第2章檢測(cè)儀表

教學(xué)目的：了解基本概念：檢測(cè)儀表的基本技術(shù)指標(biāo)，四大參數(shù)的檢測(cè)方法及

常見儀表。

教學(xué)重點(diǎn)：熱電阻、熱電偶的測(cè)溫原理，壓力、流量、物位的檢測(cè)。

教學(xué)難點(diǎn)：熱電偶的工作原理和冷端溫度補(bǔ)償。

要控制一個(gè)工藝指標(biāo)，首先必須實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)過程中的有關(guān)參數(shù)。例如溫

度、壓力、流量、液位等。用來(lái)檢測(cè)這些參數(shù)的工具稱為檢測(cè)儀表，其中包括測(cè)

量指示儀表及將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)飾出的變送器。

檢測(cè)儀表種類繁多，但目的都是快速、準(zhǔn)確地測(cè)量某種物理量。因此，對(duì)于

檢測(cè)儀表的性能有一套通用的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1檢測(cè)儀表的基本技術(shù)指標(biāo)

1.絕對(duì)誤差

檢測(cè)儀表的指示值X與被測(cè)量真值XI之間存在的差值稱為絕對(duì)誤差△表示

為：

A=X—XI

由于真值是無(wú)法得到的理論值。實(shí)際計(jì)算時(shí)，可用精確度較高的標(biāo)準(zhǔn)表所測(cè)

得的標(biāo)準(zhǔn)值X0代替真值Xt,表示為：

A=X-XO

儀表在其標(biāo)尺范圍內(nèi)各點(diǎn)讀數(shù)的絕對(duì)誤差中最大的絕對(duì)誤差稱為最大絕對(duì)

誤差△maxo

2.基本誤差

基本誤差是一種簡(jiǎn)化的相對(duì)誤差，又稱引用誤差或相對(duì)百分誤差。定義為：

最大絕對(duì)誤差

基本誤差3=xlOO%

儀表量程

其中：儀表量程=測(cè)量上限一測(cè)量下限

儀表的基本誤差表明了儀表在規(guī)定的工作條件下測(cè)量時(shí)，允許出現(xiàn)的最大

誤差。

3.精確度（精度）

為了便于量值傳遞，國(guó)家規(guī)定了儀表的精確度（精度）等級(jí)系列。如0.5

級(jí)，1.0級(jí)，1.5級(jí)等。

‘4表精度的確定方法：將儀表的基本誤差去掉“土”號(hào)及“％”號(hào)，套

入規(guī)定的儀表精度等級(jí)系列。

例如：

某臺(tái)儀表的基本誤差為±1.0%,則確認(rèn)該表的精確度等級(jí)符合10級(jí)。

如果某臺(tái)儀表的基本誤差為±1.3%,則該表的精確度等級(jí)符合1.5級(jí)。

例1某臺(tái)測(cè)溫儀表的測(cè)量范圍為一100?700C,校驗(yàn)該表時(shí)測(cè)得其最大

絕對(duì)誤差為+5℃,試確定該儀表的精度等級(jí)。

解：該儀表的基本誤差為：

+5

(>=x100%=+0.625%

700+100

將5去掉"+”與“％”號(hào)，其數(shù)值為0.625。由于國(guó)家規(guī)定的儀表精度等級(jí)

中沒有0.625級(jí)，該儀表的誤差介于（）.5級(jí)?1.0級(jí)之間，超過了（）.5儀表所允許

的最大絕對(duì)誤差，故這臺(tái)測(cè)溫儀表的精度等級(jí)為1.0級(jí)。

例2某臺(tái)測(cè)壓儀表的測(cè)壓范圍為（）?8MPa,根據(jù)工藝要求，測(cè)壓示值的誤

差不允許超過±0.05MPa,問應(yīng)如何選擇儀表的精度等級(jí)才能滿足以上要求？

解：根據(jù)工藝要求，儀表的允許基本誤差為：

°±0.05MPa.八八八,八……

6=----------------x100%=+0.625%

8MPa

去掉“土”和“％”號(hào)后,0.625介于0.5?1.0之間。若選精度為1.0級(jí)的儀

表，其允許的最大絕對(duì)誤差為±0.08MPao超過了工藝允許的數(shù)值。

故：應(yīng)選擇0.5級(jí)的表。

目前，我國(guó)生產(chǎn)的儀表常用的精確度等級(jí)有0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,

1.0,1.5,2.5等。

精度等級(jí)數(shù)值越小，表征該儀表的精確度等級(jí)越高，也說(shuō)明該儀表的精確度

越高。

0.05級(jí)以上的儀表，常用來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)表；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用的測(cè)量?jī)x表，其精度大

多為（）.5級(jí)以下。

儀表的精度等級(jí)一般用符號(hào)標(biāo)志在儀表面板上。如

1.5

4.靈敏度和分辨率

靈敏度表示指針式測(cè)量?jī)x表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的敏感程度，常以儀表輸

出（如指示裝置的直線位移或角位移）與引起此位移的被測(cè)參數(shù)變化量之比表示:

△X

其中，S—儀表靈敏度；AY—儀表指針位移的距離（或轉(zhuǎn)角）；AX一引

起AY的被測(cè)參數(shù)變化量。

靈敏限表示指針式儀表在量程起點(diǎn)處，能引起儀表指針動(dòng)作的最小被測(cè)參數(shù)

變化值。

對(duì)于數(shù)字式儀表，則用分辨率和分辨力表示靈敏度和靈敏限。分辨率表示儀

表顯示值的精細(xì)程度。

如一臺(tái)儀表的顯示位數(shù)為四位，其分辨率便為千分之一。數(shù)字儀表的顯示位

數(shù)越多，分辨率越高。

分辨力是指儀表能夠顯示的、最小被測(cè)值。

如一臺(tái)溫度指示儀，最末一位數(shù)字表示的溫度值為o.rc,即該表的分辨力

為（）.1Co

5.變差

在外界條件不變的情況下，同一儀表對(duì)被測(cè)量進(jìn)行往返測(cè)量時(shí)

（正行程和反行程），產(chǎn)生的最大差值與測(cè)量范圍之比稱

為變差。

正反行程最大差值

變差X100%

造成變差的原因是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間存在的間隙卻摩擦力；彈性元件的彈性滯

后等。

6.響應(yīng)時(shí)間

當(dāng)用儀表對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被測(cè)量突然變化以后，儀表指示值總是要經(jīng)過一

段時(shí)間后才能準(zhǔn)確地顯示出來(lái)。這段時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。

響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算：從輸入一個(gè)階躍信號(hào)開始，到儀表的輸出信號(hào)（即指示值）

