建筑環(huán)境測(cè)量第4章課件

1、1 第四章 流體參數(shù)的測(cè)量 24.1壓力與壓差的測(cè)量4.2流速和流量的測(cè)量4.3液位的測(cè)量 主要內(nèi)容34.1 壓力與壓差的測(cè)量 一、概述 這里的壓力即物理學(xué)中的壓強(qiáng),壓力是反映物質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要工藝參數(shù)之一。 1、壓力的概念及單位 壓力是垂直作用在單位面積上的力。它的大小由兩個(gè)因素決定，即受力面積和垂直作用力的大小。其表達(dá)式為 (4-1)P壓力（Pa）F作用力（N） S作用面積（m2） 4國(guó)際單位制(SI)中定義1N的力垂直而均勻地作用在1m2面積上所形成的壓力為一個(gè)帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)為Pa。目前，工程技術(shù)界廣泛使用的壓力單位主要有工程大氣壓、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱、

2、毫米水柱等。工程大氣壓 即1kg力垂直而均勻地作用在1cm2面積上所產(chǎn)生的壓力，用千克力平方厘米表示，常記作千克力平方厘米,kgfcm2,符號(hào)為 at。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 是指在緯度為45的海平面上，溫度為0時(shí)的平均大氣壓力。1atm=101325Pa，符號(hào)為 atm。毫米汞柱 即在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度下，溫度為0時(shí)1mm高的水銀柱所產(chǎn)生的壓力，符號(hào)為mmHg mmHg。毫米水柱 即在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度下，溫度為4時(shí)1mm高的水柱所產(chǎn)生的壓力，符號(hào)為mmH2O。54.1 壓力與壓差的測(cè)量 常用的幾種壓力單位與帕之間的換算關(guān)系為：1kgfcm2 = 9.807104Pa1atm= 1.013105Pa1mmHg=

3、 1.332102Pa1mmH2O= 9.807Pa1MPa= 106Pa 6地面上的一切物體無(wú)不處在環(huán)境大氣壓力的作用下，只有絕對(duì)真空狀態(tài)才能使F真正等于0，以絕對(duì)真空為計(jì)值零點(diǎn)的壓力稱為絕對(duì)壓力。設(shè)計(jì)容器或管道的耐壓強(qiáng)度時(shí)，主要根據(jù)內(nèi)部流體壓力和外界環(huán)境大氣壓力之差而定，一般的壓力表監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程，也只檢測(cè)容器或設(shè)備內(nèi)外壓力之差，這個(gè)壓力差是相對(duì)值，是以環(huán)境大氣壓力為計(jì)值零點(diǎn)所得的壓力值，稱為相對(duì)壓力。各種普通壓力表的指示值都是相對(duì)壓力，所以相對(duì)壓力也稱為表壓力，簡(jiǎn)稱表壓。環(huán)境大氣壓力完全由當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)乜諝庵闹亓λa(chǎn)生，與海拔高度和氣象條件有關(guān)，可以用專門(mén)的大氣壓力表測(cè)得，它的數(shù)值是以絕對(duì)真空

4、為計(jì)值零點(diǎn)得到的。因此，是絕對(duì)壓力。如果容器或管道里的流體壓力比外界環(huán)境大氣壓力低，表壓就為負(fù)值，這種情況下的表壓稱為真空度，亦即接近真空的程度。 72、壓力測(cè)量方法 平衡法 按照壓力的定義，通過(guò)直接測(cè)量單位面積所承受的垂直方向上的力的大小來(lái)檢測(cè)壓力。 如液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)。彈性法 彈性元件感受壓力后會(huì)產(chǎn)生彈性變形,形成彈性力,當(dāng)彈性力與被測(cè)壓力相平衡時(shí),彈性元件變形的大小反映了被測(cè)壓力的大小。物理性質(zhì)法 一些物質(zhì)受壓后,它的某些物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量這種變化就能測(cè)量出壓力.據(jù)此原理制造出的各種壓力傳感器往往具有精度高、體積小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn),成為近年來(lái)壓力測(cè)量的一個(gè)主要發(fā)展方

5、向.其中,半導(dǎo)體壓阻式傳感器和壓電式傳感器發(fā)展得更為迅速。8二、平衡式壓力計(jì) 液柱式壓力計(jì) 彈性式壓力計(jì) 電氣式壓力計(jì) 壓力儀表的選用與校正 9液柱式壓力計(jì)測(cè)壓原理 液柱式壓力計(jì)是利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測(cè)壓力平衡，并根據(jù)液柱高度來(lái)確定被測(cè)壓力大小的壓力計(jì)。所用液體叫做封液，常用的封液有水、酒精、水銀等。常用的液柱式壓力計(jì)有U型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)和斜管微壓計(jì)。它們的結(jié)構(gòu)形式如圖所示 。U型管壓力計(jì)兩側(cè)壓力p1、p2與封液液柱高度之間h有如下關(guān)系 ：液柱式壓力計(jì)10當(dāng)1=2時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：若1=2 ，且12 ，則有： 單管壓力計(jì)兩側(cè)壓力p1、p2 與封液液柱高度h2之間的關(guān)系為： 若F1F2

6、 ，且1 ， 則：斜管微壓計(jì)兩側(cè)壓力p1、p2和液柱長(zhǎng)度L的關(guān)系可表示為液柱式壓力計(jì)11(a) (b) (c)液柱式壓力計(jì)(a) U型管壓力計(jì)；(b) 單管壓力計(jì)；(c) 斜管微壓計(jì) 液柱式壓力計(jì)12液柱式壓力計(jì)的測(cè)量誤差及其修正 環(huán)境溫度變化的影響 當(dāng)環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度時(shí)，封液密度、標(biāo)尺長(zhǎng)度都會(huì)發(fā)生變化。由于封液的體膨脹系數(shù)比標(biāo)尺的線膨脹系數(shù)大12個(gè)數(shù)量級(jí)，因此對(duì)于一般的工業(yè)測(cè)量，主要考慮溫度變化引起的封液密度變化對(duì)壓力測(cè)量的影響，而精密測(cè)量時(shí)還需要對(duì)標(biāo)尺長(zhǎng)度變化的影響進(jìn)行修正。環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度（例如20）后，封液密度改變對(duì)壓力計(jì)讀數(shù)影響的修正公式為： 液柱式壓力計(jì)13 毛細(xì)管現(xiàn)象造成

7、的誤差 毛細(xì)管現(xiàn)象使封液表面形成彎月面，這不僅會(huì)引起讀數(shù)誤差，而且會(huì)引起液柱的升高或降低。這種誤差與封液的表面張力、管徑、管內(nèi)壁的潔凈度等因素有關(guān)，一般難以精確得到。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常通過(guò)加大管徑來(lái)減少毛細(xì)管現(xiàn)象的影響。一般要求：封液為酒精時(shí)管子內(nèi)徑d3mm，封液為水或水銀時(shí)d8mm。液柱式壓力計(jì)還存在刻度、讀數(shù)、安裝等方面的誤差。讀數(shù)時(shí)，眼睛應(yīng)與封液彎月面的最高點(diǎn)或最低點(diǎn)持平，并沿切線方向讀數(shù)。U型管壓力計(jì)和單管壓力計(jì)都要求垂直安裝，否則也將會(huì)帶來(lái)較大誤差。 液柱式壓力計(jì)14彈簧管壓力計(jì)膜片式壓力計(jì)與膜盒式壓力計(jì) 波紋管式壓差計(jì) 彈性壓力計(jì)的誤差及改善途徑 彈性式壓力計(jì)15彈簧管壓力計(jì)單圈彈

8、簧管壓力計(jì)，由彈簧管、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、指針、刻度盤(pán)等部分組成 彈簧管是彈簧管壓力計(jì)的主要元件。彎曲的彈簧管是一根空心管，其自由端封閉，固定端與儀表的外殼固定連接，并與管接頭相通。彈簧管的橫截面呈橢圓形或扁圓形。當(dāng)它的內(nèi)腔通入被測(cè)壓力后，在壓力作用下發(fā)生變形。由于短軸方向與彈簧管圓弧形的徑向一致，變形使自由端向管子伸直的方向移動(dòng)，產(chǎn)生管端位移量，通過(guò)拉桿帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使指針相對(duì)于刻度盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)變形引起的彈性力與被測(cè)壓力產(chǎn)生的作用力平衡時(shí)，變形停止，指針指示出被測(cè)壓力值。16(a)(b)(c) (d)彈簧管及其橫截面(a) 單圈彈簧管；(b) 盤(pán)旋多圈彈簧管；(c) S形彈簧管；(d) 螺旋多圈

