第二章 参数检测((河南理工大学))

第二章参数检测

自然界的很多参数为非电量参数，诸如温度、压力、物位、流量、机械量、物体成分等。本章主要介绍这些非电量参数检测基本原理、检测方法及其实现技术。1第一节概述

一、参数检测的意义参数检测是把反映生产过程状态的参数定量化。用于生产管理、质量管理、实现节能降耗；优化控制系统，实现生产过程的自动化；进行故障诊断，减少或避免事故的发生。2二、参数检测的一般方法参数的检测是以自然规律为基础，利用某些敏感元件特有的物理、化学和生物等效应，把被测变量的变化转换为敏感元件某一物理(化学)量的变化。

3光学法：利用光的发射、透射、折射和反射定律或性质进行检测。红外测温仪4力学法：利用敏感元件将被测量转变成机械位移、变形实现对被测量的检测。弹簧秤5热学法：根据被测介质的热物理量(参数)的差异以及热平衡原理进行参数的检测。

热线风速仪6电学法：利用敏感元件把被测变量转换成电压、电阻、电容等电学量电子体温计用NTC热敏电阻7声学法：利用超声波在介质中的传播以及在介质间界面处的反射等性质进行参数的检测

超声波流量计8磁学法：利用电磁感应原理实现对被测量测量的方法。电磁流量计E=kBdV式中：E--为感应电动势信号（V）;B--磁通密度（T）;d--测量管内径（m）;V–流体流速（m/s）

9射线法：放射线穿过介质时部分能量会被物质吸收，吸收程度与射线所穿过的物质层厚度、物质的密度等性质有关。X射线探伤10对于同一参数的检测，可以用不同的敏感元件来实现，但由于被测对象是千差万别的，敏感元件的特性也不一样，因此在选择敏感元件时要考虑以下因素：

（1）敏感元件的适用范围（2）敏感元件的参数测量范围（3）敏感元件的输出特性11三、常见的检测参数热工量：温度、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位机械量：尺寸（长度、厚度、角度）、直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）12物体的性质和成分量：酸碱度、浓度、密度、黏度、浊度等状态量：

颜色、透明度、缺陷、表面质量（粗糙度、白度、灰度）等。电工量（U、I、f、R、Z、E、B……在电工、电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。）常见的检测参数（续）13第二节温度的检测

一、概述1、温度的概念温度是表征物体冷热程度的物理量。温度在微观上，表现为大量分子运动平均强度。分子运动愈剧烈其温度表现越高。温度在宏观上，变现为热传导和热平衡。任意两个温度不同的物体，只要有温度差存在，热量就会从高温物体向低温物体传递，直到两物体温度相等，即达到热平衡为止。142、温标

为了保证温度量值的准确和统一，应该建立一个用来衡量温度高低的标准尺度，简称为温标。常用温标：（1）摄氏温标摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰点为0度，沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为℃1742年，瑞典科学家安德斯·摄尔修斯（AndersCelsius，1701-1744）最先定义的。

15（2）华氏温标华氏温标规定标准大气压下纯水的冰点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为℉。华氏温标和摄氏温标的换算为：F=9/5C+32

C=5/9(F-32)

德国物理学家：华伦海特首先定义的。16（2）热力学温标（开尔文温标、绝对温标

）以热力学定律为基础的一种理论温标，已被国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。（K）规定摄氏零下273.15℃为零点，其分度法与摄氏温标相同（即摄氏温标上也相差1℃，绝对温标上相差1K）。目前中国已规定采用这种热力学温标。k=273.15+t或t=k-273.15水的冰点：273.15K，沸点：373.15K。173、测温方法（1）接触式测温感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等，温度计的示值就是被测对象的温度。（2）非接触式测温感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射实现热交换，据此测出被测对象的温度。18接触式与非接触式测温特点比较方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变被测对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度；被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合1200℃以下，热容大，无腐蚀性对象的连续在线测温。对高于1300℃以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为l.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2～3秒其他特点整个测温系统结构简单，体积小，可靠，维护方便，价格低廉；仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂，体积大，调整麻烦，价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置194.接触式测温：（1）膨胀式温度计：测温敏感元件在受热后尺寸或体积会发生变化，该变化与温度具有一定的函数关系玻璃液体温度计20双金属温度计(1)固体膨胀式温度计2122(2)压力式温度计：根据一定质量的液体、气体在定容条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理制成的。23

