东北电力大检测技术及仪表讲义

PAGEPAGE81绪论1.1序言仪器仪表的功能：在于用物理、化学和生物的方法，获取被测对象的组份、状态、运动和变化的信息，通过信息的转换和处理，使其成为易于人们阅读、识别和表达（信息显示、转换和运用）的量化形式或进一步信号化进入其他自动化系统。1.1.1检测技术与仪表的重要性仪表是人们认识世界的工具，机器是人们改造世界的工具，认识世界是改造世界的前提——王大珩（两院院士、“两弹一星”元勋，“863计划”倡导者之一）；器仪表是信息产业（IT），是现代信息链的源头技术（信息的获取、处理、传输和应用）。钱学森院士：“新技术革命的关键是信息技术，信息技术是由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成，测量技术则是关键和基础”；测量蕴含在人类生产生活的各个方面，长短、快慢、轻重、冷热、亮暗、浓淡……仪器仪表工业是国民经济的“倍增器”，是科学研究的“催化剂”，是军事上的“战斗力”。现代仪器仪表是集光、机、电为一体，综合物理、化学、生物、材料、计算机等多学科发展的高新技术领域；测量与科学技术的发展相互制约、相互促进。1.1.2开设本课程的意义1）自动化专业的主要专业内容之一：为运行人员提供操作依据为自动化装置提供准确及时的测量信号为宏观技术管理、经济管理提供参考依据为运行人员提供操作依据为自动化装置提供准确及时的测量信号为宏观技术管理、经济管理提供参考依据检测技术及仪表自控理论及装置计算机软、硬件，网络技术等利用仪表装置完成控制策略，实现对生产过程的干预，使其按照预定的要求运行。达到安全、经济、高效（自控原理、控制系统、模糊、神经元…）实现智能功能的工具和手段（计算机原理、计算机控制系统、单片机、网络、DCS、PLC…）感知并以可观测的方式表达被测参数（检测技术及仪表、现代测试技术、…）图1自动化专业主要内容及课程体系保证生产过程安全、经济运行及实现自动化的前提条件和必要条件改善劳动条件、提高劳动效率和设备可靠性的重要依据创业、就业的重要方向：研究开发-制造生产-代理销售-成套设计-运行维护；1.1.3主要内容测量、误差、测量仪表的基本概念；过程工业主要测量参数的测量原理、测量仪表；调节器、执行器等自动化装置介绍；检测领域新技术介绍。1.1.4特点及学习方法1）本课程以工程测量为背景研究和解决测量原理及测量仪表问题（区别于实验室精密测量仪器和计量）；测量参数划分章节，各章之间相对独立，联系较少；容涉及学科多，是各学科内容的综合，讲授的只能为典型知识，不可能面面俱到，因此，纯理论知识不深，着重强调知识的应用性；学习时，应掌握课程特点，善于理解、掌握实质、记忆与推理结合，及时预习，带着问题听课，有疑难及时与教师沟通。强化基本概念、理论、方法的掌握，避免“压题”、“突击”、“参考往届试题”等投机式学习。1.2典型仪表控制系统举例1）重点掌握控制系统中的共性部件：测量（传感）+变送+调节+执行+对象2）了解个部件在不同控制系统中的具体体现形式，哪些部件发生了变化，那些没变。1.3基础知识和基本概念1.3.1测量的基本概念1）测量的定义：用实验的方法，把被测量与所选定的测量单位进行比较，求其比值以获得被测量数值的过程。2）三要素：测量单位：必须预先确定；（计量学科的主要内容）测量工具：单位的实物复现形式；测量方法：进行比较的实验；3）测量的基本方程式：（1-1）其中：X为被测量；为比值；x为测量单位；为测量误差。常被称为仪表读数、指示值、示值等 <例>测量书桌的长度。 长度单位：米 测量工具：米尺 测量方法：尺与桌面比较，获得结果 误差：尺子本身制造、测量过程、环境条件、读数习惯…测量的分类：对精度要求的不同：一般测量：对测量结果无需给出误差值或估计侧得值的可信度。（生活测量）；工业测量：对测量结果只需考虑误差的最大可能性。（技术测量）实验室测量：对取得的测量结果要估计器误差，并评定其不确定度（精密测量）。测量方法的不同：直接测量：单位与被测量直接比较即可获得比值。间接测量：通过测量值的函数运算后才能获得被测量。（如电阻率）。接触测量：测量工具直接接触被测对象，感受其变化后得出测量结果。非接触测量：测量工具无需直接接触被测对象，就能感受其变化得出测量结果。能量变换型：将被测参数的能量转换成另一种易测量的能量类型。