傳感器在工程檢測中的應(yīng)用i

第15章傳感器在工程檢測中的應(yīng)用

15.1溫度測量

15.2壓力測量

15.3流量測量

15.4物位測量

15.1溫度測量

15.1.1溫度概述1.溫度與溫標溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接加以測量，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量。為了定量地描述溫度的高低，必須建立溫度標尺(溫標)，溫標就是溫度的數(shù)值表示。各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標確定。歷史上提出過多種溫標，如早期的經(jīng)驗溫標（攝氏溫標和華氏溫標），理論上的熱力學(xué)溫標，當前世界通用的是國際溫標。熱力學(xué)溫標是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的一種理論溫標，熱力學(xué)溫標確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號為T），單位為開爾文（符號為K）。

國際溫標是一個國際協(xié)議性溫標，是既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫標（即保證較高的準確度），使用方便，又容易實現(xiàn)的溫標。國際溫標自1927年擬定以來幾經(jīng)修改而不斷完善，目前實行的是1990年國際溫標（ITS—90），取代了早先推行的IPTS—68。國際溫標規(guī)定仍以熱力學(xué)溫度作為基本溫度，1K等于水三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16。它同時定義國際開爾文溫度（符號T90）和國際攝氏溫度（符號t90），T90和t90之間的關(guān)系為t90/℃=T90/K-273.16

2.溫度測量的主要方法和分類(1)溫度傳感器的組成在工程中無論是簡單的還是復(fù)雜的測溫傳感器，就測量系統(tǒng)的功能而言，通常由現(xiàn)場的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成，如圖15-1所示。簡單的溫度傳感器往往是把溫度傳感器和顯示器組成一體的，對這樣一種傳感器一般在現(xiàn)場使用。圖15–1溫度傳感器組成框圖

(2)溫度測量方法及分類測量方法按感溫元件是否與被測介質(zhì)接觸，可以分成接觸式測溫與非接觸式測溫兩大類。接觸式測溫是使溫度敏感元件和被測介質(zhì)相接觸，當被測介質(zhì)與感溫元件達到熱平衡時，溫度敏感元件與被測介質(zhì)的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價格低廉等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最多的一類。

非接觸式測溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。眾所周知，物體輻射能的大小與溫度有關(guān)，并且以電磁波形式向四周輻射，當選擇合適的接收檢測裝置時，便可測得被測對象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號，實現(xiàn)溫度的測量。非接觸式溫度傳感器理論上不存在接觸式溫度傳感器的測量滯后和應(yīng)用范圍上的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測溫度場，但精度較低，使用不太方便。15.1.2膨脹式溫度傳感器

根據(jù)液體、固體、氣體受熱時產(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是利用液體受熱后體積膨脹的原理來測量溫度的。在有刻度的細玻璃管里充入液體（稱為工作液，如水銀、酒精等）就構(gòu)成了液體膨脹式溫度計（又稱玻璃管液體溫度計），如圖15-2所示。玻璃管液體溫度計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，精確度高，價格低廉。這種溫度計遠不能算傳感器，它只能就地指示溫度。圖15–2玻璃管液體溫度計(a)外標尺式；(b)內(nèi)標尺式圖15–3工業(yè)用玻璃管液體溫度計(a)外標尺式；(b)內(nèi)標尺式圖15–4電接點式溫度計結(jié)構(gòu)示意圖

2.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)生膨脹變形來測溫的。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15-5為雙金屬溫度計的結(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，當溫度變化時，雙金屬片彎曲變形，通過指針軸帶動指針偏轉(zhuǎn)顯示溫度。它常用于測量-80～600℃范圍的溫度，抗震性能好，讀數(shù)方便，但精度不太高，用于工業(yè)過程測溫、上下限報警和控制。圖15–5雙金屬溫度計結(jié)構(gòu)示意圖

3.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測溫的，利用這種原理測溫的溫度計又稱壓力計式溫度計，如圖15-6所示。溫包、毛細管和彈簧管三者的內(nèi)腔構(gòu)成一個封閉容器，其中充滿工作物質(zhì)（如氣體常為氮氣），工作物質(zhì)的壓力經(jīng)毛細管傳給彈簧管，使彈簧管產(chǎn)生變形，并由傳動機構(gòu)帶動指針，指示出被測溫度的數(shù)值。溫包內(nèi)的工作物質(zhì)也可以是液體（如甲醇、二甲苯、甘油等）或低沸點液體的飽和蒸氣（如乙醚、氯乙烷、丙酮等），溫度變化時，溫包內(nèi)液體受熱膨脹使液體或飽和蒸氣壓力發(fā)生變化，屬液體膨脹式的壓力溫度計。壓力溫度計結(jié)構(gòu)簡單，抗振及耐腐蝕性能好，與微動開關(guān)組合可作溫度控制器用，但它的測量距離受毛細管長度限制，一般充液體可達20m，充氣體或蒸氣可達60m。圖15–6壓力式溫度計結(jié)構(gòu)示意圖15.1.3熱電偶傳感器1.熱電偶測溫原理兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個閉合回路(如圖15-7所示)，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng),該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。兩個接點，一個稱熱端，又稱測量端或工作端，測溫時將它置于被測介質(zhì)中;另一個稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過導(dǎo)線與顯示儀表相連。圖15–7熱電偶回路圖15–8熱電偶測溫系統(tǒng)簡圖

