过程检测技术及仪表234

绪论过程检测技术及仪表检测技术和仪表是现代科学技术水平高低的一个标志。一、课程的意义古代曹冲称象温度检测液位检测二、课程讨论的内容检测技术的基本原理和方法参数的显示软测量技术虚拟仪器技术例：指纹检测系统//电容量多电极板（2）电容法到达电极板的距离不同静电容量不同图像传感器CCD/CMOS指甲手指光源LED（1）扩散光光学法观测通过手指内的光线，谷线处由于光扩散而变暗三、检测技术及仪表发展概况检测信号数字化检测理论检测领域检测器件、检测方法和仪表月球车火星车土卫六表面“惠更斯”号登陆土卫六的效果图采用计算机技术，使检测技术智能化

面部识别技术单片机芯片发展网络化传感器及检测系统第一章过程检测技术基础本章主要介绍检测技术的基本概念、测量中误差的处理方法。第一节过程检测的基本概念一、检测：

什么是检测：门捷列也夫：检测是认识自然界的主要手段西门子：检测就是去认识从信息论角度：检测就是信息获取所以检测是人类日常生活、科学研究、工农业生产、军事等领域必不可少的过程

举例：人通过感觉器官获取信息，认识世界自动控制系统中的检测，反弹导导弹系统

检测的定义：

在生产、科研、生活等各个领域，为及时获得所关心的有关信息，利用各种物理、化学等效应，选择合适的方法与装置，将有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测。例：曹冲称象方法：比较法；装置：船、石头、小秤；检查、测量，从而得到：定性、定量的结果。检测的两个过程：能量形式的一次或多次转换过程被测变量与其相应的测量单位进行比较一次敏感元件变换传输处理显示装置测量电路被测变量第一过程第二过程二、检测系统与检测仪表1.检测系统由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量敏感元件1敏感元件2敏感元件n…….信号变换处理显示装置检测系统包括被测对象级检测的全过程。检测元件和显示装置使必需的，其他部分视具体结构而定。检测元件显示装置光纤温度传感器2.检测仪表开环结构仪表K1K2K3Kn……yx

闭环结构仪表K0K

βyxxsxxf—＋三、检测仪表的基本性能精度相对百分误差精度：用仪表的相对百分误差来衡量

绝对误差测量范围例：某人分别在三个小贩处购买了100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现分别缺少了1kg、0.5kg、0.3kg，但他对卖巧克力的小贩意见最大，是何原因？仪表给出接近于真值的响应能力。也称准确度，精确度精度等级：0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0……回差（变差）检测装置或元件的储能效应（如弹性变形、磁滞等）、游隙等，使得检测系统在相同的测量条件下实际上升曲线和下降曲线出现不重合的情况，对于同一输入量所得的两个输出量存在的差值。输入输出0下降曲线上升曲线非线性误差又称线性度，是指检测系统实际特性曲线与拟合直线（也称理论直线）之间的最大偏差与检测系统量程的百分比。灵敏度和灵敏限指在稳态下输出变化值与输入变化值之比灵敏度的三种情况如图：从灵敏度的定义可知，灵敏度是刻度特性的导数，因此它是一个有单位的量。灵敏限：引起仪表可见变化的被测量的最小变化值动态误差时间常数传递滞后时间（纯滞后）

T输入输出0.6321t第二节误差的产生及分类按误差出现的规律分类系统误差

系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度（准确度）。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。

夏天摆钟变慢的原因是什么？随机误差

随机误差也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小（精密度）。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化。例如：测粉笔的长度或直径长度相对测量值粗大误差

就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。按误差本身因次分类：绝对误差相对误差绝对误差=测量值－真值仪表指示值的绝对误差与被测量的真值的比值相对百分误差实际相对误差标称相对误差按使用的工作条件分类基本误差附加误差按误差的特性分类静态误差动态误差误差产生原因系统误差环境误差人员误差第三节误差处理的基本方法一、误差分析

粗大误差是人为造成的，可以通过加强责任感避免，也可以通过某些判据发现并剔除随机误差表现出单次测量的随机性与测量总体误差分布的规律性特征，因此可通过统计处理的方法对误差进行最可信估计系统误差存在与否的检验是系统误差分析与评价的核心问题，因为系统误差的规律性决定其处理与补偿的有效性。随机误差的估计与统计处理n次重复测量，各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布，即为测量值与约定真值之间的误差特点：误差的对称性误差的单峰性误差的有界性误差的抵偿性标准差的计算n趋于无穷大n为有限时粗大误差的判别拉依达（Райта）法（只能用于n≥30)格拉布斯（Grubbs）法系统误差实验对比法残余误差观察法标准差判据二、误差的处理系统误差的合成设检测系统的待测参数为随机误差的合成在间接测量情况下，设间接测量量（待测参数）误差的总合成三、消除和减少误差的一般方法

减小随机误差的方法提高检测系统准确度抑制噪声干扰对测量结果的统计处理三、仪表的误差补偿及线性化系统误差补偿恒值修正法差动法相互抵消法滤波法减小随机误差方法抑制噪声干扰对测量结果的统计处理仪表的线性化直接刻度缩小工作范围修正法第二章参数检测技术主要内容第一节参数检测的一般方法和原理第二节温度检测第三节压力检测第四节物位检测第五节流量检测第六节成分参数检测第一节参数检测的一般方法和原理一、自然规律

守恒定律

场的定律

物质定律

统计法则二、基础效应光导效应光生伏特效应光电子发射效应压阻效应压电效应压磁效应热电效应霍尔效应三、参数检测的一般方法参数的检测是利用敏感元件把被测参数的信息转换为另一种形式的信息，便于进一步进行信息处理（变换）或显示参数检测一般可分为：光学法力学法热学法电学法声学法磁学法射线法对敏感元件的要求适用范围、测量范围、输出特性第二节温度检测仪表主要内容测温原理及方法热电偶温度计电阻式温度计热敏电阻辐射式温度计集成温度传感技术新型测温元件及传感技术一、概述温度是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量，是决定一系统是否与其他系统处于热平衡的宏观性质，一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。温度是与大量分子的平均动能相联系，它反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度温标温度：表征物体或系统的冷热程度温标：温度的数值表示热力学温标国际实用温标自从1927年建立国际实用温标以来，先后作了多次修改，由于科学技术的提高，每次更接近热力学温标，准确度更高。1968年曾经作过一次较大的修改，最近一次是1990年。根据1990国际实用温标规定：热力学温度是基本温度，用符号T表示。温度单位是开尔文，符号为K。1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。1990国际温标修改了基准仪器及温度范围：

