过控技术第三章

1,第三章过程检测技术3-1测量基本知识一测量的概念1.测量：人类对自然界的客观事物取得“数量概念”的认识过程。2.测量过程：使用专门设备，求出被测未知量的数值。,2,3.应用领域：过程控制、科学实验、日常生活。4.测量目的：准确获取被测对象特征参数的定量信息。5.测量技术反映了一个国家的经济发展和科学技术水平。,3,6.测量的定义：借助仪器设备，把被检测量与相应单位进行比较，求取二者之比值，得到被检测量数值大小的过程。用数学形式描述测量的基本方程式为:,式中:-被检测量的真实数值，简称为真值；-被检测量；u-单位。,4,测量过程三要素：测量单位测量方法测量仪器与设备,5,二测量方法：1测量方法的分类(1)直接测量法：用“被检测量”与单位进行直接比较得到比值；能在仪表上直接读出的“被检测量”的数值。,6,（2）间接测量法在测量中，被检测量不能与标准量直接进行比较，只能通过对与被检测量有函数关系的其他物理量进行测量，再通过计算得到被测量的值。,7,例：测量水泵的轴功率N，是通过可以进行直接测量的转矩M和转速n，然后经过计算得到轴功率N。,KW,8,(3)等精度测量和不等精度测量等精度测量法：在环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法均保持不变情况下，对同一组被检测量进行次数相同的重复测量。利用等精度测量法所得到的每个参数的测量数据，其可靠程度是相同的。,9,不等精度测量法：在测量过程中，测量环境条件不相同，如测量仪器精度、重复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度有变化，所得到的测量结果的可靠程度不同，称不等精度测量法。,10,等精度测量与不等精度测量的适用场合：在进行科学研究或重要的检定工作时，在众多的被检测量中，为了获得其中某几个参数更可靠和精度更高的测量结果才采用不等精度测量法。通常工程技术中，采用的是等精度测量法。,11,(4)接触测量与非接触测量接触测量法：测量时仪表的某一部分(一般为传感器部分)必须接触被测对象(被测介质)。非接触测量法：仪表的任何部分均不与被测对象接触。,12,(5)静态测量与动态测量被测参数不随时间变化或随时间变化非常缓慢，称静态测量。被测参数随时间变化，称为动态测量。动态测量的分析与处理静态测量复杂得多，对测量系统的要求也高得多。,13,三测量仪器与设备测量仪器仪表的组成：传感器、变换器、显示器以及连接各环节组成的传输通道。,14,1.传感器：感受被检测量的变化，信息，并将被检测量转换成相应的电信号输出。传感器是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分。传感器的好坏，直接影响检测仪表的质量。所以它是检测仪表的重要部件。,15,对传感器的要求：（1）准确性传感器的输出信号必须准确地反映被检测量的变化，即：传感器输入输出关系必须是严格的单值函数关系，最好为线性关系。,16,（2）稳定性传感器输入、输出的单值函数关系应不随时间和温度的变化而变化；受外界干扰因素影响应很小；工艺上应能准确地复现。,17,（3）灵敏性要求有较小的输人量便可得到较大的输出信号。传感器的别名：敏感元件、一次仪表。,18,2.中间变换器(变送器)功能及作用:将传感器输出的信号进行放大、线性化处理、远距离传送并转变成规定的统一信号等。要求:准确稳定地传输、放大和转换信号，受外界干扰因素的影响小，变换信号的误差小。,19,3.显示件(显示器)作用：显示被检测量的数值，可以显示瞬时量、累积量、越限报警等。类型：指针式(模拟式显示)；数字式；屏幕式(图像显示式)。显示仪表常被称为二次仪表。*,20,3-2误差一.误差基础测量误差：测量结果与被检测量真值之间的差异，称为测量误差。只有在得到测量结果的同时，指出测量误差的范围，所得的测量结果才有意义。,21,1测量误差及分类根据测量误差的性质，误差分为：,系统误差,随机误差,粗大误差,误差,22,（1）系统误差在相同条件下，多次测量同一被检测量的过程中，误差的绝对值和符号恒定不变，或按某一规律变化。产生原因：a.测量工具不准确或安装调整不正确；b.测试人员的分辨能力差或读数习惯有误；c.测量方法有缺陷。,23,（2）随机误差在相同条件下多次测量同一被检测量的过程中，出现不可预计的误差。产生原因：大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响。例如，气温和电源电压的微小波动，气流的微小改变，电磁场微变、大地微震等。,24,随机误差定义：单次测量的随机误差的大小和方向都不确定，在多次测量中随机误差服从统计规律。