第15章传感器在工程检测中应用

第15章传感器在工程检测中应用第一页，共103页。第15章传感器在工程检测中的应用

在工业生产过程及工程检测中,把传感器与其它装置组合起来,组成一个检测系统或调节系统,完成对工业参数的检测与控制。为了实现系统中传感器与其它装置的兼容性与互换性,它们之间是用标准信号进行传输的。标准信号：物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如：直流电流为4~20mA、直流电压为1~5V、压力信号为20~100kPa,直流电流0~10mA。变送器：输出标准信号的传感器。第二页，共103页。15.1温度测量

日常生活中准确的温度是不可缺少的信息内容，如家用电器有：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉这些家用电器中都少不了温度传感器。第三页，共103页。

15.1.1温度概述一、温度与温标

温标符号水的冰点水的沸点关系式摄氏°C0°C100°CF=9/5t+32t=T-273.15华氏°F32°F212°F热力学K273.15K373.15K第四页，共103页。

目前实行的是1990年国际温标（ITS-90）,它同时定义国际开尔文温度（符号ITS-90）和国际摄氏温度（t90）,T90和t90之间的关系为t90/oC=T90/K–273.15(15-1)二、温度测量的主要方法和分类1.温度传感器的组成第五页，共103页。铂丝接触导线导线膨胀室毛细管温泡标尺刻度液体膨胀式膨胀式固体膨胀式气体膨胀式、液体膨胀式：2.温度的测量方法及分类光学高温计辐射式温度计其它原理

电阻式

热电式（热电偶）压力式膨胀式非接触法接触法温度测量比色温度计其它

15.1.2膨胀式温度传感器第六页，共103页。固定式电接点水银温度计可调式铂丝接触导线导线膨胀室毛细管温泡标尺刻度第七页，共103页。二、固体膨胀式固体长度随温度变化的关系为：Lt=Lt0[1+α（t-t0）]式中：Lt、Lt0—温度分别为t、t0时的固体长度。α—固体在温度t、t0之间的平均线膨胀系数。A层膨胀系数较小，称为被动层。B层膨胀系数较大，称为主动层。第八页，共103页。第九页，共103页。第十页，共103页。第十一页，共103页。三、气体膨胀式

温包压力式温度计毛细管压力敏感元件第十二页，共103页。压力式温度计第十三页，共103页。第十四页，共103页。15.1.3热电偶传感器将温度转换为电势大小的传感器叫热电偶。将温度转换为电阻大小的传感器叫热电阻。热电偶测温的主要优点：(1)测量范围广。如铂铑-铂0～1600℃，特殊热电偶：-180～2800℃。(2)测温准确可靠，测量信号便于远传、自动记录和集中控制，因为它直接输出电动势。(3)热电偶可做成各种形式。适应各种测量对象的要求，如快速、小尺寸、点温测量等。(4)结构简单、可应用材料广泛，使用方便。第十五页，共103页。一、热电偶测温原理热电偶：由两种不同材质两根导体A和B互相焊接而成热电效应：两种不同材质两根导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，在此闭合回路中就产生了电势（称为热电势）。这种现象就称为热电现象（热电效应）。导体A、B称为热电极工作端热端测量端自由端冷端参考端第十六页，共103页。两个热电极第十七页，共103页。热电偶接点第十八页，共103页。热电势组成:接触电势和温差电势组成。接触电势：记作eAB（T）和eAB（T0）

eAB(T)=-eBA(T)

（15-2）（15-3）接触电势：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。（热电势）式中：K—波尔兹曼常数e—单位电荷电量N—电子密度接触电势温差电势第十九页，共103页。②温差电势：温差电势：同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。表示为eA（T，T0），eB（T，T0）（15-5）（15-4）式中:NAt和NBt分别为A导体和B导体的电子密度第二十页，共103页。eAB(T,T0)=∵温差电势＜＜接触热电势，常常忽略不计。热电偶的热电势可表示为：热电偶回路中产生的总热电势为eAB(T，T0)=eAB(T)–eAB(T0)(15-7)热电势是接点温度T和T0的函数之差即：e(T，T0)=f（T）-f（T0）若T0保持不变，即:eAB(T0)=f（T0）=C（常数）则:e(T，T0)=f（T）-C=φ（T）（15-8）eAB(T)+e

