第七章 過程參數(shù)檢測(cè)中的常用傳感技術(shù)

第七章過程參數(shù)檢測(cè)中的常用傳感技術(shù)2023/5/21第1頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7過程參數(shù)檢測(cè)中的常用傳感技術(shù)7．1概述7．2溫度檢測(cè)7．3壓力檢測(cè)7．4流量檢測(cè)7．5物位檢測(cè)2023/5/22第2頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．1概述

7．1．1過程參數(shù)檢測(cè)的意義

檢測(cè)是意義更為廣泛的測(cè)量，包括對(duì)被測(cè)參數(shù)的定性檢查和定量測(cè)量。定性檢查指的是分辨出被測(cè)參數(shù)所屬的范圍，以此判別參數(shù)合格與否或現(xiàn)象有無(wú)等；而定性測(cè)量指的是通過與作為單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而獲得被測(cè)參數(shù)的量值。

現(xiàn)代化生產(chǎn)過程是高效連續(xù)的生產(chǎn)過程，為確保生產(chǎn)安全、保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少能源消耗、降低成本等等，必須對(duì)反映生產(chǎn)過程狀態(tài)、進(jìn)行情況等的諸參數(shù)如溫度、壓力、流量、物位、成分等進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制。因此過程檢測(cè)就是對(duì)生產(chǎn)過程和運(yùn)動(dòng)對(duì)象實(shí)施自動(dòng)的定性檢查和定量測(cè)量的技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的前提和依據(jù)。

一個(gè)完整的檢測(cè)過程一般應(yīng)包括信息提取、信號(hào)的放大、轉(zhuǎn)換與傳輸、信號(hào)的顯示與記錄、信號(hào)的分析與處理。本章的重點(diǎn)是從被測(cè)參數(shù)的角度討論傳感技術(shù)與檢測(cè)方法。2023/5/23第3頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．1．2參數(shù)檢測(cè)應(yīng)考慮的問題

1、正確選定被測(cè)參數(shù)和檢測(cè)點(diǎn)在工業(yè)過程檢測(cè)中，被測(cè)參數(shù)有時(shí)并不是所要求的直接參數(shù)，而是需要用間接方法確定一個(gè)或幾個(gè)中間參數(shù)。對(duì)于一些復(fù)雜或特殊的檢測(cè)過程，還需要選擇多個(gè)檢測(cè)參數(shù)并進(jìn)行多次檢測(cè)。因此在選擇被測(cè)參數(shù)和檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)和特征，所選參數(shù)和檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)具有典型性和代表性。2、恰當(dāng)選取檢測(cè)方法與傳感方式

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和信息技術(shù)的發(fā)展，過程參數(shù)的檢測(cè)，除傳統(tǒng)方法外，還有許多新的手段和方法可以使用。但是先進(jìn)的不一定總是可行的，需要根據(jù)檢測(cè)的條件、特點(diǎn)和要求，恰當(dāng)選取檢測(cè)方法、選擇或設(shè)計(jì)合適的傳感器。這是正確實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)檢測(cè)的關(guān)鍵所在。3、檢測(cè)系統(tǒng)的引入，不能對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)產(chǎn)生干擾。4、檢測(cè)系統(tǒng)要具備一定抗機(jī)械振動(dòng)、電磁場(chǎng)、環(huán)境溫度、腐蝕等各種干擾的能力。5、檢測(cè)系統(tǒng)要具有良好的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，保證檢測(cè)信號(hào)的信噪比滿足要求，做到無(wú)延遲、不失真。6、檢測(cè)系統(tǒng)的安裝維護(hù)要方便。2023/5/24第4頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．1．3過程檢測(cè)技術(shù)的分類

過程檢測(cè)技術(shù)從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方法。按傳感原理可分為電磁法、光學(xué)法、熱學(xué)法、超聲法、微波法等等。按敏感元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。按獲得檢測(cè)結(jié)果的方法可分為直接測(cè)量、間接測(cè)量、組合測(cè)量。按被測(cè)參數(shù)類型可分為電量：電壓、電流、功率、磁場(chǎng)強(qiáng)度等；機(jī)械量：尺寸、形狀、位移、速度、加速度、力、質(zhì)量、重量、振動(dòng)等；熱工量：溫度、壓力(壓差、真空度)、流量(流速、風(fēng)速)、物位（液位、料位、界面）等；物性和成分量：酸堿度、鹽度、濃度、粘度、密度、比重、粒度、純度、離子濃度、濕度、水份等。狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋，缺陷、泄漏、表面質(zhì)量(光潔度、白度灰度等)等。本章將選擇部分典型的熱工參數(shù)檢測(cè)進(jìn)行介紹。2023/5/25第5頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．2溫度檢測(cè)

7．2．1溫度和溫標(biāo)1、溫度溫度是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理量之一。溫度用來(lái)表征物體的冷熱程度，從微觀角度，它表征組成該物體的大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，即該物體分子平均動(dòng)能的大小。從宏觀角度，溫度概念建立在熱平衡基礎(chǔ)上，兩個(gè)溫度不同的物體接觸，溫度必然從高溫處向低溫處傳遞，經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)間，最終達(dá)到溫度相同，即熱平衡狀態(tài)。熱平衡理論，以及物體的許多物理化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)這一特性，確定了溫度的各種檢測(cè)方法。2、溫標(biāo)溫標(biāo)是為溫度測(cè)量的準(zhǔn)確統(tǒng)一而建立起來(lái)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度，它給出了溫度量值化的一套規(guī)則和方法。溫度計(jì)在使用前必須先經(jīng)過分度，或稱標(biāo)定。基準(zhǔn)點(diǎn)溫度值是以一些物質(zhì)的相平衡點(diǎn)作為固定點(diǎn)，固定點(diǎn)之間的溫度值則是利用一定的函數(shù)關(guān)系來(lái)描述，稱為內(nèi)插函數(shù)或內(nèi)插方程。通常把溫度計(jì)、固定點(diǎn)和內(nèi)插方程稱為溫標(biāo)三要素。由于溫度概念較為抽象，因此溫標(biāo)建立經(jīng)歷了一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過程。常用溫標(biāo)包括：經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、理想氣體溫標(biāo)、國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)等。國(guó)際統(tǒng)一的溫度標(biāo)準(zhǔn)要傳遞到各國(guó)，各國(guó)要按照規(guī)定進(jìn)行國(guó)際比對(duì)，建立本國(guó)的國(guó)家溫度基準(zhǔn)，以此類推，全國(guó)各個(gè)地區(qū)再建立次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并定期由國(guó)家基準(zhǔn)檢定。測(cè)溫儀表按準(zhǔn)確度可分為基準(zhǔn)、工作基準(zhǔn)、一定基準(zhǔn)、二等基準(zhǔn)以及工業(yè)用儀表。任何等級(jí)的儀表都要定期到上一級(jí)計(jì)量部門進(jìn)行鑒定，確保準(zhǔn)確可靠。2023/5/26第6頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．2．2測(cè)溫方法分類

溫度表征物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，難以直接測(cè)量，因此均是根據(jù)物體物理性質(zhì)隨溫度變化的特征進(jìn)行間接測(cè)量。歸結(jié)起來(lái)溫度測(cè)量方法分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)深悺?、接觸式測(cè)量接觸式測(cè)量依據(jù)的是物體的熱平衡原理，優(yōu)點(diǎn)是直觀、可靠、體統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是時(shí)間滯后，對(duì)于較小的物體，可能因測(cè)溫元件引入影響溫度場(chǎng)分布而造成測(cè)量誤差，難以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體溫度，另外受溫度計(jì)材質(zhì)限制一般只適合于中低溫測(cè)量。常用的接觸式測(cè)溫儀表有：基于熱膨脹原理的膨脹式溫度儀表、基于密閉容積內(nèi)介質(zhì)隨溫度升高而壓力升高的壓力式測(cè)溫儀表、基于金屬導(dǎo)體電阻溫度效應(yīng)的熱電阻測(cè)溫儀表、基于PN結(jié)電壓隨溫度變化的晶體二極管、三極管和集成電路式測(cè)溫儀表、以及基于熱電效應(yīng)的熱電偶測(cè)溫儀表等。2、非接觸式測(cè)量非接觸式測(cè)量是基于物體輻射特性與溫度之間的關(guān)系設(shè)計(jì)的。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣、理論上無(wú)溫度上限限制、測(cè)溫響應(yīng)快、測(cè)溫過程不影響溫度場(chǎng)分布、能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體溫度等。缺點(diǎn)是所測(cè)溫度與被測(cè)物體發(fā)射率等本身性質(zhì)的影響，一般需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。常用非接觸式測(cè)溫儀表有：輻射溫度計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、光電高溫計(jì)、比色溫度計(jì)等。隨著測(cè)量要求的提高和傳感技術(shù)的發(fā)展，在一些特殊領(lǐng)域中，除了傳統(tǒng)測(cè)溫方法，還逐漸開發(fā)出一些特殊的或?qū)Ｓ玫臏y(cè)溫技術(shù)，如石英溫度計(jì)、、聲學(xué)溫度計(jì)、集成溫度傳感器、光纖測(cè)溫技術(shù)等。2023/5/27第7頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．2．3典型測(cè)溫方法和傳感器

