第二節　儀器、儀表基礎知識

一、化工儀表

1.壓力測量儀表

（1）壓力測量與壓力單位　壓力是垂直均勻的作用在單位面積上的力，它的法定計量單位是帕斯卡（簡稱帕），符號為Pa。

1MPa=1000kPa=106Pa

1毫米水柱（mmH2O）=9.80665Pa≈9.81Pa

1工程大氣壓（kgf/cm2）=9.80665×104Pa≈9.81×104Pa

1物理大氣壓（atm）=101325Pa≈1.0133×105Pa

1毫米汞柱（mmHg）=133.322Pa≈1.333×102Pa

（2）絕對壓力、大氣壓、表壓及真空度的含義　絕對真空下的壓力稱為絕對零壓，以絕對零壓為基準來表示的壓力叫絕對壓力。

表壓是以大氣壓為基準來表示的壓力，所以它和絕對壓力正好相差一個大氣壓。

如果被測流體的絕對壓力低于大氣壓，則壓力表所測得的壓力為負壓，其值稱為真空度。

彈簧管壓力表測得的是被測壓力和大氣壓力之差，所以是表壓。

（3）就地壓力儀表

a.彈簧管壓力表　彈簧管的截面積呈扁圓形或橢圓形。低壓用的壓力表彈簧管用焊接法固定在插座內，高壓用的壓力表彈簧管用絲扣連接的。為了保證壓力表的連接處嚴密不漏，安裝時，應根據被測壓力的特點和性質加裝適當的密封墊片。

一些測量特殊介質的壓力表，采用不同的顏色加以區別。

氫氣壓力表——深綠色

乙炔壓力表——白色

燃料氣壓力表——紅色

氯氣壓力表——褐色

氨氣壓力表——黃色

氧氣壓力表——天藍色

測量專用介質的壓力表，如氨、氧、酸等的壓力表，其結構上各有特點，并有顏色標記，故而不能隨便互換。

當壓力表用于測量氣體或有毒液體時，在它的表殼背面有個安全孔（上面用橡膠堵死）。這樣，當彈簧管或連接處滲漏、損壞時，表殼內的壓力將安全閥頂開，避免殼體內的壓力沖破正面的玻璃而傷人。

b.膜盒式壓力表　膜盒式壓力表的彈性元件是波紋膜盒，因而測量的壓力很低，一般用于測量氣體介質，其外形多做成巨型，膜盒式壓力表帶有繼電器接點輸出，因而可以對越限進行報警，并進行二位或三位調節。在壓力表的型號表示中，第一個字母Y表示壓力表，Z表示真空表，YZ表示壓力真空表，其后數字表示外殼直徑，故型號YZ-100指的是表殼直徑為100mm的壓力真空表。

c.電接點壓力表　在生產過程中，往往需要把壓力控制在規定的范圍，如果超過這個范圍，就會破壞正常的工藝條件，甚至發生事故，在這種情況下，可采用電接點壓力表。電接點壓力表實際上是在彈簧管壓力表基礎上加了電接點裝置。當壓力低于下限值時，壓力表指針上的動觸頭和下限給定指針上的靜觸頭相碰，使電路接通，發出相應的下限燈光報警信號；當高于上限值時，則和上限給定指針上的靜觸頭相碰，發出上限的燈光報警信號。

d.壓力開關　壓力開關是一種簡單的壓力控制裝置，當被測壓力達到額定值時，壓力開關可發出警報或控制信號。壓力開關的工作原理是：當被測壓力超過額定值時，彈性元件的自由端產生位移，直接或經過比較后推動開關元件，改變開關元件的通斷狀態，達到控制被測壓力的目的。

（4）模擬式變送器　模擬式變送器有杠桿式變送器、電容式變送器、振弦式變送器、擴散硅式變送器等。

（5）智能變送器　20世紀80年代開始有智能變送器，它有如下特點：在檢測部件中，除了壓力（差壓）傳感元件外，一般還有溫度傳感元件。采用微機械電子加工技術，超大規模專用集成電路和表面安裝技術，因此儀表結構緊湊，可靠性高，體積很小。精度較高，測量范圍很寬，溫度性能、靜壓性能、單向過載有很大提高。智能變送器可以在手持通信器（又稱手操器、手持終端）上遠方設定儀表的零點和量程，因此儀表可以在不同信號壓力的情況下改變量程。智能變送器和DCS控制系統之間可實現數字通信。

