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安全检测技术课件第4章_图文

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第4章?生产工艺参数检测仪表

第4章?生产工艺参数检测仪表
4.1 温度测量与仪表
4.2 压力测量与仪表

4.3 流量检测与仪表
4.4 物位检测与仪表

第4章?生产工艺参数检测仪表

4.1温度检测与仪表
4.1.1温标及测温方法分类

1.温标
为了保证温度量值的统一,必须建立一个用来衡量温度

高低的标准尺度,这个标准尺度称为温标。温度的高低必须
用数字来说明,温标就是温度的一种数值表示方法,并给出 了温度数值化的一套规则和方法,同时明确了温度的测量单 位。人们一般是借助于随温度变化而变化的物理量(如体积、 压力、电阻、热电势等)来定义温度数值,建立温标和制造 各种各样的温度检测仪表。下面对常用温标作一简介。

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)经验温标?

Ⅰ.摄氏温标?
摄氏温标是把在标准大气压下水的冰点定为零摄氏度,

把水的沸点定为100摄氏度的一种温标。在零摄氏度到100摄
氏度之间进行100等分,每一等分为1摄氏度,单位符号为℃。 Ⅱ.华氏温标? 人们规定标准大气压下的纯水的冰点温度为32华氏度, 水的沸点定为212华氏度,中间划分180等分。每一等分称为

1华氏度。单位符号为℉。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.列氏温标? 列氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0列氏度,

水沸点为80列氏度,中间等分为80等分,每一等分为1列氏
度。单位符号为°R。? 摄氏、华氏、列氏温度之间的换算关系为

5 5 C ? (F ? 32) ? R 9 4
式中:C——摄氏温度值;?

(4-1)

?F——华氏温度值;?
?R——列氏温度值。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)热力学温标?

1848年英国科学家开尔文(Kelvin)提出以卡诺循环 为基础建立热力学温标。他根据热力学理论,认为物质有 一 个 最 低 温 度 点 存 在 , 定 为 0K , 把 水 的 三 相 点 温 度 273.15K选作唯一的参考点,在该温标中不会出现负温度值。 从理想气体状态方程入手可以复现热力学温标,称做绝对 气体温标。这两种温标在数值上完全相同,而且与测温物 质无关。由于不存在理想气体和理想卡诺热机,故这类温 标是无法实现的。在使用气体温度计测量温度时,要对其 读数进行许多修正,修正过程又依赖于许多精确的测量, 于是就导致了国际实用温标的问世。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)国际温标?

国际温标是用来复现热力学温标的,其指导思想是采 用气体温度计测出一系列标准固定温度(相平衡点),以 它们为依据在固定点中间规定传递的仪器及温度值的内插 公式。第一个国际温标制定于1927年,此后随着社会生产 和科学技术的进步,温标的探索也在不断地进展,1989年7 月国际计量委员会批准了新的国际温标,简称ITS-90。我 国于1994年起全面推行ITS-90新温标。?
ITS-90同时定义国际开尔文温度(变量符号为T90)和 国际摄氏温度(变量符号为t90 )。水三相点热力学温度为 273.15K,摄氏度与开尔文度保留原有简单的关系式

第4章?生产工艺参数检测仪表

t90=(T90-273.15)℃

(4-2)

ITS-90对某些纯物质各相(固、液体)间可复现的平衡

态之温度赋予给定值,即给予了定义,定义的固定点共17
个。ITS-90规定把整个温标分成四个温区,其相应的标准仪 器如下:0.65~5.0K之间,T90 用3He和?4He蒸气压与温度

的关系式来定义;3.0~24.5561K(氖三相点)之间,用氦
气体温度计来定义;13.8033K(平衡氢三相点)~961.78℃ (银凝固点)之间,用基准铂电阻温度计来定义;961.78℃

以上,用单色辐射温度计或光电高温计来复现。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.温度检测的主要方法及分类 1)接触式测温方法?

接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相
接触,当被测温度与感温元件达到热平衡时,温度敏感元 件与被测温度对象的温度相等。这类温度传感器具有结构 简单,工作可靠,精度高,稳定性好,价格低廉等优点。 这类测温方法的温度传感器主要有:基于物体受热体积膨

胀性质的膨胀式温度传感器;基于导体或半导体电阻值随
温度变化的电阻式温度传感器;基于热电效应的热电偶温 度传感器。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)非接触式测温方法? 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变

化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关,并且以
电磁波形式向四周辐射,当选择合适的接收检测装置时,便 可测得被测对象发出的热辐射能量,并且转换成可测量和显

示的各种信号,实现温度的测量。这类测温方法的温度传感
器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温 传感器等。非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度

传感器的测量滞后和在温度范围上的限制,可测高温、腐蚀、
有毒、运动物体及固体、液体表面的温度,不干扰被测温度 场,但精度较低,使用不太方便。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-1温度检测方法的分类
测温 方式 热 膨 胀 式 接触 式 热 电 偶 热 电 阻 温度计或 传感器类型 水银 双金属 压 液体 力 气体 铂锗 一铂 其他 铂 镍 铜 热敏电阻 测量范围 /? 50~650 0~300 30~600 20~350 0~1600 200~1100 260~600 50~300 0~180 50~350 精度% 0.1~1 0.1~1 1 0.2~0.5 0.4~1.0 0.1~0.3 0.2~0.5 0.1~0.3 0.3~0.5 特点 简单方便,易损坏(水银污染) 结构紧凑,牢固可靠 耐振,坚固,价格低廉 种类多,适应性强,结构简单,经 济方便,应用广泛。需注意寄生热 电势及动圈式仪表电阻对测量结 果的影响 精度及灵敏度均较好, 需注意环境 温度的影响 体积小,响应快,灵敏度高,线性 差,需注意环境温度影响

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-1温度检测方法的分类
辐射温度计 光高温计 热探测器 热敏电阻探测器 光子探测器 碘化银,二碘化 汞, 氯化铁, 液晶 等 800~3500 700~3000 200~2000 50~3200 0~3500 35~2000 1 1 1 1 1 <1 非接触测温,不干扰被测温度场, 辐射率影响小,应用简便 非接触测温,不干扰被测温度场, 响应快,测温范围大,适于测温度 分布,易受外界干扰,标定困难 测温范围大,经济方便,特别适于 大面积连续运转零件上的测温, 精 度低,人为误差大

非接 触式

其他

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.1.2接触式温度传感器 1.热膨胀式温度传感器 1)双金属温度计? 固体膨胀式温度计中最常见的是双金属温度计,其典型 的敏感元件为两种粘在一起且膨胀系数有差异的金属。双金 属片组合成温度检测元件,也可以直接制成温度测量的仪表。 通常的制造材料是高锰合金与殷钢。殷钢的膨胀系数仅为高 锰合金的1/20,两种材料制成叠合在一起的簿片,其中膨胀 系数大的材料为主动层,小的为被动层。将复合材料的一端 固定,另一端自由。在温度升高时,自由端将向被动层一侧 弯曲,弯曲程度与温度相关。自由端焊上指针和转轴则随温 度可以自由旋转,构成了室温计和工业用的双金属温度计。 它也可用来实现简单的温度控制。

第4章?生产工艺参数检测仪表 固体膨胀式温度仪表的型号较多,WTJ-1型测量范围为 -40~500℃,耐震,适合航空、航海的应用;WTJ-150型测

量范围为-60~100℃,精度为一级,其优点是刻度盘大,
读数和使用方便,不易折损,且有耐震与耐冲击力,缺点 是热惯性大、精度低。

第4章?生产工艺参数检测仪表 双金属温度计敏感元件如图4-1所示。它们由两种热膨 胀系数 a不同的金属片组合而成,例如一片用黄铜, a=22.8×10-6℃-1,另一片用镍钢a=1×10-6℃-1~2×10-6℃-1, 将两片粘贴在一起,并将其一端固定,另一端设为自由端, 自由端与指示系统相连接。当温度由t0变化到t1时,由于A,B 两者热膨胀不一致而发生弯曲,即双金属片由t0时初始位置 AB变化到t1时的相应位置A'B',最后导致自由端产生一定的 角位移,角位移的大小与温度成一定的函数关系,通过标定

刻度,即可测量温度。双金属温度计一般应用在-80℃~
600℃范围内,最好情况下,精度可达0.5~1.0级,常被用作 恒定温度的控制元件,如一般用途的恒温箱、加热炉等就是

采用双金属片来控制和调节”恒温”的,如图4-2所示。

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图4-1双金属温度计敏感元件

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图4-2双金属控制恒温箱示意图

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)压力式温度计? 压力式温度计是根据一定质量的液体、气体在定容条件

下其压力与温度呈确定函数关系的原理制成的。主要由感温
包、传递压力元件(毛细管)、压力敏感元件(弹簧管、膜 盒、波纹管等)、齿轮或杠杆传动机构、指针和读数盘组成。

温包、毛细管和弹簧管的内腔共同构成一个封闭容器,其中
充满了感温介质。当温包受热后,内部介质因温度升高而压 力增大,压力的变化经毛细管传递给弹簧管使其变形,并通

过传动系统带动指针偏转,指示出相应的温度数值。因此,
这种温度计的指示仪表实际上就是普通的压力表。压力式温 度计的主要特点是结构简单,强度较高,抗振性较好。

第4章?生产工艺参数检测仪表 为了利于传热,温包的表面面积与其体积的比值应尽量 大,所以通常采用细而长的圆筒型温包。虽然扁平断面要比 圆断面更利于传热,但耐压能力远不如圆断面好。压力式温 度计的毛细管细而长,其作用是传递压力,常用铜或不锈钢 冷轧无缝管制作,内径为0.4mm。为了减小周围环境温度变 化引起的附加误差,毛细管的容积应远小于温包的容积,为 了实现远距离传递,这就要求其内径小。当然,长度加长内 径减小会使传递阻力增大、温度计的响应变慢,在长度相等 的条件下,管越细则准确度越高。一般检测温度点的位置与 显示温度的地方可相距20米(特殊需要场合可制作到60米), 故它又被称为隔离温度计。

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图4-3压力式温度计

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅰ.充气体的压力式温度计? 气体状态方程式pV=nRT表明,对一定质量m的气体,

如果它的体积V一定,则它的温度T与压力p成正比。因此,
在密封容器内充以气体,就构成充气体的压力温度计。 工业上用的充气体的压力式温度计通常充氮气,它能测 量的最高温度为500~550℃;在低温下则充氢气,它的 测温下限可达-120℃。在过高的温度下,温包中充填的 气体会较多地透过金属壁而扩散,这样会使仪表读数偏 低。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.充蒸气的压力式温度计? 充蒸气的压力式温度计是根据低沸点液体的饱和蒸气压

只和气液分界面的温度有关这一原理制成的。其感温包中充
入约占2/3容积的低沸点液体,其余容积则充满液体的饱和 蒸气。当感温包温度变化时,蒸气的饱和蒸气压发生相应变 化,这一压力变化通过一插入到感温包底部的毛细管进行传 递。在毛细管和弹簧管中充满上述液体,或充满不溶于感温 包中液体的、在常温下不蒸发的高沸点液体,称为辅助液体, 以传递压力。感温包中充入的低沸点液体常用的有氯甲烷、 氯乙烷和丙酮等。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.热电偶 热电偶是目前应用广泛、发展比较完善的温度传感器, 它在很多方面都具备了一种理想温度传感器的条件。? 1)热电偶的特点? (1)温度测量范围宽。随着科学技术的发展,目前热 电偶的品种较多,它可以测量自-271~2800℃乃至更高的 温度。? (2)性能稳定、准确可靠。在正确使用的情况下,热 电偶的性能是很稳定的,其精度高,测量准确可靠。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3)信号可以远传和记录。由于热电偶能将温度信号 转换成电压信号,因此可以远距离传递,也可以集中检测和

控制。此外,热电偶的结构简单,使用方便,其测量端能做
得很小。因此,可以用它来测量“点”的温度。又由于它的 热容量小,因此反应速度很快。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)热电偶的测温原理? Ⅰ.热电效应? 热电偶测温是基于热电效应。在两种不同的导体(或 半导体)A和B组成的闭合回路中,如果它们两个结点的温

度不同,则回路中产生一个电动势,通常我们称这种电动
势为热电势,这种现象就是热电效应,如图4-4所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-4热电偶的测温原理

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.接触电势? 两种材料不同的导体A和B接触在一起时,由于自由浓

度不同,便在接触处发生电子扩散,若导体A、B的电子浓
度分别为NA 、NB ,且NA>NB ,则在单位时间内,由A扩散 到B的电子数要多于由B扩散到A的电子数。所以,导体A 因失去电子而带正电,导体B因得到电子而带负电,在A、 B的接触面处便形成一个从A到B的静电场。这个电场又阻 止电子继续由A向B扩散。当电子扩散能力与此电场阻力相 平衡时,自由电子的扩散达到了动态平衡,这样在接触处 形成一个稳定的电动势,称为接触电势。

第4章?生产工艺参数检测仪表 在图4-4回路中,T0点的接触电势其大小为

KT N A (t0 ) EAB (t0 ) ? ln e N B (t0 )

(4-3)

上式中:EAB(T)为导体A、B在温度T的接触电势;K为

接触处绝对温度,K为波耳兹曼常数,K=1.38×10-23J/K;e为
电子电荷,e=1.60×10-19C。 可以看出,如果热电偶的两个电极材料相同(NA=NB),则 不会产生接触电势。因此,热电偶的两个电极材料必须不同。

第4章?生产工艺参数检测仪表 在图4-4回路中,T0点的接触电势为

K EAB (t ) ? EAB (t0 ) ? e

? N A (t0 ) N A (t0 ) ? ? T0 ? ln ?T ? ln ? N B (t0 ) N B (t0 ) ? ?
(4-5)

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.温差电势?

温差电势(也称汤姆逊电势)是指在同一根导体中,由 于两端温度不同而产生的电动势。导体A两端的温度分别为T0 和T时的温差电势表示为EA(T,T0)。设导体A(或B)两端温 度分别为T0和T,且T>T0。此时导体A(或B)内形成温度梯度, 使高温端的电子能量大于低温端的电子能量,因此从高温端 扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的要多,结 果高温端因失去电子而带正电荷,低温端因获得电子而带负 电荷。因而,在同一导体两端便产生电位差,并阻止电子从 高温端向低温端扩散,最后使电子扩散达到动平衡,此时形 成温差电势。

第4章?生产工艺参数检测仪表 在图4-4回路中,A导体上的温差电势EA(T,T0)为

K E A (T , T0 ) ? e

?

T

T0

1 d [T ? N A (T )] (4-6) N A (T )

B导体上的温差电势EB(T, T0)为

K EB (T , T0 ) ? e

?

T

T0

1 d [T ? N B (T )] (4-7) N B (T )

则在导体A、B组成的热电偶回路中,两导体上产生的温 差电势之和为 T K T 1 1 E A (T , T0 ) ? EB (T , T0 ) ? {? d [T ? N A (T )] ? ? d [T ? N B (T )]} T0 N (T ) e T0 N A (T ) B (4-8)

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅳ.热电偶闭合回路的总电势? 在图4-4回路中,接触点1处将产生接触电势EAB(T),接

触点2处将产生接触电势EAB(T0),导体A上将产生温差电势,
导体B上将产生温差电势,所以热电偶回路中的热电势为接 触电势与温差电势之和,取EAB(T)的方向为正向,则整个

回路总热电势可表示为:
EAB(T,T0)=[EAB(T)-EAB(T0)] +[EA(T,T0)- EB(T,T0)] (4-9)

第4章?生产工艺参数检测仪表 通常情况下,温差电势比较小,因此

EAB(T,T0)≈EAB(T)-EAB(T0) (4-10)
如果能使冷端温度T0固定,即EAB(T0)=C(常数),则对 确定的热电偶材料,其总电势EAB(T,T0)就只与热端温度 呈单值函数关系,即 EAB(T,T0)≈EAB(T)-C (4-11)

第4章?生产工艺参数检测仪表 根据国际温标规定:在T0=0℃时,用实验的方法测出各 种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下所产生的热 电势值,并将其列成一张表格,这就是常说的分度表。温度 与热电势之间的关系也可以用函数关系表示,称为参考函数。 同时,需注意以下几点:?

(1)两种相同材料的导体构成热电偶时,其热电势为零;
(2)当两种导体材料不同,但两端温度相同时,其热电

偶的热电势为零;?
(3)热电势的大小只与电极的材料和结点的温度有关, 与热电偶的尺寸、形状无关。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)热电偶基本定律? Ⅰ.中间导体定律?

热电偶回路中接入中间导体,只要中间导体两端温度
相同,则对热电偶回路总的热电势没有影响,如图4-5所示。 热电偶回路中接入中间导体C后的热电势为 EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) (4-13)


EBC(T0)+ECA(T0)= -EAB(T0) (4-14)

第4章?生产工艺参数检测仪表 所以 EABC(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0) (4-15)

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-5中间导体定律

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.中间温度定律 热电偶在结点温度为(T,T0)时的热电势,等于在结点

温度为(T,Tn)及(Tn,T0)时的热电势之和,其中,Tn
称为中间温度,如图4-6所示。其热电势可用下式表示:

EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0) (4-16)

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-6中间温度定律

第4章?生产工艺参数检测仪表 中间温度定律的实用价值在于:? (1)当热电偶冷端不为0℃时,可用中间温度定律加以 修正;? (2)由于热电偶电极不能做得很长,可根据中间温度定

律选用适当的补偿导线。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.标准电极定律? 如图4-7所示,如果A、B两种导体分别与第3种导体C

组成热电偶,当两结点温度为(T,T0 )时热电势分别为
EAC(T,T0)和EBC(T,T0),那么在相同温度下,由A、 B两种热电偶配对后的热电势为

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0) (4-17)

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-7标准电极定律

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅳ.均质导体定律? 由一种均质导体组成的闭合回路中,不论导体的截面 和长度如何,以及各处的温度分布如何,都不能产生热电 势。这条定理说明,热电偶必须由两种不同性质的均质材

料构成。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4)热电偶的材料? 根据上述热电偶的测温原则,理论上任何两种导体均可 配成热电偶,但因实际测温时对测量精度及使用等有一定要 求,故对制造热电偶的热电极材料也有一定要求。除满足上 述对温度传感器的一般要求外,还应注意如下要求:? (1)在测温范围内,热电性质稳定,不随时间和被测 介质而变化,物理化学性能稳定,不易氧化或腐蚀;?

(2)电导率要高,并且电阻温度系数要小;?

