第二章-检测仪表教案课件

第2章检测仪表教学目的：了解基本概念：检测仪表的基本技术指标，四大参数的检测方法及常见仪表。教学重点：热电阻、热电偶的测温原理，压力、流量、物位的检测。教学难点：热电偶的工作原理和冷端温度补偿。要控制一个工艺指标，首先必须实时检测生产过程中的有关参数。例如温度、压力、流量、液位等。用来检测这些参数的工具称为检测仪表，其中包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的变送器。检测仪表种类繁多，但目的都是快速、准确地测量某种物理量。因此，对于检测仪表的性能有一套通用的评价指标。2.1检测仪表的基本技术指标1.绝对误差检测仪表的指示值X与被测量真值Xt之间存在的差值称为绝对误差Δ表示为：Δ=X－Xt由于真值是无法得到的理论值。实际计算时，可用精确度较高的标准表所测得的标准值X0代替真值Xt，表示为：Δ=X－X0仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误差中最大的绝对误差称为最大绝对误差Δmax。2．基本误差基本误差是一种简化的相对误差，又称引用误差或相对百分误差。定义为：其中：仪表量程=测量上限－测量下限仪表的基本误差表明了仪表在规定的工作条件下测量时，允许出现的最大误差。3．精确度（精度）为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。如0.5级，1.0级，1.5级等。仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号，套入规定的仪表精度等级系列。例如:某台仪表的基本误差为±1.0％，则确认该表的精确度等级符合1.0级。如果某台仪表的基本误差为±1.3％，则该表的精确度等级符合1.5级。例1某台测温仪表的测量范围为－100～700℃，校验该表时测得其最大绝对误差为＋5℃，试确定该仪表的精度等级。解：该仪表的基本误差为：将δ去掉“+”与“%”号，其数值为0.625。由于国家规定的仪表精度等级中没有0.625级，该仪表的误差介于0.5级～1.0级之间，超过了0.5仪表所允许的最大绝对误差，故这台测温仪表的精度等级为1.0级。例2某台测压仪表的测压范围为0～8MPa。根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过±0.05MPa，问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？解：根据工艺要求，仪表的允许基本误差为：去掉“±”和“％”号后，0.625介于0.5～1.0之间。若选精度为1.0级的仪表，其允许的最大绝对误差为±0.08MPa。超过了工艺允许的数值。故：应选择0.5级的表。目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。精度等级数值越小，表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多为0.5级以下。仪表的精度等级一般用符号标志在仪表面板上。如4、灵敏度和分辨率

灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示：其中，S－仪表灵敏度；ΔY－仪表指针位移的距离（或转角）；ΔX－引起ΔY的被测参数变化量。灵敏限表示指针式仪表在量程起点处，能引起仪表指针动作的最小被测参数变化值。对于数字式仪表，则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限。分辨率表示仪表显示值的精细程度。如一台仪表的显示位数为四位，其分辨率便为千分之一。数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为0.1℃，即该表的分辨力为0.1℃。5、变差在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。变差=变差=量程正反行程最大差值×100%∆ymaxyxminxmaxOxxmax造成变差的原因是传动机构间存在的间隙和摩擦力;弹性元件的弹性滞后等。6、响应时间当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。这段时间称为响应时间。响应时间的计算：从输入一个阶跃信号开始，到仪表的输出信号（即指示值）变化到新稳态值的95％所用的时间。即下图中的tpttxytp0以上是检测仪表常用的性能指标。2.2温度检测及仪表温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。2.2.1温度检测方法一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。有接触式测温和非接触式测温。接触式测温——通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。非接触式测温——通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。接触式测温仪表有：1、膨胀式温度计，是指基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的温度计，他有液体和固体两种。液体膨胀式温度计，利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。固体膨胀式温度计，用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。双金属片常用来做温度报警或控制如图是一双金属温控器。双金属片双金属片调节螺钉绝缘柱继电器随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。2、压力式温度计压力式温度计是利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。原理:封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大，使弹簧管变形，连杆机构带动指针指示温度。如下图就是一个压力式温度计的结构图。3、热电偶温度计利用物体的热电性质测温。4、热电阻温度计利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。5、半导体温度计利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性，通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。非接触式测温的具体方法有：1、辐射式温度计通过测量物体热辐射功率来测量温度。2、红外式温度计通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。2.2.2热电偶热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV）。特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量500～1600℃之间的温度。2.2.2.1热电偶的测温原理将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。1、接触电势当不同导体A、B接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。其大小取决于两种材料的种类和接触点的温度。，—自由电子密度；e—单位电荷2、温差电势对于同一金属A（或B），其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为温差电势。热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。3、回路总电势热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成：据此可以得出基本结论：对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。当冷端温度固定时，E（t，t0）是热端温度t的单值函数。上式无法实用，实际中用实测标定热电势。镍铬—镍硅热电偶分度表（简表）分度号Kt0=0℃，E/mV/℃0010203040506070809000.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.63213.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26941.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.05948.462120048.82849.19249.55549.91650.27650.63350.99051.34451.69752.049130052.398

