第2章 参数检测（新）

第2章过程参数检测与变送本章要点1）了解参数检测的意义、检测仪表的基本构成及仪表的统一信号标准；2）了解检测误差的概念、熟悉仪表的性能以及零点迁移与量程调整的确定与计算；3）熟悉变送器的构成原理、信号传输与接线方式；4）了解温度检测方法、熟悉温度变送器的工作原理、掌握其使用方法；5）掌握压力、流量、物位等检测仪表的工作原理与使用方法，熟悉压力变送器的工作原理及使用特点；6）了解智能式变送器的特点及硬件构成；7）了解成分检测仪表的工作原理及适用范围。2.1参数检测与变送概述2.1.1检测仪表1.传感器国标《GB7665-87》规定：“能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。2.变送器将输出信号变成统一标准信号。统一标准信号即各仪表之间的通信协议：0～10mA、0～2V、0.02～0.1MPa;4~20mA、1～5V→数字信号。

组成框图（图2－1）2.1.2检测误差（3）相对误差（或标称相对误差）1.检测误差的描述检测误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值之间的差值，它反映了仪表的检测精度

（1）真值即被测物理量的真实（或客观）取值。在当前现行的检测体系中，是将“认定设备”的检测结果作为真值。（2）绝对误差仪表的实测值与“真值”之差记为△＝

绝对误差不能很好地说明检测质量的好坏？（4）引用误差记为

（5）基本误差

指仪表在国家标准条件下使用时出现的误差国家使用标准:220V±5％、（50±2）Hz、（20±5）℃、湿度65％±5％通常，各国（或国际组织）将其法定计量机构的专用设备作为认定设备，它的检测精度在这个国家（或国际组织）内被认为是最高的。显而易见，用这种方法确定的“真值”称为“约定真值”——xa。（6）附加误差

使用条件偏离国家标准时出现的误差（温度附加、频率附加、电源电压附加）

2.检测误差的规律性（1）系统误差同一条件下对同一被测参数进行多次重复测量时，按一定规律出现的误差。如元件不可靠、参数变化等引起的误差克服系统误差的办法：负反馈结构？

（2）随机误差或统计误差：统计计算、滤波消除

（3）粗大误差（疏忽误差）：剔除2.1.3检测仪表的基本特性1.仪表的固有特性及性能指标（1）精确度及其等级1）不能用绝对误差或相对误差表示?前者不能体现对不同量程的合理要求，后者容易引起任何仪表都无法相信的误解。2）用最大引用误差度量？（最大绝对误差/量程）度量办法：去掉最大引用误差中的“±”和“％”来表示：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5。（2）非线性误差计算：（3）变差：正、反行程测量时的最大差值与量程之比的百分数计算：（4）灵敏度与分辨力S计算

分辨力又称灵敏限：仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量。（5）漂移:时漂与温漂（6）动态误差，是指被测参数在干扰作用下处于变动状态时仪表的输出值与参数实际值之间的差异。引起该误差的原因是由于仪表内部的惯性以及能量形式转换或物质的传递需要时间所造成的。2.检测仪表的工作特性

输入/输出特性（1）理想工作特性：（2）零点调整与迁移零点指被测参数的下限值xmin；使输入下限值为零的过程称为零点调整，否则为零点迁移。零点迁移前后的输入/输出特性(3)

量程调整量程是指与检测仪表的输出范围相对应的输入范围量程调整是指在零点不变时将输出上限值与输入上限值相对应的过程量程调整前后的输入/输出特性实例

某测温仪表的量程为0～500℃，输出信号为4～20mA

，现欲测量200～1000℃应如何调整？先调量程后调零2.1.4变送器的构成原理1.模拟式变送器的构成（图2－9）1）原理说明：2)

输入/输出关系理想线性特性2.数字式变送器的构成原理（1）数字式变送器的硬件构成（图2－10）（2）软件构成系统程序：硬件管理，其基本功能为模/数转换、数据通讯、自检；功能模块：组态功能。2.1.5变送器的信号传输方式1.四线制和二线制方式（图2－11）2.HART（HighwayAddressableRemoteTransducer)协议传输方式图2-12模拟信号和基于频移键控（FSK)的叠加在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输速率为1200bit/s,相位连续，均值为0，不影响模拟信号。HART协议是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备间的通信协议2.2温度的检测与变送2.2.1温度检测方法一、接触式测温1、热电阻及其测温原理基于热－阻效应，测温元件测温原理测温范围/℃主要特点热电偶热电效应0～1600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需进行冷端温度补偿，低温测量精度低。铂电阻热阻效应－200～600测温范围广，测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温。铜电阻－50～150半导体热敏电阻－50～150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。常用测温元件1)

