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化工仪表及其自动化 第一篇
——第二章 检测仪表
内容提要 压力检测及仪表
压力单位及测压仪表 压力计的选用
流量检测及仪表
概述 差压式流量计 转子流量计 椭圆齿轮流量计 涡轮流量计 电磁流量计 漩涡流量计 质量流量计
内容提要
物位检测及仪表
概述 差压式液位变速器 电容式物位传感器 核辐射物位计 称重式液罐计量仪
温度检测及仪表
温度检测方法 热电偶温度计 热电阻温度计 电动温度变送器
第一 节 压力检测及仪表
一、压力单位及测量仪表 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。 压力
F S 式中，p表示压力；F表示垂直作用力；S表示受力面积。 p=
压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa） 压力
1Pa = 1 N m 2
1MPa = 1× 10 6 Pa
第一 节 压力检测及仪表
国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单 位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。
表3-1 各种压力单位换算表
压力单位 帕/Pa 兆帕/ MPa 工程大气压/ (kgf/cm2) 物理大气压/ atm 汞柱/ mmHg 水柱/ mH2O （磅/英寸2）/ （1b/in2） 巴/bar 帕 兆帕 工程大气压 物理大气压 汞柱 1×106 1 9.807×10-2 0.10133 1.3332×10-4 1.0197×10-5 10.197 9.869×10-6 9.869 7.501×10-3 7.501×103 1.0197×10-4 1.0197×102 1.450×10-4 1.450×102 1×10-5 10
1 1×106 9.807×104 1.0133×105 1.3332×102
1 1.0332 1.3595×10-3
0.9678 1 1.3158×10-3
735.6 760 1
10.00 10.33 0.0136
14.22 14.70 1.934×10-2
0.9807 1.0133 1.3332×10
-3
水柱 （磅/英寸2）
9.806×103 6.895×103
9.806×10-3 6.895×10-3
0.1000
0.09678
73.55
1
1.422
0.09806
0.07031
0.06805
51.71
0.7031
1
0.06895
巴
1×105
0.1
1.0197
0.9869
750.1
10.197
14.50
1
第一 节 压力检测及仪表
在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。 在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。
p表 大气压力线
p表压 = p绝对压力 ? p大气压力
P绝
P真 P绝 绝对压力的零线
图3-4 绝对压力、表压、负 压（真空度）的关系
当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。 当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。
p真空度 = p大气压力 ? p绝对压力
第一 节 压力检测及仪表
测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。 测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。 1.液柱式压力计
它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量 按其结构形式的不同 有U形管压力计、单管压力计等 优点 这类压力计结构简单、使用方便 其精度受工作液的毛细管作用、密度及视 差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测 量较低压力、真空度或压力差。
缺点
第一 节 压力检测及仪表
2.弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元 件变形的位移进行测量的。
3.电气式压力计 它是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）来进行测量的仪表。
第一 节 压力检测及仪表
4.活塞式压力计 它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转 换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。 优点 测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。
缺点
结构较复杂，价格较贵。
第一 节 压力检测及仪表
警惕！ 警惕！ 目前化工生产中常见的压力表为第二类。 目前化工生产中常见的压力表为第二类。 在化工生产过程中， 在化工生产过程中 ， 常需要把压力控制在某 一范围内， 即当压力低于或高于给定范围时， 一范围内 ， 即当压力低于或高于给定范围时 ， 就会破坏正常工艺条件， 甚至可能发生危险。 就会破坏正常工艺条件 ， 甚至可能发生危险 。 这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。 这时就应采用带有报警或控制触点的压力表 。 将普通弹簧管压力表稍加变化， 将普通弹簧管压力表稍加变化 ， 便可成为电 接点信号压力表， 接点信号压力表 ， 它能在压力偏离给定范围 及时发出信号， 时 ， 及时发出信号 ， 以提醒操作人员注意或 通过中间继电器实现压力的自动控制。 通过中间继电器实现压力的自动控制。
第一 节 压力检测及仪表
二、压力计的选用及安装
1.压力计的选用 压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要 压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要 结合其他各方面的情况， 求 ， 结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的 分析， 一般考虑以下几个问题。 分析， 一般考虑以下几个问题。 仪表类型的选用
酸介质、 酸介质、碱介质下耐腐蚀等等 考虑反应介质等因素， 氨气、乙炔禁用铜， 考虑反应介质等因素， 如： 氨气、 乙炔禁用铜，
仪表测量范围的确定 仪表精度级的选取
按照“化工自控设计技术规定” 按照“化工自控设计技术规定”来选
第一 节 压力检测及仪表
举例 例3 某台往复式压缩机的出口压力范围为 25～ 28MPa， 测量误差不得大于 1MPa。 工艺上 25 ～ 28 ， 测量误差不得大于1 。 要
求就地观察，并能高低限报警， 要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一 台压力表，指出型号、精度与测量范围。 台压力表，指出型号、精度与测量范围。 解 1、选型 根据就地观察及能进行高低限报警的要求， 由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表， 测量范围为0～60MPa 2、量程范围确定 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大， 所以选择 1/3仪表量程上限
第一 节 压力检测及仪表
公式变形得 2系统压力
因此由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点 压力表，测量范围为0～60MPa 3、精度选择 δ允许≤(1/60)×100%=1.67% 所以由本章附录一，可选精度等级为1.5级的仪表 综上所述，选择的压力表为YX-150型电接点压 力表，测量范围为0～60MPa，精度等级为1.5级。
第二节 流量检测及仪表
一、概述 介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以 介质流量 及进行经济核算所必需的一个重要参数。
定义
流量大小： 流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体 数量的大小，即瞬时流量。 总量： 总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总 和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。
第二节 流量检测及仪表
质量流量M 质量流量M
M = Qρ 或
体积流量Q 体积流量Q
Q= M
ρ
如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是
Q总 = ∫ Qdt ,
0 t
M 总 = ∫ Mdt
0
t
