第二章过程检测仪表课件

1、长沙理工大学电气与信息工程学长沙理工大学电气与信息工程学院院潘潘 维维 加加2.1 概述概述2.2 温度检测温度检测2.4 流量检测流量检测2.3 压力检测压力检测2.5 物位检测物位检测 在过程自动化中要通过检测元件获取生产在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见变量是温度、压力、流量、工艺变量，最常见变量是温度、压力、流量、物位。物位。 检测元件又称为敏感元件、传感器，它直检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电

2、阻、频率、气压等。电流、电阻、频率、气压等。 2.1 2.1 概概 述述 由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理，转换成不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理，转换成标准统一的电气信号（如标准统一的电气信号（如4 42020mADC mADC 或或 0 01010mADCmADC电电流信号流信号 ,20 ,20100100KPaKPa气压信号）送往显示仪表，指示气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。有时将检测元件、变送器及显

3、示装置统称为检控制。有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表测仪表, , 或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。显示装置称为二次仪表。被测参数测量值传感器中间件变送器2.1.1 测量误差测量误差(1) 绝对误差绝对误差 仪表的指示值与被测量的真值之间的差值。仪表的指示值与被测量的真值之间的差值。(2) 相对误差（仪表引用误差）相对误差（仪表引用误差）测量误差：检测仪表获得的被测值与实际被测变量真测量误差：检测仪表获得的被测值与实际被测变量真实值之间的差。实值之间的差。XXX测量真值理论上：理论上：实际上：实际上：XXX测量标准m

4、axmin100%,XYYYY绝对误差与仪表的量程之比。绝对误差与仪表的量程之比。(3) 允许误差允许误差(4) 附加误差附加误差maxmaxmaxmin100%,XYYYY 由于外界环境条件变化以及仪表波动等外界由于外界环境条件变化以及仪表波动等外界因素引起的误差。因素引起的误差。2.1.2 仪表性能指标仪表性能指标(1)(1)精确度（精度）精确度（精度） 表示仪表测量结果的可靠程度。表示仪表测量结果的可靠程度。 仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小，说明仪表测划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小

5、，说明仪表测量准确度越高。量准确度越高。 精度等级：允许误差去掉精度等级：允许误差去掉“”号及号及“% %”后，系列后，系列化圆整后的数值。化圆整后的数值。 目前我国生产的仪表的精度等级有：目前我国生产的仪表的精度等级有：0.001,0.001, 0 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等等 仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如板上，如:1.0:1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级外加一

6、个圆圈或三角形。精度等级1.01.0，说，说明该仪表允许误差为明该仪表允许误差为1.0%1.0%。1.01.0 例例1 1 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是600600-11001100，其最大，其最大绝对误差为绝对误差为4 ，试确定该仪表的精度等级。，试确定该仪表的精度等级。max4100%0.8%1100600 由于国家规定的精度等级中没有由于国家规定的精度等级中没有0.80.8级仪表，而该仪级仪表，而该仪表的最大引用误差超过了表的最大引用误差超过了0.50.5级仪表的允许误差，所以这级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为台仪表的精度等级应定为1.01.0级。级。解解 仪表

7、的最大允许误差为仪表的最大允许误差为 例例2 2 某台测温仪表的量程是某台测温仪表的量程是600600-11001100，工，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过艺要求该仪表指示值的误差不得超过4 ，应，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。max4100%0.8%1100600 0.8%介于允许误差介于允许误差0.5%与与1.0%之间，如果选择允之间，如果选择允许误差为许误差为1.0%,则其精度等级应为则其精度等级应为1.0级。量程为级。量程为6001100，精确度为，精确度为1.0级的仪表，可能产生的最大绝对误差为级的仪表，可能产生的最大绝对误差为

8、5，超过了工艺的要求。所以只能选择一台允许误差为，超过了工艺的要求。所以只能选择一台允许误差为0.5%，即精确度等级为，即精确度等级为0.5级的仪表，才能满足工艺要求。级的仪表，才能满足工艺要求。解解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差为根据工艺要求，仪表的最大允许误差为结论：校表：结论：校表： 选表：选表：max系列化计算max系列化计算仪表量程的选择：仪表量程的选择： 量程的上限：量程的上限： 4/33/2倍（被测变量），倍（被测变量）， 波动较大时：波动较大时：3/22倍（被测变量）倍（被测变量） 量程的下限：一般地，被测变量的值不低于全量程量程的下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的的

