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第4章参数检测技术 1 第4章参数检测技术 温度检测 压力检测 物位检测 流量检测 1 2 3 4 机械量检测 5 2 4 1温度检测 测温方法及温标热电偶金属热电阻温敏电阻 PTC NTC 集成温度传感器其他测温方法 3 4 1温度检测 测温方法及温标 4 4 1温度检测 测温方法及温标 华氏温度 tF F摄氏温度 tC C开尔文 T K 5 4 1温度检测 热电偶 6 热电偶传感器 热电偶工作原理热电现象 两种不同材料导线在连接处形成节 如将这两个节分别置于不同的温度下 T0和T1 便会在回路中形成电流 热电势分为接触电势和温差电势接触电势 不同材料电子浓度不同 在节点处发生扩散导致电势设 导体A B的电子浓度分别为NA NB 则 其中 K为波尔兹曼常数 T为结点所处温度若NA NB 则eAB T 0 反之亦然 故 电子浓度高的材料电位高 温差电势 同一种金属导体 由于二头的温度不同 电子从高温段向低温段扩散 高温处带正电 汤姆逊系数 A与T0 T有关 表示导体两端单位温度差时产生的电势 若T T0 则eAB T 0 反之亦然 7 热电偶传感器 回路总电势讨论 热电偶的材料相同时 接触电势不存在 温差电势相互抵消 EAB T T0 0 热电偶的两个节点所处的温度相同时 温差电势不存在 接触电势相互抵消 EAB T T0 0所以形成热电势的两个必要条件 两种导体的材料不同 节点所处的温度不同 8 热电偶传感器 热电偶基本定律 均质导体定律 热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成 中间导体定律 在热电偶测温回路内 接入第三种导体时 只要第三种导体的两端温度相同 则对回路的总热电势没有影响 即热电偶接过渡 中间 导体 传感器引出 时 总回路电势不变 测量引线 中间温度定律 在热电偶测温回路中 tc为热电极上某一点的温度 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 温度补偿 9 热电偶传感器 热电偶材料及类型铂铹 铂热电偶 特点 精度高 1300 C镍铬 镍硅热电偶 特点 线性好 50 1300 C 价格低镍铬 铐铜热电偶 特点 灵敏度高 常温测量 50 500 C 价格低钨铼10 钨铼20热电偶 特点 精度高 测高温 2000 C 成本高 10 工业热电偶结构 热电偶传感器 11 工业热电偶结构 热电偶传感器 12 工业热电偶结构 热电偶传感器 13 工业热电偶结构 热电偶传感器 14 热电偶传感器 热电偶的测量方法冰浴法冷端测量法补偿导线法电位补偿法 15 热电偶传感器 冰浴法 16 热电偶传感器 冷端测量法 查表 17 热电偶传感器 冷端测量法 18 热电偶传感器 补偿导线法 19 热电偶传感器 电位补偿法标准测量时 T 0 C 但实际应用时较难实现 常用方法为电位补偿法 补偿电路置于变化的温度环境 tn 中 调整R使E tn to UA 一般t0 0 C Rt为正温度系数电阻 当tn UA 以补偿U t tn 的下降 20 4 1温度检测 金属热电阻 原理 导体的 随温度T变化 特点 灵敏度低 精度高 宜用于常温和低温测量 对导体材料的要求 理化性能稳定 随T的变化大 线性好 常用 铂 铜 21 4 1温度检测 温敏电阻 PTC NTC 特点 灵敏度高 A系数是金属的10 100倍 响应速度快 非线性大 互换性 稳定性差分类 负温度系数 正温度系数 常用于温度补偿电路中 22 4 1温度检测 集成温度传感器 半导体PN结电压随温度变化 23 4 1温度检测 其他测温方法 辐射测温光纤温度传感器 24 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 4 1温度检测 其他测温方法 25 4 2压力检测 概述弹性式应变式电容式电感式压电式 26 4 2压力检测 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 式中P 为压力 F 为作用力 A 为作用面积 27 4 2压力检测 概述 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 1kgf cm2 0 9807 105Pa 1mmH2O 0 9807 10Pa 1mmHg 1 332 102Pa 1atm 1 01325 105Pa 28 4 2压力检测 概述 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 29 4 2压力检测 弹性式 30 4 2压力检测 应变式 31 4 2压力检测 应变式 32 4 2压力检测 应变式 33 4 2压力检测 电容式 34 4 2压力检测 电容式 35 4 2压力检测 电感式 36 4 2压力检测 电感式 37 4 2压力检测 电感式 38 4 2压力检测 压电式 39 4 2压力检测 压电式 40 4 2压力检测 压电式 41 4 2压力检测 压电式 42 4 3物位检测 物位检测方法和分类静压式浮力式其他物位检测 43 4 3物位检测 物位检测方法和分类 44 4 3物位检测 静压式 45 4 3物位检测 浮力式 46 4 3物位检测 其他物位检测 47 4 3物位检测 其他物位检测 48 4 3物位检测 其他物位检测 49 4 4流量检测 流量检测方法和分类体积流量检测方法质量流量检测方法 50 4 4流量检测 流量检测方法和分类 体积流量质量流量 流量 51 4 4流量检测 体积流量检测方法 52 4 4流量检测 体积流量检测方法 53 4 4流量检测 体积流量检测方法 54 4 4流量检测 体积流量检测方法 55 4 4流量检测 质量流量检测方法 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 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 56 4 5机械量检测 位移检测转速检测加速度与振动检测 57 4 5机械量检测 位移检测 位移测量时 应当根据不同的测量对象 选择适当的测量点 测量方向和测量系统 其中位移传感器选择是否恰当 对测量精确度影响很大 必须特别注意 用于位移测量的传感器很多 因测量范围不同 所用的传感器是不同的 小位移通常用应变式 电感式 差动变压器式 电容式 霍尔式等传感器来检测 精度可达0 5 1 0 其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些 有些可达100m