變化到新穩(wěn)態(tài)值的95%所用的時(shí)間。即下圖中的tp

以上是檢測(cè)儀表常用的性能指標(biāo)。

2.2溫度檢測(cè)及儀表

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍而重要的操作參數(shù)。

2.2.1溫度檢測(cè)方法

一般利用物體的某些物理性質(zhì)隨溫度變化的特性來(lái)感知、測(cè)量溫度。有接觸

式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。

接觸式測(cè)溫一通過測(cè)溫元件與被測(cè)物體的接觸而感知物體的溫度。

非接觸式測(cè)溫——通過接受被測(cè)物體發(fā)出的熱輻射熱來(lái)感知溫度。

接觸式測(cè)溫儀表有：

1.膨脹式溫度計(jì)，是指基于物體受熱時(shí)體積膨脹的性質(zhì)而制成的溫度計(jì)，他

有液體和固體兩種。

液體膨脹式溫度計(jì)，利用液體（水銀、酒精）受熱時(shí)體積膨脹的特性測(cè)溫。

固體膨脹式溫度計(jì)，用兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊接在一起制成雙

金屬片。受熱后，由于兩金屬片的膨脹長(zhǎng)度不同而產(chǎn)生彎曲。

若將雙金屬片制成螺旋形，當(dāng)溫度變化時(shí)，螺旋的汽由端便圍繞著中心軸偏

轉(zhuǎn)，帶動(dòng)指針在刻度盤上指示出相應(yīng)溫度值。雙金屬片常用來(lái)做溫度報(bào)警或控制

如圖是一雙金屬溫控器。

繼電器一

隨著溫度上升，雙金屬片逐漸彎曲，當(dāng)其觸點(diǎn)接觸到固定觸點(diǎn)時(shí)，報(bào)警燈和繼

電器回路被接通。

調(diào)節(jié)螺釘用來(lái)調(diào)整固定觸點(diǎn)的位置，以調(diào)整報(bào)警溫度。

2.壓力式溫度計(jì)

壓力式溫度計(jì)是利用封閉容器中的介質(zhì)壓力隨溫度變化的現(xiàn)象來(lái)測(cè)溫。

原理：封閉容器中的液體、氣體或低沸點(diǎn)液體的飽和蒸汽，受熱后體積膨脹，壓

力增大，使彈簧管變形，連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針指示溫度。如下圖就是一個(gè)壓力式溫

度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。

3.熱電偶溫度計(jì)

利用物體的熱電性質(zhì)測(cè)溫。

4.熱電阻溫度計(jì)

利用金屬電阻值或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)測(cè)溫。

5.半導(dǎo)體溫度計(jì)

利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度變化的特性，通過測(cè)量感溫器元件(結(jié))電壓

變化來(lái)測(cè)量溫度。

非接觸式測(cè)溫的具體方法有：

1.輻射式溫度計(jì)

通過測(cè)量物體熱輻射功率來(lái)測(cè)量溫度。

2.紅外式溫度計(jì)

通過測(cè)量物體紅外波段熱輻射功率來(lái)測(cè)量溫度。

2.2.2熱電偶

熱電偶是以熱電效應(yīng)為原理的測(cè)溫元件，能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)(mV)。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)溫準(zhǔn)確可靠、信號(hào)便于遠(yuǎn)傳。一般用于測(cè)量5()()?1600C之

間的溫度。

2.2.2.1熱電偶的測(cè)溫原理

將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，若兩個(gè)連接點(diǎn)溫度不同，回路中會(huì)

產(chǎn)生電勢(shì)。此電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。

1.接觸電勢(shì)

當(dāng)不同導(dǎo)體A、B接觸時(shí)，兩邊的自由電子密度不同，在交界面上產(chǎn)生電

子的相互擴(kuò)散，致使在接觸處產(chǎn)生接觸電勢(shì)。

其大小取決于兩種材料的種類和接觸點(diǎn)的溫度。

,一自由電子密度；e一單位電荷

2.溫差電勢(shì)

對(duì)于同一金屬A(或B),其兩端溫度不同，自由電子所具有的動(dòng)能不同，也會(huì)

產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)，稱為溫差電勢(shì)。

熱電勢(shì)由兩部分組成：接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。但溫差電勢(shì)值遠(yuǎn)小于接觸電勢(shì)，常

忽略小計(jì)。

3.回路總電勢(shì)

熱電偶回路總電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)疊加而成，稱熱電勢(shì)。由于溫差

電勢(shì)很小，熱電勢(shì)基本由接觸電勢(shì)構(gòu)成：

據(jù)此可以得出基本結(jié)論：

對(duì)于確定的熱電偶，熱電勢(shì)只與熱端和冷端溫涉有

關(guān)。當(dāng)冷端溫度固定時(shí)，E(t,tO)是熱端溫度I的單值函數(shù)。上式無(wú)法實(shí)用，實(shí)

際中用實(shí)測(cè)標(biāo)定熱電勢(shì)。

銀銘一銀硅熱電偶分度表(簡(jiǎn)表)

今度號(hào)00102030405060708090

[()=()℃,

E/mV

f℃

D0.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.681

1004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.737

2008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.793

30012.20712.63213.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.974

WO16.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.214

50()20.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.476

60024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.709

70029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.866

80033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.925

90037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897

100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729

110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.05948.462

120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049

130052.398

2.222熱電偶的基本定律

據(jù)可導(dǎo)出：

1.均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論其截面和長(zhǎng)度如何，以及沿長(zhǎng)

度方向上各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。

因此，熱電偶必須由兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成。但其截面和長(zhǎng)度不

限。

2.中間導(dǎo)體定律

在熱電偶回路中接入另一種中間導(dǎo)體后，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間

導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的熱電勢(shì)沒有影響。

設(shè)將熱電偶AB一端打開，接入第三種導(dǎo)體C：

有08c(，，%)=e八8(。+eBc(.tO)+eCA(，0)(1)

當(dāng)時(shí)，有

即0C(‘0)+eCA(‘0)=~eAB('())

代入(1)式，

則瑪Bel,eABG))

由中間導(dǎo)體定律可知：

熱電偶在使用時(shí)，只要接入第三種導(dǎo)體的兩個(gè)連接點(diǎn)溫度相等，它的接

入對(duì)回路電勢(shì)毫無(wú)影響。這一結(jié)論可以推廣至接入多種導(dǎo)體。

因?yàn)闊犭娕荚谑褂脮r(shí)，必須將熱電偶回路打開，接入測(cè)量?jī)x表，即插入

多種導(dǎo)體。

3.中間溫度定律

一支熱電偶在兩接點(diǎn)溫度為t、t（）時(shí)的熱電勢(shì)，等于兩支同溫度特性熱

電偶在接點(diǎn)溫度為t、0和0、tO時(shí)的熱電勢(shì)之代數(shù)和。即

EAB（，Jo）=Em”，。）-EABQO

據(jù)此，只要給出冷端為0℃時(shí)的熱電勢(shì)關(guān)系，便可求出冷端任意溫度

時(shí)的熱電勢(shì)。

222.3熱電偶的構(gòu)造

熱電偶是用兩種不同材料的偶絲或薄膜一端焊接而成。其構(gòu)造分普通

型、鎧裝型、簿膜型等。

學(xué)點(diǎn)鎧裝

學(xué)才二

>7

耐熱絕緣物不銹鋼外層

2.2.2.4熱電偶類型

理論上任何兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但考慮有

良好的應(yīng)用性能，必須對(duì)熱電偶材料加以選擇。

選取原則：在測(cè)溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)及物理性質(zhì)，熱電勢(shì)