9、1/3。 仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。程，可以减小测量误差，提高测量准确性。 (2) (2) 变差变差 在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。得的仪表读数之间的差异。 注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。

10、(3) (3) 线性度线性度 衡量仪表实际特性偏衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。离线性程度的指标。 线性度差就要降低仪线性度差就要降低仪表精度。表精度。线性度线性度t 实际曲线实际曲线 理论直线理论直线 仪表示值仪表示值 被测变量被测变量 (4) (4) 灵敏度和分辨率灵敏度和分辨率灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值，即的比值，即 灵敏度灵敏度= =Y/X 对于模拟式仪表而言，对于模拟式仪表而言，Y是仪表指针的角位移或线位是仪表指针的角位移或线位移。灵敏度反映了仪表对被测量变化的灵敏程度。移。灵敏度反映了仪表对被测量变化的

11、灵敏程度。分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小输分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。入变化量。 分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式仪表而言，分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式仪表而言，分辨率就是数字显示器最末位数字间隔，代表被测量的变分辨率就是数字显示器最末位数字间隔，代表被测量的变化与量程的比值。化与量程的比值。2.2 2.2 温度检测温度检测2.2.1 2.2.1 温度检测方法温度检测方法 按测温元件是否与被测对象接触分为按测温元件是否与被测对象接触分为 接触式和非接触式和非接触式。接触式。（1）接触式）接触式 测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流

12、进行热交换。测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。蚀性介质测量。（2）非接触式）非接触式 测温元件不与

13、被测对象接触，而是通过热辐射测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，缺点：容

14、易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。且结构复杂，价格比较昂贵。 2.2.2 2.2.2 热电偶热电偶(1) (1) 测温原理（热电效应）测温原理（热电效应）热电偶的热电效应热电偶的热电效应参比端、冷参比端、冷端、固定端端、固定端工作端、热工作端、热端、自由端端、自由端00( ,)( )()ABABABEEE 0( ,)( )( )ABEfC 将两种不同材料的导体或半导体将两种不同材料的导体或半导体A和和B连在一起组成连在一起组成一个闭合回路，当两个接点的温度不相同时，则回路内将一个闭合回路，当两个接点的温度不相同时，则回路内将有电流产生，电流大小正比于接点温度有电流产

15、生，电流大小正比于接点温度和和0的函数之差，的函数之差，其极性则取决于其极性则取决于A和和B的材料。的材料。EAB( 0) EAB( ) AB 热电偶中间导体定律：热电偶热电偶中间导体定律：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势种导体时热电偶所产生的总热电势相同。相同。 同理，如果回路中接入更多种导同理，如果回路中接入更多种导体时，只要同一导体两端温度相同，体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势。

16、也不影响热电偶所产生的热电势。因此热电偶回路可以接入各种显示因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。仪表、变送器、连接导线等。热电偶中间导体定律热电偶中间导体定律分度表：当分度表：当0 0= =00时，时， 与温度与温度对对应的数值表。（非线性）应的数值表。（非线性）分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。0( ,)ABE 常常用用工工业业热热电电偶偶比比较较 名 称 分度号 特 点 铂铑30-铂铑6 热电势小，精度高，价格高 镍铬-镍硅 铂铑10-铂 镍铬-康铜 热电势小，精度高，线性差， 价格高 热电势大，线性好，价格低 热电势大，线性差

17、，价格低 B S K E 性能 下 降 热电偶的类型：热电偶的类型： 普通型热电偶、铠装热电偶、多点式热点偶、普通型热电偶、铠装热电偶、多点式热点偶、防爆型热点偶、表面型热点偶等。防爆型热点偶、表面型热点偶等。特点：特点： 热响应时间少，减小动态误差；热响应时间少，减小动态误差； 可弯曲安装使用；可弯曲安装使用； 测量范围大；测量范围大； 机械强度高，耐压性能好。机械强度高，耐压性能好。铠装热电偶铠装热电偶 将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成一个很细、很长，直径为实的整体，经复合拉伸后形成一个很细、很长，直径为1

18、18mm8mm，长度为，长度为1 120m20m的热电偶。的热电偶。扁接插式铠装热电偶扁接插式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防水式铠装热电偶防水式铠装热电偶手柄式铠装热电偶手柄式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶铠装热电偶外观图铠装热电偶外观图多点热电偶多点热电偶 适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。成塔、存储罐等装置中。多点热电偶外观图多点热电偶外观图 防爆型热电偶防爆

