传感器第5章课件

传感器及应用第5章要点：1.压力的概念、测量方法、传感器的类别，压力计的选择与使用2.流量的概念，流量传感器的类型，差压式流量计的投运，电磁流量计的特点与使用注意问题3.物位的概念、测量方法、零点迁移，超声波物位计的应用第5章压力、流量和物位传感器及应用压力、流量、物位、成分和温度五种物理量统称为过程量或热工量，在化工、印染、冶金等工业生产领域全都是依靠传感器和自动化仪表进行自动检测和控制的。其中，流量和物位也都可以用压力传感器来测量。主要内容●

5.1压力传感器及应用压力的概念，压力传感器类别及其选择和安装●

5.2流量传感器及应用流量的概念、测量方法，差压式流量计及其投运，电磁流量计及其使用注意问题，其他流量传感器●

5.3物位传感器及应用物位的概念及测量方法，静压式液位计、超声波物位传感器等5.1压力传感器及应用5.1.1压力的基本概念及单位1.压力的基本概念压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。它由受力面积和垂直作用力的大小两个因素所决定，用数学式表示为图5-1液柱压力示意图压力也可以用相当的液柱高度来表示，如图5-1所示。根据压力的概念有压力传感器主要类别有电位器式、应变式、霍尔式、电感式、压电式、压阻式、电容式及振弦式等，测量范围为7×10-5～5×lO8Pa；信号输出有电阻、电流、电压、频率等形式。压力测量系统一般由传感器、测量线路和测量装置以及辅助电源所组成。常见的信号测量装置有电流表、电压表、应变仪以及计算机等。目前利用压阻效应、压电效应或其他固体物理特性的压力传感器已实现小型化、数字化、集成化和智能化，直接把压力转换为数字信号输出，通过计算机实现工业过程的现场控制。几种常见的压力传感器性能比较见表5-2。5.1.2压力传感器及其类别1.压力传感器类别

2.常用压力传感器目前我国出厂的弹簧管压力表量程有0.1，0.16，0.25，0.4，0.6，1，1.6，2.5，4，6，10，16，25，40，60(MPa)等。

在弹簧管压力表中装入电触点，可构成具有上、下限指示与控制的电接点信号压力表；与电位器配合，可构成电位器式远传压力表，如YCD—150型压力传感器，它结构简单，价格便宜。在利用变频控制进行恒压供水方面有广泛应用。（1）单圈弹簧管压力表图5-2弹簧管压力表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（2）应变式压力传感器应变式压力传感器用于液体、气体压力的测量，其测量压力范围104～107Pa。应变式压力传感器采用筒式、薄板式、膜片式和组合式弹性元件。硅X型压力传感器：利用半导体材料的压阻效应，在硅膜片表面用离子注入制作一个X形的四端元件，一只X形压敏电阻器被置于硅膜边缘，其原理如图5-3a所示。其中，1脚接地，3脚加电源电压，2脚和4脚输出。图5-6X形硅压力传感器a）工作原理图b）外形图c）电路符号电感式压力传感器是用变换压力的弹性敏感元件将压力变换成位移，再由电感式位移传感器转换成电信号。在压力测量中，差动变压器式传感器应用的比较广泛。如图5-4所示为微压力变送器的结构示意图。由膜盒将压力变换成位移，再由差动变压器转换成输出电压。内装电路，可输出标准信号，故称变送器。

图5-4微压力变送器结构示意图1—接头2—膜盒3—底座4—线路板5—差动变压器6—衔铁7—罩壳8—插头9—通孔（3）电感式压力传感器5.1.4压力计的选择和使用

1.压力计的选择压力计的选择应根据具体情况作具体分析，在符合工艺过程、热工过程所提出的技术要求，适应被测介质的性质和现场环境条件下，本着节约的原则，合理地选择压力计的种类、仪表型号、量程和精确度等级等，以及是否要带报警、远传、变送等附加装置。对于弹性式压力计，为了保证弹性元件能在弹性变形的安全范围内可靠的工作，在选择量程时必须留有足够的余地，一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的3／4，在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2／3。为保证测量精确度，被测压力最小值应不低于全量程的1／3。（1）测量点的选择测量点的选择应能代表被测压力的真实情况。因此，取压点不能处于流束紊乱的地方，应选在管道的直线部分，也就是离局部阻力较远的地方。为避免导压管堵塞，取压点一般要求在水平管道上。在测量液体压力时，2.压力计的使用图5-7导压管与管道的连接导压管与管道的连接如图5-7所示。取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上部，使导压管内不积存液体。（3）压力计的安装测量蒸汽压力或压差时，应装冷凝管或冷凝器。冷凝器的容积应大于全量程内差压计或差压变送器工作空间的最大容积变化的三倍。

当被测流体有腐蚀性，易冻结、易析出固体或是高粘度时，应采用隔离器和隔离液。隔离液应选择沸点高，凝固点低，化学与物理性能稳定的液体，如甘油、乙醇等。被测压力波动频繁和剧烈时(如压缩机出口)可用阻尼装置。安装压力计时应避免温度的影响，如远离高温热源，特别是弹性式压力计一般应在低于50℃的环境下工作。安装时还应避免振动的影响。

压力计安装示例如图5-8所示。在图c所示情况下，压力计上的指示值比管道内的实际压力高。这时，应减去从压力计到管道取压口之间一段液柱的压力，即图5-8压力计安装示例图a)测量蒸汽b)测量腐蚀性介质c)压力计安装在管道下方1-压力计2-切断阀门3-隔离器4-生产设备5-冷凝管

γ1、γ2-被测介质和中性隔离液的重度P=P表-γh

1.流量的概念单位时间内流过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量。而在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为总量或累积流量，如用户的水表、气表等。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。5.2流量传感器及应用5.2.1流量及其测量方法（1）体积流量qv单位时间内通过某截面的流体的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可表示为