（6）法蘭式變送器　法蘭式變送器是在普通的變送器基礎上增加了一個遠傳密封裝置構成的，遠傳密封裝置由法蘭膜盒、毛細管和毛細管內的填充液三部分組成。工作時，被測介質作用在法蘭膜盒的隔離膜片上，使膜片產生變形，然后通過毛細管內的填充液，將壓力傳到變送器的敏感元件上，經轉換，儀表便輸出相應的信號。

2.流量測量儀表

（1）流量的定義及表示方法　流量是指單位時間內流過管道某一截面的流體數量。流量分體積流量（常用Q表示）、質量流量（常用M表示）。它們之間的關系是

M=Q/ρ　或　Q=M/ρ

式中　ρ——液體的密度。

常用的流量單位：體積流量為m3/h、L/h；質量流量為kg/h、t/h。

（2）差壓式流量計　差壓式流量計是基于被測流體流動的節流原理，利用流經節流裝置時產生的壓差來檢測流體的流量。是應用最廣泛的流量儀表。常用檢測元件有孔板、噴嘴、文丘里管。

（3）轉子流量計　轉子流量計屬于恒壓降流量計，有玻璃和金屬兩種類型，應用較為廣泛。轉子流量計必須垂直安裝，流體流動方向是自下而上。

（4）旋渦流量計　渦街旋渦流量計通常又稱為旋渦流量計、卡門旋渦流量計。它是利用流體自然振動的原理制成的一種旋渦分離型流量計。

（5）橢圓齒輪流量計和羅茨流量計　橢圓齒輪流量計和羅茨流量計都是容積式流量計，精度較高，它們的工作原理也相同，都是靠入口壓力和出口壓力之間的壓差推動轉子。但橢圓齒輪流量計的兩個轉子是帶齒的，并互相嚙合，交替地由一個帶動另一個，所以橢圓齒輪既做測量用，也作驅動用。

羅茨流量計又叫腰輪流量計，因它的兩個轉子像兩個腰子，但是沒有齒，而是靠連在轉子外的一對嚙合齒輪互相驅動。兩轉子并不互相接觸，交界處有一微小間隙，因而轉子的壽命較長，但嚙合齒輪會磨損。

（6）渦輪流量計　渦輪流量計是一種速度式流量計，渦輪流量變送器的儀表常數是在常溫下用水標定而得。渦輪流量變送器輸出的是頻率信號，它與流量成正比。它應水平安裝，其前后應有適當的直管段，一般為15D和5D。

（7）電磁流量計　電磁流量計由變送器和轉換器兩部分組成，兩者之間用連接線相互連接。變送器是基于電磁感應定律工作的，轉換器是一個高輸入阻抗，且能抑制各種干擾成分的交流毫伏轉換器。

（8）質量流量計　科氏力質量流量計是根據科里奧利加速度理論制成的流量計，由傳感器、變送器、顯示器三部分組成。

3.溫度測量儀表

測量溫度的方法有接觸式和非接觸式，接觸式測溫簡單、可靠、測量精度較高。但由于要達到熱平衡，因而產生了滯后。而且可能與被測介質產生化學反應。不能應用于很高溫度的測量。非接觸式測溫，其測溫范圍很廣，其測溫上限原則上不受限制；測溫速度比較快，而且可以對運動體進行測量，但一般測溫誤差較大。工業上應用最廣泛的是熱電阻溫度計和熱電偶溫度計。

（1）熱電偶溫度計　熱電偶溫度計是利用熱電偶的熱電效應來測量溫度的。熱電偶是將任意兩種不同的導體或半導體材料焊接或鉸接而成，由于冷熱端溫度不同，在回路中產生電動勢，通過測量此電動勢，得出被測溫度。熱電偶溫度計適于測量較高的溫度。

工業常用熱電偶有S、K、B三種類型。

（2）熱電阻溫度計　熱電阻溫度計是基于金屬導體或半導體的電阻會隨溫度的變化而變化的特性來工作的。因此只要測出感溫元件熱電阻的阻值變化，就可測得被測溫度。其測量精度高，性能穩定，靈敏度高，輸出是電信號，便于遠傳，同時又不需要冷端溫度補償。所以在中低溫（-200～650℃）測量中得到了廣泛的應用。