金属热电阻的测温,计算：热电阻名称分度号0℃时阻值(Ω)测温范围（℃）特点铜电阻Cu5050±0.05－50～150线性好，价格低，适用于无腐蚀性介质Cu100100±0.1铂电阻Pt5050±0.003-200～500精度高，价格贵，适用于中性和氧化性介质，但线性度差Pt100100±0.006常用热电阻分度号代表温度范围，且代表每种分度号的热电阻/偶具体多少温度输出多少伏特的电压。IEC标准工业常用热电阻的分度表附表A附表A-1铂热电阻（分度号Pt100）分度表（，）温度/℃00102030405060708090

电阻值Ω－200－100－018．4960．25100．0－56．1996．06－52．1192．16－48．0088．22－43．3784．27－39．7180．31－35．5376．32－31．3272．33－27．0268．33－22．8064．300100200300400500600700800100．00138．50175．84212．02247．04280．90313．59345．13375．51103．90142．29179．51215．57250．48284．22316．80348．22378．48107．79146．06183．17219．12253．90287．53319．99351．30381．45111．67149．82186．32222．65257．32290．83323．18354．37384．40115．54153．58190．45226．17260．72294．11326．35357．42387．34119．40157．31194．07229．67264．11297．39329．51360．47390．26123．24161．04197．69233．17267．49300．65332．66363．50－127．07164．76201．29236．65270．86303．91335．79366．52－130．89168．46204．88240．13274．22307．15338．92369．53－134．70172．16208．45243．59277．56310．38342．03372．52－附表A-2铜热电阻（分度号Cu50)分度表（R0=50.00Ωα＝0.004280）温度/℃00102030405060708090

电阻值Ω

－0

＋050.0050.0047.8552.1445.7054.2843.5556.4241.4058.5639.2460.70-62.84-64.98-67.12-69.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13----2)

半导体热敏电阻的测温计算：温度系数α：温度变化1℃时电阻值的相对变化量。计算：负温度系数：NTC型；正温度系数：PTC型；临界：CRT型热敏电阻的温度特性（图2－13）NTC型常用于测量较宽范围内连续变化的温度，尤其是测量低温时，其灵敏度更高；PTC型在某个温度段内其阻值随温度上升而急剧上升;CTR型在某个温度段内其阻值随温度上升而急剧下降，因此，它们一般只能作为位式（开关式）温度检测元件使用。优点：温度系数大；缺点：互换性差，非线性严重，测温范围低：－50～300℃。适用于家电和汽车的测温。W/R810PTCCTRNTCC°t/71061031041051021011040801201602000

（2）热电阻的接线方式a)两线制接线电阻随温度变化会给电桥输出带来较大误差，用于测量精度不高的场合a)两线制RtR3rrR1R2

（2）热电阻的接线方式b)三线制b)三线制RtR3rrrR1R2测量仪表Rt则R1R3=R2（R0+RT0）且R1=R2，

R3=RT0+R0有：I1=

I2=

I当T

℃时，电桥输出Uab

=R3I–（RT+R0）I=R3I–（RT0+∆RT+R0）I=–∆RTIa）电桥工作原理——不考虑接线电阻RwRmRdR0R2R1RtR3abRTI2I1

设T0℃时，电桥平衡。可见三线制接法可以消除接线电阻的影响。一般规定每根连接导线的电阻值为5Ω。b）三线制与外接调整电阻在考虑接线电阻后，电桥输出：Uab

=（R3+r)

