传感器原理及工程应用教案-第11章.ppt

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1、11.1 温度测量 11.2 压力测量 11.3 流量测量 11.4 物位测量 11.5 机械量测量 11.6 变送器,第11章 传感器在工程检测中的应用,返回主目录,第11章 传感器在工程监测中的应用,在工业生产过程及工程检测中,为了对各种工业参数（如压力、温度、流量、物位、位移等）进行检测与控制,首先要把这些参数转换成便于传送的信息,这就要用到各种传感器,把传感器与其它装置组合起来,组成一个检测系统或调节系统,完成对工业参数的检测与控制。考虑到系统中传感器与其它装置的兼容性与互换性,它们之间是用标准信号进行传输的,这些标准信号都是符合国际标准的信号,例如直流电流为420 mA、直流电压为1

2、5 V、压力信号为20100 kPa,以前也曾以直流电流010 mA作为通用的标准信号。,对一般输出为非标准信号的传感器,需把传感器的输出信号通过变送器（或变送器功能模块电路）变换成标准信号,有了统一的信号形式和数值范围,无论是仪表还是计算机,只要有同样的输入电路或接口,就可以从各种变送器获得被测变量的信息,而且便于组成检测系统或调节系统。在工业自动化仪表中,有些变送器既有信号检测又有变送,如后面要介绍的压力（差压）变送器、一体化温度变送器等,这些变送器也可以认为是输出标准信号的传感器。下 面将着重介绍工程检测中应用的传感器及变送器。,11.1 温度测量,一、温度概述 1 温度与温标 温度是工

3、业生产和科学实验中一个非常重要的参数。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的,需要测量温度和控制温度。随着科学技术的发展,对温度的测量越来越普遍,而且对温度测量的准确度也有更高的要求。温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以测量,只能借助于冷热不同的物体之间的热交换,以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。,为了定量地描述温度的高低,必须建立温度标尺,即温标。温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。历史上提出过多种温标,如早期的经验温标（摄氏温标和华氏温标）,理论上的热力学温标,当前世界通用的

4、国际温标。热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T）,单位为开尔文（符号为K）,1 K等于水三相点热力学温度的。热力学温度是国际上公认的最基本温度,国际温标最终以它为准而不断完善。我国目前实行的是1990年国际温标（ITS-90）,它同时定义国际开尔文温度（符号ITS-90）和国际摄氏温度（t90）,T90和t90之间的关系为,在实际应用中,一般直接用T和t代替T90和t90。2 温度测量的主要方法和分类(1)温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器,就测量系统的功能而言,通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成,如图 11-1 所示。简单的温度传感器往往是温度传

5、感器和显示组成一体的,一般在现场使用。,(2)温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触,可以分成接触式与非接触式两大类。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。,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

6、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。,二、膨胀式温度传感器 根据液体、固体、气体受热时产生热膨胀的原理,这类温度传感器有液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式。1 液体膨胀式 在有刻度的细玻璃管里充入液体（称为工作液,如水银、酒精等）构成液体膨胀式温度计

7、。常用的有水银玻璃温度计和电接点式温度计,这种温度计远不能算传感器,它只能就地指示温度。,电接点式温度计可对设定的某一温度发出开关信号或进行位式控制,有固定式和可调式两种。图 11-2 所示为可调电接点式温度计,其中一根铂丝接在毛细管下部固定处,另一根铂丝根据设定温度可以上下移动,当升至设定温度时,铂丝与水银柱接通,反之断开,这种既可指示,又能发出通断信号,常用于温度测量和双位控制。2 固体膨胀式固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片,为提高灵敏度常作成螺旋形。图 11-3 为双金属温度计的结构示意图。,螺旋形双金属

8、片一端固定,另一端连接指针轴,当温度变化时,双金属片弯曲变形,通过指针轴带动指针偏转显示温度。它常用于测量-80600范围的温度,抗震性能好，读数方便,但精度不太高,用于工业过程测温、上下限报警和控制。3 气体膨胀式 气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的,利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计,如图 11-4 所示。温包、毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器,其中充满工作物质（如气体常为氮气）,工作物质的压力经毛细管传给弹簧管,使弹簧管产生变形,并由传动机构带动指针,指示出被测温度的数值。,压力温度计结构简单、抗振及耐腐蚀性能好,与微动开关组合可作温度控制