常用工業熱電阻有鉑熱電阻、銅熱電阻等，最常用的是Pt100鉑熱電阻。

（3）溫度變送器　溫度變送器是將熱電偶和熱電阻測得的電阻或毫伏信號變換成標準統一的標準信號，輸出給顯示儀表或調節器實現對溫度的顯示或自動控制。

4.液位測量儀表

液位測量儀表對化工設備內的液位、相界位進行測量的儀表。國內外通用的檢測方法很多，如浮力式、靜壓式、電容式、超聲波式、同位素式、雷達式等，最常用的是浮力式和靜壓式，電容式、超聲波式、同位素式、雷達式用于一般方法難以解決的場合。

（1）浮力式液位計

a.恒浮力式液位計,如浮標式液位計和浮球式液位計,在工作過程中,浮標或浮球始終漂浮在液面上,只要檢測出浮標或浮球的位移量,便可知道液位的高低。

b.變浮力式液位計,如浮筒式液位計,根據浮筒在液體內浸沒的深度不同,所受浮力也不同,只要檢測出浮筒所受浮力的變化,即可知其液位的高低。

（2）靜壓式液位計　對于不可壓縮的液體，液位高度與液體的靜壓力成正比，所以，測出液體的靜壓力，即可知道液位高度。根據被測設備不同,又分為壓力式液位計和差壓式液位計。

5.調節閥

調節閥由執行機構和閥體部件兩部分組成，其中執行機構是調節閥的推動裝置，它按信號壓力的大小產生相應的推力，使推桿產生相應的位移，從而帶動調節閥的閥芯動作。閥體部件是調節閥的調節部分，它直接與介質接觸，由閥芯的動作，改變調節閥的節流面積，達到調節的目的。

（1）執行機構

a.氣動薄膜執行機構：具有結構簡單，動作可靠，維修方便，價格低廉的優點，應用最為廣泛。

b.氣動活塞執行機構：輸出力大，無彈簧抵消推力，其壓力可達500kPa,適用于大口徑、高靜壓，高壓差閥和蝶閥。

c.氣動長行程執行機構：具有行程長、轉矩大的特點，它將標準氣信號轉變成相應的轉角或位移，適合角行程調節閥的需要，多用于大轉矩的蝶閥、閘閥、風門等。

d.電動執行機構：具有驅動能源簡單方便、推力大、剛度大的特點，但結構復雜，可靠性較差，價格昂貴，一般很少選用。

（2）閥體

a.直通單座調節閥：閥體內只有一個閥芯與閥座，主要特點是泄漏量小，允許壓差小，流通能力小，適用于要求泄漏量小和壓差較小的場合。

b.直通雙座調節閥：閥體內有兩個閥芯和閥座，主要特點是允許壓差大，流通能力大，泄漏量大，適用于對泄漏量要求不嚴和壓差較大的場合。

c.O型球閥：能起到調節和切斷的作用，常用于兩位式控制，其最大特點是流路簡單，壓力損失小，特別適用于高黏度、懸浮液、紙漿等流體場合。

d.蝶閥：又叫翻板閥，優點是流通能力大，阻力損失小，沉積物不易積存；缺點是操作轉矩大，泄漏量大，可調范圍小。特別適用于低壓差、大口徑、大流量的氣體和漿狀液體。

e.高壓調節閥：是一種適用于高靜壓和高壓差調節的特殊閥門，最大公稱壓力PN為32MPa，常見結構有多級閥芯和單級閥芯。

f.角閥：除閥體為直角型外，其他結構與直通單座閥相似。它的特點是流路簡單，死區和渦流區較小，可有效防止介質堵塞，流阻小，流量系數大。適用于高黏度、含懸浮物和顆粒狀流體的場合。