I–（RT+∆RT

+R0+r）I=–∆RT

IRwRmRdR0R2R1RtR3abRTI2I1r

r

r

（2）热电阻的接线方式C）四线制用于高精度的温度测量，如用内阻很高的电子电位差计测量。c)四线制2.热电偶及其测温原理（1）热电偶的测温原理：热电效应（图2－15）接触电势，温差电势。等效电路K波尔兹曼常数e电子电荷量nAnB导体A、B的自由电子密度是t的函数t接触处的绝对温度＋—nA>nB电子扩散方向→2.热电偶及其测温原理三点结论：1）电极材料相同，总电势为零；2）冷、热端温度相同，总电势为零；——和电极材质无关3）不同材料的电极，在相同温度下，产生的热电势也不同。等效电路（2）热电势的检测与第三导体定律(图2－16）当，有第三导体定律（中间导体定律）：只要第三导体两接点温度相同，回路中热电势不变。（3）冷端延伸与等值替换原理为什么要延伸？补偿导线的作用？等值替换原理（图2－17）等值替换的条件：热电回路的总热电势：→因而有依据则有结论：将满足的补偿导线代替热电偶使冷端延伸，不会改变热电偶的热电势补偿导线的连接示意图（4）标准热电偶及其补偿导线标准热电偶：热电势与温度的关系、允许误差、型号（分度号）按国际标准（IEC)统一规定。表2－3我国部分标准化热电偶及其补偿导线热电偶配套的补偿导线（绝缘层着色）分度号热电偶材料①测温范围/℃型号②正极材料负极材料长期短期S

铂铑10

－铂③0～13001600SC铜（红）铜镍（绿）B铂铑30－铂铑6

0～16001800BC铜（红）铜（灰）K镍铬－镍硅－50～10001300KX镍铬（红）镍硅（黑）T铜－康铜－200～300350TX铜（红）康铜（白）（5）热电偶的冷端温度校正为什么要校正？1）查表法：1）查表法：是实际测得的热电势可由相应分度表查得因此，由分度表反查可得被测温度t。

[例题1]用一分度号为K的镍铬—镍硅热电偶及毫伏刻度的显示仪表测量炉温，在自由端温度为to＝30oC时，测得的热电势为E(t，to)＝39.17mV，问炉温是多少度?977oC

?（表B-3）2)电桥补偿法：利用电桥某桥臂电阻因环境温度变化产生的附加电压补偿热电偶冷端温度变化引起的热电势的变化

(图2－19及说明）工作原理。。。示例：铂铑－铂铑热偶，在0～100℃：平均热电动势为6μv/℃，桥臂电流为0.5mA,铜电阻温度系数α＝0.004/℃。全补偿的条件为：经计算：

T0冷端补偿器mVEAB(T,T0)T0TABabUUabRCuR1R2R3R-+-+例题分析：

1、室温20℃，采用K型热电偶测量某物体温度。与其相配的显示仪表无冷端补偿功能。测量电路如图所示，当仪表指示为100℃时，求被测物体的温度T。（已知：E（20,0）=0.798mV;E（80,0）=3.266mV;E（100,0）=4.095mV;E（110,0）=4.508mV，E（120,0）=4.919mV）。119？

2、室温20℃，采用K型热电偶测量某物体温度。与其相配的显示仪表具有冷端补偿功能。测量电路如上图所示，当仪表指示为100℃时，此时用万用表测量热电偶的实测热电势为多少？（已知：E（20,0）=0.798mV;E（80,0）=3.266mV;E（100,0）=4.095mV;E（120,0）=4.919mV）。3.297？4.095+0.798=4.893mV4.919-4.508=0.411mV4.893-4.508=0.385mV0.385/0.411=0.9367110＋0.9367×10≈1193.热电偶的结构形式（1）普通热电偶(a)(b)(c)(d)

132（2）铠装式热电偶（又称套管式热电偶）优点：小型化（直径从12mm到0.25mm）、动作响应快、机械强度高、抗干扰性好、耐高压，使用方便。

断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。

铠装式热电偶断面结构示意图

1—

金属套管;2—绝缘材料;3—热电极

(a)—碰底型;(b)—不碰底型;(c)—露头型;(d)—帽型铠装式热电偶外形（3）薄膜热电偶：用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.01～0.lμm)。目前有铁—镍、铁—康铜和铜—康铜三种,尺寸为60×6×0.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300℃以下；反应时间仅为几ms。因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。4、热电偶测温线路

