传感器与检测技术（下篇共上下2篇）547

7.1流量的基本概念7.1.1流量测量的基本概念7.1.2流量检测的方法和分类流量测量流量仪表流量传感器流量参数的特殊性以及流量测量的重要性决定了流量传感器是能源计量和环境保护的重要技术手段，是保证工业生产质量的关键技术基础；在国防科技领域具有重要应用背景。7.1.1流量测量的基本概念单位时间内流体通过一定截面积的数量。体积流量－用流体的体积来表示（qv），单位为m3/h。瞬时质量流量－用流量的质量来表示（qm），简称质量流量，单位为kg/min。

累积流量－一段时间内流体体积流量或质量流量的累积值累积体积流量累积质量流量流量计量－对在一定通道内流动流体的流量进行测量。流量测量的任务：根据测量目的，被测流体的种类、状态、测量场所等条件，研究各种相应的测量方法，并保证流量量值的正确传递。7.1流量的基本概念7.1.1流量测量的基本概念7.1.2流量检测的方法和分类7.1.2流量检测的方法和分类检测量的不同分为：体积流量质量流量

1.体积流量的测量方法

（1）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，以排出流体固定容积数来计算流量。 椭圆齿轮流量计、旋转活塞式流量计和刮板流量计。 受流体的流动状态影响小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。

（2）速度法： 这种方法是先测出管道内的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量。较宽的使用条件，可用于各种工况下的流体的流量检测，利用平均流速计算流量，管路条件的影响大，流动产生涡流以及截面上流速分布不对称等都会给测量带来误差。检测管道内流速的方法①节流式检测方法（差压流量检测法）；②电磁式检测方法；③变面积式检测方法；④旋涡式检测方法；⑤涡轮式检测方法；⑥声学式检测方法；⑦热学式检测方法。2.质量流量的测量方法（1）直接法： 利用检测元件，使输出信号直接反映质量流量。 利用孔板和定量泵组合实现的差压式检测方法； 利用同轴双涡轮组合的角动量式检测方法； 应用麦纳斯效应的检测方法 基于科里奥利力效应的检测方法。（2）间接法：用两个检测元件分别测出两个相应参数，通过运算间接获取流体的质量流量。①ρqv2检测元件和ρ检测元件的组合；②qv检测元件和ρ检测元件的组合；③ρqv2检测元件和qv检测元件的组合。Endthe7.17.2差压式流量计（DPF）历史悠久、技术成熟、应用最广泛。按检测件的作用原理分:

节流式、动压头式、水力阻力式、离心式、动压增益式和射流式等几大类，节流式和动压头式应用最为广泛。节流式特点：结构简单、使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工况下的流量。节流式差压流量测量

7.2.1差压式流量计组成及测量原理7.2.2节流装置7.2.1差压式流量计组成及测量原理1.差压式流量计组成2.测量原理1.差压式流量计组成差压式流量计组成框图节流装置：安装于管道中产生差压，节流件前后的差压与流量成开方关系。引压导管：取节流装置前后产生的差压，传送给差压变送器。差压变送器：产生的差压转换为标准电信号（4-20mA）。2.测量原理孔板附近的流速和压力分布测量原理当流体流经管道内的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。 流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。基础：流体连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）。压差影响因素： 流量、节流装置形式、管道内流体的物理性质（密度、粘度）设被测流体为不可压缩的理想流体（液体），根据伯努利方程，对截面I—I、Ⅱ—Ⅱ处沿管中心的流体有以下能量关系：式中，p’1、v1——截面I—I处的压力和速度；

p’2、v1

——截面Ⅱ—Ⅱ处的压力和速度。根据流体的连续性方程得：代入式（7.2.2）得对于截面积Ⅱ—Ⅱ代入质量流量方程得反映质量流量和孔板前后压差之间关系的理论方程式A2代表流束最小收缩截面，用孔板的开孔截面A0代替式（7.2.4）对式（7.2.4）用一个无量纲数C修正，C称为流出系数。上式为针对不可压缩的理想流体而得出的流量公式。对于可压缩流体（如各种气体、蒸汽）流过节流装置时，压力发生改变必然引起密度的改变，因此对于可压缩流体上式应引入气体可膨胀系数，则式变为：差压式流量计的流量公式节流式差压流量测量

7.2.1差压式流量计组成及测量原理7.2.2节流装置7.2.2节流装置按其标准化程度分：

(1)标准节流装置 按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流校准即可确定其流量值并估算流量测量误差;

(2)非标准节流装置 成熟程度较差，尚未列入标准文件的检测件。标准型节流装置

节流装置=节流元件+取压装置+上下游测量导管图7.2.3标准型节流装置（a）孔板（b）喷嘴1.标准型节流装置标准节流装置ISO5167或GB／T2624中所包括的节流装置称为标准节流装置。标准孔板标准喷嘴经典文丘里管文丘里喷嘴。（1）标准孔板

标准孔板图孔板的三种取压方式

表7.2.3标准孔板使用范围（d和D的单位用mm）角接取压法兰取压D（D/2）取压d≥12.550≤D≤10000.20≤β≤0.755000≤Re（0.20≤β≤0.45）1260β2D≤Re10000≤Re（0.45<β）（2）标准喷嘴ISA1932喷嘴长径喷嘴ISA1932喷嘴长径喷嘴

2.非标准节流装置（1）低雷诺数：1/4圆孔板，锥形入口孔板，双重孔板，双斜孔板，半圆孔板等；（2）脏污介质：圆缺孔板，偏心孔板，环状孔板，楔形孔板，弯管节流件等；（3）低压损：罗洛斯管，道尔管，道尔孔板，双重文丘里喷嘴，通用文丘里管等；（4）脉动流节流装置；（5）临界流节流装置：音速文丘里喷嘴；（6）混相流节流装置。Endthe7.27.3电磁流量计利用法拉第电磁感应定律，测量导电液体体积流特点：测量通道是光滑直管，不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体；不产生因检测流量所形成的压力损失；不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化影响；前置直管段要求较低；测量范围度大，通常为20:1～50:1；不能测量电导率很低的液体；不能用于较高温度的液体。7.3电磁流量计7.3.1电磁流量计结构与原理7.3.2电磁流量计的选用与安装7.3.1电磁流量计结构与原理1.电磁流量计原理2.电磁流量计的构成1.电磁流量计原理基本原理：法拉第电磁感应定律： 导体在磁场中切割磁力线运动时产生感应电动势。电磁流量计测量原理导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动，与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势液体的体积流量式中,K为仪表常数，K=4kB/πD

在管道直径确定，磁感应强度不变的条件下，体积流量与电磁感应电势有一一对应的线性关系，而与流体密度、粘度、温度、压力和电导率无关。2.电磁流量计的构成电磁流量计＝流量传感器＋转换器（1）电磁流量计流量传感器外壳磁路系统测量管衬里电极 ①外壳（铁磁材料制成）