接觸電勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。兩種導(dǎo)體接觸時，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴散，在接觸處失去電子一側(cè)帶正電，得到電子一側(cè)帶負電，擴散達到動平衡時，在接觸面的兩側(cè)就形成穩(wěn)定的接觸電勢。接觸電勢的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度。兩接點的接觸電勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為

溫差電勢是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時，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電，因此，在導(dǎo)體兩端便形成接觸電勢，其大小由下面公式給出：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)。

在圖15-7所示的熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢為在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計，則熱電偶的熱電勢可表示為

eAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即eAB(T,T0)=eAB(T)-c=f(T)這一關(guān)系式在實際測量中是很有用的，即只要測出eAB（T，T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。

2.熱電偶基本定律①均質(zhì)導(dǎo)體定律:由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關(guān)。即如材料不均勻，當導(dǎo)體上存在溫度梯度時，將會有附加電動勢產(chǎn)生。這條定理說明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。②中間導(dǎo)體定律：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？中間導(dǎo)體定律說明，在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。

圖15-9為接入第三種導(dǎo)體熱電偶回路的兩種形式。在圖15-9（a）所示的回路中，由于溫差電勢可忽略不計，則回路中的總熱電勢等于各接點的接觸電勢之和，即eABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)當t=t0時，有eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0)將（15-10）式代入（15-9）式中得eABC(t,t0)+eAB(t0)-eAB(t0)=eAB(t,t0)圖15-9具有三種導(dǎo)體的熱電偶回路

③中間溫度定律：在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和（見圖15-10），即eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據(jù)，在實際熱電偶測溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。另外根據(jù)這個定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B′(見圖15-10)，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。圖15-10中間溫度定律

3.熱電偶類型理論上講，任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但為了準確可靠地測量溫度，對組成熱電偶的材料必須經(jīng)過嚴格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件：熱電勢變化盡量大，熱電勢與溫度關(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。實際上并非所有材料都能滿足上述要求。目前在國際上被公認比較好的熱電偶的材料只有幾種。國際電工委員會（IEC）向世界各國推薦8種標準化熱電偶。所謂標準化熱電偶，就是它已列入工業(yè)標準化文件中，具有統(tǒng)一的分度表。我國已采用IEC標準生產(chǎn)熱電偶，并按標準分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。

4.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對象的測溫要求和條件，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)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成，其結(jié)構(gòu)如圖15-11所示。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。圖15-11普通型熱電偶結(jié)構(gòu)

(2)鎧裝型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)拉伸加工而成的堅實組合體，如圖15-12所示。它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，機械強度高，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。圖15-12鎧裝型熱電偶

(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)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶，如圖15-13所示。薄膜熱電偶的熱接點可以做得很?。杀〉?.01～0.1μm），具有熱容量小、反應(yīng)速度快等特點，熱響應(yīng)時間達到微秒級，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態(tài)溫度測量。圖15-13薄膜熱電偶

5.熱電偶的補償導(dǎo)線及冷端溫度的補償方法當熱電偶材料選定以后，熱電動勢只與熱端和冷端溫度有關(guān)。因此只有當冷端溫度恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數(shù)關(guān)系。此外熱電偶的分度表是以冷端溫度0℃作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為0℃，所以必須對冷端溫度進行處理，消除冷端溫度的影響。那么熱端溫度為t時，分度表所對應(yīng)的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢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)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。

(1)熱電偶補償導(dǎo)線在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導(dǎo)線，它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導(dǎo)線制成，而且在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。

(2)冷端溫度修正法采用補償導(dǎo)線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要冷端溫度t0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表所對應(yīng)的熱電勢eAB(t,0)與熱電偶實際產(chǎn)生的熱電勢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)

(3)冷端0℃恒溫法在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。這是一種理想的補償方法，但工業(yè)中使用極為不便。

(4)冷端溫度自動補償法（補償電橋法）補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab作為補償信號，來自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。補償電橋如圖15-14所示，它由三個電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3及電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻rcu和穩(wěn)壓電源組成。補償電橋與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，當冷端溫度變化引起的熱電勢eAB(t,t0)變化時，由于rcu的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當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補償由于冷端溫度t0變化引起的熱電勢變化量，從而達到自動補償?shù)哪康摹D15-14補償電橋

6.熱電偶測溫線路熱電偶測溫時，它可以直接與顯示儀表（如電子電位差計、數(shù)字表等）配套使用，也可與溫度變送器配套，轉(zhuǎn)換成標準電流信號，圖15-15為典型的熱電偶測溫線路。如用一臺顯示儀表顯示多點溫度時，可按圖15-16連接，這樣可節(jié)約顯示儀表和補償導(dǎo)線。圖15-15熱電偶典型測溫線路普通測溫線路；(b)帶有補償器的測溫線路；(c)具有溫度變送器的測溫線路；(d)具有一體化溫度變送器的測溫線路圖15-16多點測溫線路