9、彈簧管 單圈彈簧管壓力計(jì)1-彈簧管；2-固定端；3-接頭；4-拉桿；5-扇形齒輪；6-中心齒輪；7-指針；8-游絲 17單圈彈簧管自由端的位移量不能太大，一般不超過(guò)25mm。為了提高彈簧管的靈敏度，增加自由端的位移量，可采用S形彈簧管或螺旋形彈簧管。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是把自由端的線位移轉(zhuǎn)換成指針的角位移，使指針能明顯地指示出被測(cè)值。它上面還有可調(diào)螺釘，用以改變連桿和扇形齒輪的鉸合點(diǎn)，從而改變指針的指示范圍。轉(zhuǎn)動(dòng)軸處裝著一根游絲，用來(lái)消除齒輪嚙合處的間隙。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)阻力要盡可能小，以免影響儀器的精度。單圈彈簧管壓力表的精度，普通的是14級(jí)，精密的是0.10.5級(jí)。測(cè)量范圍0109Pa。為了保

10、證彈簧管壓力表的正確指示和能長(zhǎng)期使用，應(yīng)使儀表工作在正常允許的壓力范圍內(nèi)。對(duì)于波動(dòng)較大的壓力，儀表的示值應(yīng)經(jīng)常處于量程范圍的1/2附近；被測(cè)壓力波動(dòng)小，儀表示值可在量程范圍的2/3左右，但被測(cè)壓力值一般不應(yīng)低于量程范圍的1/3。另外，還要注意儀表的防振、防爆、防腐等問(wèn)題，并應(yīng)定期校驗(yàn)。18三、電氣式壓力計(jì)壓阻式壓力傳感器 電容式壓力傳感器 霍爾壓力變送器 19壓阻式壓力傳感器電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形，它的幾何尺寸和電阻率都會(huì)發(fā)生變化，從而引起電阻值變化。若電阻絲的長(zhǎng)度為l，截面積為A，電阻率為，電阻值為R，則有： ，設(shè)在外力作用下，電阻絲各參數(shù)的變化相應(yīng)為dl，dA，d ，dR，對(duì)上式求

11、微分并除以R，可得電阻的相對(duì)變化：對(duì)于金屬材料，電阻率的相對(duì)變化d / 較小。影響電阻相對(duì)變化的主要因素是幾何尺寸的相對(duì)變化dL/L和dA/A 。對(duì)半導(dǎo)體材料， dL/L和dA/A兩項(xiàng)的值很小， d / 為主要的影響因素。 20物質(zhì)受外力作用，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)測(cè)量壓力的傳感器叫壓阻式壓力傳感器。自然界中很多物質(zhì)都具有壓阻效應(yīng)，但以半導(dǎo)體晶體的壓阻效應(yīng)較明顯，常用的壓阻材料是硅和鍺。一般意義上說(shuō)的壓阻式壓力傳感器可分兩種類型一類是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式的應(yīng)變片，作為測(cè)量中的變換元件，與彈性敏感元件一起組成粘貼型壓阻式壓力傳感器，或叫應(yīng)變式壓力傳感器；另一類

12、是在單晶硅基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，此基片既是壓力敏感元件，又是變換元件，這類傳感器叫做擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器，通常也簡(jiǎn)稱作壓阻式壓力傳感器或固態(tài)壓力傳感器。21電容式壓力傳感器 電容器的電容量由它的兩個(gè)極板的大小、形狀、相對(duì)位置和電介質(zhì)的介電常數(shù)決定。 當(dāng)一個(gè)極板固定不動(dòng)，另一個(gè)極板感受壓力，并隨著壓力的變化而改變極板間的相對(duì)位置，電容量的變化就反映了被測(cè)壓力的變化。這是電容式壓力傳感器的工作原理。平板電容器的電容量為： 若電容的動(dòng)極板感受壓力產(chǎn)生位移d，則電容量將隨之改變，其變化量為:當(dāng).A確定之后,可以通過(guò)測(cè)量電容量的變化得到動(dòng)極板的位移量,進(jìn)而求得被測(cè)壓力的變化。電容式壓力傳感

13、器的工作原理正是基于上述關(guān)系。當(dāng)d/d1時(shí),電容量的變化量與位移增量成近似的線性關(guān)系: 22為了保證電容式壓力傳感器近似線性的工作特性,測(cè)量時(shí)必須限制動(dòng)極板的位移量。為了提高傳感器的靈敏度和改善其輸出的非線性,實(shí)際應(yīng)用的電容式壓力傳感器常采用差動(dòng)的形式,即使感壓動(dòng)極板處于兩個(gè)靜極板之間,當(dāng)壓力改變時(shí),一個(gè)電容的電容量增加,另一個(gè)的電容量減少,靈敏度可提高一倍,而非線性也可大為降低。電容式壓力壓差傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需輸入能量小、沒(méi)有摩擦、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、過(guò)載能力強(qiáng)、自熱影響極小、能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了廣泛重視。影響其測(cè)量精度的主要因素是線路寄生電容、電纜電容和溫度、濕度

14、等外界干擾。這正是過(guò)去長(zhǎng)時(shí)間限制了它的應(yīng)用的主要原因。集成電路技術(shù)的發(fā)展和新材料新工藝的進(jìn)步，已使上述因素對(duì)測(cè)量精度的影響大大減少，為電容式壓力傳感器的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。電容式壓力傳感器 23霍爾壓力變送器 霍爾壓力變送器是利用霍爾效應(yīng)，把壓力作用下所產(chǎn)生的彈性元件的位移信號(hào)轉(zhuǎn)變成電勢(shì)信號(hào)，通過(guò)測(cè)量電勢(shì)來(lái)得到壓力。如圖所示，把半導(dǎo)體單晶薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)在晶片的橫向上通以一定大小的電流I時(shí)，在晶片的縱向的兩個(gè)端面上將出現(xiàn)電勢(shì)VH，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，這個(gè)半導(dǎo)體薄片稱霍爾片。 24霍爾效應(yīng) 霍爾壓力變送器 25霍爾壓力變送器當(dāng)霍爾片中流過(guò)電流I時(shí)，電子受磁場(chǎng)力的作用發(fā)

15、生偏轉(zhuǎn)，在霍爾片縱向的一個(gè)端面上造成電子積累而形成負(fù)電性，而在另一端面上因缺少電子呈正電性，于是在霍爾片縱向出現(xiàn)了電場(chǎng)，電場(chǎng)力阻止電子的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)磁場(chǎng)力與電場(chǎng)力相平衡時(shí)，電子積累達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)就建立了穩(wěn)定的霍爾電勢(shì)VH 。 KH霍爾元件靈敏度，由霍爾片材料、結(jié)構(gòu)尺寸決定的常數(shù) 霍爾電勢(shì)VH與B、I成正比，改變B、I可改變VH ?；魻栯妱?shì)一般為幾十毫伏數(shù)量級(jí)。26霍爾壓力變送器霍爾壓力變送器1-管接頭；2-基座；3-膜盒；4-推桿；5-杠桿；6-霍爾元件；7-磁鐵 27霍爾壓力變送器霍爾片直接與彈性元件的位移輸出端相聯(lián)系，彈性元件是一個(gè)膜盒，當(dāng)被測(cè)壓力發(fā)生變化時(shí)，膜盒頂端推桿將產(chǎn)生位移，推動(dòng)