0.65~5.0K3He和4He蒸气压温度计

3.0~24.5561K3He、4He定容气体温度计

13.8033~1234.93K基准铂电阻温度计

1234.96K以上光学或光电高计同时对

也进行了修改插补公式二、温度检测仪表的分类

根据敏感元件与被测介质接触与否接触式传感器和被测对象直接接触，进行充分的热交换，达到热平衡后，敏感元件与被测对象具有相同温度，传感器的输出即反映了被测温度的高低。——传导换热非接触式利用被测对象的热辐射能量随温度的变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。——辐射换热（传感器不需和被测对象接触）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以下，热容大，无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于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l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1.0、1.5、2.5级响应速度

慢，通常为几十秒到几分

快，通常为2~3s表2-3两类测温方法的主要特点测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/℃特点接触式膨胀式利用液体气体的热膨胀或两种金属的热膨胀差测温

玻璃液体-100~600结构简单、使用方便、测量精度较高、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量限制，易碎，不能远传。

双金属-80~600结构紧凑、牢固、可靠；测量精度较低、量程和使用范围有限。压力式利用物质的蒸汽压变化液体-40~200耐震、坚固、防爆、价格低廉；工业用压力式温度计精度较低、测量距离短、滞后大。气体-100~500热电阻固体材料的电阻随温度而变化铂电阻-260~850测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制；不能测高温，须注意环境温度的影响。铜电阻-50~150热敏电阻-50~300灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制。表2-4主要温度检测方法及特点测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/℃特点接触式热电类利用热电效应热电偶-200~800测量范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需要冷端补偿，低温段测量精度较低。其他电学类半导体器件的温度效应集成温度传感器-50~150使用简单、互换性好，非线性误差较小。晶体的固有频率随温度而变化石英晶体温度计-50~120测量精度高、稳定性好、抗强冲击性能差。光纤类利用光纤的温度特性或作为传光介质光纤温度传感器-50~400用于强电磁场、易燃易爆生产过程和高温介质的温度测量。非接触式光纤辐射温度计200~4000续表2-4主要温度检测方法及特点测温方式测量种类原理典型仪表测温范围/℃特点非接触式辐射类利用普朗克定律光电高温计800~3200灵敏度高、精确度高，便于自动测量与控制。辐射传感器400~2000不破坏温度场，测温范围大，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难比色温度计500~3200续表2-4主要温度检测方法及特点

按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。超低温一般是指0～10K低温指10～800K中温指800～1900K高温指1900～2800K的温度2800K以上被认为是超高温三、热电偶及测温原理热电效应及热电偶两种不同导体（或半导体）连接成闭合回路时，若两个结点温度不同，则回路中将产生热电势。这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。热端测量端冷端参比端当热电偶两个结点的温差小的时候，电动势较小；两个结点的温差越大，电动势就越大；当热端的温度低于冷端时，毫伏数为负值。

接触电势：两种不同导体接触时产生原因：两者电子密度不同，扩散速度不同温差电势比接触电势小的多

只与两种导体材料A、B及两端温度t，t0有关，与热电极的形状、大小、长短无关热电势主要由两部分组成：接触电势和温差电势热电偶基本定律中间导线定律在A、B构成的热电偶接入第三种导体C，并使AC和BC接触的温度均为t0均质导体定律

同一种材料不会产生热电势

标准电极定律EAB(t,t0)=EAB(t,tc)+EAB(tc,t0)等值替代定律

EAB(t,t0)=ECD(t,t0)tCt0t0AB标准化热电偶与分度表任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足：电势值大，随温度单调上升，最好线性材料易获得，复制性好，价格低物理、化学性稳定电极的电阻小，温度系数小热电偶丝-常用标准化热电偶型号标志材料温度范围/℃S铂铑10－铂－50～1768B铂铑30－铂铑60～1820K镍铬－镍硅镍铬－镍铝－270～1372E镍铬－镍铜（康铜）－270～1000热电偶自由端温度的处理用热电偶测温时，要求热电偶的自由端的温度保持不变（最好为0℃），热电势才是被测温度的单位函数，另外，热电偶安装位置与集中控制室距离较长。由于热电偶一般是贵金属做成，价格比较昂贵。根据等值替代定理，可用一种价格比较便宜，而热电势与热电偶的电势相近的特殊导线来代替。这种导线为“补偿导线”。补偿导线法使用补偿导线时必须注意以下问题：补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0～100℃）与热电偶的热电势相等或相近；不同型号的热电偶有不同的补偿导线；热电偶和补偿导线的二个接点要保持同温；补偿导线有正负极，分别与热电偶的正负极相连计算修正法

当用补偿导线把热电偶的自由端延长到处(通常是环境温度)，只要知道该温度值，并测出热电偶回路的电势值，通过查表计算的方法，就可以求得被测实际温度E（t，t0）E（t，0）E（t0，0）＋－自由端恒温法在工业应用时，一般把补偿导线的末端(即热电偶的自由端)引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。通常一个恒温器可供多支热电偶同时使用。在实验室及精密测量中，通常把自由端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持为0℃，这种方法称为冰浴法自动补偿法

自动补偿目前主要采用补偿电桥，它是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值热电偶的结构型式普通型热电偶铠装热电偶薄膜热电偶热电偶应用实例燃气灶熄灭火保护装置的工作原理：使用时，首先按下旋钮5（这一按钮与旋塞阀杆1和点火器开关6连在一起），此时随旋塞阀1的阀杆下移，推动阀芯针在机械装置的作用下打开电磁阀2，在逆时针旋转90度时，旋塞的主气孔与阀体的进气管路接通，通气气路通过电磁阀2和旋塞阀1向燃烧器4供气的同时，点火器6电路被接通，产生高压放电，点燃燃烧器4，热电偶3被火焰加热，产生的热电势使电磁阀保持开启，点火结束。燃气灶进入工作状态后，手离开旋钮，使阀杆在弹簧的作用下复位，点火器电路断开，高压放电停止。当发生意外熄火时，热电偶逐渐冷却，热电热消失后，电磁阀2自动关闭。四、热电阻温度计热电阻测温原理：基于导体或半导体的电阻随温度变化的性质金属热电阻的分度号与分度表一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属热电阻有铂、铜热电阻的结构型式工业热电阻铠装热电阻热电阻温度检测系统

为了减小引线电阻的影响，引线可采用三根，其中两根引线来自热电阻的一个引出端。另一根引线接至热电阻的另一个引出端。三根引线分别接到变送器或显示仪表输入电路的电桥的电源和两个桥臂。这种引线方式称为三线制五、其它接触式温度检测仪表非接触式温度检测仪表主要是利用物体的辐射能随温度而变化的原理制成检测原理

它表明物体在特定波长上的辐射能是温度Ｔ的单一函数辐射测温主要有如下三种基本方法全辐射法亮度法比色法辐射温度计全辐射高温计全辐射高温计是接受被测物体全部辐射能量来测定温度的光电温度计