功能：保护激磁线圈，隔离外磁场的干扰。 ②磁路系统

功能：产生均匀的直流或交流磁场直流磁场可用永久磁铁来实现，结构简单工业现场电磁流量计，一般都采用交变磁场，磁感应强度为感应电势为电磁流量计的励磁方式励磁方式励磁波形特征直流适用于液体金属流体的测量。测量水流量时，在电极上发生极化现象，不能用。正弦波以前主流的励磁方式。受电化学影响小，但是零点容易漂移。测量速度较快。低频矩形波目前主流的励磁方式。零点较稳定。测量速度较慢。低频三值波有一半时间无磁场，零点稳定。测量速度较慢。 ③测量管

流过被测流体，两端设有法兰，用做连接管道。测量导管采用不导磁、低导电率、低导热率并据有一定机械强度的材料制成，一般可选用不锈钢、玻璃钢、铝及其它高强度的材料。 ④衬里

在测量导管内壁的一层耐磨、耐腐蚀、耐高温的绝缘材料。

主要功能：增加测量导管的耐磨性与腐蚀性，防止感应电势被金属测量导管壁短路。⑤电极：正确引出感应电势信号用不锈钢非导磁材料制成，安装时要求与衬里齐平（2）转换器-基于正弦波励磁的功能：放大感应电势、抑制主要的干扰信号。 采用了交变磁场克服了极化现象，但增加了电磁正交干扰信号，正交干扰信号的相位和被测感应电势相差900

消除正交干扰的方法：

信号引出线自动补偿 转换器的放大电路反馈补偿。

①转换器与电磁流量传感器连线自动补偿方式②转换器组成原理转换器方框图（2）转换器-基于低频矩形波励磁的①励磁电流波形和传感器输出波形②转换器组成原理转换器方框图③信号处理流程基于梳状带通滤波的水流量信号处理流程7.3电磁流量计7.3.1电磁流量计结构与原理7.3.2电磁流量计的选用与安装7.3.2电磁流量计的选用与安装大口径仪表较多应用于给排水工程。中小口径常用于固液双相流等难测流体或高要求场所如测量造纸工业纸浆液和黑液、有色冶金业的矿浆、选煤厂的煤浆、化学工业的强腐蚀液以及钢铁工业高炉风口冷却水控制和监漏，长距离管道煤的水力输送的流量测量和控制。小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。（1）选用考虑要点①精度②流速③范围度④口径

⑤液体电导率①精度

市场上通用型电磁流量计的性能有较大差别，有些精度高、功能多，有些精度低、功能简单。精度高的仪表基本误差为（±0.5%～±1%）FS，精度低的仪表则为（±1.5%～±2.5%）FS，两者价格相差1～2倍。 因此测量精度要求不很高的场所（例如非经济核算仅以控制为目的，只要求高可靠性和优良重复性的场所）选用高精度仪表在经济上是不合算的。②流速选定仪表口径不一定与管径相同，视流量而定。流程工业输送水等粘度不同的液体，管道流速一般是经济流速1.5～3m/s。电磁流量计用在这样的管道上，传感器口径与管径相同即可。满度流量时液体流速可在1～10m/s范围内选用，用于有易粘附、沉积、结垢等物质的流体，选用流速不低于2m/s，自清扫、防止粘附沉积等作用测量接近阈值的低电导液体，尽可能选定较低流速（小于0.5～1m/s）

③范围度

电磁流量计的范围度较大，通常不低于20，带有量程自动切换功能的仪表，可超过50～100。 ④口径国内定型产品的口径从10mm～3000mm，实际应用还是以中小口径居多，与大部分其他原理流量仪表（如容积式、涡轮式、涡街式或科里奥利质量式等）相比，大口径仪表占有较大比重。⑤液体电导率使用电磁流量计的前提是被测液体必须是导电的，不能低于阈值（即下限值）。电导率低于阈值会产生测量误差直至不能使用，超过阈值即使变化也可以测量，示值误差变化不大，通用型电磁流量计的阈值在10-4～（5×10-6）S/cm之间，视型号而异。使用时还取决于传感器和转换器间流量信号线长度及其分布电容，制造厂使用说明书中通常规定电导率相对应的信号线长度。（2）流量传感器安装①安装场所②直管段长度要求③安装位置和流动方向④接地①安装场所测量混合相流体时，选择不会引起相分离的场所；测量双组分液体时，避免装在混合尚未均匀的下游；测量化学反应管道时，要装在反应充分完成段的下游；尽可能避免测量管内变成负压；选择震动小的场所，特别对一体型仪表；避免附近有大电机、大变压器等引起电磁场干扰；易于实现传感器单独接地的场所；尽可能避开周围环境有高浓度腐蚀性气体；环境温度在－25/－10～50/600℃范围内；环境相对湿度在10%～90%范围内；尽可能避免受阳光直照；避免雨水浸淋，不会被水浸没。②直管段长度要求长度与大部分其它流量仪表相比要求较低。90º弯头、T形管、同心异径管、全开闸阀后通常认为只要离电极中心线5倍直径（5D）长度的直管段，不同开度的阀则需10D；下游直管段为（2～3）D或无要求；各标准或检定规程所提出上下游直管段长度亦不一致，要求比通常要求高。这是由于为保证达到当前0.5级精度仪表的要求。③安装位置和流动方向安装方向不受限制,但测量固液两相流体最好垂直安装。a,b,e—不良

c,d—良好④接地传感器必须单独接地（接地电阻100Ω以下）。分离型原则上接地应在传感器一侧，转换器接地应在同一接地点。如传感器装在有阴极腐蚀保护管道上，除了传感器和接地环一起接地外，还要用较粗铜导线（16mm2）绕过传感器跨接管道两连接法兰上，使阴极保护电流与传感器之间隔离。Endthe7.37.4涡轮流量计工作原理：置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成正比，通过测量叶轮的旋转角速度就可以得到流体的流速，从而得到管道内的流量值

7.4.1结构和工作原理

7.4.2特点与应用

7.4.3安装注意事项7.4.1结构和工作原理1－紧固件；2－壳体；3－前导向体；4－止推片；5－叶轮；6－电磁感应式信号检测器；7－轴承；8－后导向体涡轮流量计结构(1)壳体（表体）：承受被测流体的压力、固定安装检测部件和连接管道壳体采用不导磁不锈钢或硬铝合金制造。(2)导向体：对流体起导向整流以及支撑叶轮的作用，通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。(3)涡轮（叶轮）：流量计的检测元件，高导磁性材料。 叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种。叶轮的动平衡直接影响仪表性能和使用寿命。(4)轴与轴承：支撑叶轮旋转(5)信号检测器：国内常用变磁阻式涡轮流量计原理当流体通过管道时，冲击管道中心涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。涡轮的转速通过装在外壳上的检测线圈来检测。涡轮流量计的流量方程为体积流量f－流量计输出信号的频率，Hz；