16、帶有霍爾片的杠桿，霍爾片在由四個(gè)磁極構(gòu)成的線性不均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，使作用在霍爾元件上的磁場(chǎng)變化。同時(shí)，輸出的霍爾電勢(shì)也隨之變化。當(dāng)霍爾片處于兩對(duì)磁極中間對(duì)稱位置時(shí)，霍爾片總的輸出電勢(shì)等于0。當(dāng)在壓力的作用下使霍爾片偏離中心平衡位置時(shí)，霍爾元件的輸出電勢(shì)隨位移(壓力)的變化呈線性變化。由圖可見(jiàn)，被測(cè)壓力等于0時(shí)，霍爾片處于中心平衡位置。當(dāng)輸入壓力是正壓時(shí)，霍爾片向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)輸入壓力是負(fù)壓時(shí)，霍爾片向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)輸出的霍爾電勢(shì)正負(fù)也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。 28四、壓力儀表的選用與校正 壓力表的選擇 壓力表的安裝 壓力表的校驗(yàn) 291、壓力表的選擇選擇壓力表應(yīng)根據(jù)被測(cè)壓力的種類(壓力、負(fù)壓或壓差)、被測(cè)介

17、質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)和用途(標(biāo)準(zhǔn)、指示、記錄和遠(yuǎn)傳等)以及生產(chǎn)過(guò)程所提出的技術(shù)要求，同時(shí)應(yīng)本著既滿足測(cè)量準(zhǔn)確度又經(jīng)濟(jì)的原則，合理地選擇壓力表的型號(hào)、量程和精度等級(jí)。 目前我國(guó)規(guī)定的精度等級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)儀表有0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.35級(jí)；工業(yè)儀表有0.5，1.0，1.5，2.5，4.0級(jí)等。選用時(shí)應(yīng)按被測(cè)參數(shù)的測(cè)量誤差要求和量程范圍來(lái)確定。 301、壓力表的選擇為了保護(hù)壓力表,一般在被測(cè)壓力較穩(wěn)定的情況下,其最高壓力值不應(yīng)超過(guò)儀表量程的23;為了保證實(shí)際測(cè)量的精度,被測(cè)壓力最小值不應(yīng)低于儀表量程的l3。對(duì)某些特殊的介質(zhì),如氧氣、氨氣等則有專用的壓力表。在測(cè)量一般介質(zhì),壓力在

18、4.0104Pa04.0104Pa時(shí)，宜選用膜盒式壓力表；壓力在40kPa以上時(shí)，宜選用彈簧管壓力表或波紋管壓力表；壓力在-1.013105Pa02.4106Pa時(shí)，宜選用真空壓力表；壓力在-1.013105Pa0Pa時(shí)，選用彈簧管真空表 312、壓力表的安裝 彈性式壓力計(jì)、壓差計(jì)在安裝時(shí)必須滿足以下要求：取壓管口應(yīng)與工質(zhì)流速方向垂直,與設(shè)備內(nèi)壁平齊,不應(yīng)有凸出物和毛刺。測(cè)點(diǎn)要選擇在其前后有足夠長(zhǎng)的直管段的地方,以保證儀表所測(cè)得的是介質(zhì)的靜壓力。防止儀表傳感器與高溫或有害的被測(cè)介質(zhì)直接接觸。測(cè)量高溫蒸汽壓力時(shí)，應(yīng)加裝冷凝盤(pán)管；測(cè)量含塵氣體壓力時(shí)，應(yīng)裝設(shè)灰塵捕集器；對(duì)于有腐蝕性的介質(zhì)，應(yīng)加裝充有

19、中性介質(zhì)的隔離容器；測(cè)量溫度高于60的介質(zhì)時(shí)，一般加環(huán)形圈(又稱冷凝圈)。 32彈性式壓力計(jì)、壓差計(jì)安裝圖(a) 低壓測(cè)壓管路布置：1-管道;2-取壓管;3-三通截?cái)嚅y;4-法蘭接口;5-壓力計(jì)(b) 中壓測(cè)壓管路布置：1-壓力計(jì)；2-管道；3-螺旋管；4-三通截?cái)嚅y(c) 高壓測(cè)壓管路布置：1-壓力計(jì)；2-三通截?cái)嚅y；3-螺旋管；4-截止閥 332、壓力表的安裝取壓口的位置.測(cè)量氣體介質(zhì)時(shí)，一般位于工藝管道上部；測(cè)量蒸汽時(shí)，則應(yīng)位于工藝管道的兩側(cè)偏上的位置，這樣既可以保持測(cè)量管路內(nèi)有穩(wěn)定的冷凝液，同時(shí)又可以防止工藝管道底部的固體介質(zhì)進(jìn)入測(cè)量管路和儀表；測(cè)量液體時(shí)，應(yīng)位于工藝管道的下部，以使液

20、體內(nèi)析出的少量氣體順利地返回工藝管道，而不進(jìn)入測(cè)量管和儀表。取壓口與壓力表之間應(yīng)加裝隔離閥,以備檢修壓力表用。水平敷設(shè)的壓力信號(hào)導(dǎo)管應(yīng)有3的坡度，以便排除導(dǎo)管內(nèi)的積水(當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為氣體時(shí))或積汽(當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為水時(shí))。信號(hào)導(dǎo)管內(nèi)徑一般為6mm10mm，長(zhǎng)度則一般不超過(guò)50m，這樣可以減少測(cè)量滯后的影響。343、壓力表的校驗(yàn) 常用校驗(yàn)壓力表的標(biāo)準(zhǔn)儀器為活塞式壓力計(jì)，如圖所示。它的精度等級(jí)有0.02級(jí)、0.05級(jí)和0.2級(jí)，可用來(lái)校準(zhǔn)0.25級(jí)精密壓力表，亦可校準(zhǔn)各種工業(yè)用壓力表，被校壓力的最高值有0.6MPa、6MPa、60MPa三種。 35活塞式壓力計(jì)是利用靜力平衡原理工作的，它由壓力發(fā)生系統(tǒng)(

21、壓力泵)和測(cè)量活塞兩部分組成。通過(guò)手搖泵10， 使系統(tǒng)升壓，從而改變工作液的壓力。此壓力通過(guò)油缸4內(nèi)的工作液作用在活塞5上。在活塞5上面的托盤(pán)7上放有砝碼6。當(dāng)活塞5下端面受到壓力作用所產(chǎn)生的向上頂?shù)牧εc活塞5、托盤(pán)7及砝碼6的總重力相平衡時(shí)，則活塞5被穩(wěn)定在某一平衡位置上，此時(shí)力的平衡關(guān)系為： 得到 當(dāng)活塞5底面的有效面積A一定時(shí)，由上式可以方便而準(zhǔn)確地由平衡時(shí)所加砝碼的重量求出被測(cè)壓力值P。 3、壓力表的校驗(yàn)363、壓力表的校驗(yàn)校驗(yàn)步驟為在測(cè)量范圍內(nèi)均勻選取34個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，一般應(yīng)選在顯示儀表刻度明顯的整數(shù)點(diǎn)上。均勻增壓至刻度上限，保持上限壓力3分鐘，然后均勻降至零壓，主要觀察指示有無(wú)跳動(dòng)、停

22、止或卡塞現(xiàn)象。單方向增壓至校驗(yàn)點(diǎn)后讀數(shù)，輕敲表殼后再讀數(shù).用同樣的方法增壓至每一校驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)。然后再單方向緩慢降壓至每一校驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)。計(jì)算出被校表的基本誤差、變差、零位和輕敲位移等。37活塞式壓力計(jì)1-油杯；2-針閥；3-進(jìn)油閥；4-油缸；5-活塞；6-砝碼；7-托盤(pán)；8-接口；9-導(dǎo)管；10-手搖泵；11-調(diào)平螺釘；12-架體 384.2 流速和流量的測(cè)量 流速和流量測(cè)量的基本概念 測(cè)量流速常用的儀表及方法 測(cè)量流量常用的儀表及方法 39一、流速和流量測(cè)量的基本概念 1、氣流速度測(cè)量氣流速度是建筑環(huán)境與設(shè)備工程中流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)之一。流速對(duì)建筑環(huán)境與設(shè)備工程的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有

23、重要意義。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種測(cè)量氣流速度的方法也越來(lái)越多，目前常用方法有畢托管測(cè)速、熱電風(fēng)速儀測(cè)速、激光多普勒流速儀測(cè)速等。40畢托管測(cè)速是利用了氣流的速度和壓力的關(guān)系，對(duì)上圖所示的畢托管，根據(jù)不可壓縮氣體穩(wěn)定流動(dòng)的伯努利方程，流體參數(shù)在同一流線上有如下關(guān)系：可見(jiàn)，只要測(cè)出總壓和靜壓，或者總壓和靜壓的壓力差，便可求出流速?？紤]實(shí)際測(cè)量條件與理想狀態(tài)的不同，必須根據(jù)畢托管的結(jié)構(gòu)特征和幾何尺寸等因素，按下式進(jìn)行速度校正：實(shí)際工程中，采用上式計(jì)算流速一般可滿足要求. KP畢托管速度校正系數(shù)。對(duì)于S型畢托管， KP=0.83-0.87;對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)畢托管KP=0.96左右。412、流量測(cè)量 在工