光电温度计采用光电元件作为敏感元件感受辐射源的亮度变化，并根据被测物体亮度与温度的关系确定温度的高低集成温度传感器比色温度计比色温度计是基于维恩位移定律工作的六、新型测温元件及传感技术光纤温度传感器-液晶光纤温度传感器不同型式的液晶光纤温度传感器的测温范围可在-50~250℃之间。-荧光光纤温度传感器荧光强度型传感器的测温范围为-50~200℃；荧光余辉型温度传感器的测温范围为-50~250℃。-半导体光纤温度传感器利用半导体的光吸收响应随温度而变化的特性，根据透过半导体的光强变化检测温度。测温范围为-30~300℃。-光纤辐射温度计光纤辐射温度计的工作原理和分类与普通的辐射测温仪表类似，它可以接近或接触目标进行测温。石英晶体温度传感器及其测温技术特点：高分辨力(0.0001℃)、高线性度（0.002％)和高稳定性，适合中低温测量的新型温度传感器和测温仪器。-工作原理

f：固有振动频率；n：谐波次数；b：振子的厚度；ρ：为密度；C：弹性常数。

f0：温度为t0时的频率；ft：温度为t时的频率；t0为基准参考温度；α,β,γ为一次、二次、三次幂的温度系数。石英振子的频率还与温度具有下列近似关系(2-44)六、测温器件选择及实例器件选择温度检测主要有接触式和非接触式两大类，其中常用的是接触式温度仪表。温度仪表正常使用温度应为量程的50％~70％，最高测量值不应超过量程的90％。多个测量元件共用一台显示表时，正常使用温度应为量程的20％~90％，个别点可低到量程的10％。各种仪表的选择原则如下：(1)工业生产过程中就地温度仪表的选择就地式仪表的选择应根据工艺要求的测温范围、精确度等级；检测点的环境、工作压力等因素选用。一般情况下，就地温度仪表宜选用带外保护套管双金属温度计，温度范围为--80~500℃;在精确度要求较高、振动较小、观察方便的场合，可选用玻璃液体温度计;被测温度在-200~50℃或-80~500℃范围内，在无法近距离读数、有振动、低温且精确度要求不高的场合，可选用压力式温度计。压力式温度汁的毛细管应有保护措施，长度应小于20m。(2)集中检测温度仪表热电偶适用于一般场合；热电阻适用于精确度要求较高、无振动场合；热敏电阻适用于要求测量反应速度快的场合。当测量部位比较狭小，测温元件需要弯曲安装；被测物体热容量非常小，对测温元件有快速响应的要求，或为节省特殊保护管材料应采用铠装热电阻、热电偶。接触式温度检测需要把温度敏感元件置于被测对象中，通过物体间的热交换，使之达到热平衡，这使得温度检测的响应时间较长，同时由于敏感元件的插入破坏了原被测对象的温度场。为减小上述影响，要求尽可能地缩小温度敏感元件的体积。另一方面，由于在高温下，被测介质对敏感元件有一定的腐蚀作用，长期使用会影响敏感元件的性能，因此，需要在敏感元件外加保护套管，这样同时还增加了测量体的机械强度。但是，保护套管的使用大大增加了温度检测的响应时间。2．举例乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料的基本化工原料,也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等，其中生产聚乙烯约占乙烯耗量的45%。由于乙烯中一般含有炔类杂质，会影响产品质量，所以对乙烯需要进行脱炔处理。为了保证脱炔工艺的顺利进行需要对乙烯脱炔床温度进行检测。已知操作温度为30℃，温度最大值为170℃，试选择合适的温度检测元件。第三节压力检测主要内容压力检测的主要方法和分类弹性式压力检测电气式压力检测压力检测器件的选用及举例一、概述压力的定义压力是指均匀而垂直作用在单位面积上的力，符号用P表示。压力的单位是帕斯卡，即牛顿/米2；用符号Pa表示除了帕斯卡，我国目前还同时使用以下单位：工程大气压、物理大气压等压力的表示方式绝对压力表压力真空度差压二、压力检测的主要方法及分类液体压力计弹性式压力计电远传式压力仪表物性型压力传感器三、弹性式压力检测仪表

弹性式压力检测仪表是用弹性元件作为压力敏感元件把压力转换成弹性元件的位移，并经适当的机械传动和放大机构，通过指针指示被测压力大小的一种压力表，统称弹性式压力表。弹性元件受外力作用通过受压面感受力的作用，其力大小为A:弹性元件承受压力的有效面积；p弹性元件所受外力虎克定律C:弹性元件的刚度系数；x弹性元件在外力作用下的位移膜片沿外缘固定的片状形测压弹性元件，按形状分为平膜片和波纹膜片。仪表的准确度等级一般为1.5～2.5级测压力范围较宽，最高可达2.5MPa。另外，作为弹性元件的膜片常常和其他转换元件一起使用构成电远传式压力仪表-电容式压力传感器-光纤式压力传感器-力矩平衡式压力传感器膜片压力表金属膜片气动压力变送器电动压力变送器波纹管差压计波纹管的特点是灵敏度高（特别是在低压），但是迟滞误差较大，波纹管压力表的测量范围较小，一般为0～0.4MPa，仪表的准确度等级为1.5～2.5级波纹管双波纹管压力表弹簧管压力表弹簧管压力表是最常用的一种指示式压力检测仪表弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉，它测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压（可达1000MPa）根据制造的要求，仪表的准确度等级最高为0.1级弹簧管压力表螺旋弹簧管、盘簧管四、电气式压力检测利用弹性元件作为敏感元件，但在仪表中增加了转换元件（或装置）和转换电路能将弹性元件的位移转换为电信号输出，实现信号的远传压电材料及压电式压力传感器压电效应：正压电效应：机械能转为电能逆压电效应（电致伸缩效应）：电能转化为机械能石英晶体的压电效应演示天然石英晶体外形石英晶体切片及封装压电材料压力式单向测力传感器结构图压电式压力传感器结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度好，频率响应高，量程范围大等优点由于在晶体边界上存在漏电现象，所以这类传感器不能用于稳态测量压电式压力传感器应变片与应变式压力传感器

电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象成为“应变效应”。电阻应变片就是基于应变效应工作的。应变式压力传感器是由弹性元件、应变片以及相应的测量电路组成。-非粘性应变式压力传感器是直接使用电阻丝(应变元件)在弹性元件上，且构成一个简单桥路-粘贴式应变式压力传感器是将电阻丝或片粘贴在压力敏感元件上，当敏感元件经受压力作用而产生应变，使得粘贴在其上的电阻丝或片的电阻值发生相应的变化

设有一根长度为l，截面积为S，电阻率为ρ的电阻丝，其电阻初值可表示为：若导体受到外力的作用被拉伸或压缩，则会引起l、A

的变化，从而引起电阻的变化。工作原理：

当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为：式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即

由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：式中:μ——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。代入整理,可得

