绝对误差）=测量值 – 真值
1．2相对误差=（绝对误差/真值）*100%=（绝对误差/测得值）*100%
1．3仪表相对引用误差=（最大绝对误差/仪表量程范围 ）*100%
仪表满度值=标尺上限值-标尺下限值。仪表准确度级别又叫精度等级。相对引用误差去百分数后常用来表示仪表的精确等级。如：0.02,0.2,0.5,1.5,1.6等.
1．4非线性误差：
非线性误差是衡量偏离线性程度的指标，它取实际值和理论值之间的绝对误差最大值和仪表标尺范围之比的百分数表示。
1．5 变差
同一被测参数数值下正反行程间仪表指示值的差值的最大值与仪表标尺范围之比的百分数。
1．6灵敏度：表达测量仪表对被测参数的变化的灵敏程度。
1.7灵敏限：指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵敏限的数值应不大于仪表允许误差绝对值的一半。
1. 8测量系统的误差：
δ总= C12+C22+C32+……Cn2
整个测量回路的误差=各单元仪表的最大引用误差的平方和开方。
2、误差的分类：
误差分为随机误差、系统误差、粗大误差
2. 1随机误差（偶然误差）
指在相同条件下多次测量同一量时，误差的大小，符号均无规律，也不能事前估计，这类误差由测量过程中的偶然因素引起。可以从统计规律中了解偶然误差的分布情况，并能对它做出估计，随机误差的大小决定测量结果的“精密度”
2．2 系统误差（规律误差）
系统误差指在同一条件下多次测量同一被测量时，误差的大小和符号保持恒定或按照某种确定规律变化的误差。它可以通过实验或分析的方法，查明其变化的规律及产生的原因，并能在确定了它的数值大小和方向后，对测量结果进行修正。系统误差的大小决定测量结果的“准确度”。如：仪表的零位和量程未调整好，就会引起一个固定的系统误差。
2．3粗大误差：
在测量中很明显地歪曲了测量结果的误差称为粗大误差。
2．4标准表量程的选择：标准表的误差应小于被检表误差的1/3。
三、 化工测量的五大参数：
压力P、温度T、流量F、液位L、分析A
1、 压力
1． 1定义：垂直作用于单位面积上的力。常用法定计量单位：Pa,kpa,Mpa,非法定计量单位：Kgf/cm2,mmH2O,mmHg等。
1标准大气压=1.013X105 帕斯卡
1工程大气压=9.80665X104帕斯卡
常用英制单位:Psi即Pounds per square inch磅/英寸2, lb/in2
1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=100千帕(KPa)=1.0197 公斤/平方厘米
1标准大气压（ATM）=0.101325兆帕(MPa)=1.0333巴（bar）
1psi=6.895kPa=0.06895bar
1巴（bar）=1标准大气压（ATM）=1公斤/平方厘米 =100千帕（KPa）=0.1兆帕（Mpa）
小知识:我厂所处地理位置大气压:99.342Kpa.
1．2表压、大气压力、绝对压力
表压=绝对压力-大气压力 工艺图纸表示表压表示：MpaG或Mpa,绝对压力表示MpaA.一些真空表选用绝对压力变送器，如尿素蒸发压力。
1．3压力等级
我国目前按设计压力(P)将压力容器分为低压、中压、高压、超高压四个等级，具体划分如下：
低压(代号L)：0.1Mpa≤P<1.6Mpa (表压)
中压(代号M)：1.6Mpa≤P<10Mpa (表压)
高压(代号H)：10Mpa≤P<100Mpa (表压)
超高压(代号U)：P≥100Mpa (表压)
2、 温度测量：
2．1温度的概念：表征物体冷热程度的量
2．2常用的温标及换算：
温标：用数值表示温度的方法称为温度标尺，简称温标。
常用温标：华氏温标、摄氏温标、热力学温标、国际实用温标(IPTS), 目前使用IPTS-68（75版）
华氏温标、摄氏温标关系：C=5/9（F-32），F=9/5C+32
摄氏温标、热力学温标、国际实用温标：t=T-273.15K，t68=T68-273.15K. 根据定义摄氏度和开尔文完全是等值的。
2．3热电阻的测温原理：
2．3．1基本原理： 金属在温度升高时其内部电子热运动速度增加，导致金属电阻率的增加，其电阻也相应升高。
2．3．2常见的热电阻分类及测量范围：
Cu50、Pt100
1、 铂电阻常用来测量-200-850℃温度。0-630℃电阻与温度的关系：Rt=R0(1+At+Bt2),在-200-0 Rt=R0[1+At+Bt2+Ct2（t-100）]
2、 铜热电阻在-50-+150℃范围内呈线性关系：
Rt= R0（1+at）
2．3．3 热电阻的测温原理：
利用直流不平衡电桥测量
R1
R2
B
L