1、金屬熱電阻測(cè)溫（1）測(cè)溫原理及特點(diǎn)熱電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)測(cè)量溫度的。雖然電阻溫度特性是導(dǎo)體半導(dǎo)體所具有的普遍特性，但要用作測(cè)溫?zé)犭娮栊枰邆湟韵聴l件：1）盡可能大而且穩(wěn)定的的電阻溫度系數(shù)；2）電阻隨溫度變化呈單值函數(shù)關(guān)系，且線性良好；3）電阻率大，以便同樣靈敏度情況下元件尺寸小；4）具有較高的性能價(jià)格比。熱電阻的測(cè)溫范圍可以達(dá)到-260C900C，對(duì)大量的工業(yè)用測(cè)溫來(lái)說(shuō)，熱電阻性價(jià)比高，中低溫區(qū)穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、靈敏度大，信號(hào)易于測(cè)量、便于遠(yuǎn)傳。但熱電阻體積較大、熱慣性大，不適于測(cè)量高溫物體、體積狹小物體和溫度快速變化的物體，另外抗振動(dòng)沖擊能力差。（2）熱電阻分類

熱電阻按材料分，有鉑、銅、鎳、鐵、銠鐵、鉑鈷合金等；按精度等級(jí)分為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)和工業(yè)熱電阻；按結(jié)構(gòu)分為線繞型、薄膜型和厚膜型。金屬熱電阻主要參數(shù)有分度號(hào)、標(biāo)稱電阻值、測(cè)溫范圍、允許偏差、電阻比W（溫度為100C和0C時(shí)的電阻值之比）、熱響應(yīng)時(shí)間和額定電流等。應(yīng)用熱電阻測(cè)溫，要根據(jù)測(cè)量要求、熱電阻基本參數(shù)進(jìn)行恰當(dāng)選擇。表7-1為幾種常用金屬熱電阻的分度號(hào)、測(cè)量范圍。2023/5/28第8頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表7-1金屬熱電阻分度及主要參數(shù)

2023/5/29第9頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）熱電阻引線方式工業(yè)用熱電阻由感溫元件、引線和保護(hù)管組成。其中引線是感溫元件測(cè)量線路連接的引線，通常置于保護(hù)管內(nèi)。熱電阻引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響，常用引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。兩線制在感溫元件兩端各引出一根引線，這種引線簡(jiǎn)單、便宜，但引線電阻及引線電阻變化會(huì)引入附加誤差，因此適用于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求不高的場(chǎng)合。三線制在感溫元件一端引出一條引線，另一端引出兩條引線。這種引線可以較好地消除引線電阻影響，測(cè)量精度有所提高，因此是工業(yè)用熱電阻通常使用的引線方式，在導(dǎo)線長(zhǎng)、測(cè)溫范圍窄、導(dǎo)線所處環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)合，必須使用三線制。四線制是在感溫元件兩端各引出兩根引線，通過其中兩根引線構(gòu)成校正線路，能夠完全消除引線電阻的影響。圖7-1為三種引線方式及其測(cè)量電路的示意圖圖7-1熱電阻引線方式（a）兩線制（b）三線制（c）四線制（a）（b）（c）2023/5/210第10頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)溫（1）半導(dǎo)體的熱點(diǎn)特性及分類半導(dǎo)體的電阻與溫度之間的關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系，可表示為：（7-3）式中A、B為常數(shù)，與半導(dǎo)體的材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)，量綱分別為電阻和溫度。對(duì)（7-3）式微分可得熱敏電阻溫度系數(shù)為

（7-4）由式（7-4）可以看出，電阻溫度系數(shù)隨著溫度變化而變化，即靈敏度隨著溫度的升高而降低，因此限制了熱敏電阻只能在低溫下使用。根據(jù)電阻溫度系數(shù)可以將熱敏電阻分為NTC熱敏電阻、PTC熱敏電阻、CTR熱敏電阻三類。NTC熱敏電阻適用范圍寬，從1mK100K的超低溫到13002000C的高溫，之間的各溫度段都可測(cè)量；NTC測(cè)量范圍為-50150C；CTR測(cè)溫范圍為0150C。2023/5/211第11頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（２）半導(dǎo)體熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻靈敏度高，一般是金屬熱電阻的10多倍，電阻值高，通常在千歐以上，引線電阻對(duì)測(cè)溫幾乎沒有影響，不必使用三線制，響應(yīng)時(shí)間快，可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，化學(xué)穩(wěn)定性好，可用于惡劣環(huán)境。但其缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)的非線性嚴(yán)重，而且一般僅適用于350C以下的溫度檢測(cè)。圖7-2為常見熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式。使用半導(dǎo)體熱敏電阻應(yīng)注意：防止過電流使用以防電阻燒壞；開始測(cè)量讀數(shù)的時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于時(shí)間常數(shù)57倍，以保證讀書穩(wěn)定準(zhǔn)確；避免在溫度急驟變化的場(chǎng)合使用；注意防水耐寒等。圖7-2熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式圖7-2熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式（a）圓片形（b）薄膜形（c）桿形（d）管形（e）平板形（f）珠形（g）扁圓形（h）墊圈形（i）金屬帽引出的桿形（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）2023/5/212第12頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、熱電偶測(cè)溫

（1）熱電偶選型熱電偶是利用金屬的熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電偶種類有幾百種，應(yīng)用較廣的幾十種，分為標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩大類。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶八種，分度號(hào)分別為S、R、B、K、N、T、E、J，前三種由鉑和鉑銠合金制成，屬于貴金屬熱電偶，其余五種由鎳、鉻、硅、銅、鋁、錳、鎂、鈷等金屬合金制成，屬于賤金屬熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)熱電偶在使用時(shí)按照允差分為三個(gè)等級(jí)。表7－2、7－3分別為標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能。表7－2標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能

2023/5/213第13頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/5/214第14頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