2.2.2.2热电偶的基本定律据可导出：1、均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何，以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。因此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成。但其截面和长度不限。2、中间导体定律在热电偶回路中接入另一种中间导体后，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响。设将热电偶AB一端打开，接入第三种导体C：有（1）当时，有即代入（1）式，则由中间导体定律可知：热电偶在使用时，只要接入第三种导体的两个连接点温度相等，它的接入对回路电势毫无影响。这一结论可以推广至接入多种导体。因为热电偶在使用时，必须将热电偶回路打开，接入测量仪表，即插入多种导体。3、中间温度定律一支热电偶在两接点温度为t、t0时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t、0和0、t0时的热电势之代数和。即据此，只要给出冷端为0℃时的热电势关系，便可求出冷端任意温度时的热电势。totot0mV－－=符合分度表要求ABt0tAB0tAB0t02.2.2.3热电偶的构造热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等。普通型普通型铠装型普通热电偶2.2.2.4热电偶类型理论上任何两种导体或半导体都可以组成热电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电势分度表。几种常用的标准型热电偶简介热电偶名称分度号测温范围（℃）平均灵敏度特点铂铑30—铂铑6B0～+180010μV/℃稳定性好,精度高,可在氧化气氛使用铂铑10—铂S0～+160010μV/℃同上，线性度优于B镍铬—镍硅K0～+100040μV/℃价廉,，可在氧化及中性气氛中使用镍铬—康铜E-200～+90080μV/℃灵敏,价廉,可在氧化及弱还原气氛中使用铜—康铜T-200～+40050μV/℃价廉,但铜易氧化,常用于150℃以下温度测量不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特性关系不同。铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵，但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量1100℃镍铬－镍硅（K）线性度最好镍铬－康铜（E）灵敏度最高铜－康铜（T）价格最便宜2.2.2.5热电偶冷端温度补偿热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。所以使用时，需保持热电偶冷端温度恒定。但热电偶的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的替代品来延长热电偶，称为补偿导线。ttot0mV补偿导线补偿导线热偶根据中间温度定律，补偿导线和热电偶相连后，其总的热电势等于两支热电偶产生的热电势的代数和。E(t,t0)=E偶(t,tn)＋E补(tn,t0)用补偿导线延长热电偶的必须条件是：补偿导线的热电特性在低温段与所配热电偶相同。因此，不同的热电偶配不同的补偿导线。常用热电偶的补偿导线见表2.2。使用补偿导线只是将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方，而标准热电势要求冷端温度为零度，为此还要采取进一步的补偿措施。1．查表法（计算法）如果某介质的温度为t，用热电偶进行测量，其冷端温度为t0，测得的热电势为EAB（t,t0）。根据中间温度定律，有EAB（t,0）＝EAB（t,t0）＋EAB（t0,0）得出标准热电势EAB（t,0），再查分度表就可得出被测温度。例用K型(镍铬—镍硅)热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t0）＝36.122mV，而自由端的温度t0＝30℃，求被测的实际温度。解由分度表可以查得E（30，0）＝1.203mV则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对应的温度为900℃计算法适用于实验或临时测温。2、仪表零点调整法如果热电偶冷端温度比较稳定，与之相接的显示仪表又可以调整零点，那么在测试前，将仪表指针就调整到冷端温度处，再开始测量。此法比较简单，但由于冷端温度（室温）也有波动，所以只能在测温要求不太高的场合下应用。3、冰浴法把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中，然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持冷端为0℃4、补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。E(t,t0E(t,t0)E(t0,0)E(t,0)电桥补偿导线E(t,0)E(t,t0)E(t0E(t,0)E(t,t0)E(t0,0)＋－利用半导体PN結电压随温度升高而降低的特性自动补偿热电偶的冷端温度引起的误差。图中半导体三极管基极结电压Vbe随温度升高而降低。将Vbe放大后即可输出。只要保持三极管集电极电流Ic恒定，冷端补偿电压e0即与冷端温度成正比。2.2.3热电阻对于500℃以下的中、低温，热电偶输出的热电势很小，容易受到干扰而测不准。一般使用热电阻温度计来进行中低温度的测量。热电阻有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。2.2.3.1金属热电阻金属热电阻测温精度高。大多数金属电阻阻值随温度升高而增大。具有正温度系数。