K－流量计的仪表系数，P/m3。仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段。涡轮流量计特性曲线7.4.2特点和应用精度高：所有流量计中，它属于最精确的。重复性好：短期重复性可达0.05％-0.2％输出脉冲频率信号：适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。可获得很高的频率信号（3-4kHz），信号分辨力强。测量范围宽；适用于高压测量：易制成高压型仪表。

难以长期保持校准特性，需要定期校验;不适用于较高粘度介质（高粘度型除外）;流体物性（密度、粘度）对仪表特性有较大影响;受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大;对被测介质的清洁度要求较高：限制了其适用领域，虽可安装过滤器以适应脏污介质，但亦带来压损增大、维护量增加等副作用。应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等的测量7.4.2特点和应用7.4.3安装注意事项应安装在便于维修，管道无振动、无强电磁干扰与热辐射影响的场所.1－入口；2－阀门；3－过滤器；4－消气器；5－前直管段；6－流量计；7－后直管段；8－旁路Endthe7.47.5涡街流量计流体振动流量测量:在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流动，其振动频率与流速（流量）有确定的比例关系涡街流量计旋进（旋涡进动）流量计射流流量计流体振动流量计特点：输出为脉冲频率，其频率与被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响；测量范围宽，一般范围度可达10:1以上；精确度为中上水平；无可动部件，可靠性高；结构简单牢固，安装方便，维护费较低；应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸气。

涡街流量计7.5.1工作原理与结构7.5.2安装使用注意事项7.5.1工作原理与结构1.涡街流量计工作原理

2.涡街流量计结构1.涡街流量计工作原理卡曼涡街旋涡的发生频率式中，U1——旋涡发生体两侧平均流速（m/s）；

Sr——斯特劳哈尔数；

d——旋涡发生体迎面宽度；

m——旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。管道内体积流量流量计的仪表系数（脉冲数/m3）涡街流量计输出的脉冲频率信号不受流体物性和组分变化的影响K与旋涡发生体、管道的几何尺寸、斯特劳哈尔数Sr有关，Sr为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关K在一定雷诺数范围内仅与旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。斯特劳哈尔数与雷诺数关系曲线2.涡街流量计结构涡街流量计＝传感器＋转换器传感器旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体；转换器前置放大器、滤波整形电路、D／A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩涡街流量计（1）旋涡发生体与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关要求如下：①能控制旋涡在旋涡发生体轴线方向上同步分离；②在较宽的雷诺数范围内，有稳定的旋涡分离点，保持恒定的斯特劳哈尔数；③能产生强烈的涡街，信号的信噪比高；④形状和结构简单，便于加工、安装和组合；⑤材质应满足流体性质的要求，耐腐蚀，耐磨蚀，耐温变；⑥固有频率在涡街信号的频带外。旋涡发生体三角柱旋涡发生体旋涡发生体（2）检测元件检测旋涡信号方式:①用设置在旋涡发生体内的检测元件直接检测发生体两侧差压；②旋涡发生体上开设导压孔，在导压孔中安装检测元件检测发生体两侧差压；③检测旋涡发生体周围交变环流；④检测旋涡发生体背面交变差压；⑤检测尾流中旋涡列。表7.5.1旋涡发生体和检测方式一览表（3）转换器表7.5.2检测方式与前置放大器检测方法热敏式超声式应变式应力式电容式光电式电磁式前置放大器恒流放大器选频放大器恒流放大器电荷放大器调谐-振动放大器光电放大器低频放大器转换器原理框图（4）仪表表体涡街流量计7.5.1工作原理与结构7.5.2安装使用注意事项7.5.2安装使用注意事项1.安装注意事项2.使用注意事项1.安装注意事项涡街流量计对管道流速分布畸变、旋转流和流动脉动等敏感，对现场管道安装条件应充分重视，遵照生产厂使用说明书的要求执行。涡街流量计可安装在室内或室外。如果安装在地井里，有水淹的可能，要选用涎水型传感器。传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装，但测量液体和气体时为防止气泡和液滴的干扰，安装位置要注意混相流体的安装涡街流量计对上、下游直管段长度的要求2.使用注意事项（1）现场安装完毕通电和通流前的检查

①主管和旁通管上各法兰、阀门、测压、测温孔及接头应无渗漏现象；②管道振动情况是否符合说明书规定； ③传感器安装是否正确，各部分电气连接是否良好。（2）接通电源静态调试

在通电不通流时转换器应无输出，瞬时流量指示为零，累积流量无变化，否则首先检查是否因信号线屏蔽或接地不良，或管道震动强烈而引入干扰信号。如确认不是上述原因时，可调整转换器内电位器，降低放大器增益或提高整形电路触发电平，直至输出为零。（3）通流动态调试

关旁通阀，打开上下游阀门，流动稳定后转换器输出连续的脉宽均匀的脉冲，流量指示稳定无跳变，调阀门开度，输出随之改变。否则应细致检查并调整电位器直至仪表输出既无误触发又无漏脉冲为止。Endthe7.57.6超声流量计7.6.1工作原理及组成7.6.2选用与安装考虑要点7.6.1工作原理及组成通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。超声流量计的特点：可作非接触测量；无流动阻挠测量，无额外压力损失；适用于大型圆形管道和矩形管道；多普勒超声流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体；超声流量计可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。讨论用于测量封闭管道液体流量的超声流量计。封闭管道用超声流量计分类传播时间法；多普勒效应法；波束偏移法；相关法；噪声法

1.传播时间法声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速的关系求取流速，称之传播时间法。按测量具体参数分类：时差法、相位差法频差法。传播时间法原理图7.6.1传播时间法原理（1）流速方程式超声波顺流从换能器A发送到换能器B的传播速度c被流体流速υm所加快，在管道中流动的速度进行矢量分解为反之，超声波逆流从换能器B传送到换能器A的传播速度则被流体流速υm减慢，在管道中流动的速度进行矢量分解为（1）流速方程式流体在两个超声探头之间传播的路程为：从而有流体在两个超声探头之间传播的时间为：（1）流速方程式这样就得到了两个接收信号间的时间间隔为：整理上面两式，得：（1）流速方程式这样就得到了两个接收信号间的时间间隔为：整理上面两式，得：（1）流速方程式由于流体的速度相对于声波在流体中传播的速度是非常微小的，可将上式做近似处理，得：（1）流速方程式得到流体的流速公式：测量气体这种计算方法对于液体流速的测量来说是可行的但是，在气体超声流量计中，由于超声波在气体中的声速较小，舍去

项中的将给顺逆流时间差的准确测量带来较大误差

设声速为340m/s，流体速度为30m/s,为45°，那么，这一项的误差

（2）流量方程式测量和计算的流速是声道上的线平均流速，计算流量所需是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，差异取决于流速分布状况 因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。对于夹装式换能器仪表，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才能精确的测得流量。体积流量qv为：式中，K——流速分布修正系数，K=Vm/VDN——管道内径。K是单声道通过管道中心的流速（分布）修正系数。管道雷诺数ReD变化K值将变化，仪表范围度为10时，K值变化约为1％；范围度为100时，K值约变化2％。流动从层流转变为紊流时，K值要变化约30％。所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。2.多普勒（效应）法