可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。,25,随机误差的正态分布规律：a单峰性：概率密度的峰值只出现在零误差附近，即小的误差比大的误差出现的机会多；b对称性：绝对值相等的正误差与负误差出现的概率相等；c有界性：在一定的测量条件下，误差的绝对值一般不超出一定的范围；d抵偿性：当测量次数时，随机误差的代数和趋向于零，即：,26,正态分布密度函数,式中：随机误差的标准差；X测量值(即测量结果)；y误差的概率密度（出现次数）,27,当时，误差的概率y最大:,是曲线的最高峰,28,在区间内，曲线下面的面积占整个曲线下面积的68.3%；在区间内，曲线下面的面积占整个曲线下面积的95.4%；在区间内，曲线下面的面积占整个曲线下面积的99.7%。,29,（3）粗大误差：明显地歪曲测量结果的误差。产生原因：操作者的粗心(如读错、记错、算错数据等)、不正确地操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到要求而匆忙实验等原因所造成的。粗大误差的剔除见P62。,30,2精密度、准确度和精确度（1）精密度：对同一被测量进行多次测量，其重复程度称为精密度。精密度取决于随机误差，因为随机误差反映了对同一被测量进行多次测量所得结果的离散程度。随机误差越小，测量值分布越密集，测量结果的重复性越好，测量的精密度越高。,31,（2）准确度：对同一被测量进行多次测量，测量值偏离被测量真值的程度称为准确度。测量的准确度取决于系统误差的大小。系统误差愈小，测量的准确度愈高。,32,（3）精确度：精密度与准确度的综合称精确度。反映了系统误差和随机误差的综合数值，即测量结果与真值的一致程度。只有系统误差和随机误差都较小时，才具有较高的精确度。,33,例：重复测量时的散点图。图中代表被测量的真值；黑点代表每次测量所得的值。,34,精密度高、准确度高-精度高；精密度高、准确度低-系统误差大；精密度低、准确度较高-随机误差大；(d)精密度低、准确度低-精度低。,35,对于多次测量：1.精密度高，其精确度不一定高，(b)2.准确度高，其精确度不一定高，(c)3.精密度和准确度都高，精确度才高。(a),36,结论：为了提高精确度：1.必须消除系统误差；2.采取多次重复测量来估计随机误差的影响，求出测量结果的最可信赖值。,37,3仪表的基本误差限基本误差的最大允许值，称仪表的基本误差限。仪表测量范围内各处指示值的误差不应超过此限值。仪表的基本误差限是定量地描述仪表精确度的重要指标。仪表的基本误差限用“引用误差”表示。,38,引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程之比，用百分数表示。,式中：q-用引用误差表示的基本误差限；-用绝对误差表示的基本误差；S-仪表的满量程；d-常数,39,国家规定电工仪表精确度的等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0例：一毫伏表量程为1V，精度为5.0级。,无论毫伏表的指针在何处，最大的绝对误差不会超过50mV。但各点的相对误差是不同的。,40,四仪器仪表的主要性能指标仪表的性能指标是评价仪表性能差异、质量优劣的主要依据。仪表的性能指标包括：技术指标；经济指标；使用指标。,41,仪表技术指标包括：仪表误差；精度等级；灵敏度；量程；响应时间；漂移等。,42,仪表经济的指标包括：使用寿命；功耗；价格。,43,仪表使用的指标包括：操作维修是否方便；运行的可靠与安全；抗干扰与防护能力；重量和体积；自动化程度的高低。,44,1量程与精度（1）量程测量范围：仪表在规定精确度下，所测量的区域。仪表量程：仪表测量范围的上限与下限的代数差。上限-仪表测量的最高值或称满量程值；下限-仪表测量的最低值或称零位。,45,例1：温度计的测量范围：-200800，仪表的测量上限：800；测量下限：-200；仪表量程：1000。例2：温度计的测量范围：0800，仪表的测量上限：800；测量下限：0；仪表量程：800。,46,（2）精度等级利用仪表的引用误差描述仪表的测量精度，并确定仪表精度等级。引用误差是一种简化的、实用方便的相对误差。仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值，此值称为允许引用误差Q：,47,工业自动化仪表精度等级的划分：仪表的精确度等级只能从下列数据中选取最接近的合适数值作为精确度等级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，(2)，2.5，5.0级。