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的熱電偶，且冷端應(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輸出和提高靈敏度；在測量兩點溫差時，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測量平均溫度。熱電偶串、并聯(lián)線路如圖15-17所示。圖15-17熱電偶串、并聯(lián)線路(a)正向串聯(lián)；(b)反向串聯(lián)；(c)并聯(lián)15.1.4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行測溫的。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，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。熱電阻廣泛用來測量-200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國際溫標的標準儀器。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成，如圖15-18所示。熱電阻也可與溫度變送器連接，轉(zhuǎn)換為標準電流信號輸出。

圖15-18熱電阻傳感器

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。按IEC標準，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-200～0℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的溫度范圍內(nèi)

Rt=R0(1+At+Bt2)式中：Rt和R0——鉑熱電阻分別在t℃和0℃時的電阻值；

A、B和C——常數(shù)。在ITS—90中，這些常數(shù)規(guī)定為

A=3.9083×10-13/℃

B=-5.775×10-7/℃2

C=-4.183×10-12/℃4

從上式看出，熱電阻在溫度t時的電阻值與0℃時的電阻值R0有關(guān)。目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。Pt100的分度表見表15-8。鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W（100）表示，即式中：R100——鉑熱電阻在100℃時的電阻值；

R0——鉑熱電阻在0℃時的電阻值。電阻比W（100）越大，其純度越高。按IEC標準，工業(yè)使用的鉑熱電阻的W100≥1.3850。目前技術(shù)水平可達到W（100）=1.3930，其對應(yīng)鉑的純度為99.9995%。

(2)銅熱電阻由于鉑是貴重金屬，因此，在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫，它的測量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測量范圍內(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+αt）式中,α為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，取α=4.28×10-3/℃。銅熱電阻有兩種分度號，分別為Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。銅熱電阻線性好，價格便宜，但它測量范圍窄，易氧化，不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。2.熱電阻的結(jié)構(gòu)圖15-19熱電阻結(jié)構(gòu)

電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無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，它與接線盒柱相接，以便與外接線路相連而測量及顯示溫度。用熱電阻傳感器進行測溫時，測量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對測量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種，如圖15-20所示。二線制中引線電阻對測量影響大，用于測溫精度不高的場合。三線制可以減小熱電阻與測量儀表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響，用于高精度溫度檢測。

圖15-20內(nèi)部引線方式15.1.5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小硅片上，構(gòu)成一個小型化、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、價格低等優(yōu)點。由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制，它只能用來測150℃以下的溫度。

1.基本工作原理目前在集成溫度傳感器中，都采用一對非常匹配的差分對管作為溫度敏感元件。圖15-21是集成溫度傳感器基本原理圖。其中V1和V2是互相匹配的晶體管，I1和I2分別是V1和V2管的集電極電流，由恒流源提供。V1和V2管的兩個發(fā)射極和基極電壓之差ΔUbe可用下式表示：圖15-21集成溫度傳感器基本原理圖

2.集成溫度傳感器的信號輸出方式(1)電壓輸出型電壓輸出型集成溫度傳感器原理電路如圖15-22所示。當電流I1恒定時，通過改變R1的阻值，可實現(xiàn)I1=I2，當晶體管的β≥1時，電路的輸出電壓可由下式確定：若取R1=940Ω，R2=30kΩ，γ=37，則電路輸出的溫度系數(shù)為圖15-22電壓輸出型原理電路圖

（2）電流輸出型圖15-23為電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路圖。V1和V2是結(jié)構(gòu)對稱的兩個晶體管，作為恒流源負載，V3和V4管是測溫用的晶體管，其中V3管的發(fā)射結(jié)面積是V4管的8倍，即γ=8。流過電路的總電流IT為上式表明，當R和γ一定時，電路的輸出電流與溫度有良好的線性關(guān)系。圖15-23電流輸出型原理電路圖若取R為358Ω，則電路輸出的溫度系數(shù)為電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國AD公司生產(chǎn)的AD590。我國生產(chǎn)的SG590也屬于同類型產(chǎn)品，其基本電路與圖15-23一樣，只是增加了一些啟動電路，防止電源反接以及使左右兩支路對稱的附加電路，以進一步提高性能。AD590的電源電壓為4～30V，可測溫度范圍為-50～150℃。

3.AD590集成溫度傳感器應(yīng)用實例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，就可方便地構(gòu)成各種應(yīng)用電路。下面介紹AD590幾種簡單的應(yīng)用線路。(1)溫度測量電路圖15-24是一個簡單的測溫電路。AD590在25℃（298.2K）時，理想輸出電流為298.2μA，但實際上存在一定誤差，可以在外電路中進行修正。將AD590串聯(lián)一個可調(diào)電阻，在已知溫度下調(diào)整電阻值，使輸出電壓Uo滿足1mV/K的關(guān)系（如25℃時，Uo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Uo讀出AD590所處的熱力學(xué)溫度。圖15-24簡單的測溫電路(2)控溫電路簡單的控溫電路如圖15-25所示。AD311為比較器，它的輸出控制加熱器電流，調(diào)節(jié)RT可改變比較電壓，從而改變了控制溫度。AD581是穩(wěn)壓器，為AD590提供一個合理的穩(wěn)定電壓。圖15-25簡單的控溫電路(3)熱電偶冷端補償電路該種補償電路如圖15-26所示。AD590應(yīng)與熱電偶冷端處于同一溫度下。AD580是一個三端穩(wěn)壓器，其輸出電壓為2.5V。電路工作時，調(diào)整電阻R2,使得I1=t0×10-3(mA)