流量计： 流量计：测量流体流量的仪表。 计量表： 计量表：测量流体总量的仪表。
第二节 流量检测及仪表
1.速度式流量计 以测量流体在管道内的流速作为测量依据 来计算流量的仪表。 。
分 类
2.容积式流量计 以单位时间内所排出的流体的固定容积的 数目作为测量依据来计算流量的仪表。 3.质量流量计 以测量流体流过的质量M为依据的流量计。 质量流量计分直接式和间接式两种。
第二节 流量检测及仪表
二、差压式流量计
差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节 差压式 （也称节流式） 流量计 流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现 流量测量的。 通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置 和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以 及显示仪表所组成。
第二节 流量检测及仪表
1.节流现象与流量基本方程式 （1）节流现象 流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前 后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现 节流现 象。 节流装置
包括节流件和取压装置。 节流装置包括节流件和取压装置。
第二节 流量检测及仪表
注意 要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的 压力有困难，因为产生最低静压 力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速 的不同会改变。因此是在孔板前 后的管壁上选择两个固定的取压 点，来测量流体在节流装置前后 的压力变化。因而所测得的压差 与流量之间的关系，与测压点及 测压方式的选择是紧密相关的。
图3-18 孔板装置及 压力、流速分布图
第二节 流量检测及仪表
（2）节流基本方程式 流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基 本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连 续性方程式推导而得的。
Q = αεF0 2
ρ1
p
M = α εF0 2 ρ1?p
可以看出 要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。 流量与压力差ΔP的平方根成正比。
第二节 流量检测及仪表
2.标准节流装置 国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里 管等标准化，并称为“标准节流装置”。 标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加 工要求、取压方法、使用条件等。
第二节 流量检测及仪表
举例 如左图， 标准孔板对尺寸和公差、 如左图 ， 标准孔板对尺寸和公差 、 粗糙 度等都有详细规定。 度等都有详细规定。 其中d／D应在0.2～0.8之间；最小 孔径应不小于12.5mm；直孔部分的厚 度h＝（0.005～0.02）D；总厚度H＜ 0.05D；锥面的斜角 α ＝30°～45°等 等，需要时可参阅设计手册。
图3-19 孔板断面 示意图
第二节 流量检测及仪表
优点 标准孔板 应用广泛，结 应用广泛， 构简单， 构简单，安装 方便， 方便，适用于 大流量的测量 缺点 流体经过孔板后压力损 失大， 失大，当工艺管道上不 允许有较大的压力损失 便不宜采用。 时，便不宜采用。
标准喷嘴和标 准文丘里管
压力损失较孔 板小
结构比较复杂， 结构比较复杂，不易加 工
第二节 流量检测及仪表
3.差压式流量计的测量误差 在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差， 有的甚至高达10％～20％。 注意 不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造， 不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造， 更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保 更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等， 证差压式流量计有足够的实际测量精度。 证差压式流量计有足够的实际测量精度。
第二节 流量检测及仪表
误差产生的原因
被测流体工作状态的变动。 节流装置安装不正确。 孔板入口边缘的磨损。 导压管安装不正确，
或有堵塞、渗漏现象 差压计安装或使用不正确
第二节 流量检测及仪表
三、转子流量计
1.工作原理 以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小， 即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方 法。
图3-27 转子流量计的 工作原理图
第二节 流量检测及仪表
转子流量计中转子的平衡条件是
V (ρ t ? ρ f )g = ( p1 ? p2 )A
25） （2-25） 26） （2-26）
由式（2-25）可得
p = p1 ? p2 =
V (ρ t ? ρ f )g A
根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小
M = φh 2 ρ f ?p
或
Q = φh
2
ρf
× ?p
将式（3-26）代入上两式，得
M = φh 2 gV (ρ t ? ρ f )ρ f A
或
Q = φh
2 gV (ρ t ? ρ f )
ρf A
第二节 流量检测及仪表
2.转子流量计的指示值修正 转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体 来讲是代表20℃时水的流量值，对用于测量气体来讲则是 代表20℃，0.10133MPa压力下空气的流量值。所以，在 实际使用时，要根据具体体情况进行修正。 （1）液体流量测量时的修正
Q0 = φh 2 gV (ρ t ? ρ w ) ρw A
31） （2-31）
第二节 流量检测及仪表
如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大，可近似认为 Φ是常数，则有
Q f = φh 2 gV (ρ t ? ρ f )
ρf A
× Q f = K QQ f
32） （2-32）
整理后得
Q0 =
(ρt ? ρ w )ρ f
(ρ
t
ρ f )ρ w
33） （2-33）
KQ =
(ρt ? ρ w )ρ f
(ρ
t
ρ f )ρ w
34） （2-34）
第二节 流量检测及仪表
同理可导得质量流量的修正公式为
Q0 =
ρ f ?ρw × M f = KM M f (ρt ? ρ w )ρ f ρ w
35） （2-35）
（2-36） 36）
当采用耐酸不锈钢作为转子材料时，ρt＝7.9g/cm3，水 的密度ρw＝1g/cm3，代入（2-34）与式（2-36）得
KQ = 6.9 ρ f 7.9 ? ρ f
37） （3-37）
KM = 6 .9 (7.9 ? ρ f )ρ f
第二节 流量检测及仪表
四、其他流量计 直接式质量流量计 科氏力流量计的测量原理是基于流 体在振动管中流动时，将产生与质 量流量成正比的科里奥利力。 质量流量
图3-35 科氏力流量计 测量原理
M=
K Sθ 4ωr
第二节 流量检测及仪表
优点 能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、 黏度等）的影响，测量精度高； 测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管 段长度的要求； 可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。 缺点 它的阻力损失较大； 零点不稳定； 管路振动会影响测量精度。
第三节 物位检测及仪表
一、概论
几个概念 液位 液位计 测量物位的两个目的 按其工作原理分为 直读
式物位仪表 浮力式物位仪表 差压式物位仪表 电磁式物位仪表 料位 界位计
核辐射式物位仪表 声波式物位仪表 光学式物位仪表
第三节 物位检测及仪表
二、差压式液位变送器 1.工作原理
图3-39 差压液位变送器 原理图
图3-40 压力表式液位计
第三节 物位检测及仪表
将差压变送器的一端接液相，另一端接气相
p1 = p + Hρg p2 = p
因此
p = p1 ? p2 = Hρg
当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需 将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号， 也可以在容器底部安装压力表，如图3-40所示。
第三节 物位检测及仪表
2.零点迁移问题 在使用差压变送器测量液位时，一般来说
p = Hρg