19、型热电偶 防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，设计具有足够防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进行隔爆。焰和温度传不到腔外，从而进行隔爆。 特点：特点： 多种防爆形式，防爆性能好；多种防爆形式，防爆性能好； 压簧式感温元件，抗振性能好；压簧式感温元件，抗振性能好； 测温范围大；测温范围大； 机械强度

20、高，耐压性能好。机械强度高，耐压性能好。 无固定装置无固定装置固定法兰式固定法兰式固定螺纹式固定螺纹式活络管接头式活络管接头式直型管接头式直型管接头式 防爆型热电偶防爆型热电偶 外观图外观图 吹气型热电偶吹气型热电偶 通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出保护管通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出保护管外，从而提高热电偶寿命。是外，从而提高热电偶寿命。是3030万吨合成氨装置中不可万吨合成氨装置中不可缺少的测温装置。缺少的测温装置。 另外，压簧固定热电偶、直角弯头热电偶、耐磨阻另外，压簧固定热电偶、直角弯头热电偶、耐磨阻漏热电偶等等。漏热电偶等等。 吹气型热电偶外观图吹气型热电偶外观图 （2

21、）补偿导线）补偿导线 解决参比端温度的恒定问题。解决参比端温度的恒定问题。 补偿导线要求：价格便宜，补偿导线要求：价格便宜，0100范围内的热电性质范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样。与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样。补偿导线连接图补偿导线连接图 现场现场 补偿导线补偿导线 控制室控制室 0 （3）热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）补偿原理：工作端温度补偿原理：工作端温度，参比端参比端0，热电势为热电势为000( ,)( )()( ,0)(,0)EEEEE 00( ,0)( ,)(,0)EEE 因此因此参比端温度补偿方法：参比端温

22、度补偿方法： 计算法计算法冰浴法冰浴法机械调零法（动圈表调零法）：等级机械调零法（动圈表调零法）：等级1.0以上。以上。补偿电桥法：利用参比端温度补偿器。补偿电桥法：利用参比端温度补偿器。例如：用镍铬例如：用镍铬-镍硅（镍硅（K）热电偶测温，热电偶参比端热电偶测温，热电偶参比端温度温度o =20，测得的热电势测得的热电势E（，o）=32.479mV。由由K分度表中查得分度表中查得E（20，0）=0.798mV, 则则E（，0）= E（，20）+ E（20，0） =32.479 + 0.798=33.277 mV再反查再反查K分度表，得实际温度是分度表，得实际温度是800。计算法举例：计算法举例

23、：2.2.3 2.2.3 热电阻热电阻（1 1）金属热电阻）金属热电阻测温原理是基于导体的电阻会随温测温原理是基于导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。度的变化而变化的特性。 热电阻热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的配套使用。直接测量各种生产过程中的-200-200500500范范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。)(1 00ttRRt 热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时

24、，工作仪表便显变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。示出阻值所对应的温度值。 常用热电阻：铜电阻和铂电阻常用热电阻：铜电阻和铂电阻热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型 无固定装置热电阻无固定装置热电阻 固定螺纹式热电固定螺纹式热电阻阻 活动法兰式热电活动法兰式热电阻阻 固定螺纹固定螺纹锥锥式热电式热电阻阻 固定螺纹固定螺纹管接头管接头式热电式热电阻阻 活络管接头式热电阻活络管接头式热电阻 普通型热电阻普通型热电阻 装配式热电阻装配式热电阻装配式热电阻外观图装配式热电阻外观图防喷式铠装热电阻防喷式铠装热电阻扁接插式扁

25、接插式铠装热电阻铠装热电阻防水式铠装热电阻防水式铠装热电阻圆接插式圆接插式铠装热电阻铠装热电阻补偿导线式铠装热电阻补偿导线式铠装热电阻 铠装热电阻铠装热电阻 端面热电阻端面热电阻 适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。表面温度。 防腐防腐热电阻热电阻 采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46F46，适合于适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。仪表。端面热电阻外观图端面热电阻外观图防腐热电阻外观图防腐热电阻外观图 微型热电偶微型热电偶/