工业生产过程中常用仪表等级为：1.05.0级。,48,2静态性能指标仪表特性：描述仪表输出变量与输入变量之间的对应关系。静态特性：当输入变量处于稳定状态时，仪表的输出与输入之间的关系。动态特性：当输入变量随时间变化时，仪表的输出与输入之间的关系。,49,（1）灵敏度输入变化量与输出变化量的比值。或输出增量y与输入增量x之比，即：式中:K灵敏度；y输出变量y的增量；x输入变量x的增量。,50,对于带有指针和标度盘的仪表，灵敏度可直观地理解为单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量。仪表“输出-输入”关系为线性时，灵敏度为常数。仪表具有非线性特性时，灵敏度将随着输入变量的变化而改变。,51,（2）线性度仪表应具有线性特性，其特性曲线为直线。在测试技术中，采用线性度指标来描述仪表的标定曲线与拟合直线之间的吻合程度：实际标定曲线与直线间最大偏差；仪表满量程A；LN线性度。,52,（3）迟滞误差正行程：仪表的输入量从起始值增至最大值的过程。反行程：输入量从最大值减至起始值的过程。,迟滞差值：正行程与反行程之差H。迟滞误差：全量程中最大的迟滞差值与满量程之比值的百分比。,53,-最大迟滞差值；-仪表满量程A；-迟滞误差。迟滞误差产生原因：a.仪表内有吸收能量的元件(如弹性元件、磁化元件等)；b.机械结构中有间隙；c.运动系统的摩擦。,迟滞误差：全量程中最大的迟滞差值与满量程之比值,54,（4）漂移：输入量不变时，一段时间后输出量产生了变化。零漂：当输人量固定在零点不变时，输出量有变化。漂移产生原因：a.仪表弹性元件的失效；b.电子元件的老化等。,55,（5）重复性：在同一工作条件下，仪表对同一输入值按同一方向连续多次测量时，所得输出值之间的相互一致程度称为重复性。重复性误差：-最大的重复性差值-仪表满量程-重复性误差,56,作业,P124题1、2、3、4、5,57,3-3压力测量一压力概念及单位压力定义：垂直而均匀作用在物体表面上的力。基本公式：式中：F作用力；S作用面积；P-压力。国际单位制中压力的单位是帕斯卡。,58,工程中压力的单位有很多，如工程大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱等等，因此使用时一定要正确的换算。1工程大气压(at)=1kgfcm2=98066.5Nm298kPa1标准大气压(atm)=1.013105Pa1毫米汞柱(mmHg)=133.322Pa1毫米水柱(mmH20)=9.80665Pa,59,二常用的压力测量仪表分类1.液柱式压力计是将被测压力转化为液柱的高度来进行测量的一种仪表。2.弹性式压力计是利用测量弹性敏感元件在压力作用下产生的弹性变形的大小来测量压力的一种仪表。3.电测式压力计是将被测压力转化为电量进行测量的仪器。,60,三.弹簧管式压力计弹性式压力计使用弹簧管弹性元件作为感受件。原理：以弹性元件受压后产生的反作用力与被测压力平衡。弹性元件的变形是被测压力的函数，将压力的测量转换为对弹性元件变形的测量。,61,62,特点：结构简单，使用方便，工作安全可靠；无需反复保养，价格也比较便宜。精度不太高，且需定期校验。,63,四.电阻应变式传感器1电阻应变式传感器概述优点：(1)结构简单、体积小、精度高；(2)线性度好，灵敏度高；(3)滞后和蠕变都较小，疲劳寿命高；(4)容易与二次仪表相匹配；(5)管理和保养方便。,64,2工作原理在弹性元件上粘贴电阻应变片，应变片随传感器弹性元件一起变形，应变片将弹性元件变形(应变)转换成电阻的变化，再通过仪表(电阻应变仪)转换为电压或电流，并加以放大，最后显示出压力值。,变形L/L,R/R,U/U,放大、显示,电阻应变传感器测量过程,65,（1）电阻应变片的结构及工作原理电阻应变片是电阻式传感器，以自身电阻的变化反映机械应变量。结构：电阻金属丝(或箔栅)；基底和覆盖层；引出线；L为丝栅长度B为丝栅宽度。,66,电阻应变片工作原理（应变效应）：金属丝随自身变形而产生的电阻变化。,式中：R-电阻丝的电阻（）；-电阻率；l-电阻丝长度（m）；S-电阻丝截面积（mm2），r-电阻丝直径。,67,当电阻丝受拉伸变形时，其长度、截面积、电阻率会出现变化，电阻值也因此产生变化，对微分后得到：,等式两边同除以R：,68,由于：,所以:,令：电阻丝的轴向应变电阻丝的径向应变,得：,69,当电阻丝沿轴向伸长时，则沿径向缩小，二者关系为：式中：-电阻丝材料的泊桑比。,70,式中：,71,-电阻丝的灵敏系数，它受二个因素的影响：1.