9、器用,但它的测量距离受毛细管长度限制,一般充液体可达20m,充气体或蒸汽可达60m。三、热电偶传感器 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。它构造简单,使用方便,具有较高的准确度、稳定性及复现性,温度测量范围宽,在温度测量中占有重要的地位。1.热电偶测温原理 两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路,如图 11-5 所示。,的导体或半导体的组合称为热电偶。两个接点,一个称工作端,又称测量端或热端,测温时将它置于被测介质中;另一个称自由端,又称参考端或冷端。在图11-5 所示的回路中,所产生的热电势由两部分组成:温差电势和接触电势。接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电

10、动势。两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散,在接触处失去电子的一侧带正电,得到电子的一侧带负电,形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势EAB(T)和EAB（T0）可表示为,EAB(T)=式中:K波尔兹曼常数;e单位电荷电量;NAT、NBT和NAT0、NBT0分别在温度为T和T0时,导体A、B的电子密度。温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。,同一导体的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电,低温端因获得

11、多余的电子而带负电,因此,在导体两端便形成接触电势,其大小由下面公式给出:,式中:NAT和NBT分别为A导体和B导体的电子密度,是温度的函数。热电偶回路中产生的总热电势为 AB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0)(11-6)在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,热电偶的热电势可表示为 EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)（11-7）对于已选定的热电偶,当参考端温度T0恒定时,EAB(T0)=c为常数,则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系,即 EAB(T,T)=EAB(T)-c=f(T),实际应用中,热电势与温度之间关系是通

12、过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。用热电偶测温,还要掌握热电偶基本定律。下面引述几个常用的热电偶定律。1.热电偶基本定律（1）中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明,在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。,接入第三种导体回路如图 11-6 所示。由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。即 EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)(11-9

13、)当T=T0 时,有 BC(T0)+ECA(T0)=-E(T0)（11-10）将(11-10）式代入(11-9）式中得(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)（11-11）同理,加入第四、第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势。,(2)中间温度定律 热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势EAB(t,tc)和EAB(tc,t0)的代数和（见图 11-7）,即:该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0的热电势进

14、行修正。(3)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。,3.热电偶类型 理论上讲,任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶,但为了准确可靠地测量温度,对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件:热电势变化尽量大,热电势与温度关系尽量接近线性关系,物理、化学性能稳定,易加工,复现性好,便于成批生产,有良好的互换性。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热

15、电偶,所谓标准化热电偶,它已列入工业标准化文件中,具有统一的分度表。我国从1988年开始采用IEC标准生产热电偶。表11-1 为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。,表中所列的每一种热电偶中前者为热电偶的正极,后者为负极。目前工业上常用的有四种标准化热电偶,即铂铑30-铂铑6,铂铑10-铂,镍铬-镍硅和镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬-康铜）热电偶,它的分度表见表 11-2 至表 11-5,另外,目前还生产一些特殊用途的热电偶,以满足特殊测温的需要。如用于测量3800超高温的钨镍系列热电偶,用于测量2273K的超低温的镍铬-金铁热电偶等。4.热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件

16、,热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。(1)普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成,其结构如图 11-8 所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。,(2)铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图 11-9所示。它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中。(3)薄

17、膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀、化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,如图 11-10 所示。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。,5.热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法 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:EAB(t,t0)=e AB(t)-eAB(t0)（11-13）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

18、为0,那么工作端温度为t时,分度表所对应的热电势EAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式:EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0),由此可见,EAB(t0,0)是参考端温度t0的函数,因此需要对热电偶参考端温度进行处理。(1)热电偶补偿导线 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,而且在0100温度范围内,要求补偿导线和所配热电

19、偶具有相同的热电特性。常用热电偶的补偿导线列于表 11-6,(2)参考端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(3)参考端0恒温法 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。(4)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。,如图12-11 所示,不平

20、衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、r2、r3、电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻rCU 和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度,但由于rCU的阻值随环境温度变化而变化,如果适当选择桥臂电阻和桥路电流,就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势EAB(t,t0)变化量,从而达到自动补偿的目的。,4 热电偶测温线路 热电偶测温时,它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电流信号,图 11-12 为典型的热电偶测温线路。如用一台显示仪表显示多点温度时,可按图 11-13连接,这样可节约显示仪表

21、和补偿导线。特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但只能是同一分度号的热电偶,且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联,可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时,可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图 11-14 所示,四热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,一般把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200+850范围内的温度,少数情况下,低温可测量至1K,高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高,并作为复现国际