26、/热电阻热电阻 适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业不可缺少的温度测量装置。绦纶等行业不可缺少的温度测量装置。 炉壁热电偶炉壁热电偶/ /热电阻热电阻 适合于电厂锅炉炉壁，管壁及其它圆柱体表面测量。适合于电厂锅炉炉壁，管壁及其它圆柱体表面测量。微型热电偶微型热电偶/热电阻外观图热电阻外观图炉壁热电偶炉壁热电偶/热电阻外观图热电阻外观图（2 2）半导体热敏电阻）半导体热敏电阻 测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。的变化而变化的特性。NTCNTC型：负温度系数热敏电阻，多数是此

27、类。型：负温度系数热敏电阻，多数是此类。 PTCPTC型：正温度系数热敏电阻，用于位式温度检测。型：正温度系数热敏电阻，用于位式温度检测。优点：优点： 结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。缺点：缺点： 非线性严重、互换性差、测温范围窄。非线性严重、互换性差、测温范围窄。R Rt t热敏电阻在温度为热敏电阻在温度为t t时刻对应的电阻值；时刻对应的电阻值；A A、BB取决于半导体材料和结构的常数。取决于半导体材料和结构的常数。tBtAeR （1 1）选用原则：较高温度）选用原则：较高温度热电偶；中低温区热电偶；中低温区热电阻；一般以热电阻；一般以50050

28、0为分界，但不绝对。为分界，但不绝对。原因有两点：原因有两点： 在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。大器和抗干扰要求很高。 由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。内引起的相对误差就很突出。 另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质（氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当的保护套管、（氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当的保护套管、连接导线等。连接导线等。2.2.4 热电偶、热电阻的选用

29、热电偶、热电阻的选用（2 2）安装）安装 选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深度。度。 热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。 检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔，避检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔，避免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。热电偶安装示意图热电偶安装示意图 (b) 斜插 (c) 插入弯头处 (a) 错误插法 （3 3）使用）使用

30、 热电偶：热电偶： 参比端温度补偿；参比端温度补偿； 补偿导线的极性不能接反；补偿导线的极性不能接反； 分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致；分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致； 在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表（如电在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表（如电子电位差计、温度变送器等）配套测温时，热电偶的参比子电位差计、温度变送器等）配套测温时，热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。端要与补偿电阻感受相同温度。 热电阻：热电阻： 分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致；分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致； 用三线制接法。用三线制接法。 热电阻温度变送器输入回

31、路是一个不平衡电桥，热电阻温度变送器输入回路是一个不平衡电桥，热电阻为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻，由于热电阻为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻，由于连接热电阻的导线存在电阻，且导线电阻值随环境温连接热电阻的导线存在电阻，且导线电阻值随环境温度的变化而变化，从而造成测量误差，因此实际测量度的变化而变化，从而造成测量误差，因此实际测量时采用三线制接法。时采用三线制接法。 所谓三线制接法，就是从金属热电阻两端所谓三线制接法，就是从金属热电阻两端引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线，引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线，其中两根导线被接入相邻两对桥臂中，另一根其中两根导线被接入相邻两对桥

32、臂中，另一根与测量桥路电源负极相连，如图。由于流过两与测量桥路电源负极相连，如图。由于流过两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，即不影响测量桥路输出电压的大小。抵消，即不影响测量桥路输出电压的大小。2 2. .3 3 压力检测压力检测2.3.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法2.3.2 常用压力常用压力检测仪表检测仪表2.3.3 压力表压力表的选用的选用 压力是重要的工业参数之一，正确测量和控制压力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

33、工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压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。力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。 2 2. .3.1 3.1 压力单位及压力检测方法压力单位及压力检测方法(1) (1) 压力单位压力单位 工程技术上所称的工程技术上所称的“压力压力”实质上就是物理学里实质上就是物理学里的的“压强压强”，定义为均匀而垂直作用于单位面积上的，定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。其表达式为力。其表达式为 AFP 式中式中: : P P 压力；压力；F F 作用力；作用力；A A 作用面积。作用面积。 国际单位制（国

34、际单位制（SISI）中定义：中定义：1 1牛顿力垂直均匀地作用牛顿力垂直均匀地作用在在1 1平方米面积上形成的压力为平方米面积上形成的压力为1 1帕斯卡。帕斯卡简称帕斯卡。帕斯卡简称“帕帕”，单位符号为，单位符号为PaPa。 其它的压力单位其它的压力单位“工程大气压工程大气压”（kgf/cmkgf/cm2 2）、）、 “毫毫米汞柱米汞柱”（mmHgmmHg）、）、 “毫米水柱毫米水柱”（mmHmmH2 2O O）、）、标准大气标准大气压（压（atmatm）等还在应用，换算关系见等还在应用，换算关系见p34p34表表2-62-6。(2) (2) 压力的表示方法压力的表示方法绝对压力：作用于物体表