24、業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，流體在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一定管道截面的流體數(shù)量，稱作流量。有瞬時(shí)流量和累積流量之分。所謂瞬時(shí)流量，是指在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道或明渠某一截面的流體的量。它的單位根據(jù)不同的流量測(cè)量原理和實(shí)際需要，有下列三種表示方法。質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)的流體的質(zhì)量，用M表示，單位為kgs。重量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)的流體的重量，用W表示，單位為Ns。體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)的流體的體積，用Q表示，單位為m3s。 422、流量測(cè)量所謂累積流量，是指在某一時(shí)間間隔內(nèi)，流體通過(guò)的總量。該總量可以用該段時(shí)間間隔內(nèi)的瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間的積分而得到，所以也叫積分流量。流量測(cè)量可以直接為生產(chǎn)提供所消耗的能源數(shù)量，以便于

25、經(jīng)濟(jì)核算，也可以將流量信號(hào)作為控制信號(hào)，例如利用蒸汽鍋爐的蒸汽信號(hào)控制鍋爐給水以維持汽包水位穩(wěn)定等。還可以通過(guò)測(cè)量水或蒸汽的流量作為收費(fèi)依據(jù)，以完善和加強(qiáng)企業(yè)的管理。 43工業(yè)上常用的流量計(jì)，按其測(cè)量原理分為以下四類:差壓式流量計(jì) 主要利用管內(nèi)流體通過(guò)節(jié)流裝置時(shí),其流量與節(jié)流裝置前后的壓差有一定的關(guān)系。如標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置等。速度式流量計(jì) 主要利用管內(nèi)流體的速度來(lái)推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)速和流體的流速成正比。如葉輪式水表和渦輪流量計(jì)等。容積式流量計(jì) 主要利用流體連續(xù)通過(guò)一定容積后進(jìn)行流量累計(jì)的原理。如橢圓齒輪流量計(jì)和腰輪流量計(jì)。其它類型流量計(jì) 如基于電磁感應(yīng)原理的電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)等 44二、測(cè)量

26、流速常用的儀表及方法 畢托管測(cè)量流速熱線風(fēng)速儀451、畢托管測(cè)量流速畢托管是傳統(tǒng)的測(cè)量流速的傳感器，與差壓儀表配合使用，可以測(cè)量被測(cè)流體的壓力和差壓，間接測(cè)量被測(cè)流體的流速。用畢托管測(cè)量流體的流速分布以及流體的平均流速是十分方便的。另外，如果被測(cè)流體及其截面是確定的，還可以利用畢托管測(cè)量流體的體積流量或質(zhì)量流量。畢托管至今仍是被廣泛應(yīng)用的流速測(cè)量?jī)x表。畢托管有多種形式，其結(jié)構(gòu)各不相同。 461、畢托管測(cè)量流速圖是一種基本型畢托管（動(dòng)壓測(cè)量管）的結(jié)構(gòu)圖。它是一個(gè)彎成90的同心管，主要由感測(cè)頭、管身及總壓和動(dòng)壓引出管組成。感測(cè)頭端部呈橢圓形，總壓孔位于感測(cè)頭端部，與內(nèi)管連通，用來(lái)測(cè)量總壓。在外管表

27、面靠近感測(cè)頭端部的適當(dāng)位置上有一圈小孔，稱為靜壓孔，是用來(lái)測(cè)量靜壓的。標(biāo)準(zhǔn)畢托管一般為這種結(jié)構(gòu)型式。標(biāo)準(zhǔn)畢托管測(cè)量精度較高，使用時(shí)不需要再校正，但是由于這種結(jié)構(gòu)型式的靜壓孔很小，在測(cè)量含塵濃度較高的空氣流速時(shí)容易被堵塞，因此，標(biāo)準(zhǔn)畢托管主要用于測(cè)量清潔空氣的流速，或?qū)ζ渌Y(jié)構(gòu)型式的畢托管及其它流速儀表進(jìn)行標(biāo)定。 47基本型畢托管結(jié)構(gòu)圖 測(cè)高含塵氣流畢托管S型畢托管；(b) 直型畢托管 481、畢托管測(cè)量流速S型畢托管和直型畢托管也是常用的畢托管，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它們分別由兩根相同的金屬管組成，感測(cè)頭端部作成方向相反的兩個(gè)開(kāi)口。測(cè)定時(shí)，一個(gè)開(kāi)口面向氣流，用來(lái)測(cè)量總壓，另一個(gè)開(kāi)口背對(duì)氣流，用來(lái)測(cè)量

28、靜壓。S型畢托管和直型畢托管可用于測(cè)量含塵濃度較高的氣體流速。由于標(biāo)準(zhǔn)畢托管有一個(gè)90的彎角，測(cè)定厚壁風(fēng)道的空氣流速時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)畢托管很不方便，因而可以使用S型畢托管或直型畢托管。 491、畢托管測(cè)量流速用標(biāo)準(zhǔn)畢托管、S型畢托管、直型畢托管測(cè)風(fēng)速，往往需要測(cè)出多點(diǎn)風(fēng)速而得到平均風(fēng)速，可見(jiàn)是很不方便的。如果使用如下圖所示的動(dòng)壓平均管測(cè)量平均風(fēng)速則十分方便。這種測(cè)量平均風(fēng)速的思路是把風(fēng)道截面分成若干個(gè)面積相等的部分，選取合適的測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)出各個(gè)小面積的總壓力值，然后取若干個(gè)小面積的總壓力平均值作為整個(gè)測(cè)量截面上的平均總壓力。動(dòng)壓平均管是在取壓管中間插入一根取總壓力平均值的導(dǎo)管，在取壓管適當(dāng)?shù)奈恢蒙祥_(kāi)

29、若干個(gè)總壓孔，總壓孔朝著氣流方向，取壓管中測(cè)量總壓力的導(dǎo)管取壓孔開(kāi)在管道軸線位置，并朝著氣流方向。靜壓導(dǎo)管安裝在總壓取壓管(笛形管)下游側(cè)，并靠近總壓取壓管，靜壓導(dǎo)管取壓口背向氣流方向。有的靜壓取壓孔開(kāi)在笛形管上游1D(管道內(nèi)徑)處管壁上(圖4-14)。利用動(dòng)壓平均管測(cè)出被測(cè)流體的總壓力與靜壓力之差，便可得到流體的平均速度。50笛型動(dòng)壓平均管 511、畢托管測(cè)量流速 使用畢托管測(cè)流體速度應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：當(dāng)流速較低時(shí)，動(dòng)壓很小，使用二次儀表很難準(zhǔn)確地指示此動(dòng)壓值，因此對(duì)使用畢托管測(cè)量流速的下限有規(guī)定：要求畢托管總壓力孔直徑上的流體雷諾數(shù)大于200。S型畢托管由于測(cè)端開(kāi)口較大，在測(cè)量低流速時(shí)，受渦

30、流和氣流不均勻性的影響，靈敏度下降，因此一般不宜測(cè)量小于3ms的流速。在測(cè)量時(shí)，如果管道截面較小，由于相對(duì)粗糙度(KD)的增大和插入畢托管的擾動(dòng)的相對(duì)增大，使測(cè)量誤差增大，因此，一般規(guī)定畢托管直徑與被測(cè)管道直徑(內(nèi)徑)之比不超過(guò) 0.02。管道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度K與管道直徑(內(nèi)徑)D之比,即相對(duì)粗糙度KD不大于0.01。管道內(nèi)徑一般應(yīng)大于100mm。521、畢托管測(cè)量流速S型畢托管(或其他畢托管)在使用前必須用標(biāo)準(zhǔn)畢托管進(jìn)行校正，求出它的校正系數(shù)。校正方法是在風(fēng)洞中以不同的速度分別用標(biāo)準(zhǔn)畢托管和被校畢托管進(jìn)行對(duì)比測(cè)定，兩者測(cè)得的速度值之比，稱為被校畢托管的校正系數(shù)。使用時(shí)應(yīng)使總壓孔正對(duì)著流體的流動(dòng)