表示电阻丝几何形状变形关系，为一常数，一般在1.6左右；2.称压阻系数。对大多数电阻丝材料，压阻系数也是常数。结论：电阻丝的电阻变化率与应变的变化率呈线性关系。,72,其他影响因素：1.基底材料；2.粘贴剂；3.电阻片横向效应。综合表达：式中：K-电阻应变片的灵敏系数，由应变片制造厂抽样实验给出。K=1.73.6之间。,73,(2)电阻应变片的分类按敏感栅的形式分丝绕式应变片用0.0120.05mm电阻丝绕制而成，端部为圆弧形。特点：1.应变片横向效应具有大；2.绕制方法简单。,74,箔式应变片由0.020.05mm厚的箔材，以树脂胶膜，纸浸胶等材料为基底，再用光刻腐蚀工艺在箔材上形成敏感栅，焊上引线，加上覆盖层而成。,特点：1.制造精度及生产效率高；2.横向效应小；3.箔片散热及附着面大，有利于应变片的工作。,75,半导体应变片由半导体材料单晶硅制成敏感栅。在承受轴向应变时，敏感栅的压阻系数大，因而灵敏系数较大，可达100以上，能测量微小的应变。特点：1.横向效应和机械滞后小。2.温度稳定性较差，须采取温度补偿措施。,76,按使用工作温度分常温应变片工作温度：-30至60。中温应变片工作温度：60至250高温应变片工作温度：大于250低温应变片工作温度：低于-30,77,按敏感栅的结构形状分单轴应变片用于测量长度L方向的应变。,应变花(多轴)由两个或两个以上的单轴敏感栅相交成一定角度置于公共基底而成。,78,应变片的使用：1.若是单向应力并已知主应力方向，选用单轴应变片，使应变片的长度方向与主应力方向一致。2.若两向应力且主应力方向已知，则可选用互成90的应变花，使敏感栅长度方向与主应力方向一致。3.若未知主应力方向时，则选用三轴或四轴应变花，测量后通过整理计算求出主应力大小及方向。,79,3.电桥工作原理,变形L/L,R/R,U/U,放大、显示,利用戴维南定理进行化简：,80,81,82,若：，则,电桥平衡条件：,83,电桥输出电压：,84,当电流表内阻Rg很大时，就相当于电桥的开路电压,若电桥的四个桥臂中只有R1的阻值发生了变化产生R1，其余三个桥臂电阻的阻值不变，并设：,85,由于，略去项，即：,86,当R2，R3，R4分别发生变化时，有：,87,电桥的输出电压：,当R1，R2，R3，R4同时发生变化时，则：,88,结论：电桥中相对桥臂的电阻变化率对总的输出电压来说是相加的，相邻桥臂电阻变化率是相减的。,89,4.应变片的桥路接法：(1)半桥测量：电桥中的两个桥臂接入电阻应变片，另两个桥臂接入固定电阻。例1：测量一受力杆的应力：,90,由材力知道，,91,例2.测量弯矩：,92,例3.测量拉力：,(2)全桥测量：测量电桥的四个桥臂都参与测量工作。,R2,R1,R4,R3,93,R2R1R3R4,94,例4.测量扭矩：,95,5.温度补偿,96,6.圆膜片式压力传感器：边缘固定圆形膜片，当压力作用于某一面时，可引起膜片中央部分或凸或凹的变形。,环向应变,径向应变,97,设膜片上一点距膜片中心距离为r,式中：膜片厚度E膜片弹性模量泊桑比r0膜片自由变形部分的半径,环向应变,径向应变,98,在膜片中心r=0处，、达到最大值：,应变片的布置：,当r=0.577r0处：,=0,99,100,扩散硅传感器：利用半导体的压阻效应和微机械加工技术，在单晶硅片的特定晶向上，用光刻、扩散等半导体工艺制做一惠斯登电桥，形成敏感膜片，当受到外力作用时产生微应变，电阻率发生变化，使桥臂电阻发生变化。传感器的输出电压信号，还需经过计算机温度补偿、激光调阻、信号放大、标定等工艺。,101,陶瓷传感器：陶瓷传感器是干式传感器，压力直接作用在坚固的陶瓷膜片上，基板电极和膜片电极可以检测出与压力相关的电容变化，测量范围取决于陶瓷膜片的厚度。抗过压能力可达正常压力的40倍。高纯度99.9%陶瓷，具有与哈氏合金相同的抗化学腐蚀能力。,102,7.压力传感器的选用：类型：被测介质、环境温度、振动、电磁干扰；量程：1/3量程2/3量程；精度：在满足实际需要的情况下,尽量选择廉价的产品。,103,作业,一、构件受载荷P的作用如图示，已知构件截面：20mm，为测量载荷P在构件上贴四个应变片，构成全桥测量。求：1.画出应变片在构件上的贴片示意图；2.画出应变片的连接线路图；3.已知供桥电压U=5V，测出电桥输出电压U=10mV，E=2105MPa，求P=？P125题8、9、10、13,P,P,104,3-4温度测量一.概论二.膨胀式温度计三.热电阻温度传感器四.热电偶温度传感器热电效应热电偶温度补偿,105,概论1.温标及单位：（1）经验温标摄氏温标（）：测温物质：水银分度方法：在标准大气压下，冰的熔点-0；水的沸点-100在两点之间将水银的体膨胀分成100份，每份表示1。