35、面积上的全部压力，其零点以绝对压力：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，一般用大写符绝对真空为基准，又称总压力或全压力，一般用大写符号号P P表示。表示。大气压力：指地球表面上的空气柱重量所产生的压力，大气压力：指地球表面上的空气柱重量所产生的压力，以以P P0 0表示。表示。 表压力：指绝对压力与大气压力之差，一般用表压力：指绝对压力与大气压力之差，一般用p p表示。测表示。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时，则表压力为负压，负力。当绝对压力小于大气压力时，则表压

36、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。压又可用真空度表示，负压的绝对值称为真空度。差压：任意两个压力之差称为差压。差压：任意两个压力之差称为差压。绝对压力绝对压力01负压大气压力线绝对压力的零线表压力 绝对压力、表压力、负压之间的关系绝对压力、表压力、负压之间的关系(3) (3) 压力的检测方法压力的检测方法弹性力平衡方法：弹性力平衡方法： 弹性元件受到被测压力作用而产生变形，弹性变形弹性元件受到被测压力作用而产生变形，弹性变形产生的弹性力与被测压力相平衡。测出弹性元件变形的产生的弹性力与被测压力相平衡。测出弹性元件变形的位移就可测出弹性力。此类压力计有弹簧管压力计、波位移就

37、可测出弹性力。此类压力计有弹簧管压力计、波纹管压力计、膜式压力计等。纹管压力计、膜式压力计等。 重力平衡方法：主要有活塞式和液柱式。重力平衡方法：主要有活塞式和液柱式。 活塞式压力计将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码活塞式压力计将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。一般作为标准型压力检测仪表来校的质量来进行测量的。一般作为标准型压力检测仪表来校验其他类型的测压仪表。验其他类型的测压仪表。 液柱式压力计是根据流体静力学原理，将被测压力转液柱式压力计是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的，最典型的是换成液柱高度进行测量的，最典型的是U型管压力计。型管压力计。机械力

38、平衡方法：机械力平衡方法： 其原理是将被测压力变换成一个集中力，用外力与其原理是将被测压力变换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力来得到被测压力。机械之平衡，通过测量平衡时的外力来得到被测压力。机械力平衡方法较多用于压力或差压变送器中，精度较高，力平衡方法较多用于压力或差压变送器中，精度较高，但结构复杂。但结构复杂。物性平衡方法：物性平衡方法： 基于在压力作用下测压元件的某些物性发生变化的原理。基于在压力作用下测压元件的某些物性发生变化的原理。如电气式压力计、振频式压力计、光纤压力计、集成式压力如电气式压力计、振频式压力计、光纤压力计、集成式压力计等。计等。 (1) (1) 弹性

39、式压力表弹性式压力表 弹性式压力表弹性式压力表是以弹性元件受压是以弹性元件受压后所产生的弹性变后所产生的弹性变形作为测量基础的。形作为测量基础的。目前广泛使用的弹目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。波纹管和膜片等。2 2. .3.2 3.2 常用压力检测仪表常用压力检测仪表其中：波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；其中：波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。测量。 弹簧管压力表弹簧管压力表中压力敏感元件是中压力敏感元件是弹簧管。弹簧管的弹簧管。弹簧管的横 截 面 呈 非

40、圆 形横 截 面 呈 非 圆 形（椭圆形或扁形），（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心弯成圆弧形的空心管子，如图所示。管子，如图所示。弹簧管压力表弹簧管压力表单圈弹簧管结构图单圈弹簧管结构图154732891020304061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调节螺钉；9接头弹簧管压力表弹簧管压力表 (2) (2) 压力传感器压力传感器 能够检测压力并提供远传信号的装置。能够检测压力并提供远传信号的装置。当压力传当压力传感器输出电信号进一步变换成标准信号感器输出电信号进一步变换成标准信号420mA时，时，又将它称为又将它称为压力变送器压力变送器。 压力传感器分为：