多普勒（效应）法是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。多普勒法超声波流量计原理图（1）流速方程式

超声换能器A向流体发出频率为fA的超声波，经照射域内液体中散射体，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为：多普勒频移fd正比于散射体流动速度：（2）流量方程式流量方程式形式上与式（7.6.4）相同Kd是散射体的“照射域”在管中心附近的系数；其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。（3）液体温度影响的修正流体声速c是温度的函数，液温变化会引起误差。固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即流体声速c用声楔的声速c0取代，以减小用液体声速时的影响。声楔的射角cosθ=sinφ,sinφ/c＝sinφ0/c0

（4）散射体的影响多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。其他参量如散射体粒度大小组合与流动时分布状况，散射体流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影响频移信号。3.组成组成：超声换能器（超声流量传感器）＋转换器转换器在结构上分：固定盘装式和便携式7.6超声流量计7.6.1工作原理及组成7.6.2选用与安装考虑要点7.6.2选用与安装考虑要点1.测量原理的选择2.安装注意事项1.测量原理的选择选择测量原理是传播时间法还是多普勒法，主要判断要素：液体洁净程度或杂质含量，测量精度要求。基本适用条件如表7.6.1所示。对于外夹装式仪表还要考虑管壁材料和厚度、锈蚀状况、衬里材料和厚度；对于现场安装换能器式仪表要考虑换能器类型；对于大管径传播时间法仪表要考虑声道数。表7.6.1测量原理基本适用条件条件传播时间法多普勒法适用液体水类（江河水，海水农业用水等）,油类（纯净燃油，润滑油，食用油等），化学试剂，药液等含杂质多的水（下水，污水，农业用水等），浆类（泥浆，矿浆，纸浆化工料浆等），油类（非净燃油，重油，原油等）适用悬浮颗粒含量体积含量<1%（包括气泡）时不影响测量准确度浊度>50－100mg/L仪表基本误差带测量管段式±（0.5-1）%R±（3-10）%FS固体粒子含量基本不变时±（0.5-3）%湿式大口径多声道湿式小口径单声道±1.5%R-±3%R夹装式（范围度20:1）重复性误差0.1%-0.3%1%信号传输电缆长度100-300m,在能保证信号质量的前提下，可以小于100m<30m价格较高一般较低2.安装注意事项（1）流量传感器（即带测量管段的插入式换能器总成）的安装 ①安装本类流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。 ②连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器相同，其差别应在±1％以内。③流量传感器上的传感器尽可能在与水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。否则在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。④测量液体时安装位置必须充满液体。⑤上下游应有必要的直管段。水平管换能器安装位置（2）外夹装式换能器的安装①剥净安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。②对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内，以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。单声道换能器垂直管道安装位置③换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝避开接口和焊缝示意图④换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚。衬里、锈层与管壁间不能有间隙。对于锈蚀严重的管道，可震击管壁震掉锈层，保证声波正常传播。但须防止击出凹坑。⑤换能器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证耦合良好。⑥夹装式换能器安装有对称安装和同侧安装两种方法。Endthe7.67.7质量流量计直接式：检测装置的输出信号可以直接表示质量流量的大小。间接式：通过检测两个以上有关质量流量的物理量，然后通过计算得出质量流量。7.7质量流量计

7.7.1直接式质量流量计

7.7.2间接式质量流量计7.7.1直接式质量流量计直接式质量流量常用检测方法：差压式质量流量计、涡轮式质量流量计、动量式质量流量计、热式质量流量计、科里奥利式质量流量计等1.热式质量流量计利用传热原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来测量流量，当前主要用于测量气体。热式流量仪表用得最多有两类：热分布式流量计（thenmaIprohIefIowmeter）利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热传导分布效应。曾称量热式质量流量计；热式质量流量计利用热消散（冷却）效应的金氏定律（KingsIaw），又由于结构上检测元件伸入测量管内，也称浸入型（immersiontype）或侵入型（intrusiontype）。（1）热分布式热式质量流量计热分布式质量流量计工作原理1流量传感器2绕组3测量管4转换器5恒流电原4放大器质量流量cp——被测气体的定压比热容；

A——测量管绕组（即加热系统）与周围环境热交换系统之间的热传导系数；

K——仪表常数；

ΔT——两组线圈平均温度差。质量流量与绕组温度关系测量管加热方式大部分产品采用两绕组或三绕组线绕电阻；除管外电阻丝绕组加热方式外还有利用管材本身电阻加热方式。测量管形状有直管形，还有∏字形结构，为了获得良好的线形输出，必须保持层流流动，测量管内径D设计得很小而长度L很长，即有很大L/D比值，流速低，流量小。热分布式质量流量计按测量管内径分：

细管型（也有称毛细管型）：测量管内径仅0.2~0.5mm，极易堵塞，适用于净化无尘气体。

小型：只有直管型，内径为4mm；（2）浸入式热式质量流量计金氏定律的热丝热散失率表述各参量间关系式中，H/L——单位长度热散失率（J/m•h）；

ΔT——热丝高于自由流束的平均升高温度（K）；

λ——流体的热导率（J/h•m•K）；

cV——定容比热容（J/kg•k）；

ρ——密度（kg/m3）；

U——流体的流速（m/h）；

d——热丝直径（m.）。浸入式质量流量计浸入式热式质量流量计工作原理基于加热探头与气体之间的对流传热将热力学第一定律应用于自加热的圆柱状传感器，分析加热传感器的热扩散效应根据热平衡原理推导加热传感器的热平衡公式，建立加热功率与气体流速、物性参数的具体函数关系为

为探头的加热功率；Tw和Tc分别为加热探头表面和流体的温度；A、B由被测气体的温度压力组分以及传感器探头的尺寸大小等参数决定的，针对特定传感器当被测气体物性参数保持不变时，A、B可以被视为常数；

为被测流体的质量流量，S为管道横截面积；指数n仅在一定条件范围内保持不变，当气体温度、物性参数等参数发生较大变化时，其值也会发生改变

若被测气体的物性参数保持不变的话，则被测流体的质量流量是测量探头的加热功率或探头之间温差的单值函数。若保持加热功率或温差不变，则可以建立质量流量与温差或加热功率之间的函数关系式，其函数关系为根据测量方法的不同，可以分为恒温差型和恒功率型两种恒温差型若保持

比值不变，则质量流量是测速探头加热电流的单值函数。通过检测测速探头的加热电流值，就可以计算出被测气体的质量流量

恒功率型若保持加热功率不变，则质量流量是两个传感器探头之间温差的单值函数。为加热元件提供恒定的加热功率，流体流动带走加热元件的热量，使得加热元件的温度减小。测量加热元件温度与流体温度之间的温度差，就可以计算得到质量流量