温度系数作为工业用热电阻的材料要求：(1)电阻温度系数大，电阻率大；(2)在测温范围内物理化学性能稳定；(3)温度特性的线性度好。工业中用得最多的是铂电阻和铜电阻，也有镍电阻、铟电阻、锰电阻及碳电阻等用于低温及超低温测量。1.铂电阻铂材料容易提纯，其化学、物理性能稳定；测温复现性好、精度高。被国际电工委员会规定为-259~+630℃间的基准器，但线性度稍差，常用于-200~+600℃温度测量。电阻温度关系：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3](-200~0℃Rt=R0(1+At+Bt2)(0~850℃铂电阻有两种分度号：Pt10,Pt1002.铜电阻铜电阻价格便宜，线性度好，但温度稍高易氧化，常用于-50~+100℃温度测量。铜电阻有两种分度号：Cu50，Cu100。电阻温度关系：Rt=R0(1+at)(-50~150℃)热电阻的结构型式常见有普通型热电阻、铠装热电阻。其结构是：以云母片或石英玻璃柱作骨架，将金属丝用双线法绕在骨架上，以消除电感。此外，还有薄膜型热电阻。普通热电阻结构普通热电阻结构3.热电阻的三线制接法电阻测温信号一般通过电桥转换成电压，如用两线接法接热电阻，接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，而三线接法可以消除此误差。RtRtR3rrR1R2所以，电阻测温信号通过电桥转换成电压时，热电阻必须用三线制接法，以抵消接线电阻随温度变化对电桥的影响。2.2.3.2热敏电阻有些半导体材料的电阻值具有负温度系数，可以作温度传感元件，特点是：(1)电阻率大—电阻体积小，响应快；(2)温度系数大—灵敏度高；(3)非线性严重—影响精度。(4)温度特性分散—互换性差温度温度(℃)1081061041021001601208040电阻(Ω)负温度系数热敏电阻特性2.2.4集成温度传感器集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温集成器件。特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围一般为-50~150℃。集成温度传感器利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：VVBEebcI ,式中:K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。通过对VBE的放大及线性化处理，实现温度信号的线性输出。集成温度传感器按输出信号形式不同，分为电压型、电流型和数字型三类。1、电压输出型电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。常见的有LM135系列。2、电流输出型电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。最典型的是美国模拟器件公司生产的AD590。AD590是单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：(1)流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文），即：IT=TIT—流过器件的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。(2)测温范围为-55℃～+(3)电源电压范围为4V～30V(4)输出电阻为710MW3、数字输出型最典型的数字输出型集成温度传感器是DS1820。其外形如一只三极管，三个引脚分别是电源、地、数据线，测温范围为-55℃～+125℃，分辨率为0.5℃。2.2.5温度显示与记录热电偶、热电阻等传感元件的测温信号必须经后级仪表处理，将温度显示出来或记录保存。2.2.5.1动圈式指示仪表动圈式指示仪表可分别与热电偶、热电阻配套指示温度，是最简单的模拟指示仪表。动圈式仪表的驱动部件是动圈测量机构，其本质是一个磁电式毫安表。信号电流流过动圈时，动圈受磁场力作用而偏转，带动指针偏转。同时张丝被扭转产生反作用力矩，当与磁场力矩平衡时，动圈就停留在某一位置上，指针指示出被测参数值。动圈测量机构原理图动圈测量机构配接不同的测温元件时电路有所不同2.2.5.2数字式指示仪表数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图如下：检测变送寄存器模/数转换脉冲计数脉冲信号数字译码器显示器例：配热电偶的数字式测温仪表原理框图标准电势经过滤波，放大和线性化处理后，再经过相应的标度变换，就能够得到实测数据。2.2.5.3自动记录仪表自动记录仪能实时记录被测参数。记录的方式有纸记录和无纸记录两类。1.自动平衡电桥式记录仪配接热电阻的测温记录仪。利用电桥的平衡动作进行测量记录。RRpRtR3r自动平衡电桥原理图R0R2R1平衡电桥测温原理Rt是测温电阻，Rp是滑线电阻，触点B由电机带动可左右移动，电机由电桥的不平衡电压驱动。到达平衡点时，电桥输出为零，电机停止。B的位置可以反映∆Rt，即反映了温度的变化；触点位移与∆Rt呈比例关系。电桥测温关系当被测温度为下限时，Rt有最小值Rt0，滑动触点应在Rp的左端，此时电桥平衡，条件是:R2R4＝R3（Rt0+Rp）被测温度升高时，电桥不平衡输出驱动电机，带动触点向右移动，直至新的平衡点:R2(R4+r1)＝R3(Rt0+∆Rt+Rp-r1)两式相减得：2.自动电位差计式记录仪自动电位差计式记录仪是配接热电偶的测温记录仪。和自动平衡电桥式记录仪相比，放大、驱动、走纸机构都相同，仅测量电路不同。图2.23中，测量电桥产生不平衡电压与热电偶，输出相平衡。同时为了冷端补偿，将R2换成铜电阻，和热电偶的冷端置于同一温度下。当冷端温度升高时，设计使电压VR2的增加量恰好弥补热电势的减少值VVR2=E(t0,0)E(t,t0) 数字式记录仪表形式多样，内装CPU，无纸记录被测参数。可实时显示，也可随时调出历史曲线。可多通道记录2.2.6温度变送器检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出。