41、应变片式、压电式、压阻式、压力传感器分为：应变片式、压电式、压阻式、电容式、集成式等。电容式、集成式等。 应变片式压力传感器应变片式压力传感器 应变效应：当应变片受到外力作用产生形变（伸长或收缩）应变效应：当应变片受到外力作用产生形变（伸长或收缩）时，其电阻值将发生变化。时，其电阻值将发生变化。根据电阻值的计算公式：根据电阻值的计算公式：AlR式中：式中：l l为金属丝长度；为金属丝长度；A A为金属丝横截面积；为金属丝横截面积； 为为金属丝的电阻率金属丝的电阻率。AdAldldRdR 因此，在应变片的测压范围内，其电阻值的相因此，在应变片的测压范围内，其电阻值的相对变化量为：对变化量为：ld

42、lKAdAldldRdR式中：式中：K=1+2K=1+2称为灵敏度系数，称为灵敏度系数，为泊松比。为泊松比。 压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。它是基于压阻效应工作的，即当它艺制成的扩散电阻。它是基于压阻效应工作的，即当它受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。常用的压阻受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。常用的压阻元件有单晶硅膜片以及在元件有单晶硅膜片以及在N N型单晶硅膜片上扩散型单晶硅膜片上扩散P P型杂质型杂质的扩散硅等，也是依附于弹性元件而工作。的扩散硅等，也是依附于弹性元件而工作。 压阻式压力传感器压阻式压力传

43、感器根据半导体材料的压阻效应：根据半导体材料的压阻效应：式中：式中：为应力；为应力； 为压阻系数。为压阻系数。ldlERdR式中：式中：E E为弹性模量，为弹性模量，E=1.67E=1.67 10101111m m2 2/N /N 当某些材料受到某一方向的压力作用而发生变形当某些材料受到某一方向的压力作用而发生变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上就时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上就产生符号相反的电荷；当压力去掉后，又重新恢复不产生符号相反的电荷；当压力去掉后，又重新恢复不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的材料称为

44、压电材料。材料称为压电材料。 压电式压力传感器压电式压力传感器 1-绝缘体绝缘体 2-压电元件压电元件 3-壳体壳体 4-膜片膜片 压电材料种类较多，有石英晶体、人工制造的压压电材料种类较多，有石英晶体、人工制造的压电陶瓷，还有高分子压电薄膜等。电陶瓷，还有高分子压电薄膜等。实验证明，在两个表面上积实验证明，在两个表面上积聚的电荷量聚的电荷量q q与作用力与作用力F F成正成正比，即比，即FDq式中：式中：D D为压电常数。为压电常数。 测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成将测压膜片作为电容

45、器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。发生变化。 电容式压力传感器电容式压力传感器cc式中：式中：c c为电容器的电容；为电容器的电容； 为电容器极板间为电容器极板间的距离。的距离。 它是将微机械加工技术和微电子集成工艺相结合它是将微机械加工技术和微电子集成工艺相结合的一类新型传感器，有压阻式、微电容式、微谐振式的一类新型传感器，有压阻式、微电容式、微谐振式等形式。等形式。 集成式压力传感器集成式压力传

46、感器 将差压、静压和温度同时测出，再送入微机系统经过将差压、静压和温度同时测出，再送入微机系统经过运算处理后就可以得到修正后的被测差压值、静压值和温运算处理后就可以得到修正后的被测差压值、静压值和温度值。度值。 压力表的选用主要包括仪表型式、量程范围、精压力表的选用主要包括仪表型式、量程范围、精度和灵敏度、外形尺寸以及是否还需要远传和其他功度和灵敏度、外形尺寸以及是否还需要远传和其他功能，如指示、记录、报警、控制等。能，如指示、记录、报警、控制等。选用的依据如下：选用的依据如下：(1) (1) 必须满足工艺生产过程的要求，包括量程和精度；必须满足工艺生产过程的要求，包括量程和精度；(2) (2

47、) 考虑被测介质的性质，如温度、压力、粘度、腐考虑被测介质的性质，如温度、压力、粘度、腐蚀性、易燃易爆程度等；蚀性、易燃易爆程度等；(3) (3) 注意仪表安装使用时所处的现场环境条件，如环注意仪表安装使用时所处的现场环境条件，如环境温度、电磁场、振动等。境温度、电磁场、振动等。 2 2. .3.3 3.3 压力表的选用压力表的选用流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。的流体的数量。累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总合。瞬时流量在某一时段的累积量。合。瞬时流量在某一时段的累积量