或电阻丝的灵敏度系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。

灵敏度系数受两个因素影响:1）材料几何尺寸的变化,即（1+2μ）;2）材料的电阻率发生的变化,即（Δρ/ρ）/ε。

对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半导体材料的（（Δρ/ρ）/ε）项的值比（1+2μ）大得多。ΔR/R=Kε灵敏度系数

大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即ΔR/R=Kε,K为常数。

用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量ΔR时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值σ为

σ=E·ε式中:σ——试件的应力;ε——试件的应变;E——试件材料的弹性模量。

由以上分析可知,应力值σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值R的变化,所以应力σ正比于电阻值R的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。压阻元件与压阻式压力传感器压阻元件：基于压阻效应工作的压力敏感元件。压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单和应变式压力传感器一样，压阻式压力传感器的缺点也是敏感元件易受温度的影响压阻式压力变送器谐振式压力传感器谐振式压力传感器是依靠被测压力改变弹性元件或与弹性元件相连的振动元件的谐振频率，经过适当的电路输出脉冲频率信号或电流（电压）信号，根据谐振原理的不同，谐振式压力传感器有振弦式、振膜式及振筒式几种图2-28振筒式压力传感器结构示意fp为受压后的振筒频率；f0为固有频率；α为结构系数；p为被测压力此种仪表体积小，输出频率信号，重复性好，耐振；精确度高，其精确度为±0.1%和±0.01%；测量范围0~0．014MPa至0~50MPa，适用于气体测量。五、压力检测仪表的使用压力仪表的选用仪表的量程为保证安全，一般最大压力值应不超过满量程的3/4~2/3；为了保证测量精度，被测压力值应不低于仪表满量程的1/3为宜目前我国的压力测量仪表的量程系列为1，1.6，2.5，4，6，10×10nMPa（n为整数）仪表准确度等级的选择根据允许的最大误差确定仪表的精度。仪表类型的选择要考虑被测介质的性质，测量的要求，以及各种压力测量元件的特性来决定。机械式拉力表耐震差动远传压力表压力检测系统一个完整的压力检测系统包括：取压口；引压管路和压力检测仪表设备取压口压力仪表引压管路一个简单的压力检测系统示意图取压口引压管路引压管路中常用的一些附件截止阀隔离罐集气器集液器冷凝器一些特殊介质的取压方式气固两相流介质气液两相流介质高粘度、易结晶介质设备取压口压力仪表引压管路第四节物位检测仪表一、物位检测和分类物位：容器中固体（颗粒）料位，液体液位，两种液体的分界面。物位检测实际上就是料位、液位和界面的检测。意义：确定容器内储存量。通过测量达到控制物位。-液位是指开口容器或密封容器中液体介质液面的高低，用来测量液位的仪表称为液位计；-料位是指固体粉状或颗粒物在容器中堆积的高度，用来测量料位的仪表称为料位计；-相界面是指两种液体介质的分界面，用来测量分界面的仪表称为界面计它们归纳为以下几个检测原理:基于力学原理基于相对变化原理基于某强度性物理量随物位的升高而增加原理常用的物位检测方法:静压式物位计：静压法浮力式物位计：直读法、浮力法电气式物位计：电容法等声学式物位计：超声波法、微波法等射线式物位计：核辐射法以及激光法等。

二、静压式液位计检测原理容器中某点的静压力和容器内物位的高度有关：ρ为介质的密度，对于固体颗粒，ρ应理解为堆积密度由于物料（液体）上方的自由空间有压力p0,则根据静力学原理，有因此要知道物位，需要测出压力容器下部某些与上部自由空间之间的压力差。为此要用差压传感器量程迁移无迁移设差压变送器正、负压室所受到的压力分别为和，则有可见差压变送器未受任何附加静压；差压变送器无需迁移负迁移设隔离液的密度为，这时差压变送器正、负压室所受到的压力分别为由于要迁移的量为负值，因此称负迁移正迁移设连接负压室与容器上部取压点的引压管中充满气体，并忽略气体产生的静压力，则差压变送器正、负压室所受的压力为差压式液位计的特点是：①检测元件在容器中几乎不占空间，只需在容器壁上开一个或两或两个孔即可；②检测元件只有一、两根导压管，结构简单，安装方便，便于操作维护，工作可靠；③采用法兰式差压变送器可以解决高粘度、易凝固、易结晶、腐蚀性、含有悬浮物介质的液位测量问题；④差压式液位计通用性强，可以用来测量压力和流量等参数。实现方法对于液位测量，一般可在容器壁面开孔，安装压力（差压）传感器；对于不易在壁面开孔（常压容器）或容器在地面以下的，可导用投入式压力传感器，将压力传感器投到容器的底部。通过电缆线传输压力信号静压式液位变送器三、浮力式液位计原理：基于浮力原理，适用于液位的检测。浮力式物位检测有两种方法：恒浮力式，变浮力式。磁浮子液位计将一截面相同，质量为m的圆筒形空心金属浮筒悬挂在弹簧上，当h＝0时，浮筒的重量被弹簧的反作用所平衡。当液位变化使浮筒的一部分被液位浸泡时，由于受到液位的浮力作用而使浮筒向上移动，直到与弹簧的反作用力重新平衡。设此时弹簧的位移为△x，则四、电容式物位计原理：把物位的变化变换为电容量的变化；检测元件常为一个圆筒式的电容器。由两个长度为L，半径分别为R和r的圆筒形金属导体中间隔以绝缘物质构成圆筒形电容器。当两圆筒中间所充介质介电常数为ε0的气体时，则该圆筒间的电容量为：如果电极的一部分被另一部分介电常数为ε的液体（物料）所浸没时，设上半部分介质的介电常数仍为ε0，浸没的部分长度为l，则电容器上半部分的电容器为：下半部分为：可见，当几何尺寸一定，ε，ε0不变时，电容的变化量是被测介质物位l的线性函数。如果被测介质为导电性液体，电极要用绝缘物覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。设中间介质的介电常数为ε1，电极浸没的长度为l，则电容器的电容量为：电容式物位检测方法最主要要考虑温度对介电常数的变化的影响；其次是物位对电容器的电容量变化值很小，往往只是几微法至几百微法，易受干扰影响，电容测量比较困难电容式料位计电容式液位计五、超声波物位计检测原理超声波一般频率高于20kHz。超声波的发射和接收通常有超声波换能器实现的，目前最广泛的超声波换能器是电—声换能器，压电晶体换能器就是常用的换能器之一超声波物位检测的基本原理就是根据声波在介质中传播速度，衰减以及在界面的反射等特性进行当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质的分界面，将产生反射和折射，其中反射率为：模型演示Z1=ρ1v1,Z2=ρ2v2,其中v1、v2为声波在介质1和2中的传播速度当声波从气体传播到液体或固态，或者相反的情况下，由于两种介质的密度相差悬殊，声波几乎全部被反射在容器底部安装一只超声波发射器和一只接收器（也可以只用一个探头轮换发射和接收超声波脉冲），设声速为v，实际物位高度为H，则从发射到接收所需时间t为对于一定的气体来说，v是已知的，因此，可以用测时间的方法确定出物位的高度测量液位时，超声波探头也可置于容器的顶部，其原理是一样的超声波的接收和发射超声波的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应实现方法

