化工基础实验第三章.ppt

第4章化工实验参数测量方法 4 1测量技术基础知识 静态特性 动态特性 反映测量仪表对于随时间变化的输入量的响应特性 1 精确度 仪表的最大允许误差 注 max是用标准表和该仪表对同一变量测量时所得到的两个读数之差 这个差值在测量范围内各点是不同的 最大的差值即 max 一 静态特性 评定工业测量仪表的指标 精度等级是把仪表的最大允许误差 去掉 和 后的数值 数值越小 表示仪表的精度越高 反之 数值越大 仪表的精度越低 例1确定仪表精度等级 某台测温仪表的量程为600 1100 校验该仪表的最大绝对误差为 4 试求该仪表的允许误差与精度等级 所以仪表的等级为1 0级 仪表的允许误差 某台测温仪表的量程为0 1000 工艺要求该仪表指示值的误差不超过 7 应该选精度等级为多少的仪表才能满足要求 所以应该选用0 5级的仪表 例2选择一定精度的仪表 根据工艺要求 仪表允许的误差为 2 线性度 非线性误差 表征线性刻度仪表输出量与输入量的实际标准曲线与理论直线的吻合程度 如图1所示 图1非线性误差特性示意图 非线性误差是指被校验仪表的实际测量曲线与理论直线之间的最大差值 3 回差 又称变差 在外界条件不变的情况下 用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程测量时 被测量值正 反行程所得到的两条特性曲线之间的最大偏差 如图2所示 灵敏度 用来表示仪表对被测参数变化的反应灵敏程度 是指仪表达到稳态后 输出变化量与对应输入变化量之比 即 4 灵敏度与灵敏限 S 仪表灵敏度 X 输入变化量 Y 输出变化量 灵敏限 指能引起仪表指针发生位移时所需被测参数的最小变化量 一般规定 仪表的灵敏限数值应不大于仪表允许测量误差绝对值的1 2 5 重复性 6 阂值 重复性是衡量测量仪表在同一条件下 输入量按同一方向作全量程连续多次变化时 所得特性曲线间一致程度的指标 各条曲线越靠近 重复性越好 阂值是能使测量仪表输出端产生可测变化量的最小被测输入量值 即零位附近的分辨力 漂移是指在一定时间间隔内 测量仪表输出与输入量无关的变化 包括零点漂移和灵敏度漂移 一般时间和周围温度环境可以引起漂移 8 漂移 7 稳定性 稳定性是指仪表在相当长的时间内保持其性能的能力 时间常数 0测量仪表输出值上升到稳态值yc的63 2 所需的时间 二 动态特性 反应时间 反应时间是指仪表的动态性能指标 当用仪表对被测量进行测量时 被测量突然变化后 仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来 一 液柱式压力计常用的有U型管压差计 倒U管压差计 4 2 1压力测量仪表分类 按转换原理分 a 液柱式压力计b 弹性式压力仪表c 电气式压力仪表d 活塞式压力标准仪表 4 2压力检测变送仪表 液柱式压力计注意问题 读数的表示方法当待测流体为水时 压差计的指示液是Hg 测得的液柱高度是50mm时 能读作50mmHg柱吗 不能 应读作50mmHg H2O 最小测量值的确定如果要求压差的测量误差不大于3 U管压差计的最小单位一般是1mm 则每次读数的绝对误差为 则最小液柱高度为 即当液柱高度大于为23 6mm 满足误差要求 二 弹性式压力计 a 弹性元件 b 测量原理测量压力时 被测压力介质通过管接头进入弹簧管的内腔内 从而使弹簧管的自由端产生位移 自由端的位移放大后 指示出相应的压力 c 弹性式压力仪表 实物图及内部结构 图5弹性式压力表示意图 三 电气式压力计 组成 压力传感器的作用是把信号检测出来 并转换成电信号进行输出 当输出的电信号能够进一步转换为标准信号时 压力传感器又称为压力变送器 电信号加工装置是对传感器输出的电信号经适当加工处理 如衰减 放大 滤波 运算等 输出仪表则是用表头显示 或用笔式记录仪 打印机 