第11章傳感器在工程檢測(cè)中的應(yīng)用

1、 11.1 溫度測(cè)量溫度測(cè)量 11.2 壓力測(cè)量壓力測(cè)量 11.3 流量測(cè)量流量測(cè)量 11.4 物位測(cè)量物位測(cè)量 11.5 機(jī)械量測(cè)量機(jī)械量測(cè)量 11.6 變送器變送器第第11章章 傳感器在工程檢測(cè)中的應(yīng)用傳感器在工程檢測(cè)中的應(yīng)用返回主目錄第第11章章 傳感器在工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用傳感器在工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 在工業(yè)生產(chǎn)過程及工程檢測(cè)中, 為了對(duì)各種工業(yè)參數(shù)（如壓力、溫度、流量、物位、位移等）進(jìn)行檢測(cè)與控制, 首先要把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于傳送的信息, 這就要用到各種傳感器, 把傳感器與其它裝置組合起來(lái), 組成一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng), 完成對(duì)工業(yè)參數(shù)的檢測(cè)與控制。 考慮到系統(tǒng)中傳感器與其它裝置的兼容性與互

2、換性, 它們之間是用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)? 這些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)都是符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào), 例如直流電流為420 mA、直流電壓為15 V、壓力信號(hào)為20100 kPa, 以前也曾以直流電流010 mA作為通用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 對(duì)一般輸出為非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器, 需把傳感器的輸出信號(hào)通過變送器（或變送器功能模塊電路）變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào), 有了統(tǒng)一的信號(hào)形式和數(shù)值范圍, 無(wú)論是儀表還是計(jì)算機(jī), 只要有同樣的輸入電路或接口, 就可以從各種變送器獲得被測(cè)變量的信息, 而且便于組成檢測(cè)系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 在工業(yè)自動(dòng)化儀表中, 有些變送器既有信號(hào)檢測(cè)又有變送, 如后面要介紹的壓力（差壓）變送器、 一體化溫度變送器等, 這些變送

3、器也可以認(rèn)為是輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器。 下 面將著重介紹工程檢測(cè)中應(yīng)用的傳感器及變送器。11.1 溫度測(cè)量溫度測(cè)量 一、一、 溫度概述溫度概述 1 溫度與溫標(biāo)溫度與溫標(biāo) 溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。 物體的許多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)。許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的, 需要測(cè)量溫度和控制溫度。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)溫度的測(cè)量越來(lái)越普遍, 而且對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度也有更高的要求。 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接加以測(cè)量, 只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換, 以及物體的某些物理性質(zhì)隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測(cè)量。 為了定量地描述溫度的高低,

4、 必須建立溫度標(biāo)尺, 即溫標(biāo)。 溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。歷史上提出過多種溫標(biāo), 如早期的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)）, 理論上的熱力學(xué)溫標(biāo), 當(dāng)前世界通用的國(guó)際溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T）, 單位為開爾文（符號(hào)為K）, 1 K等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的 。 熱力學(xué)溫度是國(guó)際上公認(rèn)的最基本溫度, 國(guó)際溫標(biāo)最終以它為準(zhǔn)而不斷完善。我國(guó)目前實(shí)行的是1990年國(guó)際溫標(biāo)（ITS-90）, 它同時(shí)定義國(guó)際開爾文溫度（符號(hào)ITS-90）和國(guó)際攝氏溫度（t90）, T90和t90之間的關(guān)系為16.273115.2739090kTct 在實(shí)

5、際應(yīng)用中, 一般直接用T和t代替T90和t90。 2 溫度測(cè)量的主要方法和分類溫度測(cè)量的主要方法和分類 (1) 溫度傳感器的組成在工程中無(wú)論是簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的測(cè)溫傳感器, 就測(cè)量系統(tǒng)的功能而言, 通常由現(xiàn)場(chǎng)的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成, 如圖 11 - 1 所示。簡(jiǎn)單的溫度傳感器往往是溫度傳感器和顯示組成一體的, 一般在現(xiàn)場(chǎng)使用。 (2) 溫度測(cè)量方法及分類測(cè)量方法按感溫元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸, 可以分成接觸式與非接觸式兩大類。 接觸式測(cè)溫方法是使溫度敏感元件和被測(cè)溫度對(duì)象相接觸, 當(dāng)被測(cè)溫度與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí), 溫度敏感元件與被測(cè)溫度對(duì)象的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

6、 工作可靠，精度高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。這類測(cè)溫方法的溫度傳感器主要有: 基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度傳感器，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的電阻式溫度傳感器， 基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度傳感器。 非接觸式測(cè)溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān), 并且以電磁波形式向四周輻射, 當(dāng)選擇合適的接收檢測(cè)裝置時(shí), 便可測(cè)得被測(cè)對(duì)象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測(cè)量和顯示的各種信號(hào), 實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。這類測(cè)溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和在溫

7、度范圍上的限制, 可測(cè)高溫、 腐蝕、 有毒、 運(yùn)動(dòng)物體及固體、 液體表面的溫度, 不干擾被測(cè)溫度場(chǎng), 但精度較低, 使用不太方便。 二、二、 膨脹式溫度傳感器膨脹式溫度傳感器 根據(jù)液體、 固體、 氣體受熱時(shí)產(chǎn)生熱膨脹的原理, 這類溫度傳感器有液體膨脹式、 固體膨脹式和氣體膨脹式。 1 液體膨脹式液體膨脹式 在有刻度的細(xì)玻璃管里充入液體（稱為工作液, 如水銀、 酒精等）構(gòu)成液體膨脹式溫度計(jì)。常用的有水銀玻璃溫度計(jì)和電接點(diǎn)式溫度計(jì), 這種溫度計(jì)遠(yuǎn)不能算傳感器, 它只能就地指示溫度。 電接點(diǎn)式溫度計(jì)可對(duì)設(shè)定的某一溫度發(fā)出開關(guān)信號(hào)或進(jìn)行位式控制, 有固定式和可調(diào)式兩種。 圖 11 - 2 所示為可調(diào)電