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3)它们组成的热电偶的热电势随温度的变化率要大,

并且希望该变化率在测温范围内接近常数;?
(4)材料的机械强度要高,复制性好,复制工艺要简 单,价格便宜。? 完全满足上述条件要求的材料很难找到,故一般只根据 被测温度的高低选择适当的热电极材料。下面分别介绍国内

生产的几种常用热电偶。它们又分为标准化热电偶与非标准
化热电偶。标准化热电偶是指国家标准规定了其热电势与温 度的关系和允许误差,并有统一的标准分度表。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 5)热电偶的分类? Ⅰ.按热电偶材料分类? 按热电偶材料分类有廉金属、贵金属、难熔金属和非金 属四大类。廉金属中有铁—康铜、铜—康铜、镍铬—考铜、

镍铬—康铜、镍铬—镍硅(镍铝)等;贵金属中有铂锗10—
铂、铂锗30—铂锗、铂锗系、铱锗系、铱钌系和铂铱系等; 难熔金属中有钨铼系、钨铂系、铱钨系和铌钛系等;非金属

中有二碳化钨—二碳化钼、石墨—碳化物等。如表4-2所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-2热电偶的分类
名称 铂铑 10-铂 铂铑 13-铂 铂铑 13-铂铑 6 镍铬-镍铝(硅) 镍铬-铜镍 铁-铜镍 铜-铜镍 IEC S R B K E J T 中国 新 S R B K E J T 旧 LB-3 LL-2 EU-2 EA-2 CK 美国 S R B K E J T 英 国 S R B K E J T 日本 新 旧 S R PR B K CA E CRC J IC T CC 俄国 ΠΠ-1 Π-30/6 XA XK -

第4章?生产工艺参数检测仪表 (1)铂锗 10—铂热电偶(S型)。这是一种贵金属热电偶,

由直径为0.5mm以下的铂铑合金丝(铂90%,铑10%)或纯铂
丝制成。由于容易得到高纯度的铂和铂铑,故这种热电偶的 复制精度和测量准确度较高,可用于精密温度测量。在氧化

性或中性介质中具有较好的物理化学稳定性,在1300℃以下
范围内可长时间使用。其主要缺点是金属材料的价格昂贵; 热电势小,而且热电特性曲线非线性较大;在高温时易受还

原性气体所发出的蒸汽和金属蒸汽的侵害而变质,失去测量
准确度。

第4章?生产工艺参数检测仪表

(2)铂锗30—铂锗热电偶(B型)。它也是贵金属热电偶,
长期使用的最高温度可达600℃,短期使用可达1800℃,它 宜在氧化性和中性介质中使用,在真空中可短期使用。它

不能在还原性介质及含有金属或非金属蒸汽的介质中使用,
除非外面套有合适的非金属保护管才能使用。它具有铂锗
10—铂的各种优点,抗污染能力强;主要缺点是灵敏度低、

热电势小,因此,冷端在40℃以上使用时,可不必进行冷 端温度补偿。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3)镍铬—镍硅(镍铬—镍铝)热电偶(K 型)。由镍铬

与镍硅制成,热电偶丝直径一般为1.2~2.5mm。镍铬为正
极,镍硅为负极。该热电偶化学稳定性较高,可在氧化性 介质或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度,短期测

量可达1200℃;如果用于还原性介质中,就会很快地受到
腐蚀,在此情况下只能用于测量500℃以下温度。这种热电 偶具有复制性好,产生热电势大,线性好,价格便宜等优

点。虽然测量精度偏低,但完全能满足工业测量要求,是
工业生产中最常用的一种热电偶。表4-3为其分度表。

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-3K型热电偶分度表
电动 分 势值 度 mV 温度?
-0 +0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

0
0 0 4.095 8.137

10
-0.392 0.397 4.508 8.537

20
-0.777 0.798 4.919 8.938

30
-1.156 1.203 5.327 9.341

40
-1.527 1.611 5.733 9.745

50
-10.89 2.022 6.137 10.151

60
-2.243 2.436 6.539 10.56

70
-2.586 2.85 6.939

80
-2.92 3.266 7.338

90
-3.242 3.681 7.737

10.969 11.381 11.793

12.207 12.623 13.039 13.456 13.874 14.292 14.712 15.132 15.552 15.974 16.395 16.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.938 19.363 19.788 20.214 20.64 21.066 21.493 21.919 22.346 22.772 23.198 23.624 24.05 24.476 24.902 25.327 25.751 26.176 26.599 27.022 27.445 27.867 28.288 28.709 29.128 29.547 29.965 30.383 30.799 31.214 31.629 32.042 32.455 32.866 33.277 33.686 34.095 34.502 34.909 35.314 35.718 36.121 36.524 36.925 37.325 37.724 38.122 38.519 38.915 39.31 39.703 40.096 40.488 40.897 41.269 41.657 42.045 42.432 42.817 43.202 43.585 43.968 44.349 44.729 45.108 45.486 45.863 46.238 46.612 46.985 47.356 47.726 48.095 48.462 48.828 49.192 49.555 49.916 50.276 50.633 50.99 51.344 51.697 52.049

第4章?生产工艺参数检测仪表 例:用镍铬一镍硅(K型)热电偶测量某一物体温度,已 知热电偶参考端温度为30℃,测得热电动势为33.686mV, 求被测物体温度为多少? 解:查K型热电偶分度表可知,En(30,0)=1.203 mV, Ek (T,40)=33.686mV,Ek (T,0)= Ek (T,40)+ En

(30,0)=33.686+1.203=34.889mV,再查表可知:被测物
体温度大约为840℃。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-8热电偶的温度与电势特性曲线

第4章?生产工艺参数检测仪表

(4)镍铬一康铜热电偶(E型)。其正极为镍铬合金,
9%~10%铬,0.4%硅,其余为镍;负极为康铜,56%铜,44% 硅。镍铬一康铜热电偶的热电势是所有热电偶中最大的,如

EA(100.0)=6.95mV,比铂锗一铂热电偶高了十倍左右,其
热电特性的线性也好,价格又便宜。它的缺点是不能用于高 温,长期使用温度上限为600℃,短期使用可达800℃;另外,

康铜易氧化而变质,使用时应加保护套管。以上几种标准热
电偶的温度与电势特性曲线如图4-8所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (5)钨铼系热电偶。该热电偶属廉价热电偶,可用来测 量高达2760℃的温度,通常用于测量低于2316℃的温度,

短时间测量可达3000℃。这种系列热电偶可用于干燥的氢
气、中性介质和真空中,不宜用在还原性介质、潮湿的氢 气及氧化性介质中。常用的钨铼系热电偶有钨—钨铼26,钨

铼—钨铼25,钨铼5—钨铼20和钨锌5—钨铼26,这些热电偶的
常用温度为300~2000℃,分度误差为±1%。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (6)铱锗系热电偶。 该热电偶属贵金属热电偶。铱铑—铱热电偶可用在中性 介质和真空中,但不宜在还原性介质中,在氧化性介质中 使用将缩短寿命。它们在中性介质和真空中测温可长期使 用到2000℃左右。它们热电势虽较小,但线性好。

第4章?生产工艺参数检测仪表

(7)镍钴—镍铝热电偶。测温范围为300~1000℃。其特 点是在300℃以下热电势很小,因此不需要冷端温度补偿。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.按用途和结构分类? 热电偶按照用途和结构分为普通工业用和专用两类。普 通工业用的热电偶分为直形、角形和锥形(其中包括无固定 装置、螺纹固定装置和法兰固定装置等品种)。专用的热电

偶分为钢水测温的消耗式热电偶、多点式热电偶和表面测温
热电偶等。

第4章?生产工艺参数检测仪表 6)热电偶的结构? 热电偶的基本组成包括热电极、绝缘套管、保护套管 和接线盒等部分,其结构如图4-9所示。? 热电偶的结构形式各种各样,按其结构形式,热电偶

可分为以下4种形式:?
Ⅰ.普通型热电偶? 这类热电偶主要用来测量气体、蒸气和液体介质的温 度,目前已经标准化、系列化。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.铠装热电偶? 铠装热电偶又称缆式热电偶,它是将热电极、绝缘材料 和金属保护套三者结合成一体的特殊结构形式,其断面结构 如图4-10所示。它具有体积小、热惯性小、精度高、响应快、

柔性强的特点,广泛用于航空、原子能、冶金、电力、化工
等行业中。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-9热电偶的结构

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-10铠装热电偶断面结构

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.薄膜热电偶? 薄膜热电偶是采用真空蒸镀的方法,将热电偶材料蒸镀 在绝缘基板上而成的热电偶。它可以做得很薄,具有热容量 小、响应速度快的特点,适于测量微小面积上的瞬变温度。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅳ.快速消耗型热电偶? 这种热电偶是一种专用热电偶,主要用于测量高温熔 融物质的温度,如钢水温度,通常是一次性使用。这种热 电偶可直接用补偿导线接到专用的快速电子电位差计上,

直接读取温度。

第4章?生产工艺参数检测仪表 7)热电偶的参考端的处理?

从热电偶测温基本公式可以看到,对某一种热电偶来说 热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关, 即热电偶的分度表是以 t0=0℃作为基准进行分度的。而在实 际使用过程中,参考端温度往往不为0℃,因此需要对热电偶 参考端温度进行处理。热电偶的冷端温度补偿有下面几种方 法:?
(1)温度修正法。采用补偿导线可使热电偶的参考端延 伸到温度比较稳定的地方,但只要参考端温度不等于0℃,需 要对热电偶回路的电势值加以修正,修正值为EAB(t0,0)。经 修正后的实际热电势可由分度表中查出被测实际温度值。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (2)冰浴法。在实验室及精密测量中,通常把参考端

放入装满冰水混合物的容器中,以便参考端温度保持0℃,
这种方法又称冰浴法。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-11具有补偿电桥的热电偶测量线路

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3)补偿电桥法。补偿电桥法是在热电偶与显示仪表 之间接入一个直流不平衡电桥,也称冷端温度补偿器,如 图4-11所示。图中经稳压后的直流电压 E 经过电阻 R 对电 桥供电,电桥的4个桥臂由电阻R1、R2、R3(均由锰铜 丝绕成)及RCu(铜线绕制)组成,RCu与热电偶冷端感受 同样的温度。设计时使电桥在20℃处于平衡状态,此时电 桥的a、b两端无电压输出,电桥对仪表无影响。当环境温 度变化时,热电偶冷端温度也变化,则热电动势将随其冷 端温度的变化而改变。但此时 R Cu 阻值也随温度而变化, 电桥平衡被破坏,电桥输出不平衡电压,此时不平衡电压 与热电偶电动势叠加在一起送到仪表,以此起到补偿作用。 应该设计出这样的电桥,使它产生的不平衡电压正好补偿 由于冷端温度变化而引起的热电动势变化值,仪表便可以 指示正确的测温值。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (4)补偿导线法。在实际测温时,需要把热电偶输出

的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或
控制仪表,这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得 较短,需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一 种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成, 而且要求在0~100℃的温度范围内,补偿导线和所配热电偶 具有相同的热电特性。常用热电偶的补偿导线如表4-4所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-4常用热电偶的补偿导线规格
补偿导线 热电偶 铂铑-铂铑 镍铬-镍铝(硅) 镍铬-考铜 铁-考铜 铜-康铜 正 材料 铜 铜 镍、铬 铁 铜 极 颜色 红 红 褐、绿 白 红 负 材料 镍铜 康铜 考铜 考铜 康铜 极 颜色 白 白 白 白 白 热端为 100? ,冷端 为 0? 时的标准电动 势(mV) 0.64± 0.03 4.10± 0.15 6.95± 0.30 5.75± 0.25 4.10± 0.15

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.热电阻 1)工作原理 大多数金属导体的电阻具有随温度变化的特性,其特 性方程如下:

Rt=R0[1+a(t-t0)]

(4-18)

式中Rt表示任意绝对温度t时金属的电阻值;R0表示基准 状态t0时的电阻值;a是热电阻的温度系数(1/℃)。对于绝

大多数金属导体,a并不是一个常数,而是有关温度的函数,
但在一定的温度范围内,可近似地看成一个常数。不同的金 属导体,a保持常数所对应的温度范围也不同。

第4章?生产工艺参数检测仪表 一般选作感温电阻的材料必须满足如下要求:①电阻温 度系数a要高,这样在同样条件下可加快热响应速度,提高

灵敏度。通常纯金属的温度系数比合金大,一般均采用纯金
属材料;②在测温范围内,化学、物理性能稳定,以保证热 电阻的测温准确性;③具有良好的输出特性,即在测温范围

内电阻与温度之间必须有线性或接近线性的关系;④具有比
较高的电阻率,以减小热电阻的体积和重量;⑤具有良好的 可加工性,且价格便宜。比较适合的材料有铂、铜、铁和镍 等。它们的阻值随温度的升高而增大,具有正温度系数。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)热电阻类型? Ⅰ.铂热电阻(WZP型号)?

铂的物理、化学性能稳定,是目前制造热电阻的最好材
料。铂电阻主要作为标准电阻温度计,广泛应用于温度的基 准、标准的传递。它是目前测温复现性最好的一种温度计。 铂丝的电阻值与温度之间的关系 在0~850℃范围内为

R t ? R 0 (1 ? At ? Bt 2 )]

(4-19)

第4章?生产工艺参数检测仪表 在-190~0℃范围内为

R t ? R 0 [1 ? At ? Bt ? C( t ? 100 ) t )]
2 3

(4-20)

式中Rt为温度为t℃时的电阻值;R0为温度为0℃时的电阻值; t为任意温度值;A为分度系数,A=3.90802×10-3℃-1 ;B为 分 度 系 数 , B=5.802×10-7℃-2 ; C 为 分 度 系 数 , C=4.273 50×10-12℃-4。

第4章?生产工艺参数检测仪表 铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W(100)表示,即

R100 W (100 ) ? R0

(4-21)

式中R100为铂热电阻在100℃时的电阻值;R0为铂热电阻在

0℃时的电阻值。
电阻比W(100)越大,其纯度越高。按IEC标准,工业 使用的铂热电阻的W(100)≧1.3850。目前技术水平可达 到W(100)=1.3930其对应铂的纯度为99.9995%。

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-5
温度 /? -200 -100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 18.49 60.25 100.00 100.00 138.50 175.84 212.02 247.04 280.90 313.59 345.13 375.51 10 20

铂热电阻Pt100的分度表
30 40 50 电阻/Ω 43.87 84.27 115.54 153.58 190.45 226.17 260.72 294.11 326.35 357.37 387.34 39.71 80.31 119.41 157.31 194.07 229.69 264.11 297.39 329.51 360.47 390.26 60 70 80 90

56.19 96.09 103.90 142.29 179.51 215.57 250.48 284.22 316.80 348.22 378.48

52.11 92.16 107.79 146.06 183.17 219.12 253.90 287.53 319.99 351.30 381.45

48.00 88.22 111.67 149.82 186.82 222.65 257.32 290.83 323.18 354.37 384.40

35.53 76.33 123.24 161.04 197.69 233.17 267.49 300.65 332.66 363.50

31.32 72.33 127.07 164.76 201.29 236.65 270.86 303.91 335.79 366.52

27.08 68.33 130.89 168.46 204.88 240.13 274.22 307.15 338.92 369.53

22.80 64.30 134.70 172.16 208.45 243.59 277.56 310.38 342.03 372.52

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.铜热电阻(WZC型号)?

铂电阻虽然优点多,但价格昂贵。铜易于提纯,价格低
廉,电阻-温度特性线性较好。在测量精度要求不高且温度

较低的场合,铜电阻得到广泛应用。铜的电阻温度系数大,
易加工提纯,其电阻值与温度呈线性关系,价格便宜,在50~150℃内有很好的稳定性。但温度超过150℃后易被氧化

而失去线性特性,因此,它的工作温度一般不超过150℃。
铜的电阻率小,要具有一定的电阻值,铜电阻丝必须较 细且长,则热电阻体积较大,机械强度低。

第4章?生产工艺参数检测仪表 在-50~150℃的温度范围内,铜电阻与温度近似呈现性 关系,可用下式表示,即

R t ? R 0 (1 ? At ? Bt ? Ct )
2 3

(4-22)

由于B、C比A小得多,所以可以简化为

R t ? R 0 (1 ? At)]

(4-23)

上式中:Rt是温度为t℃时铜电阻值;R0是温度为0℃时铜电阻 值;A是常数,A=4.28×10-3℃-1。

第4章?生产工艺参数检测仪表 铜电阻的R0分度表号Cu50为50Ω ;Cu100为100Ω 。铜的 电阻率仅为铂的几分之一。因此,铜电阻所用阻丝细而且

长,机械强度较差,热惯性较大,在温度高于100℃以上或
侵蚀性介质中使用时,易氧化,稳定性较差。因此,只能 用于低温及无侵蚀性的介质中。热电阻新、旧分度号如表46所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-6热电阻新、旧分度号

名称

新型 -

旧型 BA1 (R0=46Ω)

铂电阻

铜电阻

Pt100(R0=100Ω) (a=0.00385? -1) Pt10(R0=10Ω) Cu50(R0=50Ω) Cu100(R0=100Ω)

(a=0.00391? -1) BA2 (R0=100Ω) (a=0.00391? -1)
-

G(R0=53Ω)

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.其他热电阻? 近年来,对低温和超低温测量方面,采用了新型热电 阻。? 铟电阻是用99.999%高纯度的铟绕成电阻。可在室温

到42K温度范围内使用,42~15K温度范围内,灵敏度比
铂高10倍。缺点是材料软,复制性差。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)热电阻传感器的结构? 热电阻传感器是由电阻体、绝缘管、保护套管、引线 和接线盒等组成,如图4-12所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-12热电阻传感器结构? (a)?热电阻传感器结构;?(b)电阻体结构

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.温度变送器 温度变送器与测温元件配合使用将温度信号转换成为 统一的标准信号4~20mA DC或1~5VDC,以实现对温度的 自动检测或自动控制。温度变送器还可以作为直流毫伏变 送器或电阻变送器使用,配接能够输出直流毫伏信号或电 阻信号的传感器,实现对其他工艺参数的测量。? 温度变送器可分为以DDZ—Ⅲ温度变送器为主流的模拟

温度变送器和智能化温度变送器两大类。在结构上,温度
变送器有测温元件和变送器连成一个整体的一体化结构及 测温元件另配的分体式结构。

第4章?生产工艺参数检测仪表 DDZ—Ⅲ温度变送器主要有三种:直流毫伏变送器、热 电偶温度变送器和热电阻温度变送器。其原理和结构形式

大致相同。直流毫伏变送器是将直流毫伏信号转换成4~
20mA DC电流信号,而热电偶、热电阻温度变送器是将温 度信号线性地转换成4~20mADC电流信号。这三种变送器均

属安全火花防爆仪表,采用四线制连接方式,都分为量程
单元和放大单元两部分,它们分别设置在两块印刷电路板 上,用接插件相连接,其中,放大单元是通用的,而量程 单元随品种、测量范围的不同而不同。

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)直流毫伏变送器 直流毫伏变送器作用是把直流毫伏信号Ei转换成4~ 20mA DC电流信号。直流毫伏变送器的构成框图如图4-13 所示。它把由检测元件送来的直流毫伏信号Ei和桥路产生的 调零信号VZ以及同反馈电路产生的反馈信号Vf进行比较, 其差值送人前置运放进行电压放大,再经功率放大器转换 成具有一定带负载能力的电流信号,同时把该电流调制成

交流信号,通过1:1的隔离变压器实现隔离输出。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-13直流毫伏变送器构成框图

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)热电偶温度变送器? 热电偶温度变送器与热电偶配合使用,要求将温度信 号线性地转换为4~20mADC电流信号或1~5VDC电压信号。 由于热电偶测量温度的两个特点,一是需冷端温度恒定, 二是热电偶的热电势与热端温度成非线性的关系,故热电 偶温度变送器线路需在直流毫伏线路的基础上做两点修改: (1)在量程单元的桥路中,用铜电阻代替原桥路中的恒 电阻,并组成正确的冷端补偿回路;

第4章?生产工艺参数检测仪表 (2)在原来的反馈回路中,构造与热电偶温度特性相似

的非线性反馈电路,利用深度负反馈电路来实现温度与热
电偶温度变送器输出电流成线性关系。热电偶温度变送器 的构成框图如图4-14所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-14热电偶温度变送器的构成框图

第4章?生产工艺参数检测仪表 需要注意的是,由于不同分度号热电偶的热电特性不相 同,故与热电偶配套的温度变送器中的非线性反馈电路也是 随热电偶的分度号和测温范围的不同而变化的,这也正是热 电偶温度变送器量程单元不能通用的原因。 热电偶温度变送器接线端子如图4-15所示。“A”、“B” 分别代表热电偶正、负极连接端;“+”、“-”为24VDC电源 的正、负极接线端;“4”、“5”为热电偶温度变送器的1~ 5V DC电压输出端;“7”、“8”为热电偶温度变送器的4~

20mADC电流输出端;有零点和量程调节螺钉。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-15热电偶温度变送器接线端子

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)热电阻温度变送器? 热电阻温度变送器与热电阻配合使用,要求将温度信号 线性地转换为4~20mADC电流信号或1~5VDC电压信号。由于 热电阻传感器的输出量是电阻的变化,故需引入桥路,将电 阻的变化转换成电压的变化。又由于热电阻温度特性具有非 线性,故在直流毫伏线路的基础上需引入线性化环节。热电 阻温度变送器的构成框图如图4-16所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-16热电阻温度变送器构成框图

第4章?生产工艺参数检测仪表 需要注意的是,热电阻温度变送器的线性化电路不同 于热电偶温度变送器。它采用的是热电阻两端电压信号正

反馈的方法,使流过热电阻的电流随电压增大而增大,即
电流随温度的增高而增大,从而补偿热电阻引线电阻由于 环境温度增加而导致输出变化量减小的趋势,最终使热电

阻两端的电压信号与被测温度成线性关系。?
由于热电阻温度变送器本质上测量的是电阻的变化, 故它引线电阻的要求较高,一般采用三线制接法。

第4章?生产工艺参数检测仪表 热电阻温度变送器接线端子如图4-17所示。“A”、 “ B”、 “ H”分 别 代表 热电阻 连 接端; “+” 、“-” 为24 VDC电源的正、负极接线端;“4”、“5”为热电阻温度变 送器的1~5 钉。 V DC电压输出端;“7”、“8”为热电阻温 mADC电流输出端;有零点和量程调节螺 度变送器的4~20

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-17热电阻温度变送器接线端子

第4章?生产工艺参数检测仪表 4)DDZ—Ⅲ温度变送器防爆措施? DDZ—Ⅲ温度变送器安全火花防爆措施有三条:在输入、 输出及电源回路之间通过变压器而相互隔离;在输入端设有 限压和限流元件;在输出端及电源端装有大功率二极管及熔

断丝。以上三条措施使DDZ—Ⅲ温度变送器能适用于防爆等
级为HⅢe的场所。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.1.3非接触式测温 1.黑体辐射定律

辐射测温的理论基础是黑体辐射定律,黑体是指能对落
在它上面的辐射能量全部吸收的物体。自然界中任何物体只

要其温度在绝对零点以上,就会不断地向周围空间辐射能量。
温度愈高,辐射能量就愈多。黑体辐射满足下述各定律。

第4章?生产工艺参数检测仪表

1)普朗克定律
当黑体的温度为T(K)时,它的每单位面积向半球面方向 发射的对应于某个波长的单位波长间隔、单位时间内的辐射 能量与波长、温度的函数关系为

E b (? , T ) ?