屏幕显示等输出设备进行显示 一 应变片式压力传感器 a 分类 有金属应变片式和半导体应变片式两类 4 2 2压力传感器 b 特点 被测压力可达25MPa 固有频率在25000Hz以上 有较好的动态性能 适合测快速变化的压力 非线性及滞后误差小于额定压力的1 c 测压原理当压力P作用于膜片而使应变筒作轴向受压变形时 沿轴向贴放的应变片r1也将产生轴向压缩应变 于是r1的阻值变小 沿轴向贴放的应变片r2由于本身受到横向压缩将引起纵向拉伸应变 于是r2阻值变大 使得r1和r2与固定阻值的r3和r4组成的桥式电路失去平衡 从而获得不平衡电压作为传感器的输出信号 二 霍尔片式压力传感器 霍尔效应在半导体制成的霍尔片的Z轴方向加一磁场 在Y轴方向加一外电场 电子在霍尔片中运动时 由于受电磁力的作用 而使电子的运动轨道发生偏转 造成霍尔片的一个端面上有电子积累 另一端面上正电荷过剩 从而在X轴方向上出现电位差 该电位差称为霍尔电势 这种现象叫 霍尔效应 UH 霍尔电势B 磁感应强度I 控制电流RH 霍尔常数 与霍尔片材料 几何形状有关 霍尔电势一般为几十毫伏数量级 I为3 20mA B约为几千高斯 导体也有霍尔效应 但远小于半导体 1 弹簧管 2 磁钢 3 霍尔片 将霍尔元件与弹簧管配合 就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器 当被测压力引入后 在被测压力作用下 弹簧管自由端发生位移 因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置 使所产生的霍尔电势与被测压力成比例 1 压力表的选用a 仪表类型的选用显示方式的要求 被测介质的物理化学性质及现场环境条件 b 仪表量程的选用根据工艺生产过程中操作压力变化的范围来考虑 c 仪表精度等级选择精度等级是根据已选定仪表的量程和工艺生产上所允许的最大测量误差 求最大允许误差来确定的 4 2 4压力表的选用与安装 2 压力表的安装 a 测量点的选择 选在被测介质直线流动的直管段部分 测压点应与流动方向垂直 测压管端面与生产设备连接处的内壁保持相平 不应有凸出物和毛刺等 测量液体压力时 取压点应在管道下部 使导压管内不积存空气 测量气体压力时 取压点应在管道上方 使导压管内不积存液体 图6流体管道的取压口 a 液体管道 b 气体管道 b 导压管的选择安装 导压管的粗细长短合适 根据被测介质易冷凝或是冷冻时 必须加保温伴热管线 测压口和压力表之间应加截断阀门 导压管安装时要有一定斜度 防气泡或固体杂质 若被测介质为液体 在导压管内有气体存在 或被测介质为气体 而导压管内有液体存在 都会造成测量误差 c 压力表的安装 安装在易于维修和观察的地方 应力求避免振动和高温等的不利影响 安装高度应与取压点相同或相近 否则会产生测量误差 表压P P H g 测量蒸汽压时 应加装盘形管 以防高温蒸汽与被测元件直接接触 对于腐蚀性介质 要加隔离罐 在压力表和导压管的连接处应加装密封衬片 防止泄漏 图9隔离器的结构形式 放空阀 切断阀 平衡阀的使用 平衡阀使用注意事项 1 设置平衡阀 且将平衡阀装在切断与测量仪表之间 2 实验装置开始运转之前和停止运转之前 应先打开平衡阀 3 关闭平衡阀之前应认真检查两个切断阀 当两个切断阀均已打开或均已关闭时 才能关闭平衡阀 4 打开放空阀 或 之前 务必先打开平衡阀 分类 4 3流量检测变送仪表 一 节流式 差压式 流量计 a 原理 利用流体流经节流装置产生的压力差而实现流量测量 b 组成 由节流装置和差压计及显示仪表组成 节流装置包括节流元件和取压装置 有孔板 喷嘴 文丘里管等 c 常用节流式流量计的比较 d 流量基本方程 流量系数 膨胀校正系数F0 开孔截面积 P 节流装置前后压力差 流体密度 与节流装置形式 节流孔面积与管道面积之比 取压方式 及Re等有关 