8、接點(diǎn)式溫度計(jì), 其中一根鉑絲接在毛細(xì)管下部固定處,另一根鉑絲根據(jù)設(shè)定溫度可以上下移動(dòng), 當(dāng)升至設(shè)定溫度時(shí), 鉑絲與水銀柱接通, 反之?dāng)嚅_, 這種既可指示, 又能發(fā)出通斷信號(hào), 常用于溫度測(cè)量和雙位控制。 2 固體膨脹式固體膨脹式固體膨脹式是以雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產(chǎn)生膨脹變形來(lái)測(cè)溫的。 它由兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬緊固結(jié)合而成雙金屬片, 為提高靈敏度常作成螺旋形。圖 11 -3 為雙金屬溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。 螺旋形雙金屬片一端固定, 另一端連接指針軸, 當(dāng)溫度變化時(shí), 雙金屬片彎曲變形, 通過指針軸帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)顯示溫度。 它常用于測(cè)量-80600范圍的溫度, 抗震性能好，讀數(shù)方便,

9、但精度不太高, 用于工業(yè)過程測(cè)溫、 上下限報(bào)警和控制。 3 氣體膨脹式氣體膨脹式 氣體膨脹式是利用封閉容器中的氣體壓力隨溫度升高而升高的原理來(lái)測(cè)溫的, 利用這種原理測(cè)溫的溫度計(jì)又稱壓力計(jì)式溫度計(jì), 如圖 11 - 4 所示。溫包、毛細(xì)管和彈簧管三者的內(nèi)腔構(gòu)成一個(gè)封閉容器, 其中充滿工作物質(zhì)（如氣體常為氮?dú)猓? 工作物質(zhì)的壓力經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管, 使彈簧管產(chǎn)生變形, 并由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針, 指示出被測(cè)溫度的數(shù)值。 壓力溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗振及耐腐蝕性能好, 與微動(dòng)開關(guān)組合可作溫度控制器用, 但它的測(cè)量距離受毛細(xì)管長(zhǎng)度限制, 一般充液體可達(dá)20m, 充氣體或蒸汽可達(dá)60m。 三、三、 熱電偶傳感器熱

10、電偶傳感器 熱電偶是工程上應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。 它構(gòu)造簡(jiǎn)單, 使用方便, 具有較高的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及復(fù)現(xiàn)性, 溫度測(cè)量范圍寬, 在溫度測(cè)量中占有重要的地位。 1. 熱電偶測(cè)溫原理熱電偶測(cè)溫原理 兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路, 如圖 11 - 5 所示。 的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。 兩個(gè)接點(diǎn), 一個(gè)稱工作端, 又稱測(cè)量端或熱端, 測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)介質(zhì)中; 另一個(gè)稱自由端, 又稱參考端或冷端。 在圖11 - 5 所示的回路中, 所產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成: 溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。 接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。 兩種導(dǎo)體接觸時(shí),自由電子

11、由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散, 在接觸處失去電子的一側(cè)帶正電, 得到電子的一側(cè)帶負(fù)電, 形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電勢(shì)EAB(T)和EAB（T0）可表示為 EAB(T)= 式中: K波爾茲曼常數(shù); e單位電荷電量; NAT、NBT和NAT0、NBT0分別在溫度為T和T0時(shí), 導(dǎo)體A、B的電子密度。 溫差電勢(shì)是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。BTATNNeKTln00ln)(00BTATABNNeKTTE 同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí), 高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大, 因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到

12、高溫端的要多, 結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電, 低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電, 因此, 在導(dǎo)體兩端便形成接觸電勢(shì), 其大小由下面公式給出: dtdttNdNeKTTEATTTATA)(1),(00dtdttNdNeKTTEBTTTBTB)(1),(00 式中: NAT和NBT分別為A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的電子密度, 是溫度的函數(shù)。 熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為 AB(T, T0)=EAB(T)+EB(T, T0)-EAB(T0)-EA(T, T0) (11 - 6) 在總熱電勢(shì)中, 溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多, 可忽略不計(jì), 熱電偶的熱電勢(shì)可表示為 EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0)

13、（11 - 7） 對(duì)于已選定的熱電偶, 當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí),EAB (T0)=c為常數(shù), 則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系, 即 EAB(T, T)=EAB(T)-c=f(T) 實(shí)際應(yīng)用中, 熱電勢(shì)與溫度之間關(guān)系是通過熱電偶分度表來(lái)確定的。分度表是在參考端溫度為0時(shí), 通過實(shí)驗(yàn)建立起來(lái)的熱電勢(shì)與工作端溫度之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。用熱電偶測(cè)溫, 還要掌握熱電偶基本定律。下面引述幾個(gè)常用的熱電偶定律。 1. 熱電偶基本定律熱電偶基本定律 （1） 中間導(dǎo)體定律利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫, 必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表, 接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)呢？中間導(dǎo)體定律說(shuō)明, 在熱電偶測(cè)溫回

14、路內(nèi), 接入第三種導(dǎo)體, 只要其兩端溫度相同, 則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒有影響。 接入第三種導(dǎo)體回路如圖 11 - 6 所示。 由于溫差電勢(shì)可忽略不計(jì), 則回路中的總熱電勢(shì)等于各接點(diǎn)的接觸電勢(shì)之和。 即 EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) (11 - 9) 當(dāng)T= T0 時(shí), 有 BC(T0)+ECA(T0)=-E(T0) （11 - 10）將(11 - 10）式代入(11 - 9）式中得(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T, T0)（11 - 11） 同理, 加入第四、第五種導(dǎo)體后, 只要加入的導(dǎo)體兩端溫度相等, 同樣不影響回路中的總熱電勢(shì)。

15、(2)中間溫度定律 熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t, t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)EAB(t, tc)和EAB(tc, t0)的代數(shù)和（見圖 11 - 7 ）, 即: 該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。 在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。 (3)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中, 不論導(dǎo)體的截面和長(zhǎng)度如何以及各處的溫度分布如何, 都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。這條定理說(shuō)明, 熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。 )(),(),(00TTETTETTECABCABAB 3.熱電偶類型熱電

16、偶類型 理論上講, 任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶, 但為了準(zhǔn)確可靠地測(cè)量溫度, 對(duì)組成熱電偶的材料必須經(jīng)過嚴(yán)格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件: 熱電勢(shì)變化盡量大, 熱電勢(shì)與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系, 物理、 化學(xué)性能穩(wěn)定, 易加工, 復(fù)現(xiàn)性好, 便于成批生產(chǎn), 有良好的互換性。 實(shí)際上并非所有材料都能滿足上述要求。 目前在國(guó)際上被公認(rèn)比較好的熱電材料只有幾種。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶, 所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶, 它已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中, 具有統(tǒng)一的分度表。 我國(guó)從1988年開始采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶。表11-1 為我國(guó)采用的幾種熱電偶的主要性