31、方向，并使其軸線與流體流速方向一致，否則會(huì)引起測(cè)量誤差。532、熱線風(fēng)速儀 熱線風(fēng)速儀分恒電流式和恒溫度式兩種。把一個(gè)通有電流的帶熱體置入被測(cè)氣流中，其散熱量與氣流速度有關(guān)，流速越大，對(duì)流換熱系數(shù)越大，帶熱體單位時(shí)間內(nèi)的散熱量就越多。若通過(guò)帶熱體的電流恒定，則帶熱體所帶的熱量一定。帶熱體溫度隨其周?chē)鷼饬魉俣鹊奶岣叨档?，根?jù)帶熱體的溫度測(cè)量氣流速度，這就是目前普遍使用的恒電流式熱線風(fēng)速儀的工作原理。若保持帶電體溫度恒定，通過(guò)帶熱體的電流勢(shì)必隨其周?chē)鷼饬魉俣鹊脑龃蠖龃?，根?jù)通過(guò)帶熱體的電流測(cè)風(fēng)速，這就是恒溫度式熱線風(fēng)速儀的工作原理。54熱線風(fēng)速儀工作原理圖(a) 恒流式熱線風(fēng)速儀分；(b) 恒

32、溫式熱線風(fēng)速儀 552、熱線風(fēng)速儀圖(a)恒電流式熱線風(fēng)速儀測(cè)量電路中，當(dāng)熱線感受的流速為零時(shí)，測(cè)量電橋處于平衡狀態(tài)，即檢流計(jì)指向零點(diǎn)，此時(shí)，電流表的讀數(shù)為I0。當(dāng)熱線被放置到流場(chǎng)中后，由于熱線與流體之間的熱交換，熱線的溫度下降，相應(yīng)的阻值RW也隨之減小，致使電橋失去平衡，檢流計(jì)偏離零點(diǎn)。當(dāng)檢流計(jì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，調(diào)節(jié)與熱線串聯(lián)于同一橋臂上的可變電阻Ra，直至其增大量等于RW的減小量時(shí)，電橋重新恢復(fù)平衡，檢流計(jì)回到零點(diǎn)，電流表也回到原來(lái)的讀數(shù)I0(即電流保持不變)。這樣，通過(guò)測(cè)量可變電阻Ra的改變量可以得到RW的數(shù)值，進(jìn)而確定被測(cè)流速。 562、熱線風(fēng)速儀圖(b)所示的恒溫度式熱線風(fēng)速儀測(cè)量電路

33、中，其工作方式與前述恒流式的不同之處在于，當(dāng)熱線因感受流速而出現(xiàn)溫度下降時(shí)，電阻減小，電橋失去平衡；調(diào)節(jié)可變電阻Ra，使Ra減小以增加電橋的供電電壓，增大電橋的工作電流，即加大熱線的加熱功率，促使熱線溫度回升，阻值RW增大，直至電橋重新恢復(fù)平衡，從而通過(guò)熱線電流的變化來(lái)確定風(fēng)速。 在上述兩種熱線風(fēng)速儀中，恒電流式熱線風(fēng)速儀是在變溫狀態(tài)下工作的，測(cè)頭容易老化，使性能不穩(wěn)定，且熱慣性影響測(cè)量靈敏度，產(chǎn)生相位滯后。因此，現(xiàn)在的熱線風(fēng)速儀大多采用恒溫度式 。572、熱線風(fēng)速儀工程中常采用的測(cè)速儀還有葉輪式機(jī)械風(fēng)速計(jì)，螺旋槳風(fēng)速計(jì)，光纖旋槳測(cè)速計(jì)及激光多普勒測(cè)速儀等。葉輪式風(fēng)速計(jì)利用支持在框架上的葉輪的

34、轉(zhuǎn)速測(cè)量風(fēng)速，測(cè)量時(shí)，將測(cè)量風(fēng)速的葉輪旋轉(zhuǎn)面與風(fēng)向保持垂直位置，根據(jù)指針讀得的轉(zhuǎn)數(shù)和計(jì)時(shí)器測(cè)得的時(shí)間算出風(fēng)速。螺旋槳風(fēng)速計(jì)測(cè)量時(shí)將螺旋槳對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，螺旋槳與交流發(fā)電機(jī)連接，當(dāng)風(fēng)使螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，交流發(fā)電機(jī)將與風(fēng)速成正比的螺旋槳轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用以指示風(fēng)速。與傳統(tǒng)的建筑環(huán)境與設(shè)備工程領(lǐng)域的測(cè)速管和熱線風(fēng)速儀相比，激光多普勒測(cè)速儀的工作原理是利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行流速測(cè)量，是一種非接觸測(cè)量技術(shù)，不干擾流場(chǎng)，具有一切非接觸測(cè)量所具有的優(yōu)點(diǎn)。58三、測(cè)量流量常用的儀表及方法 差壓式流量計(jì) 容積式流量計(jì)渦輪式流量計(jì) 電磁流量計(jì) 渦街流量計(jì) 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 超聲波流量計(jì) 光纖流量計(jì)59（一）差壓式流量計(jì)1.差壓式流

35、量計(jì)工作原理 差壓式流量計(jì)也叫節(jié)流式流量計(jì)，它是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)產(chǎn)生壓力差的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。這種流量計(jì)是目前工業(yè)中測(cè)量氣體、液體和蒸汽流量最常用的儀表。差壓式流量計(jì)主要有節(jié)流裝置、差壓計(jì)、顯示儀和信號(hào)管路四部分組成。 60（一）差壓式流量計(jì)下圖中所示為在裝有標(biāo)準(zhǔn)孔板的水平管道中，當(dāng)流體流經(jīng)孔板時(shí)的流束及壓力分布情況。當(dāng)連續(xù)流動(dòng)的流體遇到安插在管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，由于節(jié)流件的截面積比管道的截面積小，形成流體流通面積的突然縮小，在壓頭作用下流體的流速增大，擠過(guò)節(jié)流孔，形成流束收縮。在擠過(guò)節(jié)流孔后,流速又由于流通面積的變大和流束的擴(kuò)大而降低。與此同時(shí),在節(jié)流裝置前后的管壁處的流體靜壓力產(chǎn)

36、生差異,形成靜壓力差p,p=p1-p2 ,此即節(jié)流現(xiàn)象。也就是說(shuō)節(jié)流裝置的作用在于造成流束的局部收縮，從而產(chǎn)生壓差。并且流過(guò)的流量愈大，在節(jié)流裝置前后所產(chǎn)生的壓差也就越大，因此可通過(guò)測(cè)量壓差來(lái)指示流體流量的大小 。61節(jié)流裝置工作原理圖 62（一）差壓式流量計(jì)管道截面、處流體的絕對(duì)壓力分別為p1、p2、 p3 ,各截面流體的平均流速分別為v1、v2、 v3 。圖中點(diǎn)劃線所示為管道中心處的靜壓力，實(shí)線為管壁處?kù)o壓力。以上分析可得如下結(jié)論，節(jié)流裝置造成流束的局部收縮；產(chǎn)生靜壓力差p ；由于局部收縮形成渦流區(qū)引起流體能量損失，造成不可恢復(fù)的壓力損失。63（一）差壓式流量計(jì)2、流量方程 根據(jù)節(jié)流現(xiàn)象及

37、原理，流量方程式以伯努利方程式和流體流動(dòng)的連續(xù)性方程為依據(jù)。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，先假定流體是理想的，求出理想流體的流量基本方程式，然后再考慮到實(shí)際流體與理想流體的差別，加以適當(dāng)?shù)男拚?，獲得適用于實(shí)際流體的流量基本方程式。不可壓縮流體的體積流量其基本方程式為： 64（一）差壓式流量計(jì)不可壓縮流體的質(zhì)量流量基本方程式為： 流量系數(shù)，與節(jié)流件的面積比，取壓方式，流體性質(zhì)有關(guān)；。A0節(jié)流件的開(kāi)孔面積；流體的密度；p= p1-p2，節(jié)流件前后的壓力差 可壓縮流體的流量基本方程式為：流體膨脹系數(shù)，可壓縮流體0， f ,所以修正系數(shù)簡(jiǎn)化為：96（七）超聲波流量計(jì) 超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理它利用超聲波在流體中的傳播特性