表7－3標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能2023/5/215第15頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/5/216第16頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，一般應(yīng)在了解熱電偶基本特性的前提下，根據(jù)被測(cè)對(duì)象、測(cè)量氣氛、測(cè)溫范圍等正確選擇熱電偶。按使用溫度考慮：1000C之內(nèi)一般選用賤金屬熱電偶，如-200300C可選用T型或E型。1300C之內(nèi)可選用N型或K型，10001400C可選用R、S型，14001800C可選用B型，高于1800C就要采用非標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)賴鎢錸系列熱電偶。按環(huán)境氣氛考慮：當(dāng)環(huán)境氣氛有氧化性，溫度低于1300C可選用K型或N型，高于1300C應(yīng)選用鉑銠系列。若環(huán)境氣氛為真空或有還原性，溫度低于950C可選用J型，高于1600C應(yīng)選用鎢錸系列。參考端溫度影響除用冷端補(bǔ)償措施外，也可通過適當(dāng)選型解決。當(dāng)溫度低于1000C時(shí)，可選用K型熱電偶，冷端溫度在030C對(duì)測(cè)量的影響可忽略不計(jì)，溫度高于1000C選用B型熱電偶，可忽略冷端溫度影響。熱電偶偶絲直徑選擇與溫度有關(guān)，也影響動(dòng)態(tài)特性和精度。直徑大響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，直徑小則使電阻增大，影響與測(cè)量電路的阻抗匹配，使精度下降。（2）熱電偶的冷端處理根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，熱電勢(shì)是測(cè)量端與參考端溫度t、t0的函數(shù)差，只有參考端溫度恒定，才能得到熱電勢(shì)與測(cè)量端溫度之間的關(guān)系。實(shí)際上我們通常使用的熱電偶分度表是以參考端為0C制作的。但在工業(yè)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，參考端溫度則難以保持恒定不變，更難以維持在0C，因此冷端處理是熱電偶在實(shí)際使用時(shí)必須面對(duì)的問題。2023/5/217第17頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三冷端處理方法可以概括為冷端恒溫、冷端溫度校正、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償、補(bǔ)償導(dǎo)線。1）冷端恒溫在條件許可的情況下，通過人為方法創(chuàng)造0C或t0（非0C）的恒溫環(huán)境，如保溫瓶、恒溫槽、恒溫箱等，將冷端置于其中。對(duì)于恒溫在的情況，可以再通過溫度校正的方法進(jìn)行校正。2）冷端溫度校正根據(jù)熱電效應(yīng)的中間溫度定則可以對(duì)冷端恒定在tn的熱電勢(shì)值進(jìn)行修正：E(t,0)=E(t,tn)+E(tn,0)（7－6）其中E(tn,0)即為修正量，可以通過查分度表得出。但是由于熱電特性的非線性，將分度表上由E(t,0)查得的溫度t1直接加tn作為檢測(cè)結(jié)果是錯(cuò)誤的，工業(yè)檢測(cè)中經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)公式校正：t=t1+K(tn-0)（7－7）式中t、t1、tn分別為測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度、由E(t,tn)值查分度表得到的溫度、冷端恒定溫度，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。不同熱電偶在不同溫度下具有不同的K值，可由相關(guān)資料給出。3）冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償tBAtnDCtnt0mVv圖7-3串接補(bǔ)償熱電偶回路其基本思想是在熱電偶測(cè)量電路中加入一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，感受冷端溫度變化，產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電勢(shì)，以使儀表檢測(cè)到的電動(dòng)勢(shì)不受冷端溫度變化影響。2023/5/218第18頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三baRtR3R2R1+mVVV+ER圖7-4帶補(bǔ)償電橋的熱電偶測(cè)量電路例如在測(cè)量電路中串一個(gè)與測(cè)量用熱電偶A-B熱電特性相同的電偶C-D，如圖7－3所示。根據(jù)中間溫度定則，無(wú)論補(bǔ)償電偶正串還是反串，均可將參考端溫度變化補(bǔ)償?shù)?。補(bǔ)償電偶最好與測(cè)量電偶具有相同的熱電特性并且價(jià)格便宜。也可在熱電偶測(cè)量電路中加一個(gè)直流不平衡電橋，如圖7－4所示。該補(bǔ)償電橋由直流電源供電，輸出端串接在熱電偶回路中。橋臂電阻R1、R2、R3和限流電阻R選用錳銅電阻，阻值受溫度影響很小，橋臂電阻Rt為銅電阻，阻值隨溫度升高而增大，將其置于與熱電偶冷端同樣的溫度場(chǎng)中。由于電橋不平衡輸出Uab隨Rt變化是非線性的，補(bǔ)償熱電勢(shì)E(tn,0）隨tn變化也是非線性的，但兩者變化情況很難一致，設(shè)計(jì)時(shí)一般要求在兩個(gè)溫度點(diǎn)上符合即可，也可采用使供橋電源E隨tn變化的方式。補(bǔ)償電橋與熱電偶應(yīng)配套使用。同類型補(bǔ)償電橋外形與內(nèi)部設(shè)計(jì)都是一樣的，只要配上合適的限流電阻R即可與熱電偶相配套，R決定了補(bǔ)償量Uab的大小。tBAtnDCtnt0mVv圖7-3串接補(bǔ)償熱電偶回路baRtR3R2R1+mVVV+ER圖7-4帶補(bǔ)償電橋的熱電偶測(cè)量電路2023/5/219第19頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4)補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)與某種熱電偶具有相同熱電特性的一對(duì)帶有絕緣層的導(dǎo)線或電纜。恰當(dāng)選用補(bǔ)償導(dǎo)線可將熱電偶的參考端延伸到遠(yuǎn)離熱源或環(huán)境溫度相對(duì)恒定的地方。為降低成本，補(bǔ)償導(dǎo)線一般選用賤金屬材料。如果熱電偶為貴金屬材料，稱為補(bǔ)償型（C型），如果熱電偶本身就是賤金屬材料，則稱為延伸型（X型）。補(bǔ)償導(dǎo)線一般只在較低的溫度范圍內(nèi)（通常在0100℃之間）與熱電偶熱點(diǎn)特性一致，因此使用溫度必須符合要求，而且各種補(bǔ)償導(dǎo)線必須與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用，見表7-4。連接時(shí)注意不能將補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反。對(duì)于補(bǔ)償型導(dǎo)線（C型），還要求于熱電偶的兩個(gè)連接點(diǎn)溫度相同。在需高精度測(cè)溫場(chǎng)合，處理測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)加上補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值，以保證測(cè)量精度。補(bǔ)償導(dǎo)線使用方便，是熱電偶測(cè)量電路中經(jīng)常采用的方法，也是各種冷短端溫度補(bǔ)償方法中最基本的一種。表7-4常用補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶配用關(guān)系2023/5/220第20頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）熱電偶的斷偶檢查在熱電偶自動(dòng)測(cè)溫電路中如果發(fā)生斷偶現(xiàn)象，輸出熱電勢(shì)為0，就會(huì)得出t=t0的錯(cuò)誤結(jié)果。為此，檢測(cè)電路中應(yīng)增加一個(gè)斷偶判斷的環(huán)節(jié)。如圖7-5所示，M—N為熱電偶輸出端，經(jīng)R1、R2、CF構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)送入量程放大器A，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將測(cè)量結(jié)果送計(jì)算機(jī)處理。此電路中有一個(gè)UB和RB構(gòu)成的斷偶判斷環(huán)節(jié)，RB為兆歐級(jí)大電阻。熱電偶正常工作時(shí)該環(huán)節(jié)相當(dāng)于開路；當(dāng)發(fā)生斷偶時(shí)，M－N處電壓為UB，UB選擇為經(jīng)放大后使A/D轉(zhuǎn)換器溢出，從而使計(jì)算機(jī)能夠判斷出斷偶發(fā)生。圖7－5熱電偶斷偶檢查2023/5/221第21頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、輻射測(cè)溫（1）幅射測(cè)溫的基本原理任何物體，只要溫度超過絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量，稱為熱輻射。熱輻射能量與物體自身性質(zhì)和溫度有關(guān)。這種通過接收物體的輻射能量來(lái)確定溫度的方法稱為輻射測(cè)溫，利用這種原理測(cè)溫的儀表和傳感器通稱為輻射式溫度計(jì)。熱輻射波長(zhǎng)涉及紫外、可見光、紅外光區(qū)?？梢姽獠ㄩL(zhǎng)范圍僅為0.30.72μm，紅外光波長(zhǎng)范圍較大，為O.72l000μm。輻射式溫度計(jì)的感溫元件使用的波長(zhǎng)范圍一般為0.340μm。根據(jù)斯蒂藩一玻耳茲曼定律，若黑體在單位時(shí)間單位面積上輻射出的能量為M0（T），則輻出能量與絕對(duì)溫度間的關(guān)系滿足：（7-8）式中為玻爾茲曼常數(shù)。黑體的光譜輻射亮度L0是一個(gè)與波長(zhǎng)和絕對(duì)溫度均有關(guān)物理量，式（7-8）用輻射亮度表示，則有：（7-9）

2023/5/222第22頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三理想的絕對(duì)黑體在自然界中是不存在的。一般物體的輻射出射度小于絕對(duì)黑體。在某一溫度T，某物體在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分輻射出射度M(T)與絕對(duì)黑體在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分輻射出射度M0(T)之比稱為該物體的全輻射率(或全輻射系數(shù))，用ε(T)表示,0<ε(T)<1。類似地，在任一溫度和某個(gè)波長(zhǎng)下，物體在此波長(zhǎng)的光譜幅射出射度M(,T)與與黑體在此波長(zhǎng)的光譜幅射出射度M0(,T)之比稱為光譜(單色)幅射度，用ε(T)表示。因此，對(duì)于一般物體，光譜輻射亮度與絕對(duì)溫度的關(guān)系為：通過測(cè)量物體的輻射亮度就可得到該物體的溫度，這就是輻射測(cè)量基本原理。（2）光譜輻射式溫度計(jì)光譜輻射溫度計(jì)是根據(jù)熱輻射效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。通常由輻射敏感元件、光學(xué)系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x表及輔助裝置等幾部分組成。輻射敏感元件分為光電型和熱敏性兩大類。光電型常用的有光電倍增管、硅光電池、鍺光電池等。特點(diǎn)是響應(yīng)快，但同類元件光電特性曲線一致性不好，互換性差。熱敏型常用的有熱敏電阻、熱電堆等。特點(diǎn)是同類元件熱電特性曲線一致性好、靈敏度高、對(duì)響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇，但響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大，通常為0.01s～1s。2023/5/223第23頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光學(xué)系統(tǒng)的作用是聚集被測(cè)物的輻射能。其形式有反射型和透射型兩類。測(cè)量?jī)x表包括測(cè)量電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、顯示裝置等。數(shù)字式儀表還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，自動(dòng)平衡式儀表需有平衡驅(qū)動(dòng)裝置，如小型步進(jìn)電機(jī)。輔助裝置包括冷卻和防塵防護(hù)裝置。光譜輻射溫度計(jì)是按絕對(duì)黑體進(jìn)行溫度分度的，測(cè)量非黑體時(shí)，儀表示值稱為該物體的輻射溫度。由于0＜ε（T）＜1，輻射溫度總是低于物體的真實(shí)溫度。物體的輻射溫度TF與真實(shí)溫度T之間的關(guān)系為：（7-11）

使用光譜輻射式高溫計(jì)需注意以下幾點(diǎn)：1）距離系數(shù)被測(cè)物與感溫器之間的距離L與被測(cè)物有效直徑D之比稱為距離系數(shù)。為保證感溫器全部接收到被測(cè)物的輻射能量，被測(cè)物大小應(yīng)受距離系數(shù)約束。2）中間介質(zhì)空氣對(duì)輻射能吸收較少，但水蒸氣、CO2對(duì)輻射的吸收能力則較強(qiáng)。測(cè)量中應(yīng)盡量減少中間介質(zhì)的影響。3）環(huán)境溫度被測(cè)物的高溫使環(huán)境溫度升高，影響檢測(cè)元件的正常工作。一般需要冷卻或溫度補(bǔ)償措施。4）雜光干擾被測(cè)物反射的外界輻射和自身輻射一起投向感溫元件，為此應(yīng)加裝屏蔽罩。與其他類型的高溫計(jì)相比，輻射溫度計(jì)是最古老、最簡(jiǎn)單的一種測(cè)量?jī)x器，靈敏度與精度都不太高，因此使用面遠(yuǎn)不及光學(xué)高溫計(jì)廣泛。2023/5/224第24頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)通過將輻射體在單一波長(zhǎng)（通常采用0.66μm）下的亮度與高溫計(jì)燈泡亮度比較來(lái)確定物體溫度。光學(xué)高溫計(jì)有三種形式：燈絲隱滅式、恒定亮度式和光電亮度式。圖7-6是燈絲隱滅式高溫計(jì)工作原理圖。調(diào)節(jié)物鏡使被測(cè)物的像落在燈泡的燈絲平面上，燈泡溫度低時(shí)，從目鏡中看到被測(cè)物像上的暗絲，接通電源并調(diào)節(jié)可變電阻，使燈泡變亮，當(dāng)燈絲兩度與被測(cè)物亮度相同時(shí)，燈絲隱滅在被測(cè)物的像中。

光學(xué)高溫計(jì)的示值也是按照黑體分度的，儀表示值稱為被測(cè)物的亮度溫度，根據(jù)發(fā)射率，可求出真實(shí)溫度：式中，TL、T分別為物體的亮度溫度、真實(shí)溫度；(T)為物體的光譜發(fā)射率，0<(T)<1；C2為普朗克第二輻射常數(shù)，C2＝1．438786×10-2m·K。（b）燈絲隱滅成像圖7-6燈絲隱滅式高溫計(jì)工作原理1-物鏡；2-灰色吸收玻璃；3-燈泡；4-目鏡；5-紅色濾光片（a）結(jié)構(gòu)原理2023/5/225第25頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