实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为
p1 = h1 ρ 2 g + Hρ1 g + p0 p2 = h2 ρ 2 g + p0
图3-41 负迁移示意图
p1 ? p2 = Hρ1 g + h1 ρ 2 g ? h2 ρ 2 g
p = Hρ1 g ? (h2 ? h1 )ρ 2 g
第三节 物位检测及仪表
迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。 迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始 点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移 量则比较大。 迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量 范围的平移，它不改变量程的大小。
第三节 物位检测及仪表
3.料位的检测 用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由 于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁 组成电容器的两极来测量非导电固体料位。 左图所示为用金属电极棒插入容器来测 量料位的示意图。 量料位的示意图。 电容量变化与料位升降的关系为
CX = 2π (ε ? ε 0 )H D ln d
图3-47 料位检测 1—金属电极棒；2—容器壁
第三节 物位检测及仪表
优点
电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。
缺点
需借助较复杂的电子线路。 需借助较复杂的电子线路。 应注意介质浓度、温度变化时， 应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要 发生变化这种情况。 发生变化这种情况。
第三节 物位检测及仪表
四、核辐射物位计 射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱 通过介质层厚度的增加而减弱，具 体关系见式（3-63）。
特点
I = I 0 e ? μH
63） （3-63）
适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧 毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾 状态的介质的物位测量，还可以测量高 温融熔金属的液位。 可在高温、烟雾等环境下工作。 但由于放射线对人体有害，使用范 围受到一些限制。
图3-48 核辐射物位计示意图 1—辐射源；2—
接受器
第四节 温度检测及仪表
一、温度检测方法
温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之 间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不 同而变化的特性来加以间接测量。 按测量范围 高温计、温度计 标准仪表、实用仪表 膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶 温度计、热电阻温度计和辐射高温计 接触式与非接触式
分 类
按用途 按工作原理 按测量方式
第四节 温度检测及仪表
表3-3 常用温度计的种类及优缺点
测温方式 接 触 式 测 温 仪 表 温度计种类
膨 胀 式 压 力 式 热 电 偶 玻璃液体 双金属 液体 气体 蒸汽 铂铑-铂 镍铬-镍 硅 镍铬-考 铜 铂 铜 辐射式 光学式 比色式 光电探测 热电探测
测温范围／℃ 测温范围／℃
-50～600 -80 ～600 -30 ～600 -20 ～350 0 ～250 0 ～1600 -50 ～1000 -50 ～600
优点
结构简单，使用方便，测量准确， 价格低廉 结构紧凑，牢固可靠 结构简单，耐震，防爆能记录、报 警，价格低廉
缺点
测量上限和精度受玻璃质量的 限制，易碎，不能记录远传 精度低，量程和使用范围有限 精度低，测温距离短，滞后大
测温范围广，精度高，便于远距离、 需冷端温度补偿，在低温段测 多点、集中测量和自动控制 量精度较低
热 电 阻
-200 ～600 -50 ～150 400 ～2000 700 ～3200 900 ～1700 0 ～3500 200 ～2000
测量精度高，便于远距离、多点、 集中测量和自动控制 测温时，不破坏被测温度场
不能测高温，需注意环境温度 的影响 低温段测量不准，环境条件会 影响测温准确度 易受外界干扰，标定困难
非接 触式 测温 仪表
辐 射 式 红 外 线
测温范围大，适于测温度分布，不 破坏被测温度场，响应快
第四节 温度检测及仪表
1.膨胀式温度计 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。 基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的
图3-51 双金属温度信号器 图3-50 双金属片 1—双金属片；2—调节螺钉； 3—绝缘子；4—信号灯
第四节 温度检测及仪表
2.压力式温度计 应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计 压力式温度计。 应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计
图3-52 压力式温度计结构原理图 1—传动机构；2—刻度盘； 3—指针； 4—弹簧管；5—连杆；6—接头；7— 毛细管；8—温包；9—工作物质
它是根据在封闭系统 中的液体、气体或低沸点 液体的饱和蒸汽受热后体 积膨胀或压力变化这一原 理而制成的，并用压力表 来测量这种变化，
从而测 得温度。
第四节 温度检测及仪表
压力式温度计的构造 压力式温度计的构造由以下三部分组成 构造由以下三部分组成 温包 毛细管 弹簧管（或盘簧管） 3.辐射式温度计 辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。 辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。 是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表
二、热电偶温度计
第四节 温度检测及 仪表 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。 热电偶温度计
热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热 热电偶温度计 电偶和测量仪表的导线。 1.热电偶
图3-53 热电偶温度计测温系统示意图 1—热电偶；2—导线；3—测量仪表
图3-54 热电偶示意图
第四节 温度检测及仪表
（1）热电现象及测温原理
图3-55 热电现象
图3-56 接触电势形成的过程
左图闭合回路中总的热电势
图3-57 热电偶原理及电路图
或
E (t , t0 ) = e AB (t ) + eBA (t0 )
E (t , t0 ) = e AB (t ) ? e AB (t0 )
第四节 温度检测及仪表
注意
如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无 论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果 热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合 回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与 两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也 就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产 生的热电势是不同的。
第四节 温度检测及仪表
（2）插入第三种导线的问题 利用热电偶测量温度时， 利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势 的数值，见下图。 的数值，见下图。 图（a）总的热电势
Et = e AB (t ) + eBC (t1 ) + eCB (t1 ) + eBA (t0 )
（3-72）
由于
图3-58 热电偶测温系统连接图
eBA (t0 ) = ?e AB (t0 )
eBC (t1 ) = ?eCB (t1 )
（3-73） （3-74）
将式（3-73）、式（3-74）代入式（3-72）
Et = e AB (t ) ? e AB (t0 )
（3-75）
第四节 温度检测及仪表
图（b）总的热电势
Et = e AB (t ) + eBC (t0 ) + eCA (t0 )
（3-76）
e AB (t0 ) = eBC (t0 ) + eCA (t0 )
故
e AB (t0 ) + eBC (t0 ) + eCA (t0 ) = 0