E=I1[△Rt+(Rt0-Rw2)]
注意：对于PT100，Rt近似等于100+0.385*t
种热电阻材料的特性
材料名称
a0100(1/℃)
电阻率ρ(Ω.mm2/m)
测温范围(℃)
电阻丝直径(mm)
特性
铂
3.8-3.9*10-3
0.0981
-200~500
0.05~0.07

近似线性
铜
4.3~4.4*10-3
0.07
-50~+150
0.1

线性
铁
6.5~6.6*10-3
0.1
-50~+150

非线性
镍
6.3~6.7*10-3
0.12
-50~+100
0.05

近似线性

日常维护热电阻测量注意事项：
先用万用表测出B、C线路电阻，再测量A、B电阻，用Rab-Rbc,
查相应的分度表得实际温度值。错误的做法：直接测A、B电阻，查温度值。
2. 4热电偶测温
热电偶测温的基本原理是热电效应。将两种不同成分的金属导体首尾相连，形成闭合回路，如果两接点的温度不等，则在回路中就会产生热电势，形成热电流，这就是热电效应。热电偶就是将两种不同的金属材料一端焊接而成，焊接的一端叫测量端，未焊接的一端叫参考端。
中间温度定律：E（T,T0）=E(T,Tn)+E(Tn,T0),该定律为使用分度表奠定了理论基础。
热电偶参考端温度不恒定且不为0时，使用补偿法进行冷端补偿，热电偶离控制室较远时，用补偿导线进行延伸。
为什么要进行冷端补偿？通常测温是以0度为基准的，也就是热电偶参考端放在0度，测出的值才是实际温度，而实际使用中参考端温度不为0且不恒定，所以要使用补偿电路进行补偿。
日常检测及校验测温通道时注意事项：
测量现场温度时误区：有人在冷端用万用表测得mv值，查表得温度值，加上冷端温度值，作为实际值，这是错误的。正确的做法：查分度表得到室温对应的mv，然后加上冷端测得的mv值，再查表。
热电偶测温电路图如下：