48、。质量流量质量流量(qm)：单位时间内流过某截面的流体的质量。单位时间内流过某截面的流体的质量。 单位：单位：(kg/s)体积流量体积流量(qv)：单位时间内流过某截面的流体的体积。单位时间内流过某截面的流体的体积。(工作状态下工作状态下) 单位单位: (m3/s ) qm=qv体积流量体积流量(qvn)：折算到标准的压力和温度下的体积流量。折算到标准的压力和温度下的体积流量。（标准状态下）（标准状态下） qvn=qm/n qvn=qv/n2.4 流量检测流量检测2 2. .4.14.1 流量检测的主要方法流量检测的主要方法（1） 测体积流量测体积流量容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介

49、质连续不容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体的固定容积数来计算流量。断地进行度量，以排出流体的固定容积数来计算流量。例如：例如：椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等。、腰轮流量计、皮膜式流量计等。速度法：测量平均流速，将平均流速乘以管道截面积可得速度法：测量平均流速，将平均流速乘以管道截面积可得流体的体积流量。流体的体积流量。例如：例如：节流式流量计节流式流量计、靶式流量计靶式流量计、弯管流量计、转子流、弯管流量计、转子流量计、电磁流量计、量计、电磁流量计、漩涡流量计漩涡流量计、涡轮流量计、超声流量、涡轮流量计、超声流量计等。计等。（2

50、）测质量流量）测质量流量直接法：直接测量质量流量。直接法：直接测量质量流量。例如：例如：科里奥利力式流量计科里奥利力式流量计、量热式流量计、角动、量热式流量计、角动量式流量计等。量式流量计等。间接法：测出体积流量和密度，经过计算得到。间接法：测出体积流量和密度，经过计算得到。例如：压力温度补偿式质量流量计。例如：压力温度补偿式质量流量计。 该流量计系直读累积式流体流量计，是由装有一该流量计系直读累积式流体流量计，是由装有一对椭圆齿轮转子的计量室、密封联轴器（小口径流量对椭圆齿轮转子的计量室、密封联轴器（小口径流量计采用灵敏度高的磁性联轴器）和计数机构组成。测计采用灵敏度高的磁性联轴器）和计数机

51、构组成。测得旋转频率就可求得体积流量。得旋转频率就可求得体积流量。椭圆齿轮流量测量示意图椭圆齿轮流量测量示意图2.4.2 2.4.2 椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计式中：式中：V V为流量计计为流量计计量室的体积；量室的体积；N N为转为转子转动次数。子转动次数。VNV 2.4.3 2.4.3 差压式流量计差压式流量计 差压式流量计又称节流式流量计，它是利用管路内差压式流量计又称节流式流量计，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。前后的压力差的原理来实现的。YJLB型一体化节流式流量计型一体化节流

52、式流量计 差压式流量计流量测量系统主要由节流装置和差差压式流量计流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成，如图所示。压计（或差压变送器）组成，如图所示。节 流 装 置 或差 压 流 量传 感 器差 压 计 或差 压 变 送 器被 测 流 量qapp差 压 信 号 管 路cb差 压 (流量 )p(q)pq差压式流量计流量测量系统差压式流量计流量测量系统 （1 1）节流装置）节流装置 节流装置是差压式流量传感器的流量检测元件，节流装置是差压式流量传感器的流量检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元是安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里

53、管。件有孔板、喷嘴、文丘里管。标准节流元件标准节流元件孔板孔板喷嘴喷嘴文丘里管文丘里管节流件前后流速和压力分布情况节流件前后流速和压力分布情况 对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流元对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流元件时，由于压力变化必然会引起密度件时，由于压力变化必然会引起密度的改变，即的改变，即1 12 2，这时在公式中应引入体积膨胀系数这时在公式中应引入体积膨胀系数，可压可压缩性流体体积膨胀系数缩性流体体积膨胀系数小于小于1 1，如果是不可压缩性流，如果是不可压缩性流体，则体，则=1=1。 流量公式中的流量系数流量公式中的流量系数与节流装置的结构形式、与节流装置的结构形式

54、、取压方式、节流装置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）取压方式、节流装置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）及管道条件等因素有关。对于标准节流装置，及管道条件等因素有关。对于标准节流装置，值可直值可直接从有关手册中查出。接从有关手册中查出。 pmAqpmAqmv2;200流量方程式为流量方程式为（2 2）差压式流量检测系统）差压式流量检测系统 356421qp2p3p1节流装置；2压力信号管路；3差压变送器；4电流信号传输线；5开方器；6显示仪表差压式流量检测系统结构示意图差压式流量检测系统结构示意图 介质为液体介质为液体 差压变送器应装在节流装置下面，取压点应在工艺差压变送器应装在节流装置下面，取