這樣在電阻R1上產(chǎn)生一個隨冷端溫度t0變化的補償電壓U1=I1R1。圖15-26熱電偶參考端補償電路當熱電偶冷端溫度為t0，其熱電勢eAB(t0，0)≈S·t0，S為塞貝克系數(shù)（μV/℃）。補償時應(yīng)使U1與eAB(t0，0)近似相等，即R1與塞貝克系數(shù)相等。對于不同分度號的熱電偶，R1的阻值亦不同。這種補償電路靈敏、準確、可靠、調(diào)整方便，溫度變化在15～35℃范圍內(nèi)，可獲得±0.5℃的補償精度。15.2壓力測量

壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測量和控制壓力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測量中。工程技術(shù)上所稱的“壓力”實質(zhì)上就是物理學(xué)里的“壓強”，定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。其表達式為式中:P——壓力；F——作用力；A——作用面積。

國際單位制（SI）中定義：1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上形成的壓力為1“帕斯卡”。帕斯卡簡稱“帕”，單位符號為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)改為法定計量單位帕，其換算關(guān)系如下：1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.333×102Pa1atm=1.01325×105Pa

壓力有以下幾種不同表示方法：(1)絕對壓力這是指作用于物體表面積上的全部壓力，其零點以絕對真空為基準，又稱總壓力或全壓力，一般用大寫符號P表示。(2)大氣壓力這是指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以P0表示。(3)表壓力這是指絕對壓力與大氣壓力之差，一般用p表示。測壓儀表一般指示的壓力都是表壓力，表壓力又稱相對壓力。當絕對壓力小于大氣壓力時，則表壓力為負壓，負壓又可用真空度表示，負壓的絕對值稱為真空度。如測爐膛和煙道氣的壓力均是負壓。(4)差壓任意兩個壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計和差壓式流量計就是利用測量差壓的大小來知道液位和流體流量的大小的。15.2.2液柱式壓力計液柱式壓力計是根據(jù)流體靜力學(xué)原理來測量壓力的。它們一般采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進行測量，常用于低壓、負壓或壓力差的測量。圖15-27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p1=p2時，左右兩管的液體高度相等。當p1<p2時，兩邊管內(nèi)液面便會產(chǎn)生高度差。圖15-27U形玻璃管壓力測量原量圖根據(jù)液體靜力學(xué)原理可知：Δp=p2-p1=ρgh式中,ρ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，p2一側(cè)通被測壓力，則上式）可改寫為p2=ρgh

如果把U形管的一個管換成大直徑的杯，即可變成如圖15-28所示的單管或斜管。測壓原理與U形管相同，當大容器通入被測壓力p，管中通入大氣壓P0，只是因為杯徑比管徑大得多，杯內(nèi)液位變化可略去不計，使計算及讀數(shù)更為簡易，被測壓力仍可寫成p=ρgh圖15-28液柱式壓力計(a)U形管壓力計；（b）單管壓力計;（c）傾斜式壓力計15.2.3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量基礎(chǔ)的。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，現(xiàn)場使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測量范圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。

1.彈性元件采用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件，可以適用于不同場合、不同范圍的壓力測量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。圖15-29給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測量。

圖15-29彈性元件示意圖

圖15-30為利用彈性形變測壓原理圖?；钊椎幕钊撞考佑兄鶢盥菪龔椈?，彈簧一端固定，當通入被測壓力p時，彈簧被壓縮并產(chǎn)生一彈性力與被測壓力平衡，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Δx與被測壓力p的關(guān)系符合胡克定律，表示為式中:c——彈簧的剛度系數(shù)；

A——活塞的有效面積。

圖15-30彈性元件測壓原理圖

當c、A為定值時，測量壓力就變?yōu)闇y量彈性元件的位移量Δx。金屬彈性元件都具有不完全彈性，即在所加作用力去除后，彈性元件會表現(xiàn)殘余變形、彈性后效和彈性滯后等現(xiàn)象，這將會造成測量誤差。彈性元件特性與選用的材料和負載的最大值有關(guān)。若要減小這方面的誤差，則應(yīng)注意選用合適的材料，加工成形后進行適當?shù)臒崽幚淼取?/p>

2.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圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，如圖15-31所示。管子的一端為封閉，作為位移輸出端，另一端為開口，為被測壓力輸入端。當開口端通入被測壓力后，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而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端由B移至B′而產(chǎn)生位移，彈簧管的中心角減小Δθ，如圖15-31中虛線所示。中心角的相對變化量Δθ/θ與被測壓力p有如下的函數(shù)關(guān)系：圖15-31單圈彈簧管結(jié)構(gòu)