C1

?5 (e

C2 ?T

(4-24)

? 1)

式中Eb(λ,T)为黑体在温度T、波长λ、单位时间、单位波长间 隔辐射的能量,W/(cm2·μm);C1为普朗克第一辐射常数, C1=3.7413×10-12W·μm/cm2;C2为普朗克第二辐射常数, C2=1. 4388 cm· K;λ为辐射波长,μm;T为黑体表面的绝对温度,K。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2) 维恩位移定律? 黑体对应最大辐射能量的波长随温度的升高, 而向短 波方向移动, 其关系为

?m T ? 2998 ??m ? K ?
面的绝对温度,K。 ?

(4-25)

式中: λm为对应黑体辐射能量最大值的波长,μm;T为黑体表 式(4-25)称为维恩位移定律。可见,对于温度较低的黑体, 其辐射能量主要在长波段。当它的温度升高时,辐射能量增 加。 对应最大辐射能量的波长向短波方向移动。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3) 斯忒藩—玻耳兹曼定律? 在一定的温度下, 黑体在单位时间内单位面积辐射的 总能量为 ? E b ? E b (? , T)d? ? ?T 4 (4-26)

?

0

式中,α为斯忒藩一玻耳兹曼常数,α=5.67×10-12 W/ (cm2· 4)。 K 上述各定律只适用于黑体。实际物体都是非黑体,它们 的辐射能力均低于黑体。 实际物体的辐射能量与黑体在相 同温度下的辐射能量之比称为该物体的比辐射率或黑度,记 为ε ,则 (4-27) E ? εE
b

第4章?生产工艺参数检测仪表 2. 辐射测温方法 1) 亮度测温法?

亮度温度的定义是:某一被测体在温度为T、 波长为λ
时的光谱辐射能量,等于黑体在同一波长下的光谱辐射能 量。此时,黑体的温度称为该物体在该波长下的亮度温度 (简称亮温)。 由普朗克定律可以得到

1 ?e 1 ? ln? ? ? T C2 TL
体的真温; TL为被测体的亮温。?

(4-28)

式中: λe为有效波长;ελ为有效波长λe的比辐射率; T为被测

第4章?生产工艺参数检测仪表

2) 比色测温法?
比色温度的定义是:黑体在波长λ 1和λ 2下的光谱辐射 能量之比等于被测体在这两个波长下的光谱辐射能量之比, 此时黑体的温度称为被测体的比色温度(简称色温)。 ? 由普朗克定律可求得被测体的温度与其色温的关系为

1 1 ? ? T TC

ln(? 1 / ? 2 ) ?1 1 C2 ? ? ?? ? 2 ? 1

? ? ? ?

(4-29)

式中: Tc为被测体的色温;T为被测体温度;ε1、ε2分别为被测 体对应于波长λ1和λ2的比辐射率。 当比辐射率ε1、 ε2为已知时, 根据式(4-29)可由测得的色温求出被测体的真温。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3) 全辐射测温法? 全辐射测温的理论依据是斯忒藩—玻耳兹曼定律。全 辐射温度的定义是:当某一被测体的全波长范围的辐射总 能量与黑体的全波长范围的辐射总能量相等时, 黑体的温 度瓦就称为该被测体的全辐射温度。 此时有

T ? Tb 4 1

?

(4-30)

当被测体的全波比辐射率ε 为已知时, 可由式(430)校正后, 求得真温T。

第4章?生产工艺参数检测仪表 由上述三种测温原理可知, 比色测温与亮度测温都具 有较高的精度。 比色测温的抗干扰能力强,在一定程度上 可以消除电源电压的影响和背景杂散光的影响等。 全辐射 测温容易受背景干扰。 ? 从三种辐射测温原理可见, 辐射法测温并非直接测得 物体的真温,每种方法都需要由已知的比辐射率校正后求 出真温。这样,由于比辐射率的测量误差将会影响辐射测 温结果的准确性,这是辐射测温法的缺点。因此,尽管辐 射测温具有很多优点,但测温精度还不够高,这在一定程 度上影响了它的使用。加之,辐射测温仪器复杂,价格较 贵, 因此它的使用范围远不及接触式测温仪表广泛。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3. 辐射测温仪表 1) 光学高温计? 光学高温计按其结构可分为灯丝隐灭式和灯丝恒亮式两 类。灯丝隐灭式是光学高温计中最完善的一类, 这里只介 绍灯丝隐灭式光学高温计的工作原理。 ?

当被测物体辐射的单色亮度与光学高温计内灯丝的单色 亮度相等时,两者的温度便是一致的,而灯丝的温度可由流 过它的电流的大小来确定。测量时,将光学高温计对准被测 体。调节灯丝电流、改变灯丝的亮度,使之与被测物体亮度 相等。这时被测体辐射强度就等于标准灯泡灯丝的辐射强度, 灯丝便消失在被测物的背景之中。灯丝的电流与它的温度有 着确定的关系, 因此可把电流值直接刻度成温度值。

第4章?生产工艺参数检测仪表 光电高温计的工作原理如图4-18所示。被测体的辐射 光由物镜、聚焦后经光栏、调制遮光板的上方孔、滤光片,

投射到光敏元件上。另一路光是由参比光源灯泡发出的一
束光经透镜、调制遮光板的下方孔、滤光片后投射到光敏 元件的同一位置。调制遮光板将来自被测体和参比光源的 两束光变成脉冲光束,并交替地投射到光敏元件上。如果 两束光存在亮度差,则差值将被放大推动可逆电动机旋转 带动滑线电阻的触点,调节灯泡的电源,直至两束光的亮 度平衡为止。 同时可逆电动机也带动显示记录仪表记录出 相应的温度值。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-18 光电高温计原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表 2) 光电比色高温计? 光电比色高温计在光路结构上与光电亮度高温计有很多 相似之处,但它是利用被测对象两个不同波长的辐射能量之 比与其温度之间的关系来实现辐射测量的。比色高温计有两 种基本结构形式:单通道式和双通道式。图4-19是双通道式 光电比色高温计的结构原理图。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-19 双通道式光电比色高温计的结构原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表 3) 全辐射温度计? 全辐射温度计的工作原理如图4-20所示。与前面几种辐 射温度计相比,它是把被测体的所有波长的能量全部接收下 来,而不需要变为单色光。因此,全辐射式温度计要求光敏 元件对整个光谱的光都能较好的响应。 一般选用热电堆或 热释电器件。热释电器件近年来应用较多。 它的响应速度快,并且有很宽的动态范围,对光谱辐射 的响应几乎与波长无关,直到远红外波段灵敏度都相当均匀。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-20 全辐射温度计的工作原理

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.1.4 温度检测仪表的选用

温度检测仪表的选用应根据工艺要求,正确选择仪表 的量程和精度。正常使用温度范围,一般为仪表量程的30 %~90%。现场直接测量的仪表可按工艺要求选用。 ?
玻璃液体温度计具有结构简单、使用方便、测量准确、 价格便宜等优点,但强度差、容易损坏,通常用于指示精 度较高,现场没有震动的场合,还可作温度报警和位式控 制。 ? 双金属温度计具有体积小、使用方便、刻度清晰、机 械强度高等优点,但测量误差较大,适用于指示清晰,有 震动的场合, 也可作报警和位式控制。

第4章?生产工艺参数检测仪表 压力式温度计有充气式、充液体式和充蒸汽式三种。 可以实现温度指示、记录、调节、远传和报警,刻度清晰,

但毛细管的机械强度较差,测量误差较大,一般用于就地集
中测量或要求记录的场合。 ? 热敏电阻温度计具有体积小、灵敏度高、惯性小、结实 耐用等优点,但是热敏电阻的特性差异很大,可用于间断测 量固体表面温度的场合。 ? 测量微小物体和运动物体的温度或测量因高温、振动、 冲击等原因而不能安装测温元件的物体的温度,应采用光学 高温计、 辐射感温器等辐射型温度计。

第4章?生产工艺参数检测仪表 辐射型温度计测温度必须考虑现场环境条件,如受水蒸 气、烟雾、一氧化碳、二氧化碳等影响,应采取相应措施,

克服干扰。 ?
光学高温计具有测温范围广、使用携带方便等优点, 但是只能目测,不能记录或控制温度。 ? 辐射感温器具有性能稳定、使用方便等优点,与显示仪 表配套使用能连续指示记录和控制温度,但测出的物体温度

和真实温度相差较大,使用时应进行修正。当与瞄准管配套
测量时,可测得真实温度。

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4.2 压力检测与仪表
1.压力的描述与单位 (1)绝对压力。指作用于物体表面上的全部压力,其零 点以绝对真空为基准,又称总压力或全压力,一般用大写字 母P表示。

(2)大气压力。指地球表面上的空气柱重量所产生的压 力,以P0表示。
(3)相对压力。指绝对压力与大气压力之差,一般用P表 示。当绝对压力大于大气压力时,称为正压力,简称压力, 又称表压力;当绝对压力小于大气压力时,称为负压,负压 又可用真空度表示,负压的绝对值称为真空度。测压仪表指 示的压力一般都是表压力。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (4)差压任意两个压力之差称为差压。压力在国际单位 制中的单位是牛顿/米2(N/m2),通常称为帕斯卡或简 称帕(Pa)。由于帕的单位很小,工业上一般采用千帕 (kPa)或兆帕(MPa)作为压力的单位。在工程上还有一 些习惯使用的压力单位,如我国在实行法定计量单位前使 用的工程大气压(kgf/cm2),它是指每平方厘米的面积上 垂直作用1千克力的压力;标准大气压(760mmHg)是指 0℃时水银密度为13.5951g/cm3,在标准重力加速度 9.80665m/s2下高760mm水银柱对底面的压力;毫米水柱 (mrnH2O)是指标准状态下高lmm的水柱对底面的压力; 毫米汞柱(mmHg)指标准状态下高lmm的水银柱对底面的 压力等。一些西方国家尚有使用bar(或mbar)和bf/in2等 旧时压力单位的,这些压力单位的相互换算见表4-7。

第4章?生产工艺参数检测仪表

表4-7 压力单位的相互换算
毫米水柱 毫米水银柱 毫巴 磅力/英寸 2 (mmH2O (mmHg) (mbar) (bf/in2) ) 0.101971 0.7500× 10-2 1× -2 10 1.45044× -4 10

帕(Pa) 1

工程大气压 (Kgf/cm2) 1.01971× -5 10

标准大气压 (atm) 0.98692× -5 10

第4章?生产工艺参数检测仪表 2. 压力仪表的分类 由于在各个领域中都广泛地应用着不同的压力测量仪

表, 所以致使压力表的种类繁多,对压力表的分类也常采
用不同的方法。 如表4-8 所示。为了测量方便, 根据所 测压力高低不同, 习惯上把压力划分成不同的区间。 在

各个区间内, 压力的发生和测量都有很大差别,压力范围
的划分对仪表分类也很有影响。下面首先介绍常用的压力 范围的划分方法。

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-8 压力仪表的分类
压力表型 式 U 形管 液柱式压 补偿式 力计 自动液柱 式 类别 弹簧管 弹性式压 力表 膜片 膜盒 波纹管 活塞式 浮球式 电阻式 电感式 电气式压 力表 (压力传 感式) 电容式 压阻式 压电式 应变式 振频式 霍尔式 测压范围 /kPa -10~10 -2.5~2.5 -102~102 -102~106 -102~102 -102~102 0~102 0~106 0~104 -102~104 0~105 0~104 0~105 0~104 -102~104 0~104 0~104 精度等级 0.2,0.5 0.02,0.1 0.005,0.01 0.1~4.0 1.5~2.5 1.0~2.5 1.5,2.5 0.01~0.1 0.02,0.05 1.0,1.5 0.2~1.5 0.05~0.5 0.02~0.2 0.1~1.0 0.1~0.5 0.05~0.5 0.5~1.5 输出信号 水柱高度 旋转刻度 性能特点 实验室低,微压测量 用作微压基准仪器 用光、电信号自动跟踪液 自动计数 面,用作压力基准仪器 就地测量或校验 位移, 转角 用于腐蚀性、高粘度介质 测量 或力 微压测量与控制 生产过程低压测控 结构简单,坚实,精度极 砝码负荷 高,用作压力基准器。 电压, 电流 结构简单,耐震动性差 环境要求低,信号处理灵 毫伏, 毫安 活 响应速度极快,限于动态 伏,毫安 测量 毫伏, 毫安 性能稳定可靠,结构简单 响应速度极快,限于动态 伏 测量 冲击,温湿度影响小,电 毫伏 路复杂 频率 性能稳定,精度高 毫伏 灵敏度高,易受外界干扰

负荷式压 力计

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)压力范围的划分? (1)微压压力在0~0.1MPa以内;? (2)低压压力在0.1~10MPa以内;? (3)高压压力在10~600MPa以内;? (4)超高压压力高于600MPa;

第4章?生产工艺参数检测仪表 (5)真空(以绝对压力表示): ① 粗真空:1.3332×103~1.0133×105Pa; ② 低真空:0.13332~1.3332×103Pa; ③ 高真空:1.3332×10-6~0.13332Pa; ④ 超高真空:1.3332×10-10~1.3332×10-6 Pa; ⑤ 极高真空:<1.3332×10-10Pa。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)压力仪表的分类? (1)按敏感元件和转换原理的特性不同分类。?

①液柱式压力计。根据液体静力学原理,把被测压力
转换为液柱的高度来实现测量。如U形管压力计、单管压 力计和斜管压力计等;? ②弹性式压力计。根据弹性元件受力变形的原理,把 被测压力转换为位移来实现测量。如弹簧管压力计、膜片

压力计和波纹管压力计等;?
③负荷式压力计。基于静力平衡原理测量。如活塞式 压力计、浮球式压力计等;

第4章?生产工艺参数检测仪表

④电测式压力仪表。利用敏感元件将被测压力转换为各 种电量,根据电量的大小间接进行检测。?
电阻、电感、感应式压力计是把弹性元件的变形转换成 相应的电阻、电感或者感应电势的变化,再通过对电阻、电 感或电势的测量来测量压力;霍尔式压力计是弹性元件的变 形经霍尔元件的变换,变成霍尔电势输出,再根据电势大小 测量压力;应变式压力计是应用应变片(丝)直接测量弹性 元件的应变来测量压力;电容式压力计是把弹性膜片作为测 量电容的一个极,当压力变化时使极向电容发生变化,根据 电容变化测量压力;振弦式压力计是用测量弹性元件位移的 方法通过测量一端固定在膜片(弹性元件)中心的钢弦频率, 从而测量出压力;压电式压力计是利用压电晶体的压电效应 测量压力。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.2.2液柱式压力计 1.U形管压力计

U形管压力计可以测量表压、真空以及压力差,其测量
上限可达1500mm液柱高度。U形管压力计的示意图如图4-21 所示,它由U形玻璃管、刻度盘和固定板三部分组成。根据 液体静力平衡原理可知,在U形管的右端接入待测压力,作 用在其液面上的力为左边一段高度为h的液柱,和大气压力

P0作用在液面上的力所平衡,即

P绝A=(hρg+P0)A

(4-31)

第4章?生产工艺参数检测仪表 如将上式左右部分的A消去,得

P绝 ? P0 P表 h? ? ?g ?g

(4-32)

P表=hρg

式中:A为U形管截面积;ρ为U形管内所充入的工作液体密度; P 绝 、P0 分别为绝对压力和大气压力;P表 为被测压力的表压 力,P=P绝-P0;h为左右两边液面高度差。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-21 U形管压力计

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.单管压力计 U形管压力计在读数时,需读取两边液位高度,将其相

减,使用起来比较麻烦。为了能够直接从一边读出压力值,
人们将U形压力计改成单管压力计形式,其结构如图4-22所 示。即把U形管压力计的一个管改换成杯形容器,就成为单 管压力计。杯内充有水银或水,当杯内通入待测压力时,杯 内液柱下降的体积与玻璃管内液柱上升的体积是相等的。这 样,就可以用杯形容器液面作为零点,液柱差可直接从玻璃 管刻度上读出。?

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-22单管压力计

第4章?生产工艺参数检测仪表 由于左边杯的内径D远大于右边管子的内径d,当压力P
绝加于杯上,杯内液面由0—0截面下降到2—2截面处,其高

度为h2,玻璃管内液柱由0—0截面上升到1—1截面处,其高
度为h1,而杯内减少的工作液的体积等于玻璃管内增加的工 作液的体积,即

πD2 πd 2 ? h2 ? ? h1 4 4

(4-33)



?d? h2 ? ? ? ? h1 ?D?

2

(4-34)
(4-35)

因为

h ? h1 ? h2

第4章?生产工艺参数检测仪表 故
?d? 由于D>>d,所以 ? ? ?D?

d 2 h ? h1 ? ( ) ? h1 D 2
项可以忽略

(4-36)

h ? h1
被测压力P表可写成

(4-37)

P表=ρgh1

(4-38)

单管压力计的“零”位刻度在刻度标尺的下端,也可以 在上端。液柱高度只需一次读数。使用前需调好零点,使用 时要检查是否垂直安装。单管压力计的玻璃管直径,一般选 用3~5mm。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.斜管压力计

一般当测量的压力较低,并要求有较高的测量精确度时,
不应采用U形或单管压力计。这时,通常改用斜管压力计。 斜管压力计就是将单管压力计的玻璃管倾斜放置,如图 4-23所示。由于h1读数标尺连同单管一起被倾斜放置,使刻 度标尺的分度间距离得以放大,这样就可以测量到1/10mm水 柱的微压,所以有时又把斜管压力计叫做微压力计。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-23倾斜管压力计

第4章?生产工艺参数检测仪表 斜管压力计有倾斜角固定的和变动的两种。使用时注 入容器内的液体密度一定要和刻度时所用的液体密度一致,

否则要加以校正。为了使用方便,通常把标尺直接制成毫
米水柱的刻度。? 倾斜管压力计的“零”位刻度在刻度标尺的下端。倾 斜管角度是可以根据生产需要改变的,固定的斜管压力计
1 的液面变化范围比单管压力计放大 sin?

倍。使用前需

放置水平调好零位。更换工作液时,其密度与原刻度标尺 时的密度要一致。

第4章?生产工艺参数检测仪表 若将被测压力P通入容器,则玻璃管中液面的位置将移动 为l。如忽视容器中波面的降低,则测得的压力可用下式表示

h1 ? ?gl sin α
倾斜角;ρ为液体密度。?

(4-39)

式中:l为液体自标尺零位向上移动的毫米数;α为玻璃管的

可见,斜管压力计所测量的压力等于倾斜管中液面移动 的距离,与该液体密度和玻璃管倾斜角α的正弦之乘积。

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4.2.3弹性式压力计
弹性式压力表是以弹性元件受压产生弹性变形作为测 量基础的,它结构简单、价格低廉、使用方便、测量范围 宽、易于维修,在工程中得到应用的广泛。? 1.弹性元件?