要大，且與溫度接近線性關(guān)系。國(guó)際電工委員會(huì)（簡(jiǎn)稱IEC）規(guī)定了熱電偶材料

的取材標(biāo)準(zhǔn)。用分度號(hào)命名不同取材的熱電偶，并給出了標(biāo)準(zhǔn)的熱電勢(shì)分度表。

幾種常用的標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶簡(jiǎn)介

熱電偶名稱分度號(hào)測(cè)溫范圍平均靈敏度特點(diǎn)

（℃）

伯籍30—伯銘6穩(wěn)定性好,精度高，可在

B0?+180010Pv/℃

氧化氣氛使用

同上，線性度優(yōu)于B

鉗銘10—伯S0~+160010Pvrc

價(jià)廉,，可在氧化及中

鍥銘一銀硅K0?+100040UV/℃性氣氛中使用

靈敏，價(jià)廉，可在氧化及

銀銘一康銅

E-200?+90080UV/℃弱還原氣氛中使用

價(jià)廉，但銅易氧化，常用

銅一康銅

T-200?+4005()PV/℃于150C以下溫度測(cè)量

不同材質(zhì)的熱電偶，其熱電勢(shì)與熱端溫度的特性關(guān)系不同。

圖1-3咕用熱電佃的特性（冷端溫度為OP）

＞飴及其合金（BS）屬于貴重金屬，價(jià)格很貴，但其熱電勢(shì)非常穩(wěn)定，主要

用做標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及測(cè)量1100C以上的高溫。

＞銀格一銀硅（K）線性度最好

＞鍥銘一康銅（E）靈敏度最高

＞銅一康銅（T）價(jià)格最便宜

2.2.2.5熱電偶冷端溫度補(bǔ)償

熱電偶的熱電勢(shì)大小不僅與熱端溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)。所以使

用時(shí)，需保持熱電偶冷端溫度恒定。但熱電偶的冷端和熱端離得很近，使用時(shí)冷

端溫度較高且變化較大。為此應(yīng)將熱電偶冷端延至溫度穩(wěn)定處。

為了節(jié)約，工'也上選用在低溫區(qū)與所用熱電偶的熱電特性相

近的廉價(jià)金屬，作為熱偶絲在低溫區(qū)的替代品來(lái)廷長(zhǎng)熱電偶，稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。

熱偶補(bǔ)償導(dǎo)線

根據(jù)中間溫度定律，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶相連后，其總的熱電勢(shì)等于兩支熱電偶產(chǎn)

生的熱電勢(shì)的代數(shù)和。

E（t,t0）=E偶（t,tn）+E補(bǔ)（tn,to）

用補(bǔ)償導(dǎo)線延長(zhǎng)熱電偶的必須條件是：補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特

性在低溫段與所配熱電偶相同。因此，不同的熱電偶配不同的補(bǔ)

償導(dǎo)線。常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線見表2.2。

使用補(bǔ)償導(dǎo)線只是將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到溫度比較穩(wěn)定的地方，而標(biāo)準(zhǔn)

熱電勢(shì)要求冷端溫度為零度，為此還要采取進(jìn)一步的補(bǔ)償措施。

1.查表法（計(jì)算法）

如果某介質(zhì)的溫度為t,用熱電偶進(jìn)行測(cè)量，其冷端溫度為to,測(cè)得的熱

電勢(shì)為EAB（t,tO）o根據(jù)中間溫度定律，有

EAB（t,0）=EAB（t,to）+EAB（to,O）

得出標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)EAB(t,0),再查分度表就可得出被測(cè)溫度。

例用K型(銀格一裸硅)熱電偶測(cè)量某加熱爐的溫度。測(cè)得的熱電勢(shì)E(t,tO)

=36.122mV,而自由端的溫度t0=30℃,求被測(cè)的實(shí)際溫度。

解由分度表可以查得E(30,0)=1.203mV

則E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)

=36.122+1.203=37.325mV

再查分度表可以查得37.325mV對(duì)應(yīng)的溫度為900°C。

計(jì)算法適用于實(shí)驗(yàn)或臨時(shí)測(cè)溫。

2.儀表零點(diǎn)調(diào)整法

如屬質(zhì)電偶冷端溫度比較穩(wěn)定，與之相接的顯示儀表又可以調(diào)整零點(diǎn)，那么

在測(cè)試前，將儀表指針就調(diào)整到冷端溫度處，再開始測(cè)量。

此法比較簡(jiǎn)單，但由于冷端溫度(室溫)也有波動(dòng)，所以只能在測(cè)溫要求不

太高的場(chǎng)合下應(yīng)用。

3.冰浴法

把熱電偶的冷端插入盛有絕緣油的試管中，然后將試管放入裝有冰水混合

補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)，來(lái)補(bǔ)償熱電

偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值。

5.半導(dǎo)體PN結(jié)補(bǔ)償法

利用半導(dǎo)體PN結(jié)電壓隨溫度升高而降低的特性自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶的冷端

溫度引起的誤差。

圖中半導(dǎo)體三極管基極結(jié)電壓VR隨溫度升高而降低。將Vbe放大后即

可輸出。

只要保持三極管集電極電流1c恒定，冷端補(bǔ)償電壓co即與冷端溫度成正

比。

2.2.3熱電阻

對(duì)于5()0℃以下的中、低溫，熱電偶輸出的熱電勢(shì)很小，容易受到干擾而測(cè)

不準(zhǔn)。一般使用熱電阻溫度計(jì)來(lái)進(jìn)行中低溫度的測(cè)量。

熱電阻有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。

2.2.3.1金屬熱電阻

金屬熱電阻測(cè)溫精度高。大多數(shù)金屬電阻阻值隨溫度升高而增大。具有正溫

度系數(shù)。

溫度系數(shù)。=工處

RdT

作為工業(yè)用熱電阻的材料要求：

(1)電阻溫度系數(shù)大，電阻率大；

(2)在測(cè)溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定；

(3)溫度特性的線性度好。

工業(yè)中用得最多的是銷電阻利銅電阻，也有銀電阻、錮電阻、錦電阻及碳電

阻等用于低溫及超低溫測(cè)量。

1.粕電阻

伯材料容易提純，其化學(xué)、物理性能穩(wěn)定：測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性好、精度高。被國(guó)際

電工委員會(huì)規(guī)定為-259?+630℃間的基準(zhǔn)器，但線性度稍差，常用于

-2(X)~-F600C溫度測(cè)量。

電阻溫度關(guān)系：

Rt=R0[l+At+Bt2+C(t-100)t3](-200~0℃)

Rt=R0(1+At+Bt2)(0-850℃)