两种方法比较测量原理恒温差原理恒功率原理响应速度快，约1~3秒慢，约10~15秒流量范围较小，适用于低流速较大，可测高流速探头温度低，探头温差较低高，零流量时温差较大长期稳定性高,探头温度较低不易老化低,探头温度较高易老化适用介质干燥气体含有一定水分的气体（3）安装注意事项①热分布式：大部分可为任何姿势（水平、垂直或倾斜）安装，有些仪表只要安装好后在工作条件压力、温度下作电气零点调整。大部分制造厂会对此就安装姿势影响和安装要求作出说明。应用于高压气体时传感器则选择水平安装，便于做到调零的零偏置。②浸入式：大部分流量计性能不受安装姿势影响。在低流速测量时因受管道内气体对流的热流影响，使安装姿势显得重要。因此在低和非常低流速流动时要获得精确测量，必须遵循制造厂依据仪表设计结构而定的安装建议。2.科里奥利质量流量计利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。科里奥利质量流量计的特点：精度高、量程比大、动态特性好、无直管段要求、压力损失大等。(1)科里奥利力的基本原理当质量为m的质点以速度υ在对p轴作角速度ω旋转的管道内移动时，质点受到两个分量的加速度及其力。 ①法向加速度：即向心力加速度αr，其量值等于ω2r，方向朝向P轴。 ②切向加速度：即科里奥利加速度αt，其量值等于2ωυ，方向与法向垂直。科氏力的原理（2）科氏质量流量计的组成(2)科里奥利质量流量计的组成组成：流量传感器＋变送器科里奥利质量流量传感器（3）科氏质量流量计的工作原理科里奥利力当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度υ流动时，任何一段长度Δx的管道都将受到一个ΔFc的切向科里奥利力。由于质量流量为qm=ρυA，所以直接或间接测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力就可以测的得质量流量，这是科里奥利质量流量计的基本原理。通过旋转运动产生科里奥利力是困难的，目前产品均代之以管道振动产生的科氏质量流量计测量管等效运动图科氏质量流量计测量管受力原理图

AD1段和D2B段的流体方向相反，故受到的科氏力方向相反，D1CD2段流体流速与平行，故不产生科氏力

段产生的扭矩

对其积分在该扭矩下，测量管发生扭转角为,因为很小，所以系统的扭转变形在其弹性限度之内，因而有设是流量管在振动方向的线速度，同时，，因为很小，所以

没有流量时

有流量时计算公式时间差质量流量；频率流体密度。Δφ为两路信号的相位差ω为信号角频率fs为采样频率密度检测原理振荡频率与密度的关系（2）安装使用注意事项①流量传感器安装一般要求

按照制造厂规定的安装方法和趋避禁止事项。安装设计时尽可能使其有长的使用寿命②流量传感器安装姿势和位置

一般装于自下而上流动的垂直管道较为理想；安装位置必须使测量管内充满液体。③截止阀和控制阀的安装7.7质量流量计

7.7.1直接式质量流量计

7.7.2间接式质量流量计7.7.2间接式质量流量计原理：在管道上串联多个检测元件，建立各自的输出信号与流体的体积流量和密度等之间的关系，通过联立求解方程间接推导出流体的质量流量。间接式质量流量常用检测方法：差压式流量计与密度计的组合；体积流量计和密度计的组合；差压流量计或靶式流量计与体积流量计的组合（1）差压式流量计与密度计的组合差压式流量计的差压输出值与ρqv2成正比，配合密度计进行乘法运算后开方可得到质量流量，（2）差压式流量计与体积流量计的组合差压式流量计差压输出值与ρqv2成正比，而体积流量计输出信号与成正比，将这两个信号进行除法运算得到质量流量差压式流量计与体积流量计组合的质量流量计框图（3）体积流量计和密度计的组合体积流量计输出信号与qv成正比，配合密度计进行乘法运算后得到质量量流公式为：Endthe7.7第8章物位检测8.1概述8.1.1物位检测的基本概念8.1.2物位计分类8.2超声波物位计8.2.1概述

8.2.2连续式超声波物位计

8.2.3超声波物位开关

8.2.4超声波检测液-液相界面8.3雷达物位计8.3.1雷达物位计分类8.3.2导波式雷达物位计8.1概述8.1.1物位检测的基本概念8.1.2物位计分类8.1.1物位检测的基本概念液位、料位和相界面位置统称为物位，用于对物位进行测量、报警、控制的自动化仪表统称为物位测量仪表。液位--生产过程中罐、塔、槽等容器，以及自然界河道、水库里存放的液体的高度或表面位置。料位--在槽斗、罐、堆场、仓库等场所储存的固体块、颗粒、粉料等的堆积高度或表面位置。相界面位置--液-液、液-固界面位置。8.1.2

物位计分类测量方式浮力式差压式电容式磁致伸缩式超声波式微波式测量范围(m)20202.5～30406060测量精度(%)1.5120.10.10.1所测物体液体液体固、液体液体固、液体固、液体工作温度(℃)<150-40～200-200～400-40～130<150<400接触与否接触接触接触接触非接触接触、非接触均可可靠性差一般差一般一般好安装复杂度简单很复杂简单复杂简单简单仪表价格一般高一般一般一般高恒浮力式液位计根据浮标或浮子的升降来反映液面的变化。结构简单、价格较低，适于各种贮罐物位的测量。变浮力式液位计

根据阿基米德定律和磁耦合原理进行测量的。当液位变化时，沉筒浸入液体的深度变化，所受浮力也相应改变，从而引起相应机构如弹簧的伸缩，以反映液位的变化。

能实现远传和自动调节。1.浮力式液位计2.差压式液位计差压式液位计含有气相取压口和液相取压口。气相取压点处的压力为设备内气相压力；液相取压点处的压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力。这类仪表包括气动、电动差压变送器及法兰式液位变送器，安装方便，容易实现远传和自动调节，工业上应用较多。3.电容式物位计电容式物位计分为电容式料位计和电容式液位计。在电容液位计中，又分为测量导电液体液位的液位计和测量非导电液体液位的液位计。电容式物位计是通过测量电容的变化反映物位高低的。以非导电液体液位计为例，向盛有液体的容器中插入一根金属棒作为电容的一极，另一极为容器壁本身，两电极间的介质为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数和液面上的介电常数不同，则当液位变化时，两电极间总的介电常数值随之变化，因而电容量变化。4.磁致伸缩式物位计将一根硬管或柔性管从罐顶通到罐底部,带磁性的浮子沿导波管随液面上下移动。测量时,电流脉冲在磁浮子位置处向上激发出一个应力脉冲,该脉冲沿导波管以声速传播到顶部电子盒中的测量部分，并被转换成电脉冲。根据应力脉冲的传播时间，可测量出液面高度。磁致伸缩液位计除了浮子是可动部件外，其他均是固态电子组件，可靠性高，平均无故障工作时间长。其主要缺点是工作长度较短，目前最长的工作长度仅为18m（柔性缆式）5.超声波物位计利用超声波在气体、液体或固体中传播时衰减、穿透能力和声阻抗不同的性质来测量两种介质的界面。精度高、反应快，但是，成本较高、维护和维修较困难，一般用于测量精度要求较高的场合。6.微波物位计俗称雷达物位计，依据回波测距原理进行物位测量。其喇叭状或杆式天线向被测物料面发射微波，微波传播到不同相对介电常数的物料表面时产生反射，并被天线所接收。发射波与接收回波的时间差与物料面到天线的距离成正比，通过测量传播时间即可计算得到距离。由于微波是电磁波，以光速传播且不受介质特性影响，所以，在一些有温度、压力、蒸汽等条件要求的场合，当超声物位计不能正常工作时，微波物位计仍可以使用8.2.1概述