（1）测量某一点的温度热端热端冷端冷端补偿导线补偿导线（在表内）（在表外）(2)测量两点间温度差

热电动势1热电动势2补偿导线(3)热电偶并联-----测多点平均温度(4)热电偶串联-----增加测量灵敏度二非接触式测温（辐射式测温）1.非接触式测温及其特点

原理：载热体→热能→辐射能→受体温度↑。特点：无媒介，测速快，对热场无干扰，用于运动物体、腐蚀性介质的测温；缺点：测量误差大、标定难结构复杂、价格贵2.常用元件及共性高温辐射计、低温辐射计、光电温度计等，原理：热辐射→透镜（反射镜）→热电堆（热敏电阻、硅光电池）→电信号。（1）.高温辐射计：光学玻璃透镜（光波长0.7～1.1μm）与硅光电池(700～2000℃→20mV)组成；误差：＜1500℃，±0.7%;＞1500℃，

±1%；响应时间＜1毫秒（2）.

低温辐射计：锗透镜与半导体热敏电阻组成；接收2～15μm红外波；范围：0～200℃；误差：±1%；响应时间＜2毫秒，信号需放大。

（3）光电温度计：光透镜（光波长0.6～2.7μm

）＋流化铅光敏电阻；范围：400～800℃；误差：±1%；响应时间＜1.5毫秒,信号需放大。

红外热成像仪（热成像仪或红外热成像仪）是通过非接触探测红外能量（热量），并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热成像仪能够将探测到的热量精确量化，使您不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。红外热成像仪红外热成像仪三.测温仪表的选用1.选用原则1）精度符合误差要求；2）操作方便、运行可靠、经济合理，统一品种与规格3）量程略大于实测范围（90％）；4）高温：热电偶；低温：热电阻5）保护套管的耐压等级＞管线或设备的耐压等级三.测温仪表的选用2.选用原则示意图2.2.2典型模拟式温度变送器一.DDZ-Ⅲ型温度变送器1.DDZ-Ⅲ型温度变送器的构成及特点(图2－21）说明:1)输入回路可实现热电偶冷端补偿、热电阻三线制引入、零点调整与迁移、量程调整；2）反馈回路可实现非线性校正；特点：1）集成运放：可使仪表的精确性、可靠性、稳定性及技术指标符合国标；2）通用模块与专用模块相结合，使用灵活，方便；3）反馈线性化保证输入/输出关系的线性化；4）统一集中供电，二线制接线方式；5）采用安全火花防爆措施2.量程单元的构成及工作原理（1）直流毫伏量程单元（图2－22）功能说明：限流、滤波、零迁、反馈、量程调整输入/输出关系(推导过程略）：其中参见式（2－24）量程调零2.量程单元的构成及工作原理（2）热电偶量程单元（图2－23）与直流毫伏量程单元的区别：1)需进行冷端温度校正：2.量程单元的构成及工作原理2)反馈线性化（图2－24）IoEi-+Ei热电偶被测温度T输入电路放大电路非线性反馈输出电流IoTIoVfT分段线性化的工作原理：当有当有当有；；；当。说明：1）第四段的斜率是在保持第三段反馈强度不变时改变输出电压的降压系数实现的；2）基于VD7,调节分压电阻的电阻值即可获得需要的击穿电压，即获得折线的转折点；3）折线的斜率可通过改变各反馈电阻的阻值实现；4）改变转折点和斜率可改变整个折线的形状。(3)热电阻量程单元（图2－26）与热电偶量程单元的区别：1）用三线制取代了冷端温度补偿；2）对铂电阻需进行非线性校正，而铜电阻则无需校正？3）采用正反馈方法进行校正.(3)热电阻量程单元（图2－26）正反馈方法校正:为保持整个电路的线性，在反馈回路中采用了正反馈，直接将反馈电压uf转成电流i1

，并通过热电阻，使其端电压上升，并引入运放的同相端，形成正反馈效应。i13.放大单元的构成及工作原理（图2－27）构成：直－交－直变换电路；集成运放；功放电路；输出电路；反馈电路。各部功能：。。。3.放大单元的构成及工作原理（图2－27）高增益、低漂移的A2

，构成差动放大器调制隔离稳压管VD07的作用是在电流输出回路断线时，电压输出信号不受影响复合管VTa1、VTa2构成射极输出器，实现V-I的转换2.2.3智能式变送器