伯電阻有兩種分度號(hào)：PHO,Pt100

2.銅電阻

銅電阻價(jià)格便宜，線性度好，但溫度稍高易氧化，常用于-50?+100℃溫度

測(cè)量。銅電阻有兩種分度號(hào):Cu5(),Cul()0。電阻溫度關(guān)系：

Rt=R0(l+at)(?50~150℃)

熱電阻的結(jié)構(gòu)型式常見有普通型熱電阻、鎧裝熱電阻。其結(jié)構(gòu)是：以云母片

或石英玻璃柱作骨架，將金屬絲用雙線法繞在骨架上，以消除電感。此外，還有

薄膜型熱電阻。

3.熱電阻的三線制接法

電阻測(cè)溫信號(hào)一般通過電橋轉(zhuǎn)換成電玉，如用兩線接法接熱電阻，接

線電阻隨溫度變化會(huì)給電橋輸出帶來(lái)較大誤差，而三線接法可以消除此誤差。

所以，電阻測(cè)溫信號(hào)通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓時(shí)，熱電阻必須用三線制接法，以抵消

接線電阻隨溫度變化市電橋的影響。

2.2.3.2熱敏電阻

有些半導(dǎo)體材料的電阻值具有負(fù)溫度系數(shù)，可以作溫度傳感元件，特點(diǎn)

是：

(1)電阻率大一電阻體積小，響應(yīng)快；

(2)溫度系數(shù)大一靈敏度高；

(3)非線性嚴(yán)重一影響精度。

(4)溫度特性分散一互換性差

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻特性

2.2.4集成溫度傳感器

集成溫度傳感器將溫敏晶體管和外圍電路集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成，相當(dāng)于

一個(gè)測(cè)溫集成器件。

特點(diǎn)：體積小、反應(yīng)快、線性較好、價(jià)格便宜，測(cè)溫范圍一般為-50?

集成溫度傳感器利用晶體管的b-c結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)

溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)：

q—電子電荷絕對(duì)值。

通過對(duì)VBE的放大及線性化處理，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的線性輸出。

集成溫度傳感器按輸出信號(hào)形式不同，分為電壓型、電流型和數(shù)字型三類。

1.電壓輸出型

電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K,溫度0℃時(shí)輸出為0,溫度25℃時(shí)輸出

2.982Vo常見的有LM135系列。

2.電流輸出型

電流輸出型的靈敏度一般為1MA/Ko最典型的是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的

AD590o

AD590是單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：

(1)流過器件的電流((A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)，即:

IT=T

IT—流過器件的電流，單位為(A；

T—熱力學(xué)溫度，單位為Ko

(2)測(cè)溫范圍為-55℃?+15()℃

(3)電源電壓范圍為4V?30V

(4)輸出電阻為710M。

3.數(shù)字輸出型

最典型的數(shù)字輸出型集成溫度傳感器是DS1820。其外形如一只三極管，三個(gè)引

腳分別是電源、地、數(shù)據(jù)線，測(cè)溫范圍為-55C?+125C,分辨率為0.5°C,

2.2.5溫度顯示與記錄

熱電偶、熱電阻等傳感元件的測(cè)溫信號(hào)必須經(jīng)后級(jí)儀表處理，將溫度顯示出

來(lái)或記錄保存。

2.2.5.1動(dòng)圈式指示儀表

_動(dòng)圈式指示儀表可分別與熱電偶、熱電阻配套指示溫度，是最簡(jiǎn)單的模擬指

示儀表。

動(dòng)圈式儀表的驅(qū)動(dòng)部件是動(dòng)圈測(cè)量機(jī)構(gòu)，其本質(zhì)是一個(gè)磁電式毫安表。信號(hào)電流

流過動(dòng)圈時(shí)，動(dòng)圈受磁場(chǎng)力作用而偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)。同時(shí)張絲被扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生反

作用力矩，當(dāng)與磁場(chǎng)力矩平衡時(shí)，動(dòng)圈就停留在某一位置上，指針指示出被測(cè)參

數(shù)值。

動(dòng)圈測(cè)量機(jī)構(gòu)原理圖

動(dòng)圈測(cè)量機(jī)構(gòu)配接不同的測(cè)溫元件時(shí)電路有所不同

2.2.5.2數(shù)字式指示儀表

數(shù)字式指示儀表是以數(shù)字電壓表為主體而陶成的測(cè)量?jī)x表。其原理框圖如

下:

例：配熱電偶的數(shù)字式測(cè)溫儀表原理框圖

ImV/C

補(bǔ)償橋

標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)經(jīng)過濾波，放大和線性化處理后，再經(jīng)過相應(yīng)的標(biāo)度變換，就能夠

得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

225.3自動(dòng)記錄儀表

自動(dòng)記錄儀能實(shí)時(shí)記錄被測(cè)參數(shù)。記錄的方式有紙記錄和無(wú)紙記錄兩

類。

1.自動(dòng)平衡電橋式記錄儀

配接熱電阻的測(cè)溫記錄儀。利用電橋的平衡動(dòng)作進(jìn)行測(cè)量記錄。

自動(dòng)平衡電橋原理圖

平衡電橋測(cè)溫原理

Rt是測(cè)溫電阻，Rp是滑線電阻，觸點(diǎn)B由電機(jī)帶動(dòng)

可左右移動(dòng)，電機(jī)由電橋的不平衡電壓驅(qū)動(dòng)。到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，電橋輸出為

零，電機(jī)停止。B的位置可以反映強(qiáng)t,即反映了溫度的變化；觸點(diǎn)位移

與取t呈比例關(guān)系。

電橋測(cè)溫關(guān)系

當(dāng)被測(cè)溫度為下限時(shí),Rl有最小值RtO,滑動(dòng)觸點(diǎn)應(yīng)在Rp的左端，此時(shí)電橋

平衡，條件是：

R?R4=R3(Rto+Rp)

被測(cè)溫度升高時(shí)，電橋不平衡輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)觸點(diǎn)向右移動(dòng)，直至新的

平衡點(diǎn)：

R?(R4+ri)=R3(RIO+ARt+Rp-ri)

兩式相減得：

r.=—旦——△弋

/?2十尺3

2自動(dòng)電位差計(jì)式記錄儀

自動(dòng)電位差#式記錄儀是配接熱電偶的測(cè)溫記錄儀。和自動(dòng)平衡電橋式記錄

儀相比，放大、驅(qū)動(dòng)、走紙機(jī)構(gòu)都相同，僅測(cè)量電路不同。

圖2.23中，測(cè)量電橋產(chǎn)生不平衡電壓與熱電偶，輸出相平衡。同時(shí)為了冷端

補(bǔ)償，將R2換成銅電阻，和熱電偶的冷端置于同一溫度下。當(dāng)冷端溫度升高時(shí),

設(shè)計(jì)使電壓VR2的增加量恰好彌補(bǔ)熱電勢(shì)的減少值

數(shù)字式記錄儀表

形式多樣，內(nèi)裝CPU,無(wú)紙記錄被測(cè)參數(shù)?？蓪?shí)時(shí)顯示，也可隨時(shí)調(diào)出歷史

曲線。可多通道記錄

226溫度變送器

檢測(cè)信號(hào)要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。變送器的任務(wù)就是將