8.2.2连续式超声波物位计

8.2.3超声波物位开关

8.2.4超声波检测液-液相界面8.2超声波物位计8.2.1概述声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，按频率的不同可分为次声波、声波和超声波等，物位检测中常用超声波的工作频率范围为0.25～20MHz，超声波具有在介质中传播时方向性好、能量损失小等特点，在气体、液体及固体中传播时，具有一定的传播速度，在穿过两种不同介质的分界面时会产生反射和折射，对于声阻抗(声速与介质密度的乘积)差别较大的相界面几乎为全反射，因此，在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射，并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。(1)与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长。(2)超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量。(3)不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号。(4)能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。超声波物位计特点

(5)超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；而且当超声波传播介质温度或密度发生变化，声速也将发生变化，对此超声波物位计应有相应的补偿措施，否则会影响测量精度。另外，有些物质对超声波有强烈吸收作用，选用测量方法和测量仪器时要充分考虑物位测量的具体情况和条件。超声波物位计按使用特点不同可分为：连续式超声波物位计和超声波物位开关两大类，下面分别介绍。采用压电晶体换能器（也叫超声波换能器）来发射和接收超声波，根据回声测距原理，利用超声波从发射到接收的时间间隔与物位高度成比例的关系，通过测量时间间隔进而求得物位高度，根据供超声波传播的介质不同，工业生产中使用的超声波物位计可分为气介式、液介式和固介式三种，常用的是前两种，主要由超声波换能器和电子装置组成超声波换能器完成电能与超声能的可逆转换，它可采用自发自收的单探头式或收发分开的双探头式，单探头式物位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器和接收器。8.2.2连续式超声波物位计双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器。电子装置用于产生电信号，以激励超声波换能器发射超声波，同时接收并处理超声波换能器输出的电信号。图8.2.1为单探头超声波液位计，其中，(a)为气介式，(b)为液介式，(c)为固介式。图8.2.1超声波物位计原理1.气介式超声波物位计单探头气介式超声波物位计由于超声波换能器的作用可逆，在反射波回来时换能器又可起到接收器作用，将超声波变为电信号用计时器测出超声波来回所经历的时间t，即可求得物位高度为：（8.2.1）式中，v为超声波在介质中传播的速度，t为超声波来回所经历的时间。2.液介式超声波液位计探头液介式超声波液位计，超声波换能器既可安装在被测液体的底部，也可安装在待侧容器的底部外侧，工作原理与气介式类似，不同之处是供超声波传播的介质为被测液体。3.固介式超声波物位计超声波被发射后沿固体棒向下传播，到达液面折射后又沿液面传向另一根固体棒，然后被超声波换能器（接收器）接收，将超声波变为电信号。用计时器测出超声波来回所经历的时间t，即可求得液位高度。单探头工作方式，即该探头发射脉冲声波，经传播反射后再接收。由于发射时脉冲需要延续一段时间，故在该时间内的回波和发射波不易区分，这段时间所对应的距离称测量盲区（大约在1m左右）。探头安装时高出最高液面的距离应大于盲区距离，这是单探头工作方式应注意的。双探头工作方式，由于接收与发射声由两探头独立完成，可以使盲区大为减小，这在某些安装位置较小的特殊场合是很方便的。4．超声波声速补偿超声波物位计采用回声测距的方法进行物位测量，测量的关键在于声速的准确性。由于声波的传播速度与介质的密度有关，而密度是温度和压力的函数。例如，0℃时空气中声波的传播速度为331m/s，而当温度为100℃时声波的传播速度增加到387m/s。因此，当温度变化时，声速也要发生变化，而且影响比较大，无法准确测量距离。所以，在实际测量中，必须对声速进行较正，以保证测量的精度。1-检测探头；2-校正探头；3-反射板图8.2.2液介式超声波液位计校正具

在图8.2.2中在容器底部安装两组探头，即测量探头和校正探头，校正探头和反射板分别固定在校正具上，且安装在容器的最底部。校正探头到反射板的距离为L0，假设声脉冲在介质中的传播速度为v0，声脉冲从校正探头到反射板的往返时间为t0，由式（8.2.1）可写出如下关系：（8.2.2）假设被测液位的高度为H，测量探头发出的声脉冲的传播速度为v，声脉冲从探头到液面的往返时间为t，同样可写出如下关系：

因为校正探头和测量探头是在同一种介质中，如果两者的传播速度相等，即v=v0，则液位高度为如下关系（8.2.4）适当选择时间单位，使t0在数值上等于L0，则t在数值上就等于被测液位的高度H。这样便可将液位的测量变为测量声波脉冲的传播时间，因此用校正探头可以在一定程度上消除声速变化的影响，并且可采用数字显示仪表直接显示出液位的高度。校正具的安装位置可视具体情况而定，如果容器内各处的介质温度相同，即各处的声速相等，校正具可以安放在容器内任何地方。为了在液位最低情况下，校正具仍浸没在介质中，一般把校正具水平地安装在接近容器的底部位置。

8.2.3超声波物位开关超声波物位开关用于判断被测物位是否达到预定的高度，并可发出相应的开关信号。

1.气介穿透式超声波料位开关发射换能器接收换能器

气介穿透式超声波料位开关如图8.2.3所示，物位升高到换能器高度时，超声波声路将会被阻断，接收换能器就接收不到超声波，控制器即可发出相应的开关控制信号

2.液介穿透式超声波液位开关

液介穿透式超声波液位开关如图8.2.4所示，当液位处于正常范围时，2、3探头之间的间隙（即小槽）内充满气体，由于固体与气体的声阻抗差别很大，超声波的大部分将在固-气界面上被反射，接收探头所接收到的能量很小。当液位升高到报警限时，间隙内充满液体，由于固体与液体的声阻抗接近，则超声波穿透固-液界面时的损耗就较小，大部分超声波能量可被接收探头所接收。根据接收探头所接收到的能量大小不同，可判断换能器间隙是液体还是气体，可判断液位是否达到预定的高度1-不锈钢外壳；2-发射探头；3-接收探头；4容器；5-接收电路；6-发射电路；7-放大器；8-功率放大器；9-控制器图8.2.4液介穿透式超声波液位开关