P与取压方法有关 我国规定的标准节流装置取压方法为角接取压法和法兰取压法 流量系数 与Re的关系 当Re大于临界雷诺数时 为常数 流量Q与压差 P的平方根成正比 因此此类流量计的工作范围最好选在 为常数的范围内 e 压差式流量计使用和安装 流体必须是清洁单相流体 或认为是无相变的牛顿型流体 且被测流量是稳定的 对脉动流不适用 流体在节流装置前后必须完全充满管道整个截面 并在节流装置前导压管的安装要求与 压力检测变送仪表 中导压管的一样 后有足够长的直管段 节流元件的安装方向 可以垂直也可以水平 但对流向有一定要求 图11节流式流量计 若被测流体的工作流体与实际计算时有所不同 要对所测数值进行校正 标定流体密度 实际流体密度 f 节流式流量计的流量校正 流量 压差的标定条件 液体流量计 水 760mmHg 1 0133 105Pa 20 998 2Kg m3气体流量计 空气 760mmHg 1 0133 105Pa 20 1 205Kg m3 二 转子流量计 a 工作原理 图12转子流量计示意图 是以压降不变 利用节流面积的变化来测量流量的大小 b 基本方程及应用 qv p1 p2 h 被测介质的密度和工作状态与工业基准状态不同时 需对流量指示值进行修正 液体流量测量时的修正 气体流量测量时的修正 c 特点 适合测量管径50mm以下管道的流量 测量流量比较小的场合 安装必须垂直 转子对粘污比较敏感 调节流量不宜采用速开阀门 如电磁阀等 搬动时应将转子卡住 特别是大口径的转子流量计 被测流体温度若高于70 应安装保护罩 以防玻璃管因溅有冷水而骤冷破裂 注意转子流量计的下限 3 转子流量计使用和安装时应注意的问题 三 涡轮流量计 流体推动涡轮叶片 使涡轮旋转高导磁的涡轮在旋转的同时 周期性地扫过磁钢 使磁路的磁阻发生周期性变化 线圈中感应出交流电信号交变信号频率送往电子计数器或电子频率计 累积或指示流量 1 工作原理 2 涡轮流量计的特性 图涡轮流量计的特性曲线示意图 仪表常数 与体积流量Q曲线 脉冲信号的频率f与体积流量Q曲线 流量很小的流体通过流量计时 涡轮并不转动 只有当流量大于某一最小值 能克服起动摩擦力距时 涡轮才开始转动 当流量较小时 仪表特性不良 涡轮流量计的一般工作点最好在仪表测量范围上限数值的50 以上 涡轮流量计出厂时是在水平安装情况下标定的 所以应用时 必须水平安装 否则会引起变送器的仪表常数发生变化 为了确保变送器叶轮正常工作 流体必须洁净 切勿使污物 铁屑 棉纱等进入变送器 因此需在变送器前加装滤网 被测流体的流动方向须与变送器所标箭头方向一致 应了解介质密度和粘度及其变化情况 考虑是否有必要对流量计的特性进行修正 3 涡轮流量计使用和安装时应注意的问题 4 4温度检测变送仪表 常用温度计的种类及优缺点 4 4 1热电偶温度计 1 热电偶及测温原理 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表 热电效应 把两种不同导体或者半导体连接成一个闭合回路 把两个接点分别置于温度t的热源和温度t0的冷端 在回路中就会产生电势 这种效应叫作热电效应 热电偶温度计是由三部分组成 热电偶 是由不同材料的导体焊接而成 作为感温元件 测量仪表 动圈仪表或电位差计连接导线 铜导线及补偿导线整个回路的热电势由接触电势组成温差电势 接触电势 两种不同导体A B接触时 由于两者电子密度不同 则电子在两个方向扩散速率不同 从而在A B间形成一个电位差 这就是接触电势 温差电势 在同一种导体的两端因其温度不同而产生的电势 整个热电偶回路的总电势 理论上任何两种不同金属都可以组成热电偶 但有的无实用价值 热电势EAB t t0 只与组成热电偶的材料A B及两端点温度t t0有关 与热电偶的形状 大小 粗细无关 当A B和t0一定时 EAB t t0 是温度t的单值函数 