g.套筒閥：兼有單、雙座閥的優點，在穩定性、壽命、裝卸、維修等方面又優于單、雙座閥，因此它已成為調節閥的主流。

h.偏心旋轉閥：綜合了球閥和蝶閥的長處，具有流路簡單，阻力小，流通能力大，閥座密封可靠，改變流量特性容易，體積小，重量輕，應用范圍寬等優點。

（3）輔助裝置

a.閥門定位器：包括電氣閥門定位器和氣動閥門定位器，用于改善調節閥的工作特性，實現正確定位。

b.閥位開關：顯示調節閥上、下限的行程工作位置。

c.氣動保位閥：氣源故障時，保持閥門當時的位置。

d.三通、四通電磁閥：實現氣路的自動切換。

e.手輪機構：系統故障時，可切換進行手動操作。

f.氣動繼動器：使執行機構動作加快。

g.空氣過濾減壓器：作為氣源凈化、調節之用。

h.儲氣罐：氣源故障時，由它取代，使閥能繼續工作一段時間。

二、自動調節系統

1.自動調節系統的組成

自動化裝置包括三部分（以一個簡單的液位自動調節系統為例）。

（1）液位變送器：將液位高低的物理量轉換為另一個特定的物理量（如氣壓信號、電流信號）。這部分稱測量變送。

（2）調節器：它接受變送器送來的信號，與工藝需要保持的液位高度相比較得出偏差，并按某種運算規律算出結果，然后用特定信號（氣壓或電流）發送出去。

（3）執行機構：通常指調節閥，它和普通閥功能一樣，只不過它能自動地根據接收到的信號值改變閥門開啟度。

自動調節系統就是由調節對象（指被控制的工藝生產過程或設備如水槽）和上述自動化裝置組成。

自動調節過程是當系統受到干擾以后，實際液位高度（被調參數）發生了變化，通過檢測儀表轉換為測量信號送往調節器，經與要求的液位高度相比較，得出偏差信號，然后根據偏差信號大小和方向經過運算，再發出控制信號作用于執行機構，通常為調節閥，閥的輸出信號（稱為調節作用）開大或關小閥門，使被調參數逐步回到給定值。

通過上述液位自動調節系統的分析可知，自動調節系統的基本任務是使一個或一些被調參數的變化符合于給定值的要求，并用檢測偏差通過調節，再糾正偏差來達到目的。

可用方塊圖表示如下：

2.調節規律

（1）比例調節：依據“偏差的大小”來動作，它的輸出與輸入偏差的大小成比例。比例調節及時有力，但有余差。比例度用來表示比例作用的強弱，比例度愈小，調節作用愈強，比例作用太強時，會引起振蕩。

（2）積分調節：依據“偏差是否存在”來動作，它的輸出與偏差對時間的積分成比例，只有當余差消失時，積分作用才會停止，其作用是消除余差。但積分作用使最大動偏差增大，延長了調節時間。積分時間表示積分作用的強弱，積分時間愈小，積分作用愈強，但積分作用太強，也會引起振蕩。

（3）微分調節：依據“偏差變化速度”來動作，它的輸出與偏差的變化速度成比例，其效果是阻止被調參數的一切變化，有超前調節的作用，對滯后大的對象有很好的效果。它使調節過程偏差減小，時間縮短，余差也減小（但不能消除）。微分時間表示微分作用的強弱，但微分時間太長，也會引起振蕩。

3.復雜調節系統

（1）串級調節系統：串級調節系統由主、副兩個調節器起控制作用，主調節器輸出作為副調節器給定，副調節器輸出控制調節閥。串級調節系統與簡單調節系統相比，具有克服干擾能力強，能提高系統的工作頻率，具有一定的自適應能力等優點。因此適用于對象容量滯后大、調節對象的純滯后時間長、調節系統的干擾變化激烈、負荷變化較大的場合。

（2）分程調節系統：分程調節系統是由一個調節器、兩個或兩個以上調節閥構成的復雜調節系統。分程控制將調節器輸出分割成信號程序，去分別控制相應的調節閥。其功能有兩個，其一是可擴大調節閥的可調范圍，其二是滿足工藝某些特殊要求。

（3）比值調節系統：在石油化工中，常遇到兩種物料按一定比例混合或參加某種化學反應的情況，如比例失調將會導致生產事故或人身、設備事故。所以比值調節系統是一個非常重要的調節，以達到優質、高產、安全生產。比值調節系統的優點是系統結構簡單，所用儀表設備少，只需一臺比例調節器和一臺調節閥，比例調節器的比例度可按比值要求進行設置。

三、測量誤差和儀表的質量指標

1.測量誤差的分類

根據誤差本身的性質和出現的規律，可將測量誤差分為三類。

（1）系統誤差：是指對同一被測參數進行多次重復測量時所出現的數值大小或符號（指正或負的誤差）都相同的誤差，或者雖不相同，但卻是按一定規律變化的誤差。它是由于在測量中儀表使用不當或測量時外界條件變化等原因引起的。