不標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)信號(hào)，如熱電偶、熱電阻的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

模擬控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)是：

II型:0~10mA.0?10V

IH型：4?20mA.1?5V

數(shù)字控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)有:FF協(xié)議、HART協(xié)議等

2.2.6.1模擬式溫度變送器

模擬式溫度變送器有多個(gè)品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要,

但結(jié)構(gòu)基本相同。

溫度變送器原理框圖

以DDZ-III型熱電偶溫度變送器為例:

存線性

反饋

稔田塊+電源

24VDC

電路原理分析：

I.輸入電路

熱電偶溫度變送器的輸入電路主要是在熱電偶回路中串接一個(gè)電橋。在電

橋中實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端補(bǔ)償和測(cè)量零點(diǎn)的調(diào)整。

Ei=Et+VRCU—VR4

-—

Ei=EI+VRCUVR4=Et+AVRcutO+VRCUOVR4

標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)零點(diǎn)調(diào)整

冷端補(bǔ)償設(shè)計(jì)：

AVRcUlo=E(to,())調(diào)R4實(shí)現(xiàn)量程調(diào)整。

VRcuO-0C時(shí)Rcu上壓降，

AVRcuio-t0℃時(shí)Rcu上壓降增量

2.放大電路

熱電偶輸出的熱電勢(shì)為毫伏信號(hào)，而測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)很容易引入干擾，因此放大電

路必須是高增益低漂移的運(yùn)放，深度反饋，同時(shí)還要采取抗干擾措施。例如用熱

電偶測(cè)量電爐溫度時(shí)，放大電路要浮空。

3.反饋電路

在反饋電路中需要完成量程調(diào)整和非線性校正兩個(gè)功能。量程調(diào)整實(shí)質(zhì)上足

調(diào)整放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)，通過調(diào)節(jié)反饋電阻的大小就可實(shí)現(xiàn)。而非線性校

正則需要一個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4,供電電源

變送器的成向1源是+24V。為了提高變送器的抗共模干擾能力和安全防爆，放大

器需要在電路上與電源隔離。24V直流電源經(jīng)調(diào)制解調(diào)后，供電路使用。

近年來(lái)，已推出小型固態(tài)化溫度變送器和一體化溫度變送器，它將傳感元件與測(cè)

量電路一體化，電路高度集成，自帶冷端補(bǔ)償功能，24VDC供電。

2.3壓力檢測(cè)及儀表

壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)之一。如在化工、煉油等生產(chǎn)工藝中，經(jīng)

常會(huì)遇到高壓、超高壓和真空度（負(fù)壓）的測(cè)量。

2.3.1壓力檢測(cè)的方法

工程上習(xí)慣把垂直作用于作用單位面積上的力稱為“壓力”。即P=F/S

\7

壓力的單位是“帕斯卡”——IPa=lN/m2IMPa=106Pa

1工程大氣壓=1kg/cm2=9.80665X104Pa

弋O.IMPa

工程中壓力的表示方式有：表壓、負(fù)壓（真空度）、差壓、及

P被測(cè)壓力1

工業(yè)中所用儀表的壓力指示值，大多數(shù)為表壓和差

壓。

表壓、絕對(duì)壓力、負(fù)壓（真空度）、差壓之間

的關(guān)系：

P被測(cè)壓力2

及壓=P絕對(duì)壓力一P大氣壓力

P真空鍍=P大氣壓力—P絕對(duì)壓力

P差壓二P被測(cè)壓力I-P被測(cè)壓力2

壓力測(cè)量?jī)x表品種很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為四大類。

1.液柱式壓力計(jì)

利用液體靜力學(xué)原理測(cè)壓，如U型管壓力計(jì)，當(dāng)被測(cè)壓力P大于大氣壓力B時(shí),

液柱會(huì)產(chǎn)生高度差。

2.彈性式壓力計(jì)

將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的變形位移后測(cè)量位移，如彈簧管壓力表。

3.電氣式壓力計(jì)

通過傳感元件及電路，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電量輸出或指示，如電容式壓力變送

器。

4.活塞式壓力計(jì)

根據(jù)液體均勻傳遞壓力的原理，將被測(cè)壓力與活塞上所加的祛碼質(zhì)量進(jìn)行

平衡來(lái)測(cè)量壓力，它的測(cè)量精度很高，主要用于壓力表的檢定。

2.3.2彈性式壓力計(jì)

利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以測(cè)量壓力。由于其產(chǎn)生的位移或力易轉(zhuǎn)化為電量,

且構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，測(cè)壓范圍寬，被廣泛使用。

常用的彈性元件有5種：

1）單圈彈簧管

將截面為橢圓形的金屬空心管彎成270°圓弧形，頂端封口，當(dāng)通入壓力P后，

它的自由端就會(huì)產(chǎn)生位移。單圈彈簧管測(cè)壓范圍較寬，可高達(dá)lOOOMPa。

2）多圈彈簧管

為了在測(cè)低壓時(shí)增加位移，可以將彈簧管制成多圈狀。

3）膜片

用金屬或非金屬材料做成的具有彈性的圓片（有平膜片和波紋膜片）。在壓力作

用下，其中心產(chǎn)生變形位移?？蓽y(cè)低壓。

4）膜盒

將兩張金屬膜片沿周口對(duì)焊，內(nèi)充硅油。使膜片增加強(qiáng)度。

5）波紋管

位移最大，可測(cè)微壓（VIMPa）。

1）單圈彈簧管2）多圈彈簧管

4）膜盒

2.322彈簧管壓力表

彈簧管壓力表的品種規(guī)格繁多。按其用途不同，有普通彈簧管壓力表、耐腐蝕的

氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。

它們的外形與結(jié)構(gòu)基本相同，只是所用的彈簧管材料有所不同。

彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理

1-彈簧管2-拉桿

3-扇形齒輪4-中心齒輪

5-指針6-面板7-游絲

8-調(diào)整螺釘9—接頭

彈簧管是一根彎成270°圓弧的橢圓截面

的空心金屬管，管子的自由端B封閉，并連接

拉桿及扇形齒輪，帶動(dòng)中心齒輪及指針。

2.3.3電氣式壓力計(jì)

電氣式壓力計(jì)是指將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行顯示的儀表。電氣式壓力變送器

是指將壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出的儀表。

電氣式壓力計(jì)一般由壓力傳感元件、測(cè)量電路和信號(hào)處理電路所組成。

2.3.3.1電容式差壓（壓力）變送潛

電容式差壓變送器是20世紀(jì)70年代初由美國(guó)公司研發(fā)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.、過我能