这就是热电偶测温的基本依据 2 热电偶基本定律 热电偶A B产生的热电势与A B材料的中间温度无关 只与接触点温度t t0相关 远距离传输的依据 冷端温度修正理论依据 在热电偶回路中 接入第三种材料的导线 只要第三导线的两端的温度相同 第三导线的引入不会影响热电偶的电势 接入测量仪表的依据 3 热电偶与温度关系特性 可用列表法表示 冷端温度均为0 数学表示法图示法 列表法将温度与热电偶的热电势列成相应的表格 不同的热电偶其数值是不同的 每种热电偶都对应一个分度号 数学表示法 图示法把热电势与温度关系用曲线在坐标纸上表示出来 4 常用热电偶材料 a 对热电偶材料的要求 热电性能好 物化性能稳定 测量温度范围宽 电阻温度系数小 有良好的机加性能 工业上常用的标准热电偶 5 热电偶的结构 铠装热电偶将热电偶丝与绝缘材料及金属套管经过整体拉伸工艺加工而成的坚实的组合体 外径为1 8mm 还可小到0 2mm 长度可为50m 反应速度快 可弯曲 不怕震 耐高压的优点 普通热电偶由热电极 绝缘管 保护套和接线盒组成 图17普通热电偶 图18铠装热电偶 6 热电偶冷端温度的处理方法 补偿导线与热电极在0 100 具有相同的热电性能 不同热电偶所用的补偿导线不同 热电偶和补偿导线的两个接点处温度相同 使用时型号相配 极性不能接错 价格比较低廉 只有热电偶的冷端温度保持不变 热电势才是被测温度的单值函数 使用补偿导线可将冷端延伸至温度恒定处 同时节约贵金属材料 a 补偿导线特点 常用热电偶的补偿导线 b 冷端温度的补偿方法 采用补偿导线后 冷端从温度较高和不稳定的地方 延伸到温度较低和比较稳定的操作室内 但冷端温度还不是0 冰点法 计算修正法 仪表零点校正法 补偿电桥法 补偿热电偶法 54 七 热电偶的串并联应用 热电偶不同极性相接的串联线路图 热电势之和 用于微小温度变化的测量 提高灵敏度 热电偶并联线路图 热电势的平均值 得到各点温度的平均值 4 4 2热电阻温度计 热电偶一般适用于测量500 以上的较高温度 由冷端温度及环境温度的变化所引起的相对误差显得突出 不易得到完全的补偿 所以 在中 低温区 一般使用热电阻温度计测量 适用于 200 500 输出值大 测量准确 由于热电偶温度计具有 a 热电阻的组成及连接方式 图21热电阻的接线方法 三线制 b 热电阻测温原理 利用金属导体的电阻值随温度而变化的特性来进行温度测量 热电阻与热电偶的测温原理不同 c 工业常用热电阻 热电阻的材料一般要求 热容量小 电阻温度系数 电阻率大 应具有稳定的物理 化学性质和良好的复制性 电阻值随温度的变化关系 最好呈线性 工业常用热电阻 d 热电阻的结构 普通型热电阻主要由电阻体 保护套管和接线盒等组成 铠装热电阻将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体 体积小 抗震性强 可弯曲 热惯性小 使用寿命长 薄膜热电阻将热电阻材料通过真空镀膜法 直接蒸镀到绝缘基底上 体积小 热惯性小 灵敏度高 4 4 6测温元件的安装 保证测温元件与流体充分接触 测温元件应迎着被测介质流向 至少成90 测温元件的感温点应处于管道中流速最大处 测温元件应有足够的插入深度 以减小误差 若工艺管道过小 安装测温元件处应接装扩大管 热电偶 热电阻的接线盒面盖应向上 避免雨水等物质进入 防止热量散失 测温元件应插在有保温层的管道或设备处 测温元件安装在负压管道中时 必须保证密封性 防止外界冷空气进入 使读数降低 62 实验注意事项 实验前要认真预习 实验方式有变化 老师讲得少 一般实验前要提问 实验目的 需要测哪些量 这些量如何测取 实验过程要认真 注意观察实验现象 数据记录要规范 同时要注意仪表的使用方法 实验报告最好手写 要避免抄袭 实验后一周内交实验报告 实验报告随原班交 实验中或批改报告中有什么问题 请与老师沟通 珍惜实验机会