38、來(lái)測(cè)量流體的流速和流量，最常用的方法是測(cè)量超聲波在順流與逆流中的傳播速度差。兩個(gè)超聲換能器P1和P2分別安裝在管道外壁兩側(cè)，以一定的傾角對(duì)稱布置。超聲波換能器通常采用鋯鈦酸鉛陶瓷制成。在電路的激勵(lì)下，換能器產(chǎn)生超聲波以一定的入射角射入管壁，在管壁內(nèi)以橫波形式傳播，然后折射入流體，并以縱波的形式在流體內(nèi)傳播，最后透過(guò)介質(zhì)，穿過(guò)管壁為另一換能器所接收。兩個(gè)換能器是相同的，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)控制，可交替作為發(fā)射器和接收器。97超聲波流量計(jì)方框圖 98（七）超聲波流量計(jì)設(shè)流體的流速為v，管道內(nèi)徑為D，超聲波束與管道軸線的夾角為，超聲波在靜止的流體中傳播速度為v0，則超聲波在順流方向傳播頻率f1為：超聲波在逆

39、流方向傳播頻率f2為 99（七）超聲波流量計(jì)故順流與逆流傳播頻率差為：由此得流體的體積流量Q為：對(duì)于一個(gè)具體的流量計(jì)，、D是常數(shù)，而qv與f成正比，故測(cè)量頻率差f可算出流體流量。100（七）超聲波流量計(jì).超聲波流量計(jì)的使用超聲波流量計(jì)可用來(lái)測(cè)量液體和氣體的流量，比較廣泛地用于測(cè)量大管道液體的流量或流速。它沒(méi)有插入被測(cè)流體管道的部件，故沒(méi)有壓頭損失，可以節(jié)約能源。超聲波流量計(jì)的換能器與流體不接觸，對(duì)腐蝕很強(qiáng)的流體也同樣可準(zhǔn)確測(cè)量。 而且換能器在管外壁安裝，故安裝和檢修時(shí)對(duì)流體流動(dòng)和管道都毫無(wú)影響。超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度一般為12，測(cè)量管道液體流速范圍一般為0.5ms5ms。 101（八）光纖流

40、量計(jì)1.光纖差壓式流量計(jì) 光纖差壓式流量計(jì)也是一種利用流體流動(dòng)的節(jié)流現(xiàn)象進(jìn)行流量測(cè)量的儀表，光纖傳感技術(shù)用來(lái)檢測(cè)節(jié)流元件前后的差壓p。工作原理：在節(jié)流元件前后分別安裝了一組敏感膜片和Y形光導(dǎo)，膜片受到流體壓力的作用而產(chǎn)生位移，Y形光導(dǎo)則是一種光纖位移傳感器，它根據(jù)輸入輸出光強(qiáng)的相對(duì)變化測(cè)量膜片位移的大小。在這種傳感器布置方式中，每一膜片的位移與其所受的流體壓力成正比，亦即膜片1與膜片2的相對(duì)位移與節(jié)流元件前后的差壓p成正比。因此，通過(guò)測(cè)量?jī)赡て南鄬?duì)位移可以得到節(jié)流差壓p。測(cè)得p后，就可以利用流量方程式(4-21)求出被測(cè)流量。 102光纖差壓式流量計(jì) 103（八）光纖流量計(jì)2.光纖膜片式流量

41、計(jì) 工作原理：直接把流量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟て系奈灰菩盘?hào)，即流量越大，膜片受力而產(chǎn)生的向內(nèi)撓曲變形位移越大，通過(guò)膜片位移量的測(cè)量就可以確定被測(cè)流量的大小。這種流量計(jì)中膜片位移的測(cè)量同樣采用Y形光纖傳感器。一般膜片可采用鋼或銅等材料，為增加反射光強(qiáng)度，膜片內(nèi)側(cè)可鍍鉻或銀。膜片的厚度根據(jù)流量的測(cè)量范圍設(shè)計(jì)，一般在0.05mm0.2mm之間。 104光纖膜片式流量計(jì)1-膜片；2-引線孔；3-光電元件；4-光源；5-Y形光導(dǎo) 105渦街發(fā)生原理圖(a) 圓柱形渦街發(fā)生體；(b) 三棱柱形渦街發(fā)生體 1064.3 液位的測(cè)量液位是指開(kāi)口容器或密封容器中液體介質(zhì)液面位置的高低，用來(lái)測(cè)量液位的儀表稱為液位計(jì)。液位

42、測(cè)量在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中具有重要地位。通過(guò)液位測(cè)量可確定容器里的液體的數(shù)量，連續(xù)監(jiān)視或調(diào)節(jié)容器內(nèi)流入和流出物料的平衡，使之保持在一定的高度，以保證生產(chǎn)的質(zhì)量、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保。目前常用的測(cè)量方法有，直讀法、浮力法、差壓法、電容法、核輻射法、超聲波法以及激光法、微波法等。這里只介紹應(yīng)用較為廣泛的浮力式、差壓式、電氣式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用。1074.3 液位的測(cè)量浮力法液位測(cè)量浮子式液位計(jì) 浮筒式液位計(jì) 差壓法液位測(cè)量電氣法液位測(cè)量 電容式液位計(jì)電接點(diǎn)液位計(jì) 聲學(xué)法液位測(cè)量108一、浮力法液位測(cè)量 浮力式物位檢測(cè)的基本原理是通過(guò)測(cè)量漂浮于被測(cè)液體面上的浮子(也稱浮標(biāo))隨液面變化而產(chǎn)生的位

43、移檢測(cè)液位；或利用沉浸在被測(cè)液體中的浮筒(也稱沉筒)所受的浮力與液位的關(guān)系檢測(cè)液位。前者為恒浮力式檢測(cè)，一般稱浮子式液位計(jì)。后者為變浮力式檢測(cè)，一般稱浮筒式液位計(jì)。1091、浮子式液位計(jì) 浮子式液位計(jì)測(cè)量原理：將液面上的浮子用繩索連接并懸掛在滑輪上，繩索的另一端掛有平衡重錘，利用浮子所受重力和浮力之差與平衡重錘的重力相平衡的原理，使浮子漂浮在液面上。其平衡關(guān)系為： W1浮子的重力； F 浮力； W2重錘的重力。110浮子式液位計(jì)測(cè)量原理1-浮子；2-繩索；3-重錘；4-刻度尺 1111、浮子式液位計(jì)當(dāng)液位上升時(shí)，浮子所受浮力F增加，則W1-Fx，H=h，從而被測(cè)液位可表示為： 由上式可知，當(dāng)液

44、位變化時(shí)，使浮筒產(chǎn)生位移，其位移量x與液位高度成正比關(guān)系。因此變浮力物位檢測(cè)方法實(shí)質(zhì)上就是將液位轉(zhuǎn)換成敏感元件浮筒的位移變化?？蓱?yīng)用信號(hào)變換技術(shù)進(jìn)一步將位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，配上顯示儀表在現(xiàn)場(chǎng)或控制室進(jìn)行液位指示和控制。是在浮筒的連桿上安裝一鐵芯，可隨浮筒一起上下移動(dòng)，通過(guò)差動(dòng)變壓器使輸出電壓與位移成正比關(guān)系，從而檢測(cè)液位。常用的浮筒式液位計(jì)有的還將浮筒所受的浮力通過(guò)扭力管變換成扭力管的角位移，由變送器把角位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，指示液位。 116二、差壓法液位測(cè)量 1、利用靜壓差測(cè)量液位的原理靜壓式液位檢測(cè)方法是根據(jù)液柱靜壓與液柱高度成正比的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其原理如圖4-31所示，根據(jù)流體靜力學(xué)原理可得