不同材料、不同形状的弹性元件适配于不同场合、不
同范围的压力测量。常用的弹性元件有弹簧管、波纹管和 膜片等,图4-24为一些弹性元件的示意图。

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图4-24弹簧管与波纹管

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)弹簧管? 它是一端封闭并且弯成圆弧形的管子,管子的截面为 扁圆形或椭圆形。当被测压力从固定端输入后,它的自由 端会产生弹性位移,通过位移大小进行测压。弹簧管式压 力计测量范围最高可达109Pa,在工业上应用普遍。这一类 压力计的弹簧管又有单圈管和多圈管之分,多圈弹簧管自 由端的位移量较大,测量灵敏度也较单圈弹簧管高。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)波纹管? 这是一种表面上有多个同心环形状波纹的薄壁筒体, 用金属薄管制成。当输入压力时,其自由端产生伸缩变形, 籍此测取压力大小。波纹管对压力灵敏度较高,可以用来 测量较低的压力或压差。

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3)波纹膜片和膜盒?
波纹膜片由金属薄片或橡皮膜做成,在外力作用下膜片中 心产生一定的位移,反映外力的大小。薄膜式压力计中膜片又 分为平膜片、波纹膜片和挠性膜片。其中,平膜片可以承受较 大被测压力,平膜片变形量较小,灵敏度不高,一般在测量较 大的压力而且要求变形不很大的场合使用。波纹膜片测压灵敏 度较高,常用在小量程的压力测量中。? 平膜片在压力或力作用下位移量小,因而常把平膜片加工 制成具有环状同心波纹的圆形薄膜,这就是波纹膜片。其波纹 形状有正弦形、梯形和锯齿形,如图4-25(a)所示。膜片的 厚度在0.05~0.3mm之间,波纹的高度在0.7~1mm之间。波纹 膜片中心部分留有一个平面,可焊上一块金属片,便于同其他 部件连接。当膜片两面受到不同的压力作用时,膜片将弯向压 力低的一面,其中心部分产生位移。

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图4-25波纹膜片与薄壁圆筒? (a)波纹膜片;(b)薄壁圆筒

第4章?生产工艺参数检测仪表 4)薄壁圆筒? 薄壁圆筒弹性敏感元件的结构如图4-25(b)所示。 圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的1/20,当筒内腔受流体压 力时,筒壁均匀受力,并均匀地向外扩张,所以在筒壁的

轴线方向产生拉伸力和应变。薄壁圆筒弹性敏感元件的灵
敏度取绝于圆筒的半径和壁厚,与圆筒长度无关。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.弹簧管压力表

弹簧管压力表的应用历史悠久,其敏感元件是弹簧管, 弹簧管的横截面呈非圆形(椭圆形或扁形),弯成圆弧形 的空心管子,其中一端封闭为自由端、另一端开口为输入 被测压力的固定端,如图4-26所示。当开口端通入被测压 力P后,非圆横截面在压力作用下将趋向圆形,并使弹簧 管有伸直的趋势而产生力矩,其结果使弹簧管的自由端产 生位移,同时改变中心角。中心角的相对变化量与被测压 力有如下的函数关系: b2

?y ? y

PR 2? (1 ? u 2 )(1 ? Ebh(? ? k 2 )

a

2

)

(4-40)

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图4-26单圈弹簧管结构

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图4-27弹簧管压力计

第4章?生产工艺参数检测仪表 弹簧管压力计测量范围宽,包括负压、微压、低压、中 压和高压的测量。弹簧管的材料因被测介质的性质、被测压 力的大小而不同。一般在p<20MPa时采用磷铜;p>20MPa时, 则采用不锈钢或合金钢。使用压力表时,必须注意被测介质 的化学性质。例如,测量氨气压力时必须采用不锈钢弹簧管, 而不能采用铜质材料;测量氧气压力时,严禁沾有油脂,以 免着火甚至爆炸。? 弹性式压力表价格低廉,结构简单,坚实牢固,因此得 到广泛应用。其测量范围从微压或负压到高压,精确度等级 一般为1~2.5级,精密型压力表可达0.1级。它可直接安装在 各种设备上或用于露天作业场合,制成特殊形式的压力表还 能在恶劣的环境(如高温、低温、振动、冲击、腐蚀、黏稠、 易堵和易爆)条件下工作。但因其频率响应低,所以不宜用 于测量动态压力。

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4.2.4负荷式压力计
1.活塞式压力计 活塞式压力计也称为压力天平,主要用于计量室、实验 室以及生产或科学实验环节作为压力基准器使用,也有将活 塞式压力计直接应用于高可靠性监测的环节,对其他压力仪 表进行校验。活塞式压力计是基于帕斯卡定律及流体静力学 平衡原理产生的一种高准确度、高复现性和高可信度的标准 压力计量仪器。活塞式压力计是通过将专用砝码加载在已知 有效面积的活塞上所产生的压强来表达精确压力量值的,由 于活塞式压力计较其他压力量仪其测量结果极具真值可信、 性能更显稳定,因此,活塞式压力计在其领域内有着相当广 泛的应用。国际上常将活塞式压力计作为国家基准和工作基 准或压力计量标准器。

第4章?生产工艺参数检测仪表 0.05级的活塞式压力计是用来检定0.25级和0.4级精密 压力表的基准仪器。此种仪器是按国家标准进行生产的,其

测量范围有0.04~0.6MPa,0.1~6MPa,0.5~25MPa,1~
60MPa,5~250MPa。另外,-0.1~0.25MPa的活塞式压力真 空计是按企业标准进行生产的。?

活塞式压力计如图4-28所示。由图4-28(a)的原理图可
知,仪表的测量变换部分包括:活塞、活塞筒和砝码。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-28活塞式压力计 (a)原理图;?(b)实物图

第4章?生产工艺参数检测仪表 活塞一般由钢制成,在它上边有承受重物的圆盘,而在 活塞下边为了防止活塞从活塞筒中滑出,装了一个比活塞直 径稍大的限程螺帽。活塞筒的内径是经过仔细研磨的,它的 下部与底座相连,而上部装有漏油斗,用它可以把系统中漏 出的油积聚起来。活塞筒下边的孔道是与螺旋压力计的内腔 相连的,转动螺旋压力机手轮,可以压缩内腔中的工作液体, 以产生所需的压力。与活塞系统相连的还有管接头,通过它 可以把被校压力表接在系统中。往系统中注油或放油通过针 阀和放油阀来实现。工作时,把工作液(变压器油或蓖麻油 等)注入系统中,再在活塞承重盘上部加上必要的砝码,旋 转手轮,使系统压力提高,当压力达到一定程度时,由于系 统内压力的作用,使活塞浮起。

第4章?生产工艺参数检测仪表 在活塞压力计工作中,应使活塞及重物旋转。旋转的目 的是使活塞与活塞筒之间不会有机械接触,产生摩擦。这样 也便于发现活塞工作中的一些不正常现象,如点接触、偏心、 阻力过大等等。活塞旋转以后,如果能很平稳地转动,并且 保持足够的旋转持续时间,说明仪表在最佳状态下工作。? 当系统处于平衡时,即系统内的压力作用在活塞上的力 与重物及活塞本身的质量相平衡,系统内部的压力为

G P? S0
的有效面积。

(4-41)

式中:G为重物(砝码)加活塞及上部圆盘的总质量;S0为活塞

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.浮球式压力计 浮球式压力计是以压缩空气或氮气作为压力源,以精密 浮球处于工作状态时的球体下部的压力作用面积为浮球有效 面积的一种气动负荷式压力计。如图4-29(a)所示,精密浮 球置于筒形的喷嘴内部,专用砝码通过砝码架作用在球体的 顶端,喷嘴内的气压作用在球体下部,使浮球在喷嘴内飘浮 起来。当已知质量的专用砝码所产生的重力与气压的作用力 相平衡时,浮球式压力计便输出一个稳定而精确的压力值。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-29浮球式压力计原理图? (a)原理图;(b)实物图

第4章?生产工艺参数检测仪表 在浮球式压力计的砝码架上增、减砝码时,会改变测量 系统的平衡状态,致使浮球下降或上升,排入大气的气体流 量随即发生改变,浮球下部的压力则发生变化,流量调节器 会及时准确地改变气体的流入量,使系统重新达到平衡状态, 保持浮球的有效面积恒定,保持输出压力与砝码负荷之间的 比例关系。确保了浮球式压力计的高准确度。?

浮球式压力计原理图如图4-29(a)所示,压缩空气或 氮气通过流量调节器进入球体的下部,并通过球体和喷嘴之 间的缝隙排入大气,在球体下部形成的压力将球体连同砝码 向上托起。当排气体流量等于来自调节器的流量时,系统处 于平衡状态。这时,球体将浮起一定高度,球体下部的压力 作用面积(即浮球的有效面积)也就一定。由于球体下部的压 力通过压力稳定器后作为输出压力,因此输出压力将与砝码 负荷成比例。

第4章?生产工艺参数检测仪表 在砝码架上增、减砝码时,将破坏上述的平衡状态,使 浮球下降或上升。从而也改变了排入大气的气体流量,使浮 球下部的压力发生变化。调节器测出压力变化后,立即改变 气体的流入量,使系统重新达到平衡状态,以保持浮球的有 效面积不变。因而,保持了输出压力与砝码负荷之间的固定 比例关系,使浮球式压力计达到很高的精确度。? 与传统的活塞式压力计相比,浮球式压力计具有下列特 点:?

(1)浮球式压力计内置自动流量调节器,增减砝码后无 需再作任何操作,即可得到精确的输出压力;

第4章?生产工艺参数检测仪表 (2)工作时浮球不下降,可连续、稳定地输出精确的压

力信号;?
(3)浮球式压力计具有流量自行调节功能,其精确度与 操作者的技术水平无关;? (4)仪器工作时气流使浮球悬浮于喷嘴内,球体与喷嘴 之间处于非接触状态。其摩擦小、重复性好、分辨能力高,

且免除了旋转砝码的必要,这是浮球式压力计所独具的特性;
(5)工作进程中,气流能不断地对浮球体进行自清洗,

确保了仪器的高可靠性。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.2.5电测式压力仪表

1.应变式压力传感器
金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片,它可将

试件上的应变变化转换成电阻变化。应用时将应变片用粘结
剂牢固地粘贴在被测试件表面上,当试件受力变形时,应变 片的敏感栅也随同变形,引起应变片电阻值变化,通过测量

电路将其转换为电压或电流信号输出。?
应变式传感器已成为目前非电量电测技术中非常重要的 检测部件,广泛地应用于工程测量和科学实验中。

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)金属应变片式传感器的特点? (1)精度高,测量范围广。对测力传感器而言,量程 从零点几牛至几百千牛,精度可达0.05%FS(FS表示满量 程 ) ; 对 测 压 传 感 器 , 量 程 从 几 十 帕 至 1011Pa , 精 度 为 0.1%FS。应变测量范围一般可由数微应变(μ ε )至数千微 应变(1μ ε 相当于长度为1m的试件,其变形为1μ m时的相 对变形量。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (2)频率响应特性较好。一般电阻应变式传感器的响

应时间为10-7s,半导体应变式传感器可达10-11s,若能在
弹性元件设计上采取措施,则应变式传感器可测几十甚至 上百上千赫的动态过程。?

(3)结构简单,尺寸小,重量轻。因此,应变片粘贴
在被测试件上对其工作状态和应力分布的影响很小,同时 使用维修方便。? (4)可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁 场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (5)易实现小型化、固态化。随着大规模集成电路工 艺的发展,目前已有将测量电路,甚至A/D转换器,与传感 器组成一个整体。传感器输出可直接接入计算机进行数据处 理。?

(6)价格低廉,品种多样,便于选择。?
但是应变式传感器也存在一定的缺点:在大应变状态中 具有较明显的非线性,半导体应变式传感器的非线性更为严 重;应变式传感器输出信号微弱,故它的抗干扰能力较差, 因此,信号线需要采取屏蔽措施;应变式传感器测出的只是 一点或应变栅范围内的平均应变,不能显示应力场中应力梯 度的变化等。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)膜式应变传感器? 图4-30是一种最简单的平膜压力传感器。由膜片直接感 受被测压力而产生的变形,应变片贴在膜片的内表面,在膜 片产生应变时,使应变片有一定的电阻变化输出。

第4章?生产工艺参数觳庖潜?

图4-30平膜式压力传感器

第4章?生产工艺参数检测仪表 对于边缘固定的圆形膜片,在受到均匀分布的压力p后, 膜片中一方面要产生径向应力,同时还有切向应力,由此

引起的径向应变εr和切向应变ετ分别为

3p 2 2 2 ?4 ? r ? 3 (1 ? ? )( R ? 3x ) ? 10 (4-42) 8h E
3p ? ? ? 3 (1 ? ? 2 )(R 2 ? x 2 ) ? 10 ?4 8h E
(4-43)

式中:R、h为平膜片工作部分半径和厚度;E、μ为膜片的 弹性模量和材料泊松比;x为任意点离圆心的径向距离。

第4章?生产工艺参数检测仪表 由式(4-42)和式(4-43)可知,在膜片中心处,即 x=0,εr和ετ均达到正的最大值,即

? r max ? ??max

3p ? 3 (1 ? ? 2 )R 2 8h E
τ

(4-44)

而在膜的边缘,即x=R处,ε

=0,而ε r达到负的最小值
(4-45)

? rmin
在x?R
3

- 3p 2 2 ? 3 (1 ? ? )R 4h E

,ε r=0

p ?? ? 3 (1 ? ? 2 )R 2 4h E

(4-46)

第4章?生产工艺参数检测仪表 由式(4-42)和式(4-43)可画出在均匀载荷下应变 分布曲线,如图4-31所示。为充分利用膜片的工作压限,

可以把两片应变片中的一片贴在正应变最大区(即膜片中
心附近),另一片贴在负应变最大区(靠近边缘附近), 这时可得到最大差动灵敏度,并且具有温度补偿特性。图 4-32(a)中的R1,R2所在位置以及将两片应变片接成相邻桥 臂的半桥电路就是按上述特性设计的。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-31平膜式压力传感器应变分布曲线

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-32是专用圆形的箔式应变片,在膜片 R

3 范围内

两 个 承 受 切 力 处 均 加 粗 以 减 小 变 形 的 影 响 , 引 线 位 置 在3 R 处。这种圆形箔式应变片能最大限度地利用膜片的应变形态, 使传感器得到很大的输出信号。平膜式压力传感器最大优点 是结构简单、灵敏度高,但它不适于测量高温介质,输出线

性差。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-32专用圆形的箔式应变片? (a)箔式应变片半桥电路;(b)箔式应变片结构图

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)电阻应变片的粘贴技术? 应变片在使用时通常是用黏合剂粘贴在弹性体上的,粘 贴技术对传感器的质量起着重要的作用。? 应变片的黏合剂必须适合应变片基底材料和被测材料, 另外还要根据应变片的工作条件、工作温度和湿度、有无腐 蚀、加温加压固化的可能性、粘贴时间长短等因素来进行选 择。常用的黏合剂有硝化纤维素粘合剂、酚醛树脂胶、环氧 树脂胶、502胶水等。? 应变片在粘贴时,必须遵循正确的粘贴工艺,保证粘贴 质量,这些都与最终的测量精度有关。应变片的粘贴步骤如 下。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅰ.应变片的检查与选择? 首先应对采用的应变片进行外观检查,观察应变片的 敏感栅是否整齐、均匀,是否有锈斑以及断路、短路或折 弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测量,确定 是否选用了正确阻值的应变片。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.试件的表面处理? 为了获得良好的粘合强度,必须对试件表面进行处理, 清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理方法可 采用砂纸打磨,较好的处理方法是采用无油喷砂法,这样 不但能得到比抛光更大的表面积,而且可以获得质量均匀 的效果。为了表面的清洁,可用化学清洗剂如四氯化碳、 甲苯等进行反复清洗,也可采用超声波清洗。为了避免氧 化,应变片的粘贴应尽快进行。如果不立刻贴片,可涂上 一层凡士林暂做保护层。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.底层处理?

为了保证应变片能牢固粘贴在试件上,并具有足够的
绝缘电阻,改善胶接性能,可在粘贴位置涂上一层底胶。 Ⅳ.贴片? 将应变片底面用清洁剂清洗干净,然后在试件表面和 应变片底面各涂上一层薄而均匀的黏合剂,待稍干后,将 应变片对准划线位置迅速贴上,然后盖一层玻璃纸,用手 指或胶辊加压,挤出气泡及多余的胶水,保证胶层尽可能 薄而均匀。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅴ.固化? 黏合剂的固化是否完全,直接影响到胶的物理机械性 能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。无论是自然 干燥还是加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防止

强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀,在固化后的应变片上
应涂上防潮保护层,防潮层一般可采用稀释的黏合剂。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅵ.粘贴质量检查? 首先从外观上检查粘贴位置是否正确,黏合层是否有 气泡、漏粘、破损等,然后测量应变片敏感栅是否有断路 或短路现象,以及测量敏感栅的绝缘电阻。? Ⅶ.引线焊接与组桥连线? 检查合格后即可焊接引出导线,引线应适当加以固定。 应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路,连接长 度应尽量一致,且不宜过长。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.压电式压力计 压电式压力计灵敏度高、线性范围大、体积小、结构

简单、可靠性高、寿命长,应用非常广泛。尤其是它的动
态响应频带宽、动态误差小的特点,使它在动态力(如振 动压力、冲击力、振动加速度)的测量中占据了主导地位。 它可用来测量压力范围为104 ~108Pa、频率为几赫至几十 千赫(甚至上百千赫)的动态压力。但不能应用于静态压 力的测量。

第4章?生产工艺参数检测仪表 压电式压力计内含有弹性敏感元件和压电转换元件, 弹性敏感元件接受压力并传递给压电元件。压电元件通常

采用石英晶体。?
压电式压力计的结构如图4-33所示,它主要由石英晶 片、膜片、薄壁管、外壳等组成。石英晶片由多片叠堆放 在薄壁管内,并由拉紧的薄壁管对石英晶片施加预载力。 感受外部压力的是位于外壳和薄壁管之间的膜片,它由挠 性很好的材料制成。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-33压电式压力计结构

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)压电式压力传感器 压电式压力传感器由本体(用途不同结构不同)、弹性 敏感元件(平膜片)和压电转换元件组成。实际中由传力块 将加于膜片上的压力加于压电转换元件(两片石英并联)组 成,如图4-34所示。膜片受到压力P1 作用时,两片石英输出 总电荷量为Q=2d11AP,通过电荷放大器电路读出产生电荷 值,即可测量压力。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-34膜片式压电压力计

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)压电式加速度传感器 图4-35为一压电式加速度测量装置。图中压电片上放 置一质量块,利用弹簧对压电元件及质量块施加预紧力, 并一起装于基座上,用壳子封装。测量时质量块应与基座 相同的振动,并受到与加速度a相反的惯性力作用。石英 受到的力T=ma(m为压电元件上的有效质量)作用时, 产生与力正比的电荷Q,测量时再将Q经电荷放大电路放

大后输出,按照Q=dijF=dijma式计算出加速度值。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-35 压电式加速度测量装置

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.电容式压力计 1)电容式差压计?

电容式差压计的核心部分如图4-36所示。将左右对称 的不锈钢基座的外侧加工成环状波纹沟槽,并焊上波纹隔 离膜片。基座内侧有玻璃层,基座和玻璃层中央都有孔。 玻璃层内表面磨成凹球面,球面除边缘部分外镀以金属膜, 此金属膜层为电容的定极板并有导线通往外部。左右对称 的上述结构中央夹入并焊接弹性平膜片,即测量膜片,为 电容的中央动极板。测量膜片左右空间被分隔成两个室, 故有两室结构之称。?

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-36两室结构的电容差压计

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)变面积式压力计? 这种传感器的结构原理如图4-37(a)所示。被测压 力作用在金属膜片上,通过中心柱、支撑簧片,使可动电 极随膜片中心位移而动作。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-37变面积式电容压力计

第4章?生产工艺参数检测仪表 在测量膜片左右两室中充满硅油,当左右隔离膜片分别 承受高压PH 和低压P。时,硅油的不可压缩性和流动性便能 将差压△P=PH-PL 传递到测量膜片的左右面上。因为测量膜 片在焊接前加有预张力,所以当△P=0时处于中间平衡位置 并十分平整,此时定极板左右两电容的电容值完全相等,即 CH=CL,电容量的差值等于0。当有差压作用时,测量膜片发 生变形,也就是动极板向低压侧定极板靠近,同时远离高压 侧定极板,使得电容CL>CH 。这就是差动电容传感器对压力 或差压的测量工作过程。 此种电容差压传感器的特点是灵敏度高、线性好,并减 少了由于介电常数。受温度影响引起的不稳定性。该传感器 能实现高可靠性的简单盒式结构,测量范围为(-1~5) ×107Pa,可在-40℃~100℃的环境温度下工作。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.电感式压力计? 在电感式压力计中,大都采用变隙式电感作为检测元

件,它和弹性元件组合在一起构成电感式压力计。图4-38
为这种压力计的工作原理图。检测元件由线圈、铁芯、衔 铁组成,衔铁安装在弹性元件上。在衔铁和铁芯之间存在

着气隙δ,它的大小随着外力F的变化而变化。其线圈的电
感L可按下式计算

N L? Rm

2

(4-47)

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-38变隙式电感压力计工作原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表 式中N为线圈匝数;Rm为磁路总磁阻(I/h),表示物质 对磁通量所呈现的阻力。磁通量的大小不但和磁势有关,

而且也和磁阻的大小有关;当磁势一定时,磁路上的磁阻
越大,则磁通量越小。磁路上气隙的磁阻比导体的磁阻大 得多。假设气隙是均匀的,且导磁截面与铁芯的截面相同,

在不考虑磁路中的铁损时,磁阻可表示为

Rm

L 2? ? ? ?A ? 0 A

(4-48)

式中l为磁路长度(m);μ为导磁体的导磁率(H/m);A为 导磁体的截面积(m2);δ为气隙量(m);μ0为空气的导 磁率(4π×10-7 H/m)。

第4章?生产工艺参数检测仪表 由于μ0<<μ,因此(4-48)式中的第一项可以忽略,代 入式(4-47)可得到

N 2 ?0 A L? 2?