力強(qiáng)、可靠性好、精度高、體積小。一個(gè)被測(cè)壓力是大氣壓時(shí)，就成為壓力變送

器。

電容式差壓變送器先將差壓的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后用電路測(cè)電

容。輸出信號(hào)范圍是DC4?20mA。

如圖是利用測(cè)電容充放電流的轉(zhuǎn)換電路。

正弦波電壓E加于差動(dòng)電容C1.C2上，因R1?R4的阻抗比C1.C2的阻抗小得多,

流過C1.C2的半周期電流有效值近似為：

VD4VD/D述VD,“

_U、F

U+J*AE{I仙一：

4辛砒

八=———“1

-G+C2/。：品

要測(cè)11.12的變化，可間接測(cè)R1.R2上的壓

降。

令V1.V2.V4分別為RI.R2.R4上的壓降,則:

匕—I\R\_2—C[RL=G-G=K

匕一/（A—（G+C?）代iC+G

因：VI=I]RI>V2=bR2、V4=LR4、RJ=R2=R4

J=-01_IJ_c2

1G_G=-/

CC°12G+°2°

1+2G+。2

即3盧=KQP

當(dāng)V4=I0R4不變時(shí)，測(cè)出V2—V1,可得使。

在實(shí)際測(cè)量中，差動(dòng)電容C1、C2變化會(huì)引起電流1()變化，若要保持V4不變，必

須設(shè)監(jiān)控電路。通過監(jiān)測(cè)V4自動(dòng)調(diào)節(jié)E的幅度，使V4保持恒定。

233.2應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成的。電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片

(金屬絲或金屬箔)和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。如金屬絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：

R=PL/S

電阻應(yīng)變?cè)恚?/p>

當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生縱向拉伸變形時(shí),L變大、S變小，其阻值增加；當(dāng)應(yīng)變片

產(chǎn)生縱向壓縮變形時(shí),S變大、L變小，其阻值減小。

應(yīng)變片電阻的變化可用電橋測(cè)出。rl和r2的變化，使橋路失去平衡，有不平衡

電壓AU輸出。

rl.r2設(shè)置在相鄰橋臂構(gòu)成半橋，既可以提高靈敏度，乂有溫度補(bǔ)償作

用。溫度升高引起的「I、12阻值升高部分，壓降相減。

2.333壓阻式壓力傳感器

利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

壓阻效應(yīng)——受壓時(shí)電阻率發(fā)生變化。

2.334壓電式壓力傳感器

利用某些材料的壓電效應(yīng)原理制成。具有這種效應(yīng)的材料如壓電陶瓷、壓電

晶體稱為壓電材料。

壓電效應(yīng)：壓電材料在一定方向受外力作用產(chǎn)生形變時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象,

在其表面上產(chǎn)生電荷。當(dāng)去掉外力時(shí)，又重新返回不帶電的狀態(tài)。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)

變成電能的現(xiàn)象，稱之為壓電效應(yīng)。

2.3.4智能式差壓變送器

智能式差壓變送器內(nèi)部電路裝有CPU芯片，有很強(qiáng)的數(shù)字處理能力。除檢測(cè)功

能外，還具有靜壓補(bǔ)償、計(jì)算、顯示、報(bào)警、控制、診斷等功能。與智能式執(zhí)行

器配合使用，可就地構(gòu)成控制回路，并隨時(shí)與上位機(jī)通訊。

2.3.4.1305ICHART變送器

3051型差壓變送器是美國(guó)羅斯蒙特公司的一種智能型兩線制變送器，有電容式

和壓電式兩種。圖2.44是3051C電容式變送器的原理框圖。

傳感器部分與模擬儀表一樣，測(cè)量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器處理。輸出符

合HART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)疊加在4?20mA的輸出信號(hào)線上。

3051型差壓變送器可同時(shí)用于數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬控制系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)設(shè)定器跨

接在信號(hào)線上，可以讀取變送器的輸出信號(hào)，并末變送器進(jìn)行組態(tài)。

2.4流量檢測(cè)及儀表

流量是生產(chǎn)控制及經(jīng)濟(jì)核算中的重要檢測(cè)參數(shù)。

2.4.1流量的基本概念

□流量指單位時(shí)間內(nèi)流過某一截面的流體數(shù)量。即瞬時(shí)流量。表示方法有：

□質(zhì)量流量Qm（t/h、kg/h、kg/s）

□體積流量Qv（rrP/h、L/h、L/min）

二者的關(guān)系:Qm=PQvP一流體的密度

總量指一定時(shí)間內(nèi)流過某截面的流體流量的總和。即累計(jì)流量。以t表示

時(shí)間，則總量和流量之間的關(guān)系是：

Q急、=J：Qdt

流量計(jì)的種類繁多，若按測(cè)量原理分，流量計(jì)可分為：

節(jié)流式流量計(jì)速度式流量計(jì)

容積式流量計(jì)電磁式流量計(jì)

2.4.2差壓式流量計(jì)

差壓式（也稱節(jié)流式）流量計(jì)是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)

流裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力差而實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。

顯示儀表

節(jié)流現(xiàn)象

流體在流過節(jié)流件時(shí)，在節(jié)流件前后的靜壓產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。

節(jié)流件是能使管道中的流體產(chǎn)生局部收縮的元件，節(jié)流件和取壓裝置組裝成節(jié)

流裝置。

差壓式流量計(jì)常用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件是孔板，其次是噴嘴、文丘里管等。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置取壓方法有角接取壓法和法蘭取壓法兩類。

角接取壓法是在孔板前后端面處環(huán)室取壓或鉆孔取壓；法蘭取壓法是在孔板

前后一定距離處取壓。

(a)環(huán)室結(jié)構(gòu)(b)垂獨(dú)鉆孔結(jié)構(gòu)

在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到小流量的測(cè)量，因流體的流速低，要求測(cè)量?jī)x表有較

高的靈敏度，才能保證一定的精度。

差壓式流量計(jì)對(duì)管徑小于50mm、低雷諾數(shù)的流體的測(cè)量精度是不高的。而

轉(zhuǎn)子流量計(jì)則特別適宜于測(cè)量管徑50mm以下管道的流量，測(cè)量的流量可小到每

小時(shí)幾升。

工作原理：轉(zhuǎn)子流量計(jì)與差壓式流量計(jì)一樣都是利用節(jié)

流原理測(cè)流量。當(dāng)流體自下而上流過錐形管時(shí)，管中的轉(zhuǎn)子受

到向上的推力，使轉(zhuǎn)子浮起。當(dāng)此力正好等于轉(zhuǎn)子重力時(shí)，作

用在轉(zhuǎn)子上的上下兩個(gè)力平衡，轉(zhuǎn)子停浮在一定的高度上.流

量增大時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子上的向上的推力就加大，轉(zhuǎn)子上移。隨

著轉(zhuǎn)子上移，流體的流通面積增大，流過此環(huán)隙的流體流速變慢，

推力減小。

當(dāng)轉(zhuǎn)子受到的向上的推力再次等于轉(zhuǎn)子在流體中的重力時(shí)，轉(zhuǎn)子又穩(wěn)定在一個(gè)