（电、光等）能量控制型：被测参数的变化使其它参数发生变化，从而控制外部能量。偏位法测量：被测参数使测量装置的参数产生偏差，以此进行刻度；（开环）平衡法测量：上述偏差用已知参数进行平衡，偏差为零时由已知量刻度被测量；微差法测量：综合上两种方法的优点。被测参数时变状态不同：静态测量：被测量在测量过程中无需考虑时间因素。动态测量：测量过程中，被测量处于时变状态中。测量条件的不同：等精度测量：在相同条件下进行测量，数据无论偏差大小，具有相同的可信度不等精度测量：在不同的条件下测量的数据。1.4测量的误差与测量不确定度1.4.1测量误差 1）绝对误差定义：测量结果减被测量真实值所得的偏差称为测量的真误差，简称误差。 公式：2）相对误差定义：绝对误差除以被测量的真值的百分数。 公式： 3）真实值（真值）：与给定的特定量定义一致的值。严格讲用测量的方法无法获得。 4）常用真值：理论真值（理论值、定义值）：根据一定的理论，在严格的条件下按定义确定的真值。约定真值（相对真值、代替真值、指定值）：国际计量大会认定，得到大家公认的各种基准、标准或相当于标准的指示值。最佳估计值：常数委员会给出的物理常量与常数，如真空中光速等。传递值（参考值、实际值）：由计量网传递下来的标准仪器、标准量器和标准物质所给出的值。5）误差产生的原因：（测量仪表精度测量精度）原理误差：测量原理及测量方法本身先天存在的误差。如： 对被测对象的有关知识认识不足，为考虑到一些因素造成 客观条件限制，只能近似测量 测量原理本身的近似性 测量设备干扰被测对象 运算中常数近似、有效数字取舍 动态参数只能用静态方法等装置误差：使用的测试设备本身固有的误差环境误差：环境因素对测量工作的影响（温度、湿度、大气压、电场、磁场、振动…）人员误差：测量人员的操作过程引入的误差。（感官、习惯、技术水平、反应滞后、粗心、误读、…），——[特异功能]6）误差的种类：系统误差：测量误差的大小、方向都是恒定或有规律变化误差。有规律，可预知，可补偿（因机理复杂，只能减小误差但不能完全消除误差）随机误差：测量误差的大小、方向都是随机变化的误差。不可预知、不能控制，多次测量符合统计规律。疏忽误差：明显歪曲测量结果的误差。仪器故障、人员疏忽、重大干扰等。多数情况属于坏值，可根据一定的规则加以剔除。1.4.2测量的不确定度1999年5月1日起，国内正式实施国家计量技术规范JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》代替旧规范JJF1027-1991《测量误差及数据处理》中的有关误差部分内容，与国际惯例接轨。测量不确定度含义：表示测量结果正确与否的可疑程度，是给定条件下测量结果的分散性描述，表明了随机效应和系统效应对测量结果所造成影响的大小。不确定度与误差的区别：P15表1.1（其它内容略）1.5仪表的组成及其性能指标1.5.1仪表的基本组成：1）传感器（敏感元件、一次元件、感受件、测量元件、发送器等）：与被测对相直接联系，感受被测量的变化，并发出一个与被测量相对应的可观测信号作为输出。如：波纹管侧压力。 对传感器的要求：单值性：输出与被测量单值关系，最好是线性关系；复现性：在不同的测量条件下测量值应在一定的准确度内一致；选择性：传感器输出只对被测量变化敏感，否则将产生误差；超然性：对被测量的干扰尽可能小；灵敏性：输出信号尽可能大；稳定性：在规定的工作条件下保持其恒定的计量性能（物理、化学性质稳定）；经济性：价格可被接受。变换器：对传感器的输出信号进行某种形式的加工处理。如放大、变换信号性质、信号线性化等，以便于远传、显示或信号统一。变送器：凡输出标准信号的变换器就称之为变送器（4-20mA、0-10mA、20-100kP、标准协议的数字信号等）要求：信号处理后无失真。3）显示装置（二次仪表）：向观测者显示出被测量的数值（就地或远传显示）。要求：便于读数（模拟式、数字式、屏幕式）。1.5.2仪表的性能指标：1）用户关心的内容计量性能可靠性（抗干扰能力、防护能力）防爆性能能耗使用方便性价格2）用户的选表原则满足计量指标、使用安全可靠、维护量小、投资少；反对盲目追求高、精、尖。3）仪表的主要质量指标（计量性能）测量范围及量程：在允许的误差范围内，仪表所能给出的被测量值的集合——测量范围；测量范围的最高值和最低值——测量上限、测量下限；测量上限与测量下限代数差的模——仪表的量程。