自学一.特点与结构（1）通用性强。。。（2）使用灵活。。。（3）多种补偿校正功能。。。（4）具有控制功能。。。（5）具有通信功能。。。（6）具有自诊断功能1.特点2.结构（1）硬件：微处理器、输入/输出电路、人/机界面（2）软件：系统程序和用户程序二.实例（TT302)1.TT302概述。。。2.硬件构成：（图2－28）输入模版、主板、显示器（1）输入模版：多路转换器、信号调理电路、A/D转换和隔离；功能。（2）主板：微处理器系统、通信控制器、信号整形、本机调整、和电源；功能。（3）显示器：液晶式微功耗数字显示四位半/五位字母3.软件构成：系统程序、功能模块2.3压力的检测与变送（意义）2.3.1压力的概念及其检测一.压力的概念：垂直作用于单位面积上的力P=F/S（1Pa=1N/m2）1.差压(△P)：指两个压力之间的相对差值；2.绝对压力(Pabs):指相对于绝对真空所测得的压力，如大气压力(Patm)就是环境绝对压力；3.表压(Pg):指绝对压力与当地大气压力之差；4.负压(Pv)：指当绝对压力小于大气压力之时，大气压力与绝对压力之差。压力关系（图2－29）SF最常用的压力单位压力的单位是帕斯卡（Pascal），简称帕（Pa），表示1N(牛顿)力垂直而均匀地作用于1m2面积上形成的压力。1Pa

=1N/m2

，1MPa=106Pa工程大气压（at）指1kg质量在1cm2的面积上形成的压力。1工程大气压=1kg/cm2=9.80665×104Pa≈0.1MPa

标准大气压（atm)指在纬度为45，温度为0时的平均大气压力。二.弹性式测压元件及原理

弹簧管波纹管弹性膜片（膜盒）二.弹性式测压元件及原理1.弹簧管（波登管）、多圈弹管，角位移→电信号；测压范围较宽，可高达1000MPa。2.波纹管、波/簧组合→提高线性度；位移最大，可测微压（＜1MPa)。3.膜片与膜盒：压差→位移可测低压。

弹簧管波纹管弹性膜片（膜盒）2.3.2DDZ-Ⅲ型力矩平衡式差压变送器一.原理图（2－33）1.测量部分：、结构图（2－34）1—低压室2—高压室3—测量元件（膜盒、膜片）

4—轴封膜片5—主杠杆6—过载保护片7—静压调整螺钉

8—矢量机构9—零点迁移弹簧10—平衡锤11—量程调整螺钉12—检测片（衔铁）13—差动变压器14—副杠杆15—放大器16—反馈动圈

17—永久磁钢18—电源19—负载20—调零弹簧

杠杆机构检测放大机构反馈机构测量机构动画演示压力检测方法及仪表压力检测仪表

压力检测方法及仪表主杠杆矢量机构将F1分解成F2和F3，副杠杆平衡：l1l4l3l0lfl2F1F3F2FfF0HMFi5481214θθ3.位移检测放大器（位移/电流转换器）自学（1）检测变压器、振荡电路（图2－36）振荡器工作过程（图2－37）（2）放大器：整流滤波与功率放大（图2－38）4.电磁力反馈。。。图3－28其他元件作用。。。5.整机特性（图2－39）2.3.3电容式差压变送器（特点、构成）感压膜片电容-电流转换器ΔPi↑ΔCδc↑Ii放大和输出限制电路反馈电路-If调零、迁移电路I‘I0(I2-I1)0～100kPa4～20mA差动电容ΔS↑测量部件转换电路放大电路1.检测部件（图2－41）作用：将输入差压线性地转换成两电容之差与两电容之和的比值C1C2d0d0P1=P2时：

C1=C2=K2/d0K2=εS/4π差压传感部件P1＞P2时：测量膜片中心位移：

Δd=K

1ΔP

K1—弹力系数P1-P2=ΔP

中心膜片变形位移电容量变化当P2是大气压时，为压力传感部件。有：K3=K1/d0∆PdKddCCCC30101212==D=+-∆PKC1C2d0+∆dd0-∆d两个电容的电容量变为：

由测量电路将电容变化量转换为电压。2.转换放大电路（图2－42）（自学为主）

如图是一种测电容充放电电流的原理电路。正弦波电压E加于差动电容C1、C2上，R1～R4的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，则流过C1、C2的半周期电流近似为：V1V2V4(1)