超声波传播速度的补偿方法有：温度补偿设置校正具固定距离标志法超声液位（物位）计六、其它物位计射线式物位计检测原理当射线穿过一定的物质，由于物质的吸收，其穿透强度随物质的厚度而减小，其变化规律为

μ－介质对射线的吸收系数不同的材料有不同的吸收系数，一般固态最大，液体其次，气体最小。检测系统组成射线源探测器电子线路γ射线料位计实现方法放射源可以是一个点源，也可以做成线源，接收器同样可以是单点或是线状的。因此用放射线进行物位检测有多种方式，常用的如图所示模型演示物位开关分类示意图与介质接触部分分类示意图与被测介质接触部浮球式浮球微波穿透式非接触

电导式电极核辐射式非接触振动叉式振动叉或杆运动阻尼式运动板表2-9常见物位开关及特点进行定点测量的物位开关是用于检测物位是否达到预定高度，并发出相应的开关量信号。七、影响物位测量的因素

液位测量的特点稳定的液面是一个规则的表面，但是当物料有流进流出时，会有波浪使液面波动。在生产过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。大型容器中常会有各处液体的温度、密度和黏度等物理量不均匀的现象。容器中液体呈高温、高压或高黏度，或含有大量杂质、悬浮物等。

料位测量的特点料面不规则，存在自然堆积的角度。物料排出后存在滞留区。物料间的空隙不稳定，会影响对容器中实际储料量的计算。界位测量的特点界位测量的特点则是在界面处可能存在浑浊段。八、物位检测器件的选择（1）玻璃板液位计可用于就地液位指示宜选用，对于温度低于80℃、压力小于0．4MPa、不易燃、无爆炸危险和无毒的洁净介质，需加护罩，但测量深色、粘稠井与管壁有沾染作用的介质时不宜使用。（2）磁性浮子液位计适用于就地液位界面指示，它主要应用在工作压力不宜大干10MPa，介质温度不大于250℃，介质密度宜为400~2000kg/m3，介质密度差大于150kg/m3的场合。当测量粘度高于600mPa.s的介质时，不宜采用。（3）差压式液位计用于液位(界面)测量或者腐蚀性液体、粘稠性液体、熔融性液体、沉淀性液体等，当采取灌隔离液、吹气或冲液等措施时，亦可选用差压变送器，但测液位的差压变送器应带有迁移机构。但是不适用于正常工况下液体密度发生明显变化的介质的液位测量。（4）浮筒式液位计用于密度、操作压力范围比较宽的场合，一般介质的液位界面测量以及真空、负压或易气化的液体的液位测量，但在密度变化较大的场合，不宜选谢浮筒式液位计。（5）浮子(球)式液位汁用于液位变化范围大或含有颗粒杂质的液体以及负压系统，例各类贮槽液位的连续测量和容积计量、两种液体的密度变化不大，且比密度差大于0.2的界面测量等。但是对于脏污液体，以及在环境温度下易结晶、结冻的液体，不宜采用浮子(球)式液位计。（6）电容式液位计或射频式液位计的用于腐蚀性液体、沉淀性流体以及其它工艺介质的液位连续测量和位式测量。但对于是易粘附电极的导电液体，不宜采用电容式液位计。两种液位计易受电磁干扰的影响，使用时应采取抗电磁干扰措施。（7）超声波式液位汁的用于普通液位计难于测量的腐蚀性、高粘性、易燃性、易挥发性及有毒性的液体的液位、液-液分界面、固-液分界面的连续测量和位式测量，和能充分反射声波且传播声波的介质测量宜选用超声波式液位计，但不宜用于液位波动大的场合和易挥发、含气泡、含悬浮物的液体和含固体颗粒物的液体以及真空场合，和内部存在影响声波传播的障碍物的工艺设备；而且对于连续测量液位的超声波仪表，当被测液体温度、成份变化较显著时，应对声波的传播速度的变化进行补偿，以提高测量精度。（8）辐射式液位计用于高温、高压、高粘度、易结晶、易结焦、强腐蚀、易爆炸、有毒性或低温等液位的非接触式连续测量或位式测量。但测量仪表应有衰变补偿，以避免由于辐射源衰变而引起的测量误差，提高运行的稳定性。第五节流量检测概述流量是指单位时间内流动介质流经管道（或通道，统称流道）中某截面的数量，也称瞬时流量。而在某一段时间内流过的流体总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为累积流量体积流量

单位为质量流量

单位为一、流量检测方法的分类体积流量直接法（容积法）直接测出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。椭圆齿轮腰轮刮板旋转活塞精度较高间接法（速度法）测量平均流速节流式力学转子力学涡轮力学电磁电学超声波声学涡街力学热线风速热学激光多普勒光学质量流量直接式：涡轮转矩式质量流量计科里奥利质量流量计间接式：差压流量计与密度计组合差压流量计与速度流量计组合靶式流量计与速度流量计组合补偿：用压力、温度补偿二、节流式流量检测根据节流原理，当流体流经节流元件（阻力件）时，在节流元件两端产生差压，该差压的大小与流量（流速）成正比。作为流量测量的节流元件有标准节流元件和特殊节流元件，其中标准节流元件有标准孔板、标准喷嘴、标准文丘里管流体流经节流装置（如孔板）时的节流现象如图所示。检测原理（主要讨论标准孔板的原理）从图中分析可得如下两点结论：

1.流束收缩

2.静压差Δp产生在水平管道装有标准孔板，当流体流经孔板时的流束及压力分布情况如图所示。设流体在水平管中沿轴线方向稳定流动，流体不对外作功，和外界没有热量交换，流体本身也没有稳定变化。对于不可压缩理想流体，则根据伯努利方程设m＝d/D，收缩系数μ＝A2/A0

则

因为流束最小截面2的位置随流速而变，实际取压点的位置是固定的，当用固定取压点处，代替，时，需引入一个取压系数则令，流量系数为：

于是流体流量为：流量方程式中的流量系数а也可用流出系数C来代替，C的定义是式中渐近速度系数显然C是实际流量系数与取μ和均为1的流量系数的比值。这样把收缩系数和取压系数的影响统一归到一个参数流出系数C