模拟控制系统的信号标准是：Ⅱ型：0~10mA、0～10VⅢ型：4～20mA、1～5V数字控制系统的信号标准有：FF协议、HART协议等2.2.6.1模拟式温度变送器模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但结构基本相同。温度变送器原理框图+温度变送器原理框图+-电量传感元件被测温度输入电路放大电路反馈电路输出电流输出电路以DDZ-III型热电偶温度变送器为例：EEt放大电路电源输入电路输出电路电路原理分析：1．输入电路热电偶温度变送器的输入电路主要是在热电偶回路中串接一个电桥。在电桥中实现热电偶的冷端补偿和测量零点的调整。Ei=Et+VRcu－VR4EEi零点调整温度补偿EEi=Et+VRcu－VR4=Et+∆VRcut0+VRcu0－VR4标准热电势零点调整冷端补偿设计：∆VRcut0=E(t0,0)调R4实现量程调整。VRcu0－0℃时Rcu∆VRcut0－t0℃时Rcu2、放大电路热电偶输出的热电势为毫伏信号，而测量现场很容易引入干扰，因此放大电路必须是高增益低漂移的运放，深度反馈，同时还要采取抗干扰措施。例如用热电偶测量电炉温度时，放大电路要浮空。耐火砖的漏电阻、漏电容耐火砖的漏电阻、漏电容eAB如果不接地，则eab=03、反馈电路在反馈电路中需要完成量程调整和非线性校正两个功能。量程调整实质上是调整放大电路的闭环放大倍数，通过调节反馈电阻的大小就可实现。而非线性校正则需要一个校正网络来实现。IIoEt-Et热电偶被测温度T输入电路放大电路非线性反馈输出电流loTIoVfT+ 4，供电电源变送器的供电电源是+24V。为了提高变送器的抗共模干扰能力和安全防爆，放大器需要在电路上与电源隔离。24V直流电源经调制解调后，供电路使用。近年来，已推出小型固态化温度变送器和一体化温度变送器，它将传感元件与测量电路一体化，电路高度集成，自带冷端补偿功能，24VDC供电。2.3压力检测及仪表压力是工业生产中的重要工艺参数之一。如在化工、炼油等生产工艺中，经常会遇到高压、超高压和真空度（负压）的测量。2.3.1压力检测的方法工程上习惯把垂直作用于作用单位面积上的力称为“压力”。即P=F/SSSF压力的单位是“帕斯卡”——1Pa=1N/m21MPa=106Pa1工程大气压=1kg/cm2=9.80665×104Pa≈0.1MPapp被测压力1工程中压力的表示方式有：表压、负压（真空度）、差压、绝对压力。工业中所用仪表的压力指示值，大多数为表压和差压。p被测压力2表压p被测压力2的关系：p表压=p绝对压力—p大气压力p真空镀=p大气压力—p绝对压力p差压=p被测压力1—p被测压力2压力测量仪表品种很多，按照其转换原理的不同，大致可分为四大类。1、液柱式压力计利用液体静力学原理测压，如U型管压力计，当被测压力P大于大气压力B时，液柱会产生高度差。2、弹性式压力计将被测压力转换成弹性元件的变形位移后测量位移，如弹簧管压力表。3．电气式压力计通过传感元件及电路，将被测压力转换成电量输出或指示，如电容式压力变送器。4．活塞式压力计根据液体均匀传递压力的原理，将被测压力与活塞上所加的砝码质量进行平衡来测量压力，它的测量精度很高，主要用于压力表的检定。2.3.2弹性式压力计利用弹性元件受压产生变形可以测量压力。由于其产生的位移或力易转化为电量，且构造简单，价格便宜，测压范围宽，被广泛使用。常用的弹性元件有5种：1）单圈弹簧管将截面为椭圆形的金属空心管弯成270°圆弧形，顶端封口，当通入压力p后，它的自由端就会产生位移。单圈弹簧管测压范围较宽，可高达1000MPa。2）多圈弹簧管为了在测低压时增加位移，可以将弹簧管制成多圈状。3）膜片用金属或非金属材料做成的具有弹性的圆片（有平膜片和波纹膜片）。在压力作用下，其中心产生变形位移。可测低压。4）膜盒将两张金属膜片沿周口对焊，内充硅油。使膜片增加强度。5)波纹管位移最大，可测微压（＜1MPa)。1）单圈弹簧管2）多圈弹簧管3）膜片4）膜盒5)波纹管2.3.2.2弹簧管压力表弹簧管压力表的品种规格繁多。按其用途不同，有普通弹簧管压力表、耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。它们的外形与结构基本相同，只是所用的弹簧管材料有所不同。弹簧管压力表的结构原理1-弹簧管2-拉杆3-扇形齿轮4-中心齿轮5-指针6–面板7–游丝8–调整螺钉9–接头弹簧管是一根弯成270°圆弧的椭圆截面的空心金属管，管子的自由端B封闭，并连接拉杆及扇形齿轮，带动中心齿轮及指针。2.3.3电气式压力计电气式压力计是指将压力转换成电信号进行显示的仪表。电气式压力变送器是指将压力转换成标准电信号输出的仪表。电气式压力计一般由压力传感元件、测量电路和信号处理电路所组成。信号输出信号输出电量被测压力传感元件测量线路显示器2.3.3.1电容式差压（压力）变送器电容式差压变送器是20世纪70年代初由美国公司研发。结构简单、过载能力强、可靠性好、精度高、体积小。一个被测压力是大气压时，就成为压力变送器。电容式差压变送器先将差压的变化转换为电容量的变化，然后用电路测电容。输出信号范围是DC4～20mA。如图是利用测电容充放电流的转换电路。正弦波电压E加于差动电容C1、C2上，因R1～R4的阻抗比C1、C2的阻抗小得多，流过C1、C2的半周期电流有效值近似为：V4V1V2V4V1V2要测I1、I2的变化，可间接测R1、R2上的压降。令V1、V2、V4分别为R1、R2、R4上的压降，则：：：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4、R1=R2=R4因 即当V4=I0R4不变时，测出V2－V1，可得∆P。在实际测量中，差动电容Cl、C2变化会引起电流I0变化，若要保持V4不变，必须设监控电路。通过监测V4自动调节E的幅度，使V4保持恒定。2.3.3.2应变式压力传感器应变式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片（金属丝或金属箔）和半导体应变片两类。