3.声阻式超声波液位开关

声阻式超声波液位开关如图8.2.5所示，利用气体和液体对超声波振动的阻尼有显著差别这一特性而工作的，换能器的辐射面1与气体接触时，气体对辐射面振动阻尼较小，换能器压电陶瓷的振幅就比较大；辐射面1与液体接触时，液体对辐射面振动的阻尼较大，换能器压电陶瓷的振幅就较小，配以合适的电路,可自动判断被测液位是否到达探头所在高度。控制器根据所测信号触发继电器动作，发出相应控制信号。

8.2.4超声波检测液-液相界面

利用超声波在介质中的传播速度及在不同密度液体相界面之间的反射特性来检测液-液相界面，如图8.2.6所示，两种不同的液体A、B的相界面在h处，液面总高度为h1，超声波在A、B两种液体中的传播速度分别为v1和v2，采用单探头液介式方式进行测量。超声波在液体A中传播并被A、B两液体相界面反射回来的往返时间为下式：（8.2.5）超声波在液体A、B中传播并被液面反射回来的往返时间为：（8.2.6）由式（8.2.5）和（8.2.6）可得出：（8.2.7）（8.2.8）由式（8.2.7）可知，检测出t1、v1，即可求得相界面高度h。由式（8.2.8）可知，检测出t1、t2和v2，也可求得相界面高度h。8.3雷达物位计8.3.1雷达物位计分类8.3.2导波式雷达物位计8.3.1雷达物位计分类雷达物位计有两种工作模式：(1)脉冲波方式：工作模式与超声物位计相似，天线周期地发射微波脉冲，并接收物料面反射回波，再对回波信号进行分析处理，计算出物位。精确度约为0.2～0.3%FS。一般中档以下的微波物位计都采用此方式。

(2)调频连续波方式(FrequencyModulatedContinuousWave，缩写为FMCW)：天线发射的微波是频率被线性调制过的连续波，当回波被天线接收到时，天线发射的信号频率已经改变，根据接收回波与发射脉冲的频率差可以计算出微波发射端到物料面的距离。FMCW方式的测量电路复杂、价格较高,但是，测量精确度高,可以达到0.1%FS的测量准确度；同时，干扰回波也较易去除,所以，一般比较高端的产品都采用此方式。

基于上述两种工作模式，目前市场上常见的雷达物位计有3种：调频连续波式雷达物位计、脉冲式雷达物位计和导波式雷达物位计。调频连续波式雷达物位计通过喇叭天线发射线性或非线性调制的高频连续波，利用回波与发射波的频率差与物位之间的关系推算物位。它属于非接触式测量，因此可以适用于腐蚀性测量环境。它抗干扰能力强，理论上没有盲区，因此非常适用于近距离物位测量，其测量精度很高。但是，它的测量距离受发射功率的限制，且整体电路复杂、成本高。脉冲式雷达物位计通过喇叭天线发射周期性脉冲信号，利用反射脉冲与发射脉冲的时间间隔推算物位。与调频连续波式相同，它也具有非接触式测量的特点，可以适用于腐蚀性测量环境，测量距离受发射功率的限制等。不同的是，其发射脉冲宽度对测量分辨率有较大影响，宽度越窄，测量分辨率越高；但是，同时其幅值也必须足够大以实现一定距离的传播。导波式雷达物位计的测量原理与脉冲式相似，不同之处是，它的脉冲信号没有经过调制，而是沿着导波杆传播至被测介质。由于导波杆对电磁波能量的汇聚导向作用，使得电磁波能量得以集中的发射至被测介质，减少了空间发散传播消耗，回波信号受干扰程度更小。导波雷达物位计不具有非接触式测量的优点，但是，它有以下优点：

(1)能耗低。由于导波杆为信号的传输提供了一个高效、快捷的通道，信号的衰减程度保持在最小，其发射至导波体的能量约为常规雷达发射能量的10%，因此，安全性也高，更适用于易燃易爆的场合。此外，避免了用单独的交流供电，可采用回路供电，节约安装成本。(2)适合高温高压工况。常温下最高可以在34.5MPa的高压下工作。当导波杆材料为不锈钢或陶瓷时，耐受温度可高达400℃，耐压高达43MPa。(3)可用于测量极低介电常数介质。雷达物位计的回波信号幅值与被测介质的介电常数成正比关系，即被测介质介电常数越大，回波信号幅值越大。导波雷达物位计最低可测介电常数为1.2的介质。(4)测量分界位。发射脉冲在介电常数发生突变的界面发生反射，因此对于产生分界的两种介质，它们的介电常数差异越大，反射波越明显。一般上层介质介电常数小于下层，防止因为过多能量被上层介质界面反射。(5)可测量固态物位。固态物料包括粉末或塑料粒子。为此，本节重点介绍导波雷达物位计。8.3.2导波式雷达物位计

根据导波杆的形式，导波式雷达物位计有杆式和缆绳式两种形式，也可称为刚性杆和柔性杆，如图8.3.1和图8.3.2所示。在一般情况下，杆式导波雷达物位计测量范围为6-8m，缆绳式测量范围高达35m。导波式雷达物位计主要是基于两大技术来实现物位测量的：时域反射技术和等效时间采样技术。时域反射原理是物位测量的基本依据，也就是回波信号及物位计算的理论依据。等效时间采样则是实现回波信号处理的前提。下面分别介绍这两种技术的原理以及导波式雷达物位计的电路组成和工作过程。

导波式雷达物位计采用时域反射技术（TimeDomainReflectometry，简称TDR）。TDR测量原理如图8.3.3所示。当物位计工作时，发射电路发射高频窄脉冲，经同轴电缆发射到导波杆上，沿导波杆传播，当遇到介电常数发生突变的位置时，即遇到物料反射表面时，部分能量被反射，反射脉冲沿导波杆向上传播回到物位计的接收电路，另一部分能量则继续传播至尾部。通过测量发射脉冲和反射脉冲之间的时间间隔，就可以计算出物料反射面与测量点间的距离，从而对物位实现准确的测量。1.时域反射原理

从图8.3.3可以看出，介电常数发生突变的位置至少有三处：内部电缆与导波杆连接点，产生顶部回波；空气与物料的界面，产生物位回波；导波杆末端，产生尾波。在这一过程中的反射回波形成、回波极性等问题，涉及到阻抗匹配，也就是传输线理论，因此，下面对传输线理论进行简单的介绍。传输线是用来传播电磁波能量和信息的线路。当传输的信号频率比较低时，传输线相对于信号波长来说非常短，可忽略其影响，不用考虑波动效应；当传输的信号频率比较高时，信号波长与传输线尺寸相当，此时必须考虑传输线效应。传输线效应，即将传输线等效为由无数个电阻R、电感L、电容C和电导G组成的Γ型网络的串联，如图8.3.4所示。以上四个参数是传输线的基本参数，也称为分布参数。顺线方向的电阻R和电感L起到消耗、阻隔的作用，被称为金属损耗；横截方向的电容C和电导G起到分流、短路的作用，也会损耗信号部分能量，被称为介质损耗。信号沿传输线传播时，均匀传输线上任意一点的电压与电流之比称为特性阻抗，用表示，且有：