对于可压缩流体，则引入一个膨胀系数ε流量方程式的讨论流量系数а（或流出系数C）与节流元件形式（m）、取压方式、Re，β，管道情况等有关取压方式取压方式(即取压点的位置)不同,流量系数不同，目前主要的取压方式有：角接取压、法兰取压、取压法雷诺数表示了流体的流动状态，对于给定的流体和流动条件，它反映了流体的流动速度直径比只要直径比值一定，则流量系数只是雷诺数的函数管壁粗糙度对于标准孔板的流量系数，角接取压法是在相对平均粗糙度K/D≤3．8×10的管道中测定的，法兰取压法和取压法是在K/D≤10×10的管道中测定的，其中是管道内壁绝对平均粗糙度K是管道内壁绝对平均粗糙度可膨胀系数ε

对可压缩流体，需进行修正。对于标准节流装置，ε与，β，κ有关节流件的开孔面积与材料的热膨胀系数λ

管道和孔板的开孔直径一般是在20℃时的值，当稳定发生变化时，其直径也要变化。孔板：管道：流体密度ρ

流量方程式中所用的密度是指被测介质在节流元件前的工作状态（温度、压力）下的值。当工作时实际流体密度与设计时不同时，应进行修正式中在右上角加“′”的符号表示实际工作状态下的密度和流量，无上标“′”的表示设计值压力损失流体通过节流元件时，一部分能量用来克服摩擦阻力和消耗在节流件后形成涡流上，而通过节流元件流体的静压力并不能完全恢复，可按下式估算：说明β越小，越大标准节流装置节流装置包括节流件、取压装置和符合要求的前、后直管段标准节流件——孔板按照国际GB2624－93规定标准取压装置直流段孔板流量计标准孔板及结构节流式流量计（特点）结构简单，工作可靠管径D＝50～1000mm量程比3：1几乎能测各种工况下的介质，但不能有脏污物，流体必须是牛顿流体标准孔板标准节流装置的设计与计算已知管道内径，节流件开孔直径，取压方式，被测流体参数等必要条件，根据所测得的差压值，计算被测流体的流量已知管道内径，被测流体参数，预计的流量范围以及其他必要条件，要求选择适当的流量标尺上限、差压上限、节流装置的形式，并确定节流件的开孔直径三、转子流量计

又称恒压降变面积流量计，适用于中小流量。检测原理流体在锥形管中自下而上流动，其中的浮子（转子）将稳定在某一个位置模型演示对浮子受力分析：A0—环状流通面积；Af—浮力面积（最大）C—阻力系数对流量方程各参数的讨论流量系数流量系数与锥形管的锥度，浮子的几何形状以及被测流体的雷诺数等因素有关流体密度流量刻度与流体密度有关，出厂时流体是用在标准状态（20℃，760mmHg）下用水和空气进行标定的，若使用的流体密度不一样，需要进行刻度修正信号转换转子流量计根据显示方式的不同可分为两类：直接指示型的转子流量计电远传转子流量计转子流量计转子流量计的特点主要适用于中小管径、较低雷诺数的中小流量的检测；结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；基本误差约为仪表量程的±1～2%，量程比可达10︰1；易受工作介质密度，粘度，纯净度等影响四、涡街流量计涡街流量计也称漩涡流量计漩涡流量计有两种：一种是应用自然振荡的卡门漩涡列原理而制成的称为卡门漩涡流量计；另一种是应用强迫振荡的漩涡旋进原理而制成的称为旋进式漩涡流量计检测原理（卡门漩涡流量计）若在流体中垂直于流向放置一个圆柱体或棱柱体，在它下游两侧就会交替出现漩涡，两侧漩涡的旋转方向相反，并轮流地从柱体上分离出来，这两排平行的非对称的漩涡列称为卡门涡街。漩涡发生体是漩涡流量计的核心。漩涡发生体的形状主要有圆柱形、方柱形和三角柱形，也有组合式的。漩涡频率的检测漩涡频率的检测有很多，一般与漩涡发生体形状有关热电丝——圆柱体热敏电阻——三角柱压电元件——组合式超声波检测元件——三角柱涡街流量计的特点精度高0.2～1.0%。量程比100：1～20：1。几乎不受流体性质变化的影响结构简单。频率输出，便于数字化测量，f与v成正比涡街和旋进流量计五、电磁流量计检测原理：基于电磁感应定律当导电流体（相当于导体）在磁场中作垂直于磁场方向流动而切割磁力线时，在两电极上也会产生感应电势，其方向由右手定则判断，其大小为：因为，则

k是仪表常数电磁流量计的结构磁路系统：直流磁场简单，但使管道中的导电液体电解、电极极化常采用交流B＝Bmsinωt交变磁场按励磁绕组不同主要有两种结构：集中绕组；分组绕组式。测量管：用不导磁，低导电率，低导热率具有一定强度，让被测流体通过，不锈钢、玻璃钢、高强度塑料电极：测量感应电势衬里：直接接触被测介质，主要作用是增加测量管的耐磨与耐蚀性，防止感应电势被金属测量管管壁短路外壳：一般用铁磁材料制成，它是保护励磁线圈的外罩，并可隔离外磁场的干扰转换电路：流体流动产生的感应电势十分微弱，而且各种干扰因素的影响也很大，转换电路的目的是将感应电势放大并能抑制主要的干扰信号电磁流量计的转换电路主要由前置放大、差动交流放大、高通滤波、采样电路和差动直流放大等部分组成采样电路电磁流量计信号转换电路框图差动直流放大高通滤波差动交流放大前置放大电磁流量计的特点：测量导管中无可动部件，压力损失小，并可测含有杂物、悬浮物等流体的流量。只要流体导电，结果与流体的温度、压力、密度、粘度无关。量程比较宽10：1。反应速度快，可测脉动流量。电磁流量计六、容积式流量计常见的容积式流量计有：椭圆齿轮流量计、腰轮(罗茨)流量计、刮板流量计、活塞式流量计、湿式流量计及皮囊式流量计等它是使被测流体充满具有一定容积的空间，然后再把这部分流体从出口排出检测原理流量计内部有1～2个转子，在流入口流体压力作用下使转子转动，随着转子的转动，使流体从流入口流向流出口。设转子与流量计壳体之间的容积已知，则通过测量转子的转速，就可得知流体流经流量计的流量；如果测出转子转过的次数，就可获得流体的总体积。模型演示椭圆齿轮流量计刮板流量计容积式流量计的工作特性

容积式流量计的工作特性与流体的粘度、密度以及工作温度、压力等因素有关，相对来说，粘度的影响要大一些信号转换就地显示远传显示容积式流量计的工作特点：精度高，可达0.2～0.5%，用于企业管理和商品销售。主要测高粘度流体，测总流量。量程比10：1。对直管段无要求。小流量时泄漏大，使读数偏低。被测流体要求清洁，否则易堵或磨损。七、质量流量计质量流量的检测方法主要有三大类：直接式间接式补偿式直接式质量流量计直接式质量流量检测方法有许多种，如由孔板和定量泵组合实现的差压式方法；由两个用弹簧连接的涡轮构成的涡轮转矩式方法；应用麦纳斯效应的检测方法和基于科里奥利力的检测方法等间接式质量流量计