(4-49)

如果给传感器线圈通以交流电源,流过线圈电流I与气
隙之间有如下关系:

2U? I? 2 ? 0?N A

(4-50)

式中:U为交流电压(V);ω 为交流电源角频率(rad/s)。

第4章?生产工艺参数检测仪表 5.霍尔式压力计 图4-39(a)为HWY-1型霍尔式微压计,当被测压力P送 到膜盒中使膜盒变形时,膜盒中心处的硬芯及与之相连的推 杆产生位移,从而使杠杆绕其支点轴转动,杠杆的一端装上 霍尔元件。霍尔元件在两个磁铁形成的梯度磁场中运动,产 生的霍尔电势与其位移成正比,若膜盒中心的位移与被测压 力P成线性关系,则霍尔电势的大小即反映压力的大小。? 图4-39(b)为HYD霍尔式压力计,弹簧管在压力作用下, 自由端的位移使霍尔元件在梯度磁场中移动,从而产生与压 力成正比的霍尔电势。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-39霍尔式微压和压力计结构原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表

4.2.6压力仪表的选用
1.压力仪表种类和型号的选择 1)从被测介质压力大小来考虑? 如测量微压(几百至几千帕),宜采用液柱式压力管表 或膜盒压力计;如被测介质压力不大,在15kPa以下,且不 要求迅速读数的,可选U形管压力计或单管压力计;如要求 迅速读数,可选用膜盒压力表;如测高压(>50kPa),应选用 弹簧管压力表。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)从被测介质的性质来考虑? 对稀硝酸、酸、氨及其他腐蚀性介质应选用防腐压力表,

如以不锈钢为膜片的膜片压力表;对易结晶、粘度大的介质
应选用膜片压力表;对氧、乙炔等介质应选用专用压力表。 3)从使用环境来考虑? 对爆炸性气氛环境,使用电气压力表时,应选择防爆型; 机械振动强烈的场合,应选用船用压力表;对温度特别高或 特别低的环境,应选择温度系数小的敏感元件以及其他变换 元件。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4)从仪表输出信号的要求来考虑? 若只需就地观察压力变化,应选用弹簧管压力计;若需 远传,则应选用电气式压力计,如霍尔式压力计等;若需报 警或位式调节,应选用带电接点的压力计;若需检测快速变 化的压力,应选压阻式压力计等电气式压力计;若被检测的 是管道水流压力且压力脉动频率较高,应选电阻应变式压力 计。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.压力仪表量程的选择? 为了保证压力计能在安全的范围内可靠工作,并兼顾到 被测对象可能发生的异常超压情况,对仪表的量程选择必须 留有余地。测量稳定压力时,最大工作压力不应超过量程的 3/4;测量脉动压力时,最大工作压力则不应超过量程的2/3; 测高压时,则不应超过量程的3/5。为了保证测量准确度, 最小工作压力不应低于量程的1/3。当被测压力变化范围大, 最大和最小工作压力可能不能同时满足上述要求时,应首先 满足最大工作压力条件。? 目前,我国出厂的压力(包括差压)检测仪表有统一的量 程系列,它们是1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以 及它们的10n倍数(n为整数)。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.压力表准确度等级的选择 压力表的准确度等级主要根据生产允许的最大误差来 确定。我国压力表准确度等级有0.005、0.02、0.05、0.1、 0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。一般0.35级以 上的表为校验用的标准表。

第4章?生产工艺参数检测仪表

4.3流量检测与仪表
4.3.1流量检测的概念与方法 1.流量的概念 1)瞬时体积流量 体积流量Qv是以体积计算的单位时间内通过的流体量,在 工程中可用l/h(升/小时)或m3/h(立方米/小时)等单位表 示。 若设被测管道内某个横截面S的截面积为A(m),取其 上的面积微元ds,对应流速为v(m/s),则

Q v ? ? vds
s

(4-51)

第4章?生产工艺参数检测仪表 若设被测管道内整个横截面S上的各处流速相等,均为 v(m/s),则Qv=vA。但在工程中,管道内各处的流体流 速往往是不相等的。为了解决流体中各点速度往往不相等 的问题,设定截面S上各点有一个平均流速v(m/s),则有

Qv ?s vds v? ? A A

(4-52)

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)瞬时质量流量 质量流量Qm是以质量表示单位时间内通过的流体量, 工程中常用kg/h(千克/小时)表示。显然质量流量Qm等于 体积流量Qv与流体密度ρ的乘积,用数学表达式可以表示为

Qm ? Qv ? ?

(4-53)

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)累积体积流量? 累积体积流量V是以体积计算的单位时间内通过的流

体量,在工程中可用l(升)或m3 (立方米)等单位表示。
若设被测管道内某个横截面S上的瞬时体积流量为Qv, 则在t时间内流体的累积体积流量则为

V ? ? Q v ds
t

(4-54)

若设被测管道内整个横截面S上的瞬时体积流量在t时 刻内相等,则V=Qvt。

第4章?生产工艺参数检测仪表

4)累积质量流量? 显然,累积质量流量M等于累积体积流量V与流体密度 ρ 的乘积。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.流量的检测方法? 1)节流差压法?

在管道中安装一个直径比管径小的节流件,如孔板、喷嘴、
文丘利管等,当充满管道的单相流体流经节流件时,由于流 道截面突然缩小,流速将在节流件处形成局部收缩,使流速 加快。由能量守恒定律可知,动压能和静压能在一定条件下 可以互相转换,流速加快必然导致静压力降低,于是在节流

件前后产生静压差,而静压差的大小和流过的流体流量有一
定的函数关系,所以通过测量节流件前后的压差即可求得流 量。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)容积法? 应用容积法可连续地测量密闭管道中流体的流量,它

是由壳体和活动壁构成流体计量室。当流体流经该测量装
置时,在其入、出口之间产生压力差,此流体压力差推动 活动壁旋转,将流体一份一份地排出,记录总的排出份数, 则可得出一段时间内的累积流量。容积式流量计有椭圆齿 轮流量计、腰轮(罗茨式)流量计、刮板式流量计、膜式 煤气表及旋转叶轮式水表等。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)速度法? 测出流体的流速,再乘以管道截面积即可得出流量。 显然,对于给定的管道,其截面积是个常数。流量的大小 仅与流体流速大小有关,流速大流量大,流速小流量小。 由于该方法是根据流速而来的,故称为速度法。根据测量 流速方法的不同,有不同的流量计,如动压管式、热量式、 电磁式和超声式等。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4)流体阻力法? 流体阻力法是利用流体流动给设置在管道中的阻力体

以作用力,而作用力大小和流量大小有关的原理来测流体
流量。常用的靶式流量计其阻力体是靶,由力平衡传感器 把靶的受力转换为电量,实现测量流量的目的;转子流量 计是利用设置在锥形测量管中可以自由运动的转子(浮子) 作为阻力体,它受流体自下而上的作用力而悬浮在锥形管 道中某个位置,其位置高低和流体流量大小有关。

第4章?生产工艺参数检测仪表 5)涡轮法? 在测管入口处装一组固定的螺旋叶片,使流体流入后

产生旋转运动。叶片后面是一个先缩后扩的管段,旋转流
被收缩段加速,在管道轴线上形成一条高速旋转的涡线。 该涡线进入扩张段后,受到从扩张段后返回的回流部分流 体的作用,使其偏离管道中心,涡线发生进动运动,而进 动频率与流量成正比。利用灵敏的压力或速度检测元件将 其频率测出,即可测出流体流量。

第4章?生产工艺参数检测仪表

6)卡门涡街法?
在被测流体的管道中插入一个断面为非流线型的柱状体, 如三角柱体或圆柱体,称为旋涡发生体。旋涡分离的频率与 流速成正比,通过测量旋涡分离频率可测出流体的流速和瞬 时流量。当流体流过柱体两侧时,会产生两列交替出现而又 有规则的旋涡列。由于旋涡在柱体后部两侧产生压力脉动, 在柱体后面尾流中安装测压元件,则能测出压力的脉动频率, 经信号变换即可输出流量信号。

第4章?生产工艺参数检测仪表 7)质量流量测量? 质量流量测量分为间接式和直接式。间接式质量流量 测量是在直接测出体积流量的同时,再测出被测流体的密 度或测出压力、温度等参数,求出流体的密度。因此,测 量系统的构成将由测量体积流量的流量计(如节流差压式、 涡轮式等)和密度计或带有温度、压力等的补偿环节组成, 其中还有相应的计算环节。

第4章?生产工艺参数检测仪表 直接式质量流量测量是直接利用热、差压或动量来检测,

如双涡轮质量流量计,它是一根轴上装有两个涡轮,两涡轮
间由弹簧联系,当流体由导流器进入涡轮后,推动涡轮转动, 涡轮受到的转矩和质量流量成正比。由于两涡轮叶片倾角不

同,受到的转矩是不同的。因此,使弹簧受到扭转,产生扭
角,扭角大小正比于两个转矩之差,即正比于质量流量,通 过两个磁电式传感器分别把涡轮转矩变换成交变电势,两个

电势的相位差即是扭角。又如科里奥利力质量流量计就是利
用动量来检测质量流量。

第4章?生产工艺参数检测仪表

4.3.2差压式流量计
差压式流量计是目前流量测量中用得最多的一种流量仪 表,它的使用量大概占整个流量仪表的60%~70%,应用范围 特别广泛,例如工作环境可以是清洁的,也可是脏污的;工 作条件则有高温、常温、低温、高压、常压、真空等不同情 况;测量管径也可从几个毫米到几米,全部单相流体,包括 液、气、蒸汽皆可测量,部分混相流,如气固、气液、液固 等亦可应用,一般生产过程的管径、工作状态(压力,温度) 皆有产品。其他优点还包括性能稳定、结构牢固、便于规模 生产;测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平。节 流式差压流量计应用最普遍的节流件标准孔板,其结构简单、 牢固,易于复制,性能稳定可靠,使用期限长,价格低廉; 应用范围极广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比。

第4章?生产工艺参数检测仪表 节流式差压流量计也存在有测量精度普遍偏低、压力损 失大、测量范围窄、现场安装要求高等缺点。使用范围度窄,

一般范围度仅为3∶1~4∶1;现场安装条件要求较高,如需
较长的直管段;检测件与差压显示仪表之间引压管线为薄弱 环节,易产生泄露、堵塞、冻结及信号失真等故障;孔板、 喷嘴的压损大;流量刻度为非线形。

第4章?生产工艺参数检测仪表

1.差压式流量计原理
当连续流动的流体遇到安插在管道内的节流装置时,由 于节流的截面积比管道的截面积小,形成流体流通面积的突 然缩小,在压头作用下流体的流速增大,挤过节流孔,形成 孔板附近的流动图束收缩。在挤过节流孔后,流速又由于流 通面积的变大和流束的扩大而降低。与此同时,在节流装置 前后的管壁处的流体静压力产生差异,形成静压力差ΔP=P1P2,并且P1>P2,此即节流现象。也就是节流装置的作用在于 造成流束的局部收缩,从而产生压差。并且流过的流量愈大, 在节流装置前后所产生的压差也就越大,因此可通过测量压 差来衡量流体流量的大小。这种测量方法是以流体流动的连 续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律) 为基础的。压差的大小不仅与流量有关,还与其他许多因素 有关。图4-40所示为孔板附近的流速和压力状况。

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图4-40孔板附近的流速和压力

第4章?生产工艺参数检测仪表 流量方程为

QV ? αεa

2?p

?

, Qm ? ??a 2?p?

式中:α为流量系数,它与节流件的结构形式、取压方式、孔

口截面积与管道截面积之比、直径、雷诺数、孔口边缘锐度、
管壁粗糙度等因素有关;ε为膨胀校正系数,它与孔板前后压 力的相对变化量、介质的等熵指数、孔口截面积与管道截面 积之比等因素有关;a为节流件的开孔截面积;Δp为节流件 前后实际测得的压力差;ρ为节流件前的流体密度。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.标准节流装置与取压方式 1)标准节流装置? 人们对节流装置作了大量的研究工作,一些节流装置 已经标准化了。对于标准化的节流装置,只要按照规定进

行设计、安装和使用,不必进行标定就能准确地得到其精
确的流量系数,从而进行准确的流量测量。图4-41为全套标 准节流装置。

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图4-41全套节流装置

第4章?生产工艺参数检测仪表 标准节流装置的使用条件:? (1)被测介质应充满全部管道截面并连续地流动;? (2)管道内的流束(流动状态)是稳定的;? (3)在节流装置前后要有足够长的直管段,并且要求 节流装置前后长度为二倍管道直径,管道的内表面上不能有 凸出物和明显的粗糙不平现象。

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2)节流装置取压方式?
目前,对各种节流装置取压的方式均不同,即取压孔在 节流装置前后的位置不同。即使在同一位置上,为了达到压 力均衡,也采用不同的方法。对标准节流装置的每种节流元 件的取压方式都有明确规定。? 以孔板为例,通常采用的取压方式有:角接取压法、理 论取压法、径距取压法、法兰取压法和管接取压法五种。各 种取压方式的取压孔位置如图4-42所示。

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图4-42标准孔板、喷嘴结构? (a)标准孔板结构;(b)喷嘴结构

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Ⅰ.角接取压法?
上、下游的取压管位于孔板前后端面处,如图4-43中11所示。通常用环室或夹紧环取压,环室取压是在紧贴孔板 的上、下游形成两个环室,通过取压管测量两个环室的压力 差。夹紧环取压是在紧靠孔板上、下游两侧钻孔,直接取出 着道压力进行测量。两种方法相比,环室取压均匀,测量误 差 小 , 对 直 管 段 长度 要 求 较短 , 多 用于 管 道 直径 小 于 ? 400mm处,而夹紧环取压多用于管道直径大于200mm处。

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图4-43各种取压位置图

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.法兰取压法? 不论管道直径大小,上、下游取压管中心均位于距离 孔板两侧相应端面25.4mm处,如图4-43中2-2所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.理论取压法? 上游取压管的中心位于距孔板前端面一倍管道直径D

处,下游取压管的中心位于流速最大的最小收缩断面处,
如图4-43中3-3所示。通常最小收缩断面位置和面积比m有 关,而且有时因为法兰很厚,取压管的中心不一定能准确

地放置在该位置上。这就需要对差压流量计的示值进行修
正。特别是由于孔板流束的最小断面位置随着流量的变化 也在变化,而取压点不变。因此,在流量的整个测量范围 内,流量系数不能保持恒定。通常这种取压方法应用于管 道内径 D>100mm的情况,对于小直径管道,因为法兰的相 对厚度较大,不易采用该法。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅳ.径距取压法? 上游取压管的中心位于距离孔板前端一倍管道直径D处,

下游取压管的中心位于距离孔板前端面D/2处,如图4-43中
4-4所示。径距取压法和理论取压法的差别仅为其下游取压 点是固定的。?

Ⅴ.管接取压法?
上游取压管中心位于距孔板前端面2.5D处,下游取压管

中心位于距孔板后端面8D处,如图4-43中5-5所示。这种取
压方式测得的压差值,即为流体流经孔板的压力损失值,所 以也叫损失压降法。

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3.节流装置前后差压测量方法
1)双波纹管差压计? 双波纹管差压计主要由两个波纹管、量程弹簧、扭力管 及外壳等部分组成。当被测流体的压力p1和p2分别由导压管引 入高、低压室后,在压差Δ p=p1-p2>0的作用下,高压室的波

纹管B1被压缩,容积减小,内部充填的不可压缩液体将流向B2,
使低压侧的波纹管B2伸长,容积增大,从而带动连接轴自左向 右运动。当连接轴移动时,将带动量程弹簧伸长,直至其弹

性变形与压差值产生的测量力平衡为止。而连接中心上的挡
板将推动扭管转动,通过扭管的心轴将连接轴的位移传给指 针或显示单元,指示差压值。

第4章?生产工艺参数检测仪表 CW-612-Y?型双波纹管差压计如图4-44所示。该差压

计附加有压力自动补偿装置,与节流装置相配合测量工业
锅炉饱和蒸气的流量,并可连续地对流量进行累计。还可 用于其他气体流量的测量和计量。它具有现场记录装置,

可将被测流体(蒸气)的瞬时流量记录在直径为300mm的
圆图记录纸上,还有差压、压力及流量的现场指示及变送 功能,输出0~10mA的标准电流信号,并可与DDZ~Ⅱ型

电动单元组合仪表配合使用进行远距离传送,对被测流体
(蒸气)进行自动控制和调节。

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图4-44双波纹管差压计结构图

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)膜片式差压计 膜片式差压计主要由差压测量室(高压和低压室)、 三通导压阀和差动变压器三大部件构成,如图4-45所示。

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图4-45膜片式差压计结构图

第4章?生产工艺参数检测仪表 当高 压P1 和低压P2 分别导人高、低压室之后,在压差 △P=P1-P2 的作用下,膜片向低压室方向产生位移,从而带

动不锈钢连杆及其端部的软铁在差动变压器线圈内移动,
通过电磁感应将膜片的位移行程转化为电信号,再通过显 示仪表显示。

膜片式差压计安装的正确和可靠与否,对能否保证将
节流装置输出的差压信号准确地传送到差压计或差压变送 器上,是十分重要的。因此,流量计的安装必须符合要求。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (1)安装时,必须保证节流件的开孔和管道同心,节 流装置端面与管道的轴线垂直。在节流件的上下游,必须 配有一定长度的直管段。 (2)导压管尽量按最短距离敷设在3m~50m之内。

为了不致在此管路中积聚气体和水分,导压管应垂直安装。
水平安装时,其倾斜率不应小于1:10,导压管为直径 10mm~12mm的铜、铝或钢管。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3)测量液体流量时,应将差压计安装在低于节流装 置处。如一定要装在上方时,应在连接管路的最高点处安 装带阀门的集气器,在最低点处安装带阀门的沉降器,以 便排出导压管内的气体和沉积物。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.3.3容积式流量计 容积式流量计又称定排量流量计,是一种很早就使用的 流量测量仪表,用来测量各种液体和气体的体积流量。由于 它是使被测流体充满具有一定容积的空间,然后再把这部分 流体从出口排出,所以叫容积式流量计。它的优点是测量精 度高,在流量仪表中是精度最高的一类仪表。它利用机械测 量元件将流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据 计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测 量流体体积总量。因此,受测流体粘度影响小,不要求前后 直管段等,但要求被测流体干净,不含有固体颗粒,否则应 在流量计前加过滤器。容积式流量计一般不具有时间基准, 为得到瞬时流量值,需要另外附加测量时间的装置。

第4章?生产工艺参数检测仪表 容积式流量计精度高,基本误差一般为±0.5%R(在流 量测量中常用两种方法表示相对误差:一种为测量上限值的

百分数,以%FS表示;另一种为被测量的百分数,以%R表
示),特殊的可达±0.2%R或更高,通常在昂贵介质或需要 精确计量的场合使用;没有前置直管段要求;可用于高黏度 流体的测量;范围度宽,一般为10∶1到5∶1,特殊的可达 30∶1或更大;它属于直读式仪表,无需外部能源,可直接

获得累积总量。

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容积式流量计结构复杂,体积大,一般只适用于中、小
口径;被测介质种类、介质工况(温度、压力)、口径局限 性大,适应范围窄;由于高温下零件热膨胀、变形,低温下 材质变脆等问题,一般不适用于高、低温场合,目前可使用 温度范围大致在-30~+160℃,压力最高为10MPa;大部分只 适用洁净单相流体,含有颗粒、脏污物时上游需装过滤器, 既增加压损,又增加维护工作;如测量含有气体的液体,必 须装设气体分离器;安全性差,如检测活动件卡死,流体就 无法通过;部分形式仪表(如椭圆齿轮式、腰轮式、卵轮式、 旋转活塞式、往复活塞式)在测量过程中会给流动带来脉动, 较大口径仪表还会产生噪声,甚至使管道产生振动。

第4章?生产工艺参数检测仪表 1.椭圆齿轮流量计 椭圆齿轮流量计由流量变送器和计数机构组成。变送 器与计数机构之间加装散热器,则构成高温型流量计。送 变器由装有一对椭圆齿轮转子的计量室和密封联轴器组成,

计数机构则包含减速机构、调节机构、计数器、发讯器。
椭圆齿轮流量计的结构图如图4-46所示。

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图4-46椭圆齿轮流量计结构图

第4章?生产工艺参数检测仪表 计量室内由一对椭圆齿轮与盖板构成初月形空腔作为 流量的计量单位。椭圆齿轮靠流量计进出口压力差推动而 旋转,从而不断地将液体经初月形空腔计量后送到出口处, 每转流过的液体是初月形空腔的四倍,由密封联轴器将椭 圆齿轮旋转的总数以及旋转的快慢传递给计数机构或发讯 器,便可知道通过管道中液体总量和瞬时流量。

第4章?生产工艺参数检测仪表 椭圆齿轮流量计的工作原理见图4-47。在仪表的测量 室中安装两个互相啮合的椭圆形齿轮,可绕轴自己转动。 当被测介质流入仪表时,推动齿轮旋转。由于两个齿轮所 处位置不同,分别起主、从动轮作用。在图4-47(a)位置 时,由于p1大于p2,轮Ⅰ受到一个顺时针的转矩,而轮Ⅱ虽 受到p1 和p2的作用,但合力矩为0,此时轮Ⅰ将带动轮Ⅱ旋 转,于是将外壳与轮Ⅰ之间标准测量室内液体排入下游。 当齿轮转至图4-47(b)所示位置时,轮Ⅰ受顺时针力矩, 轮Ⅱ受逆时针力矩,两齿轮在p1、p2作用下继续转动。当齿 轮转至图4-47(c)位置时,类似图4-47(a),只不过此 时轮Ⅱ为主动轮,轮Ⅰ为从动轮。上游流体又被封入轮Ⅱ 形成的测量室内。这样,每个齿轮转一周,两个齿轮共送 出四个标准体积的流体(阴影部)。