由前面可知，如果a=b，則Δθ=0，這說明具有均勻壁厚的圓形彈簧管不能用作測壓敏感元件。對于單圈彈簧管，中心角變化量Δθ比較小，要提高Δθ，可采用多圈彈簧管。

彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)如圖15-32所示。被測壓力由接頭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作逆時針偏轉(zhuǎn)，于是指針5通過同軸的中心齒輪4的帶動而作順時針偏轉(zhuǎn)，在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力的數(shù)值。游絲7是用來克服扇形齒輪和中心齒輪所產(chǎn)生的儀表變差。改變調(diào)節(jié)螺釘8的位置（即改變機械傳動的放大倍數(shù)），可以實現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。圖15-32彈簧管壓力表

3.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散電阻，當它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴散電阻正常工作時需依附于彈性元件，常用的是單晶硅膜片。圖15-33是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓阻芯片采用周邊固定的硅杯結(jié)構(gòu)，封裝在外殼內(nèi)。在一塊圓形的單晶硅膜片上，布置四個擴散電阻，兩片位于受壓應(yīng)力區(qū)，另外兩片位于受拉應(yīng)力區(qū)，它們組成一個全橋測量電路。硅膜片用一個圓形硅杯固定，兩邊有兩個壓力腔，一個和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，接參考壓力，通常和大氣相通。當存在壓差時，膜片產(chǎn)生變形，使兩對電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出電壓反映膜片兩邊承受的壓差大小。圖15-33壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(b)硅膜片示意圖

壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點是體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕斯卡的微壓，它是一種比較理想，目前發(fā)展較為迅速和應(yīng)用較為廣泛的一種壓力傳感器。這種傳感器測量準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)的智能壓阻壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進行補償，它利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將傳感器與微處理器集成在同一塊硅片上，兼有信號檢測、處理、記憶等功能，從而大大提高了傳感器的穩(wěn)定性和測量準確度。

4.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，對壓力傳感器進行選型，確定檢測點與安裝等是非常重要的，傳感器選用的基本原則是依據(jù)實際工藝生產(chǎn)過程對壓力測量所要求的工藝指標、測壓范圍、允許誤差、介質(zhì)特性及生產(chǎn)安全等因素，要經(jīng)濟合理，使用方便。對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必須留有足夠的余地。一般在被測壓力較穩(wěn)定的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的3/4；在被測壓力波動較大的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的2/3。為了保證測量精度，被測壓力最小值應(yīng)不低于全量程的1/3。

如要測量高壓蒸氣的壓力，已知蒸氣壓力為（2～4）×105Pa，生產(chǎn)中允許最大測量誤差為104Pa，且要求就地顯示。如何選擇壓力表呢？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，其測量范圍為(0～6)×105Pa（當壓力從2×105Pa變化到4×105Pa時，正好處于量程的1/3～2/3）。要求最大測量誤差小于104Pa，即要求傳感器的相對誤差所以應(yīng)選精度為1.5級的表。

（2）壓力傳感器的安裝傳感器測量結(jié)果的準確性，不僅與傳感器本身的精度等級有關(guān)，而且還與傳感器的安裝、使用是否正確有關(guān)。壓力檢測點應(yīng)選在能準確及時地反映被測壓力的真實情況處。因此，取壓點不能處于流束紊亂的地方，即要選在管道的直線部分，離局部阻力較遠的地方。測量高溫蒸氣壓力時，應(yīng)裝回形冷凝液管或冷凝器，以防止高溫蒸氣與測壓元件直接接觸。如圖15-34（a）所示。圖15-34測量高溫、腐蝕介質(zhì)壓力表安裝示意圖(a)測量蒸氣；(b)測量有腐蝕性介質(zhì)

測量腐蝕、高粘度、有結(jié)晶等介質(zhì)時，應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐，如圖15-34（b）所示。隔離罐內(nèi)的隔離液應(yīng)選擇沸點高、凝固點低、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)與取壓點相同或相近。對于圖15-35所示情況，壓力表的指示值要比管道內(nèi)的實際壓力高，應(yīng)對取壓管道的液柱附加的壓力誤差進行修正。圖15-35壓力表位于生產(chǎn)設(shè)備下安裝示意圖15.3流量測量15.3.1流量概述

流量是工業(yè)生產(chǎn)中一個重要參數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多原料、半成品、成品都是以流體狀態(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)。因此流量的測量和控制是生產(chǎn)過程自動化的重要環(huán)節(jié)。單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量，稱為瞬時流量。瞬時流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。而在某一段時間間隔內(nèi)流過管道某一截面的流體量的總和，即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累積值，稱為總量或累積流量。瞬時流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。

（1）體積流量qv單位時間內(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：式中，v為截面A中某一面積元dA上的流速。如果流體在該截面上的流速處處相等，則體積流量可寫成qv=vA

（2）質(zhì)量流量qm單位時間內(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：則有qm=ρqv=ρvA