R1
R2
B
L
Rcu
W2
W1

2.4.1 常用热电偶:
常用的热电偶按材料分为两大类:
1. 贵金属热电偶:金、银和六种铂族金属元素（钌、铑、钯、锇、铱、铂），通常成为贵金属。代表性的铂铑10-铂热电偶，分度号为S。优点：复现性好，热电特性稳定，测温准确可靠。我国复现国际温标的基准热电偶和用来进行标准传递的各级标准都采用这种热电偶。国标规定长期使用最高温度为1300℃，短期使用最高温度1600℃。可在氧化性、中性介质和真空中使用，不宜在还原性环境中使用。不足之处：成本高机械强度差、热电势小，9μV/℃
2. 廉金属热电偶：
价格比较便宜，常用的包括镍铬-镍硅（铝）K型、镍铬-康铜E型、铜-康铜T型、铁-康铜J型，注：康铜为55%Cu、45%Ni.
代表性热电偶：K型。
特点：复现性好，热电势和温度关系近似线性，热电势大（1300℃时热电势为52.398mV）,热电势率高,平均为41μV/℃,是铂铑10-铂热电偶的四倍,测温范围广、价格便宜。
2.4.2补偿导线：补偿导线实际上是一对在规定范围内（一般0-100℃）使用的热电偶丝。它采用与热电偶电极材料相同的金属材料或在规定范围（0-100℃）内热电特性与所配接的热电偶相同或相近且易于获得的价格低廉的金属材料作成，在测温中作为热电偶与二次仪表的连接导线，称为热电偶的补偿导线。
常用热电偶的补偿导线
热电偶名称
补偿导线
测量端为100C，参考端为0C时的标准热电势（mV)
正极
负极
材料
颜色
材料
颜色
铂铑10-铂
铜
红
镍铜
白
0.640 土 0.03
镍铬-镍硅(铝)
铜
红
康铜
白
4.10 土 0.15
镍铬-考铜
镍铬合金
褐绿
考铜
白
6.95 土 0.30
铜-康铜
铜
红
康铜
白
4.10 土 0.15
热电偶在使用时为什么要使用补偿导线？
因为在使用热电偶测温时，必须将热电偶的参考端温度保持恒定，否则，在测量中引入的测量误差将是个变量，要影响测量的准确度。但在现场使用中，热电偶的参考端往往处于高温热源的附近，受热源的影响无法稳定，因此必须将热电偶的参考端远离热源，移到温度较为稳定的场所；又因补偿导线在规定的使用范围内具有与热电偶相同的温度-热电势关系，因而它可以起到延长热电偶的作用。所以，热电偶在使用时要连接补偿导线。
3 流量测量
定义：流量指单位时间内流过管子断面的流体数量，即瞬时流量。
流量测量包括体积流量和质量流量。
分类：速度式、容积式、质量式
速度式流量仪表是以测量流体的流速为测量依据。如：差压式孔板流量计、转子流量计、电磁流量计、旋涡流量计等。
体积流量QV=V*S V： 流速 S：流体流经的管道截面积
质量流量 QW= QV*ρ ρ：密度
容积式流量仪表：以单位时间所排出的流体的固定容积V的数目作为测量根据。如：椭圆齿轮流量计，QV=n*V,Qw= QV *ρ
质量式流量仪表：检测在管道中流过的流体的质量。这类仪表精度高，常用来作计量仪表。如：贸易结算。科里奥利力质量流量计。采用这类仪表不受流体温度、压力、密度等的变化影响。
3.1几种典型的流量测量仪表:
3.1.1 差压式流量计:利用节流件的节流原理,在节流件前后形成压差进行测量。常用的节流件：孔板、喷嘴、文丘利威力巴等。
典型示例：孔板
节流装置结构原理如图所示：由于流速在节流装置前后形成收缩和扩大，所以在节流装置前后的管壁处的流体静压力发生变化，形成静压差ΔP，ΔP=P1-P2，P1>P2。流量愈大,节流装置前后产生的压差也愈大,通过测量压差的大小,来对流量进行测量。F=K ΔP
差压式流量计的信号处理：
1、 小信号切除：由于开方器输入信号越小，其动态放大倍数越大；输入信号越大，其动态放大倍数越小。从理论上讲，当输入信号接近0时，动态放大倍数就接近无穷大。所以在开方器输入信号（差压）小于某一值时，将输出流量信号切除，以减少误差。在流量计量过程中，往往会有这种现象出现：在无介质流动时，外界震动等信号易作用于传感器，引入“误流量”信号，这种信号低于仪表的计量下限，但也被累积。而在介质正常流过时，这种弱信号被掩没，并不影响计量。为了避免“误流量”信号的出现，在低于下限范围内设置“切除信号”。当引入信号低于该信号时，认为是“误流量”信号，瞬时流量为零，累积流量不累积；当引入信号高于该信号时，才被认为是正常流量信号。小信号切除一般设0.5~2%,通常仅在差压式流量计中用。
2、 DCS处理流量信号时注意事项：
首先确认差压变送器输入信号是否经过开方处理，因为现在大部分智能变送器都有开方功能。如果未开方则在DCS组态中进行开方处理，否则，不用处理。
3、 温压补偿：
⑴ 实际使用时被测介质的工作状态参数值，如温度、压力与设计值不同，由此引起的测量误差需要用温压补偿公式进行补偿，一般气体的流量受温度、压力影响比较大 ，所以常要进行补偿。
公式：F=F＇ P＇T/PT＇
式中 F -- 换算成标准状态下的实际流量, m3/h；
F＇-- 工作状态变化后的工况流量, m3/h；
P ＇-- 工况下的绝对压力 ,Mpa；
T＇ -- 工况下的绝对温度，℃;
P -- 设计绝对压力，Mpa;
T -- 设计绝对温度， ℃
以上公式可简化如下：
F= K* ΔP*K1*（0.1013+P）/(273+T)
ΔP: 差压变送器压差信号(孔板压差)
K1: 设计绝对温度与设计绝对压力之比
P: 工况下表压
T: 工况下温度
K: 流量系数
π
⑵ 质量流量的补偿：
4
质量流量的基本公式：M=－ad2 ρ·ΔP 由此公式可推导出：M 实=M设 ρ实/ρ设 其中，如：饱和蒸汽的温压补偿，可引入实际温度或压力，经查表得出对应的实际密度，通过上式实现流量补偿。由于蒸汽流量一般都按质量流量设计（t/h,Kg/h）, 所以按以上公式进行补偿。浙大中控DCS编程软件SCControl中提供的蒸汽补偿模块有两种：a.过热蒸汽：COMPENSATE b.饱和蒸汽：SATSTEAM （ 只引入压力，单位：KPa）。注意：模拟量输入组态画面中的温压补偿仅用于理想气体，如：H2、O2、N2。理想气体：指在任意压力和任意温度下其状态均符合PV=NRT，理想气体必须有如下特征：⑴分子本身没有体积 ⑵ 分子间无相互作用力。