使用光學(xué)高溫計(jì)也應(yīng)注意中間介質(zhì)、測(cè)量距離、環(huán)境溫度等因素對(duì)測(cè)量精度的影響。光電高溫計(jì)采用硅光電池作為光敏元件，并將亮度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)濾波放大顯示出物體的亮度溫度。與光學(xué)高溫計(jì)相比，光電高溫計(jì)避免了用人眼感受信號(hào)變化，精度與靈敏度較高，使用波長(zhǎng)可以不受限制，時(shí)間相應(yīng)時(shí)間短，便于自動(dòng)測(cè)量于控制。(4)比色高溫計(jì)根據(jù)維恩位移定律，當(dāng)溫度變化時(shí)，黑體能量的光譜分布會(huì)發(fā)生變化，兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的光譜輻出度之比R會(huì)不同，R可表示為：（7-13）經(jīng)過整理，有：

（7-14）式中，TB、T分別為物體的比色溫度、真實(shí)溫度；1(T)、2(T)為物體在1、2時(shí)的光譜發(fā)射率。通常1、2是由高溫計(jì)制造廠家選定的。對(duì)于灰體，1(T)＝2(T)，也有很多金屬1(T)與2(T)近似相等，故這類物體比色溫度與真實(shí)溫度基本一致。比色高溫計(jì)準(zhǔn)確度通常較高，對(duì)環(huán)境氣氛要求也不高，可適用于煙霧、粉塵等工作環(huán)境；但要求被測(cè)物表面溫度場(chǎng)均勻，還要避免散射雜光的引入，否則容易引起示值誤差。

2023/5/226第26頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(5)紅外輻射測(cè)溫紅外線是物體熱輻射光譜中位于可見光紅光以外的光譜，波長(zhǎng)范圍大致在0.75～1000m。與各種單色光相比，紅外光的熱效應(yīng)是最大的。紅外輻射測(cè)溫儀的工作波段一般在0.75～14m。通常由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、指示器等部分組成，如圖7-7所示。光學(xué)系統(tǒng)匯聚被測(cè)物的紅外輻射能量，分投射式和反射式。投射式光學(xué)系統(tǒng)部件用紅外光學(xué)材料制成，且根據(jù)測(cè)溫范圍不同選擇不同的光學(xué)材料；反射式光學(xué)系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡，表面鍍金、鋁或鎳鉻登高反射率材料。紅外探測(cè)器接收目標(biāo)輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)轉(zhuǎn)換處理成為被測(cè)物的溫度值。可采用光電管、光電池、光敏電阻、熱電元件等作為光敏元件，具體選用哪種要根據(jù)目標(biāo)輻射的波段與能量等實(shí)際情況確定。圖7-7紅外輻射測(cè)溫儀工作原理2023/5/227第27頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)交變信號(hào)處理比較容易，能取得較高的信噪比。一般是用微電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)齒輪盤或等距離孔盤，通過齒輪盤或帶孔盤旋轉(zhuǎn)，切割入射輻射而使投射到紅外傳感器上的輻射信號(hào)成為交變的。紅外輻射測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)速度快，反映時(shí)間一般都在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)；靈敏度高，物體溫度的微小變化就會(huì)引起輻射能量較大變化；測(cè)溫范圍廣，測(cè)量準(zhǔn)確度高，可測(cè)溫度范圍可以從零下幾十度到零上幾千度；適用范圍廣，幾乎適用于所有溫度測(cè)量場(chǎng)合，尤其適合于較遠(yuǎn)距離的高速物體、帶電體、高溫高壓等物體的溫度測(cè)量。使用紅外輻射測(cè)溫應(yīng)注意：被測(cè)物尺寸應(yīng)大于測(cè)溫儀視場(chǎng)，最好大過50%；被測(cè)物和測(cè)溫儀之間避免有水蒸氣、粉塵、煙霧等，這類物質(zhì)對(duì)紅外線有較強(qiáng)吸收能力；工作環(huán)境的溫度不應(yīng)有劇烈變化。

2023/5/228第28頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．3壓力檢測(cè)

7．3．1壓力的概念和表示方法壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見和重要的參數(shù)之一，在許多熱工過程中，壓力的檢測(cè)控制對(duì)保證工業(yè)過程正常進(jìn)行、達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗以及安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義。1.壓力的概念工程中所說(shuō)的壓力，是指垂直均勻作用在單位面積上的力，即物理學(xué)中所稱的壓強(qiáng)。因此壓力可表示為：

p=F/S(7-15)式中，p為壓力；F為垂直作用受力面上的力；S為受力面積。2.壓力的表示方法（1）絕對(duì)壓力作用于物體表面上的全部壓力稱為絕對(duì)壓力，用符號(hào)p表示。（2）大氣壓力由地球表面空氣質(zhì)量所形成的壓力，稱為大氣壓力。它隨地理緯度、海拔高度及氣象條件而變化，用符號(hào)p0表示。（3）表壓力絕對(duì)壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮褐罘Q表壓力，用符號(hào)pg表示，pg=pi-p0。通常壓力測(cè)量?jī)x表總是處于大氣之中，其測(cè)得的壓力值均是表壓力。(4)真空度(負(fù)壓)當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，表壓力為負(fù)值(負(fù)壓力)，其絕對(duì)值稱為真空度，用符號(hào)pv表示，pv=|pg|。（5）差壓(壓差)任意兩個(gè)壓力p1、p2之差稱為差壓p，p=p1-p2。除此之外，工程上還有靜態(tài)壓力(不隨時(shí)間變化或變化緩慢的壓力)和動(dòng)態(tài)壓力(隨時(shí)間作快速變化的壓力)之分。2023/5/229第29頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.壓力的計(jì)量單位壓力的國(guó)際單位為帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)為Pa。根據(jù)壓力導(dǎo)出公式，1帕=1牛頓/米2或1Pa＝1N/m2。帕單位較小，工程上也常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)為單位。除國(guó)際單位外，工程上也使用其他壓力單位，包括工程大氣壓、物理大氣壓、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。7．3．2常用壓力檢測(cè)方法根據(jù)壓力檢測(cè)的工作原理，壓力檢測(cè)的幾種基本方法包括：1、重力平衡法利用一定高度的工作液體產(chǎn)生的重力或砝碼的重量與被測(cè)壓力相平衡的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱高度或平衡砝碼的重量來(lái)測(cè)量。典型檢測(cè)儀表有液柱式壓力計(jì)和活塞式壓力計(jì)等。2、彈性力平衡法利用彈性元件受壓力作用發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力相平衡的原理，將壓力轉(zhuǎn)換成位移，通過測(cè)量彈性元件變形或位移的大小測(cè)出被測(cè)壓力。此類壓力計(jì)種類很多，可以測(cè)量壓力、負(fù)壓、絕對(duì)壓力和壓差等，而且通?？梢宰儞Q為電信號(hào)，便于遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，故應(yīng)用最為廣泛。3、機(jī)械力平衡法將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成力，用外力與之平衡，通過測(cè)量平衡時(shí)的外力測(cè)知被測(cè)壓力。力平衡式壓力計(jì)可以達(dá)到較高精度，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。4、物性測(cè)量法利用敏感元件在壓力的作用下，某些物理特性發(fā)生的變化與壓力相關(guān)的原理進(jìn)行測(cè)量，通?？蓪⒈粶y(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量來(lái)測(cè)量。如壓電式、電容式壓力傳感器等等。2023/5/230第30頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

7．3．3常用壓力傳感器和壓力檢測(cè)儀表1、遠(yuǎn)傳式彈性壓力計(jì)及壓力傳感器壓力彈性元件機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置測(cè)量放大裝置顯示輸出圖7-8遠(yuǎn)傳式彈性壓力計(jì)組成原理框圖

這類壓力計(jì)或傳感器以彈性元件作為壓力的敏感元件，根據(jù)受壓產(chǎn)生的彈性變形（位移）可測(cè)知壓力。通過一定的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)還可構(gòu)成就地式或遠(yuǎn)傳式壓力計(jì)，圖7-8為遠(yuǎn)傳式彈性壓力計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖。常用彈性元件有彈簧管（又稱波登管）、彈性膜、波紋管等。圖7-9為各種常用彈性元件示意圖。壓力彈性元件機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置測(cè)量放大裝置顯示輸出圖7-8遠(yuǎn)傳式彈性壓力計(jì)組成原理框圖圖7-9常用彈性元件（a）單圈彈簧管常用彈性元件（b）多圈彈簧管常用彈性元件（c）膜片（d）膜盒（e）波紋管2023/5/231第31頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三彈簧管一端受壓時(shí)，另一個(gè)自由端將產(chǎn)生彈性位移。其結(jié)構(gòu)分單圈式和多圈式兩種，如圖中(a)和(b)。單圈位移量大、靈敏度高。單圈式測(cè)量范圍通常在010MPa，多圈式測(cè)量范圍通常為1060MPa。彈性膜分膜片和膜盒，如圖中（c）和(d)。膜片四周固定，當(dāng)一側(cè)受壓或兩側(cè)有壓差時(shí)，膜片向壓力小的一側(cè)彎曲。將兩個(gè)膜片焊接在一起，成為膜盒。膜盒可以增大膜中心的位移，提高靈敏度。這類彈性元件多用于真空度、微壓、低壓檢測(cè)。波紋管是表面同心環(huán)狀皺紋的薄壁筒體。如圖中（e）。主要用于微壓、低壓檢測(cè)。彈性元件的常用材料有銅合金、彈性合金、不銹鋼、橡皮等，各適用于不同的測(cè)壓范圍和被測(cè)介質(zhì)，現(xiàn)在半導(dǎo)體硅材料也得到了更多應(yīng)用。機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置通常將彈性元件的位移或變形轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。常見轉(zhuǎn)換方式有應(yīng)變電阻式、霍爾式、電感式、差動(dòng)變壓器式等。（1）應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器是基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)。由導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成的彈性元件在受到壓力作用時(shí)發(fā)生機(jī)械變形，其電阻值也將發(fā)生變化，根據(jù)阻值變化間接測(cè)出壓力，阻值相對(duì)變化與應(yīng)變有以下關(guān)系：式中為材料的應(yīng)變，K為材料的電阻應(yīng)變系數(shù)，即單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化量。金屬材料的K值約為2～6，半導(dǎo)體材料的K值可達(dá)60～180。(7-16)2023/5/232第32頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