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图4-47椭圆齿轮流量计原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表 椭圆齿轮的转数通过设在测量室外部的机械式齿轮减 速机构及滚轮计数机构累计。为了减小密封轴的摩擦,这 里多采用永久磁铁做成的磁联轴节传递主轴转动,既保证 了良好的密封,又减小了摩擦。设流量计“循环体积”为 v,一定时间内齿轮转动次数为N,则在该时间内流过流量

计的流体体积为V,则

V=Nν
由于齿轮在一周内受力不均,其瞬时角速度也不均匀。 其次,被测介质是由固定容积分成一份份地送出,因此不宜 用于瞬时流量的测量。椭圆齿轮流量计有时虽可以外加等速 化机构,输出等速脉冲,但也很少用于瞬时流量的测量。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.腰轮流量计? 腰轮流量计如图4-48所示,其工作原理与椭圆齿轮流量 计相同,只是转子形状不同。腰轮流量计的两个轮子是两个 摆线齿轮,故它们的传动比恒为常数。为减小两转子的磨损, 在壳体外装有一对渐开线齿轮作为传递转动之用。每个渐开 线齿轮与每个转子同轴。为了使大口径的腰轮流量计转动平 稳,每个腰轮均作成上下两层,而且两层错开45°,称为组

合式结构。

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图4-48腰轮流量计原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.刮板式流量计 刮板流量计和上面两种流量计的原理相似,它有两种 形式:一种是凸轮式刮板流量计,如图4-49所示;另一种是 凹陷式刮板流量计,如图4-50所示。

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图4-49 凸轮式刮板流量计原理图

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图4-50凹陷式刮板流量计原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表 凸轮式刮板流量计的计量部分由转子、凸轮、轮轴、 刮板、连杆、滚柱和外壳构成。外壳内腔是一个圆柱形空

腔,转子为一空心薄壁圆筒。流量的转子中开有四个两两
垂直的槽,槽中装有可以伸出、缩进的刮板,伸出的刮板 在被测流体的推动下带动转子旋转。伸出的两个刮板与壳 体内腔之间形成计量容积,转子每旋转一周便有四个这样 容积的被测流体通过流量计。因此,计量转子的转数即可 测得流过流体的体积。凸轮式刮板流量计的转子是一个空 心圆筒,中间固定一个不动的凸轮,刮板一端的滚子压在 凸轮上,刮板在与转子一起运动的过程中还按凸轮外廓曲 线形状从转子中伸出和缩进。

第4章?生产工艺参数检测仪表 凹陷式刮板流量计其工作原理和凸轮式类似。相对的刮 板之间仍用定长连杆连接,刮板的滑动是靠壳内壁凹陷控制 的。凹陷式刮板流量计的转子是实心的,中间有槽,槽中安 装刮板,刮板从转子中伸出和缩进是由壳体内腔的轮廓线决 定的。当被测介质从左向右流入流量计时,将推动刮板和转

子旋转,与此同时刮板会沿着滑槽滑进滑出。两个相对刮板
之间的距离是一定的,因此,当刮板连续转动时,在两个相 邻刮板、转子、壳内壁及前后端盖之间形成一个固定容积的

计量空间(即标准容积),转子每转一周就排出四个精确的
计量空间的体积的流体。为了提高测量精度,必须设法减少 刮板根、梢两处的泄漏,因此,加工精度要高。

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)凸轮式刮板流量计的特点? (1)凸轮小,厚度也小,加工制造容易;? (2)壳体内壁呈圆形,工艺性好,易于加工,易做成 大口径流量计;?

(3)运转时刮板不接触壳体内壁,磨损小;?
(4)结构复杂,加工量大;? (5)量程比小。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)凹陷式刮板流量计的特点? (1)壳体内腔是非圆曲线,与凸轮式相比加工难度较大, 不宜制成大口径刮板流量计;? (2)运转时刮板与壳体内壁接触,有磨损,而且压损也

比凸轮式压损稍大;?
(3)密封性好,泄漏量小,刮板磨损后可自动补偿,不 影响计量精度;? (4)结构比较简单;?

第4章?生产工艺参数检测仪表 (5)通用性好,大口径组合式计量腔,零件通用性强。 由于刮板的特殊运动轨迹,使被测流体在通过流量计 时,完全不受扰动,不产生漩涡。因此,精度可达±0.2%, 甚 至 ±0.1 % ; 压 力 损 失 也 很 小 , 在 最 大 流 量 下 也 低 于

3×104Pa。刮板式流量计在石油、石化工业中均得到了广泛
应用。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.3.4速度式流量计 1.电磁流量计

电磁流量计是基于电磁感应原理工作的流量测量仪表。
它能测量具有一定电导率的液体的体积流量。由于它的测量

精度不受被测液体的粘度、密度及温度等因素变化的影响,
且测量管道中没有任何阻碍液体流体的部件,所以几乎没有 压力损失。适当选用测量管中绝缘内衬和测量电极的材料,

就可以测量各种腐蚀性(酸、碱、盐)溶液流量,尤其在测
量含有固体颗粒的液体,如泥浆、纸浆、矿浆等的流量时, 更显示出其优越性。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)电磁流量计原理? 图4-51为电磁流量计原理图。磁场方向有一个直径为D

的管道。管道由不导磁材料制成,管道内表面衬挂衬里。
当导电的液体在导管中流动时,导电液体切割磁力线,于 是在和磁场及其流动方向垂直的方向上产生感

E=BDv

(4-56)

式中:E为感应电动势;B为磁感应强度;D为管道内径;v
为流体在管道内平均流速。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-51电磁流量计的工作原理

第4章?生产工艺参数检测仪表 由上式得

E v? BD
Qv ?

(4-57)

所以得流量为

?D 2
4

v?

?DE
4B

(4-58)

从式(4-58)可见,流体在管道中流过的体积流量与感应 电动势成正比。在实际工作中由于永久磁场产生的感应电动 势为直流,会导致电极极化或介质电解,引起测量误差,所

以在工业用仪表中多采用交变磁场。设则感应电动势为:

4Qv E ? DvBmax sin?t ? Bmax sin?t ? KQv ?D

(4-59)

第4章?生产工艺参数检测仪表 式中,

4 Bmax K? sin?t πD
可见,感应电动势和体积流量成正比,只要设法测出E,

QV就知道了。在求QV时,应进行E/B的除法运算,在电磁流
量计中常用霍尔元件实现这一运算。 采用交变磁场以后,感应电势也是交变的,这不但可 以消除液体极化的影响,而且便于后面环节的信号放大, 但增加了感应误差。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)电磁流量计的结构 电磁流量计由外壳、励磁线圈及磁扼、电极和测量导管

四部分组成,内部结构如图4-52所示。

图4-52 电磁流量计传感器典型结构图

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅰ. 激磁线圈及磁轭 磁场是用50 Hz工频电源激励产生, 激励线圈有三种绕

制方法。?
(1) 变压器铁芯型:适用于Φ25以下的小口径变送器,

如图4-53所示。 ?
(2) 集中绕组型:适用于中等口径,它有上下两个马鞍 型线圈。为了保证磁场均匀,一般加极靴,在线圈的外面 加一层磁轭,如图4-54所示。

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图4-53 变压器铁芯型电磁流量计

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-54 集中绕组型电磁流量计(剖面)

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3) 分段绕制型: 适用于大于Φ 10口径的变送器, 按余弦分布绕制,线圈的外部加一层磁轭,无极靴。分段绕

制可减小体积,并使磁场均匀,如图4-55所示。 ?
Ⅱ. 电极? 电极与被测介质接触,一般使用不锈钢和耐酸钢等非磁 性材料制造, 通过加工, 成矩形或圆形, 如图4-56所示。

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图4-55分段绕制型电磁流量计

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-56电极分布结构图

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.测量导管? 当导管内通过较强的交流磁场时,会使管壁产生较大的 涡流,因而产生二次磁通,这是产生噪声的原因之一。因此, 为了能让磁力线穿过,使用非磁性材料制造测量导管,以免 造成磁分流。中小口径电磁流量计的导管用不导磁的不锈钢 或玻璃钢等制造;大口径的导管用离心浇铸的方法把橡胶和 线圈、电极浇铸在一起,可减小因涡流引起的误差。金属管 的内壁挂一层绝缘衬里,防止两个电极被金属导管短路,同 时还可以防腐蚀,一般使用天然橡胶(60℃)、氯丁橡胶 (70℃)、聚四氟乙烯(120℃)等。除氟酸和高温碱外,玻 璃衬里适用于各种酸、碱溶液的测量,使用温度可达120℃ 以上。

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Ⅳ.外壳?

电磁流量变送器的外壳起隔离和保护作用。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)电磁流量计的特点、选型及安装? Ⅰ.电磁流量计的特点? 从电磁流量计的基本原理和结构来看,它有如下主要 特点:? (1)电磁流量变送器的测量管道内无运动部件和阻力环 节,因此,使用可靠、维护方便、寿命长,而且压力损力 很小;? (2)只要流体具有一定的导电性,测量过程就不受被测 介质的温度、密度、粘度、压力、流动状态(层流或紊流) 的影响;

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3)测量管道为绝缘衬里,只要选择合适的衬里材料, 就可测量腐蚀性介质的流量;?

(4)测量中无惯性、滞后现象,流量信号反应快,可测
脉冲流量;? (5)测量范围大,满刻度量程连续可调;? (6)仪表呈均匀刻度和线性输出,便于配套。? 但是,在使用电磁流量计时,被测介质必须有足够的电 导率,故不能测量气体、蒸气和石油制品等的流量。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.电磁流量变送器的选择? 电磁流量计用于测量管道内导电液体的体积流量。选择

电磁流量计的前提是介质必须具有足够的电导率。标准型仪
表要求介质电导率不低于10μ s/cm,低电导率型仪表其被测 介质电导率不低于0.1μ s/cm,低电导率型仪表其流量信号

传输电缆需采用双芯双重屏蔽电缆。?
电磁流量计的选用应综合使用场合、被测介质、测量要

求等因素来考虑。一般的化工、冶金、污水处理等行业可以
选用通用型电磁流量计,有爆炸性危险的场合应选用防爆型, 医药卫生等行业则可选用卫生型。

第4章?生产工艺参数检测仪表 对于测量精度的选择也应视具体情况而定,应在经济

允许范围内追求精度等级高的流量计,例如一些高精度的
电磁流量计误差可以达到±0.5%~±1%,可用于昂贵介质 的精确测量;而一些低精度流量计成本较为低廉,用于对 控制调节等一般要求的场合。? 被测介质的腐蚀性、磨蚀性、流速、流量等因素也会

影响电磁流量计的选择,测量腐蚀性大的介质应选用具有
耐腐蚀衬里和电极的电磁流量计。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (1)量程的选择。 变送器量程的选择对提高电磁流量计的可靠性及测量 精度十分重要。量程可根据不低于最大流量值的原则来确 定。常用流量超过测量上限的50%,流量上限测定值在转

换器上设定,转换器有单量程、双量程、可变量程三种可
供选择。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (2)口径的选择。变送器的口径可采用与管道相同的口 径,或者略小一些,如果在量程确定的条件下,其口径可

根据不同的测量对象在测量管道内的流速大小来决定。在
一般使用条件下,流速以2~4m/s为最适宜,但在有些场合, 其流速可达10m/s。? 当介质对衬里有磨损危害或沉淀物易粘附电极的场合, 可考虑改变口径。介质对衬里有磨损时,可增大变送器口

径,使流速在3m/s以下,并加装保护法兰;介质容易产生
沉淀物粘附电极时,可减小变送器口径,使流速在2m/s以 上。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3)压力的选择。根据工业生产要求,目前生产的电磁 流量计的工作压力为:?

①小于Φ50mm口径的为1.6MPa;?
②Φ80~Φ900mm口径的为1.0MPa;?

③大于Φ1000mm口径的为0.6MPa。?
(4)使用温度的选择。被测介质的温度不能超过内衬材

料的容许使用温度。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.传感器的安装? 传感器的安装应注意以下问题:?

(1)避免安装在周围有强腐蚀性气体的场所;避免安装在
周围有电动机、变压器等可能带来电磁场干扰的场合;如果

测量对象是两相或多相流体,应避免可能会使流体相分离的
场所;避免安装在可能被雨水浸没的场所,避免阳光直射。 (2)水平安装时,电极轴应处于水平,防止流体夹带气泡 可能引起的电极短时间绝缘;垂直安装时流动方向应向上, 可使较轻颗粒上浮离开传感电极区。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 (3)传感器应采取接地措施以减小干扰的影响。在一般 情况下,可通过将参比电极或金属管将管中流体接地,将

传感器的接地片与地线相连。如果是非导电的管道或者没
有参比电极,可以将流体通过接地环接地。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.超声波流量计

超声波在流动介质中传播时,如果其方向与介质运动
方向相同,则传播速度加快;如果其方向与介质运动方向 相反,则传播速度减低。超声波流量计正是根据传播速度 和流体流速有关这样一个基本的物理现象而工作的。超声 波流量计适合于测量大管径、非导电性、强腐蚀性的液体

或气体的流量,并且不会造成压力损失。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-57超声波流量计结构示意图

第4章?生产工艺参数检测仪表

超声波流量计是在管道的两侧斜向上分别安装一个发射
换能器和一个接收换能器,如图4-57所示,两个换能器的轴 线重合在一条斜线上,换能器多由压电陶瓷元件制成,接收 换能器利用压电效应,发射换能器则利用逆压电效应。? 假定流体静止时的声速为c,流体流速为v,则顺流时超

声波传播速度v1=c+v,逆流时传播速度v2=c-v。若两换能器
间距离为L,则顺流传播时间为

L t1 ? c?ν
逆流传播时间为

(4-60)

L t2 ? c?ν

(4-61)

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)时差法? 超声波顺流传播,速度快,时问短;逆流传播,速度慢,

时间长。时间差Δt可写为

2 Lν ?t ? t1 - t2 ? 2 2 c ?ν
因v<<c,故v2可忽略,可得

(4-62)

2 Lν ?t ? t1 - t 2 ? 2 c


(4-63)

2L ? ? t1 - t2 ? 2 ?t c

(4-64)

第4章?生产工艺参数检测仪表 当流体中的声速c为常数时,流速v便和Δt成正比,测出 时间差,即可求出流速,进而得到流量。?

值得注意的是,一般液体中的声速往往在1500m/s左右,
而流速只有每秒几米,如要求流速测量的精确度达到1%,

则对声速测量的精确度需为10-5~10-6数量级。这是难以做到
的,何况声速受温度的影响不容忽略。所以,直接利用式 (4-64)不易实现精确的流量测量。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)速差法? 顺流速度v1与逆流速度v2的差为

L L L?t ?? ? ? 1 -? 2 ? 2? ? ? ? t1 t 2 t1t 2
L?t L?t ?? ? 2t 1t 2 2t 1 ( t1 ? ?t )

(4-65)

(4-66)

此式中的L为常数,只要测出顺流传播时间t1和时间差Δt,就
能求出v,进而得到流量,这就避免了求声速c的困难。这种 方法不受温度的影响,容易得到可靠的数据。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)频差法? 发射换能器和接收换能器可以经过放大器接成闭环,使

接收到的脉冲放大之后去驱动发射换能器,这就构成了振荡
器。振荡频率取决于从发射到接收的时间,即上述t1或t2。如 果A发射,B接收,则频率为

1 c ?? f1 ? ? t1 L
反之,如果B发射,A接收,则频率为

(4-67)

1 c ?? f2 ? ? t2 L

(4-68)

第4章?生产工艺参数检测仪表 以上两个频率之差为

2 ?f ? f1 ? f 2 ?? ? L

(4-69)

可见,频差和流速成正比,式(4-69)中也不含声速c,测量

结果不受温度影响,这种方法更为简单实用。不过一般频
率差Δf很小,直接测量不易精确,往往采用倍频电路。 因为两个换能器是轮流担任发射和接收的,所以要有 控制其转换的电路,两个方向闭环振荡的倍频利用可逆计 数器求差,然后经数模转换,并放大成0~10mA或4~20mA。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4)多普勒法? 这种流量计是利用流体中的散射体(微粒物质)对声能的 反射原理工作的,即将超声波射束放射于与流体同一速度流 动的微粒子,并由接收器接收从微粒子反射回来的超声波信 号,通过测量多普勒频移来求出流速,从而求出体积流量。 可以用发射器本身,即同一个换能器做接收器,也可以用另 一个单独的换能器做接收器,如图4-58所示。设定接收器和 发射器构成指向方向的角度为θ且相等,这样,若流体的流速 为v,流体的音速为c,发射器发出的超声波频率ft,则接收器 检测到的由微粒所反射的超声波频率fr有

c ? ?cos? fr ? ft c ??cos?

(4-70)

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-58超声波多普勒流量计原理

第4章?生产工艺参数检测仪表 通常水中音速约为1500m/s,流体流速为数m/s,因 此,v<<c上式可改为

2?cos? f r ? (1 ? )f t c
多普勒频移fd可由下式求出

(4-71)

2?cos? fd ? fr ? f t ? ft c
从而流速v为

(4-72)

2?cos? f d ?? c ft

(4-73)

第4章?生产工艺参数检测仪表 5)相关法? 超声技术与相关法结合也可测流量。在管道上相距L处

设置两组收发换能器,流体中的随机旋涡、气泡或杂质都
会在接收换能器上引起扰动信号,将上游某截面处收到的 这种随机扰动信号与下游相距L处另一截面处的扰动信号比

较,如发现两者变化规律相同,则证明流体已运动到下游
截面。将距离L除以两相关信号出现在不同截面所经历的时 间,就得到流速,从而求出流量。这种方法特别适合于气 液、液固、气固等两相流甚至多相流的流量测量,它也不 需在管道内设置任何阻力体,而且与温度无关。

第4章?生产工艺参数检测仪表 超声波流量计的主要优点是可以实现非接触测量,对 测量管道来讲,无插入零件,没有流体附加阻力,不受介

质黏度、导电性及腐蚀性影响。不论哪种方案,均为线性
特性。? 超声波流量计的主要缺点是精度不太高,约为1%?, 温度对声速影响较大,一般不适于温度波动大、介质物理 性质变化大的流量测量;也不适于小流量、小管径的流量 测量,因为这时相对误差将增大。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.3.5质量流量计 质量流量检测对于在工业生产中的物料平衡、热平衡

以及储存、经济核算等都起着重要的作用。由于Qm=QVρ ,
所以对于质量流量的检测,往往根据已测出的体积流量乘 以密度,换算成质量流量。而密度是随流体的温度、压力

的变化而变化的,因此,在检测体积流量时,必须同时检
测出流体的温度和压力,以便将体积流量换算成标准状态 下的数值,从而求出质量流量。这样,在温度、压力变化

比较频繁的情况下,因换算工作麻烦,而难以满足检测的
要求。所以,直接地检测质量流量,不仅有利于提供准确 流量,同时有利于工业生产中的经济核算等。

第4章?生产工艺参数检测仪表 通常质量流量检测的方法包括:? (1)直接式。检测元件的输出直接反映出质量流 量;? (2)推导式。同时检测出被测流体的体积流量和

密度,通过计算得出与质量流量有关的输出信号。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-59U形管科里奥利质量流量计结构原理

第4章?生产工艺参数检测仪表 1.检测原理? 当U形管内充满流体且流速为零时,在驱动器的作用下,

如图4-60所示,使U形管产生振动,U形管要绕O-O轴(按
其本身的性质和流体的质量所决定的固有频率)上、下同时 的振动(见图4-61)。当流体的流速为v时,则流体在直线 运动速度v和旋转运动角速度ω的作用下,对管壁产生一个 反作用力,即科里奥利力为

F ? 2m? ? ?
式中:F、ω、v都是向量;m为流体的质量。

(4-74)

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-60?U形管的受力分析

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-61?U形管的振动

第4章?生产工艺参数检测仪表 由于入口侧和出口侧的流向相反,越靠近U形管管端的 振动越大,流体在垂直方向的速度变化也越大,由于流体 在垂直方向具有相同的加速度a,因此,当U形管向上振 动时,流体作用于入口侧管端的是向下的力F1 ,作用于出 口侧管端的是向上的力F2 如图4-60,并且大小相等,r1为 F1的力臂,r2为F2的力臂。向下振动时,情况相似。

由于在U形管的两侧,受到两个大小相等方向相反的 作用力,则使U形管产生扭曲运动,U形管管端绕R—R 轴 扭曲(如图4-63所示)。其扭力矩为

M ? F1r1 ? F2 r2

(4-75)

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-62加速度与科里奥利力

第4章?生产工艺参数检测仪表 因F1=F2=F,r1=r2=r,则

M ? 2Fr ? 4m?? r

(4-76)

又因质量流量qm=m/t,流速v=L/t,t为时间,则上式可写成

M ? 4?rLq m

(4-77)

由式(4-77)知,当L一定时,qm取决于m、v的乘积。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-63?U形管的扭转

第4章?生产工艺参数检测仪表 设U形管的弹性模量为KS,扭曲角为θ,由U形管的刚 性作用所形成的反作用力矩为

T ? K S?