电容/电流转换与差压/电流转换取R1=R2=R4，得：因为：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4，则：∆PKVVVCCCC34122112=-=+-4214)(RCCC1R1VV2+-=-C2R2V1令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的压降V1V2V4在实际电路中，当差动电容Cl、C2变化时，用负反馈自动调节供电电压E的幅度，使流过它们的电流之和Io保持恒定。由上式可知，当V4=IoR4不变时，测出V2－V1，则可知∆P∆PKVVVCCCC34122112=-=+-V1V2V4（2）振荡器电流稳定电路。。。(3)放大电路与量程调整。。。如图为电容式压力变送器的原理线路。

V2V1V2－V1IA1供给振荡器电源通过负反馈保证R4两端的电压恒定A2将Rl，R2两端的电压相减RP1调整电流负反馈，实现量程调整差压变器使用时应注意问题：开启表时：

应打开平衡阀2,再开高低截止阀1、3，当阀1、3全开后，再关阀2。停表时：

应先打开平衡阀2，再关闭阀1、3。132P1P2ΔPiP1P2平衡阀截止阀截止阀ΔI0Q特点：灵敏度高，量程宽，过载能力强。没有杠杆传动机构，因而结构紧凑，稳定性与抗振性好，测量精度高，可达0.2级。电容差压变送器

2.3.4智能式差压变送器（1151）自学1151的特点1）精度高（±5％）、稳定、可靠；2）具有补偿功能3）具有数字、模拟输出方式；4）具有多种其他功能。。。2.硬件构成及其功能1)

传感器部分：将差压→0～2.5V;供电电压：5V,工作电流：0.8mA.

2)A/D转换：带有前置放大，16位，具有自校准功能。。。3）CPU:AT89S8252与MCS51兼容;8KBFROM、2KBEPROM、256BRAM、32I/O口线、2个DPTR、三个16位定时/计数器、一个全双工串行口及可编程看门狗、振荡器与时钟电路等4）HART通信部分：二进制数字信号与FSK信号之间的转换HART通信原理图（图2－44）HT2012:调制器、解调器、载波监测电路和时基电路构成；（数字）ITXD（调制）→OTXA(FSK)（FSK）IRXA（解调）→ORXD（数字）载波监测：4～20mA上叠有数字信号，OCD为低电平，否则为高电平；时基电路：产生时间基准信号。5)AD421:数/模转换芯片；电压调整：将24V→5V.6)监控电路：保护CPU状态，即工作不正常时：中断→数据保护→恢复。3.软件构成：监控程序和通信程序A/D采样、非线性补偿、量程转换、线性或开方输出、阻尼及D/A输出2.4流量的检测与变送2.4.1流量的概念与检测方法流量的基本概念：瞬时流量（单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量）与累积流量（某段时间内流过工艺管道某截面的流体总量）：体积、重量与质量流量。（1）体积流量：(2)

重量流量：(N/h)(N)(3)

质量流量：三种流量之关系：(4)

标准状态（20℃、标准大气压）下的体积流量：工作状态下的体积流量标准化（瞬时）（累积）（瞬时）（累积）（瞬时）（累积）2.4流量的检测与变送2.4.1流量的概念与检测方法2.流量的检测方法（1）体积流量检测方法：容积法（单位时间内排出流体的固定体积数）和速度法（管道内的平均流速乘以管道面积）；（2）质量流量检测法：间接法（体积流量乘以密度）和直接法（仪表直接测得）。2.4.2典型流量检测仪表1.容积式流量计：采用固定的小容积（标准“计量空间”）来反复计量通过的流体体积。