,106,华氏温标（F）：测温物质：水银分度方法：在标准大气压下，氯化铵与冰的混合物-0F；冰的熔点-32F水的沸点-212F,在两点之间将水银的体膨胀分成180份，每份表示1F。,107,(2)热力学温标,19世纪中叶，英国物理学家开尔文(18241907)根据热力学“卡诺循环”理论，提出热力学温标及绝对零度的概念。从绝对零度起算，水的冰点-27315度，水的沸点-37315度。热力学温标的度用符号K表示。,108,（3）国际实用温标：,式中：,水的冰点温度,工程上，0以下用T，0以上用t,109,二.膨胀式温度传感器依靠液体、固体或气体受热膨胀原理，构成的温度传感器。,1液体膨胀式温度传感器在有刻度的细玻璃管里充入酒精或水银而构成温度计。,110,2.电接点水银温度计：在水银温度计的感温泡附近引出一根导线，在对应某个温度刻度线处再引出一根导线，当温度升至该刻度时，水银柱就会把电路接通。反之，温度下降到该刻度以下，又会把电路断开。,111,3.固体膨胀式温度计利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，敏感元件是双金属片。在温度变化时将因弯曲变形而使其一端出现位移。,112,双金属温度计,113,4.压力式温度传感器,依靠密闭容器中液态或气态物质受热后,压力的升高反映被测温度。,114,115,三.热电阻温度传感器1.铜电阻（WZG）测温范围：-50150,铜电阻的电阻值；,铜电阻在0时的电阻值,铜电阻的温度系数,分度号Cu50：R0=50分度号Cu100：R0=100,116,铜电阻温度传感器特点：1.电阻率小体积大2.易氧化测温范围小01003.价格便宜。,117,118,2.铂电阻（WZB）分度号：Pt测温范围：-259.34630.74铂电阻与温度的关系：在0630.74之间：,在-1900之间：,119,Rt铂电阻的电阻值A、B、C常数,R0铂电阻在0时的电阻值,120,工业用铂电阻：Pt100R0=100Pt10R0=10,121,3.热电阻温度传感器的电路接法（1）二线制,122,（2）三线制,123,四.热电偶温度传感器,广泛应用于工业上的测温领域。特点：结构简单；精度高；热惯性小；测温范围宽；输出信号易于转换。,124,热电偶测温原理(热电应）：,当两种不同材料的导体两端接成闭合回路时，若两端接触点的温度不同，则在回路中产生热电势。,热电势,接触电势,温差电势,t,t0,125,(1)接触电势,当A、B材料一定时，接触电势只与接触点的温度有关。,126,（2）温差电势,t,t0,温差电势只与热端和冷端的温度有关。,127,（3）热电偶回路,128,温度为t时A,B金属的接触电势温度为时B,C金属的接触电势温度为时C,A金属的接触电势金属B的温差电势金属A的温差电势,129,根据能量守恒原理，多种金属组成的闭合回路，只要各接触点的温度相等，则闭合回路总热电势等于零。若A、B、C三种金属组成的闭合回路中，各接触点的温度为，则总热电势等于零。,130,所以：,由于温差电势微弱：,131,代入：,得：,132,结论：回路中总电势只与热端温度t和冷端温度t0有关。若保持冷端温度t0不变，则热电势为热端温度t的单值函数。,133,2.常用热电偶：,134,135,例：用K偶测温，t0=0，=7.458mV，求t=？,136,3.热电偶补偿线：,用于连接热电偶和测温仪表。补偿导线在非高温区与所接热电偶具有相同的热。电性质,其材质和热电偶不同，价格便宜。热电偶与补偿导线连接后等于在热电势的基础上又增加了补偿电势。效果等于把热电偶延长，冷端被移远，节约了贵金属。,温度表,接线盒,137,4.热电偶冷端补偿：（1）冷端保持在0,138,（2）计算补偿法：,-冷端为0,热端为t时的热电势,-冷端,热端为t时的热电势（实测值）,-冷端时应加的修正值,相当于冷端为0，热端为时的热电势。,139,例：用K偶测温，t0=30，测得：,e(t,30)=5.49mV，求t=？,查表e(30,0)=1.203mV,查表e(t,0)=6.698mV，t=164,根据：,140,141,（3）电桥补偿法：,结构：电桥的输出电压Uab与热电势同方向串联。功能：,当t00时，使电桥因Rcu改变而增加uab，等于因t00而减小的热电势。,Ucd=e(t0,0),142,补偿量（查表）,例：求K型热电偶冷端温度为50时，补偿电桥的供电电压Ucd？已知Rcu0=1，R1=R2=R3=1,143,3-5流量测量一、孔板流量计二、转子流量计三、靶式流量计四、涡轮流量计五、椭圆齿轮流量计六、电磁流量计七、超声波流量计,144,一.概述：1.