22、温标的标准仪器。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成,如图 11-15所示。热电阻也可与温度变送器连接,转换为标准电流信号输出。,1 常用热电阻 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,R-t 关系最好成线性,物理化学性能稳定,复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。(1)铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准,铂热电阻的使用温度范围为-200+850。铂热电阻的特性方程为 在-2000的温度范围内:Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)(11-15)在0850的温度范围内:Rt

23、=R0(1+At+Bt2),式中Rt和R0分别为t和0时铂电阻值;A、B和C为常数。在ITS-90 中,这些常数规定为:A=3.908310-13/B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4 从上式看出,热电阻在温度t时的电阻值与R0 有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种,它们的分度号分别为Pt10和Pt100,其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,即Rt-t 的关系表,这样在实际测量中,只要测得热电阻的阻值Rt,便可从分度表上查出对应的温度值。Pt100的分度表见表 11-7。,铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W100表示,它是铂热

24、电阻在100时电阻值R100与0时电阻值R0之比。按IEC标准,工业使用的铂热电阻的W1001.3850。(2)铜热电阻 由于铂是贵重金属,因此,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测温,它的测量范围为-50+150。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为:Rt=R0（1+t）（11-17）式中为铜热电阻的电阻温度系数,取=4.2810-3/。铜热电组的两种分度号为Cu50(R0=50)和Cu100（R100=100）。,铜热电阻线性好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。1.热电阻的结构 工业用热电阻的结构如图 11-16

25、 所示。它由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撑和绝缘作用,引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝,它与接线盒柱相接,以便与外接线路相连而测量显示温度。用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电桥电路。而热电阻与检测仪表相隔一段距离,因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。,热电阻内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种,如图 11-17 所示。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测

26、量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。五集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系,把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上,构成一个小型化、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点,由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测150以下的温度。,1 基本工作原理 目前在集成温度传感器中,都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件。图 11-18 是集成温度传感器基本原理图。其中T1和T2是互相匹配的晶体管,I1和I2分别是T1和T2管的集电极电流,由恒流源提供。T1和T2管的两个发

27、射极和基极电压之差Vbe可用下式表示,即:,图11-18 集成温度传感器基本原理,式中k-是波尔兹曼常数;q-是电子电荷量;T-是绝对温度;r-是T1和T2管发射结的面积之比。从式中看出,如果保证I1/I2恒定,则Vbe就与温度T成单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原理,在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器。,1 集成温度传感器的信号输出方式(1)电压输出型电压输出型集成温度传感器原理电路图如图 11-19 所示。当电流I1恒定时,通过改变R1的阻值,可实现I1=I2,当晶体管的1时,电路的输出电压可由下式确定,即:（11-19）若取R1=940,R2=

28、30K,r=37,则电路输出的温度系数为:,（2）电流输出型图 11-20 为电流输出型集成温度传感器的原理电路图。T1和T2是结构对称的两个晶体管,作为恒流源负载,T3和T4管是测温用的晶体管,其中T3管的发射结面积是T4管的8倍,即r=8。流过电路的总电流IT为:（11-20）式中当R和r一定时,电路的输出电流与温度有良好的线性关系。若取R为358,则电路输出的温度系数为:,电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司生产的AD590,我国产的SG590也属于同类型产品。基本电路与图 11-20一样,只是增加了一些启动电路,防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路,以进一步地提高性能。A

29、D590的电源电压430V,可测温度范围-50+150。2 AD590集成温度传感器应用实例 AD590是应用广泛的一种集成温度传感器,由于它内部有放大电路,再配上相应外电路,方便地构成各种应用电路。下面介绍AD590几种简单的应用线路。,(1)温度测量电路 图 11-21 是一个简单的测温电路。AD590在25（298.2K）时,理想输出电流为298.2A,但实际上存在一定误差,可以在外电路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻,在已知温度下调整电阻值,使输出电压UT满足1mV/k的关系（如25时,UT应为298.2mV）。调整好以后,固定可调电阻,即可由输出电压VT读出AD590所处的热

30、力学温度。(2)控温电路 简单的控温电路如图 11-22 所示。AD311为比较器,它的输出控制加热器电流,调节R1可改变比较电压,从而改变了控制温度。AD581是稳压器,为AD590提供一个合理的稳定电压。,(3)热电偶参考端补偿电路 该种补偿电路如图 11-23 所示。AD590应与热电偶参考端处于同一温度下。AD580是一个三端稳压器,其输出电压VOUT=2.5V。电路工作时,调整电阻R2使得:I1=t010-3 mA 这样在电阻R1上产生一个随参考端温度t0变化的补偿电压V1=I1R1。当热电偶参考端温度为t0,其热电势EAB(t0,0)St0,S为塞贝克系数（v/）。补偿时应使V1与