工作原理：当流体通过“计量空间”时，在它的进出口之间产生一定的压力差，其转动部分在此压力差作用下将产生旋转，并将流体由入口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满“计量空间”，又一次次地被送往出口。对已定的流量计而言，该“计量空间”的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就可以得到被测流体体积的累积值。2.4.2典型流量检测仪表椭圆齿轮流量计(图2－46）：利用两个相互啮合的椭圆形齿轮在流体的推动下，连续转动来测流量。当流体要流过椭圆齿轮时，进口侧压力大于出口侧压力，在此压力差的作用下，产生作用力矩使椭圆齿轮转动。A、B轮转动时，连续将半月形容积内的流体排出。2.4.2典型流量检测仪表容积式流量计动画演示特点由于椭圆齿轮流量计是基于容积式原理测量的，与流体的粘度、密度参数无关对流体的流动状态无要求，特别适用于高粘度介质的流量测量。测量精度高，最高可达±0.1%。椭圆齿轮流量计的使用温度不能过高，否则可能使齿轮膨胀卡死。另外被测流体中不能含有固体颗粒，否则会引起齿轮磨损以至损坏。2.4.2典型流量检测仪表2.速度式流量计（1）节流式（差压式）流量计：工作原理是基于伯努利方程和连续性原理，即当流体流过管道中的节流元件时会使流速产生变化，进而使节流元件前后的差压也产生相应变化，只要测得差压便可获得被测流量。常用节流元件：孔板、喷嘴挡板、文丘里管等标准孔板的结构标准喷嘴的结构文丘里管的结构静压能表现在流体对管壁的压力，动能表现在流体有流动速度。这两种能量在一定条件下可以互相转化。孔板前后流体对管壁压力孔板前稳定流动段Ⅰ-Ⅰ截面流束未收缩前压力平均流速v1流束最小处Ⅱ-Ⅱ截面流束最小处压力平均流速v2截面Ⅰ处能量=截面Ⅱ处能量+损耗但是，根据能量守恒定律，在没有再加能量的情况下，流体所具有的静压能和动能，加上克服流动阻力的能量损失，其总和是不变的。即：静压能动能静压能动能损耗根据伯努力方程可列出：损耗式中：

——为流体在截面Ⅰ-Ⅰ与Ⅱ-Ⅱ之间的动能损失系数；g——为重力加速度；

ρ1、ρ2——为流体在截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的密度。如果流体是不可压缩的，那么ρ1=ρ2=ρS1、S2分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流束截面积。

v1S1=v2S2又根据流体连续性方程：截面Ⅰ、Ⅱ处体积流量应相等，有联立求解两式，可得出：S0——孔板的开孔面积。另外，取紧挨孔板前后的管壁压差（P1-P2）代替（P’1-P’2），为此引用系数ψ

加以修正：

为简化计算，引入两个系数：截面收缩系数μ

孔板口对管道的面积比m代入v2式，得

因体积流量：Q=v2

S0称流量系数

将令体积流量

质量流量

结论：流量与节流件前后压差的平方根成正比。只要测得差压（P1-P2）便可测得流量。则得到（不可压缩的流体）流量基本方程式：

如果流体是可压缩的（如蒸汽），则要对公式进行修正。注：需要开方运算故流量系数α与节流装置的结构形式、取压方式、开孔面积与管道截面积之比m、管壁粗糙度、流体流动状态等因素有关；很难准确计算，一般通过实验确定。因此，节流装置都是标准化的，由厂家提供α数据。因为

——动能损失系数标准节流装置使用条件流体应当清洁，充满圆管并连续稳定地流动。管道必须是直的圆形截面，直径大于50mm。为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段。节流装置导压管差压计（2）涡街流量计（图2－48）原理：在测量管道中垂直插入一个非流线形的柱状物（圆柱或三角柱）作为阻流体。当流体受到阻碍物阻挡时，会在阻碍物的下游处产生两列平行、且上下交替出现的旋涡。因为这些旋涡有如街道旁的路灯，故有“涡街”之称，又因此现象首先被卡曼（Karman）发现，也称作“卡曼涡街”。实验表明，当两列旋涡的间距h和同列相邻两个旋涡之间的距离l之比能满足h／l＝0.218时，所产生的涡街是稳定的。满足如下关系：

f—

单侧旋涡发生频率St

—

斯特劳哈尔系数v

—

流体平均流速d

—

圆柱体直径式中：公式表明，St为常数时，单侧旋涡的发生频率f与流体平均流速v成正比。测得f便可算出体积流量QvQv=A1v=A1StfdA1—管道中旋涡发生体处流通截面积。A1A1旋涡流量计的特点是精确度高、测量范围宽、没有运动部件、压力损失小。旋涡频率的检测（补充知识）旋涡频率的检测方法很多。如：热敏检测法、超声波检测法、电容检测法、应力检测法等。这些方法都是利用旋涡的局部压力、密度、流速等的变化作用于敏感元件，产生电信号，再经放大整形，得到脉冲信号输出。例1：热敏检测法如图所示，圆柱形内腔的中心位置上安装一个铂电阻，通以电流时产生热量，使内腔温度高于腔外。当流体产生旋涡时，产生旋涡的一侧流体流速低，静压高，使一部分流体由导压孔进入内腔，向未产生旋涡的一侧流出，带走一部分热量，铂丝温度降低，电阻减小。每产生一个旋涡，铂电阻就变小一次。