流量的概念及单位（1）定义：单位时间内，流过管道或设备某一截面的流体数量。（2）体积流量Q：单位时间内，流过管道横截面的流体体积数。式中：A-横截面积W-流过该截面的平均流速,145,（3）质量流量M：单位时间内流过管道横截面的流体质量数。式中：-流体密度（4）流体总量（累积流量）：某段时间内流过管道的流体总和。流体总量单位：吨（t）、立方米（m3）,146,2.流量计分类：（1）速度式流量计：以测量管道内流体的速度W，作为流量测量的依据。速度式流量计有以下种类：孔板流量计转子流量计靶式流量计涡轮式流量计电磁流量计超声波流量计,147,（2）容积式流量计以测量单位时间内所排出的流体容积数量，作为流量依据。椭圆齿轮流量计,148,二.孔板流量计1.测量原理：以孔板作为节流元件，通过测量孔板两侧压差得到流量值。,149,设：截面流体静压力：截面流体静压力：孔板前流体静压力：孔板后流体静压力：,150,截面、处的压差：孔板前后压差：,由于截面、随流量变化，只能以作为流量依据。,151,根据伯努利方程，对不可压缩的流体可导出压差与流量的关系：,-流体密度-孔板开孔面积-流量系数,152,由实验确定，标准孔板的值可查表。由实验确定，标准孔板的值可查表。压力损失：孔板最大；文丘里管最小；喷嘴居中。,153,2.取压方法：（1）环室取压法（2）法兰取压法,154,三.转子流量计,155,1测量原理：转子的受力分析：（1）流体受到转子的节流作用，在转子的上下产生压差：F1-转子受到向上的推力,156,-转子的最大受力面积；（2）转子受自重和浮力的作用，产生向下的作用力F2：-转子和流体的重度；-转子的体积。,157,当F1和F2平衡时，转子静止在某一高度h，F1=F2,158,流体流过转子和锥形管的环隙时的压力损失为：,式中：-阻力系数，与转子的形状，流体的粘度有关；g-重力加速度；W-流体流过环隙时的速度,159,由：,160,以代表环隙面积，以作为修正系数，可得到体积流量和质量流量的基本方程式如下：,161,-常数流体流过转子流量计的流量只与转子和锥形管间的环隙面积有关，而仅与转子高度有关。,162,2.转子流量计的使用与换算（1）液体式中：，-被测液体的体积流量，重度和修正系数，-以水刻度的体积流量，水重度和修正系数,163,（2）气体：,式中：,-出厂标定的基准状态流量值，绝对压力，绝对温度，空气重度。,-工作状态下的实际流量，绝对压力，绝对温度，气体基准状态的重度。,164,3.孔板流量计与转子流量计的比较：（1）区别点：孔板流量计：定节流截面、节流元件固定，以节流元件两侧压差来衡量流量的大小。转子流量计：变节流截面、节流元件自由活动，压差固定，以节流元件移动的位移来衡量流量的大小。（2）共同点：孔板流量计与转子流量计同属于节流原理测量流量。,165,四.靶式流量计1结构：,2工作原理：在流体通过时，靶子对流体有节流作用，靶子两侧的压差不同，,166,靶子对流体产生的压力损失：,式中：-流体流动阻力系数-流体流过环隙的流速-流体重度,167,靶子的受力：,式中：d,A-靶的直径和面积,168,式中：S-环隙面积D-管道内径,令：,当K与流量计结构一定时，流量仅与靶子受力的平方根成正比。,169,3特点：（1）K值受Re影响小；（2）管道不易堵塞。（3）适用于介质含颗粒、易于结晶和粘稠度较大的流体。,170,五.涡轮流量计,1.结构：,（1）涡轮（2）导流器（3）磁电式传感器（4）外壳（5）前置放大器,171,2.工作原理：,L/s,式中：Q-流体的体积流量L/s；f-脉冲信号的频率Hz；-仪表常数次/升,172,3安装使用：（1）流量计上游应有15D长度的直管段；（2）流量计下游应有5D长度的直管段。4特点：（1）精度高：0.5%；（2）压力损失小；（3）耐高压（6.0MPa）；体积小，（4）输出频率信号。（5）成本高。,173,六.电磁流量计1法拉第电磁感应定律导体在磁场中作切割磁力线的运动，会产生感应电动势。其大小与磁感应强度B、导体在磁场中的长度L和导体的运动速度成正比。,174,式中：E-感应电动势；B-磁感应强度；L-导体在磁场中的长度；W-导体的运动速度。,175,2.电磁流量计结构及工作原理：,设：管道内径：D，管道截面积：,176,又:,在电磁流量计中L为管道直径,k-仪表的比例系数，B、D为常数，感应电动势E与流量Q成正比。,177,178,七.超声波流量计,1.工作原理：超声波在流体中传输时，在静止流体中和流动流体中的传输速度不同；在流动流体中，顺流的传输速度和逆流的传输速度也不同。利用此特点能求出流体的速度。,设置两个传感器，每个传感器都能发射和接收。