原理：温包、毛细管、弹簧管内充有工作物质，工作物质的体积随温度变化而变化，产生压力，使连杆推动指针移动。波登管----弹簧管24(3)热电阻温度计：利用金属(包括合金)导体或金属氧化物半导体做成温度敏感元件，当温度变化时，其电阻值也发生变化。所以可利用随温度而变化的电阻值来进行测量温度。25热电阻温度传感器金属式---热电阻；（铂、铜、铁、镍等）半导体式---热敏电阻26各种温度传感器27(4)热电偶温度计：基于塞贝克热电效应原理。28(5)热敏电阻温度计：用电阻值随电阻体温度而显著变化的半导体电阻制成的29材料：分类：正温度系数热敏电阻(PTC)负温度系数热敏电阻(NTC)临界温度系数热敏电阻(CTR)半导体---半导体热电阻热敏电阻非线性家用电器电熨斗、电冰箱、电饭煲、洗衣机、电暖壶、烘干机、电烤箱、空调机、电热毯、热水器、热得快、电磁炉、汽车电子电子喷油嘴、空调机、发电机防热装置、电热座椅测量仪器流量计、风速表、真空计、浓度计、湿度计、空气传感器、环境监测仪、办公设备复印机、传真机、打印机、扫描仪农业园艺温室控制、人工气候箱、烘干系统、医疗器具体温计、人工透析、散热系统工业生产电动机过热保护、热敏电阻的应用30应用实例：基于热敏电阻的电机过热保护器：Rt1Rt2Rt3：热敏电阻(NTC)，安装在三相绕组附近温度低时

：电阻阻值大三极管不导通继电器不吸合电机运行温度高时

：电阻阻值小三极管导通继电器吸合电机停止315.非接触式测温：

任何物体，若其温度超过绝对零度，就会以电磁波的形式向周围辐射能量。通过检测被测物体热辐射能量，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。玻耳兹曼定律：E：全辐射强度；σ：玻耳兹曼常数；T:绝对温度。32辐射测温仪表主要组成33(1)光学高温计：将物体的光谱辐射亮度和标准光源的光谱辐射亮度进行比较，来确定待测物体的温度。34(2)光电高温计：35（3）辐射式温度传感器

红外辐射---物体本身有一定的温度（电机/电器/火炉/冰块）物体温度越高---红外辐射能量越大。

特点：非接触测量，远距离/带电/不能直接接触---不影响温度分布；速度快；灵敏度高；测量范围广(-10~1300

C)；抗干扰。36第三节压力的检测

一、概述1、基本概念

工程上把垂直均匀作用在单位面积上的力称为压力，即物理学中定义的压强。国际单位：帕斯卡，简称：帕（Pa）。即1N的力垂直作用在1m2面积上所形成的压力。37（1）工程大气压：符号at。即1kg力垂直作用在1cm2面积上所形成的压力。2.工程单位（2）标准大气压：符号，atm。即在纬度45°的海平面上，0℃时的平均大气压。（3）约定毫米汞柱：符号，mmHg。即在标准重力加速度下，0℃时1mm高的水银柱在1cm2的底面上所产生的压力。（4）约定毫米水柱：符号，mmH2O。即在标准重力加速度下，4℃时1mm高的水柱在1cm2的底面上所产生的压力。38（1）绝对压力作用与物体表面上的全部压力3.表述方法（2）大气压力地球表面上的空气柱重力所产生的平均压力。（3）相对压力绝对压力与大气压力之差。（4）差压任意两个压力之差。39二、压力检测的主要方法及检测仪表（1）液柱式压力检测根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来实现测量.U型压力计40U形管压力计△P=P1－P2=ρg(h1+h2)41（2）弹性式压力检测根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移来实现测量常用弹性元件42弹性压力计的组成框图43弹簧管压力计单圈弹簧管连杆支座管接头指针扇形齿轮44（3）电气式压力检测利用敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、电感、电容、电位差等压电式压力传感器45一般用压力表传递压力信息的距离不能很远，要向远距离传输压力信息，往往是将弹性测压元件与电气传感器相结合构成压力变送器，工业上常称为差压变送器。它能以统一信号进行传输、显示和控制。（4）压力变送器46电容式压力变送器47三、压力仪表的选择