17、能和特點(diǎn)。 表中所列的每一種熱電偶中前者為熱電偶的正極, 后者為負(fù)極。 目前工業(yè)上常用的有四種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶, 即鉑銠30-鉑銠6, 鉑銠10-鉑, 鎳鉻-鎳硅和鎳鉻-銅鎳（我國(guó)通常稱為鎳鉻-康銅）熱電偶, 它的分度表見表 11 - 2 至表 11 - 5 另外, 目前還生產(chǎn)一些特殊用途的熱電偶, 以滿足特殊測(cè)溫的需要。 如用于測(cè)量3800超高溫的鎢鎳系列熱電偶, 用于測(cè)量2273K的超低溫的鎳鉻-金鐵熱電偶等。 4. 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件, 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。 (1)普通型熱電偶 普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上

18、使用最多, 它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成, 其結(jié)構(gòu)如圖 11 - 8 所示。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、 活動(dòng)法蘭連接、 無(wú)固定裝置等多種形式。 (2)鎧裝熱電偶 鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、 絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體, 如圖 11 - 9所示。它可以做得很細(xì)很長(zhǎng), 使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快, 機(jī)械強(qiáng)度高, 撓性好, 可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上, 因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 (3)薄膜熱電偶 薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料, 用真空蒸鍍、 化學(xué)凃?qū)拥?/p>

19、辦法蒸鍍到絕緣基板上面制成的一種特殊熱電偶, 如圖 11 - 10 所示。 薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很?。杀〉?.010.1m）, 具有熱容量小, 反應(yīng)速度快等的特點(diǎn), 熱相應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí), 適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。 5.熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及參考端溫度補(bǔ)償方法熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及參考端溫度補(bǔ)償方法 從熱電偶測(cè)溫基本公式可以看到, 對(duì)某一種熱電偶來(lái)說(shuō)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān), 即: EAB(t, t0)=e AB(t)-eAB(t0) （ 11 -13） 熱電偶的分度表是以t0=0作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的, 而在實(shí)際使用過程中, 參考端溫度

20、往往不為0, 那么工作端溫度為t時(shí), 分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(t, 0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB(t, t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式: EAB(t, 0)= EAB(t, t0)+ EAB(t0, 0) 由此可見, EAB(t0, 0)是參考端溫度t0的函數(shù), 因此需要對(duì)熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理。 (1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 在實(shí)際測(cè)溫時(shí), 需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表, 這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短 需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來(lái)。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線, 它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成, 而且在

21、0100溫度范圍內(nèi), 要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。 常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線列于表 11 - 6 (2)參考端溫度修正法采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方, 但只要參考端溫度不等于0, 需要對(duì)熱電偶回路的電勢(shì)值加以修正, 修正值為EAB(t0 , 0)。 經(jīng)修正后的實(shí)際熱電勢(shì), 可由分度表中查出被測(cè)實(shí)際溫度值 (3)參考端0恒溫法 在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中, 通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中, 以便參考端溫度保持0, 這種方法又稱冰浴法。 (4)參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法） 補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓作為補(bǔ)償信號(hào), 來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測(cè)量過

22、程中因參考端溫度不為0或變化而引起熱電勢(shì)的變化值。 如圖12-11 所示, 不平衡電橋由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、 r2 、r3、電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻rCU 和穩(wěn)壓電源組成。 補(bǔ)償電橋與熱電偶參考端處在同一環(huán)境溫度, 但由于rCU的阻值隨環(huán)境溫度變化而變化, 如果適當(dāng)選擇橋臂電阻和橋路電流, 就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補(bǔ)償由于參考端溫度變化引起的熱電勢(shì)EAB(t, t0)變化量, 從而達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康摹?4 熱電偶測(cè)溫線路熱電偶測(cè)溫線路 熱電偶測(cè)溫時(shí), 它可以直接與顯示儀表（如電子電位差計(jì)、 數(shù)字表等）配套使用, 也可與溫度變送器配套, 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信

23、號(hào), 圖 11 - 12 為典型的熱電偶測(cè)溫線路。 如用一臺(tái)顯示儀表顯示多點(diǎn)溫度時(shí), 可按圖 11 - 13連接, 這樣可節(jié)約顯示儀表和補(bǔ)償導(dǎo)線。 特殊情況下, 熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用, 但只能是同一分度號(hào)的熱電偶, 且參考端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián), 可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度。在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差時(shí), 可采用熱電偶反向串聯(lián)。利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。熱電偶串、并聯(lián)線路如圖 11 - 14 所示 四熱電阻傳感器四熱電阻傳感器 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類, 一般把金屬熱電阻稱為熱電阻,

24、 而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量-200+850范圍內(nèi)的溫度, 少數(shù)情況下, 低溫可測(cè)量至1K, 高溫達(dá)1000。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高, 并作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成, 如圖 11 - 15所示。熱電阻也可與溫度變送器連接, 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。 1 常用熱電阻 用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率, R-t 關(guān)系最好成線性, 物理化學(xué)性能穩(wěn)定, 復(fù)現(xiàn)性好等。 目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。 (1)鉑熱電阻 鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠, 所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用

25、。按IEC標(biāo)準(zhǔn), 鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200+850。 鉑熱電阻的特性方程為 在-2000的溫度范圍內(nèi): Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100) ( 11 - 15) 在0850的溫度范圍內(nèi): Rt = R0(1+At+Bt2) 式中Rt和R0分別為t和0時(shí)鉑電阻值; A、 B和C為常數(shù)。 在ITS-90 中, 這些常數(shù)規(guī)定為: A=3.908310-13/ B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4 從上式看出, 熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0 有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種, 它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100, 其中以

26、Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表, 即Rt-t 的關(guān)系表, 這樣在實(shí)際測(cè)量中, 只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt, 便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。 Pt100的分度表見表 11 - 7 。 鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W100表示, 它是鉑熱電阻在100時(shí)電阻值R100與0時(shí)電阻值R0之比。 按IEC標(biāo)準(zhǔn), 工業(yè)使用的鉑熱電阻的W1001.3850。 (2)銅熱電阻 由于鉑是貴重金屬, 因此, 在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合, 可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫, 它的測(cè)量范圍為-50+150。 銅熱電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的, 可近似地表示為: Rt=R0（1+