如金属丝应变片的结构：纵向R=纵向R=ρL/S电阻应变原理：当应变片产生纵向拉伸变形时，L变大、S变小，其阻值增加；当应变片产生纵向压缩变形时，S变大、L变小，其阻值减小。应变片电阻的变化可用电桥测出。r1和r2的变化，使桥路失去平衡，有不平衡电压ΔU输出。r1、r2设置在相邻桥臂构成半桥，既可以提高灵敏度，又有温度补偿作用。温度升高引起的r1、r2阻值升高部分，压降相减。－＋－＋应变片r1应变片r1应变片r应变片r22.3.3.3压阻式压力传感器利用半导体的压阻效应将压力转换为电信号。压阻效应——受压时电阻率发生变化。2.3.3.4压电式压力传感器利用某些材料的压电效应原理制成。具有这种效应的材料如压电陶瓷、压电晶体称为压电材料。压电效应：压电材料在一定方向受外力作用产生形变时，内部将产生极化现象，在其表面上产生电荷。当去掉外力时，又重新返回不带电的状态。这种机械能转变成电能的现象，称之为压电效应。2.3.4智能式差压变送器智能式差压变送器内部电路装有CPU芯片，有很强的数字处理能力。除检测功能外，还具有静压补偿、计算、显示、报警、控制、诊断等功能。与智能式执行器配合使用，可就地构成控制回路，并随时与上位机通讯。2.3.4.13051CHART变送器3051型差压变送器是美国罗斯蒙特公司的一种智能型两线制变送器，有电容式和压电式两种。图2.44是3051C电容式变送器的原理框图。传感器部分与模拟仪表一样，测量信号经A／D转换后送微处理器处理。输出符合HART协议的数字信号叠加在4～20mA的输出信号线上。3051型差压变送器可同时用于数字控制系统和模拟控制系统。将数据设定器跨接在信号线上，可以读取变送器的输出信号，并对变送器进行组态。2.4流量检测及仪表流量是生产控制及经济核算中的重要检测参数。2.4.1流量的基本概念流量指单位时间内流过某一截面的流体数量。即瞬时流量。表示方法有：质量流量Qm（t/h、kg/h、kg/s）体积流量Qv（m3/h、L/h、L/min）二者的关系：Qm=ρQvρ—流体的密度总量指一定时间内流过某截面的流体流量的总和。即累计流量。以t表示时间，则总量和流量之间的关系是：流量计的种类繁多，若按测量原理分，流量计可分为：节流式流量计速度式流量计容积式流量计电磁式流量计·········2.4.2差压式流量计差压式（也称节流式）流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。显示仪表显示仪表Q差压变送器节流装置＋Q差压变送器节流装置＋节流现象流体在流过节流件时，在节流件前后的静压产生差异的现象称为节流现象。节流件是能使管道中的流体产生局部收缩的元件，节流件和取压装置组装成节流装置。QP2P1QP2P1差压式流量计常用的标准节流件是孔板，其次是喷嘴、文丘里管等。标准节流装置取压方法有角接取压法和法兰取压法两类。角接取压法是在孔板前后端面处环室取压或钻孔取压；法兰取压法是在孔板前后一定距离处取压。角接取压1—管道法兰角接取压1—管道法兰2—环室3—孔板4—夹紧环2.4.3转子流量计在工业生产中经常遇到小流量的测量，因流体的流速低，要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。差压式流量计对管径小于50mm、低雷诺数的流体的测量精度是不高的。而转子流量计则特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。工作原理：转子流量计与差压式流量计一样都是利用节流原理测流量。当流体自下而上流过锥形管时，管中的转子受到向上的推力，使转子浮起。当此力正好等于转子重力时，作用在转子上的上下两个力平衡，转子停浮在一定的高度上。流量增大时，作用在转子上的向上的推力就加大，转子上移。随着转子上移，流体的流通面积增大，流过此环隙的流体流速变慢，推力减小。当转子受到的向上的推力再次等于转子在流体中的重力时，转子又稳定在一个新的高度上。因此，流量越大，转子停浮位置越高。在锥形管的高度坐标上标度对应的流量值。那么根据转子平衡位置的高低就可以读出流量的大小。这就是转子流量计测量流量的基本原理。转子位置信号的输出1、锥形管是玻璃的，直接目视转子的位置。2、在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，接通显示电路。3、在转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平分量和垂直分量，可确定转子位置。4、在转子上方安装一导磁棒，使差动变压器输出随转子位置变化。2.4.5椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计是利用两个相互啮合的椭圆形齿轮在流体的推动下，连续转动来测流量的。当流体要流过椭圆齿轮时，进口侧压力p1大于出口侧压力p2，在此压力差的作用下，产生作用力矩使椭圆齿轮转动。此图表示椭圆齿轮转动了1/4周的情况，其排出的流体为一个半月形容积V0。所以，椭圆齿轮每转一周所排出的被测介质量为半月形容积的4倍。故通过椭圆齿轮流量计的体积流量Q为：Q=4nV0n—齿轮转速如果累计齿轮转速，则得到体积总量。2.4.6涡轮流量计在测量管道内，安装一个可以自由转动的涡轮，当流体通过时，流体的动能使涡轮旋转。流体的流速越大，涡轮转速也就越高。因此，测出涡轮的转速或转数，就可确定流过管道的流体流量或总量。日常生活中使用的某些自来水表、油量计等，都是利用这种原理制成的，都属于速度式仪表。2.4.7电磁流量计在流量测量中，当被测介质是具有导电性的液体介质时，可以用电磁感应的方法来测量流量。工作原理：在管道两侧安放磁铁，流动的液体当作切割磁力线的导体，产生的感应电动势与流体的流速成正比关系。当磁感应强度B不变、管道直径一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E的大小仅与流体的流v速有关。感应电势的方向由右手定则判断，其大小为：E=BDv当BD一定时，感应电势E与流速v成正比。式中：Ex—感应电势；B—磁感应强度；D—管道直径；v—流体速度。