31、EAB(t0,0)近似相等,即R1与塞贝克系数相等,不同分度号的热电偶,R1的阻值亦不同。,这种补偿电路灵敏、准确、可靠、调整方便,温度变化在1535范围内,可获得5的补偿精度。,11.2 压力测量,一压力概述 压力是重要的工业参数之一,正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”,定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。其表达式为（11-21）式中 P-为压力;F-为作用力;A-为作用面积。,国际单位制（SI）中定义:1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面上,形成的压力为1“帕

32、斯卡”,简称“帕”,符号为Pa。过去采用的压力单位“工程大气压”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、物理大气压（即atm）等均应改为法定计量单位帕,其换算关系如下:1 kgf/cm2=0.9807105Pa 1mmH2O=0.980710Pa 1mmHg=1.332102Pa 1atm=1.01325105Pa,压力有几种不同表示方法(1)绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力,其零点以绝对真空为基准,又称总压力或全压力,一般用大写符号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)表压力 绝对压力与大气压力之差,一般用

33、p表示。测压仪表一般指示的压力都是表压力,表压力又称相对压力。当绝对压力小于大气压力,则表压力为负压,负压又可用真空度表示,负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。,(4)差压 任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小。测量压力的传感器很多,如应变式、电容式、差动变压器、霍尔、压电等传感器等都能用来测量压力。下面介绍几种工程上常用的测压传感器或测压仪表。二液柱式压力计 液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的。它们一般采用水银或水为工作液,用U型管或单管进行测量,常用于低压、负压或压力差的测量。,图 11-24所示的

34、U形管内装有一定数量的液体,U形管一侧通压力p1,另一侧通压力p2。当p1=p2时,左右两管的液体高度相等。当p1 p2时,两边管内液面便会产生高度差。根据液体静力学原理可知:p=p1-p1=g h（11-22）式中为U形管内液体的密度。如把压力p1一侧改为通大气P0,则式（12-2）可改写为 p2=g h（11-23）如果把U形管的一个管换成大直径的杯,即可变成如图 11-25所示的单管或斜管。测压原理与U形管相同,只是因为杯径比管径大得多,杯内液位变化可略去不计,使计算及读数更为简易。,三弹性式压力表 弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。它结构简单,价格低廉,现场

35、使用和维修都很方便,又有较宽的压力测量范围,因此在工程中获得了非常广泛的应用。1 弹性元件 采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件,可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。图 11-26给出了一些常用弹性元件的示意图。,图 11-27为利用弹性形变测压原理图。活塞缸的活塞底部加有柱状螺旋弹簧,弹簧一端固定,当通入被测压力p时,弹簧被压缩并产生一弹性力与被测压力平衡,在弹性形变的限度内,弹簧被压缩后产生的弹性位移量x与被测压力p的关系符合胡克定律,表示为（11-24）式中C为弹簧的刚度系数;A为活塞的有效面积。当C、A为定值时,测量压力就变为

36、测量弹性元件的位移量x。,金属弹性元件都具有不完全弹性,即在所加作用力去除后,弹性元件会表现残余变形、弹性后效和弹性滞后等现象,这将会造成测量误差。弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关,要减小这方面的误差,应注意选用合适的材料,加工成形后进行适当的热处理等。2 弹簧管压力表 弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史悠久,应用广泛。弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管,弹簧管的横截面呈非园形（椭圆形或扁形）,弯成园弧形的空心管子,如图12-28所示。管子的一端为封闭,作为位移输出端,另一端为开口,为被测压力输入端。当开口端通入被测压力后,非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形,并使弹簧管有伸直的趋势

37、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:,式中-为弹簧管中心角的初始角;-为受压后中心角的改变量;R为弹簧管弯曲圆弧的外半径;h-为管壁厚度;a、b-为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴;为几何常数（=RH/a2）;、-为与比值a/b有关的参数;为弹簧管材料的泊松系数;E为弹性模数。,由式（11-25）可知,如果a=b,则=0,这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。对于单圈弹簧管,中心角变化量比较小,要提高,可采用多圈弹簧管。弹簧管压力表结构如图 11-29所示。被测压力由接头9通入,迫使弹簧管1的自由端产生位移,通过拉