流體的密度受流體的工作狀態(tài)（如溫度、壓力）影響。對于液體，壓力變化對密度的影響非常小，一般可以忽略不計。溫度對密度的影響要大一些，一般溫度每變化10℃時，液體密度的變化約在1%以內(nèi)，所以當溫度變化不是很大，測量準確度要求不是很高的情況下，往往也可以忽略不計。對于氣體，密度受溫度、壓力變化影響較大，如在常溫常壓附近，溫度每變化10℃，密度變化約為3%；壓力每變化10kPa，密度約變化3%。因此在測量氣體流量時，必須同時測量流體的溫度和壓力。為了便于比較，常將在工作狀態(tài)下測得的體積流量換算成標準狀態(tài)下（溫度為20℃，壓力為101325Pa）的體積流量，用符號qVN表示，單位符號為Nm3/s。

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)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量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過程，其情況復(fù)雜，某些場合的流體是高溫、高壓，有時是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測量的方法很多，測量原理和流量傳感器（或稱流量計）也各不相同，從測量方法上一般可分為以下三大類。

①速度式:速度式流量傳感器大多是通過測量流體在管路內(nèi)已知截面流過的流速大小來實現(xiàn)流量測量的。②容積式:容積式流量傳感器是根據(jù)已知容積的容室在單位時間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來測量流體的瞬時流量和總量的。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，測出體積流量再乘被測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、壓力自動補償?shù)难a償式質(zhì)量流量傳感器。另一種是直接測量流體質(zhì)量流量的直接式質(zhì)量流量傳感器，如熱式、慣性力式、動量矩式等質(zhì)量流量傳感器。

15.3.2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流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流裝置前后的壓力差的原理來實現(xiàn)的。差壓式流量傳感器流量測量系統(tǒng)主要由節(jié)流裝置和差壓計（或差壓變送器）組成，如圖15-36所示。節(jié)流裝置的作用是把被測流體的流量轉(zhuǎn)換成壓差信號，差壓計則對壓差信號進行測量并顯示測量值，差壓變送器能把差壓信號轉(zhuǎn)換為與流量對應(yīng)的標準電信號或氣信號，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)簡單，對流體的種類、溫度、壓力限制較少，因而應(yīng)用廣泛。圖15-36差壓式流量傳感器流量測量系統(tǒng)

1.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元件，是安裝在流體流動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)形式、相對尺寸、技術(shù)要求、管道條件和安裝要求等均已標準化，故又稱標準節(jié)流元件，如圖15-37所示。其中孔板最簡單又最為典型，加工制造方便，在工業(yè)生產(chǎn)過程中常被采用。標準節(jié)流裝置按照規(guī)定的技術(shù)要求和試驗數(shù)據(jù)來設(shè)計、加工、安裝，無需檢測和標定，可以直接投產(chǎn)使用，并可保證流量測量的精度。圖15-37標準節(jié)流元件(a)孔板；(b)噴嘴；(c)文丘里管

2.測量原理與流量方程式（1）測量原理在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下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)流元件測量流量時，流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=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量原理。

圖15-38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。由于流動是穩(wěn)定不變的，即流體在同一時間內(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時快。在流速變化的同時，流體的動壓能和靜壓能也發(fā)生變化，根據(jù)能量守恒定律，因而在孔板前后出現(xiàn)了靜壓差。通過測量此靜壓差便可以求出流速和流量。圖15-38節(jié)流件前后流速和壓力分布情況

（2）流量方程式當連續(xù)流動的流體流經(jīng)Ⅰ-Ⅰ截面時管中心的流速為v10，靜壓為p10，密度為ρ1，流體流經(jīng)Ⅱ-Ⅱ截面時管中心的流速為v20、靜壓為p20，密度為ρ2，由于流體運動的慣性，流束最小截面處不在節(jié)流孔中，而是在Ⅱ-Ⅱ截面處。對于不可壓縮的理想流體，即流體流過節(jié)流件時，流體不對外作功，和外界沒有熱交換，而且節(jié)流件前后的流體密度相等，即ρ1=ρ2=ρ。根據(jù)伯努利方程，在兩截面Ⅰ、Ⅱ處管中心流體的能量方程為

考慮流速分布的不均勻，及實際流體有粘性，在流動時會產(chǎn)生摩擦力，其損失的能量為。在兩截面Ⅰ、Ⅱ處的能量方程可寫成式中：C1、C2——截面Ⅰ、Ⅱ處流速分布不均勻的修正系數(shù)，C1=v10/v1,C2=v20/v2；

v1、v2——截面Ⅰ、Ⅱ的平均流速。由于流體流動的連續(xù)性，則A1v1ρ=A2v2ρ

這樣我們可得

式中：m——開口截面比，m=A0/A1,A1為Ⅰ-Ⅰ截面的流通面積；

μ——收縮系數(shù)，μ=A2/A0，A2為Ⅱ-Ⅱ截面流束的流通面積。

另外實際取壓是在管壁取的，所測得的壓力是管壁處的靜壓力，設(shè)實際取得的壓力為p1和p2，需引入一個取壓系數(shù)ψ，并取

根據(jù)流量的定義，我們可以得到體積流量與壓差Δp=p1-p2之間的流量方程式為體積流量質(zhì)量流量

式中，α為流量系數(shù)，

對于可壓縮流體，例如各種氣體及蒸氣通過節(jié)流元件時，由于壓力變化必然會引起密度ρ的改變，即ρ1≠ρ2，這時在公式中應(yīng)引入流束膨脹系數(shù)ε，可壓縮性流體流束膨脹系數(shù)ε小于1，如果是不可壓縮性流體，則ε=1。并規(guī)定流體密度用節(jié)流件前的流體密度ρ1，則可壓縮性流體的流量方程式變?yōu)?/p>