间接式质量流量计实际上就是组合式质量流量计，它是在管道上串联多个(常见的是两个)检测元件(或仪表)，建立各自的输出信号与流体的体积流量、密度等之间的关系，通过组合，联立求解方程间接推导出流体的质量流量

主要的组合方式有：差压式流量计与密度计组合方式体积式流量计与密度计组合方式差压式流量计或靶式流量计与体积式流量计或速度式流量计组合方式补偿式质量流量计八、其他流量计涡轮流量计涡轮流量计是从叶轮流量计（水表）基础上发展起来的当流体流经涡轮时，由于流体的冲击作用，将使涡轮发生旋转，转动的频率与流量等相关涡轮流量计主要由涡轮、导流器、磁电感应转换器、放大与信号变换。磁电感应转换器是将涡轮转换成电脉冲数，这是涡轮流量计的关键部分。叶轮用磁性的不锈钢做，管道外装上传感器，它由磁钢和线圈组成。当叶片转动时周期也改变检测器中磁路的磁阻，使通过感应线圈的磁通量随之变化。这样，在感应线圈的两端即感应出脉冲信号。精度较高0.5级，常作标准表。量程比较大10：1。适用于清洁介质（一般要装过滤器）。周围不能有强磁场。介质的密度、粘度变化对测量结果有影响。反应迅速，可测脉动流量。超声波流量计声波在静止流体中的传播速度与流动流体中的传播速度不同。超声波的接收和发射称换能器，换能器既可兼作声波的收和发，也可以分开进行。实际应用如下几种形式。时差法通过测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差来得到流体的流速。当超声波传播方向与管道轴线成θ角时，可以得到流速v与时差Δt之间的关系为：存在问题：c受流体温度影响大。

Δt数量级小，要求电子精度高，限制了测量下限。相位差法换能器发射连续超声脉冲或者周期较长的脉冲波列，测量顺流和逆流发射时所接收到信号之间的相位差避免了Δt小，较大，有利于提高测量精度但c的影响仍较大。频率法它是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率来测量流量的。发射器T发出一个超声脉冲，经过流体由接收器R接收此信号，进行放大后再送到发射器T产生第二个脉冲，这样反复来往，其频率为虽然Δf～v关系式中包含了c，则由τcsinθ/D《1，故与前两种方法比较，声速变化所产生的误差影响小。特点流速沿管道分布的影响，与Re数有关。可实现非接触式测量。超声波流量计第六节成分参数检测一、概述目的是分析各种气体混合物中各组分的含量或其中某一组分的含量气体成分的检测特点：和温度、压力不一样，一般有一个取样系统，取出被测样品，由过滤器，分离，冷却器和抽吸设备等组成气体成分分析仪组成框图采样装置预处理系统气体成分分析仪表的组成框图采样系统传感器信号放大和处理单元显示单元控制单元成分检测按测量原理分类主要有电化学式热学式光学式射线式磁学式色谱式电子光学式和离子光学式一、热导式检测技术1.检测原理表征物质导热能力大小的物理参数是导热系数λ，λ越大，说明该物质容易导热，反之不易导热基于待测组分的导热系数被测气体中其它组分有明显的差异实验证明，对于混合物，其导热系数λ可用下式计算

其中λi—第i组分的导热系数

Ci—第i组分所占的百分含量由于氢气的导热系数是其他气体的好多倍的缘故，所以这方法最适合用于氢气含量的检测2.热导检测器亦称为热导池，是将混合气体的导热系数的变化转换为电阻值变化的关键部件0℃时的电阻值为R0，通过电流I后，电阻丝产生热量并向四周散射，由于气体流量很小，气体带走的热量可忽略。热量主要是通过气体传向气室壁。设气室壁温度tc恒定（一般都设置有恒温装置），电阻丝达到热平衡时的温度为tn，电阻丝通以恒定电流I0，则电阻丝的散热为

而电阻丝产生的热量为

电阻丝阻值

热平衡时Q＝Q′。如果混合气体的导热系数λ愈大，其散热条件愈好，热平衡时的温度tn也愈小，反之，λ愈小，tn愈高，Rn愈大，从而通过电阻的变化测量导热系数电阻Rn的测量可通过电桥实现3.热导式气体分析仪的组成热导式气体分析仪由传感器（常称为热导检测器或热导池）、测量电路、显示单元、电源和温度控制器等组成。二、热磁检测技术1.检测原理利用被测气体混合物中待测组分比其他气体有高得多的磁化率以及磁化率随温度升高而降低等热磁效应检测气体组分的含量。任何介质处于外磁场中要受到力或力矩的作用而显示出磁性。气体磁化率随温度变化J:磁化强度矢量

χ介质磁化率H

外磁场强度R:气体常数C：居里常数M：气体分子量

p：气体压力

T：气体的温度已知互不发生化学反应的多组分混合气体的磁化率等于各气体磁化其浓度乘积之和，氧气的磁化率远大于其它气体，所以混合气体的磁化率可写为χ1

氧气磁化率c1

氧气浓度热磁式气体分析仪的工作原理特测组分（氧气）较混合气体中其它组分的磁化率大得多；随温度的升高，气体的磁化率将迅速下降；在满足第一个条件的情况下，混合气体的磁化率近似为待测组分的磁化率与该组分所占浓度的乘积三、红外式气体分析仪气体对红外线的吸收红外线是指波长为0.76～1000μm范围内的电磁波。既然它是一种电磁波，因此它具有折射、反射、散射、干涉和吸收等性质。红外线气体成分检测主要是利用红外线的吸收性质。归纳起来具有以下特点：同种气体对红外线的吸收能力因红外线的波长不同而不同单原子分子气体和无极性的双原子分子气体不吸收红外线，而具有异核分子的大多数气体在某些特定的波长下对红外线有强烈的吸收气体吸收了红外线辐射以后，温度升高使压力（体积）增加气体对红外线的吸收遵循朗伯—比尔定律，即