常用的應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式為箔式應(yīng)變片。通常將1片或多片（2片或4片）應(yīng)變片粘貼在彈性元件適當(dāng)位置上來(lái)感受變形，同時(shí)將應(yīng)變片接入電橋橋臂，則電橋輸出電壓即可反映被測(cè)壓力大小。為提高檢測(cè)精度和靈敏度，通常采用兩對(duì)應(yīng)變片組成全橋電路，并使相對(duì)橋臂的應(yīng)變片分別受拉和受壓。圖7-10壓力傳感器彈性體結(jié)構(gòu)形式及貼片方式

應(yīng)變式壓力傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)被介質(zhì)計(jì)測(cè)量范圍進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)，常見的結(jié)構(gòu)形式有園膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等，如圖7-10所示。

圖7-10壓力傳感器彈性體結(jié)構(gòu)形式及貼片方式2023/5/233第33頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)電容式差壓傳感器彈簧管電容式差壓傳感器是一組差動(dòng)電容。電容差動(dòng)連接有利于提高靈敏度、減小介電常數(shù)受溫度影響帶來(lái)的不穩(wěn)定性。如圖7-11所示，差動(dòng)電容的兩個(gè)定極板為兩個(gè)尺寸形狀相同、內(nèi)側(cè)鍍金屬膜的凹面體，動(dòng)極板為金屬圓形膜片處于兩個(gè)定極板中間位置，凹面體中間充滿硅油。當(dāng)傳感器兩側(cè)壓力相等時(shí)，膜片位于中間位置，C1=C2。兩側(cè)有壓差時(shí)，膜片位置發(fā)生偏移，兩側(cè)電容因極板距離變化而產(chǎn)生電容差值。若通過檢測(cè)電路將電容變化量轉(zhuǎn)化為420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，則輸出電流與被測(cè)壓差有關(guān)，可達(dá)到間接檢測(cè)壓力的目的。除變極距型電容式差壓傳感器外，工業(yè)中還有變面積型電容式壓力傳感器，這里不再詳細(xì)介紹。電容式壓力傳感器精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、抗震性好、安裝使用方便，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。

圖7-11電容式差壓傳感器圖7－12霍爾式壓力傳感器彈簧管霍爾片磁鋼2023/5/234第34頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（3）霍爾式壓力傳感器

霍爾式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)。片狀霍爾元件與彈簧管自由端相連，置于線性非均勻磁場(chǎng)中，彈簧管另一端受壓力作用使得彈簧管產(chǎn)生位移，帶動(dòng)霍爾元件在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。若給霍爾元件兩端通恒定直流電，則在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上將會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，該電勢(shì)大小與霍爾元件變形位移量成線性關(guān)系。圖7－11為霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理。這種壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高，但對(duì)外部磁場(chǎng)敏感、耐震性差。2、基于半導(dǎo)體物性的壓力傳感器根據(jù)半導(dǎo)體材料的某些物理特性因受壓力產(chǎn)生變化而將壓力變換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，常見的有壓阻式、壓電式、光電式、光纖式、超聲式等等。（1）壓阻式壓力傳感器半導(dǎo)體材料受壓后電阻率發(fā)生變化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。圖7－12為硅半導(dǎo)體壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。壓力敏感元件為半導(dǎo)體硅圓片（膜片），通常做成膜盒，一側(cè)接入?yún)⒖級(jí)毫?，另一?cè)接受被測(cè)壓力。膜盒的電阻擴(kuò)散等效為如圖所示，其中R1和R3、R2和R4分別組成一對(duì)，感受相同的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)兩側(cè)壓力平衡時(shí)，膜盒無(wú)變形，R1=R3=R2=R4，當(dāng)被測(cè)壓力大于參考?jí)毫r(shí)，R1和R3受拉應(yīng)力，R2和R4受壓應(yīng)力。若將四個(gè)電阻值接入測(cè)量電橋，一對(duì)電阻作為相對(duì)橋臂，則電橋會(huì)輸出一個(gè)不平衡電壓，圖7-13為測(cè)量原理。2023/5/235第35頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

壓阻式壓力傳感器具有精度高、頻響高、測(cè)量范圍寬、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。（2）壓電式壓力傳感器圖7-13壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)有些半導(dǎo)體材料沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力撤除時(shí)，又回到不帶電狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。利用壓電材料的壓電效應(yīng)，可以將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。圖7-13位壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。壓電元件置于兩個(gè)彈性膜片之間，受壓后將產(chǎn)生電荷。其一側(cè)與膜片接觸并接地，另一側(cè)將電荷量引出，通過電荷量放大器或電壓量放大器輸出與壓力值對(duì)應(yīng)的電流或電壓。為提高測(cè)量靈敏度，使用電荷放大器時(shí)可采用多個(gè)壓電元件并聯(lián)的方式，使用電壓放大器時(shí)可采用多個(gè)壓電元件串聯(lián)的方式。（a）硅半導(dǎo)體壓力變送器敏感部件原理（b）硅半導(dǎo)體壓力變送器測(cè)量電路圖7-12硅半導(dǎo)體壓力變送器測(cè)量原理2023/5/236第36頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常用壓電材料有天然的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類，它們的壓電機(jī)理并不相同，但都具有較好特性，是較理想的壓電材料。壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，測(cè)量范圍寬，適合于100MPa以下的壓力測(cè)量。測(cè)量精度較高，頻率響應(yīng)高，可達(dá)30kHz，常用于動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)，但由于壓電元件存在電荷泄漏，不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。3、力平衡式壓力計(jì)圖7-14力平衡式壓力計(jì)組成框圖力平衡式壓力計(jì)利用力平衡原理進(jìn)行檢測(cè)，圖7-14為力平衡式壓力計(jì)基本組成框圖。用于與被測(cè)壓力相平衡的可以是彈性力或電磁力等等。被測(cè)壓力或壓差作用于彈性敏感元件上，被轉(zhuǎn)換成為位移或力，并作用于力平衡系統(tǒng)，使得力平衡系統(tǒng)偏離原有的平衡狀態(tài)；

圖7-13壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)2023/5/237第37頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由偏差檢測(cè)器輸出偏差值送至放大器，經(jīng)放大并輸出為電流或電壓信號(hào)，并控制反饋力或力矩機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生反饋力。當(dāng)反饋力與作用力平衡時(shí)，儀表處于新的平衡狀態(tài)，通過顯示機(jī)構(gòu)顯示出與被測(cè)壓力或壓差相對(duì)應(yīng)的壓力信號(hào)。圖7-15為一種彈性力平衡式壓力檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。它由波紋管、杠桿、差動(dòng)電容變換器C、伺服放大器A、伺服電機(jī)M、減速器和反饋彈簧等部件組成。圖7-15彈性力平衡式壓力檢測(cè)系統(tǒng)uC