B(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)(15-6)第二十一页，共103页。二、热电偶基本定律1．均质导体定律

由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状、及沿电极各点处的温度分布无关。2．中间导体定律

在热电偶测温回路内,接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。第二十二页，共103页。（15-12）3．中间温度定律：在热电偶测温回路中，tc为热电极上的某一点的温度，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eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和。第二十三页，共103页。结论：a．如果热电偶两电极材料相同，则无论热电偶两端温度如何，回路内总热电势eAB(t，t0)为零。因此，必须要两种不同材料构成热电偶。b．如果热电偶两端温度相同，则尽管两电极的材料不同，热电偶回路内总热电势eAB(t,t0)为零。三、热电偶类型常用的标准化热电偶:铂铑30-铂铑6,铂铑10-铂,镍铬-镍硅镍铬-铜镍（镍铬-康铜）分度表：热电偶热电势与温度的关系对照表。第二十四页，共103页。第二十五页，共103页。第二十六页，共103页。第二十七页，共103页。第二十八页，共103页。第二十九页，共103页。第三十页，共103页。第三十一页，共103页。四、热电偶的结构形式组成:热电极、绝缘管、保护套管和接线盒。(1)普通型热电偶普通型热电偶铠装热电偶薄膜热电偶第三十二页，共103页。（2）铠装热电偶露头型：结构简单，时间常数小，响应速度快，测温低。接壳型：时间常数较露头型大，测温较高。绝缘型：时间常数较大，由于偶丝受到保护，寿命较长，测温高。第三十三页，共103页。

WRTK2-434/ⅡΦ8*1000mm

铠装固定卡套法兰热电偶

WRSK-143/ⅡΦ6*1000mmGh3030

铠装防爆热电偶

WRNK-332/ⅠΦ4*1000mmGh2520

铠装可动卡套螺纹热电偶第三十四页，共103页。铠装热电偶优点：测温端热容量小,反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕震、耐高压等优点。（3）薄膜热电偶

第三十五页，共103页。五、热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法1．热电偶补偿导线

第三十六页，共103页。用与A、B同样材质的包有绝缘层的导线，把冷端引到远处，这种导线叫做“延伸型补偿导线”。用价格便宜的专用导线A’、B’接在A和B上，把冷端延伸出来，这种专用导线A’、B’叫做“补偿型补偿导线”。

第三十七页，共103页。

补偿导线也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内(0～100℃)与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。eAB（t1,t0）=eA’B’(t1,t0)第三十八页，共103页。注意：a）热电偶和补偿导线连接处的温度不应超出100℃，否则会由于热电偶特性不同而带来新的误差。b）补偿导线的新冷端必须是温度较恒定的地方（如室温）。c）补偿导线与热电偶型号严格配套，并注意正、负极不要接错。第三十九页，共103页。补偿型补偿导线

延伸性补偿导线

第四十页，共103页。2．冷端温度的补偿冷端温度补偿的方法：冰点槽法（0℃恒温法）、冷端温度修正法、补正系数法、校正仪表零点法、补偿电桥法、软件处理法。（1）冷端温度修正方法e(t,0)=e（t,t0)+e（t0,0)（15-14）e（t，t）e（t，0）第四十一页，共103页。例用镍铬-镍硅热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势eAB（t，t0)=33.29mV，而自由端的温度t0=30℃，求被测的实际温度。解：查表15-5得e(30,0)=1.203mv∵e(t,0)=e（t,t0)+e（t0,0)∴eAB(t,0)=33.29+1.203=34.493mV再查表15-5得t829.5℃第四十二页，共103页。第四十三页，共103页。(2)冷端0℃恒温法（冰点槽法）(3)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）第四十四页，共103页。六、热电偶测温线路1．典型热电偶测温线路第四十五页，共103页。第四十六页，共103页。2．热电偶的串并联