（2）疏忽誤差：是由于工作人員在讀取或記錄測量數據時的疏忽大意所造成的，這類誤差的數值很難估計，帶有這類測量誤差的測量結果也毫無意義，因此，必須加強責任感，細心工作，避免發生這類誤差。

（3）偶然誤差：在對某一參數進行多次重復測量時，即使消除了上述兩種誤差，每一次的測量結果彼此仍不可能完全相等，每一個測量值與被測參數的真實值之間或多或少仍然存在著差別，這類誤差就稱為偶然誤差。

2.真值、約定真值、相對真值

真值是一個變量本身所具有的真實值。它是一個理想的概念，一般是無法得到的。所以在計算誤差時，一般用約定真值來代替。

約定真值是一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實際測量中以在沒有系統誤差的情況下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。

相對真值是當高一級標準器的誤差僅為低一級的1/3～1/20時，可認為高一級的標準器或儀表的示值為低一級的相對真值。

3.絕對誤差、相對誤差和引用誤差

按誤差的數值表示方法，誤差可分為絕對誤差、相對誤差和引用誤差。

（1）絕對誤差：是測量結果與真值之差，即，絕對誤差=測量值-真值。

（2）相對誤差：是絕對誤差與被測量值之比，常用絕對誤差與儀表示值之比，以百分數表示，即，相對誤差=絕對誤差/儀表示值×100%。

（3）引用誤差：是絕對誤差與量程之比，以百分數表示。即，引用誤差=絕對誤差/量程×100%。儀表的精度等級是根據引用誤差來劃分的。

4.儀表的質量指標

（1）準確度和準確度等級　準確度是指測量結果和實際值的一致程度。準確度高意味著系統誤差和隨機誤差都很小。

準確度等級是儀表按準確度高低分成的等級。它決定儀表在標準條件下的誤差限，也就是儀表基本誤差的最大允許值。

如果某臺儀表的最大基本允許引用誤差為±1.5%，則該儀表的準確度等級為1.5級，通常以圓圈內的數字標明在儀表的面板上。例如表示1.5級。

準確度習慣上又稱精確度或精度，所以準確度等級習慣上又稱精確度等級或精度等級。

（2）儀表的死區和回差　儀表的死區是輸入量變化不致引起輸出量有任何可察覺的變化的有限空間，死區用輸入量程的百分數表示。

回差（也叫變差）是當輸入量上升和下降時，同一輸入的兩相應輸出值之間的最大差值。

（3）儀表的靈敏度和靈敏限　靈敏度是表達儀表對被測參數變化的靈敏程度。它是指儀表在達到穩定狀態以后，儀表輸出信號變化Δα與引起此輸出信號變化的被測參數（輸入信號）變化量Δx之比，即

靈敏度=Δα/Δx

儀表的靈敏限是指能夠引起儀表指示值（輸出信號）發生變化（動作）的被測參數（輸入信號）的最小（極限）變化量。一般，儀表的靈敏限的數值應不大于儀表允許誤差絕對值的一半。

（4）零點誤差、穩定性、零漂　零點誤差是指儀表在規定的參比工作條件下，輸入為零時的誤差。如果輸入為測量范圍下限值時，則稱為始點誤差。

穩定性是指在規定條件下，輸入保持恒定時，儀表輸出在規定時間內保持不變的能力。

零漂是指儀表在參比工作條件下,輸入一個恒定的值（零或測量范圍的下限值）時的輸出變化。

（5）時間常數、全行程時間、滯后時間　當用儀表對被測參數進行測量時,儀表的指示值總要經過一段時間才能顯示出來,這段時間稱為儀表的反應時間。如果儀表不能及時反應被測參數,便要造成誤差,這種誤差稱為動態誤差。動態誤差的大小常用時間常數,全行程時間,滯后時間來表示。

時間常數是當輸入階躍變化時，儀表的輸出值到達其穩定值的63.2%所需的時間。

全行程時間是當輸入滿量程階躍變化時，輸出由下限移至上限，或反行程移動所需的時間。通常以全量程的5%作為輸出下限值，全量程的95%作為輸出上限值。

滯后時間又叫時滯，它是當輸入產生變化的瞬間起到它所引起的輸出量開始變化的瞬間為止的時間間隔。