27、t） （ 11 - 17）式中為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù), 取=4.2810-3/。 銅 熱 電 組 的 兩 種 分 度 號(hào) 為 C u5 0( R0= 5 0 ) 和 C u1 0 0（R100=100）。 銅熱電阻線性好, 價(jià)格便宜, 但它易氧化, 不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。 1.熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu) 工業(yè)用熱電阻的結(jié)構(gòu)如圖 11 - 16 所示。 它由電阻體、 絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等部分組成。 電阻體由電阻絲和電阻支架組成。 電阻絲采用雙線無(wú)感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上, 支架起支撐和絕緣作用, 引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲, 它與接

28、線盒柱相接, 以便與外接線路相連而測(cè)量顯示溫度。用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí), 測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。 而熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離, 因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。 熱電阻內(nèi)部引線方式有兩線制、 三線制和四線制三種, 如圖 11 - 17 所示。 二線制中引線電阻對(duì)測(cè)量影響大, 用于測(cè)溫精度不高場(chǎng)合。三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。 四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響, 用于高精度溫度檢測(cè)。 五集成溫度傳感器五集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流電壓特性與溫度的關(guān)系, 把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個(gè)小硅片

29、上, 構(gòu)成一個(gè)小型化、一體化的專用集成電路片。 集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn), 由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制, 它只能用來(lái)測(cè)150以下的溫度。 1 基本工作原理基本工作原理 目前在集成溫度傳感器中, 都采用一對(duì)非常匹配的差分對(duì)管作為溫度敏感元件。 圖 11 -18 是集成溫度傳感器基本原理圖。其中T1和T2是互相匹配的晶體管,I1和I2分別是T1和T2管的集電極電流, 由恒流源提供。T1和T2管的兩個(gè)發(fā)射極和基極電壓之差Vbe可用下式表示, 即: )ln()ln(211221IIqKTAEAEIIqKTU圖11-18 集成溫度傳感器基本原理 式中k-是波爾茲曼

30、常數(shù); q-是電子電荷量; T-是絕對(duì)溫度; r -是T1和T2管發(fā)射結(jié)的面積之比。 從式中看出, 如果保證I1/I2恒定, 則Vbe就與溫度T成單值線性函數(shù)關(guān)系。這就是集成溫度傳感器的基本工作原理, 在此基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)出各種不同電路以及不同輸出類型的集成溫度傳感器。 1 集成溫度傳感器的信號(hào)輸出方式集成溫度傳感器的信號(hào)輸出方式 (1)電壓輸出型電壓輸出型集成溫度傳感器原理電路圖如圖 11 - 19 所示。 當(dāng)電流I1恒定時(shí), 通過改變R1的阻值, 可實(shí)現(xiàn)I1=I2, 當(dāng)晶體管的1時(shí), 電路的輸出電壓可由下式確定, 即: （ 11 - 19） 若取R1=940, R2=30K, r=37, 則電

31、路輸出的溫度系數(shù)為: ln121220qKTRRRURIUbeKmvqKRRdTdUCT/10ln120 （2）電流輸出型圖 11 - 20 為電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路圖。 T1和T2是結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩個(gè)晶體管, 作為恒流源負(fù)載, T3和T4管是測(cè)溫用的晶體管, 其中T3管的發(fā)射結(jié)面積是T4管的8倍, 即r=8。流過電路的總電流IT為: （ 11 - 20）式中當(dāng)R和r一定時(shí), 電路的輸出電流與溫度有良好的線性關(guān)系。 若取R為358, 則電路輸出的溫度系數(shù)為: ln2221qRKTRUIIbeTKAqRKdTdIcTT/1ln2 電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD59

32、0, 我國(guó)產(chǎn)的SG590也屬于同類型產(chǎn)品。 基本電路與圖 11 - 20一樣, 只是增加了一些啟動(dòng)電路, 防止電源反接以及使左右兩支路對(duì)稱的附加電路, 以進(jìn)一步地提高性能。 AD590的電源電壓430V, 可測(cè)溫度范圍-50+150。 2 AD590集成溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例集成溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例 AD590是應(yīng)用廣泛的一種集成溫度傳感器, 由于它內(nèi)部有放大電路, 再配上相應(yīng)外電路,方便地構(gòu)成各種應(yīng)用電路。 下面介紹AD590幾種簡(jiǎn)單的應(yīng)用線路。 (1)溫度測(cè)量電路 圖 11 - 21 是一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)溫電路。 AD590在25（298.2K）時(shí), 理想輸出電流為298.2A, 但實(shí)際上存在一定誤差

33、, 可以在外電路中進(jìn)行修正。將AD590串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電阻, 在已知溫度下調(diào)整電阻值, 使輸出電壓UT滿足1mV/k的關(guān)系（如25時(shí), UT應(yīng)為298.2mV）。調(diào)整好以后, 固定可調(diào)電阻, 即可由輸出電壓VT讀出AD590所處的熱力學(xué)溫度。 (2)控溫電路 簡(jiǎn)單的控溫電路如圖 11 - 22 所示。 AD311為比較器, 它的輸出控制加熱器電流, 調(diào)節(jié)R1可改變比較電壓, 從而改變了控制溫度。AD581是穩(wěn)壓器, 為AD590提供一個(gè)合理的穩(wěn)定電壓。 (3)熱電偶參考端補(bǔ)償電路 該種補(bǔ)償電路如圖 11 - 23 所示。 AD590應(yīng)與熱電偶參考端處于同一溫度下。AD580是一個(gè)三端穩(wěn)壓器, 其

34、輸出電壓VOUT=2.5V。電路工作時(shí), 調(diào)整電阻R2使得: I1=t010-3 mA 這樣在電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)隨參考端溫度t0變化的補(bǔ)償電壓V1=I1R1。 當(dāng)熱電偶參考端溫度為t0, 其熱電勢(shì)EAB(t0, 0)St0, S為塞貝克系數(shù)（v/）。 補(bǔ)償時(shí)應(yīng)使V1與EAB(t0, 0)近似相等, 即R1與塞貝克系數(shù)相等, 不同分度號(hào)的熱電偶, R1的阻值亦不同。 這種補(bǔ)償電路靈敏、準(zhǔn)確、可靠、調(diào)整方便, 溫度變化在1535范圍內(nèi), 可獲得5的補(bǔ)償精度。 11.2 壓力測(cè)量壓力測(cè)量 一壓力概述一壓力概述 壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一, 正確測(cè)量和控制壓力對(duì)保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義