（1）同级性串联：

（2）反极性串联：

（3）并联：第四十七页，共103页。15.1.4热电阻传感器

金属导体→金属热电阻电阻材料半导体→热敏电阻热电阻的材料应具有以下特性：(1)电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。(2)电阻率高，热容量小，反应速度快。(3)材料的复现性和工艺性好，价格低。(4)在测温范围内化学物理特性稳定。第四十八页，共103页。一、常用热电阻1．铂热电阻:优点：精度高，稳定性好，性能可靠，易于提纯、复制好，有较高的电阻率。测温范围-200～850℃缺点：电阻温度系数较小，在还原介质中工作时易被沾污变脆，价格较贵。第四十九页，共103页。铂电阻的阻值与温度的关系：在-200～0℃范围内:Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)](15-15)在0～850℃范围内： Rt=R0(1+At+Bt2)(15-16)式中：Rt—温度为t℃时的电阻值；R0—温度为0℃时的电阻值。对于工业用铂电阻，A、B、C是常数A=3.9083×l0-3/℃；B=-5.775×l0-7/℃2；C=-4.183×l0-12/℃4第五十页，共103页。铂的纯度通常用百度电阻比W(100）表示：W(100）=

（15-17）式中：R100—表示100℃时的电阻值。R0—表示0℃时的电阻值。W（100）越高，则其纯度越高，灵敏度越大。工业上用铂电阻，W（100）≥1.385R0=10Ω，对应的分度号为Ptl0。R0=100Ω，对应的分度号为Ptl00。第五十一页，共103页。第五十二页，共103页。2．铜热电阻:特点：⑴电阻温度系数大，电阻率低。⑵电阻与温度呈线性关系。Rt=R0（1+αt）⑶容易加工和提纯，可拉成细丝，价格便宜。⑷易于氧化。

R0=50Ω，分度号为Cu50R0=100Ω，分度号为Cul00规定的电阻比R100/R0=1.428。测温范围：-50～150℃基本误差：±（0.3℃+6×10-3t）第五十三页，共103页。二、热电阻的结构

Rt=R0（1+αt）（15-18）式中：α—铜热电阻的电阻温度系数,α=4.28×10-3/℃。第五十四页，共103页。三、测量电路—电桥电路热电阻内部引线方式有二线制、三线制、四线制三种。P231图15-22第五十五页，共103页。辐射式温度传感器任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量，只是在低温段物体的辐射能力很微弱，而随着温度的升高，辐射能也增大。辐射式温度传感器是利用物体的辐射能随温度而变化的原理进行测温的，它是一种非接触式测温传感器，具有响应时间短，容易进行快速测量和动态测量；测量过程中不干扰被测物体的温度场；测温范围广，可以进行远距离测量等优点。但不能测量物体内部温度，受中间环境介质影响比较大。第五十六页，共103页。集成温度传感器是目前应用广泛的一种集成传感器，有模拟和智能集成温度传感器之分。模拟集成温度传感器是最简单的一种集成化的，专门用来测量温度的传感器，其主要特点是功能单一、性能好、价格低、外围电路简单。智能集成温度传感器采用数字化技术，能以数字形式直接输出被测温度值的传感器，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、能够远程传输数据、带串行总线接口等优点，是研制和开发具有高性价比的新一代温度测量系统必不可少的核心器件。第五十七页，共103页。15.2压力测量

一．压力概述1.压力的概念及单位：

压力:介质（包括气体或液体）均匀垂直地作用在单位面积上的力。p=（15-29）式中：P—压力;F—作用力;A—作用面积。单位为帕斯卡，简称帕(Pa)

1Pa=1N/m2

1

MPa=l03kPa=106Pa1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.332×102Pa1atm=1.01325×105Pa

单位之间换算关系：第五十八页，共103页。2．压力的不同表示方法绝对压力：从绝对真空起算的，作用在物体单位面积的力。又称总压力或全压力,符号：P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。表压力：表示物体受到超出大气压力的压力大小。又称相对压力。

P绝=P表+P大气P表=P绝-P大气负压或真空度：P表＜0（P绝＜P大气）差压：任意两个压力的差值。ΔP=P1-P2第五十九页，共103页。被测压力1环境大气压被测压力2真空状态绝对压力绝对压力真空表压大气压绝1绝2绝对压力与表压的关系第六十页，共103页。二．液柱式压力计1．U型管压力计p=ρg

h式中：h——液面的高度差（m），g——重力加速度（m/s2），ρ——工作液体密度（Kg/m3），p——被测介质压力。第六十一页，共103页。2．单管压力计（杯形压力计）设：杯的截面积为S1，管的截面积为S2。相应的液柱高度为h1和h2。杯的内径为D，管的内径为d。S1h1=S2h2即：h1=被测压力为p=ρgh=ρg(h1+h2)=ρgh2（1+）一般地d2/D2＜＜1，可忽略，则：p=ρgh2第六十二页，共103页。3．斜管压力计设杯的截面积为S1，斜管的截面积为S2