流量公式中的流量系數(shù)α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、流體流動狀態(tài)（雷諾數(shù)）及管道條件等因素有關(guān)。對于標準節(jié)流裝置，α值可直接從有關(guān)手冊中查出。3.差壓式流量檢測系統(tǒng)圖15-39差壓式流量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

節(jié)流裝置是將被測流體的流量值變換成差壓信號Δp，節(jié)流裝置輸出的差壓信號由壓力信號管路輸送到差壓變送器（或差壓計）。由流量基本方程式可以看出，被測流量與差壓Δp成平方根關(guān)系，對于直接配用差壓計顯示流量時，流量標尺是非線性的，為了得到線性刻度，可加開方運算電路或加開方器。如差壓流量變送器帶有開方運算，變送器的輸出電流就與流量成線性關(guān)系。顯示儀表則顯示流量的大小。15.3.3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)定律來測量導(dǎo)電性液體的流量的。如圖15-40所示，在磁場中安置一段不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電的管道，管道外面安裝一對磁極，當有一定電導(dǎo)率的流體在管道中流動時就切割磁力線。與金屬導(dǎo)體在磁場中的運動一樣，在導(dǎo)體（流動介質(zhì)）的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由設(shè)置在管道上的電極導(dǎo)出。該感應(yīng)電勢大小與磁感應(yīng)強度、管徑大小、流體流速大小有關(guān)。即圖15-40電磁流量傳感器原理體積流量qv與流體流速v的關(guān)系為可得式中，K為儀表常數(shù)，

磁感應(yīng)強度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)電動勢Ex與流量qv成線性關(guān)系，便可通過測量感應(yīng)電動勢Ex來間接測量被測流體的流量qv值。電磁流量傳感器的磁場有三種勵磁方式：直流勵磁、交流正弦波勵磁和低頻方波勵磁。直流勵磁的優(yōu)點是受交流磁場干擾小，因而液體中的自感現(xiàn)象可以忽略不計，缺點是在電極上產(chǎn)生的直流電勢引起管內(nèi)被測液體的電解，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，破壞了原來的測量條件。交流正弦波勵磁一般采用工頻（50Hz）交變電流產(chǎn)生的交變磁場。交流勵磁的優(yōu)點是能消除極化現(xiàn)象，輸出信號是交流信號，放大和轉(zhuǎn)換比較容易，但也會帶來一系列的干擾，如90°干擾、同相干擾等。低頻方波勵磁交流干擾影響小，又能克服極化現(xiàn)象，是一種比較好的勵磁方式。

電磁流量傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號是很微小的，需通過電磁流量轉(zhuǎn)換器來顯示流量。常用的電磁流量轉(zhuǎn)換器能把傳感器的輸出感應(yīng)電動勢信號放大并轉(zhuǎn)換成標準電流（0～10mA或4～20mA）信號或一定頻率的脈沖信號，配合單元組合儀表或計算機對流量進行顯示、記錄、運算、報警和控制等。電磁流量傳感器只能測量導(dǎo)電介質(zhì)的流體流量。它適用于測量各種腐蝕性酸、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量（如血漿、牛奶、果汁、鹵水、酒類等），還可用于大型管道自來水和污水處理廠流量測量以及脈動流量測量等。15.3.4渦輪流量傳感器

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15-41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可自由轉(zhuǎn)動的葉輪，流體流過葉輪使葉輪旋轉(zhuǎn)，流量越大，流速越高，則動能越大，葉輪轉(zhuǎn)速也越高。測量出葉輪的轉(zhuǎn)速或頻率，就可確定流過管道的流體流量和總量。圖15-41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，線圈和永久磁鋼組成磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器。測量時，當流體通過渦輪葉片與管道間的間隙時，流體對葉片前后產(chǎn)生壓差推動葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時，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)生周期性的變化，因而在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該電勢經(jīng)過放大和整形，便可得到足以測出頻率的方波脈沖，脈沖的頻率與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，即與流過流體的流量成正比。如將脈沖送入計數(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15-42。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α，便可寫出u=ωrc=vtanα