体积流量Q与流速v的关系为：QQvD而,得感应电势E与Q成正比关系式中称为仪表常数上式为满管式流量测量。对于非满管式流量测量,应加测液位,然后根据实际截面积计算流量。2.5物位检测及仪表物位测量在工业生产中具有重要的地位。例如蒸汽锅炉运行时，如果汽包水位过低或过高，都会危及锅炉安全，造成严重事故。2.5.1概述物位的含义包括：液位：容器中液体的储存高度料位：容器中粉料的堆积高度界位：容器中不同密度液体的分界面高度物位测量仪表可分为下列几种类型:1）静压式液位测量利用液体对某定点的压力，随液位高度而变化的原理进行测量。一般只测液位。2）浮力式液位测量利用浮子所受的浮力随液位高度而变化的原理工作。3）电气式物位测量利用电容、电阻或电感作敏感元件，将物位转换为电量。4）核辐射式物位测量利用核辐射线穿透物料时，其透射强度随物质层的厚度而变化的原理测量物位。5）声学式物位测量根据超声波在物质中的传播时间测出物位。6）光学式物位测量利用光波在传播中遇不同物质的界面时会发生遮断和反射的现象测量物位。2.5.2差压式液位变送器利用测量容器底部和顶部的压差测液位。2.5.2.1测量原理设容器上部空间为干燥气体，其压力为p2，下部取压点压力为p1，则：式中：H—液位高度；r—介质密度；g—重力加速度。pp2p1p1若被测容器是敞口的，气相压力为大气压，则可将差压变送器的低压室通大气、或用压力变送器、或用压力表即可测量。因为压力变送器和压力表都是测量与大气压之差。2.5.2.2零点迁移理想测量条件下，液位H=0时，变送器的输入压差信号∆P=0，变送器的输出为零点信号4mA。即零点对齐：H＝0时，Δp=Hrg=0，I0=4mA应用时，由于差压变送器安装的实际情况限制，测量零点很难对齐，需要对差压变送器的零点进行迁移。1）负迁移例如，变送器和容器之间用隔离罐隔离时：当H=0时：此时，理论上变送器应输出在4mA以下，但不可能实现。需要将零点负迁移。p1p1p2零点迁移的方法是，另加＋(h2-h1)r2g信号，抵消－(h2-h1)r2g的影响。使：H=0时，Δp=02、正迁移例如，变送器安装在容器底部以下时：∆P=Hρg＋hρgH=0时，∆P=＋hρg此时需要迁移＋hρg迁移的目的：使变送器输出的起点与被测量起点对齐。迁移同时改变了测量范围的上下限，相当于测量范围向正方向或负方向的平移。例如，某差压变送器的测量范围为0～50MPa，对应输出从4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如曲线a所示。若因安装的原因造成：无迁移负迁移H=0时，∆P=－10MPa，无迁移负迁移I0/mAI0/mA20H=0时，∆P=10MPa，20则需正迁移。baba正迁移c正迁移c44+10∆P/MPa050+10∆P/MPa050-102.5.3电容式物位变送器利用电容器的极板之间介质变化时，电容量也相应变化的原理测物位。可测量液位、料位和两种不同液体的分界面。LDdLDd圆柱形电容器的电容量为ε为介电系数H=0时：DDε0—空气的介电系数；ε—被测物料的介电系数H＞0时：LDLDdε0εH电容的变化量与液位成正比。DD2.5.3.1液位的检测对非导电介质液位的测量，用双电极式。对导电介质液位测量，用单电极式，电极用绝缘套绝缘，金属容器的外壁即是电容的外电极。2.5.3.2料位的检测（也用单电极式）。εε0εε2.5.4超声波液位计利用超声波在液体中传播有较好的方向性、能量损失较少、且遇到分界面时能反射的特性，用回声测距的原理，测定超声波发射后遇液面反射回来的时间，以确定液面的高度。v—超声波在液体中的传播速度若速度v为已知常数，测出时间t，便可算出液面高度H。测料位时，超声波物位计安装在容器顶部。2.6成分检测及仪表所谓成分，是指在多种物质的混合物中，某一种物质所占的比例。在生产中经常需要在线检测物料的成分。例如在锅炉的燃烧控制中，必须随时根据燃烧烟气的含氧量变化，调节助燃空气的供给量，以获得最高的热效率。成分检测项目繁杂，测量原理差异很大。此处只介绍几种在过程控制中常用的成分检测仪表。2.6.1氧化锆氧量计氧化锆氧量计广泛用于锅炉和窑炉的烟气含氧量测量及内燃机尾气的含氧量测量，以控制燃烧效率。为减少排放污染，我国从2000年起要求汽车发动机的电子控制燃油喷射装置中必须安装氧传感器。2.6.1.1工作原理氧化锆（ZrO2）粉末中掺入一定比例的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3）粉末，压制成一端封闭或两端都不封闭的管状体。CaOZrO2“CaOZrO2在固态电解质氧化锆（ZrO2）中掺入一定比例的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3）。四价的锆被二价的钙或三价的钇置换时，形成氧离子空穴。在氧化锆两侧各烧结一层多孔的铂电极，就构成氧浓差电池。氧化锆外侧为被测烟气，氧含量约为4~6％，其氧分压为P1，氧浓度为φ1；内侧为参比气体—空气，氧含量为20.8％，其氧分压为P2，氧浓度为φ2。当温度达600℃以上时，空穴型氧化锆就成为良好的氧离子导体。氧气能够以离子形式从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散。氧分子从铂电极处取得电子，成为氧离子进入氧化锆空穴，高氧侧铂电极因失去电子而带正电。O2+4e→2O2-还原反应当氧离子通过氧化锆到达低氧侧时，氧离子将电子还给铂电极变成氧分子进入烟气，低氧侧铂电极因得到电子而带负电。2O2-→O2+4e氧化反应根据Nernst方程，氧浓差电势E可以表示为： 式中：R—气体常数；F—法拉弟常数；n—一个氧分子携带电子数（n＝4）；T—气体绝对温度；P1、P2—被测气体与参比气体的氧分压。由于在混合气体中，某气体组的分压力和总压力之比与容积成分（即浓度）成正比，有：代入Nernst方程：可见，氧浓差电势E与烟气含氧量Φ1呈非线性关系。关系稳定的必要条件是：1）、温度T恒定在600℃如果温度不够，可在氧化锆探头内装加热器。2）、空气的氧含量恒定。如果通风不好，可在探头空气口安装空气泵，以保证探头内空气新鲜，含量等于20.8％。