1.仪表量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4

被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3

为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3

优先满足最大工作压力条件482、仪表精度的选择压力检测仪表的精度主要根据生产允许的最大误差来确定，即要求实际被测压力允许的最大绝对误差应小于仪表的基本误差。根据生产允许的最大测量误差确定仪表的精度尽可能选用精度较低，价廉耐用的压力仪表493、仪表类型的选择被测介质的性质对仪表输出信号的要求使用的环境50第四节流量的检测

一、基本概念

流量的表示：可用体积流量和质量流量表示。

流量：是指单位时间内通过某截面的流体数量。

流体主要包括：气体、蒸汽和液体。511体积流量流体数量以体积表示称为体积流量：2质量流量流体数量以质量表示称为质量流量：3总流量：某段时间内流体的累积流量，称为总流量。：流体密度。52二、流量检测方法及常用的流量检测仪表

1差压法

在管路内安装上检测元件（节流元件），当流体流过节流元件时，在其上、下游间产生压力差。由于此压力差和流量间有一定函数关系，因此，检测此压差，即可变换出流量。53差压式流量计的结构54节流孔板压力变小

55节流装置（取压管及内部的节流孔板）

节流孔板后取压管

前取压管前取压管压力大，后取压管压力小。562、容积法（容积式流量计）

根据输送流体的容积空间大小实现流量的测量。容积空间的运动次数(或运动速度)与流量成正比。记录运动次数或速度，则可得出一段时间内的累积流量。容积式流量计:椭园齿轮式流量计、旋转叶轮式水表等。57椭圆齿轮流量计58每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。基本原理主动齿轮从动齿轮593、速度法（涡轮流量计、电磁流量计）

原理：测出流体的流速，再乘以管道截面即可得出流量。按流速测量的方法不同，能构成多种多样的流量仪表和检测系统。604、流体阻力法

利用流体流动给设置在管道中的阻力体以作用力，作用力大小和流量大小有关。靶式流量计：电容电桥受到流体作用力后失去平衡，有电压输出。615.流体振动法（涡街流量计）在管道中放入挡块，使流体流过后产生振动，可得到与流量有关的频率输出信号。流量大，流体振动频率高。

旋涡产生示意图

阻挡物交替旋涡62在工业生产中，往往需要检测质量流量。所以在测量时，需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量。

但有时密度随温度、压力而变化，所以在测量流体体积流量时，要同时测量流体的压力和密度，进而换算出质量流量。在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。这样便希望用质量流量计来测量质量流量，而无需再人工进行上述换算。6、质量流量检测63三、常用流量仪表的选用1、量程范围；2、各种节流件的选用；3、不同的仪表在不同的测量范围和不同的介质中使用，其准确度会不同；4、不同的仪表的可靠性和可维护性不同。64第五节物位的检测

一、基本概念

在生产过程中，对生产物料(块料、粉料或颗粒物料、液体物料）所具有的体积或在容器内的相对高度的检测称为物位检测。

物位统指液位、料位和界面的位置。

（1）液位指设备和容器中液体介质表面的高低。（2）料位指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。（3）界位指界面位置。

65二、物位检测仪表的分类按所使用的物理原理可分为：

1、直读式物位检测仪表采用侧壁开窗口或加旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。2、静压式物位检测仪表基于流体静力学原理，适用于液位检测。3、浮力式物位检测仪