得
Et = e AB (t ) ? e AB (t0 )
说明： 说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶
所产生的热电势数值并无影响。 所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两 端的温度相同。 端的温度相同。
第四节 温度检测及仪表
（3）常用热电偶的种类 工业上对热电极材料的要求 温度每增加１ 时所能产生的热电势要大， 温度每增加１℃时所能产生
的热电势要大，而 且热电势与温度应尽可能成线性关系； 且热电势与温度应尽可能成线性关系； 物理稳定性要高； 物理稳定性要高； 化学稳定性要高； 化学稳定性要高； 材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝； 材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝； 复现性好，便于成批生产， 复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保 证良好的互换性。 证良好的互换性。
第四节 温度检测及仪表
表3-4 工业用热电偶
热电偶名称 铂铑30-铂铑6 铂铑10-铂 镍铬-镍硅 镍铬-铜镍 铁-铜镍 铜-铜镍 代号 WRR WRP WRN WRE WRF WRC 分度号 新 旧 B S K E J T LL-2 LB-3 EU-2 CK 热电极材料 正热电极 铂铑30合金 铂铑10合金 镍铬合金 镍铬合金 铁 铜 负热电极 铂铑6合金 纯铂 镍硅合金 铜镍合金 铜镍合金 铜镍合金 测温范围/℃ 长期使用 300～1600 -20～1300 -50～1000 -40～800 -40～700 -400～300 短期使用 1800 1600 1200 900 750 350
第四节 温度检测及仪表
（4）热电偶的结构 ①普通型热电偶 热电极 绝缘管 保护套管 接线盒
图3-59 热电偶的结构
第四节 温度检测及仪表
表3-5 常用绝缘子材料 表3-6 常用保护套管
工作温度/℃ 工作温度 ℃ 80 橡皮、 橡皮、绝 150 缘漆 500 珐琅 1200 玻璃管 1400 石英管 1700 瓷管 纯氧化铝 管
材 料
工作温度/℃ 材 料 工作温度 ℃ 600 无缝钢管 1000 不锈钢管 1200 石英管 1400 瓷管 Al2O3陶 1900以 以 上 瓷管
第四节 温度检测及仪表
２补偿导线的选用 采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来， 采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既 能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。 能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。 它也是由两种不同性质 的金属材料制成，在一定温 度范围内（0～100℃）与所 连接的热电偶具有相同的热 电特性，其材料又是廉价金 属。见左图。
图3-61 补偿导线接线图
第四节 温度检测及仪表
在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。 在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。
表3-7 常用热电偶的补偿导线
热电偶名称 补偿导线 正极 材料 铂铑10-铂 镍铬-镍硅（镍铝） 镍铬-铜镍 铜-铜镍 铜 铜 镍铬 铜 红 红 红 红 负极 颜色 材料 铜镍 铜镍 铜镍 铜镍 颜色 绿 蓝 棕 白 0.645±0.037 4.095±0.105 6.317±0.170 4.277±0.047 工作端为100℃，冷端为 0℃时的标准热电势/mV
第四节 温度检测及仪表
３.冷端温度的补偿 在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或 者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就 称为热电偶的冷端温度补偿 热电偶的冷端温度补偿。
一般采用下述几种方法。 （1）冷端温度保持为０℃的方法 冷端温度保持为０ （2）冷端温度修正方法 在实际生产中，冷端 温度往往不是0℃，而是某 一温度t1，这就引起测量误 差。因此，必须对冷端温 度进行修正。
图3-61 热电偶冷端温度保持 ０℃的方法
注意
用计算的方法来修正冷端温度， 用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内 恒定值时对测温的影响。 恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临 时测温，在连续测量中显然是不实用的。 时测温，在连续测量中显然是不实用的。
第四节 温度检测及仪表
（3）校正仪表零点法 若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不 偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。
注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。 注意：
（4）补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端 温度变化而引起的热电势变化值。
第四节 温度检测及仪表
注意！ 注意！ 由于电桥是在20℃时平衡 由于电桥是在20℃时平衡 20℃ 的，所以采用这种补偿电桥时 须把仪表的机械零位预先调到 20℃处 20℃处。如果补偿电桥是在 0℃时平衡设计的 DDZ时平衡设计的（ 0℃时平衡设计的（DDZ-Ⅱ型 温度变送器中的补偿电桥）， 温度变送器中的补偿电桥）， 则仪表零位应调在0℃ 0℃处 则仪表零位应调在0℃处。
图3-62 具有补偿电桥的热电偶 测温线路
三、热电阻温度计
第四节 温度检测及 仪表
在中、低温区， 在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的 测量较为适宜。 测量较为适宜。 热电阻温度计是由热电阻（感温元件），显示仪表 热电阻温度计 （不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。
图3-64 热电阻温度计
第四节 温度检测及仪表
1.测温原理 1.测温原理 利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性 电阻温度效应）来进行温度测量的。 （电阻温度效应）来进行温度测量的。 对于呈线性特性的电阻来说，其电阻值与温度关 系如下式
Rt = Rt0 [1 + α (t ? t0 )]
Rt = Rt ? Rt0 = αRt0 × ?t
热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、 热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、 范围内液体 气体、蒸汽及固体表面的温度。 气体、蒸汽及固体表面的温度。
第四节 温度检测及仪表
2.工业常用热电阻 2.工业常用热电阻 作为热电阻的材料一般要求是： 作为热电阻的材料一般要求是： 电阻温度系数、电阻率要大； 热容量要小； 在整个测温范围内，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。 。
第四节 温度检测及仪表
（1）铂电阻 在0～650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为
Rt = R0 1 + At + Bt 2 + Ct 3
(
)
C = ?4.22 ×10 ?22 / ο C
由实验求得
A = 3.950 ×10 ?3 / ο C , B = ?5.850 ×10 ?7 / ο C ,
工业上常用的铂电阻有两种，一种是 工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝10 ，对应分 度号为Pt10。另一种是 0＝100 ，对应分度号为 对应分度号为Pt100。 度号为 。另一种是R 。
第四节 温度检测及仪表
（2）铜电阻 金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数 很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50～ +150℃内，具有很好的稳定性。 在-50～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是 线性的。即
Rt = R0 [1 + α (t ? t0 )]
α = 4.25 ×10 ?3 / οC
工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝50 ，对 应的分度号为Cu10。另一种是R0＝100 ，对应的分度号 为Cu100。