3）、参比气体与被测气体压力相等。公式中才能用浓度来代替氧分压。2.6.1.2传感器结构1、抽吸定温式氧化锆探头带有加热装置和测温元件。将被测气体加热到定值温度，以便准确测量。2、直插补偿式如果被测气体温度达600℃以上，则探头内不设加热装置，探头直接安装在烟道内。但要装测温元件，测被测气体温度，以便在后级电路中对温度变化进行补偿。随着技术发展，浓差电池型氧传感器探头结构不断改进，尺寸不断减小。除了常见的圆柱式探头结构外，还出现了板式结构、厚膜结构、微型结构等。2.6.2气相色谱分析仪利用色谱分析法测定混合气体的组分。广泛应用于石油、化工、电力、医药、食品等行业。色谱分析法是近年来迅速发展的一种分离分析技术，其特点是分离能力强，分析灵敏度高、速度快和样品用量少。例如分析石油产品时，一次可分离分析一百多种组分；在分析超纯气体时，可鉴定出1ppm（ppm为浓度单位，表示百万分之—），甚至0.1ppb（ppb表示十亿分之一）的组分。2.6.2.1色谱分析原理移动相移动相 固定相植物色素被分离成各构成基色的谱带再倒入纯石油醚帮助它自由流下把溶有植物色素的石油醚倒入装有碳酸钙吸附剂的竖直玻璃管中固定相植物色素被分离成各构成基色的谱带再倒入纯石油醚帮助它自由流下把溶有植物色素的石油醚倒入装有碳酸钙吸附剂的竖直玻璃管中 这种分离分析方法被称为色层分析法或色谱分析法。凡移动相是液态的称为液相色谱，移动相是气态的称为气相色谱。随着检测技术的发展，分离的组分分析不再限于用肉眼观察颜色，色谱分析法被扩展到无色物质的分离，所以“色谱”这个名字渐渐失去了它原来的含义，但仍使用“色谱分析仪”这个历史名称。实用的气相色谱仪由色谱柱、检测器及载气、采样等辅助装置组成。色谱柱：一般的色谱柱，是在直径约3~6mm、长约1～4m的玻璃或金属细管中填装固体吸附剂颗粒构成，称为固定相。常用的固体吸附剂有氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等。载气和样气称为移动相。常用用氢、氮或空气等气体作“载气”，运载被分析样气通过固定相。分离过程：设样气中有A、B、C三种不同的组分。样气脉冲式输入后，在载气的推动下通过色谱柱。样气穿过吸附剂时，吸附力小的组分前进速度快，C、B、A各组分渐渐被分离，依次从色谱柱流出。样气中的三种组分经色谱柱分离后依次进入检测器。检测器的纪录曲线称为色谱图，图上三个峰的面积（或高度）分别代表相应组分的浓度。2.6.2.2检测器检测器是气体分析仪对分离的组分进行定量测定的传感器。从理论上说，各组分与载气的任何物理或化学性质的差别都可作为检测的依据。目前使用最多的是热导式检测器和氢火焰电离检测器。1）热导式检测器结构图2）氢火焰电离检测器结构图例：热导式检测器的工作原理根据不同种类的气体具有不同的热传导能力的特性来检测气体的组分和含量。下表列出在0℃时，以空气导热系数为基准的一些气体的相对导热系数值。例如，氢和氦的导热能力相同，但和二氧化硫的导热能力差异很大。热导式检测器由热导池和检测电桥构成。热导池是用铜块或不锈钢做成的均匀导热体。内设测量室和参比室，四根铂丝电阻被置于其中，R1、R3装在测量室，R2、R4装在参比室。纯载气纯载气样样气热电阻通电后产生的热量只能通过周围气体传至热导池四壁，再通过铜璧向外传导。铜块导热能力很均匀，测量室和参比室的温度差异只能是由被测气体和参比气体的导热能力不同造成。当色谱柱出来的载气中不含样气组分时，两个测量室内的气体都是载气，四个热电阻的散热条件相同，温度相同，则电阻值也相同。当色谱柱出来的载气中含有样气分离组分时，流过测量室的气体的导热系数发生变化，电阻R1、R3的散热条件变化，温度变化，电阻值也变化。将热电阻R1、R3和R2、R4构成测量电桥。当色谱柱出来的载气不含样气分离组分时，调节R0使电桥平衡：V0=0当色谱柱出来的载气中含有样气分离组分时，电桥失去平衡：V0>0载气中分离组分浓度越大，电桥输出信号就越大，经放大后记录的色谱峰值就越高。2.6.2.3载气及进样装置从色谱柱的分离原理可知，被分析的样气应该是脉冲式的定量输入。进样的间隔周期应足够长，以保证各组分从色谱柱流出时不重叠。六通切换阀有“取样”和“分析”两种位置，受定时装置控制。当切换阀在“取样”位置时，阀内气路按红线接通。此时：样气经预处理装置通过取样管放空，取样管中充满样气，随时准备被取出分析；同时，减压稳流后的载气经参比室通入色谱柱，再经测量室放空。由于参比室和测量室都是载气，检测电桥输出为零。当切换阀转到“分析”位置，阀内蓝线气路导通。此时，载气推动留在定量取样管中的样气进入色谱柱。各组分在载气的推动下逐渐分离，先后通过检测器的测量室。由于测量室与参比室中气体导热系数的差别，检测器输出色谱图。2.6.3红外线气体分析仪根据不同的物质对不同波长的红外线具有选择性吸收的特征工作。可测量CO、CO2、甲烷、乙炔、乙醇、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷等组分的含量。红外线气体分析仪应用广泛，可以分析气体，也可分析溶液，且灵敏度较高，反应迅速。2.6.4工业酸度计工业生产中，经常需要测量水溶液的酸碱度。溶液的酸碱度通常用pH值表示，它是溶液中氢离子浓度[H+]的常用对数的负值，即pH=-lg[H+]酸度（pH值）的测量，就是溶液中[H+]浓度的测量。测量方法采用电化学中的电位测量法。如图所示，在被测溶液中设置两个电极，一个称为测量电极、另一个称为参比电极。EE内E外测量电极参比电极图2.73原电池示意图测量电极的电位随被测溶液中的氢离子浓度的改变而变化，但参比电极具有固定的电位。这两个电极构成一个原电池（化学电源），其原理是将化学反应能量转化为电能。其电动势的大小与氢离子浓度呈单值关系，测出原电池的电动势即可测出溶液的PH值。本章小结：了解检测仪表的基本技术指标，热电偶、热电阻的工作原理，弹性式压力计、电气式压力计的工作原理，流量、物位、成分检测原及仪表。下课啦，咱们来听个小故事吧:活动目的：教育学生懂得“水”这一宝贵资源对于我们来说是极为珍贵的，每个人都要保护它，做到节约每一滴水，造福子孙万代。