波紋管將p1、p2壓力差轉(zhuǎn)換為Fp使杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，差動(dòng)電容變換器的動(dòng)極片偏離零位，電橋輸出電壓uC，其幅值與杠桿的轉(zhuǎn)角成比例，而相位與杠桿偏轉(zhuǎn)的方向(即壓力差的方向)相對(duì)應(yīng)。電壓uC經(jīng)伺服放大器放大后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速器后，一方面帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)指示杠桿轉(zhuǎn)角的大??；另一方面使螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，改變反饋彈簧施加在杠桿上的力Fxs。當(dāng)Fp的力矩與Fxs的力矩相平衡時(shí)，系統(tǒng)重新處于平衡狀態(tài)。輸出軸轉(zhuǎn)角與壓力差p成比例。圖7-14力平衡式壓力計(jì)組成框圖2023/5/238第38頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、真空檢測(cè)有些壓力傳感器和檢測(cè)方法也可檢測(cè)負(fù)壓，但只能檢測(cè)粗真空（10-3Pa以上），下面介紹兩種測(cè)量高度真空的真空計(jì)。（1)熱電偶式真空計(jì)熱電偶式真空計(jì)是利用氣體導(dǎo)熱率與真空度之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。真空計(jì)結(jié)構(gòu)原理如圖7-16。玻璃殼與被測(cè)真空連通，玻璃殼中封裝了一組金屬加熱絲和一組熱電偶。加熱絲被通以恒定電流，熱電偶工作端焊接在加熱絲上，用以測(cè)量加熱絲溫度。當(dāng)真空度增大時(shí)，氣體分子自由成加大，熱導(dǎo)率變小，使加熱絲散熱減少，溫度升高。熱電偶測(cè)出的溫度變化即可反映真空度變化。熱電偶式真空計(jì)測(cè)量真空度一般不能超過10-2Pa。圖7-15彈性力平衡式壓力檢測(cè)系統(tǒng)uC2023/5/239第39頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2）電離式真空計(jì)圖7-17電離式真空計(jì)電離式真空計(jì)的測(cè)量原理是，帶電粒子通過稀薄氣體時(shí)使氣體電離，測(cè)量離子電流即可知真空度大小。圖7-17為熱陰極式電離真空計(jì)的結(jié)構(gòu)原理。真空管與被測(cè)真空連通，加熱金屬絲作為陰極發(fā)射電子，加速后形成發(fā)射電流ie,穿過真空使空氣分子電離，收集極處的離子電流i+與被測(cè)真空度相關(guān)。熱陰極式真空計(jì)在不超過10-6Pa的高度真空測(cè)量中能夠達(dá)到較高精度。圖7-16熱電偶式真空計(jì)1－熱電偶；2－加熱絲；3－調(diào)節(jié)電阻圖7-17電離式真空計(jì)1－收集極；2－加速極；3－燈絲；4－陰極2023/5/240第40頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．3．4壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)壓力檢測(cè)儀表的校準(zhǔn)是保證測(cè)量結(jié)果安全可靠的重要環(huán)節(jié)。壓力檢測(cè)儀表在出廠前均需經(jīng)過校準(zhǔn)，使之符合精度等級(jí)要求。但由于安裝運(yùn)輸，在使用前仍需進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)使用中因部件疲勞、磨損、老化等原因，也必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)分為靜態(tài)校準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)兩個(gè)方面。1、靜態(tài)校準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)指的是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下(溫度20±5℃，濕度≤80％，大氣壓力為(1.013±0.106)×105Pa，且無(wú)振動(dòng)沖擊的環(huán)境)，采用一定標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)(其精度需為被校儀表的3～5倍)的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)儀表重復(fù)(不少于3次)進(jìn)行全量程逐級(jí)加載和卸載測(cè)試，獲得各次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以確定儀表的靜態(tài)基本性能指標(biāo)和精度的過程。校準(zhǔn)方法通常有兩種。一種是將被校表與標(biāo)準(zhǔn)表的示值在相同條件下進(jìn)行比較；另一種是將被校表的示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力比較。標(biāo)準(zhǔn)表的允許絕對(duì)誤差應(yīng)小于被校表的允許絕對(duì)誤差的1/3～1/5。常用的壓力校準(zhǔn)儀器有液柱式壓力計(jì)、活塞式壓力計(jì)或配有高精度標(biāo)準(zhǔn)表的壓力校驗(yàn)泵等。這種校準(zhǔn)方法方便，在實(shí)際校驗(yàn)中應(yīng)用較多。將被校表示值與標(biāo)準(zhǔn)壓力比較的方法主要用于校驗(yàn)0.25級(jí)以上的精密壓力表，亦可用于校驗(yàn)各種工業(yè)用壓力表。2023/5/241第41頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)有些儀表用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壓力在啟動(dòng)點(diǎn)火后的瞬間，壓力變化頻率從幾赫到數(shù)千赫。這時(shí)要求壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性要好，它決定了該傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的適用范圍和測(cè)量精度。因此必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，以確定其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)函數(shù)、固有頻率、阻尼比等。根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)壓力源不同，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)分為穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)和非穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)兩類。穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)采用穩(wěn)態(tài)周期性壓力作為壓力信號(hào)源，如機(jī)械正弦壓力發(fā)生器、凸輪控制噴嘴、電磁諧振器等；另一類是非穩(wěn)態(tài)壓力信號(hào)源，如激波管、閉式爆炸器、快速卸載閥及落錘液壓動(dòng)校裝置等。這類方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。但由于信號(hào)頻率振幅的限制，僅適用于低壓和低頻的壓力校準(zhǔn)中。激波管是測(cè)定壓力傳感器頻率響應(yīng)特性的最常用的方便而簡(jiǎn)單的設(shè)備,已成為國(guó)際計(jì)量部門用來(lái)校準(zhǔn)壓力傳感器動(dòng)態(tài)性能的標(biāo)準(zhǔn)裝置。激波管校準(zhǔn)傳感器動(dòng)態(tài)特性的基本原理是：用激波管產(chǎn)生的階躍壓力來(lái)激勵(lì)被校壓力傳感器，并用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備記錄在這一階躍壓力激勵(lì)下被校傳感器所產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)，根據(jù)其過渡過程曲線，運(yùn)用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，求得被校壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性。2023/5/242第42頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7．4流量檢測(cè)在石油、化工、水利等領(lǐng)域的過程檢測(cè)中，流量是一個(gè)重要的參數(shù)，在管理、倉(cāng)儲(chǔ)、貿(mào)易等行業(yè)中，也需要檢測(cè)和計(jì)算物料總量。2023/5/243第43頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.4.1流量的概念流量指流體(氣體、液體、粉末或固體顆粒等)單位時(shí)間流過管道截面的數(shù)量，也稱瞬時(shí)流量。如果用體積表示流體數(shù)量，則稱為體積流量，單位為米3/秒（m3/s）,如果用質(zhì)量表示，則稱為質(zhì)量流量，單位為千克/秒（kg/s）。在管理，倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)中，更為關(guān)心一段時(shí)間內(nèi)的累積流量值，稱為累計(jì)流量，單位為米3或千克。2023/5/244第44頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.4.2流量計(jì)與流量檢測(cè)方法分類用于測(cè)量流量的器具、儀表通稱流量計(jì)，通常由一次裝置和二次儀表組成。一次裝置又稱流量傳感器，安裝于流體導(dǎo)管內(nèi)部或外部，用于產(chǎn)生與流量有確定關(guān)系的信號(hào)；二次儀表對(duì)檢測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成流量顯示信號(hào)或輸出信號(hào)。由于流體流動(dòng)狀體復(fù)雜，介質(zhì)特性差異大，測(cè)量對(duì)象廣泛，因此流量檢測(cè)方法和流量計(jì)種類較多，常用檢測(cè)方法和流量計(jì)包括：1、節(jié)流差壓法2、容積法3、阻力法4、速度法2023/5/245第45頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

7.4.2流量計(jì)與流量檢測(cè)方法分類節(jié)流差壓法在流體管路中安裝截流元件，根據(jù)流動(dòng)動(dòng)力學(xué)原理，節(jié)流元件處將產(chǎn)生壓力。根據(jù)壓力差和流量的關(guān)系進(jìn)行流量測(cè)量。常用節(jié)流元件包括孔板、噴嘴和文丘里管等。容積法讓流體流經(jīng)已標(biāo)定容積的計(jì)量室，流體流動(dòng)的壓力推動(dòng)測(cè)量室內(nèi)類似齒輪的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)一周排出固定體積的流體。用這種方法測(cè)量流量的儀表稱為容積式流量計(jì)，按計(jì)量室結(jié)構(gòu)分為橢圓齒輪式、腰輪式（羅茨式）、刮板式、旋轉(zhuǎn)活塞式、圓盤式、膜式煤氣表、旋轉(zhuǎn)葉輪式水表等。阻力法流體會(huì)對(duì)管道內(nèi)的阻力體產(chǎn)生作用力，作用力大小與流量大小有關(guān)。常用的流量計(jì)有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、靶式流量計(jì)等。速度法測(cè)出管道內(nèi)流體的平均流速，乘以管道截面積即可得到流量。根據(jù)測(cè)流速的方法不同，有渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲流量計(jì)、相關(guān)流量計(jì)等。2023/5/246第46頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.4.3典型流量計(jì)容積式流量計(jì)節(jié)流差壓式流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)靶式流量計(jì)渦街流量計(jì)電磁流量計(jì)超聲波流量計(jì)2023/5/247第47頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三容積式流量計(jì)以橢圓齒輪流量計(jì)為例說(shuō)明容積式流量計(jì)的工作原理及特點(diǎn)。圖7.18為橢圓齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理，一對(duì)相互嚙合的橢圓齒輪和和與之配合緊密的殼體組成測(cè)量室。流體流動(dòng)的壓力產(chǎn)生的力矩會(huì)推動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的固定容積內(nèi)的流體排出，當(dāng)橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，將排出4個(gè)半月形(測(cè)量室)體積的流體。假設(shè)一個(gè)半月測(cè)量室的容積為V，齒輪轉(zhuǎn)數(shù)為n，單位時(shí)間內(nèi)體積流量為qv，則qv=4nV.齒輪轉(zhuǎn)數(shù)可通過機(jī)械的或其他的方式測(cè)出.橢圓齒輪流量計(jì)適用于高粘度液體的測(cè)量。流量計(jì)基本誤差為±0.2％～±0.5％，量程比為10:1。橢圓齒輪流量計(jì)的測(cè)量元件是齒輪嚙合傳動(dòng)，容積式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、量程比寬，流體黏度變化對(duì)測(cè)量影響小，安裝方便，對(duì)流量計(jì)前后的直管段的要求不高。但其缺點(diǎn)是制造裝配要求高，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，對(duì)流體清潔度要求高，通常要求上游加裝過濾器。2023/5/248第48頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三容積式流量計(jì)圖7.18橢圓齒輪結(jié)構(gòu)原理2023/5/249第49頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三流量檢測(cè)方法和常見流量計(jì)的性能