(8.3.1)若传输过程中遇到线路故障点，阻抗突变，产生反射波，故障点的阻抗可看成负载阻抗。负载阻抗与特性阻抗的关系可用反射系数来表征：(8.3.2)(8.3.3)式中，为电磁波在传输线中的波速。当频率很高时，它接近于一个恒定的常数。式中，为光在真空中的传播速度，为传输线周围介质高频相对导磁系数，为传输线周围介质高频相对介电系数。

(8.3.4)

在导波雷达物位计的测量中，介质的介电常数反映了它的特性阻抗，且介电常数越大，特性阻抗越小。空气的介电常数是1，被测介质的介电常数普遍大于空气，因此，用相对介电常数表示。所以，根据传输线理论，在图8.3.3中，顶部回波、物位回波、干扰物回波等是负极性的，尾波产生于导波杆末端，相当于传输线断路，因此是正极性的。因为大部分反射回波是负极性的，所以，在硬件电路上将上述回波显示极性进行了互换，更有利于观察和处理。实际的回波信号如图8.3.7所示，图中被测液位为水位。

同样地，只要测出发射脉冲与物位回波的时间差，就可以测得法兰（即脉冲发射点）至液面的距离。结合式(8.3.2)和式(8.3.3)，由于空气、大多数液体的导磁率都是1，法兰到液面的距离可简化为：(8.3.4)2.等效时间采样原理

若导波式雷达物位计测量准确度指标为1cm，分配给时间量检测环节的误差为5mm，根据式(8.3.7)，近似为光速，则要求计数脉冲源的频率为30GHz。如此高的振荡频率实现起来较为困难。且造成反射脉冲的造成原因很多，采用硬件来分辨介质表面反射脉冲也不够可靠。因此，采用数字法直接进行时间量检测并不实际。

根据以上分析，需要将回波信号送入单片机进行物位回波识别后，再计算时间间隔。那么，根据香农采样定律，为使采集的信号不失真，采样频率至少为信号最高频率的两倍。对于导波式雷达物位计，脉冲信号的行程时间为纳秒量级，如果通过实时采样，普通的单片机无法满足要求。为此，采用等效时间采样技术，将周期性的高频、快速信号在时域上放大，扩展成低频、慢速信号。其原理如图8.3.8所示。经过等效时间采样后的信号就可以由单片机对其进行采样，进行信号处理。

导波雷达物位计信号发射和接收以及处理电路由脉冲收发模块、等效时间采样模块、调理电路模块、单片机和液晶显示模块组成，如图8.3.10所示。首先，脉冲发射电路发射447kHz的电磁波脉冲信号至导波杆，该信号沿导波杆向下传播到空气和物料界面处因相对介电常数突变而发生反射，反射回波沿导波杆向上传播，被回波信号接收电路接收。接着，信号被送至等效时间采样电路，完成时间上的放大处理，得到频率为22.37GHz的信号。然后，将信号送到信号调理电路。其调理过程为：首先将回波信号进行分压，降至原信号的1/3；然后，对分压后的信号进行电压偏置处理，抬高电压值；3.电路组成和工作过程

再将信号经过一个跟随电路做阻抗变换，实现前后级的阻抗匹配。经过调理后，信号进入MSP430F5418单片机，完成对回波信号的处理和计算，具体包括信号预处理、物位回波判断、定位点确定和传播时间计算，然后，将传播时间值代入物位—时间函数关系式，得到物位值，并通过液晶显示9.1概述9.1.1成分分析仪器简介9.1.2成分分析仪器的分类9.1.3成分分析仪器的组成9.1.4成分分析仪器的主要性能指标9.1.1成分分析仪器简介专门用来测定物质化学成分的一类仪器。物质的化学成分：指一种化合物或混合物是由哪些种类的分子、原子或原子团所组成，以及这些分子、原子或原子团的含量是多少。成分分析包括内容：确定物质的化学组成，确定物质中各种成分的相对含量9.1概述9.1.1成分分析仪器简介9.1.2成分分析仪器的分类9.1.3成分分析仪器的组成9.1.4成分分析仪器的主要性能指标9.1.2成分分析仪器的分类按照使用场合的不同分:实验室分析仪器过程分析仪器两大类。两者的重要区别:在于过程分析仪器具有连续、可靠、精确地向操作人员或自控装置及时提供工艺过程质量信息的功能，在结构上具有能够自动地连续采样、对试样进行预处理（抽吸、过滤、干燥等）、自动地进行分析、信号的处理和远传以及抗干扰等装置或部件，其结构比实验室分析仪器复杂，精度通常比实验室分析仪器略低。按照测量原理分类：电化学式分析仪器：如电导式、电量式、电位式等；热学式分析仪器：如热导式、热化学式、热谱式等；磁学式分析仪器：磁性氧量分析仪，核磁共振波谱仪等；光学式分析仪器：吸收式光学分析仪，发射式光学分析仪；射线式分析仪器：如X射线分析仪，射线分析仪，同位素分析仪等；色谱分析仪器：如气相色谱仪等；电子光学和离子光学式分析仪器：如电子探针、质谱仪、离子探针等；物性测量仪器：如水分计、粘度计、湿度计、密度计、电导率测量仪等。9.1概述9.1.1成分分析仪器简介9.1.2成分分析仪器的分类9.1.3成分分析仪器的组成9.1.4成分分析仪器的主要性能指标9.1.3成分分析仪器的组成1．成分分析仪器的基本组成2.取样装置3.预处理系统4.分离装置5.检测器或检测系统6.信号处理系统7.显示环节1.成分分析仪器的基本组成成分分析仪器的基本组成框图2.取样装置任务：将待分析的样品引入到成分分析仪器根据被分析的对象不同，样品可分为气体、液体、熔融金属、固体散状物料等几种情况。过程分析仪器大多为气体分析仪器，如果样品为液体也往往使它气化。对于过程取样装置：首先要求能够承受生产过程的恶劣条件；其次对于所取的样品，应有代表性，没有被测量组分的损失；再次不应与待分析样品中任何组分起化学反应，以防止失真。在取样装置设计时，应注意取样点选取、取样探头及探头清洗几个方面（1）取样点选择取样点选择应满足下列要求：

①能正确地反应被测组分变化的地点； ②不存在泄漏； ③试样含尘雾容量少，不致发生堵塞现象； ④试样不处于化学反应过程中。（2）探头