顺流传输时间t1；逆流传输时间t2,179,顺流传输时间t1：,逆流传输时间t2：,C-流体静止时，超声波传输速度；W-流体的流动速度。,180,由于流体的流速远小于超声波的速度，略去分母中W平方项：,超声波在流体中顺流和逆流的时间差为：,所以：,181,超声波流量计的结构：传感器安装在管道外，以免影响流体流动。,182,183,八.椭圆齿轮流量计,184,3-6转速和转矩测量转速和转矩表怔了各种机械的生产能力，功率消耗，机械效率和机械寿命等性能。,185,1.磁电式转速传感器,e感应电动势；N-线圈匝数；-磁通量；t-时间。,一.转速的测量,186,Z齿轮齿数n齿轮转速f脉冲频率,187,2.直射式光电式转速传感器,188,Z圆盘开孔数n齿轮转速f脉冲频率,189,3.光断续式转速传感器,190,191,(1)电涡流效应,a.根据法拉第电磁感应定律，将一块金属置于交变磁场中，或使金属块在磁场中作切割磁力线的运动，那么在金属体内将产生呈涡旋状的感应电流，这种电流叫做电涡流。,交流电,4.电涡流式转速传感器,192,b.在金属表面产生电涡流将产生一个与电感线圈相反的磁场。c.电涡流产生的磁场又反作用于线圈L上，力图改变线圈品质因数的大小，其变化程度与线圈的尺寸、距离z等参数有关。,193,利用电涡流效应制成的传感器称为涡流式传感器。涡流式传感器可分为反射式和透射式两类，它们主要用于位移、振幅、尺寸、厚度及无损探伤等方面。传感器主要由探头和检测电路两部分构成。探头主要由线圈及骨架组成，检测电路由振荡器、检波器及放大器等组成。,194,当被测物体和传感器探头被确定以后，只有线圈与被测导体之间的距离x的变化量和阻抗Z有关，如果我们通过检测电路测出阻抗z的变化量，也就实现了对被测导体位移量的检测。,（2）电涡流式传感器的特性,解出：,R1传感器线圈不受涡流影响时的电阻；L1传感器线圈不受涡流影响时的电感；R2被测导体的等效电阻；L2被测导体的等效电感；U激励电压；激励电压的角频率；i1激励电流；M传感器线圈与被测物体之间的互感系数，与传感器线圈到被测导体之间距离有关。,式中：,传感器线圈L受金属涡流影响后的等效阻抗Z为：,式中：Red传感器线圈受涡流影响后的等效电阻；,Led传感器线圈受涡流影响后的等效电感；,198,（3）电涡流强度与距离的关系,实验证明：当传感器线圈与被测导体的距离x发生变化时，电涡流分布特性并不改变，但电涡流密度将发生相应的变化，即电涡流强度将随距离x的变化而变化，且呈非线性关系，且随距离的增加而迅速减小。,199,（4）涡流式位移传感器的检测电路根据涡流式位移传感器基本工作原理和特性，传感器线圈与被测导体间的距离x的变化可以转换为品质因数Q、阻抗Z、线圈电感L三个参数的变化。检测电路的任务就是将这种变化转换为相应的电压、电流或频率输出。,200,当被测导体距传感器线圈相当远时，传感器谐振回路的谐振频率为回路的固有频率，此时谐振回路的品质因数Q值最高，阻抗最大。当被测导体与传感器线圈的距离减小时，由于电涡流效应使传感器谐振回路的品质因数Q值下降，回路输出的电压也越来越小。谐振回路输出的信号经检波、滤波和放大后输送给后续电路，可直接显示出被测物体的位移量。,201,（5）电涡流式转速传感器,当轴转动时，传感器与轴的距离发生变化，由于电涡流效应，导致振荡谐振回路的品质因数变化，传感器线圈电感随改变而变化，直接影响到振荡器的电压幅值和频率。随着轴的旋转，振荡器输出的信号包含了与轴转速成正比的脉冲频率信号。特点：抗干扰能力强；测量的最高转速达60万转/分。,202,5.霍尔式转速传感器,(1)霍尔效应将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，在其两侧通入电流I,在半导体的另外两侧将产生电势UH：,203,UH霍尔电势SH霍尔元件灵敏度半导体薄片霍尔元件,霍尔效应,204,（2）工作原理,霍尔效应半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力作用而产生的。设霍尔元件为N型半导体，当它通入电流I，半导体中的自由电荷（电子）受到磁场中洛仑兹力FL的作用：,FL洛仑兹力；e电子电量；v电子速度；B垂直于霍尔元件的磁感应强度。,205,在洛仑兹力的作用下，自由电子向垂直于磁场的方向运动，并在端面上产生电子积累。同时由于电子的积累，产生了霍尔电场，该静电场对电子的作用力FE电场力EH霍尔电场强度；UH霍尔电势；b-霍尔元件的宽度。电场力FE与洛仑兹力FL的方向相反，将阻止电子继续偏转。,206,当静电场作用于运动电子上的FE与洛仑兹力FL相等时，电子积累达到动态平衡：FL=FE即：,流过霍尔元件的电流I为：,bd与电流方向垂直的截面积；n单位体积内自由电子数。