38、杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转,于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转,在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。弹簧管压力表结构简单,使用方便,价格低廉,使用范围广,测量范围宽,可以测量负压、微压、低压、中压和高压,因此应用十分广泛。,3 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件,它是基于压阻效应工作的。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻,当它受外力作用时,其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件,常用的是单晶硅膜片。图 11-30是压阻式压力传感器的结构示意图。在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电

39、阻,组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开。一端接被测压力,另一端接参考压力。当存在压差时,膜片产生变形,使两对电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,其输出电压反映膜片承受的压差的大小。,压阻式压力传感器的主要优点是体积小,结构比较简单,动态响应也好,灵敏度高,能测出十几帕斯卡的微压,它是一种比较理想,目前发展和应用较为迅速的一种压力传感器。这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响,从而影响压阻系数的大小。现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿,它利用大规模集成电路技术,将传感器与计算机集成在同一块硅片上,兼有信号检测、处理、记忆等功能,从而大大提高

40、传感器的稳定性和测量准确度。,4 压力传感器的选用与安装（1）压力传感器的选用 在工业生产中,对压力传感器进行选型,确定检测点与安装等是非常重要的,传感器的选用的基本原则是依据实际工艺生产过程对压力测量所要求的工艺指标、测压范围、许误差、介质特性及生产安全等因素,经济合理,使用方便。对弹性式压力传感器要保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠的工作,在选择传感器量程时必须留有足够的余地。一般在被测压力较稳定的情况下,最大压力值应不超过满量程的3/4,在被测压力波动较大的情况下,最大压力值应不超过满量程的2/3。为了保证测量精度,被测压力最小值应不低于全量程的1/3。,如要测量高压蒸汽的压力,已知

41、蒸汽压力为（24）105Pa,生产中允许最大测量误差为104Pa且要求就地显示,如何选择压力表呢？,根据已知条件及弹性式压力传感器的性质决定选Y-100型单圈弹簧管压力表,其测量范围为06105Pa（当压力从2105Pa变化到4105Pa时,正好处于量程的1/32/3）。要求最大测量误差小于104Pa,即要求传感器的相对误差所以应选1.5级表,（2）压力传感器的安装 传感器测量结果的准确性,不仅与传感器本身的精度等级有关,而且还与传感器的安装、使用是否正确有关。压力检测点应选在能准确及时地反映被测压力的真实情况。因此,取压点不能处于流束紊乱的地方,即要选在管道的直线部份,即离局部阻力较远的地方

42、。测量高温蒸汽压力时,应装回形冷凝液管或冷凝器,以防止高温蒸汽与测压元件直接接触。,测量腐蚀、高粘度、有结晶等介质时,应加装充有中性介质的隔离罐,如图 11-31（b）所示。隔离罐内的隔离液应选择沸点高、凝固点低、化学与物理性能稳定的液体,如甘油、乙醇等。压力传感器安装高度应与取压点相同或相近。对于图 11-32所示情况,压力表的指示值比管道内的实际压力高,对液柱附加的压力误差进行修正。,11-31 测量高温，腐蚀介质压力表安装示意图,11-32 压力表位于生产设备下安装示意图,11.3 流量测 量,一流量概述 流量是工业生产中一个重要参数。工业生产过程中,很多原料、半成品、成品是以流体状态出

43、现的。流体的流量就成为决定产品成分和质量的关键,也是生产成本核算和合理使用能源的重要依据。因此流量的测量和控制是生产过程自动化的重要环节。单位时间内流过管道某一截面的流体数量,称为瞬时流量。而在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和,即瞬时流量在某一段时间内的累积值,称为总量或累积流量。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。,（1）体积流量qv单位时间内通过某截面的流体的体积,单位为m3/s。根据定义,体积流量可用下式表示:qv=（11-26）式中V为截面A中某一面积元dA上的流速。如果用流体的平均流束V表示,则体积流量可写成 qv=vA（11-27）（2）质量流量qm单位时间内通过某截面

44、的流体的质量,单位为kg/s。根据定义,质量流量可用下式表示:qm=（11-28）若用平均流速表示,则可简写为（11-29）,工程上讲的流量常指瞬时流量,下面若无特别说明均指瞬时流量。生产过程中各种流体的性质各不相同,流体的工作状态（如介质的温度、压力等）及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同,很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生产过程的情况复杂,某些场合的流体是高温、高压,有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多,测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同,从测量方法上一般可分为三大类。,（1）速度式速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路内已知截面流过的流