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化工仪表及其自动化 第一篇
——第二章 检测仪表
内容提要 压力检测及仪表
压力单位及测压仪表 压力计的选用
流量检测及仪表
概述 差压式流量计 转子流量计 椭圆齿轮流量计 涡轮流量计 电磁流量计 漩涡流量计 质量流量计
内容提要
物位检测及仪表
概述 差压式液位变速器 电容式物位传感器 核辐射物位计 称重式液罐计量仪
温度检测及仪表
温度检测方法 热电偶温度计 热电阻温度计 电动温度变送器
第一 节 压力检测及仪表
一、压力单位及测量仪表 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。 压力
F S 式中，p表示压力；F表示垂直作用力；S表示受力面积。 p=
压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa） 压力
1Pa = 1 N m 2
1MPa = 1× 10 6 Pa
第一 节 压力检测及仪表
国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单 位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。
表3-1 各种压力单位换算表
压力单位 帕/Pa 兆帕/ MPa 工程大气压/ (kgf/cm2) 物理大气压/ atm 汞柱/ mmHg 水柱/ mH2O （磅/英寸2）/ （1b/in2） 巴/bar 帕 兆帕 工程大气压 物理大气压 汞柱 1×106 1 9.807×10-2 0.10133 1.3332×10-4 1.0197×10-5 10.197 9.869×10-6 9.869 7.501×10-3 7.501×103 1.0197×10-4 1.0197×102 1.450×10-4 1.450×102 1×10-5 10
1 1×106 9.807×104 1.0133×105 1.3332×102
1 1.0332 1.3595×10-3
0.9678 1 1.3158×10-3
735.6 760 1
10.00 10.33 0.0136
14.22 14.70 1.934×10-2
0.9807 1.0133 1.3332×10
-3
水柱 （磅/英寸2）
9.806×103 6.895×103
9.806×10-3 6.895×10-3
0.1000
0.09678
73.55
1
1.422
0.09806
0.07031
0.06805
51.71
0.7031
1
0.06895
巴
1×105
0.1
1.0197
0.9869
750.1
10.197
14.50
1
第一 节 压力检测及仪表
在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。 在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。
p表 大气压力线
p表压 = p绝对压力 ? p大气压力
P绝
P真 P绝 绝对压力的零线
图3-4 绝对压力、表压、负 压（真空度）的关系
当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。 当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。
p真空度 = p大气压力 ? p绝对压力
第一 节 压力检测及仪表
测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。 测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。 1.液柱式压力计
它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量 按其结构形式的不同 有U形管压力计、单管压力计等 优点 这类压力计结构简单、使用方便 其精度受工作液的毛细管作用、密度及视 差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测 量较低压力、真空度或压力差。
缺点
第一 节 压力检测及仪表
2.弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元 件变形的位移进行测量的。
3.电气式压力计 它是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）来进行测量的仪表。
第一 节 压力检测及仪表
4.活塞式压力计 它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转 换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。 优点 测量精度很高，允许误差可小到0.05%～0.02%。
缺点
结构较复杂，价格较贵。
第一 节 压力检测及仪表
警惕！ 警惕！ 目前化工生产中常见的压力表为第二类。 目前化工生产中常见的压力表为第二类。 在化工生产过程中， 在化工生产过程中 ， 常需要把压力控制在某 一范围内， 即当压力低于或高于给定范围时， 一范围内 ， 即当压力低于或高于给定范围时 ， 就会破坏正常工艺条件， 甚至可能发生危险。 就会破坏正常工艺条件 ， 甚至可能发生危险 。 这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。 这时就应采用带有报警或控制触点的压力表 。 将普通弹簧管压力表稍加变化， 将普通弹簧管压力表稍加变化 ， 便可成为电 接点信号压力表， 接点信号压力表 ， 它能在压力偏离给定范围 及时发出信号， 时 ， 及时发出信号 ， 以提醒操作人员注意或 通过中间继电器实现压力的自动控制。 通过中间继电器实现压力的自动控制。
第一 节 压力检测及仪表
二、压力计的选用及安装
1.压力计的选用 压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要 压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要 结合其他各方面的情况， 求 ， 结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的 分析， 一般考虑以下几个问题。 分析， 一般考虑以下几个问题。 仪表类型的选用
酸介质、 酸介质、碱介质下耐腐蚀等等 考虑反应介质等因素， 氨气、乙炔禁用铜， 考虑反应介质等因素， 如： 氨气、 乙炔禁用铜，
仪表测量范围的确定 仪表精度级的选取
按照“化工自控设计技术规定” 按照“化工自控设计技术规定”来选
第一 节 压力检测及仪表
举例 例3 某台往复式压缩机的出口压力范围为 25～ 28MPa， 测量误差不得大于 1MPa。 工艺上 25 ～ 28 ， 测量误差不得大于1 。 要
求就地观察，并能高低限报警， 要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一 台压力表，指出型号、精度与测量范围。 台压力表，指出型号、精度与测量范围。 解 1、选型 根据就地观察及能进行高低限报警的要求， 由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表， 测量范围为0～60MPa 2、量程范围确定 由于往复式压缩机的出口压力脉动较大， 所以选择 1/3仪表量程上限
第一 节 压力检测及仪表
公式变形得 2系统压力
因此由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点 压力表，测量范围为0～60MPa 3、精度选择 δ允许≤(1/60)×100%=1.67% 所以由本章附录一，可选精度等级为1.5级的仪表 综上所述，选择的压力表为YX-150型电接点压 力表，测量范围为0～60MPa，精度等级为1.5级。
第二节 流量检测及仪表
一、概述 介质流量是控制生产过程达到优质高产和安全生产以 介质流量 及进行经济核算所必需的一个重要参数。
定义
流量大小： 流量大小：单位时间内流过管道某一截面的流体 数量的大小，即瞬时流量。 总量： 总量：在某一段时间内流过管道的流体流量的总 和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值。
第二节 流量检测及仪表
质量流量M 质量流量M
M = Qρ 或
体积流量Q 体积流量Q
Q= M
ρ
如以 t 表示时间，则流量和总量之间的关系是
Q总 = ∫ Qdt ,
0 t
M 总 = ∫ Mdt
0
t
流量计： 流量计：测量流体流量的仪表。 计量表： 计量表：测量流体总量的仪表。
第二节 流量检测及仪表
1.速度式流量计 以测量流体在管道内的流速作为测量依据 来计算流量的仪表。 。
分 类
2.容积式流量计 以单位时间内所排出的流体的固定容积的 数目作为测量依据来计算流量的仪表。 3.质量流量计 以测量流体流过的质量M为依据的流量计。 质量流量计分直接式和间接式两种。