2023/5/250第50頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三節(jié)流差壓式流量計(jì)對(duì)不可壓縮流體，流體中插入節(jié)流件時(shí)，根據(jù)伯努里方程，在節(jié)流件兩端產(chǎn)生的差壓力P與流量qm有如下關(guān)系：式中、D、分別為流量系數(shù)、節(jié)流件最小孔徑（m）、流體密度（kg/m3）。采用壓力或差壓檢測(cè)方法可測(cè)出P。（a）孔板式（b）噴嘴（c）文丘里管圖7.19常用節(jié)流件結(jié)構(gòu)形式節(jié)流件結(jié)構(gòu)形式有孔板、噴嘴和文丘里管，如圖7.19所示。針對(duì)不同流體類型和狀態(tài)，可采用標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的使用要求是被測(cè)流體是牛頓流體、物理學(xué)和熱力學(xué)上均勻、單相、流經(jīng)節(jié)流件前達(dá)到充分紊流、流動(dòng)是穩(wěn)定的或隨時(shí)間緩變、最大流量與最小流量之比不超過3：1。節(jié)流差壓式流量計(jì)在冶金行業(yè)廣泛使用，占各類流量計(jì)的80％以上。2023/5/251第51頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三節(jié)流差壓式流量計(jì)（a）孔板式（b）噴嘴（c）文丘里管圖7.19常用節(jié)流件結(jié)構(gòu)形式2023/5/252第52頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三轉(zhuǎn)子流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)又稱浮子流量計(jì)。圖7.21轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理當(dāng)被測(cè)流體自下而上流經(jīng)錐形管時(shí)，在轉(zhuǎn)子上下端面產(chǎn)生差壓形成作用于轉(zhuǎn)子的上升力，當(dāng)與轉(zhuǎn)子的重量平衡時(shí)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在一個(gè)平衡位置上。流量變化時(shí)，轉(zhuǎn)子便會(huì)移到新的平衡位置，這樣平衡位置的高度就代表被測(cè)介質(zhì)流量值的大小。圖7-21為轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)伯努里方程可推算出，流量qv與高度h之間滿足如下關(guān)系：式中，Df、Vf、Af、f分別為轉(zhuǎn)子的最大直徑、迎流面體積和面積、密度（kg/m3）；、、g、分別為流量系數(shù)、流體密度、重力加速度、錐形管壁與垂直方向的夾角。2023/5/253第53頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三轉(zhuǎn)子流量計(jì)一般可認(rèn)為是雷諾數(shù)的函數(shù)，每種流量計(jì)有相應(yīng)的界限雷諾數(shù)，低于此值不再是常數(shù)，與h不呈線性，會(huì)影響測(cè)量精度。因此，轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量的流體，其雷諾數(shù)應(yīng)大于一定范圍。轉(zhuǎn)子流量計(jì)按錐形管材料不同，可分為玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)和金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)兩大類。玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便、可制成防腐蝕儀表、耐壓低，多用于透明流體的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量時(shí)將轉(zhuǎn)子的位移通過測(cè)量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳遞變換，變換后的位移信號(hào)可直接用于就地指示，也可將該位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或氣信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳及顯示。轉(zhuǎn)子流量計(jì)可以測(cè)量多種介質(zhì)的流量，特別適用于中小管徑和低雷諾數(shù)的中小流量測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，量程比寬(10:1)，壓力損失小且恒定，對(duì)直管段的要求不高，刻度近似線性，價(jià)格便宜，使用維護(hù)簡(jiǎn)便。但只適用于垂直管道的流量檢測(cè)，精度受流體性質(zhì)和測(cè)量環(huán)境的影響，精度一般在1.5級(jí)左右。2023/5/254第54頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三轉(zhuǎn)子流量計(jì)圖7.21轉(zhuǎn)子流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理2023/5/255第55頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三靶式流量計(jì)靶式流量計(jì)由檢測(cè)(傳感)和轉(zhuǎn)換部分組成，檢測(cè)部分包括放在管道中心的圓形靶、杠桿、密封膜片，如圖7-22所示。當(dāng)流體流過靶時(shí)，靶受到流體動(dòng)壓力和靶對(duì)流體的節(jié)流作用而形成的力的作用。此作用力與流體平均流速u、密度及靶的受力面積的關(guān)系為：式中k為一比例常數(shù)。通過測(cè)量靶所受作用力，可以求出流體流速與流量。2023/5/256第56頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三靶式流量計(jì)靶式流量計(jì)的轉(zhuǎn)換部分按輸出信號(hào)有電動(dòng)和氣動(dòng)兩種結(jié)構(gòu)形式。測(cè)量時(shí)通過杠桿機(jī)構(gòu)將靶上所受力引出，按照力矩平衡方式將此力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)或氣壓信號(hào)，由顯示儀表顯示流量值。靶式流量計(jì)適用于測(cè)量高粘度、低雷諾數(shù)流體的流量測(cè)量，如重油、瀝青、含固體顆粒的漿液及腐蝕性介質(zhì)。靶式流量計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不需安裝引壓管和其它輔助管件，安裝維護(hù)方便；壓力損失小。靶式流量計(jì)在安裝與使用時(shí)，為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度，流量計(jì)前后應(yīng)有必要的直管段，且一般應(yīng)水平安裝，若必須安裝在垂直管道上時(shí)，要注意流體的流動(dòng)方向應(yīng)由下向上，安裝后必須進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。2023/5/257第57頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三靶式流量計(jì)圖7.22靶式流量計(jì)工作原理2023/5/258第58頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì)是一種典型的速度式流量計(jì)。它具有測(cè)量精度高、反應(yīng)快以及耐壓高等特點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣泛。渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖7.23所示，主要由外殼、導(dǎo)流器、支承、渦輪和磁電轉(zhuǎn)換器組成。渦輪是測(cè)量元件，被測(cè)流體推動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，在—定范圍內(nèi)，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的平均流速成正比，通過磁電轉(zhuǎn)換裝置將渦輪轉(zhuǎn)速變成電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后送給顯示記錄儀表，即可以推導(dǎo)出被測(cè)流體的瞬時(shí)流量和累積流量。渦輪通常有不銹鋼材料制成，根據(jù)流量計(jì)直徑大小，其上裝有28片葉片。為了提高對(duì)流速變化的響應(yīng)性，渦輪質(zhì)量應(yīng)盡量小。2023/5/259第59頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三渦輪流量計(jì)磁電轉(zhuǎn)換裝置由線圈和磁鋼組成，安裝在流量計(jì)殼體上，可分成磁阻式和感應(yīng)式兩種。磁阻式將磁鋼放在感應(yīng)線圈內(nèi)，渦輪葉片由導(dǎo)磁材料制成。當(dāng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)通過磁鋼下面時(shí)，磁路中的磁阻改變，周期性地在線圈中感應(yīng)出電脈沖信號(hào)，其頻率就是葉片轉(zhuǎn)過的頻率。感應(yīng)式是在渦輪內(nèi)腔放置磁鋼，渦輪葉片由非導(dǎo)磁材料制成。磁鋼隨渦輪旋轉(zhuǎn)，在線圈內(nèi)感應(yīng)出電脈沖信號(hào)。由于磁阻式比較簡(jiǎn)單、可靠，所以使用較多。除磁電轉(zhuǎn)換方式外，也可用光電元件、霍爾元件等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為提高抗干擾能力和增大信號(hào)傳送距離，在磁電轉(zhuǎn)換器內(nèi)裝有前置放大器。2023/5/260第60頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì)測(cè)量精度高，可達(dá)0.5級(jí)以上，在小范圍內(nèi)可達(dá)±0.1％,復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好；量程范圍寬，量程比可達(dá)(10～20):1,刻度線性；耐高壓，承受的工作壓力可達(dá)16MPa，而壓力損失在最大流量時(shí)小于25KPa；對(duì)流量變化反應(yīng)迅速，可測(cè)脈動(dòng)流量，其時(shí)間常數(shù)一般僅為幾到幾十毫秒；輸出為脈沖信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)便于遠(yuǎn)傳及與計(jì)算機(jī)相連。渦輪流量計(jì)的缺點(diǎn)是制造困難，成本高。由于渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承易損，降低了長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，影響使用壽命。通常渦輪流量計(jì)主要用于量精度要求高、流量變化快的場(chǎng)合，還用作標(biāo)定其他流量的標(biāo)準(zhǔn)儀表。渦輪流量計(jì)應(yīng)水平安裝，并保證其前后有一定的直管段。它還可用以測(cè)量氣體、液體流量,也可以測(cè)量輕質(zhì)油，如汽油、煤油、柴油、低黏度地潤(rùn)滑油以及腐蝕性不強(qiáng)的酸堿溶液流量，但要求被測(cè)介質(zhì)潔凈，以減少軸承磨損，一般應(yīng)在流量計(jì)前加裝過濾裝置。如果被測(cè)液體易氣化或含有氣體時(shí)，要在流量計(jì)前裝消氣器。2023/5/261第61頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三渦輪流量計(jì)圖7.23渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理2023/5/262第62頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三渦街流量計(jì)漩渦式流量計(jì)是20世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來(lái)一種新型流量?jī)x表，80年代以后逐漸得到廣泛應(yīng)用。渦街流量計(jì)屬于其中的一種，它是利用流體的卡門漩渦列原理進(jìn)行測(cè)量的。圖7.24圓柱漩渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖7.24圓柱漩渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理2023/5/263第63頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三渦街流量計(jì)在均勻流動(dòng)的流體中,垂直地插入一個(gè)具有非流線型截面的柱體,稱為漩渦發(fā)生體，則在該漩渦發(fā)生體兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反、交替出現(xiàn)的漩渦，并隨著流體流動(dòng)，在下游形成兩列不對(duì)稱的漩渦列，稱之為“卡門渦街”。圖7.24所示為圓柱漩渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理。在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，每一列漩渦產(chǎn)生的頻率?與漩渦發(fā)生體的形狀和流體流速有確定的關(guān)系：式中d為漩渦發(fā)生體的特征尺寸，St稱為斯特羅哈爾數(shù)，與漩渦發(fā)生體形狀及流體雷諾數(shù)有關(guān)，但在雷諾數(shù)500～150000的范圍內(nèi)，St值基本不變，工業(yè)上測(cè)量的流體雷諾數(shù)幾乎都不超過上述范圍，因此漩渦產(chǎn)生的頻率僅決定于流體的流速和漩渦發(fā)生體的特征尺寸。2023/5/264第64頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三渦街流量計(jì)當(dāng)漩渦發(fā)生體的形狀和尺寸確定后，可以通過測(cè)量漩渦產(chǎn)生頻率來(lái)測(cè)量流體的流量。漩渦頻率的檢出有多種方式，可以將檢測(cè)元件放在漩渦發(fā)生體內(nèi)，也可以在下游設(shè)置檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。圖7.23所示采用的檢測(cè)方法是，中空的圓柱體漩渦發(fā)生器兩側(cè)開有導(dǎo)壓孔與內(nèi)部空腔相連，孔中裝有電流加熱的鉑電阻絲。兩側(cè)漩渦交替經(jīng)過導(dǎo)流孔，有漩渦的一側(cè)靜壓增大，流速減小，流體被壓進(jìn)空腔，如此交替使空腔內(nèi)流體產(chǎn)生脈動(dòng)流動(dòng)。脈動(dòng)流動(dòng)的流體對(duì)電阻產(chǎn)生冷卻，使電阻值發(fā)生脈動(dòng)變化，從而產(chǎn)生和漩渦頻率一致的脈沖信號(hào)，檢測(cè)此脈沖信號(hào)即可測(cè)出流量。也可以在空腔內(nèi)使用壓電式或應(yīng)變式檢測(cè)元件測(cè)出交替變化的壓力。2023/5/265第65頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)測(cè)量精度較高，可達(dá)±1％；量程比寬,可達(dá)30:1；在管道內(nèi)無(wú)可動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)，壓力損失小，水平或垂直安裝均可，安裝與維護(hù)比較方便，測(cè)量幾乎不受流體參數(shù)變化的影響，對(duì)氣體、液體和蒸汽等介質(zhì)均適用。由于輸出脈沖信號(hào)，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳。這種流量計(jì)，是一種正在得到廣泛應(yīng)用的流量?jī)x表。渦街流量計(jì)一般適用于大口徑或大橫截面（相對(duì)于漩渦發(fā)生器）、紊流流速分布變化小的情況，并要求流量計(jì)前后有足夠長(zhǎng)的直管段。2023/5/266第66頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)利用法拉第電磁感應(yīng)原理測(cè)量導(dǎo)電流體的流量。它由變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，變送器由一對(duì)安裝在管道上的電極一對(duì)磁極組成，要使磁力線、電極和管道三者成相互垂直狀態(tài)，如圖7.25所示。變送器將流體流量信息變成感應(yīng)的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換器則信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出。當(dāng)導(dǎo)電流體以平均流速u在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于切割磁力線在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E，E的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、管道直徑D、和流速u有如下關(guān)系：則流體流量方程為：