或

式中：n——渦輪的轉(zhuǎn)速；

ω——渦輪的角速度。

設(shè)葉片縫隙間的有效流通面積為A，則瞬時體積流量為如渦輪上葉片總數(shù)為z，則線圈輸出脈沖頻率f就是nzHz，代入上式可得式中,ξ為儀表常數(shù)，渦輪流量傳感器具有安裝方便、精度高（可達0.1級）、反應(yīng)快、刻度線性及量程寬等特點，此外還具有信號易遠傳、便于數(shù)字顯示、可直接與計算機配合進行流量計算和控制等優(yōu)點。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風速和水速。圖15-42渦輪葉片及流體的速度分析15.3.5漩渦式流量傳感器

漩渦式流量傳感器是利用流體振蕩原理工作的。目前應(yīng)用的有兩種：一種是應(yīng)用自然振蕩的卡曼漩渦列原理；另一種是應(yīng)用強迫振蕩的漩渦旋進原理。應(yīng)用振蕩原理的流量傳感器，前者稱為卡曼渦街流量傳感器（或渦街流量傳感器），后者稱為旋進漩渦流量傳感器。渦街流量傳感器應(yīng)用相對較多，這里只介紹這種流量傳感器。

在流體的流動方向上放置一個非流線型的物體（如圓柱體等），物體的下游兩側(cè)有時會交替出現(xiàn)漩渦（見圖15-43）。在物體后面兩排平行但不對稱的漩渦列稱為卡曼渦列（也稱為渦街）。漩渦的頻率一般是不穩(wěn)定的，實驗表明，只有當兩列漩渦的間距h與同列中相鄰漩渦的間距l(xiāng)滿足h/l=0.281（對于圓柱體）條件時，卡曼渦列才是穩(wěn)定的。并且每一列漩渦產(chǎn)生的頻率f與流速v、圓柱體直徑d的關(guān)系為式中,St為斯特羅哈爾系數(shù)，是一個無量綱的系數(shù)。圖15-43卡曼漩渦

St主要與漩渦發(fā)生體的形狀和雷諾數(shù)有關(guān)。在雷諾數(shù)為500～150000的區(qū)域內(nèi)，基本上是一個常數(shù)，如圖15-44所示。對于圓柱體St=0.20，三角柱體St=0.16。工業(yè)上測量的流速實際上幾乎不超過這個范圍，所以可以認為頻率f只受流速v和漩渦發(fā)生體的特征尺寸d的支配，而不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等的影響。所以當測得漩渦的頻率后，就可得到流體的流速v，即可以求得流體的體積流量qv。圖15-44斯特羅哈爾系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系漩渦頻率檢測元件一般是附在漩渦發(fā)生體上。圓柱體漩渦發(fā)生體采用鉑熱電阻絲檢測法，鉑熱電阻絲在圓柱體的空腔內(nèi)，如圖15-45所示。當圓柱體的右下方產(chǎn)生漩渦時，作為漩渦回轉(zhuǎn)運動的反作用，在圓柱周圍產(chǎn)生環(huán)流，見圖15-43中的虛線所示。這環(huán)流的速度分量加在原來的流動上，所以圓柱體上側(cè)有增加流速的作用，圓柱體下側(cè)有減少流速的作用。這樣，有個從下到上的升力作用到圓柱體上，結(jié)果有部分流體從下方導(dǎo)壓孔吸入，從上方的導(dǎo)壓孔吹出。如果把鉑熱電阻絲用電流加熱到比流體溫度高出某個溫度，流體通過鉑熱電阻絲時，帶走它的熱量，從而改變它的電阻值，此電阻值的變化與發(fā)出漩渦的頻率相對應(yīng)，即由此便可檢測出與流速成比例的頻率。圖15-45圓柱體漩渦檢測原理圖三角柱漩渦發(fā)生體的漩渦頻率檢測原理圖如圖15-46所示。埋在三角柱正面的兩只熱敏電阻與其它兩只固定電阻構(gòu)成一個電橋，電橋通以恒定電流使熱敏電阻的溫度升高。由于產(chǎn)生漩渦處的流速較大，使熱敏電阻的溫度降低，阻值改變，電橋輸出信號。隨著漩渦交替產(chǎn)生，電橋輸出一系列與漩渦發(fā)生頻率相對應(yīng)的電壓脈沖。漩渦式流量傳感器在管道內(nèi)沒有可動部件，使用壽命長，線性測量范圍寬，幾乎不受溫度、壓力、密度、粘度等變化的影響，壓力損失小，傳感器的輸出是與體積流量成比例的脈沖信號，這種傳感器對氣體、液體均適用。圖15-46三角柱體漩渦檢測原理圖15.3.6質(zhì)量流量傳感器

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品交易中，由于物料平衡，熱平衡以及儲存、經(jīng)濟核算等人們常常需要的是質(zhì)量流量,因此在測量工作中，常常將已測出的體積流量乘以密度換算成質(zhì)量流量。而對于相同體積的流體，在不同溫度、壓力下，其密度是不同的，尤其對于氣體流體，這就給質(zhì)量流量的測量帶來了麻煩，有時甚至難以達到測量的要求。這樣便希望直接用質(zhì)量流量傳感器來測量質(zhì)量流量，無需進行換算，這將有利于提高流量測量的準確度。

質(zhì)量流量傳感器大致分為