第二节 流量检测及仪表
二、差压式流量计
差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节 差压式 （也称节流式） 流量计 流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现 流量测量的。 通常是由能将被测流量转换成压差信号的节流装置 和能将此压差转换成对应的流量值显示出来的差压计以 及显示仪表所组成。
第二节 流量检测及仪表
1.节流现象与流量基本方程式 （1）节流现象 流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前 后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现 节流现 象。 节流装置
包括节流件和取压装置。 节流装置包括节流件和取压装置。
第二节 流量检测及仪表
注意 要准确测量出截面Ⅰ、Ⅱ处的 压力有困难，因为产生最低静压 力p2′的截面Ⅱ的位置随着流速 的不同会改变。因此是在孔板前 后的管壁上选择两个固定的取压 点，来测量流体在节流装置前后 的压力变化。因而所测得的压差 与流量之间的关系，与测压点及 测压方式的选择是紧密相关的。
图3-18 孔板装置及 压力、流速分布图
第二节 流量检测及仪表
（2）节流基本方程式 流量基本方程式是阐明流量与压差之间定量关系的基 本流量公式。它是根据流体力学中的伯努利方程和流体连 续性方程式推导而得的。
Q = αεF0 2
ρ1
p
M = α εF0 2 ρ1?p
可以看出 要知道流量与压差的确切关系，关键在于α的取值。 流量与压力差ΔP的平方根成正比。
第二节 流量检测及仪表
2.标准节流装置 国内外把最常用的节流装置、孔板、喷嘴、文丘里 管等标准化，并称为“标准节流装置”。 标准化的具体内容包括节流装置的结构、尺寸、加 工要求、取压方法、使用条件等。
第二节 流量检测及仪表
举例 如左图， 标准孔板对尺寸和公差、 如左图 ， 标准孔板对尺寸和公差 、 粗糙 度等都有详细规定。 度等都有详细规定。 其中d／D应在0.2～0.8之间；最小 孔径应不小于12.5mm；直孔部分的厚 度h＝（0.005～0.02）D；总厚度H＜ 0.05D；锥面的斜角 α ＝30°～45°等 等，需要时可参阅设计手册。
图3-19 孔板断面 示意图
第二节 流量检测及仪表
优点 标准孔板 应用广泛，结 应用广泛， 构简单， 构简单，安装 方便， 方便，适用于 大流量的测量 缺点 流体经过孔板后压力损 失大， 失大，当工艺管道上不 允许有较大的压力损失 便不宜采用。 时，便不宜采用。
标准喷嘴和标 准文丘里管
压力损失较孔 板小
结构比较复杂， 结构比较复杂，不易加 工
第二节 流量检测及仪表
3.差压式流量计的测量误差 在现场实际应用时，往往具有比较大的测量误差， 有的甚至高达10％～20％。 注意 不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造， 不仅需要合理的选型、准确的设计计算和加工制造， 更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等，才能保 更要注意正确的安装、维护和符合使用条件等， 证差压式流量计有足够的实际测量精度。 证差压式流量计有足够的实际测量精度。
第二节 流量检测及仪表
误差产生的原因
被测流体工作状态的变动。 节流装置安装不正确。 孔板入口边缘的磨损。 导压管安装不正确，
或有堵塞、渗漏现象 差压计安装或使用不正确
第二节 流量检测及仪表
三、转子流量计
1.工作原理 以压降不变，利用节流面积的变化来测量流量的大小， 即转子流量计采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方 法。
图3-27 转子流量计的 工作原理图
第二节 流量检测及仪表
转子流量计中转子的平衡条件是
V (ρ t ? ρ f )g = ( p1 ? p2 )A
25） （2-25） 26） （2-26）
由式（2-25）可得
p = p1 ? p2 =
V (ρ t ? ρ f )g A
根据转子浮起的高度就可以判断被测介质的流量大小
M = φh 2 ρ f ?p
或
Q = φh
2
ρf
× ?p
将式（3-26）代入上两式，得
M = φh 2 gV (ρ t ? ρ f )ρ f A
或
Q = φh
2 gV (ρ t ? ρ f )
ρf A
第二节 流量检测及仪表
2.转子流量计的指示值修正 转子流量计的流量标尺上的刻度值，对用于测量液体 来讲是代表20℃时水的流量值，对用于测量气体来讲则是 代表20℃，0.10133MPa压力下空气的流量值。所以，在 实际使用时，要根据具体体情况进行修正。 （1）液体流量测量时的修正
Q0 = φh 2 gV (ρ t ? ρ w ) ρw A
31） （2-31）
第二节 流量检测及仪表
如果被测介质的黏度与水的黏度相差不大，可近似认为 Φ是常数，则有
Q f = φh 2 gV (ρ t ? ρ f )
ρf A
× Q f = K QQ f
32） （2-32）
整理后得
Q0 =
(ρt ? ρ w )ρ f
(ρ
t
ρ f )ρ w
33） （2-33）
KQ =
(ρt ? ρ w )ρ f
(ρ
t
ρ f )ρ w
34） （2-34）
第二节 流量检测及仪表
同理可导得质量流量的修正公式为
Q0 =
ρ f ?ρw × M f = KM M f (ρt ? ρ w )ρ f ρ w
35） （2-35）
（2-36） 36）
当采用耐酸不锈钢作为转子材料时，ρt＝7.9g/cm3，水 的密度ρw＝1g/cm3，代入（2-34）与式（2-36）得
KQ = 6.9 ρ f 7.9 ? ρ f
37） （3-37）
KM = 6 .9 (7.9 ? ρ f )ρ f
第二节 流量检测及仪表
四、其他流量计 直接式质量流量计 科氏力流量计的测量原理是基于流 体在振动管中流动时，将产生与质 量流量成正比的科里奥利力。 质量流量
图3-35 科氏力流量计 测量原理
M=
K Sθ 4ωr
第二节 流量检测及仪表
优点 能够直接测量质量流量，不受流体物性（密度、 黏度等）的影响，测量精度高； 测量值不受管道内流场影响，没有上、下游直管 段长度的要求； 可测各种非牛顿流体以及黏滞和含微粒的浆液。 缺点 它的阻力损失较大； 零点不稳定； 管路振动会影响测量精度。
第三节 物位检测及仪表
一、概论
几个概念 液位 液位计 测量物位的两个目的 按其工作原理分为 直读
式物位仪表 浮力式物位仪表 差压式物位仪表 电磁式物位仪表 料位 界位计
核辐射式物位仪表 声波式物位仪表 光学式物位仪表
第三节 物位检测及仪表
二、差压式液位变送器 1.工作原理
图3-39 差压液位变送器 原理图
图3-40 压力表式液位计
第三节 物位检测及仪表
将差压变送器的一端接液相，另一端接气相
p1 = p + Hρg p2 = p
因此
p = p1 ? p2 = Hρg
当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需 将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号， 也可以在容器底部安装压力表，如图3-40所示。
第三节 物位检测及仪表
2.零点迁移问题 在使用差压变送器测量液位时，一般来说
p = Hρg
实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为
p1 = h1 ρ 2 g + Hρ1 g + p0 p2 = h2 ρ 2 g + p0
图3-41 负迁移示意图
p1 ? p2 = Hρ1 g + h1 ρ 2 g ? h2 ρ 2 g
p = Hρ1 g ? (h2 ? h1 )ρ 2 g
第三节 物位检测及仪表
迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。 迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始 点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移 量则比较大。 迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量 范围的平移，它不改变量程的大小。
第三节 物位检测及仪表
3.料位的检测 用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由 于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁 组成电容器的两极来测量非导电固体料位。 左图所示为用金属电极棒插入容器来测 量料位的示意图。 量料位的示意图。 电容量变化与料位升降的关系为
CX = 2π (ε ? ε 0 )H D ln d
图3-47 料位检测 1—金属电极棒；2—容器壁
第三节 物位检测及仪表
优点
电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。
缺点