新的高度上。因此，流量越大，轉(zhuǎn)子停浮位置越高。在錐形管的高度坐標(biāo)上標(biāo)度

對(duì)應(yīng)的流量值。那么根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低就可以讀出流量的大小。這就是轉(zhuǎn)

子流量計(jì)測(cè)量流量的基本原理。

轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的輸出

1.錐形管是玻璃的，直凄目視轉(zhuǎn)子的位置。

2.在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝磁鐵，錐形管外安裝磁環(huán)

隨轉(zhuǎn)子上下移動(dòng)，接通顯示電路。

3.在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝磁鐵，錐形管外安裝雙霍

爾磁場(chǎng)傳感器，測(cè)出磁場(chǎng)的水平分量和垂直

分量，可確定轉(zhuǎn)子位置。

4、在轉(zhuǎn)子上方安裝一導(dǎo)磁棒，使差動(dòng)變壓

器輸出隨轉(zhuǎn)子位置變化。

2.4.5橢圓齒輪流量計(jì)

橢圓齒輪流量計(jì)是利用兩個(gè)相互嚙合的橢圓形齒輪在流體的推動(dòng)下，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)

來(lái)測(cè)流量的。

當(dāng)流體要流過橢圓齒輪時(shí)，進(jìn)口側(cè)壓力pl大于出口側(cè)壓力p2,在此壓力差的作

用下，產(chǎn)生作用力矩使橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

此圖表示橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)了1/4周的情況，其排出的流體為一個(gè)半月形容積

VOo所以，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周所排出的被測(cè)介質(zhì)量為半月形容積的4倍。故通過

橢圓齒輪流量計(jì)的體積流量Q為：

Q=4nVon一齒輪轉(zhuǎn)速

如果累計(jì)齒輪轉(zhuǎn)速，則得到體積總量。

2.4.6渦輪流量計(jì)

在測(cè)量管道內(nèi)，安裝一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪，當(dāng)流體通過時(shí)，流體的動(dòng)能使渦

輪旋轉(zhuǎn)。流體的流速越大，泯輪轉(zhuǎn)速也就越高。

因此，測(cè)出渦輪的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)，就可確定流過管道的流體流量或總量。日常生活

中使用的某些自來(lái)水表、油量計(jì)等，都是利用這種原理制成的，都屬于速度式儀

表。

2.4.7電磁流量計(jì)

在流量測(cè)量中，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)是具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)時(shí)，可以用電磁感應(yīng)的方法

來(lái)測(cè)量流量。

工作原理：在管道兩側(cè)安放磁鐵，流動(dòng)的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，產(chǎn)生的感

應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流體的流速成正比關(guān)系。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變、管道直徑一定時(shí)，流

體切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)E的大小僅與流體的流v速有關(guān)。

感應(yīng)電勢(shì)的方向由右手定則判斷，其大小為:

E=BDv

E

v=----

BD

當(dāng)BD一定時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)E與流速v成正比。

式中：

Ex—感應(yīng)電勢(shì)；B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；D—管道直徑；v—流體速度。

體積流量Q與流速v的關(guān)系為：

192

Q=-7rDV

E4

而U±，得感應(yīng)電勢(shì)E與Q成正比關(guān)系

BD

EkE

4B

式中攵二絲稱為儀表常數(shù)

48

上式為滿管式流量測(cè)量。對(duì)于非滿管式流量測(cè)量，應(yīng)加測(cè)液位，然后根據(jù)實(shí)

際截面積計(jì)算流量。

2.5物位檢測(cè)及儀表

物位測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如蒸汽鍋爐運(yùn)行時(shí)，如果汽包水位過

低或過高，都會(huì)危及鍋爐安全，造成嚴(yán)重事故。

2.5.1概述

物位的含義包括：

液位：容器中液體的儲(chǔ)存高度

料位：容器中粉料的堆積高度

界位：容器中不同密度液體的分界面高度

物位測(cè)量?jī)x表可分為下列幾種類型：

1）靜壓式液位測(cè)量

利用液體對(duì)某定點(diǎn)的壓力，隨液位高度而變化的原理進(jìn)行測(cè)量。一般只測(cè)液

位。

2）浮力式液位測(cè)量

利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原理工作。

3）電氣式物位測(cè)量

利用電容、電阻或電感作敏感元件，將物位轉(zhuǎn)換為電量。

4）核輻射式物位測(cè)量

利用核輻射線穿透物料時(shí)，其透射強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理測(cè)量物位。

5）聲學(xué)式物位測(cè)量

根據(jù)超聲波在物質(zhì)中的傳播時(shí)間測(cè)出物位。

6）光學(xué)式物位測(cè)量

利用光波在傳播中遇不同物質(zhì)的界面時(shí)會(huì)發(fā)生遮斷和反射的現(xiàn)象測(cè)量物位。

2.5.2差壓式液位變送器

利用測(cè)量容器底部和頂部的壓差測(cè)液位。

2.5.2.1測(cè)量原理

設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p2,下部取壓點(diǎn)壓力為pl,貝U：

P\=Hpg+p2△〃=p{-p2=Hpg

式中：H一液位高度；（一介質(zhì)密度；g一重力加速度。

若被測(cè)容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓，則可將差壓變送器的低壓室通大氣、

或用壓力變送器、或用壓力表即可測(cè)量。因?yàn)閴毫ψ兯推骱蛪毫Ρ矶际菧y(cè)量與大

氣壓之差。

2.5.2.2零點(diǎn)遷移

理想測(cè)量條件下，液位H=0時(shí)，變送器的輸入壓差信號(hào)2=0,變送器的輸出為零

點(diǎn)信號(hào)4mA。即零點(diǎn)對(duì)齊:H=0時(shí)，Ap=H（g=0,I0=4mA

應(yīng)用時(shí)，由于差壓變送器安裝的實(shí)際情況限制，測(cè)量零點(diǎn)很難對(duì)齊，需要對(duì)差壓

變送器的零點(diǎn)進(jìn)行遷移。

1）負(fù)遷移

例如，變送器和容器之間用隔離罐隔離時(shí)：

△P=P「P2=+Hp、g+Po）」（/?202g+〃o）

=Hplg—（h一%）p2g

當(dāng)H=0時(shí)：

此時(shí)，理論上變送器應(yīng)輸出在4mA以下，但不可能實(shí)現(xiàn)。需要將零點(diǎn)負(fù)遷

移。

零點(diǎn)遷移的方法是,另加+（h2-hl）（2g信號(hào),抵消一（h2-hl）（2g的影響。使:H

=0時(shí)，Ap=0

2.正遷移

例如，變送器安裝在容器底部以下時(shí)：m=HPg+hPg

H=0時(shí)，便=+hPg

此時(shí)需要遷移+hPg

遷移的目的：使變送器輸出的起點(diǎn)與被測(cè)量起點(diǎn)對(duì)齊。

遷移同時(shí)改變了測(cè)量范圍的上下限，相當(dāng)于測(cè)量范圍向正方向或負(fù)方向的平

移。

例如，某差壓變送器的測(cè)量范圍為0?50MPa,對(duì)應(yīng)輸出從4mA變化到20mA,

這是無(wú)遷移的情況，如曲線a所示。若因安裝的原因造成:

H=0時(shí)，APu—IOMPa,

則需負(fù)遷移。

H=O時(shí)，△P=l()MPa,

則需正遷移.