（2）质量流量qm单位时间内通过某截面的流体的质量，单位为kg/s。根据定义，质量流量可表示为2.流量的测量方法生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态（如介质的温度、压力等）及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生产过程的情况复杂，某些场合的流体是高温、高压，有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为速度式、容积式和质量式三大类。（1）差压式流量传感器及其原理差压式流量传感器又称节流式流量传感器，主要由节流装置和差压传感器图5-91—节流元件（孔板）2—引压管3—差压传感器4—平衡阀5—正压室切断阀6—负压室切断阀5.2.2几种速度式流量传感器1.差压式流量传感器(或差压变送器)组成，如图5-9所示。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前后的压力差，然后用差压传感器将压差信号转换成电信号，或直接用差压变送器把差压信号转换为与流量对应的标准电流信号或电压信号，以供测量、显示、记录或控制。（1）电磁流量传感器的工作原理如图5-10所示，电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律测量导电性液体的流量的。感应电势大小与磁感应强度、管径大小、流体流速大小有关，即图5-10电磁式流量传感器a)工作原理图b)电极部件剖面图1—铁心2—电极3—绝缘套管4—励磁线圈5-液体2.电磁流量传感器●只能测量导电介质的流体流量。●适用于测量各种腐蚀性酸、碱、盐溶液，固体颗粒悬浮物，粘性介质等溶液；用于各种有卫生要求的医药、食品等部门的流量测量，以及大型管道自来水和污水处理厂流量测量等。●反应迅速，可以测量脉动流量。●测量范围很广，对于同一台电磁流量计，量程比可达1:100。它的口径可以从直径lmm做到2m以上。●使用温度和压力不能太高，使用温度一般低于120℃，最高工作压力一般不得超过1.6MPa。●测量导管壁厚度不超过8mm。●不能用来测量气体、蒸汽和石油制品等非导电流体的流量。●测量导电液体的电导率的下限值一般也不得小于2×10-3～5×10-3S/m(西门子／米)。●流速和速度分布必须符合设定条件，否则将会产生较大的测量误差。●满量程流速下限一般不得低于0.3m/s。（2）电磁流量传感器的特点在选用流量计时，应考虑流量测量仪表的发展趋势，工艺流程中被测流体的种类和状态（液体，气体、蒸汽，温度、压力，粘度，重度、导电性，腐蚀性和脉动等），最大、最小流量，容许压力损失，精确度要求，价格，使用和安装条件，计量、测量和控制等用途。1.流量测量仪表的发展趋势①节流流量仪表逐年下降。②仪表测量精确度有所提高。③微机用于测量仪表，即仪表智能化。如转子流量计、涡轮流量计，超声流量计，激光流速计等。④各种特殊情况下的流量测量仪表发展很快，如用于两相介质（气固、液固，液气），高温，高压下的流量测量仪表。2.流量测量仪表的选择参考表5-3。5.2.3流量测量仪表的选用物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不溶液体介质的分界面的高低和固体粉末状颗粒物料的堆积高度等的总称。这一类传感器根据具体用途分为液位、料位、界位传感器。

5.3物位传感器及应用5.3.1物位测量概述在图5-1中，液柱式压力计是用液柱高度来表示压力（或压差）大小的。与此相反，也可用压力（或压差）的大小来表示液柱高度（即液位的高低）。静压式液位计就是以这一原理为基础的液位测量仪表。5.3.2静压式液位计（1）差压式液位计工作原理差压式液位计也属于静压式液位计的一种，它广泛适用于密封容器的液位测量。图5-13用差压计测量液位原理图2.差压式液位计如图5-13所示，设PA为密闭容器中的气相A点的静压(气相压力)，PB为液相B点的静压，H为液柱高度，ρ为液体密度。则A、B两点的压差为：△P=PA-PB=PA+Hρg-PA=Hρg如果为敞口容器，则PA为大气压，则为：P=PB=Hρg

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒及粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线被堵、被腐蚀的问题，需要用法兰式差压变送器。如图5-14所示，容器经法兰、毛细管与变送器的测量室相通。其测量部分及气动转换部分的动作原理与气动差压变送器基本相同。图5-14法兰式差压变送器测量液位原理图（2）法兰式差压变送器原理（3）零点迁移利用差压变送器测量密闭容器液位时，由于现场的安装条件不同，存在零点无迁移、正迁移和负迁移三种情况。当差压变送器的测量室与容器最低液位安装在同一水平面上时，式（5-9）成立，无零点迁移。当差压变送器的测量室的安装位置低于容器最低液位h高度时，不论实际液位如何变化，差压计变送器输出为△P=Hρg+hρg，即变送器的测量室总是增加了一个固定的压差hρg，需要抵消固定正值hρg的作用，其方法叫做正迁移。当液位上的介质是可凝气体(如蒸汽)时，负压侧连通管中充满介质的冷凝液，为使连通管中液柱恒定，正压室的压力只随液位的变化而变化，在图中虚线所示部分装有截面积较大的平衡容器(又称冷凝器)。假定连通管中充满介质的冷凝液与容器中液体密度相同，则作用在变送器正、负压室的压差为△P=P1-P2=Hρg-（H0-h）ρg。可见，无论实际液位如何变化，变送器测量室总是减少了一个固定的压差（H0-h）ρg，抵消固定负值（H0-h）ρg的方法叫做负迁移。

5.3.3超声波物位传感器及应用超声波物位检测是利用超声波在两种物质的分界面上的反射特性，测量测量超声波传感器从发射超声脉冲开始到接收反射回波脉冲为止的时间间隔来实现的。1.超声波物位传感器的类型与特点