45、， 式中：PA容器中液體表面的靜壓； PB容器中液體底部的靜壓； H 液柱的高度； 液體的密度。 g重力加速度當(dāng)容器為敞口時(shí)，則為大氣壓，上式變?yōu)?117二、差壓法液位測(cè)量在測(cè)量過(guò)程中，如果液體密度為常數(shù)，則在密閉容器中兩點(diǎn)的壓差p與液面高度H成正比；而在敞口容器中則P與H成正比，也就是說(shuō)測(cè)出P和p就可以知道敞口容器或密閉容器中的液位高度。HpApB靜壓式液位計(jì)原理 118二、差壓法液位測(cè)量(1)壓力表測(cè)量液位計(jì) 壓力計(jì)式液位計(jì)用來(lái)測(cè)量敞口容器中的液位高度，原理為：測(cè)壓儀表通過(guò)取壓導(dǎo)管與容器底部相連，由測(cè)壓儀表的指示值便可知道液位的高度。用此法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要求液體密度為常數(shù)，否則將引起誤差。另

46、外，壓力儀表實(shí)際指示的壓力是液面至壓力儀表入口之間的靜壓力，當(dāng)壓力儀表與取壓點(diǎn)(零液位)不在同一水平位置時(shí)，應(yīng)對(duì)其位置高度差而引起的固定壓力進(jìn)行修正。 119壓力式液位計(jì)(a) 壓力表測(cè)液位；(b) 法蘭式壓力變送器測(cè)液位1-容器；2-壓力表；3-法蘭；4-變送器 120二、差壓法液位測(cè)量(2)法蘭式壓力變送器液位計(jì) 圖 (b)是用法蘭式壓力變送器測(cè)量液位的原理圖，由于容器與壓力表之間用法蘭將管路連接，故稱“法蘭液位計(jì)”。對(duì)于粘稠液體或有凝結(jié)性的液體，為避免導(dǎo)壓管堵塞，可采用法蘭式壓力變送器和容器直接相連。其在導(dǎo)壓管處加有隔離膜片，導(dǎo)壓管內(nèi)充入硅油，借助硅油傳遞壓力。 121二、差壓法液位測(cè)量

47、(3)壓差式液位計(jì) 在對(duì)密閉容器液位進(jìn)行測(cè)量時(shí)，容器下部的液體壓力除與液位高度有關(guān)外，還與液面上部介質(zhì)壓力有關(guān)。在這種情況下，可以用測(cè)量差壓的方法來(lái)獲得液位，如圖示。差壓液位計(jì)指示值除與液位高度有關(guān)外，還與液體密度和差壓儀表的安裝位置有關(guān)。無(wú)論是壓力檢測(cè)法還是差壓檢測(cè)法都要求取壓口(零液位)與檢測(cè)儀表的入口在同一水平高度，否則會(huì)產(chǎn)生附加靜壓誤差。但是，在實(shí)際安裝時(shí)不一定能滿足這個(gè)要求。如地下儲(chǔ)槽，為了讀數(shù)和維護(hù)的方便，壓力檢測(cè)儀表不能安裝在所謂零液位處的地方；采用法蘭式差壓變送器時(shí)，由于在從膜盒至變送器的毛細(xì)管中充以硅油，無(wú)論差壓變送器在什么高度，一般均會(huì)產(chǎn)生附加靜壓。在這種情況下，可通過(guò)計(jì)算

48、進(jìn)行校正，更多的是對(duì)壓力(差壓)變送器進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，使它在只受附加靜壓（靜壓差）作用時(shí)輸出為“0”，這種方法稱為“量程零點(diǎn)遷移”。122壓差式液位計(jì)原理(a) 無(wú)遷移；(b) 負(fù)遷移；(c) 正遷移 123二、差壓法液位測(cè)量無(wú)遷移無(wú)遷移差壓變送器測(cè)量液位原理如圖 (a)所示，將差壓變送器的正、負(fù)壓室分別與容器下部和上部的取壓點(diǎn)相連通，被測(cè)液體的密度為1，則作用于變送器正、負(fù)壓室的差壓為p=H1g。當(dāng)液位H在范圍0Hmax內(nèi)變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的p在范圍0pmax內(nèi)變化，變送器輸出Ip在量程上下限間相應(yīng)變化 .124二、差壓法液位測(cè)量負(fù)遷移如圖 (b)所示,在實(shí)際應(yīng)用中，為防止容器內(nèi)液體和氣體進(jìn)入變送器

49、取壓室造成管線堵塞或腐蝕，以及保持負(fù)壓室液柱高度恒定，在變送器正、負(fù)壓室與取壓點(diǎn)之間分別裝有隔離罐，并充以密度為2的隔離液，(通常2 1)，這時(shí)正、負(fù)壓室的壓差為：P1、P2 正、負(fù)壓室的壓力；1 、2 被測(cè)液體及隔離液的密度；h1、h2 最低液位及最高液位至變送器的高度； P0 容器中氣相壓力；125二、差壓法液位測(cè)量當(dāng)H=0時(shí)，P=-(h2-h1)2 g ，輸出壓力為負(fù)值，而且實(shí)際工作中，往往22，所以當(dāng)最高液位時(shí)，負(fù)壓室的壓力也要大于正壓室的壓力，使變送器的輸出為負(fù)值，這樣就破壞了變送器輸出IP與液位之間的正常關(guān)系。在變送器量程符合要求的條件下，調(diào)整變送器上的遷移彈簧，使變送器在H=0，

50、 P=-(h2-h1)2 g時(shí)，變送器輸出IP為量程下限；在H=Hmax，最大差壓為Pmax=Hmax1g-(h2-h1)2 g時(shí)，變送器輸出IP為量程上限，這樣就實(shí)現(xiàn)了變送器輸出與液位之間的正常關(guān)系。稱為負(fù)遷移量。 126正遷移圖 (c)所示的測(cè)量裝置中，變送器的安裝位置與最低液位不在同一水平面上，變送器的位置比最低液位低h，這時(shí)液位高度H與壓差之間的關(guān)系為可見(jiàn)，當(dāng)H=0時(shí)， P=h1 g ，變送器輸出IP大于量程下限；當(dāng)H=Hmax時(shí)，對(duì)應(yīng)的差壓Pmax=(Hmax+h)1 g ，變送器輸出IP大于儀表量程上限。在變送器量程符合要求的條件下，調(diào)整變送器遷移彈簧，使變送器在H=0 ， P=h

51、1 g時(shí)，變送器輸出IP為量程下限；使變送器在H=Hmax ， Pmax=(Hmax+h)1 g時(shí)，變送器輸出IP為儀表量程上限，從而實(shí)現(xiàn)了變送器輸出與液位之間的正常關(guān)系。Z+=h1 g稱為正遷移量。127cpIPZ-Z+差壓變送器遷移示意圖 (a) 無(wú)遷移；(b) 正遷移；(c) 負(fù)遷移 128二、差壓法液位測(cè)量正、負(fù)遷移實(shí)質(zhì)上是通過(guò)遷移彈簧改變變送器的零點(diǎn)，即同時(shí)改變量程的上、下限，而量程的大小不變。129二、差壓法液位測(cè)量2、高位水箱的液位測(cè)量在液位計(jì)系統(tǒng)中接入一個(gè)U形管壓差計(jì)，便可將液位計(jì)接到比容器位置低得多的場(chǎng)所進(jìn)行液位測(cè)量或監(jiān)控。、圖中所示為鍋爐中測(cè)量鍋筒水位的水位計(jì)工作原理圖。這

52、種水位計(jì)可以安裝到位置比鍋筒低得多的運(yùn)行人員操作臺(tái)上進(jìn)行鍋筒水位監(jiān)控。測(cè)量系統(tǒng)由凝結(jié)箱、膨脹室、低地位水位計(jì)和連接管等組成。低地位水位計(jì)及其旁邊的連接管形成一形管壓差計(jì)。在凝結(jié)箱中，由于蒸汽凝結(jié)，所以存在水位，但由于凝結(jié)水過(guò)多時(shí)能溢流到鍋筒水容積中去，所以凝結(jié)箱中水位總保持恒定。凝結(jié)箱液面上壓力相同，但管路中存在三種密度不同的液體，即爐水(密度1)、凝結(jié)水(密度2)及U形管；壓差計(jì)中的重液(密度3)。凝結(jié)箱右邊垂直管中的液體由于保溫作用，其密度等于爐水密度 1130高位水箱水位測(cè)量原理圖 131二、差壓法液位測(cè)量在正常工況下，低地位水位計(jì)中的流體是靜止的，作用在A點(diǎn)左面和右面的壓力應(yīng)相等，據(jù)此