测量出铂电阻变化的频率就测定了旋涡频率，也就测得了流量。

铂丝阻值的变化频率，采用一个不平衡电桥进行转换，经放大和整形，再变换成直流电流信号输出，供显示，累积流量或进行自动控制。铂电阻丝电桥输出信号频率fv=2f转子流量计又称浮子流量计，是变面积式流量计的一种，由一个锥形管和一个置于锥形管内可以上下自由移动的转子(也称浮子)构成。当流体自下而上流入锥管时，被转子截流，这样在转子上、下游之间产生压力差，转子在压力差的作用下上升，这时作用在转子上的力有三个:流体对转子的动压力、转子在流体中的浮力和转子自身的重力。当这三个力达到平衡时，转子就平稳地浮在锥管内某一位置上。3）转子流量计1）锥形管是玻璃的，直接目视转子的位置。2）在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，触发显示。转子位置信号的引出：123）在转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平分量和垂直分量，可确定转子位置。4）在转子上方安装一导磁棒，使差动变压器输出随转子位置变化。3.直接式质量流量计（科氏流量计）（图2－50）实验图示说明：a)

水静止、管摆动；b)

、c)

水流动、摆动管，则出水侧的摆动先于入水侧；出水侧摆动的相位超前入水侧；相位差→质量流量双弯管型（图2－51）：水按箭头流入、流出；A、B、C三处各按一组压电换能器：A处加交变电压，B、C检测振动幅度→相位差→4～20mA→质量流量科氏质量流量计科里奥利式质量流量计驱动器：用于驱动U型管绕O轴上下震动。科氏质量流量计当管道向上震动时：由管道进口到端头的流体垂直速度增加，管道受向下的力。

由管道端头到出口的流体垂直速度减小，管道受向上的力。科氏质量流量计科氏流量计可直接测量质量流量，而且测量精度高、量程比宽、结构简单免维护。其它流量计：1）电磁流量计当介质流动时将产生电动式其中，E为电极间的电势K为仪表常数(与管道内径以及永磁场参数有关)可见传感器是线性的.在电磁流量计内不存在防碍介质流动的障碍物所以没有压力损失,不受介质温度、黏度、压力等的影响,还可以测低流速和瞬时流速.它的缺点是不能测油和气体等导电率极低的介质而且介质内不能有大量气泡,应用范围小．电磁流量计返回2）超声流量计若静止液体中声波的传播速度为则发送器和接收器之间的声波传递速度为若它们之间的距离为则传播时间为

通过求即可求出，但的变化会影响测量.为消除声速的影响引入以下方法超声流量计超声流量计与电磁流量计相比超声流量计不受介质是否导电的限制应用范围更广但超声波换能器不耐高温且价格较贵.返回2.5物位的检测与变送（液位、料位、界位）(自学)2.5.1物位检测的主要方法静压式测量法压力式：敞口容器；差压式：闭口容器电气式测量法物位变化→电气参数：电阻、电容、磁场等变化→与电容式差压变送器配合→标准信号。3.声学式测量法；4.射线式测量法。2.5.2典型物位检测仪表1.差压式液位计：取压口与底部同一水平线（图2－52）；取压口低于容器底部（图2－53）正迁移取压口装有隔离罐（图2－54）（负迁移）2.电容式液位计原理：介电常数不同→电容变化→物位图5－56的说明：AB为可调桥臂，DA为测量桥臂；开关S检查工作状况；3.超声波液位计换能器原理（压电效应）：交变电场作用下，压电晶体将电能转换成振动称逆压电效应；将振动声波转换成交变电场称正压电效应；→发射器和接收器电子装置：产生交变电信号、处理电信号缺点及补偿2.6成分的检测与变送(自学)2.6.1概述意义：了解原料、产品成分及性质；直接质量控制对提高质量、降低能耗、防止污染的需要；对易燃、易爆、有毒、腐蚀性气体的检测以确保安全尤为重要。检测方法仪表名称热学方法热导式分析仪，热化学式分析仪，差热式分析仪等磁力方法热磁式分析仪，热力机械式分析