2.5.3電容式物位變送器

利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時(shí)，電容量也相應(yīng)變化的原理測(cè)物位?？蓽y(cè)量液

位、料位和兩種不同液體的分界面。

測(cè)量原理如下:

圓柱形電容器的電容量為

。為介電系數(shù)

U=二

-

H=O時(shí)：

—空氣的介電系數(shù)；￡一被測(cè)物料的介電系數(shù)

H>0時(shí):

2加%2%億-”加）

D+D

TIn~—-I7n~—-

dd

△C=C-Co=2出（唱/）=攵〃

In-

d

電容的變化量與液位成正比。

D

2.5.3.1液位的檢測(cè)

對(duì)非導(dǎo)電介質(zhì)液位的測(cè)量，用雙電極式。

對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)液位測(cè)量，用單電極式，電極用絕緣套絕緣，金屬容器的外壁即是電

容的外電極。

2.532料位的檢測(cè)(也用單電極式)。

2.5.4超聲波液位計(jì)

利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性、能量損失較少、且遇到分界

面時(shí)能反射的特性，用回聲測(cè)距的原理，測(cè)定超聲波發(fā)射后遇液面反射回來(lái)的時(shí)

間，以確定液面的高度。

H=-vt

2

v—超聲波在液體中的傳播速度

若速度V為已知常數(shù)，測(cè)出時(shí)間I,便可算出液面高

度H。測(cè)料位時(shí)，超聲波物位計(jì)安裝在容器頂部。

2.6成分檢測(cè)及儀表

所謂成分，是指在多種物質(zhì)的混合物中，某一種物質(zhì)

所占的比例。在生產(chǎn)中經(jīng)常需要在線檢測(cè)物料的成分。例如在鍋爐的燃燒控制中,

必須隨時(shí)根據(jù)燃燒煙氣的含氧量變化，調(diào)節(jié)助燃空氣的供給量，以獲得最高的熱

效率。

成分檢測(cè)項(xiàng)目繁雜，測(cè)量原理差異很大。此處只介紹幾種在過程控制中常用的成

分檢測(cè)儀表。

261氧化錯(cuò)氧量計(jì)

氧化錯(cuò)氧量計(jì)廣泛用于鍋爐和窯爐的煙氣含氧量測(cè)量及內(nèi)燃機(jī)尾氣的含氧量測(cè)

量，以控制燃燒效率。

為減少排放污染，我國(guó)從2000年起要求汽車發(fā)司機(jī)的電子控制燃油噴射裝置中

必須安裝氧傳感器。

2.6.1.1工作原理

氧化倍(ZrO2)粉末中摻入一定比例的氧化鈣(CaO)或氧化鈕(Y2O3)粉末,

壓制成一端封閉或兩端都不封閉的管狀體。

“氧濃差電池”的形成過程：

在固態(tài)電解質(zhì)氧化倍(ZrO2)中摻入一定

比例的氧化鈣(CaO)或氧化鈕(Y2O3)o四價(jià)的

錯(cuò)被二價(jià)的鈣或三價(jià)的鈕置換時(shí)，形成氧離子空穴。在氧化錯(cuò)兩側(cè)各燒結(jié)一層多

孔的銷電極，就構(gòu)成氧濃差電池。

氧化鋁外側(cè)為被測(cè)煙氣，氧含量約為4?6%,其氧分壓為P1,氧濃度為61；

內(nèi)側(cè)為參比氣體一空氣，氧含量為20.8%,其氧分壓為P2,氧濃度為。2。

當(dāng)溫度達(dá)600C以上時(shí)，空穴型氧化鉆就成為良好的氧離子導(dǎo)體。氧氣能夠

以離子形式從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散。

氧分子從鉗電極處取得電子，成為氧離子進(jìn)入氧化錯(cuò)空穴，高氧側(cè)

伯電極因失去電子而帶正電。

Ch+4ef202-還原反應(yīng)

當(dāng)氧離子通過氧化鉆到達(dá)低氧側(cè)時(shí)，氧離子將電子還給粕電極變成氧分子

進(jìn)入煙氣，低氧側(cè)伯電極因得到電子而帶負(fù)電。

2。2--C）2+4e氧化反應(yīng)

根據(jù)Nernst方程，氧濃差電勢(shì)E可以表示為：

RT

E=In

nF

式中：R一氣體常數(shù)；F—法拉弟常數(shù)；n—一個(gè)氧分子攜帶電子數(shù)（n

=4）；T—?dú)怏w絕對(duì)溫度；P1.P2—被測(cè)氣體與參比氣體的氧分壓。

由于在混合氣體中，某氣體組的分壓力和總壓力之比與容積成分（即濃度）成正

比，有:

p7R_72_

Lap_v-

代入Nernst方程：

RTF%RTcp、

E=------In——=-------In

nFP,nFcpx

可見，氧濃差電勢(shì)E與煙氣含氧量①1呈非線性關(guān)系。

口一RTI一卬2

r——F7二一關(guān)系穩(wěn)定的必要條件是：

1）、溫度T恒定在600℃以上。

如果溫度不夠，可在氧化鉆探頭內(nèi)裝加熱器。

2）、空氣的氧含量恒定。

如果通風(fēng)不好，可卷探頭空氣口安裝空氣泵，以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量

等于20.8%o

3）、參比氣體與被測(cè)氣體壓力相等。

公式中才能用濃度來(lái)代替氧分壓。

2.6.1.2傳感器結(jié)構(gòu)

1.抽吸定溫式

氧化鉆探頭帶有加熱裝置和測(cè)溫元件。將被測(cè)氣體加熱到定值溫度，以便準(zhǔn)

確測(cè)量。

2.直插補(bǔ)償式

如果被測(cè)氣體溫度達(dá)600C以上，則探頭內(nèi)不設(shè)加熱裝置，探頭直接安裝在

煙道內(nèi)。但要裝測(cè)溫元件，測(cè)被測(cè)氣體溫度，以便在后級(jí)電路中對(duì)溫度變化進(jìn)行

補(bǔ)償。

“隨著技術(shù)發(fā)展，濃差電池型氧傳感器探頭結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，尺寸不斷減小，除

了常見的圓柱式探頭結(jié)構(gòu)外，還出現(xiàn)了板式結(jié)構(gòu)、厚膜結(jié)構(gòu)、微型結(jié)構(gòu)等。

2.6.2氣相色譜分析儀

利用色譜分析法測(cè)定混合氣體的組分。廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、醫(yī)藥、

食品等行業(yè)。

色譜分析法是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種分離分析技術(shù)，其特點(diǎn)是分離能力強(qiáng),

分析靈敏度高、速度快和樣品用量少。

例如分析石油產(chǎn)品時(shí)，一次可分離分析一百