,207,将,代入得：,d霍尔元件的厚度；n单位体积内自由电子数；e电子电量；UH霍尔电势。,208,（3）霍尔传感器利用霍尔开关集成传感器和磁性圆盘可组成霍尔式转速传感器。磁性圆盘与轴一起转动，磁铁通过霍尔开关时，霍尔开关集成传感器就产生相应的脉冲信号，只要检测出该信号的频率f，即可得到转速n。,209,210,211,二.转矩的测量1.应变式转矩传感器,212,2.磁电式转矩传感器,213,214,215,3-7液位测量容器内液体介质液面的高低称液位。测量目的：测知容器中物料的存储量，对物料进行监控，保证顺利和安全生产。液位计分类：直读式、浮力式、静压式、电容式、光纤式、激光式、核辐射和超声波式。,216,一.浮力式液位计工作原理：利用漂浮在液面上的浮子实现液位测量。浮子因浮力作用漂浮在液面上，其位置代表了液面的位置。当液面变化时，浮子随液面一起变化，从而产生位移。经传递、放大、最终显示出液位的变化和液面高度。,217,(1)恒浮力式液位计,测量原理：浮子自身重力：浮子所受浮力：式中：浮子密度；液体密度。,218,当液体上升h时，浮子浸在液体中的体积增加，浮力增大F，则在外力F不变时，,设浮子所受外力为：当浮子处于平衡位置时，,219,由于F的作用，迫使浮子上浮。浮子的升降是随液位的升降而变化的。当重新达到平衡后，浮子的静止位置就表示了新液面的位置。,220,浮子的结构形式浮力式液位计的不灵敏区：由于仪表各部件之间存在摩擦等阻力，只有当浮力的变化量F达到F0时，浮子才能动作h0。,浮力式液位计的不灵敏区,221,浮力式液位计的不灵敏区,(a)扁平浮子；(b)扁圆柱浮于；(c)高圆柱形浮子,222,恒浮力液位计结构形式,a.滑轮式液位计,1浮子；2刻度尺；3平衡重；4滑轮；10指针。,浮子通过钢丝绳经由滑轮与平衡重相连。液位、浮子、指针、平衡重同步移动，通过指针在刻度尺上指示的位置测得液面高度。,223,B.鼓轮式液位计,1浮子；2刻度尺；3平衡重；5啮合齿轮；6鼓轮。,鼓轮式用齿轮啮合来传递位移，可通过改变齿轮的齿数来改变仪器的量程。,224,C.磁力式液位计,1浮子；2刻度尺；3平衡重；10指针；11不导磁桶。,利用浮子与磁铁之间的引力来实现对液位变化的信号的传递。,225,d.浮球式液位计,1浮子；2刻度尺；3平衡重；8阀门；9连杆；10指针。,浮球随液位升降，通过转轴带动指针转动，在刻度盘上指示液位的位置。,226,（2）变浮力式液位计浮筒将液位变化转化为力的变化；弹簧将力的变化转化为机械位移；差动变压器将位移转换成电信号。,227,浮筒悬挂在弹簧上，当浮筒的一部分浸入液体时，由于浮力作用而使浮筒上移，当与弹簧力平衡时，浮筒停止运动。对于浮筒存在以下平衡关系：,c-弹簧刚度；x-弹簧压缩量；G-俘筒重量；A浮筒的截面积;h-浮筒浸人液体高度；-液体密度。,228,当液位发生变化升高h，则浮筒由于所受浮力变化引起浮筒位置的变化，上升X，则平衡关系为：,与,相减得：,229,液位变化量h与浮筒位移X成正比，在浮筒连杆上装上指针，可直接指示液位。若在浮筒上装上变压器可输出电信号，从而间接测出液位。,230,(3).磁浮筒式液位计,231,磁浮筒式液位开关,232,二.静压式液位计1.测量原理：静压式液位计：测量容器某点的压力或该点与另一参考点的压差来间接测量液位。由流体静力学可知，当液体在容器内有一定高度时，会对容器的底面或侧面产生一定的压力。,233,a.密闭容器：取A、B两点，设B点为参考点，则：,b.敞口容器：液体自由表面处的压力等于大气压。,234,密闭容器：A、B两点的垂直高度与密闭容器中两点的压差p成正比。敞口容器：B点的表压p成正比。通过测量p或p将液位测量转化为压力测量，间接测量液位。,235,2.静压式液位计的结构（1）玻璃管液位计：利用连通器的原理制成，通过玻璃管来显示液柱高度，直接观察液位。,236,（2）压力式液位计利用测压仪表（表压）来测量液位。适用范围：敞口容器,237,238,（3）压差式液位计对于密闭式容器，当液位变化时，液面处的气压也随之发生变化。此时气压对压力计指示有影响，只能用压差计来测量气、液两相的压差。压差大小通过气动或电动差压变送器传送，并转化为电信号，最终显示出液位的大小及其变化。,239,240,差压式液位传感器原理图,241,三.电容式液位计,特点：传感部件结构简单，动态响应快，能够连续、及时地测量液位的变化。适用于各种导电、非导电液体的液位测量。,电容式液位计,电容式液位传感器,测量电路,242,1.电容法测液位原理电容器由两个同轴的金属圆筒组成，圆筒半径分别为R、r，高为L。当两筒之