第三章-参数检测一般原理和方法

1、火电厂参数检测刘林仙2016年04月15日内容内容温度、压力温度、压力过程检测技术基础过程检测技术基础测量误差和不确定度测量误差和不确定度 参数检测技术参数检测技术流量、物位检测流量、物位检测第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法u 热工生产的五大参数：温度、压力、流量、物位、成分。 这些参数在生产过程检测任务中占有重要地位，本章主要着重介绍这些参数的检测原理及方法。首先，介绍检测工作所遵循的自然规律和常用的检测方法。 3.1 参数检测的一般原理和方法一、自然规律和检测方法 与检测技术有关的自然规律：守恒定律、场定律、物质定律以、统计法则。p守恒定律（能量守恒 动量守恒 电

2、荷守恒等） 流量测量中，守恒定律的应用较为典型。例：1）节流式流量计 节流变压降流量计工作原理：基于节流效应，即在充满流体的管道内固定放置一个流通面积小于管道截面积的节流件，当流体流经节流件时由于流束收缩，在收缩处， 流速增加，静压力降低，则在节流件的前后产生静压力差，利用压差与流速的关系可进一步测出流量。第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法流量公式： 流体连续性方程-质量守恒 伯努利方程-能量守恒2124mABqqqdP2222AABBPP2244ABDd第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法例：2）皮托管测流速 工作原理：皮托管正对流动方向，1点处

3、流速为1，静压为P1,皮托管的阻流作用，使得2=0，静压为P2，（能量守恒，动能转换为静压能 P2 P1 ）伯努利方程 21122PP2112 PP第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法p场的定律 场的定律是物质作用的定律，如运动场的运动定律，电磁场的感应定律，光电的干涉等。例：1）电容位移（物位）传感器静电场有关定律（回忆电容传感器）S,一定，d变化 C变化，C反应d; d一定，S,变化 C变化，C反应物位高低，填充物的混合比例。例：2）电磁流量计电磁感应定律，运动定律 法拉第电磁感应定律：长度为l的导体以速度v作垂直于磁场运动时，运动道题产生的感应电动势为 SCdeBl

4、v 第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法p物质定律 物质定律是关于物质本身内在的性质、法则和规律，物质的内在属性通常可以通过其特有的物理量进行描述，如电阻，电势。如压阻式传感器。p统计法则 利用统计方法把围观系统和宏观系统联系起来。例：电阻两端热噪声电压均方值的计算。第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法二、基础效应与检测方法 检测过程的第一步即将被测量转换成为另一种可以进一步进行处理和表示的信息（传感元件，一次敏感元件），这一转换过程是物理效应、化学效应、生物效应和许多物理现象的外在表现，这些效应和现象的发现是开发转型元件，发展检测技术的重要途径。下

5、面介绍检测中所用到的基础效应。p光电效应光电效应：光照射在物体上可看成是一连串具有能量为E的光子轰击物体,如果光子的能量足够大，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出，也可能参与物质内部的导电过程，这种现象称为光电效应。 即：物质在光的作用下释放电子的现象，被释放的电子在外电场中运动形成光电流，光通量（或光强）与光电流之间的关系称为光电特性。主要取决于入射光的强度，波长及所使用的光电材料光信号电信号，检测光信号。第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法光电效应的种类：（1）外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外

6、发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。 常见元件：光电管、光电倍增管等。 结构示例：真空光电管 在一个抽成真空或充以惰性气体的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极2和光电阳极1。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料（如铯）涂敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，就有可能克服金属表面对电子的束缚（逸出功）而逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。当光电管阳极加上适当电压时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流，在外电路产生电流。如果在外电路中串入一只适当阻

7、值的电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。这电流或电压的变化与光强成一定函数关系，从而实现了光电转换。第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法特性： 光电管的光电特性取决于光电阴极材料，不同的阴极材料对同一波长的光有不同的灵敏度；同一阴极材料对不同波长的光有不同的灵敏度，光电流的大小除了与光通量有关，还与光电管上的电压，入射光谱有关。 （2）内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。 1）光电导效应：半导体在光线作用下，其电阻值往往变小，导