由图可知，h=h1+h2，h2=LsinαLS2=h1S1，∴h=L（sinα+S2/S1）则被测压力为：p=ρgh=Lρg（sinα+S2/S1）角度α为可变的若干数值，使得系数ρg（sinα+S2/S1）为0.1、0.2、0.3……等值。4．液柱式测压的优缺点：优点：结构简单、使用方便，灵敏，价格便宜。缺点：（1）量程受到液体密度限制。（2）不适合测量剧烈变动的压力。

（3）对安装位置、姿势有要求。第六十三页，共103页。三．弹性式压力表

1．弹性元件第六十四页，共103页。

（15-25）式中：c——弹簧的刚度系数；A——活塞的有效面积。弹性位移量Δx与被测压力p的关系第六十五页，共103页。2．弹簧管压力表当管壁厚度h和断面短半轴b的比值，即：h

/b＜0.6～0.7即为薄壁管。超过0.7为厚壁管。第六十六页，共103页。对于薄壁管：（15-26）对于厚壁管：式中：θ——弹簧管中心角的初始角；Δθ——受压后中心角的改变量；R——弹簧管弯曲圆弧的外半径；h——管壁厚度；E——弹性模数；a、b——弹簧管椭圆形截面的长、短半轴；Κ——几何常数（k=Rh/a2）；α、β——与比值a/b有关的参数；μ——弹簧管材料的泊松系数；X——常数，X=第六十七页，共103页。第六十八页，共103页。3．压阻式压力传感器第六十九页，共103页。4．压力传感器的选用与安装（1）压力传感器的选用

被测压力较稳定:最大压力值应不超过满量程的3/4。被测压力波动较大：最大压力值应不超过满量程的2/3。

被测压力最小值：应不低于全量程的1/3。例：要测量高压蒸汽的压力,已知蒸汽压力为（2～4）×105Pa,生产中允许最大测量误差为104Pa，且要求就地显示,问：如何选择压力表?选Y-100型单圈弹簧管压力表,其测量范围为0～6×105Pa要求最大测量误差小于104Pa,即要求传感器的相对误差所以应选1.5级表。第七十页，共103页。

（2）压力传感器的安装传感器测量结果的准确性,不仅与传感器本身的精度等级有关,而且还与传感器的安装、使用是否正确有关。压力检测点应选在能准确及时地反映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,即要选在管道的直线部份,即离局部阻力较远的地方。测量高温蒸汽压力时,应装回形冷凝液管或冷凝器,以防止高温蒸汽与测压元件直接接触。

第七十一页，共103页。

测量腐蚀、高粘度、有结晶等介质时,应加装充有中性介质的隔离罐。隔离罐内的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。压力传感器安装高度应与取压点相同或相近。对于图11-32所示情况,压力表的指示值比管道内的实际压力高,对液柱附加的压力误差进行修正。第七十二页，共103页。11-32压力表位于生产设备下安装示意图第七十三页，共103页。15.3流量测量

一．流量概述

1．流量概念：流量：是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量,称为瞬时流量（简称流量）用q表示。在某一段时间内流过管道的流体总量称为流体总量或累积流量。用Q表示。瞬时流量与累积总量的关系是：Q体积流量：是指单位时间内流过工艺管道某一截面的流体的体积。常用符号qv表示。单位：m3/s或m3/h第七十四页，共103页。qv=

（15-34）式中：v为截面A中某一面积元dA上的流速。体积流量与流速的关系为：

qv=Av（15-35）式中：A—管道截面积，v—平均流速。质量流量：是指单位时间内流过工艺管道某一截面的流体的质量。常用符号qm表示。单位：Kg/s或Kg/h

qm=（15-36）第七十五页，共103页。体积流量与质量流量之间的关系是:qm=ρqv=ρAv(15-37)累积总质量：用Qm表示，单位为Kg（可简称质量总量）累积总体积：用Qv表示，单位为m3（可简称体积总量）质量总量：Qm=体积总量：Qv=2．流量仪表分类：第七十六页，共103页。2.流量仪表分类:

煤气表转子流量计靶式流量计计量表速度式流量计容积式流量计刮板式流量计活塞流量计腰轮流量计椭圆齿轮流量计示踪法核磁共振法相关法混合稀释法涡轮流量计电磁流量计超声流量计热量流量计皮托管流量计标志法测速流量计差压式流量计流体阻力式流量计测速式流量计卡曼旋涡流量计旋进旋涡流量计射流振荡式流量计流量仪表流量计流体振动式流量计第七十七页，共103页。二、差压式流量传感器(节流式流量传感器)组成：主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成。

节流装置的作用：把被测流体的流量转换成压差信号。

差压计作用：对压差进行测量并显示测量值。

差压变送器作用：把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号,以供显示、记录或控制。

第七十八页，共103页。第七十九页，共103页。1．节流装置

常用的节流元件有孔板、

喷嘴、文丘里管。

孔板是装在管道里的局部收缩元件，它是中央有孔的板状物，所以叫孔板。第八十页，共103页。2．测量原理与流量方程式（1）测量原理(2)流量基本方程式

A1v1=A2v2不可压缩理想流体：第八十一页，共103页。三．电磁流量传感器

Ex=BDv（15-39）式中：B——为磁感应强度（T）D——管道内径(m)v——流体的流速,（m/s）Ex——感应电动势,（V）（15-40）体积流量qv与流体流速v关系为式中，K——仪表常数,第八十二页，共103页。特点、使用注意事项特点：(1)基本上无压力损失，可以测量含颗粒、悬浮物的流体流量。如：纸浆、矿浆、煤粉浆等。(2)合理选用衬里材料及电极材料，可测量各种腐蚀性介质流量。(3)量程比大，可达到1：10甚至更大。刻度线性。(4)反应速度快。不足之处：(1)被测介质温度不能太高，在0～200℃范围内使用，压力一般不超过1．6MPa，流速不得低于0．3m/s。(2)被测介质必须是导电性液体。最低电导率＞20us/cm。不能测油类及气体的流量。第八十三页，共103页。注意事项：(1)被测介质应充满管道。(2)最好垂直安装，使液体自下而上流经仪表，如不能垂直安装时，也可以水平安装，但要使两电极在同一水平面上。(3)由于感应电势较小，一般只有几～几十毫伏，外界略有干扰会影响测量精度。因此，要求变送器外壳、屏蔽线、测量管道要单独设置接地点。(4)为防止干扰，安装流量计时，要远离电力电源、强磁场、振动源等。(5)为保证测量精度，要求流量计前有5～10倍管径的直管段。

第八十四页，共103页。四．涡轮流量传感器结构原理第八十五页，共103页。特点：

测量精度高，可耐高压，静压可达50MPa。量程宽，最大流量与最小流量之比大10～30。反应快，可测脉动流量。输出信号为电频率信号，便于远传，不受干扰。注意：（1）最好应用在量程上限的50%以上，有比较满意的线性关系。（2）涡轮流量计必须水平安装。为保证进入流量计前的截面流速分布对称，仪表前要有15D，后要有5D的直管段。必要时，在仪表前加过滤器。防止杂质进入仪表影响测量精度和寿命。第八十六页，共103页。五．旋涡流量传感器1．工作原理第八十七页，共103页。（1）电容检测法（2）应力检测法（3）热敏检测法（4）超声检测法旋涡频率的检测第八十八页，共103页。

2．旋涡频率的检测第八十九页，共103页。15.4物位测量

一．物位概述

液位、料位、和界位总称为物位。

测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位仪表。测量物位仪表的种类:（1）直读式物位仪表玻璃管液位计玻璃板液位计窗口式料位仪表等（2）差压式物位仪表压力式物位仪表差压式物位仪表测量液位的仪表叫液位计,测量料位的仪表叫料位计，第九十页，共103页。（4）电学式物位仪表（5）核辐射式物位仪表（6）声波式物位仪表（7）光学式物位仪表（8）其它型式的物位仪表

（3）浮力式物位仪表带钢丝绳或钢丝带式浮子液位计带杠杆浮球(浮筒)式液位计电阻式(即电极式)电容式电感式压磁式等声波遮断式反射式声阻尼式射流式微波式旋转翼板式称重式重锤探测式等第九十一页，共103页。二.浮力式液位传感器

优点：结构比较简单、直观可靠、对于外界温度、湿