45、速大小实现流量测量的。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、转子、涡轮、靶子、非线性物体等）把流体的流速变换成压差、位移、转速、冲力、频率等对应的信号来间接测量流量的。差压式、转子、涡轮、电磁、旋涡和超声波等流量传感器都属于此类。,（2）容积式 根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的瞬时流量和总量的。常用的有椭圆齿轮、旋转活塞式和刮板等流量传感器。（3）质量式质量流量传感器有两种。一种是根据质量流量与体积流量的关系,测出体积流量再乘被测流体的密度的间接质量流量传感器,如工程上常用的采取温度、压力自动补偿的补偿式质量流量传感器。另一种是直接测量流体质量流量的直接式质量流量传感器

46、,如热式、惯性力式、动量矩式质量流量传感器等。直接法测量具有不受流体的压力、温度、粘度等变化影响的优点,是一种正在发展中的质量流量传感器。下面针对有代表性的,工业上应用较为广泛的流量传感器作介绍。,二差压式流量传感器 差压式流量传感器又称节流式流量传感器,它是利用管路内的节流装置,将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差。差压式流量传感器主要有节流装置和差压计（或差压变送器）组成,如图 11-33所示,节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号,差压计则对压差进行测量并显示测量值,差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号,以供显示、记录或控制。差压式流量传感器发展

47、较早,技术成熟而较完善,而且结构简单,对流体的种类、温度、压力限制较少,因而应用广泛。,1节流装置 节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件,是安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管。它们的结构型式、相对尺寸、技术要求、管道条件和安装要求等均已标准化,故又称标准节流元件,如图 11-34所示。其中孔板是最简单又最为典型,加工制造方便,在工业生产过程中常采用孔板。标准节流装置按照规定的技术要求和试验数据设计、加工、安装,无需检测和标定,可以直接投产使用,并可保证流量测量的精度。,2 测量原理与流量方程式（1）测量原理 在管道中流动的流体,具有动压能和静压能,在

48、一定条件下这两种形式的能量可以相互转换,但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量时,流体流过节流装置前后产生压力差p(p=p1-p2),且流过的流量越大,节流装置前后的压差也越大,流量与压差之间存在一定关系,这就是差压式流量传感器测量原理。图 11-35为节流件前后流速和压力分布情况,图中充分地反映了能量形式的转换。由于流动是稳定不变的,即流体在同一时间内通过管道截面A和节流件开孔截面A0的流体量应相同,这样通过截面A0的流速必然比通过截面A时快。,（2）流量方程式 假设节流件上游入口前的流速为V1,密度为1,静压为p1,流过节流件时的流速、密度和静压分别为V2、2和p2,对于不可压缩理想

49、流体,能量方程为:,流体的连续方程为:AV1=A0V2（11-31）,联立求解得到流量与压差之间的流量方程式为:体积流量,质量流量,式中为流量系数。它与节流装置的结构形式,取压方式,节流装置开孔直径和管道的直径比以及流体流动状态（雷诺数）等有关。对于标准节流装置,值可直接从有关手册中查出。对于可压缩流体,例如各种气体及蒸汽,通过节流元件时,由于压力变化必然会引起密度的改变,这时在公式中应引入流束膨胀系数,公式应变为:,3配标准节流装置的差压计 标准节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压计或差压变送器。由流量基本方程式可以看出,被测流量与压差p成平方根关系,对于直接配用差压计显示流量时,

50、流量标尺是非线性的,为了得到线性刻度,可加开方运算电路。差压流量变送器应带有开方运算,使变送器输出电流与流量成线性关系,这将在变送器内容里作介绍。,三电磁流量传感器 电磁流量传感器是根据法拉弟电磁感应定律测量导电性液体的流量。如图 11-36所示,在磁场中安置一段不导磁、不导电的管道,管道外面安装一对磁级,当有一定电导率的流体在管道中流动时就切割磁力线。与金属导体在磁场中的运动一样,在导体（流动介质）的两端也会产生感应电动势,由设置在管道上的电极导出。该感应电势大小与磁感应强度、管径大小、流体流速大小有关。即,式中B-为磁感应强度（T）;D-为管道内径,相当于垂直切割磁力线的导体长度,m;V-