(4-78)

因T=M,则由式(4-77)和式(4-78)可得出如下公式:

KS qm ? ? 4?rL

(4-79)

第4章?生产工艺参数检测仪表 假定管端在中心位置时的振动速度为vt,从图4-63可知 存在如下关系:

sin? ?

?t
2r

?t

(4-80)

式中Δt表示图4-63中P1 和P2 点横穿Z—Z水平线的时间差。 由于θ很小,则

sin?,且,则可得出 ??

??

?L
2r

?t

(4-81)

第4章?生产工艺参数检测仪表 并由式(4-79)、式(4-81)可得如下关系:

K S ?L KS qm ? ? ?t ? 2 ?t 4?rL 2r 8r

(4-82)

式中:Ks和r是由U形管所用材料和几何尺寸所确定的常数。 因而科氏力质量流量计中的质量流量qm 与时间差Δt成比例。 而这个时间差Δt可以通过安装在U形管端部的两个位移检 测器所输出的电压的相位差检测出来,在二次仪表中将相 位差信号进行整形放大之后,对时间积分得出与质量流量 成比例的信号,得到质量流量。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.科里奥力流量计的特点及选用 1)科里奥力流量计的主要特点 Ⅰ.优点? 由于科里奥力流量计是一种直接式质量流量计,因而具 有许多其他流量计无可比拟的优点。?

(1)实现了真正的、高精度的直接质量流量测量。精度 一般可达0.1%~0.2%,重复性优于0.1%。?
(2)可以测量多种介质,如油品、化工介质、造纸黑液、 浆体及天然气等。? (3)可测量多个参数,在测量质量流量的同时,获取密度、 温度、体积流量等参数。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (4)流体的介质密度、黏度、温度、压力、导电率、流 速分布等特性对测量结果影响较小。安装时无上下直管段

要求。?
(5)无可动部件,流量管内无障碍物,便于维护。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ. 缺点? (1) 零点漂移较大。 科里奥力流量计的零点不稳定 性是它的最主要缺陷, 这与它本身的高精度很不相称。 ? (2) 对外界振动干扰较敏感。 为防止管内振动的影响,

流量传感器安装要求较高。 ?
(3) 流体中气泡含量超过某一界限会显著影响测量值。

(4) 价格较贵。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)科里奥力流量计的选用?

科里奥力流量计用于测量液体、悬浮液、乳浊液和高压 气体的质量流量、密度和温度,主要用于要求精确测量的场 合。对于强振动、强磁场场合,以及管道内流体有强水击效 应、强脉动流、夹带气流等场合不宜采用。另外,要根据被 测流体的腐蚀性、温度、压力等选用相应型号的科里奥力流 量计。如安装在需要保温的场合,应选用带保温夹套的;危险 场合应选用防爆产品。?
科里奥力流量计的选择一般主要考虑其性能和可靠性。 性能包括各种指标,如准确度、量程利用率、压力损失和量 程能力等。可靠性需要实践的检验。

第4章?生产工艺参数检测仪表 准确度主要包括:偏差、重复性、线性和回滞。有3种 描述方式:流量百分比准确度、满量程准确度和带零点稳定 度的准确度。不同的厂家可能以不同的方式给出,比较时应 考虑到这一点。其中,带零点稳定度的准确度更能体现科里 奥力流量计在整个流量范围内的准确度,因为零点稳定度表 示了流量计测量实际零流量的能力。? 根据操作条件和传感器的最大流量,预选出传感器的规 格(公称管径),计算出压力损失是选型工作的一个重要环节。 不实际的高流量会引起高的压力损失,但由于灵敏度高,准 确度就好;相反,低流量会使压力损失降低,灵敏度低,准确 度较差。所以,选择的时候要综合考虑,在尽可能低的压力 损失下得到高的流量灵敏度和准确度。

第4章?生产工艺参数检测仪表 量程能力(相对mA输出,最大量程和最小量程的比值) 也是一个考虑因素。如果使用mA输出信号的话,与许多其

他常规仪表的选择一样。量程利用率(额定流量与瞬时流
量的比值)也很重要,一般可通过厂家给出的科里奥力流量 计在各种流速下的量程利用率、压力损失和准确度曲线来 计算其在给定应用中的性能。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.科里奥力质量流量计的安装、使用及维护 1)安装? (1)流量传感器应安装在平稳坚固的基础上,避免因 振动而造成对流量检测的影响。在需要多台流量计串联或并

联使用时,各流量传感器之间的距离应足够远,管卡和支承
应分别设置在各自独立的基础上。

第4章?生产工艺参数检测仪表 (2)流量传感器在使用时不应存积气体或液体残渣, 对于弯管型流量计,最好垂直安装,需要水平安装时传感

器的外壳与工艺管道保持水平,便于弯曲的检测管道内气
泡上升,固体颗粒下沉;对于直管型流量计,水平安装时应 避免安装在最高点上,以免气团积存。? (3)传感器和工艺管道连接时,要做到无应力安装。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)使用? Ⅰ.流量计零点调整? 流量计零点调整的方法是在流量传感器充满被测流体 后关闭传感器下游阀门,在接近工作温度的条件下,调整 流量计的零点。需要注意的是:调整零点时一定要保证下 游阀门彻底关闭。若调零点时阀门存在泄漏,将会带来很 大的检测误差。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.正确设置流量和密度校准系数? 流量校准系数代表传感器的灵敏度及流量温度系数,

灵敏度表示每微秒时差代表多大的流量(单位为g/s),流量
温度系数表示传感器弹性模量受温度的影响程度;密度校 准系数代表传感器在0℃下管内为空气和管内为水时的自振 周期(单位为μs)和密度温度系数,显然,这些与流量计 的检测准确度都有直接关系,一定要正确设置。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)维护? 在使用时,及时发现和排除故障对流量计正常工作很 重要,常见的有以下几种故障现象。? (1)无输出。有流量通过传感器而传感器没有信号输 出。? (2)输出不变化。流量变化了,输出却保持不变。? (3)输出不正常。输出随意变化(即与流量的变化无 关)。? (4)断续地有输出。断续输出,开始和结束都无规律, 但当有输出时,输出信号能正确反映流量大小。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.3.6其他流量计 1.涡轮流量计 涡轮流量计是叶轮式流量(流速)计的主要品种。叶 轮式流量计还有风速计、水表等。涡轮流量计由传感器和 转换显示仪组成,传感器采用多叶片的转子感受流体的平

均流速,从而推导出流量或总量。转子的转速(或转数)
可用机械、磁感应、光电方式检出并由读出装置进行显示 和传送记录。

第4章?生产工艺参数检测仪表 涡轮流量计的结构如图4-64所示。当被测流体流过传感 器时,叶轮受力旋转,其转速与管道平均流速成正比,叶轮 的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中的磁通 随之发生周期性的变化,产生周期性的感应电势,即电脉冲 信号,经放大器放大后,送至显示仪表显示。涡轮式流量计 在管形壳体的内壁上装有导流器,一方面促使流体沿轴线方 向平行流动,另一方面支承了涡轮的前后轴承和涡轮上装有 螺旋桨形的叶片,在流体冲击下旋转。为了测出涡轮的转速, 管壁外装有带线圈的永久磁铁,并将线圈两端引出。由于涡 轮具有一定的铁磁性,当叶片在永久磁铁前扫过时,会引起 磁通的变化,因而在线圈两端产生感应电动势,此感应交流 电信号的频率与被测流体的体积流量成正比。如将该频率信 号送入脉冲计数器即可得到累积总流量。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-64涡轮式流量计

第4章?生产工艺参数检测仪表 假设涡轮流量计的仪表常数为K(它完全取决于结构参 数),则输出的体积流量QV与信号频率f的关系为

f QV ? K

(4-83)

理想情况下,仪表结构常数K恒定不变,则QV与f成线性关系。 但实际情况是涡轮有轴承摩擦力矩、电磁阻力矩、流体对涡

轮的粘性摩擦阻力等因素,所以K并不严格保持常数。特别
是在流量很小的情况下,由于阻力矩的影响相对较大,K也 不稳定,所以最好应用在量程上限为5%以上,这时有比较好

的线性关系。

第4章?生产工艺参数检测仪表 涡轮流量计传感器由表体、导向体(导流器)、叶轮、 轴、轴承及信号检测器组成。表体是传感器的主要部件, 它起到承受被测流体的压力、固定安装检测部件、连接管 道的作用。表体采用不导磁不锈钢或硬铝合金制作。在传 感器进、出口装有导向体,它对流体起导向整流以及支撑 叶轮的作用,通常选用不导磁不锈钢或硬铝合金制作。涡 轮也称叶轮,是传感器的检测元件,它由高导磁性材料制 成。轴和轴承支撑叶轮旋转,需有足够的刚度、强度和硬 度、耐磨性及耐腐蚀性等,它决定着传感器的可靠性和使 用期限。信号检测器由永久磁铁、导磁棒(铁芯)、线圈 等组成,输出信号有效值在10mV以上的可直接配用流量计 算机。

第4章?生产工艺参数检测仪表 涡轮流量计测量精度高,可以达到0.5级以上;反应迅 速,可测脉动流量;耐高压。适用于清洁液体、气体的测量。 在所有流量计中,它属于最精确的;重复性好;输出脉冲频 率信号适于总量计量及与计算机连接,无零点漂移,抗干扰 能力强;可获得很高的频率信号(3~4?kHz),信号分辨

率高;范围度宽,中、大口径可达40∶1~10∶1,小口径为
6∶1~?5∶1;结构紧凑轻巧,安装维护方便,流通能力大; 适用高压测量,仪表表体上不开孔,易制成高压型仪表;可

制成插入式,适用于大口径测量,压力损失小,价格低,可
不断流取出,安装维护方便。

第4章?生产工艺参数检测仪表 但涡轮流量计也存在难以长期保持校准特性的问题,需 要定期校验;对于无润滑性的液体,液体中含有悬浮物或腐 蚀性,造成轴承磨损及卡住等问题,限制了其使用范围。一 般液体涡轮流量计不适用于较高黏度介质,流体物性(密度、 黏度)对仪表影响较大;流量计受来流流速分布畸变和旋转 流的影响较大,传感器上、下游侧需安装较长直管段,如安 装空间有限制,可加装流动调整器(整流器)以缩短直管段 长度;不适于脉动流和混相流的测量;对被测介质的清洁度 要求较高,限制了其使用范围。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.旋涡流量计 1)工作原理?

旋涡流量计是利用流体力学中卡门涡街的原理制作的一
种仪表。它是把一个称做旋涡发生体的对称形状的物体(如

圆柱体、三角柱体等)垂直插在管道中,流体绕过旋涡发生
体时,出现附面层分离,在旋涡发生体的左右两侧后方会交 替产生旋涡,如图4-65所示,左右两侧旋涡的旋转方向相反。

这种旋涡列通常被称为卡门旋涡列,也称卡门涡街。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-65旋涡发生原理

第4章?生产工艺参数检测仪表 由于旋涡之间的相互影响,旋涡列一般是不稳定的,但 卡门从理论上证明了当两旋涡列之间的距离H和同列的两个 旋涡之间的距离l满足公式H/l=0.281时,非对称的旋涡列就能 保持稳定。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡 的发生频率为f,被测介质的平均流速为v,旋涡发生体迎面 宽度为d,表体通径为D,根据卡曼涡街原理,有

v1 v f ? St ? St d md
式中:v1为旋涡发生体两侧平均流速;St为斯特劳哈尔系数;m

为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 管道内体积流量QV为

Qv ?

?D 2 v
4

md ? f 4S t

(4-85)

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)旋涡频率的检测? 旋涡频率的检测是通过旋涡检测器来实现的。旋涡检 测器的任务是一方面使流体绕过检测器时,在其后能形成 稳定的涡列,另一方面能准确地测出旋涡产生的频率。目 前使用的旋涡检测器主要有两种形式,一种是圆柱形,另 一种是三棱柱形。

第4章?生产工艺参数检测仪表 圆柱形检测器如图4-66(a)所示,它是一根中空的长管, 管中空腔由隔板分成两部分。管的两侧开两排小孔。隔板中 间开孔,孔上贴有铂电阻丝。铂丝通常被通电加热到高于流 体温度10℃左右。当流体绕过圆柱时,如在下侧产生旋涡, 由于旋涡的作用使圆柱体的下部压力高于上部压力,部分流 体从下孔被吸入,从上部小孔吹出。结果将使下部旋涡被吸 在圆柱表面,越转越大,而没有旋涡的一侧由于流体的吹出 作用,将使旋涡不易发生。下侧旋涡生成之后,它将脱离开 圆柱表面向下运动,这时柱体的上侧将重复上述过程生成旋 涡。如此一来,柱体的上、下两侧交替地生成并放出旋涡。 与此同时,在柱体的内腔自下而上或自上而下产生的脉冲流 通过被加热的电阻丝。空腔内流体的运动,交替对电阻丝产 生冷却作用,电阻丝的阻值发生变化,从而产生和旋涡的生 成频率一致的脉冲信号,通过频率检测器即可完成对流量的 测量。?

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-66旋涡发生体及信号检测原理 (a)圆柱检测器;(b)三角柱检测器

第4章?生产工艺参数检测仪表

4.3.7流量计选型原则
流量计选型是指按照生产要求,从仪表产品供应的实际 情况出发,综合地考虑测量的安全、准确和经济性,并根据 被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量 仪表的型式和规格。 流量测量的安全可靠,首先是测量方式可靠,即取样装 置在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故; 其次是测量仪表无论在正常生产或故障情况下都不致影响生 产系统的安全。例如,对发电厂高温高压主蒸气流量的测量, 其安装于管道中的一次测量元件必须牢固,以确保在高速汽 流冲刷下不发生机构损坏。因此,一般都优先选用标准节流 装置,而不选用悬臂梁式双重喇叭管或插入式流量计等非标 准测速装置,以及结构强度低的靶式、涡轮流量计等。燃油 电厂和有可燃性气体的场合,应选用防爆型仪表。

第4章?生产工艺参数检测仪表 在保证仪表安全运行的基础上,力求提高仪表的准确性 和节能性。为此,不仅要选用满足准确度要求的显示仪表, 而且要根据被测介质的特点选择合理的测量方式。发电厂主 蒸气流量测量,由于其对电厂安全和经济性至关重要,一般 都采用成熟的标准节流装置配差压流量计,化学水处理的污 水和燃油分别属脏污流和低雷诺数粘性流,都不适用标准节 流件。对脏污流一般选用圆缺孔板等非标准节流件配差压计 或超声多普勒式流量计,而粘性流可分别采用容积式、靶式 或楔形流量计等。水轮机入口水量、凝汽器循环水量及回热 机组的回热蒸汽等都是大管径(400mm以上)的流量测量参 数,由于加工创造困难和压损大,一般都不选用标准节流装 置。根据被测介质特件及测量准确度要求,分别采用插入式 流量计、测速元件配差压计、超声波流量计,或采用标记法、 模拟法等无能损方式测流量。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 为保证流量计使用寿命及准确性,选型时还要注意仪表 的防振要求。在湿热地区要选择湿热式仪表。 正确地选择仪表的规格,也是保证仪表使用寿命和准确 度的重要一环。应特别注意静压及耐温的选择。仪表的静压 即耐压程度,它应稍大于被测介质的工作压力,一般取1.25 倍,以保证不发生泄漏或意外。量程范围的选择,主要是仪 表刻度上限的选择。选小了,易过载,损坏仪表;选大了, 有碍于测量的准确性。一般选为实际运行中最大流量值的 1.2~1.3倍。安装在生产管道上长期运行的接触式仪表,还 应考虑流量测量元件所造成的能量损失。一般情况下,在同 一生产管道中不应选用多个压损较大的测量元件,如节流元 件等。

第4章?生产工艺参数检测仪表 总之,没有一种测量方式或流量计对各种流体及流动情 况都能适应的。不同的测量方式和结构,要求不同的测量操 作、使用方法和使用条件。每种形式都有它特有的优缺点。 因此,应在对各种测量方式和仪表特性作全面比较的基础上, 选择适于生产要求的,既安生可靠又经济耐用的最佳型式。 几种流量检测仪表相互比较如表4-9所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表 表4-9几种流量检测仪表比较
刻度特 性 转子流量计 线型 名称 差压流量计 平方根 靶式流量计 平方根 涡轮流量计 漩涡流量计 电磁流量计 齿轮流量计 罗次流量计 线型 线型 线型 线型 线型 量程 精度 比 10:1 1.5~2.5 小流量 3:1 3:1 10:1 10:1 10:1 1 2 0.5~1 1.5 1~1.5 适用场合 价格 便宜 中等 中等 贵 较贵 贵 较贵

已标准化,耐高温高压中大流量应用广泛 粘稠、脏污、腐蚀性介质,耐高温及高压 低粘度、清洁液体,耐高压、中温中大流量 气体及低粘度液体,大口径、大流量 导电液体、大流量

10:1 0.2~0.5 清洁、粘性液体

10:1 0.2~0.5 清洁及高粘度液体,耐较高温度、中压,中 较贵 等流量

第4章?生产工艺参数检测仪表

4.4物位检测与仪表
4.4.1浮力式和静压式液位计
1.恒浮力式液位计 恒浮力式液位检测原理如图4-67所示。将液面上的浮子 用绳索连接并悬挂在滑轮上,绳索的另一端挂有平衡重锤, 利用浮子所受重力和浮力之差与平衡重锤的重力相平衡,使

浮子漂浮在液面上。其平衡关系为

W-F=G

(4-86)

式中:W为浮子的重力;F为浮力;G为重锤的重力。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-67恒浮力式液位计原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表 当液位上升时,浮子所受浮力F增加,则W-F<G,使原有 平衡关系被破坏,浮子向上移动。但浮子向上移动的同时, 浮力F下降,W-F增加,直到W-F又重新等于G时,浮子将停留 在新的液位上,反之亦然。因而实现了浮子对液位的跟踪。 由于式(4-86)中W和G可认为是常数,因此浮子停留在任何 高度的液面上时,F值不变,故称此法为恒浮力法。该方法的 实质是通过浮子把液位的变化转换成机械位移(线位移或角 位移)的变化。上面所讲的只是一种转换方式,在实际应用 中,还可采用各种各样的结构形式来实现液位—机械位移的转 换,并可通过机械传动机构带动指针对液位进行指示,如果 需要远传,还可通过电或气的转换器把机械位移转换为电信 号或气信号。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.变浮力式液位计? 变浮力式液位计原理如图4-68所示,它是利用浮筒实现

液位检测的。由于被液体浸没高度不同,以致所受的浮力不同
来检测液位的变化。将一横截面积为S,质量为m的圆筒形空 心金属浮筒挂在弹簧上,由于弹簧的下端被固定,因此弹簧

因浮筒的重力被压缩,当浮筒的重力与弹簧的弹力达到平衡
时,浮筒才停止移动,平衡条件为

Cx 0 ? G
力被压缩所产生的位移。

(4-87)

式中:G为浮筒的重力;C为弹簧的刚度;x0为弹簧由于浮筒重

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-68变浮力式液位计原理图

第4章?生产工艺参数检测仪表 当浮筒的一部分被浸没时,浮筒受到液位对它的浮力 作用而向上移动,当它与弹力和浮筒的重力平衡时,浮筒

停止移动。设液位高度为H,浮筒由于向上移动实际浸没
在液体中的长度为h,浮筒移动的距离即弹簧的位移改变 量Δx为

△x=H-h
根据力平衡可知

(4-88)

G-Shρ=C(x0-△x)
式中:ρ 为浸没浮筒的液体密度。

(4-89)

第4章?生产工艺参数检测仪表 将式(4-87)代入式(4-89),可得

Shρ=C△x
一般情况下,h>>Δx,由式(4-88)可得H≈h,从而被 测液位H可表示为

C?x H? S?