小知识: 我厂所处地理位置海拔约295米, 大气压:99.342Kpa. 海拔每升高100米，大气压就下降5毫米汞柱（0 67千帕），氧分压亦随之下降1毫米汞柱左右（0．14千帕）。
4、 日常维护中的信号换算：
根据Q=K ΔP 可求得以下公式：
Q1 ΔI ΔI
Qmax 20-4 16
例：假如用万用表测得，差压变送器信号为12mA,流量量程为4000m3/h,问此时流量应该指示多少？
Q= ΔI /4 * Qmax=0.707*4000=2828( m3/h),即输入差压信号为50%时,实际流量信号为满量程得70.7%,也可知道流量变化的百分数等于电流变化百分数的开方。
3.1.2 涡街流量计:
v
测量原理：在管道中流体流动的上方放置一个非流线型物体（旋涡发生体），当流体流过该旋涡发生体时会被分成两股，每股中靠近管道壁的流体与靠近旋涡发生体的流体之间形成很大的速度梯度，流体将在旋涡发生体两侧发生交替剥离，并形成两排旋涡列向下游流去，这就是所谓的“卡曼涡列”。当满足h/l=0.281时，两排旋涡是稳定的，其中h为两列旋涡的间距，l为同列中相邻旋涡的间距。旋涡的频率与流体的流速 v，柱状物的特征宽度d之间有如下关系：
d
f=Sr Sr称为斯特劳哈尔数，测得f即可求出v,从而求出体积流量，这就是涡街流量计的基本原理。
3.1.3 电磁流量计：
电磁流量计由变送器和转换器两部分组成，两者之间用连接线相互连接。变送器是基于电磁感应定律工作的，如图所示，被测介质垂直于磁力线方向流动，因而在与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生一感应电动势EX
B
EX=Bdv×10-4 V ①
B----磁感应强度，T（特斯拉）
d----两电极间距离（管径），cm
v----被测介质的平均流速，cm/s
Q=π/4 d2 v ②
由①、②得：
4 B
EX = × Q ×10-4 V
π d
当磁场强度B，两电极间距离d一定时，则 EX=KQ

N
S
EX
V

EX

电磁流量计的构成：由变送器和转换器组成。变送器由磁路系统、测量导管、电极、外壳和干扰信号调整装置等部分组成，它将流量的变化转换成感应电势的变化。转换器由电子元器件组成，它将微弱的感应电势放大，并转换成统一的标准信号输出。
电磁流量计安装注意事项：
1、 电磁流量计信号较弱，满量程时仅2.5 ~8mV,流量很小时，仅几微伏，外界略有干扰，就会影响测量精度，因此，变送器外壳、屏蔽线、测量导管以及变送器两端的管道都要接地，并单独设接地点。
2、 变送器要远离磁源，不能有振动。
3、 变送器和转换器必须使用同一相电源，否则由于检测信号和反馈信号相差-120相位，致使仪表不能正常工作。
4、 必须保证测量液体满管。
5、 变送器上游端应有不小于5D的直管段，当有阀门、扩大管时应加长到10D。
6、 电磁流量计适用范围：
能测量具有一定导电率的液体或液固混合物的体积流量，常用于检测酸、碱、盐、含固体颗粒液体的流量，这是它优越于其他流量计的特点。
3.1.4 科氏质量流量计：
1、原理： 科氏质量流量计是根据科里奥利效应制成的。假如在一个旋转体系中，具有质量m和速度v的物体，以角速度ω从里往外（反之亦然）运动，则物体会受到一个切向力FC，该切向力称为科里奥利力。FC =-2mvω
2、特点：①可直接测量质量流量，与被测介质的温度、压力、密度、粘度变变化无关。而其他各种质量流量计均采用间接测量方法。　②无可动部件，可靠性高。③线性输出，测量精度高，可达0.1%~0.2% ④可调量程比宽，最高可达1：100 ⑤适用于各种液体，如腐蚀性、脏污介质、悬浮液、两相流体等。

第四部分 物位测量
1、 分类：
玻璃液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电测式液位计
2、 测量原理：
2．1 玻璃液位计是根据连通器原理而工作的。
2．2 静压式液位计是根据流体静压平衡原理而工作的。可分为压力式和差压式。常用的差压变送器、双法兰变送器都属于该类型。
2. 3浮筒式液位计：
原理：基于阿基米德定律工作的。
分类：恒浮力液位计、变浮力液位计
恒浮力液位计是根据浮子的位置随着液位的变化而变化来进行测量的。一般用浮球的移动带动一组干簧管的通断来指示液位。
变浮力液位计是根据浮筒的浮力随着液位的变化而变化来进行测量的。常用的有浮筒式液位计。
2．4电测式液位计：
一般有电极式液位计、电容式液位计等。注意：电容式液位计工作时有一极板（通常是设备壁）是接地的，所以通常要求电源负极接地，此时，信号应采用隔离栅隔离后再进DCS。
2．5核辐射式物位计：