8、电性增强，这种现象称为光电导效应。高电阻率半导体材料都具有光导效应。 常用元件：光敏电阻。 常用材料：硫化铅、硫化镉等 2）光生伏特效应：半导体器件受到光照射时会产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。光电伏特型光电器件能将入射光能量转换成电压和电流。 常用元件：硅光电池、硒光电池。 特性：光电动势与光照强度对数称正比，光电流与入社光强度成正比，光电池在无外接电源下工作时，光敏管在反向偏压下工作。第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法p热电效应热电效应：将两根不同材料的导体或半导体（A和B）联接起来构成一个回路，如果两个接合点处的温度不同（T0T1），则在两导体向产生热电势

9、，并在回路中有一定大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶，温度测量 热电动势有两部分组成： （1）接触电动势： 由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散，自由电子密度大的一侧向密度小的一侧扩散，直至动态平衡。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NANB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势。大小：方向：密度小一侧指向密度大一侧T0TBA( )AABBNKTTlneNK波尔兹曼常数 e 电子电荷

10、量 第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法（2）温差电动势 同一导体中的，如果两端温度不同，在两端间会产生电动势，即产生单一导体的温差电动势，这是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散的结果。高温端因失去电子而带正电，低温端由于获得电子而带负电，在高低温端之间形成一个电位差，该电场阻止电子从高温端跑向低温端，最后达到动态平衡，动态平衡时导体两端产生的电位差称之为温差电动势。温差电动势的大小与导体的性质和两端的温差有关，表示为： A A材料的汤姆逊系数。 （表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势） 方向：低温端指向高温端00( ,)TAATe T

11、TdT第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法p电磁效应置于磁场中的通电导体或半导体所产生的各种物理现象。 主要包括：霍尔效应，洛伦兹力 （1）霍尔效应： 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流与磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。所产生的电动势称为霍尔电势。 半导体材料的霍尔系数远大于金属的，一般用硅、锗，砷化锢等半导体材料制作霍尔片。IBkdIBRnedIBUHHHRH霍尔系数，RH = 1/ (ne)，由载流材料物理性质所决定；kH灵敏度系数，kH = RH /d，它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流

12、时的霍尔电势的大小。第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法p压电效应 压电效应：某些材料受力发生机械变形（压缩或伸长时），在两个相对面上产生异号电荷的现象。测力，压力 常见材料：石英、铌酸锂等单晶，钛酸钡等多晶压电陶瓷，聚氯二氟乙烯高分子压电薄膜。 第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法p应变效应与压阻效应力、压力、应变、加速度等测量 应变效应：金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。 压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。 llrrFFlRS第三章第三章 参数检测一般原理和方法

13、参数检测一般原理和方法 llRR21llRR21llEell对半导体材料电阻率变化引起电阻变化-压阻效应对金属材料尺寸引起电阻变化-应变效应 电阻相对变化量式中 l沿某晶向的压阻系数； Ee半导体材料的弹性模量； 应力； 泊松比。第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法三、参数检测的一般方法 参数检测一般分为：光学法、力学法、热学法、电学法、声学法、磁学法、射线法。p光学法 利用光学原理：光的发射、透射、折射、反射等特性，用光的强度等参数表示被测量的大小，通过光电转换接收信号。例：辐射式温度计，红外气体分析仪p力学法把被测量变为机械位移、形变等。例：压力、例弹性元件的形变、位

14、移。p热学法根据被测介质的热物理量（参数）的差异及热平衡原理进行参数检测。例：热线风速仪，提供恒定电流，测热线温度；保证热线恒温，测供电电流。第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法p电学法 将被测变量转换成电压、电流、电容等电量。例：热电阻测温，热电偶测温p声学法利用超声波在介质中传播以及在介质间界面的反射等性质进行参数测量。例：顺逆流速度差测流体流速，测物位p磁学法 被测介质有关磁性参数的差异及被测介质或敏感元件在磁场中表现出的特性检测。例：电磁流量计，霍尔压力变送器p射线法 放射线（射线）穿过介质时部分能量被物质吸收，吸收程度与射线所穿过的物质层厚度，物质的密度有关。例：辐射物位计，混合物组分含量第三章第三章 参数检测一般原理和方法参数检测一般原理和方法 选择参数测量方法时可利用所述的物理、化学、生物效应和物理现象，方法很多，不同的方法用不同的敏感元件。下面给出选择敏感元件时的考虑因素。将被测变量转换成电压、电流、电容等电量。 （1）适用范围：环境温度、压力、湿度、外加电源电压（电流），保证元件正常工作和信息的转换； （2）参数测量范围：被测量不超过敏感元件的测量范围； （3）敏感元件的输入输出