(4-90)

由式(4-90)可知,当液位变化时,使浮筒产生位移, 其位移量Δx与液位高度H成正比关系。因此变浮力液位检测 方法实质上就是将液位转换成敏感元件浮筒的位移变化。可 应用信号变换技术,进一步将位移转换成电信号,配上显示 仪表在现场或控制室进行液位指示和控制。

第4章?生产工艺参数检测仪表 变浮力式液位检测是在浮筒的连杆上安装一铁芯,可 随浮筒一起上、下移动,通过差动变压器使输出电压与位 移成正比关系,从而检测液位。? 除此之外,还可以将浮筒所受的浮力通过扭力管达到

力矩平衡,把浮筒的位移变成扭力管的角位移,进一步用
其他转换元件转换为电信号,构成一个完整的液位计。浮 筒式液位计不仅能检测液位,而且还能检测界面。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.磁性浮子式液位计? 图4-69是磁性浮子式液位计,置于连通器内的磁性浮

子随液位上、下移动,使相应的磁性指示翻板或磁性开关
的状态发生变化。该液位计可以用作就地指示,也可变换 成电触点信号进行远传控制。?

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-69磁性浮子式液压计

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.4.2压力式液位计 1.压力式液位计测量原理 静压式液位检测方法是根据液柱静压与液柱高度成正 比的原理来实现的,其原理如图4-70(a)所示。根据流

体静力学原理可得A、B两点之间的压力差为

△p=PB-PA=Hρg
液柱的高度;ρ 为液体的密度。

(4-91)

式中:pA 为容器中A点的静压; pB 为容器中 B 点的静压; H 为

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-70压力式液位计原理与检测 (a)静压式液位计原理;(b)压力式液位检测

第4章?生产工艺参数检测仪表 当被测对象为敞口容器时,则pA为大气压,即pA=p0, 上式变为

p=PB-PA= Hρg

(4-92)

在检测过程中,当ρ 为一常数时,则密闭容器中A、B两 点压差与液位高度H成正比;而在敞口容器中则p与H成正比, 就是说只要测出Δ p或p就可知道敞口容器或密闭容器中的液 位高度。因此,凡是能够测量压力或差压的仪表,均可测量 液位。通过测静压来测量容器液位的静压式液位计分为两类, 一类是测量敞口容器液位的压力式液位计,另一类是测量密

闭容器液位的差压式液位计。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.压力式液位计 图4-70(b)是一敞口容器的液位测量示意图,图中的 检测仪表可以用压力表,可以用压力变送器,也可以用差 压变送器。当用差压变送器时,其负压室可通大气。? 当检测仪表的安装位置与容器的底部在同一水平线上 时,压力p与液位H的关系为

p=Hρ g
则容器中待测液体的高度为

p H? ?g

(4-93)

第4章?生产工艺参数检测仪表 当检测仪表的安装位置与容器的底部不在同一水平线 上,如图4-70(b)所示,此时压力p与液位H的关系为

p=Hρ g+h1ρ g?
则容器中待测液体的高度为

p H? ? h1 ?g

(4-94)

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.差压式液位计 1)无隔离罐的密闭容器的液位检测?

如图4-71所示,将差压变送器高、低压室分别与容器
上部和下部的取压点相连,如果被测液体的密度为ρ ,则 作用于变送器高、低压室的压差为

?p ? p1 ? p2 ? H?g ?p H? ?g

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-71无隔离罐的密闭容器的液位检测

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)有隔离罐的密闭容器的液位检测? 在实际应用中,为了防止容器内液体和气体进入渌推?

的取压室造成管路堵塞或腐蚀,以及为了保持变送器低压室
的液柱高度恒定,在变送器的高、低压室与取压点之间分别 装有隔离罐,如图4-72所示。在隔离罐内充满隔离液,密度

为ρ1,通常ρ1>>ρ。这时高、低压室的压力分别为

p1 ? ρgH ? ρ1 gh1 ? p p2 ? ρ1 gh2 ? p

第4章?生产工艺参数检测仪表 高、低压业难共钗?

?p ? p1 - p2 ? ?gH ? ?1gh1 ? ?1gh2 ? ?gH ? ?1g(h1 ? h2 )
(4-96)
式中:Δp为表压;p1p2 分别为变送器的高、低压室的压力;ρ、

ρ1分别为被测液体及隔离液的密度;h1、h2为隔离液的最低液
位及最高液位至变送器的高度;p为容器上部气体的压力。则 容器中待测液体的高度为

?p ? ?1 g (h2 ? h1 ) H? ?g

(4-97)

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-72 有隔离罐的密闭容器的液位检测

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)量程迁移? 无论是压力检测法还是差压检测法,都要求取压口(零 液位)与压力(差压)检测仪表的入口在同一水平高度,否 则会产生附加静压误差。但是,在实际安装时不一定能满足 这个要求。如地下储槽,为了读数和维护的方便,压力检测 仪表不能安装在所谓零液位的地方。采用法兰式差压变送器 时,由于从膜盒至变送器的毛细管充以硅油,无论差压变送 器在什么高度,一般均会产生附加静压。在这种情况下,可 通过计算进行校正,更多的是对压力(差压)变送器进行零 点调整,使它在只受附加静压(静压差)时输出为“0”,这 种方法称为“量程迁移”。

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅰ.无迁移? 在如图4-73所示的两个不同形式的液位测量系统中, 作为测量仪表的差压变送器的输入差压Δ p和液位H之间的

关系都可以简单表示。

?p|H=0=0

(4-98)

显然,当H=0时,差压变送器的输出亦为0(下限值),如 采用DDZ-Ⅱ型差压变送器,则其输出I0=0mA,相应的显示

仪表指示为0,这时不存在零点迁移问题。

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图4-73 无迁移液位测量系统

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅱ.正迁移? 出于安装、检修等方面的考虑,差压变送器往往不安 装在液位基准面上。如图4-74所示的液位测量系统,它和 如图4-73(a)所示的测量系统的区别仅在于差压变送器安 装在液位基准面下方h处,这时,作用在差压变送器正、负 压室的压力分别为

p1 ? ?g(H ? h) ? p 0

p2 ? p0
差压变送器的差压输入为

?p ? p1 - p2 ? ?g(H ? h)

(4-99)

第4章?生产工艺参数检测仪表 所以

?p |H ?0 ? ρgh

(4-100)

就是说,当液位H为零时,差压变送器仍有一个固定差 压输入ρ gh ,这就是从液体储槽底面到差压变送器正压室 之间那一段液相引压管液柱的压力。因此,差压变送器在 液位为零时会有一个相当大的输出值,给测量过程带来诸 多不便。为了保持差压变送器的零点(输出下限)与液位

零点的一致,就有必要抵消这还潭ú钛沟淖饔谩S捎谡?
一固定差压是一个正值,因此称之为正迁移。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-74正迁移液位测量系统

第4章?生产工艺参数检测仪表 Ⅲ.负迁移? 如图4-75所示的液位测量系统,它和如图4-73(b)所 示系统的区别在于它的气相是蒸气,因此,在它的气相引 压管中充满的不是气体而是冷凝水(其密度与容器中的水 的密度近似相等)。这时,差压变送器正、负压室的压力 分别为

p1 ? pg ? ?gH

p2 ? pg ? ?gH0
差压变送器差压输入为

?p ? p1 - p2 ? ?g(H - H 0 )

(4-101)

第4章?生产工艺参数检测仪表 所以

?p | H?0 ? ? ?gH0

(4-102)

就是说,当液位为零时,差压变送器将有一个很大的负 的固定差压输入,为了保持差压变送器的零点(输出下限) 与液位零点一致,就必须抵消这一个固定差压的作用。又因 为这个固定差压是一个负值,所以称之为负迁移。?

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图4-75负迁移液位测量系统

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.4.3电容式物位计 1.测导电物体的电容式液位传感器

电容式物位计是将物位的变化转换成电容量的变化,通 过测量电容量的大小来间接测量液位高低的物位测量仪表, 则它由电容物位传感器和检测电容的测量线路组成。由于被 测介质的不同,电容式物位传感器有多种不同形式,不妨取 被测物体为导电液体举例说明。??
在液体中插入一根带绝缘套管的电极。由于液体是导电 的,容器和液体可视为电容器的一个电极,插入的金属电极 作为另一电极,绝缘套管为中间介质,三者组成圆筒形电? 容器。

第4章?生产工艺参数检测仪表 由物理学知,在圆筒形电容器中的电容量为

2?? C? D ln d 2?? L C? D ln d

(4-103)

(4-104)

式中:L为两电极相互遮盖部分的长度;d、D分别为圆筒形
内电极的外径和外电极的内径;ε为中间介质的介电常数。 当ε为常数时,C与L成正比。

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图4-76导电液体的电容式液位传感器原理示意图

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.测量非导电物体的电容式液位传感器 由于被测介质的不同,电容式物位传感器有多种不同形

式,不妨取被测物体为非导电液体举例说明。当测量非导电
液体,如轻油、某些有机液体以及液态气体的液位时,可采 用一个内电极,外部套上一根金属管(如不锈钢),两者彼 此绝缘,以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套管筒形电容 器,如图4-77所示,绝缘垫上有小孔,外套管上也有孔和槽, 以便被测液体自由地流进或流出。由于电极浸没的长度l与电 容量ΔC成正比关系,因此,测出电容增量的数值便可知道液位 的高度。

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图4-77 非导电液体的电容式液位传感器原理示意图

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.电容式液位传感器应用举例? 现以晶体管电容液位指示仪为例进行简述。晶体管电容 液位指示仪是用来监视密封大罐内导电性液体的液位,并能 对加液系统进行自动控制。在仪器的面板上装有指示灯,红 灯指示“液位上限”,绿灯指示“液位下限”。当红灯亮时 表示液面已经达到上限,此时应停止加液;当红灯熄灭,绿 灯仍然亮时,表示液面在上下限之间;当绿灯熄灭时,表示 料面低于下限,这时应加料。? 晶体管电容液位指示仪的电路原理如图4-78所示,电容 传感器是悬挂在料仓里的金属探头,利用它对大地的分布电 容进行检测。在大罐中上、下限各设有一个金属探头。整个 电路由信号转换电路和控制电路两部分组成。

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图4-78晶体管电容液位指示仪的电路原理

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.4.4 超声波物位计?

1.超声传感器

在超声波检测技术中,主要是利用它的反射、折射、
衰减等物理性质。不管哪一种超声仪器,都必须把超声波

发射出去,然后再把超声波接收回来,变换成电信号。完
成这一部分工作的装置,就是超声传感器。但是在习惯上, 把这个发射部分和接收部分均称为超声换能器,有时也称

为超声探头。

第4章?生产工艺参数检测仪表

超声换能器根据其工作原理,有压电式、磁滞伸缩式和 电磁式等多种,在检测技术中主要是采用压电式。?
压电式换能器的原理是以压电效应为基础的。关于压电 效应以前讲过,这里不再赘述。作为发射超声波的换能器是 利用压电材料的逆压电效应,而接收用的换能器则利用其压 电效应。在实际使用中,由于压电效应的可逆性,有时将换 能器作为“发射”与“接收”兼用,亦即将脉冲交流电压加 到压电元件上,使其向介质发射超声波,同时又利用它作为 接收元件,接收从介质中反射回来的超声波,并将反射波转 换为电信号送到后面的放大器。因此,压电式超声换能器实 质上是压电式传感器。在压电式超声换能器中,常用的压电 材料有石英(SiO2)、钛酸钡(BaTiO3)、锆铁酸铅(PZT) 等。?

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-79直探头式换能器结构

第4章?生产工艺参数检测仪表 2.超声传感器测物位? 1)工作原理及方案?

超声波液位计是利用回声测距原理进行工作的。由于超
声波可以在不同介质中传播,所以超声波液位计也分为:气

介式、液介式及固介式三类,最常用的是气介式和液介式。
如图4-80所示,是液介式与气介式超声波液位计的几种测量 方案,图(a)、(b)为液介式,图(c)、(d)为气介式。

而图(a)、(c)两种方案是发射和接收都由一个探测器完
成的单探头式;图(b)、(d)是一个发射和一个接收的双 探头式。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-80超声波液位计的几种测量方案? (a)液介式单探头;(b)液介式双探头;(c)气介式单探头;(d)气介式双探头

第4章?生产工艺参数检测仪表 对于液介式,探测器安装在液面底部,有时也可安装在 容器(底)外部。图4-80(a)的单探头形式,探头发出的 超声波脉冲经过液体传至液面,再经液面反射回到原来的发 射器,此时发射器又变成了接收器,接收了超声波脉冲。如 果探头距液面高度为L,从发射到接收超声波脉冲的时间间 隔为t,则可表示为

1 L ? ct 2
式中:c为该超声波在被测介质中传播的速度。?

(4-105)

由式(4-105)可见,如果准确知道介质中声波传播的 速度c,再能测得时间t,就可以准确测量液位高度。

第4章?生产工艺参数检测仪表 图4-80(b)、(d)是双探头式,声波经过的路程是2s,即

1 s ? ct 2

(4-106)

L ? s ?a
2

2

(4-107)

式中:a为两个探测器之间的距离之半。 对于单探头与双探头方案的选择,主要应从测量对象

具体情况来考虑。一般多采用单探头方案,因为单探头简
单、安装方便、维修工作量也较小。另外,它可直接测出 距离,不必修正。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-81发射的超声波脉冲波形

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)超声波物位计的应用? 超声波物位计具有安装使用方便、可多点检测、精确 度高、直接用数字显示液面高度等优点。同时,它存在着 当被测介质温度、成分经常变动时,由于声速随之变化,

故测量精度较低。

第4章?生产工艺参数检测仪表 超声波物位测量优点如下:? (1)与介质不接触,无可动部件,电子元件只以声频

振动,振幅小,仪器寿命长;?
(2)超声波传播速度比较稳定,光线、介质粘度、湿 度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响,因此 适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量; ?(3)不仅可进行连续测量和定点测量,还能方便地提

供遥测或遥控信号;?
(4)能测量高速运动或倾斜晃动的液体的液位,如置 于汽车、飞机、轮船的容器中液位。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.4.5雷达物位计 1.雷达物位计的类型及原理

雷达物位计按精度分类,可分为工业级和计量级两大类。
工业级雷达物位计的精度一般为10~20mm,适用于生产过程

中的物位测量和控制,不宜用于贸易交接计量。这类产品有
德国E+H公司生产的FMR130,德国KROHNE公司生产的BM70等。 计量级雷达物位计的精度在1mm以内。它既可以用于工业生

产,也可以用于贸易交接计量。这类产品有荷兰Enraf公司
的UEAZ873和瑞典SAAB公司的RTG1820等。

第4章?生产工艺参数检测仪表 1)基本测量原理? 雷达物位计的基本原理是雷达波由天线发出,抵达物面 后反射,被同一天线接收,雷达波往返的时间正比于天线到 液面的距离。其运行时间与物位距离关系见图4-82。

1 d ? ct 2
1 L ? H-d=H- ct 2

(4-108)

(4-109)

式中:c为电磁波传播速度,一般取300000km/s;d为被测介 质与天线之间的距离;t为天线发射与接收到反射波的时间 差;H为天线距罐底高度;L为液位高度。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-82雷达物位计基本测量原理

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)微波脉冲法? 微波脉冲法制造成本低,精度相对较低,多应用于工 业级雷达物位计。微波脉冲法的原理见图4-83所示。

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-83微波脉冲法的原理

第4章?生产工艺参数检测仪表

由发送器将脉冲发生器生成的一串脉冲信号通过天线
发出,经液面反射后由接收器接收,再将信号传给计时器, 从计时器得到脉冲的往返时间t。用这种方法测量的最大难

点在于必须精确地测量时间t,这是由于雷达波的传播速度
非常快,以及对液位测量精度的要求造成的。通过式(4109)可知,液位变化1mm,微波运行时间变化6ps。微波 脉冲法通过采样处理将测量时间延伸至μs级,由此来测量 微波运行时间。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)连续调频法?

连续调频法采用线形调制的高频信号提高所发射信号的
频率。由于在信号传播中延迟了时间,改变了信号的频率, 返回信号的频率低于发出信号的频率,一般相差几kHz。发 射波与接收波送入混频器测出频率差Δf与被测距离d成线性 关系,这样就将雷达波的往返t转换成了可精确测量的频率

信号Δf 。其基本原理如图4-84所示。?

第4章?生产工艺参数检测仪表

图4-84连续调频法的原理示意图

第4章?生产工艺参数检测仪表

2.雷达物位计的应用问题
1)介质的相对介电常数? 由于雷达物位计发射的微波沿直线传播,在物面处产 生反射和折射时,微波有效的反射信号强度被衰减,当相 对介电常数小到一定值时,会使微波有效信号衰减过大, 导致雷达液位计无法正常工作。? 为避免上述情况的发生,被测介质的相对介电常数必 须大于产品所要求的最小值。不同型号的雷达液位计所要 求的最小介电常数是不同的,如KROHNE公司的BM70要求介 质的相对介电常数大于4,当BM70用于汽油、柴油、煤油、 变压器油等(相对介电常数小于4)的液面测量时,需要用 导波管。

第4章?生产工艺参数检测仪表 2)温度和压力? 雷达物位计发射的微波传播速度c取决于传播媒介的相 对介电常数和磁导率,所以微波的传播速度不受温度变化 的影响。但是对高温介质进行测量时,需要对雷达物位计 的传感器和天线部分采取冷却措施,以便保证传感器在允 许的温度范围内正常工作,或使雷达天线的喇叭口与最高 液面间留有一定的安全距离,以避免高温对天线的影响。

第4章?生产工艺参数检测仪表 由于微波的传播速度仅与相对介电常数和磁导率有关, 所以雷达物位计可以在真空或受压状态下正常工作。但是当

容器内操作压力高到一定程度时,压力对雷达测量带来的误
差就不容忽视。有关文献指出,当压力为10MPa时,压力对 微波传播时间的影响为2.9%;?当压力为100MPa时,影响可

高达29%。?
目前推出的雷达液位计产品一般都有压力限制,如 Enraf的产品允许最高压力为4MPa;E+H的产品允许最高压 力为6.4MPa。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3)导波管(稳态管)? 使用导波管主要是为了消除有可能因容器的形状而导致 多重回波所产生的干扰影响,或是在测量相对介电常数较小 的介质液面时,用来提高反射回波能量,以确保测量准确度。 当测量浮顶罐和球罐的液位时,一般要使用导波管;当介质 的相对介电常数小于制造厂所要求的最小值时,也需要采用 导波管。? 导波管并不由制造厂随雷达物位计一起供货,而是由设 计单位按照制造厂的要求设计,由施工单位制造和安装。在 安装时应将导波管妥善固定,并使物位计位于导波管的中心。 导波管的焊缝应处理平整,无焊疤和毛刺,并且清除铁锈或 杂质。以确保测量的精度。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.雷达物位计的安装 雷达物位计一般安装在罐顶,如果根据需要侧向安装时,

应采用45°或90°的弯管进行安装。?
雷达物位计的测量原理决定了其不宜用于液面沸腾和液

面扰动大的场合,因此,除了在选型时应注意适用条件外,
安装时也应避开干扰源,尽量减少测量误差。? (1)安装位置要偏离容器中心,防止测量到中心谷底。 因为中心可能形成旋涡涡底,从而造成测量误差。此外,还 要避开下料扇区和涡流等干扰源。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 (2)如果选用的雷达液位计并不具备近壁安装的特性, 在安装时要注意制造厂的要求与容器壁保持适当的距离, 减少罐壁反射对精度的影响。 (3)当雷达物位计不需要和导波管配套使用时,安装接 管的长度应使天线喇叭口伸入罐内一定距离,以减少由于

安装接管和设备间焊缝所造成的发射能量损失。?
(4)雷达物位计用于测量有搅拌器的容器液面时,其安 装位置应尽量避开搅拌器,不要使雷达反射面总处于搅拌 器叶片附近,以消除搅拌时产生的旋涡的不规则液面对微 波信号散射所造成的衰减,消除搅拌器叶片对微波信号所

造成的虚假回波影响。

第4章?生产工艺参数检测仪表 4.4.6物位仪表的选用 1.检测精度的选择

对用于计量和进行经济核算的,应选用精度等级较高的 物位检测仪表,如超声波物位计的误差为±2mm。对于一般 检测精度,可以选用其他物位计。?
2.工作条件的选择 对于测量高温、高压、低温、高粘度、腐蚀性、泥浆等 特殊介质,或在用其他方法检测的各种恶劣条件下的某些特 殊场合,可以选用电容式物位计。对于一般情况,可选用其 他物位计。

第4章?生产工艺参数检测仪表 3.测量范围的选择 如果测量范围较大,可选用电容式物位计。对于测量

范围在2m以上的一般介质,可选用压力式物位计。?
4.刻度选择

在选择刻度时,最高物位或上限报警点为最大刻度的
90%;正常物位为最大刻度的50%;最低物位或下限报警 点为最大刻度的10%。?

第4章?生产工艺参数检测仪表 5.其他 在具体选用液位检测仪表时一般还需考虑容器的条件 (形状、大小);测量介质的状态(重度、粘度、温度、 压力及液位变化);现场安装条件(安装位置、周围是否 有振动冲击等);安全(防火、防爆等);信号输出方式 (现场显示或远距离显示、变送或调节)等问题。


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