需借助较复杂的电子线路。 需借助较复杂的电子线路。 应注意介质浓度、温度变化时， 应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要 发生变化这种情况。 发生变化这种情况。
第三节 物位检测及仪表
四、核辐射物位计 射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱 通过介质层厚度的增加而减弱，具 体关系见式（3-63）。
特点
I = I 0 e ? μH
63） （3-63）
适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧 毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾 状态的介质的物位测量，还可以测量高 温融熔金属的液位。 可在高温、烟雾等环境下工作。 但由于放射线对人体有害，使用范 围受到一些限制。
图3-48 核辐射物位计示意图 1—辐射源；2—
接受器
第四节 温度检测及仪表
一、温度检测方法
温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之 间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不 同而变化的特性来加以间接测量。 按测量范围 高温计、温度计 标准仪表、实用仪表 膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶 温度计、热电阻温度计和辐射高温计 接触式与非接触式
分 类
按用途 按工作原理 按测量方式
第四节 温度检测及仪表
表3-3 常用温度计的种类及优缺点
测温方式 接 触 式 测 温 仪 表 温度计种类
膨 胀 式 压 力 式 热 电 偶 玻璃液体 双金属 液体 气体 蒸汽 铂铑-铂 镍铬-镍 硅 镍铬-考 铜 铂 铜 辐射式 光学式 比色式 光电探测 热电探测
测温范围／℃ 测温范围／℃
-50～600 -80 ～600 -30 ～600 -20 ～350 0 ～250 0 ～1600 -50 ～1000 -50 ～600
优点
结构简单，使用方便，测量准确， 价格低廉 结构紧凑，牢固可靠 结构简单，耐震，防爆能记录、报 警，价格低廉
缺点
测量上限和精度受玻璃质量的 限制，易碎，不能记录远传 精度低，量程和使用范围有限 精度低，测温距离短，滞后大
测温范围广，精度高，便于远距离、 需冷端温度补偿，在低温段测 多点、集中测量和自动控制 量精度较低
热 电 阻
-200 ～600 -50 ～150 400 ～2000 700 ～3200 900 ～1700 0 ～3500 200 ～2000
测量精度高，便于远距离、多点、 集中测量和自动控制 测温时，不破坏被测温度场
不能测高温，需注意环境温度 的影响 低温段测量不准，环境条件会 影响测温准确度 易受外界干扰，标定困难
非接 触式 测温 仪表
辐 射 式 红 外 线
测温范围大，适于测温度分布，不 破坏被测温度场，响应快
第四节 温度检测及仪表
1.膨胀式温度计 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。 基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的
图3-51 双金属温度信号器 图3-50 双金属片 1—双金属片；2—调节螺钉； 3—绝缘子；4—信号灯
第四节 温度检测及仪表
2.压力式温度计 应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计 压力式温度计。 应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计
图3-52 压力式温度计结构原理图 1—传动机构；2—刻度盘； 3—指针； 4—弹簧管；5—连杆；6—接头；7— 毛细管；8—温包；9—工作物质
它是根据在封闭系统 中的液体、气体或低沸点 液体的饱和蒸汽受热后体 积膨胀或压力变化这一原 理而制成的，并用压力表 来测量这种变化，
从而测 得温度。
第四节 温度检测及仪表
压力式温度计的构造 压力式温度计的构造由以下三部分组成 构造由以下三部分组成 温包 毛细管 弹簧管（或盘簧管） 3.辐射式温度计 辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。 辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。 是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表
二、热电偶温度计
第四节 温度检测及 仪表 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。 热电偶温度计
热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热 热电偶温度计 电偶和测量仪表的导线。 1.热电偶
图3-53 热电偶温度计测温系统示意图 1—热电偶；2—导线；3—测量仪表
图3-54 热电偶示意图
第四节 温度检测及仪表
（1）热电现象及测温原理
图3-55 热电现象
图3-56 接触电势形成的过程
左图闭合回路中总的热电势
图3-57 热电偶原理及电路图
或
E (t , t0 ) = e AB (t ) + eBA (t0 )
E (t , t0 ) = e AB (t ) ? e AB (t0 )
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注意
如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无 论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果 热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合 回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与 两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也 就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产 生的热电势是不同的。
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（2）插入第三种导线的问题 利用热电偶测量温度时， 利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势 的数值，见下图。 的数值，见下图。 图（a）总的热电势
Et = e AB (t ) + eBC (t1 ) + eCB (t1 ) + eBA (t0 )
（3-72）
由于
图3-58 热电偶测温系统连接图
eBA (t0 ) = ?e AB (t0 )
eBC (t1 ) = ?eCB (t1 )
（3-73） （3-74）
将式（3-73）、式（3-74）代入式（3-72）
Et = e AB (t ) ? e AB (t0 )
（3-75）
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图（b）总的热电势
Et = e AB (t ) + eBC (t0 ) + eCA (t0 )
（3-76）
e AB (t0 ) = eBC (t0 ) + eCA (t0 )
故
e AB (t0 ) + eBC (t0 ) + eCA (t0 ) = 0
得
Et = e AB (t ) ? e AB (t0 )
说明： 说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶
所产生的热电势数值并无影响。 所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两 端的温度相同。 端的温度相同。
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（3）常用热电偶的种类 工业上对热电极材料的要求 温度每增加１ 时所能产生的热电势要大， 温度每增加１℃时所能产生
的热电势要大，而 且热电势与温度应尽可能成线性关系； 且热电势与温度应尽可能成线性关系； 物理稳定性要高； 物理稳定性要高； 化学稳定性要高； 化学稳定性要高； 材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝； 材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝； 复现性好，便于成批生产， 复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保 证良好的互换性。 证良好的互换性。
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表3-4 工业用热电偶