53、可得： g重力加速度；R最高水位時(shí)，水位計(jì)中水位和膨脹室中的水位差?；?jiǎn)上式：132在上式中，爐水密度1可根據(jù)鍋筒中壓力確定， 1等于相應(yīng)于鍋筒壓力下的飽和水密度； 2因管外無(wú)絕熱材料，可取為室溫下的水的密度； 3為未知值，其值應(yīng)保證使鍋筒中水位降低值h等于低地位水位計(jì)中的液位降低值h。由于式(4-50)中值也為未知值，所以尚需列出一個(gè)方程式來(lái)求解和值。當(dāng)鍋筒水位降低值時(shí)，要求低地位水位計(jì)中的液位也降低值。此時(shí)，膨脹室中水位將從上升值(見(jiàn)圖4-35)。凝結(jié)箱右面垂直管內(nèi)的水位由于和鍋筒是一個(gè)連通器，也將降低h值。在鍋筒水位降低h值條件下，再根據(jù)A點(diǎn)右面及左面壓力相等可得下式： 133二、差壓法

54、液位測(cè)量設(shè)低地位水位計(jì)的橫截面積為f1，膨脹室的橫截面積為f2，則可列出下列幾何關(guān)系式： (4-52)由式(4-50)、(4-51)、(4-52)可得： (4-53)上式表明，在設(shè)計(jì)低地位水位計(jì)時(shí)，U形管壓差計(jì)中灌注的重液密度3 ，不是任意值，而應(yīng)根據(jù)f1 /f2 、 1 、 2 、 4及算出。當(dāng)水位計(jì)系統(tǒng)確定后， f1 /f2比值已確定，則3主要和1有關(guān)，亦即和鍋筒壓力有關(guān)。鍋爐低地位水位計(jì)的重液可用三溴甲烷和苯配制而成。 134三、電氣法液位測(cè)量 1、電容式液位計(jì) 電容式液位傳感器是利用被測(cè)物的介電常數(shù)與空氣(或真空)不同的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的，電容式物位計(jì)由電容式物位傳感器和檢測(cè)電容的測(cè)量線

55、路組成。、它適用于各種導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體的液位或粉狀料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)量和指示，也可以和電動(dòng)單元組合儀表配套使用，以實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)記錄、控制和調(diào)節(jié)。由于它的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有可動(dòng)部分，因此應(yīng)用范圍較廣。 135三、電氣法液位測(cè)量（1）測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位傳感器 測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位傳感器如圖4-36所示，在液體中插入一根帶聚四氟乙烯絕緣套管的不銹鋼電極，由于液體是導(dǎo)電的，容器和液體可看作為電容器的一個(gè)電極，插入的金屬電極作為另一電極，絕緣套管為中間介質(zhì)，三者組成圓筒電容器。當(dāng)液位高度為H=0，即容器內(nèi)的實(shí)際液位低于非測(cè)量區(qū)h時(shí)，圓筒電容器的電容量C0為： 0聚四氟乙烯絕緣套管和容器內(nèi)氣

56、 體的等效介電常數(shù)； L 液位測(cè)量范圍；D0容器內(nèi)徑； d 不銹鋼電極直徑 136三、電氣法液位測(cè)量導(dǎo)電液體的電容式液位測(cè)量1-導(dǎo)電液體；2-容器；3-不銹電極；4-絕緣套 137三、電氣法液位測(cè)量當(dāng)液位高度為H時(shí)，圓筒電容器的電容量C為：所以，當(dāng)容器內(nèi)液位高度由零變化到H時(shí)，圓筒電容器的電容變化量C為：（4-55）聚四氟乙烯絕緣套管的介電常數(shù)D聚四氟乙烯絕緣套管的外徑 （4-56）138三、電氣法液位測(cè)量通常，D0D，0，上式中第二項(xiàng)比第一項(xiàng)小得多，可以忽略不計(jì)。則: 當(dāng)電極確定后，為定值，上式可寫(xiě)為 :可見(jiàn)，當(dāng)電極確定后， 、D、 d 為定值，傳感器的電容變化量與液位的變化量呈線性關(guān)系。測(cè)

57、出電容變化量就可求出被測(cè)液位。且絕緣套管的介電常數(shù)較大， D/ d較小時(shí)，傳感器的靈敏度較高。值得注意的是，如果液體是粘滯介質(zhì)，當(dāng)液位下降時(shí)，由于電極套管上仍粘附一層被測(cè)介質(zhì)，會(huì)造成虛假的液位示值，使儀表所顯示的液位比實(shí)際液位高。 （4-56）（4-57）139三、電氣法液位測(cè)量(2)測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容式液位傳感器 當(dāng)測(cè)量非導(dǎo)電液體，如輕油、某些有機(jī)液體等的液位時(shí)，可采用兩根同軸裝配，彼此絕緣的不銹鋼管構(gòu)成同軸套管筒形電容器，兩根不銹鋼管分別作為圓筒形電容器的內(nèi)外電極。液位的變化導(dǎo)致圓筒形電容器的內(nèi)外電極間介質(zhì)的變化，從而引起電容量的變化，利用這一特性可以測(cè)量液位變化。如圖4-37所示，外套

58、管上有孔，以便被測(cè)液體能自由地流進(jìn)或流出。 當(dāng)被測(cè)液位H=0時(shí)，兩電極間的介質(zhì)是空氣，電容器的電容量為：(4-58) 140圖4-37非導(dǎo)電液體的電容式液位測(cè)量1-非導(dǎo)電液體；2-容器；3-不銹鋼外管；4-不銹鋼內(nèi)管；5-絕緣套 141三、電氣法液位測(cè)量當(dāng)液位高度為H時(shí)，兩電極間上下部的介質(zhì)分別是空氣和被測(cè)液體，圓筒電容器的電容量C為：(4-59) 被測(cè)液體的介電常數(shù) 所以，當(dāng)容器內(nèi)液位高度由零變化到H時(shí)，圓筒電容器的電容變化量C為： (4-60) 可見(jiàn)，當(dāng)電極確定后， 、D、 d 、為定值，傳感器的電容變化量與液位的變化量呈線性關(guān)系。測(cè)出電容變化量就可求出被測(cè)液位。 142三、電氣法液位測(cè)量

59、2、電接點(diǎn)液位計(jì) 由于密度和所含導(dǎo)電介質(zhì)的數(shù)量不同，液體與其蒸汽在導(dǎo)電性能上往往存在較大的差別，電接點(diǎn)液位計(jì)正是利用這一差別進(jìn)行液位檢測(cè)的，通過(guò)液體汽、液相電阻的不同來(lái)指示液位高低。電接點(diǎn)液位計(jì)的基本組成和工作原理如圖4-38所示。為了便于測(cè)點(diǎn)的布置，被測(cè)液位通常由測(cè)量筒2引出，電接點(diǎn)則安裝在測(cè)量筒上。電接點(diǎn)由兩個(gè)電極組成，一個(gè)電極裸露在測(cè)量筒中，它與測(cè)量筒的筒壁之間用絕緣子隔開(kāi)；另一個(gè)電極為所有電接點(diǎn)的公共接地極，它與金屬測(cè)量筒的筒壁接通。 143三、電氣法液位測(cè)量當(dāng)液體浸沒(méi)電接點(diǎn)時(shí)，由于液體的電阻率較低，電接點(diǎn)的兩電極通過(guò)液體導(dǎo)通，相應(yīng)的指示燈亮；而處在蒸汽中的電接點(diǎn)因蒸汽的電阻率很大而不能導(dǎo)通，相應(yīng)的指示燈不亮。因此，液位的高低決定了亮燈數(shù)目的多少?；蛘叻催^(guò)來(lái)說(shuō)，亮燈數(shù)目的多少反映了液位的高低。 根據(jù)顯示方式的不同，相應(yīng)地有電接點(diǎn)氖燈液位計(jì)、電接點(diǎn)雙色液位計(jì)和數(shù)字式電接點(diǎn)液位計(jì)。但是，無(wú)論采用哪種顯示方式，均無(wú)法準(zhǔn)確指示位于兩相鄰電接點(diǎn)之間