35、。壓力及差壓的測(cè)量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測(cè)量中。 工程技術(shù)上所稱的“壓力”實(shí)質(zhì)上就是物理學(xué)里的“壓強(qiáng)”, 定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。 其表達(dá)式為 （ 11 - 21）式中 P-為壓力; F-為作用力; A-為作用面積。 國(guó)際單位制（SI）中定義: 1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面上, 形成的壓力為1“帕斯卡”, 簡(jiǎn)稱“帕”, 符號(hào)為Pa。 過去采用的壓力單位“工程大氣壓”（即kgf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、 “毫米水柱”（即mmH2O）、物理大氣壓（即atm）等均應(yīng)改為法定計(jì)量單位帕, 其換算關(guān)系如下: 1 kgf/cm2=0.9807105Pa 1mmH2O

36、=0.980710Pa 1mmHg=1.332102Pa 1atm=1.01325105Pa 壓力有幾種不同表示方法 (1)絕對(duì)壓力 指作用于物體表面積上的全部壓力, 其零點(diǎn)以絕對(duì)真空為基準(zhǔn), 又稱總壓力或全壓力, 一般用大寫符號(hào)P表示 (2)大氣壓力指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力, 以P0表示。 (3)表壓力 絕對(duì)壓力與大氣壓力之差, 一般用p表示。 測(cè)壓儀表一般指示的壓力都是表壓力, 表壓力又稱相對(duì)壓力。 當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力, 則表壓力為負(fù)壓, 負(fù)壓又可用真空度表示, 負(fù)壓的絕對(duì)值稱為真空度。如測(cè)爐膛和煙道氣的壓力均是負(fù)壓。 (4)差壓 任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓。 如靜壓式液位計(jì)

37、和差壓式流量計(jì)就是利用測(cè)量差壓的大小知道液位和流體流量的大小。 測(cè)量壓力的傳感器很多, 如應(yīng)變式、電容式、差動(dòng)變壓器、霍爾、壓電等傳感器等都能用來(lái)測(cè)量壓力。下面介紹幾種工程上常用的測(cè)壓傳感器或測(cè)壓儀表。 二液柱式壓力計(jì)二液柱式壓力計(jì) 液柱式壓力計(jì)是以流體靜力學(xué)原理來(lái)測(cè)量壓力的。 它們一般采用水銀或水為工作液, 用U型管或單管進(jìn)行測(cè)量, 常用于低壓、 負(fù)壓或壓力差的測(cè)量。 圖 11 - 24所示的U形管內(nèi)裝有一定數(shù)量的液體, U形管一側(cè)通壓力p1, 另一側(cè)通壓力p2。當(dāng)p1= p2時(shí), 左右兩管的液體高度相等。 當(dāng)p1 p2時(shí), 兩邊管內(nèi)液面便會(huì)產(chǎn)生高度差。 根據(jù)液體靜力學(xué)原理可知: p=p1-

38、p1=g h （ 11 - 22）式中為U形管內(nèi)液體的密度。 如把壓力p1一側(cè)改為通大氣P0, 則式（12-2）可改寫為 p2=g h （ 11 - 23） 如果把U形管的一個(gè)管換成大直徑的杯, 即可變成如圖 11 - 25所示的單管或斜管。 測(cè)壓原理與U形管相同, 只是因?yàn)楸瓘奖裙軓酱蟮枚? 杯內(nèi)液位變化可略去不計(jì), 使計(jì)算及讀數(shù)更為簡(jiǎn)易。 三彈性式壓力表三彈性式壓力表 彈性式壓力表是以彈性元件受壓后所產(chǎn)生的彈性變形作為測(cè)量基礎(chǔ)的。 它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 價(jià)格低廉, 現(xiàn)場(chǎng)使用和維修都很方便, 又有較寬的壓力測(cè)量范圍, 因此在工程中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。 1 彈性元件彈性元件 采用不同材料、不同形狀的

39、彈性元件作為感壓元件, 可以適用于不同場(chǎng)合、不同范圍的壓力測(cè)量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。 圖 11 - 26給出了一些常用彈性元件的示意圖。 圖 11 - 27為利用彈性形變測(cè)壓原理圖。 活塞缸的活塞底部加有柱狀螺旋彈簧, 彈簧一端固定, 當(dāng)通入被測(cè)壓力p時(shí), 彈簧被壓縮并產(chǎn)生一彈性力與被測(cè)壓力平衡,在彈性形變的限度內(nèi), 彈簧被壓縮后產(chǎn)生的彈性位移量x與被測(cè)壓力p的關(guān)系符合胡克定律, 表示為 （ 11 - 24）式中C為彈簧的剛度系數(shù); A為活塞的有效面積。 當(dāng)C、A為定值時(shí), 測(cè)量壓力就變?yōu)闇y(cè)量彈性元件的位移量x。 Axc 金屬?gòu)椥栽季哂胁煌耆珡椥? 即在所加作用

40、力去除后, 彈性元件會(huì)表現(xiàn)殘余變形、 彈性后效和彈性滯后等現(xiàn)象, 這將會(huì)造成測(cè)量誤差。彈性元件特性與選用的材料和負(fù)載的最大值有關(guān), 要減小這方面的誤差, 應(yīng)注意選用合適的材料, 加工成形后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚淼取?2 彈簧管壓力表彈簧管壓力表 彈簧管壓力表在彈性式壓力表中更是歷史悠久, 應(yīng)用廣泛。 彈簧管壓力表中壓力敏感元件是彈簧管, 彈簧管的橫截面呈非園形（橢圓形或扁形）, 彎成園弧形的空心管子, 如圖12-28所示。 管子的一端為封閉, 作為位移輸出端, 另一端為開口, 為被測(cè)壓力輸入端。當(dāng)開口端通入被測(cè)壓力后, 非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形, 并使彈簧管有伸直的趨勢(shì)而產(chǎn)生力矩, 其結(jié)果