热电偶名称 铂铑30-铂铑6 铂铑10-铂 镍铬-镍硅 镍铬-铜镍 铁-铜镍 铜-铜镍 代号 WRR WRP WRN WRE WRF WRC 分度号 新 旧 B S K E J T LL-2 LB-3 EU-2 CK 热电极材料 正热电极 铂铑30合金 铂铑10合金 镍铬合金 镍铬合金 铁 铜 负热电极 铂铑6合金 纯铂 镍硅合金 铜镍合金 铜镍合金 铜镍合金 测温范围/℃ 长期使用 300～1600 -20～1300 -50～1000 -40～800 -40～700 -400～300 短期使用 1800 1600 1200 900 750 350
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（4）热电偶的结构 ①普通型热电偶 热电极 绝缘管 保护套管 接线盒
图3-59 热电偶的结构
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表3-5 常用绝缘子材料 表3-6 常用保护套管
工作温度/℃ 工作温度 ℃ 80 橡皮、 橡皮、绝 150 缘漆 500 珐琅 1200 玻璃管 1400 石英管 1700 瓷管 纯氧化铝 管
材 料
工作温度/℃ 材 料 工作温度 ℃ 600 无缝钢管 1000 不锈钢管 1200 石英管 1400 瓷管 Al2O3陶 1900以 以 上 瓷管
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２补偿导线的选用 采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来， 采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既 能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。 能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。 它也是由两种不同性质 的金属材料制成，在一定温 度范围内（0～100℃）与所 连接的热电偶具有相同的热 电特性，其材料又是廉价金 属。见左图。
图3-61 补偿导线接线图
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在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。 在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。
表3-7 常用热电偶的补偿导线
热电偶名称 补偿导线 正极 材料 铂铑10-铂 镍铬-镍硅（镍铝） 镍铬-铜镍 铜-铜镍 铜 铜 镍铬 铜 红 红 红 红 负极 颜色 材料 铜镍 铜镍 铜镍 铜镍 颜色 绿 蓝 棕 白 0.645±0.037 4.095±0.105 6.317±0.170 4.277±0.047 工作端为100℃，冷端为 0℃时的标准热电势/mV
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３.冷端温度的补偿 在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或 者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就 称为热电偶的冷端温度补偿 热电偶的冷端温度补偿。
一般采用下述几种方法。 （1）冷端温度保持为０℃的方法 冷端温度保持为０ （2）冷端温度修正方法 在实际生产中，冷端 温度往往不是0℃，而是某 一温度t1，这就引起测量误 差。因此，必须对冷端温 度进行修正。
图3-61 热电偶冷端温度保持 ０℃的方法
注意
用计算的方法来修正冷端温度， 用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内 恒定值时对测温的影响。 恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临 时测温，在连续测量中显然是不实用的。 时测温，在连续测量中显然是不实用的。
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（3）校正仪表零点法 若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不 偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。
注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。 注意：
（4）补偿电桥法 利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端 温度变化而引起的热电势变化值。
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注意！ 注意！ 由于电桥是在20℃时平衡 由于电桥是在20℃时平衡 20℃ 的，所以采用这种补偿电桥时 须把仪表的机械零位预先调到 20℃处 20℃处。如果补偿电桥是在 0℃时平衡设计的 DDZ时平衡设计的（ 0℃时平衡设计的（DDZ-Ⅱ型 温度变送器中的补偿电桥）， 温度变送器中的补偿电桥）， 则仪表零位应调在0℃ 0℃处 则仪表零位应调在0℃处。
图3-62 具有补偿电桥的热电偶 测温线路
三、热电阻温度计
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在中、低温区， 在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的 测量较为适宜。 测量较为适宜。 热电阻温度计是由热电阻（感温元件），显示仪表 热电阻温度计 （不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。
图3-64 热电阻温度计
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1.测温原理 1.测温原理 利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性 电阻温度效应）来进行温度测量的。 （电阻温度效应）来进行温度测量的。 对于呈线性特性的电阻来说，其电阻值与温度关 系如下式
Rt = Rt0 [1 + α (t ? t0 )]
Rt = Rt ? Rt0 = αRt0 × ?t
热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、 热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、 范围内液体 气体、蒸汽及固体表面的温度。 气体、蒸汽及固体表面的温度。
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2.工业常用热电阻 2.工业常用热电阻 作为热电阻的材料一般要求是： 作为热电阻的材料一般要求是： 电阻温度系数、电阻率要大； 热容量要小； 在整个测温范围内，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。 。
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（1）铂电阻 在0～650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为
Rt = R0 1 + At + Bt 2 + Ct 3
(
)
C = ?4.22 ×10 ?22 / ο C
由实验求得
A = 3.950 ×10 ?3 / ο C , B = ?5.850 ×10 ?7 / ο C ,
工业上常用的铂电阻有两种，一种是 工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝10 ，对应分 度号为Pt10。另一种是 0＝100 ，对应分度号为 对应分度号为Pt100。 度号为 。另一种是R 。
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（2）铜电阻 金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数 很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50～ +150℃内，具有很好的稳定性。 在-50～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是 线性的。即
Rt = R0 [1 + α (t ? t0 )]
α = 4.25 ×10 ?3 / οC
工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝50 ，对 应的分度号为Cu10。另一种是R0＝100 ，对应的分度号 为Cu100。
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