該流量方程須滿足磁場(chǎng)是均勻分布的恒定磁場(chǎng)、被測(cè)流體非磁性、流速軸為對(duì)稱分布、流體電導(dǎo)率均勻且各向同性等條件。2023/5/267第67頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電磁流量計(jì)磁場(chǎng)的勵(lì)磁方式有直流勵(lì)磁，正弦交流勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁三種方式。直流勵(lì)磁方式用永久磁鐵或直流電勵(lì)磁，能產(chǎn)生一個(gè)恒定的均勻磁場(chǎng)不易受交流磁場(chǎng)干擾，流體自感現(xiàn)象??；但易使電極極化，導(dǎo)致電機(jī)間電阻增大，故只適用于非電解質(zhì)液體，如液態(tài)金屬的流量測(cè)量。正弦交流勵(lì)磁產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，可以克服直流勵(lì)磁的極化現(xiàn)象，便于信號(hào)的放大，但易受電磁干擾。低頻方波勵(lì)磁兼具直流和交流勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)，既能使感應(yīng)電勢(shì)與平均流速成正比，又能排除極化現(xiàn)象。但檢測(cè)線路需要經(jīng)過交流放大、采樣保持、直流放大等過程轉(zhuǎn)換為直流輸出，使得線路比較復(fù)雜。電磁流量計(jì)2023/5/268第68頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是工業(yè)中測(cè)量導(dǎo)電流體常用的流量計(jì)，能夠測(cè)量以及含有固體顆粒(例如泥漿)或纖維液體的流量；由于測(cè)量導(dǎo)管中無(wú)阻力件，壓力損失極小，電極和襯里有防腐措施，故可測(cè)量適用于含有顆粒、懸浮物等流體（如紙漿、礦漿、煤粉漿）和酸、堿、鹽溶液的流量。電磁流量計(jì)測(cè)量范圍大，量程比可達(dá)10:1，甚至100:1；流量計(jì)適用面廣，管徑小到1mm，大到2m以上；測(cè)量精度為0.5-1.5級(jí)；輸出與流量呈線性關(guān)系，且不受被測(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)影響；反應(yīng)迅速，可以測(cè)量脈動(dòng)流量。電磁流量計(jì)對(duì)直管段要求不高，使用比較方便。電磁流量計(jì)要求被測(cè)介質(zhì)必須是導(dǎo)電的液體，不能用于氣體、蒸汽及石油制品的流量測(cè)量；流速測(cè)量下限有一定限度，一般為50cm/s；由于電極裝在管道上，工作壓力受到限制。此外電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，成本較高。電磁流量計(jì)的安裝地點(diǎn)應(yīng)盡量避免劇烈振動(dòng)和交直流強(qiáng)磁場(chǎng)，要求任何時(shí)候流體都要充滿管道。可以水平安裝也可垂直安裝，水平安裝時(shí)兩個(gè)電極要在同一平面上，垂直安裝時(shí)流體要自下而上流過儀表，要確保流體、外殼、管道間的良好接地和良好點(diǎn)接觸。2023/5/269第69頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電磁流量計(jì)圖7.25電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理2023/5/270第70頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)使一種新型流量計(jì)。超聲波用于流量測(cè)量的原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關(guān)法等多種方法，在工業(yè)應(yīng)用中以傳播速度法最普遍。其基本原理是，超聲波在流體中傳播時(shí)，流體流速對(duì)超聲波傳播速度會(huì)產(chǎn)生影響，通過發(fā)射和接收超聲波信號(hào)可以測(cè)知流體流速，從而求得流量。圖7.26為超聲波測(cè)速原理。根據(jù)具體測(cè)量參數(shù)的不同，又可分為時(shí)差法、相差法和頻差法。2023/5/271第71頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三超聲波流量計(jì)圖7.26超聲波測(cè)速原理2023/5/272第72頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三超聲波流量計(jì)

時(shí)差法時(shí)差法測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流時(shí)傳播的時(shí)間差。圖7.25所示，在管道上、下游相距L處分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射器和接收器。設(shè)聲波在靜止流體中的傳播速度為，流體的流速為。當(dāng)按順流方向、按逆流方向發(fā)射超聲波時(shí)，接收器和接收聲波所需的時(shí)間t1、t2分別為：因C>>U，可忽略，故時(shí)差則流體流速

在實(shí)際的工業(yè)測(cè)量中，時(shí)差t非常小，若流速測(cè)量要達(dá)到1％準(zhǔn)確度，則時(shí)差測(cè)量要達(dá)到0.01的準(zhǔn)確度，因此難以實(shí)現(xiàn)。2023/5/273第73頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三超聲波流量計(jì)相差法相差法是把上述時(shí)間差轉(zhuǎn)換為超聲波傳播的相位差來(lái)測(cè)量。設(shè)發(fā)射器向流體連續(xù)發(fā)射頻率為f的正弦波超聲波脈沖，則逆流和順流時(shí)兩束波的相位差與前述時(shí)間差t之間的關(guān)系為

則流體的流速

相差比時(shí)差有了一個(gè)2f放大系數(shù)，對(duì)儀器靈敏度的要求不必象時(shí)差法那樣嚴(yán)格，因此提高了測(cè)量精度。但在時(shí)差法和相位差法中，流速測(cè)量均與聲速有關(guān)，而聲速是溫度的函數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)會(huì)影響到測(cè)量精度。2023/5/274第74頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三超聲波流量計(jì)頻差法頻差法是通過測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的循環(huán)頻率差來(lái)測(cè)量流量的。超聲波發(fā)射器向被測(cè)流體發(fā)射超聲脈沖，接收器收到聲脈沖并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后再用此電信號(hào)去觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)射下一個(gè)聲脈沖，因此任何一個(gè)聲脈沖都是由前一個(gè)接收信號(hào)脈沖所觸發(fā)。脈沖信號(hào)發(fā)射體、流體、接收器、放大電路內(nèi)循環(huán)，故稱聲循環(huán)法。脈沖循環(huán)周期的倒數(shù)稱為聲循環(huán)頻率(即重復(fù)頻率)，它由脈沖在流體中的傳播時(shí)間有關(guān)。因此順流、逆流時(shí)的生循環(huán)頻率f1、f2分別為：

聲脈沖循環(huán)頻差：

流體流速：

2023/5/275第75頁(yè)，共112頁(yè)，2023年，2月20日，星期三超聲波流量計(jì)流體流速和頻差成正比，且與聲速無(wú)關(guān)，精度與穩(wěn)定性都有提高，這是頻差法的顯著優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)頻差很小，直接測(cè)量的誤差大，為了提