41、使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移, 同時(shí)改變中心角。中心角的相對(duì)變化量與被測(cè)壓力有如下的函數(shù)關(guān)系: 2222)1 (12kaabbhRE式中-為彈簧管中心角的初始角; -為受壓后中心角的改變量; R為彈簧管彎曲圓弧的外半徑; h-為管壁厚度; a、 b-為彈簧管橢圓形截面的長(zhǎng)、 短半軸; 為幾何常數(shù)（=RH/a2）; 、 -為與比值a/b有關(guān)的參數(shù); 為彈簧管材料的泊松系數(shù); E為彈性模數(shù)。 由式（ 11 - 25）可知, 如果a=b, 則=0, 這說(shuō)明具有均勻壁厚的圓形彈簧管不能用作測(cè)壓敏感元件。 對(duì)于單圈彈簧管, 中心角變化量比較小, 要提高, 可采用多圈彈簧管。 彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)如圖 11 -

42、29所示。 被測(cè)壓力由接頭9通入, 迫使彈簧管1的自由端產(chǎn)生位移, 通過拉桿2使扇形齒輪3作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn), 于是指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動(dòng)而作順時(shí)針偏轉(zhuǎn), 在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測(cè)壓力的數(shù)值。 彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 使用方便, 價(jià)格低廉, 使用范圍廣, 測(cè)量范圍寬, 可以測(cè)量負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓, 因此應(yīng)用十分廣泛。 3 壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件, 它是基于壓阻效應(yīng)工作的。 所謂壓阻元件實(shí)際上就是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻, 當(dāng)它受外力作用時(shí), 其阻值由于電阻率的變化而改變。擴(kuò)散電阻正常工作時(shí)需依附于

43、彈性元件, 常用的是單晶硅膜片。 圖 11 - 30是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 在一塊圓形的單晶硅膜片上, 布置四個(gè)擴(kuò)散電阻, 組成一個(gè)全橋測(cè)量電路。 膜片用一個(gè)圓形硅杯固定, 將兩個(gè)氣腔隔開。一端接被測(cè)壓力, 另一端接參考?jí)毫?。?dāng)存在壓差時(shí), 膜片產(chǎn)生變形, 使兩對(duì)電阻的阻值發(fā)生變化, 電橋失去平衡, 其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。 壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小, 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好, 靈敏度高, 能測(cè)出十幾帕斯卡的微壓, 它是一種比較理想, 目前發(fā)展和應(yīng)用較為迅速的一種壓力傳感器。 這種傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響, 從而影響壓阻系數(shù)的大小。 現(xiàn)在出現(xiàn)

44、的智能壓阻壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償, 它利用大規(guī)模集成電路技術(shù), 將傳感器與計(jì)算機(jī)集成在同一塊硅片上, 兼有信號(hào)檢測(cè)、 處理、 記憶等功能, 從而大大提高傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。 4 壓力傳感器的選用與安裝壓力傳感器的選用與安裝 （1）壓力傳感器的選用 在工業(yè)生產(chǎn)中, 對(duì)壓力傳感器進(jìn)行選型, 確定檢測(cè)點(diǎn)與安裝等是非常重要的, 傳感器的選用的基本原則是依據(jù)實(shí)際工藝生產(chǎn)過程對(duì)壓力測(cè)量所要求的工藝指標(biāo)、測(cè)壓范圍、許誤差、介質(zhì)特性及生產(chǎn)安全等因素, 經(jīng)濟(jì)合理, 使用方便。 對(duì)彈性式壓力傳感器要保證彈性元件在彈性變形的安全范圍內(nèi)可靠的工作, 在選擇傳感器量程時(shí)必須留有足夠的余地。

45、 一般在被測(cè)壓力較穩(wěn)定的情況下, 最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的3/4, 在被測(cè)壓力波動(dòng)較大的情況下, 最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的2/3。 為了保證測(cè)量精度, 被測(cè)壓力最小值應(yīng)不低于全量程的1/3。 如要測(cè)量高壓蒸汽的壓力, 已知蒸汽壓力為（24）105Pa, 生產(chǎn)中允許最大測(cè)量誤差為104Pa且要求就地顯示, 如何選擇壓力表呢？ %7 . 110)06(1054max 根據(jù)已知條件及彈性式壓力傳感器的性質(zhì)決定選Y-100型單圈彈簧管壓力表, 其測(cè)量范圍為06105Pa（當(dāng)壓力從2105Pa變化到4105Pa時(shí), 正好處于量程的1/32/3）。要求最大測(cè)量誤差小于104Pa, 即要求傳感器的相對(duì)誤

46、差所以應(yīng)選1.5級(jí)表 （2）壓力傳感器的安裝 傳感器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性, 不僅與傳感器本身的精度等級(jí)有關(guān), 而且還與傳感器的安裝、 使用是否正確有關(guān)。 壓力檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在能準(zhǔn)確及時(shí)地反映被測(cè)壓力的真實(shí)情況。 因此, 取壓點(diǎn)不能處于流束紊亂的地方, 即要選在管道的直線部份, 即離局部阻力較遠(yuǎn)的地方。 測(cè)量高溫蒸汽壓力時(shí), 應(yīng)裝回形冷凝液管或冷凝器, 以防止高溫蒸汽與測(cè)壓元件直接接觸。 測(cè)量腐蝕、高粘度、有結(jié)晶等介質(zhì)時(shí), 應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐, 如圖 11 - 31（b）所示。 隔離罐內(nèi)的隔離液應(yīng)選擇沸點(diǎn)高、凝固點(diǎn)低、化學(xué)與物理性能穩(wěn)定的液體, 如甘油、乙醇等。 壓力傳感器安裝高度應(yīng)與取壓點(diǎn)相同

47、或相近。 對(duì)于圖 11 - 32所示情況, 壓力表的指示值比管道內(nèi)的實(shí)際壓力高, 對(duì)液柱附加的壓力誤差進(jìn)行修正。 11-31 測(cè)量高溫，腐蝕介質(zhì)壓力表安裝示意圖11-32 壓力表位于生產(chǎn)設(shè)備下安裝示意圖11.3 流量測(cè)流量測(cè) 量量 一流量概述一流量概述 流量是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要參數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)過程中, 很多原料、半成品、成品是以流體狀態(tài)出現(xiàn)的。流體的流量就成為決定產(chǎn)品成分和質(zhì)量的關(guān)鍵, 也是生產(chǎn)成本核算和合理使用能源的重要依據(jù)。因此流量的測(cè)量和控制是生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。 單位時(shí)間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量, 稱為瞬時(shí)流量。 而在某一段時(shí)間間隔內(nèi)流過管道某一截面的流體量的總和, 即瞬時(shí)流量