55、压点应在工艺管道的中心线以下引出（下倾管道的中心线以下引出（下倾4545左右），导压管最好左右），导压管最好垂直安装，否则也应有一定斜度。当差压变送器放在节垂直安装，否则也应有一定斜度。当差压变送器放在节流装置之上时，要装置贮气罐。流装置之上时，要装置贮气罐。 介质为气体介质为气体 差压变送器应装在节流装置的上面差压变送器应装在节流装置的上面, , 防止导压管内防止导压管内积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。 介质为蒸汽介质为蒸汽 应使导压管内充满冷凝液，因此在取压点的出口应使导压管内充满冷凝液，因此在取压点的出口处要装设凝液罐，其它安装同液体。

56、处要装设凝液罐，其它安装同液体。 介质具有腐蚀性介质具有腐蚀性 可在节流装置和差压变送器之间装设隔离罐，内可在节流装置和差压变送器之间装设隔离罐，内放不与介质有互溶的隔离液来传递压力，或采用喷吹放不与介质有互溶的隔离液来传递压力，或采用喷吹法等。法等。2.4.4 2.4.4 靶式流量计靶式流量计 在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，推力与流量的盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，推力与流量的平方近似成正比。靶式流量计适用于测量粘稠性及含少平方近似成正比。靶式流量计适用于测量粘稠性及含少量悬浮固体的液体。量悬

57、浮固体的液体。 流量公式：流量公式：FDKqam)1(129.14式中：式中：K Ka a为流量系数，为流量系数， 为直径为直径比，比， =d/D=d/D，d d为靶直径，为靶直径，D D为为管道直径；管道直径；为被测介质密度为被测介质密度。 靶式流量计靶式流量计 2.4.5 2.4.5 漩涡流量计漩涡流量计 漩涡流量计又称涡街流量计，其测量方法基于流体漩涡流量计又称涡街流量计，其测量方法基于流体力学中的卡门涡街原理。把一个漩涡发生体（如圆柱体、力学中的卡门涡街原理。把一个漩涡发生体（如圆柱体、三角柱体等非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流三角柱体等非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕

58、过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生漩涡，体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生漩涡，形成涡列，且左右两侧漩涡的旋转方向相反。这种涡列形成涡列，且左右两侧漩涡的旋转方向相反。这种涡列就称为卡门涡街。就称为卡门涡街。 在一定的雷诺数在一定的雷诺数Re范围内，体积流量范围内，体积流量qv与漩涡的频率与漩涡的频率f成线性关系。只要测出漩涡的频率成线性关系。只要测出漩涡的频率f就能求得流过流量计管就能求得流过流量计管道流体的体积流量道流体的体积流量qv 。 fSdDdDqtv)25. 11 (42式中：式中：S St t为斯特劳哈尔数，为斯特劳哈尔数，d d为阻流体的特征尺寸。为阻流体的特征

59、尺寸。2 2. .4.6 4.6 质量流量计质量流量计 科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同时，处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥时，处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。利力而制成的一种直接式质量流量传感器。 SITRANS FC SITRANS FC 科里奥利力质量流量计如图科里奥利力质量流量计如图(1) (1) 科里奥利质量流量计（直接式）科里奥利质量流量计（直接式）科里奥利力演示实验科里奥利力演示实验(a)(b)(c)U形软管U U形软管内水不流动形软管内水不流动U U形软

60、管内水流动形软管内水流动法向加速度法向加速度: :向心加速度向心加速度a ar r，其量值为其量值为2 2r r，方向方向朝向朝向P P轴。轴。切向加速度切向加速度: :科里奥利加速度科里奥利加速度a at t, ,其量值为其量值为2 2vv，方方向与向与a ar r垂直。由于复合运动，在质点的垂直。由于复合运动，在质点的a at t方向上作用方向上作用着科里奥利力为着科里奥利力为F Fc c=2vm=2vm，而管道对质点作用着一个而管道对质点作用着一个反向力，其值为反向力，其值为-F-Fc c= -2vm= -2vm。 当质量为当质量为m m的质点在对的质点在对P P轴作角速度为轴作角速度为