检测原理下面我们以CO2红外线气体成分检测器的工作原理。它是双光束测量系统，灯丝通电后发出两束强度几乎相等的红外线，波长一般在3～10μm，灯丝一般采用镍铬合金丝。光路中装有切光片，可连续遮段光源简便起见，首先讨论切光片不动，并且没有遮断光路的情况。一束红外线经过参比室，到达检测器的左气室；另一束经过工作气室，到达检测器的右气室，检测器中间用一张铝箔和它旁边的铝合金柱体构成一个电容器，其中铝箔为动极，柱体作定极由于样气中气体浓度的变化而引起的检测器气室内温度或压力的变化极小，铝箔的位移为10－2μm，相应的C变化也极小的，因此要直接正确地测量C改变量极为困难。为此在红外线气体分析器上在光源后面加了一个切光片。使进入参比气室和工作气室的红外线成为两束同步的断续红外辐射,这种作用称为调制假设被测气体中只有待测组分吸收特定波长的红外线。如果其他组分也对红外线有吸收，则情况就不一样了背景气体吸收的红外光波长与待测气体的不一样背景气体吸收的红外线波长与待测气体有部分重叠四、色谱仪前面的成分分析方法只能自动连续地分析混合气体中某一组分的含量色谱仪是一种能对混合物进行全面分析，能鉴定混合物是由哪些组分组成，并能测出各组分的含量。因此这种仪器得到广泛的应用。检测原理色谱分析方法是利用色谱柱将混合物各组分分离开来，然后按各组分从色谱柱出现的先后顺序分别测量，根据各组分出现的时间及测量值的大小可确定混合物的组成以及各组分的浓度。固定相对某一组分的吸收能力越强，则流出柱口的时间越慢，如果在柱的出口处安装一个检测器，测出各组分的浓度，就可以得到一个色谱图。模型演示色谱法根据固定相和流动相的不同，可分为：气液色谱气固色谱液液色谱液固色谱气相色谱（流动相为气体）液相色谱（流动相为液体）气相色谱柱液相色谱柱色谱图色谱图是色谱定性定量分析的基础色谱图的术语基线滞留时间死时间校正滞留时间峰高峰宽半峰宽峰面积分辨力气相色谱仪的定性和定量分析定性分析滞留时间方法加纯物质方法定量分析定量进样法面积归一化法外标法计算机自动分析气相色谱仪用工作站气相色谱仪仪器的组成气相色谱仪主要由色谱柱、检测器、数据处理与显示记录装置以及其他配套部件组成载气源流量控制器进样装置色谱柱检测器气体流量计记录仪恒温箱五、固态电解质气敏元件及成分检测特点：体积较小，不需要专用的取样系统，使用和安装方便；对气体的选择性好，反应快速。固态电解质材料与气敏元件某些固态无机材料，由于其结构特殊性，部分离子可以相对自由地在晶格内移动，表现出一定的导电性能，这些物质即为固态电解质。通用固态电解质不受被测气体性质限制，需与气敏膜联合使用构成加膜气敏传感器气敏固态电解质本身具有气敏功能，且只对某一气体组分具有气敏作用。氧化锆含氧量分析仪工作原理利用氧化锆电解质作传感器，测量混合物气体中氧气的含量氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷固体电解质，在高温下有良好的离子导电特性。作为氧含量检测用的氧化锆一般都掺入一定量（通常15%）的化学CaO（也可以Y2O2）作为稳定剂，经高温焙烧后则形成稳定的萤石型立方晶系氧化钙固溶在氧化锆中，其中Ca＋2置换了Zr＋4的位置，而在晶体中留下了氧离子空穴。空穴的多少与掺杂量有关如果在一块ZrO2电解质的两侧分别附上一个多孔铂电极，若两侧气体的含氧量不同，则在两电极间就会出现电势，该电势称为浓差电势在电池的正极：在电池的负极：电池反应：浓差电势的大小可由能斯特公式决定：pR为参比气体氧分压，一般用空气作参比气体，则pR＝21000Pa（视地区环境不同）氧化锆探头和变送器氧化锆氧含量测量的检测器有各种的形式（形状）在氧化锆检测器中，最重要的是控制氧化锆的工作温度：一般检测器中均有恒温控制装置，以保证氧化锆工作在恒定的温度；另一方面，还要选取合适的温度值氧化锆探头氧化锆探头结构六、分析仪表的选择氧化锆含氧分析仪用于工业锅炉烟道气中的含氧量测量；红外分析仪可用于测量一氧化碳或二氧化碳的含量；工业色谱仪一般用于检测混合气体中的单一组分。第三章信号变换技术主要内容第一节信号变换的基本形式第二节常见信号间的转换第三节典型仪表的信号变换举例第四节新型变送器第一节信号变换的基本形式一、简单直接变换信号变换是依靠转换元件和转换电路来实现转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换为电学量。转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数量转换成便于测量的电量，或将非标准的电压、电流转换成统一的电流、电压信号结构形式被测量电学量电压电流被测量电学量中间量电压电流检测元件简单直接变换，转换电路必不可少转换电路的信息能量传递

有源检测元件与转换电路连接

uL

转换电路输出电压

E

有源检测元件的等效电势

Ri

检测元件内阻

RL负载电阻

PL负载有效功率

Rp0检测元件初始电阻值

ΔRp检测元件电阻变化量

有源检测元件与转换电路连接

简单直接变换式仪表的特点

误差是各个环节相对误差之和，故该种计分表精度较低。当仪表的某个环节非线性，则整个仪表就存在非线性。信息能量传输效率较低，转换电路与检测元件间需考虑阻抗匹配。具有结构简单、结果可靠，价格便宜的特点。差动式变换结构形式用两个性能完全相同的转换元件，感受敏感元件的输出量，并把它转换两个性质相同，但沿反方向变化的物理量。三、参比式变换结构形式亦称补偿式变换，目的是消除环境条件变化对敏感元件的影响。四、平衡式变换结构形式转换元件转换电路输入输出yxxi反馈元件敏感元件放大器xfC+-亦称反馈式变换，指信号变换环节为闭环式结构。根据平衡时比较器的输入信号和反馈信号之间是否有差值，平衡式变换可分为有差随动式变换和无差随动式变换第二节常见信号的变换当敏感元件的输出为位移量时，需利用转换元件将位移转换为电信号。1.霍尔元件在外磁场作用下，当有电流以垂直于外磁场方向通过它时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间将产生霍尔电势，其大小与磁场强度和电流乘积成正比。RH

：霍尔常数,一、位移与电信号的变换霍尔式压力计

-被测压力为0，霍尔电势输出为0；-被测压力升高，弹簧管产生位移,改变霍尔元件在磁场中的位置，霍尔电势改变。被测压力越大，输出霍尔电势越大通过霍元件将位移信号轮换为电信号2.电容器当敏感元件（电容的其中一个极板）在被测量作用下产生位移，电容量就会发生变化。

CLCHPLPH（定极板）（动极板）-为减小非线性和温度的影响，电容器常采用差动结构；-当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时，所形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。

CLCHPLPH（定极板）（动极板）3.差动变压器

利用互感原理把位移转换成电信号的一种常用转换元件-原边由交流电供电；-反向连接两个二次线圈取其差动信号，在铁心位于中央位置时，差动信号输出电压为零；

-当铁心因偏移中央位置时，差动信号的输出与位移成正比的交流电压。变压器一次线圈和上下对称的两个二次线圈之间的互感应强度随铁心的位置而发生变化4.其他转换元件或方法电感器利用互感原理把位移转换成电感量的变化N