48、在某一段時(shí)間內(nèi)的累積值, 稱為總量或累積流量。 瞬時(shí)流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。 （1）體積流量qv單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的流體的體積, 單位為m3/s。 根據(jù)定義, 體積流量可用下式表示: qv= （ 11 - 26）式中V為截面A中某一面積元dA上的流速。 如果用流體的平均流束V表示, 則體積流量可寫成 qv = vA （ 11 - 27） （2）質(zhì)量流量qm單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的流體的質(zhì)量, 單位為kg/s。根據(jù)定義, 質(zhì)量流量可用下式表示: qm= （ 11 - 28）若用平均流速表示, 則可簡(jiǎn)寫為 （ 11 - 29）AvdtAvdAvmqvAq 工程上講的流量常指瞬時(shí)流量, 下面若

49、無(wú)特別說(shuō)明均指瞬時(shí)流量。 生產(chǎn)過程中各種流體的性質(zhì)各不相同, 流體的工作狀態(tài)（如介質(zhì)的溫度、 壓力等）及流體的粘度、腐蝕性、導(dǎo)電性也不同, 很難用一種原理或方法測(cè)量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過程的情況復(fù)雜, 某些場(chǎng)合的流體是高溫、高壓, 有時(shí)是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測(cè)量的方法很多, 測(cè)量原理和流量傳感器（或稱流量計(jì)）也各不相同, 從測(cè)量方法上一般可分為三大類。 （1）速度式速度式流量傳感器大多是通過測(cè)量流體在管路內(nèi)已知截面流過的流速大小實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、轉(zhuǎn)子、渦輪、靶子、非線性物體等）把流體的流速變換成壓差、位移、轉(zhuǎn)速、沖力、頻率等對(duì)應(yīng)的

50、信號(hào)來(lái)間接測(cè)量流量的。差壓式、轉(zhuǎn)子、渦輪、 電磁、旋渦和超聲波等流量傳感器都屬于此類。 （2）容積式 根據(jù)已知容積的容室在單位時(shí)間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體的瞬時(shí)流量和總量的。常用的有橢圓齒輪、 旋轉(zhuǎn)活塞式和刮板等流量傳感器。 （3）質(zhì)量式質(zhì)量流量傳感器有兩種。 一種是根據(jù)質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系, 測(cè)出體積流量再乘被測(cè)流體的密度的間接質(zhì)量流量傳感器, 如工程上常用的采取溫度、 壓力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償式質(zhì)量流量傳感器。另一種是直接測(cè)量流體質(zhì)量流量的直接式質(zhì)量流量傳感器, 如熱式、慣性力式、動(dòng)量矩式質(zhì)量流量傳感器等。直接法測(cè)量具有不受流體的壓力、溫度、粘度等變化影響的優(yōu)點(diǎn), 是一種正在發(fā)展中的質(zhì)量

51、流量傳感器。 下面針對(duì)有代表性的, 工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的流量傳感器作介紹。 二差壓式流量傳感器二差壓式流量傳感器 差壓式流量傳感器又稱節(jié)流式流量傳感器, 它是利用管路內(nèi)的節(jié)流裝置, 將管道中流體的瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流裝置前后的壓力差。差壓式流量傳感器主要有節(jié)流裝置和差壓計(jì)（或差壓變送器）組成, 如圖 11 - 33所示, 節(jié)流裝置的作用是把被測(cè)流體的流量轉(zhuǎn)換成壓差信號(hào), 差壓計(jì)則對(duì)壓差進(jìn)行測(cè)量并顯示測(cè)量值, 差壓變送器能把差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為與流量對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)或氣信號(hào), 以供顯示、記錄或控制。 差壓式流量傳感器發(fā)展較早, 技術(shù)成熟而較完善, 而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 對(duì)流體的種類、 溫度、 壓力限制較少,

52、因而應(yīng)用廣泛。 1節(jié)流裝置節(jié)流裝置 節(jié)流裝置是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測(cè)元件, 是安裝在流體流動(dòng)的管道中的阻力元件。常用的節(jié)流元件有孔板、 噴嘴、文丘里管。它們的結(jié)構(gòu)型式、相對(duì)尺寸、技術(shù)要求、 管道條件和安裝要求等均已標(biāo)準(zhǔn)化, 故又稱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件, 如圖 11 - 34所示。 其中孔板是最簡(jiǎn)單又最為典型, 加工制造方便, 在工業(yè)生產(chǎn)過程中常采用孔板。 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按照規(guī)定的技術(shù)要求和試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、加工、安裝, 無(wú)需檢測(cè)和標(biāo)定, 可以直接投產(chǎn)使用, 并可保證流量測(cè)量的精度。 2 測(cè)量原理與流量方程式測(cè)量原理與流量方程式 （1）測(cè)量原理 在管道中流動(dòng)的流體, 具有動(dòng)壓能和靜壓能, 在一定條件下

53、這兩種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換, 但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。 用節(jié)流元件測(cè)量流量時(shí), 流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差p(p=p1-p2), 且流過的流量越大, 節(jié)流裝置前后的壓差也越大, 流量與壓差之間存在一定關(guān)系, 這就是差壓式流量傳感器測(cè)量原理。 圖 11 - 35為節(jié)流件前后流速和壓力分布情況, 圖中充分地反映了能量形式的轉(zhuǎn)換。由于流動(dòng)是穩(wěn)定不變的, 即流體在同一時(shí)間內(nèi)通過管道截面A和節(jié)流件開孔截面A0的流體量應(yīng)相同, 這樣通過截面A0的流速必然比通過截面A時(shí)快。 （2）流量方程式 假設(shè)節(jié)流件上游入口前的流速為V1, 密度為1, 靜壓為p1, 流過節(jié)流件時(shí)的流速、密度和靜壓分別為V2、 2