活动过程：

1.主持人上场，神秘地说：“我让大家猜个谜语，你们愿意吗？”大家回答：“愿意！”

主持人口述谜语：

“双手抓不起，一刀劈不开，

煮饭和洗衣，都要请它来。”

主持人问：“谁知道这是什么？”生答：“水！”

一生戴上水的头饰上场说：“我就是同学们猜到的水。听大家说，我的用处可大了，是真的吗？”

主持人：我宣布：“水”是万物之源主题班会现在开始。

水说：“同学们，你们知道我有多重要吗？”齐答：“知道。”

甲：如果没有水，我们人类就无法生存。

小熊说：我们动物可喜欢你了，没有水我们会死掉的。

花说：我们花草树木更喜欢和你做朋友，没有水，我们早就枯死了，就不能为美化环境做贡献了。

主持人：下面请听快板《水的用处真叫大》

竹板一敲来说话，水的用处真叫大；

洗衣服，洗碗筷，洗脸洗手又洗脚，

煮饭洗菜又沏茶，生活处处离不开它。

栽小树，种庄稼，农民伯伯把它夸；

鱼儿河马大对虾，日日夜夜不离它；

采煤发电要靠它，京城美化更要它。

主持人：同学们，听完了这个快板，你们说水的用处大不大？

甲说：看了他们的快板表演，我知道日常生活种离不了水。

乙说：看了表演后，我知道水对庄稼、植物是非常重要的。

丙说：我还知道水对美化城市起很大作用。

2.主持人：水有这么多用处，你们该怎样做呢？

（1）（生）：我要节约用水，保护水源。

（2）（生）：我以前把水壶剩的水随便就到掉很不对，以后我一定把喝剩下的水倒在盆里洗手用。

（3）（生）：前几天，我看到了学校电视里转播的“水日谈水”的节目，很受教育，同学们看得可认真了，知道了我们北京是个缺水城市，我们再不能浪费水了。

（4）（生）：我要用洗脚水冲厕所。

3.主持人：大家谈得都很好，下