54、和p2, 對(duì)于不可壓縮理想流體, 能量方程為: 222221vv流體的連續(xù)方程為: AV1=A0V2 （ 11 - 31）聯(lián)立求解得到流量與壓差之間的流量方程式為: 體積流量 20aAqv質(zhì)量流量paAqm20 式中為流量系數(shù)。 它與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式, 取壓方式, 節(jié)流裝置開孔直徑和管道的直徑比以及流體流動(dòng)狀態(tài)（雷諾數(shù)）等有關(guān)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置, 值可直接從有關(guān)手冊(cè)中查出。 對(duì)于可壓縮流體, 例如各種氣體及蒸汽, 通過節(jié)流元件時(shí), 由于壓力變化必然會(huì)引起密度的改變, 這時(shí)在公式中應(yīng)引入流束膨脹系數(shù), 公式應(yīng)變?yōu)? 102Aaqv102Aaqm 3配標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的差壓計(jì)配標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的差壓計(jì)

55、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置輸出的差壓信號(hào)由壓力信號(hào)管路輸送到差壓計(jì)或差壓變送器。由流量基本方程式可以看出, 被測(cè)流量與壓差p成平方根關(guān)系, 對(duì)于直接配用差壓計(jì)顯示流量時(shí), 流量標(biāo)尺是非線性的, 為了得到線性刻度, 可加開方運(yùn)算電路。 差壓流量變送器應(yīng)帶有開方運(yùn)算, 使變送器輸出電流與流量成線性關(guān)系, 這將在變送器內(nèi)容里作介紹。 三電磁流量傳感器三電磁流量傳感器 電磁流量傳感器是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電性液體的流量。 如圖 11 - 36所示, 在磁場(chǎng)中安置一段不導(dǎo)磁、 不導(dǎo)電的管道, 管道外面安裝一對(duì)磁級(jí),當(dāng)有一定電導(dǎo)率的流體在管道中流動(dòng)時(shí)就切割磁力線。與金屬導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一樣, 在導(dǎo)體（流動(dòng)介質(zhì)

56、）的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), 由設(shè)置在管道上的電極導(dǎo)出。該感應(yīng)電勢(shì)大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、 管徑大小、 流體流速大小有關(guān)。 即vBDdtdE式中B-為磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）; D-為管道內(nèi)徑, 相當(dāng)于垂直切割磁力線的導(dǎo)體長(zhǎng)度, m; V-為導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度, 即流體的流速, m/s; E-為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì), v。 體積流量qv預(yù)留量流速v關(guān)系為 vDqv241將式（ 11 - 37）代入式（ 11 - 36）可得: vvkqqDBE4DBk4式中K為儀表常數(shù), 磁感應(yīng)強(qiáng)度B及管道內(nèi)徑D固定不變, 則K為常數(shù), 兩電極間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與流量qV成線性關(guān)系, 便可通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E來(lái)間接測(cè)量被測(cè)流體的流量qV值。

57、 電磁流量傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是很微小的, 須通過電磁流量轉(zhuǎn)換器來(lái)顯示流量。常用的電磁流量轉(zhuǎn)換器能把傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流（010 mA或420 mA）信號(hào)或一定頻率的脈沖信號(hào), 配合單元組合儀表或計(jì)算機(jī)對(duì)流量進(jìn)行顯示、記錄、運(yùn)算、報(bào)警和控制等。 磁流量傳感器只能測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的流體流量。適用于測(cè)量各種腐蝕性酸、堿、鹽溶液, 固體顆粒懸浮物, 粘性介質(zhì)（如泥漿、紙漿、化學(xué)纖維、礦漿）等溶液; 也可用于各種有衛(wèi)生要求的醫(yī)藥、食品等部門的流量測(cè)量（如血漿、牛奶、 果汁、鹵水、酒類等）, 還可用于大型管道自來(lái)水和污水處理廠流量測(cè)量以及脈動(dòng)流量測(cè)量等。 四渦輪流量傳感器四渦

58、輪流量傳感器 渦輪流量傳感器類似于葉輪式水表, 是一種速度式流量傳感器。 圖 11 - 37為渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是在管道中安裝一個(gè)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪, 流體流過葉輪使葉輪旋轉(zhuǎn), 流量越大, 流速越高, 則動(dòng)能越大, 葉輪轉(zhuǎn)速也越高。測(cè)量出葉輪的轉(zhuǎn)速或頻率, 就可確定流過管道的流體流量和總量。 圖 11 - 37 渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖渦輪由高導(dǎo)磁的不銹鋼制成, 線圈3和永久磁鋼5組成磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器。測(cè)量時(shí), 當(dāng)流體通過渦輪葉片與管道間的間隙時(shí), 流體對(duì)葉片前后產(chǎn)生壓差推動(dòng)葉片, 使渦輪旋轉(zhuǎn), 在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí), 高導(dǎo)磁性的渦輪葉片周期性地改變磁電系統(tǒng)的磁阻值, 使通過線圈的磁通量發(fā)

59、生周期性的變化, 因而在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì), 該電勢(shì)經(jīng)過放大和整形, 便可得到足以可測(cè)出頻率的方波脈沖, 如將脈沖送入計(jì)數(shù)器就可求得累積總量。 在渦輪葉片的平均半徑rc處取斷面, 并將圓周展開成直線, 便可畫出圖 11 - 38。 設(shè)流體速度V平行于軸向, 葉片的切線速度u垂直于v, 若葉片的傾斜角為, 便可寫出 u= rc=v tan或 （ 11 - 39）式中n-為渦輪的轉(zhuǎn)速; -為渦輪的角速度。 葉片縫隙間的有效流通面積為A, 則瞬時(shí)體積流量為 （ 11 - 40）anrawrvcctan2tanAanrvAqcvtan2 如渦輪上葉片總數(shù)為Z, 則線圈輸出脈沖頻率f就是60nZ HZ

60、, 代入式（ 11 - 39）可得 （ 11 - 41） 式中-為儀表常數(shù), 。 渦輪流量傳感器具有安裝方便、精度高（可達(dá)0.1級(jí)）、 反應(yīng)快、刻度線性及量程寬等特點(diǎn), 信號(hào)易遠(yuǎn)傳, 且便于數(shù)字顯示, 可直接與計(jì)算機(jī)配合進(jìn)行流量積算和控制。它廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等工業(yè), 氣象儀器和水文儀器中也常用渦輪測(cè)風(fēng)速和水速。 1tan30fazArqcv11.4 物位測(cè)量物位測(cè)量 一物位概述一物位概述 物位是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、 兩種不溶液體介質(zhì)的分界面的高低和固體粉末狀顆粒物料的堆積高度等的總稱。根據(jù)具體用途分為液位、料位、界位傳感器。 工業(yè)上通過物位測(cè)量能正確獲取各種容器和設(shè)備