仪表的输入输出特性：仪表的输入信号作为横坐标输出信号作为纵坐标画出的曲线—输入/输出特性；零点迁移：通过仪表的调零机构，使特性曲线平移的过程（量程保持不变）；量程调整：通过仪表的调量程机构，使特性曲线斜率发生变化的过程。[见P9图1.6]仪表的滞环和回差：滞环：仪表的实际上升曲线与下降曲线不重合时，形成的环状输入/输出特性； （弹性元件的变形、磁滞效应等引起，同一输入量对应两个输出量） 回差（变差）：上升曲线和下降曲线在同一输入量下最大的差值。灵敏度：S：仪表输出相应的变化与输入激励的变化,在x处的比值。说明：灵敏度就是仪表输入/输出特性曲线的斜率，仅当特性曲线为线性时，灵敏度为常数，且若不能保证线性特性，上式称为平均灵敏度。分辨率（灵敏限）：使测量仪表产生可察觉响应变化的最小激励变化值。死区（不灵敏区）：使测量仪表产生可察觉响应时的最小激励值（下限处）。仪表的引用误差：用测量仪表的量程代替真值所得到的相对误差。仪表的基本误差：在规定的技术条件下，在仪表的量程范围内，各点出现的示值误差绝对值最大者（可用绝对、相对、引用误差来表示）。仪表的允许误差：在规定的条件下，允许仪表具有的误差最大值。仪表的精度等级：用引用误差表示的仪表允许误差（即仪表的最大引用误差）去掉%后的数字经过圆整后的数值。（系列值见P8）仪表合格的标准：仪表的基本误差仪表的允许误差<例>有一块温度表，测量范围为0——2000C，1.0级精度，经校验结果如下：0501001502000C0+2-3+1-40C问：此表基本误差是多少？是否合格？解：仪表的基本误差由定义：-4/200=-2%允许误差由精度等级定义为：1%故不合格。 （也可计算出允许误差的绝对误差表示：1%200=20C，实际-40C可见，不合格。）1.6仪表的防爆问题1.6.1基本概念 易燃易爆环境下对电动仪表使用提出的要求。（指仪表本身能否影响环境） 该技术首先在煤矿受到重视，国内外相继制定了有关标准。如国内GB3836.1《爆炸环境用防爆电气设备通用要求》其中包括自动化仪表；GB50058-92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》等。1）防爆途径隔离电路与环境—结构防爆（隔爆仪表）限制电路能量—本质安全防爆（安全火花防爆仪表）结构防爆的措施严密的外壳，符合规定的螺纹、高质量的密封垫、导线出口采用密封结构、壳内留有气体膨胀空间；向壳内输送洁净空气维持内部正压，使环境易燃易爆气体无法进入壳内；壳内充油，带走热量、熄灭火花、隔离；壳内填充石英砂，熄弧隔热本安防爆的措施电压<1.2V,电流<0.1A且能量<20或功率<25mW—经检验后可直接用于任何场所（如热电偶、热电阻、光敏电池等）配套仪表、导线要考虑限制能量；本安仪表本安系统（必要但不充分）。2）燃烧和爆炸机理燃烧自燃：受热自燃（外界加热使温度达到自燃点）；本身自燃（内部化学反应、物理、生物发热等引起，如煤堆）闪燃需要火源接触。点燃可见，仪表要注意自身的温升（变压器、元器件等）爆炸：物质在瞬间以机械功的形式释放出大量能量和气体的现象。 物理性：锅炉爆炸、爆管 化学性：炸药 仪表引起的爆炸多为温度过高或出现火花引发的化学性爆炸。发生爆炸的条件： 可燃气与空气混合物在一定浓度范围内才能遇火爆炸。浓度不同则程度不同。 <例>CO与空气的比例如下： CO<12.5％不燃不爆 ＝12.5％轻度爆炸—（爆炸下限） 12.5％<CO<30.0% 燃爆逐渐加强＝30.0％最强30.0％<CO<80.0% 燃爆逐渐减弱＝80.0％轻度燃爆—（爆炸上限）>80.0%不燃不爆燃烧与爆炸的异同：相同点：都是可燃物的氧化反应；不同点：反应速度不同，发出功率不同。<例>1Kg煤块完全燃烧约需10min,1Kg煤粉和空气均匀混合之后发生爆炸仅需0.2s；发热量均为2931kJ左右；发出功率则分别为4780W和1471105W发生火灾时，燃烧与爆炸往往相互转化（如油罐燃爆：顶部挥发物在爆炸极限内遇火爆炸，而其下层液态油将紧跟着燃烧，当挥发物浓度在到极限范围再次爆炸…；当挥发物浓度>上限时，先燃烧，耗到一定程度再爆炸）。常见可燃物气体的爆炸极限（20°C,101.3Pa）名称下限％上限％甲烷515乙烷3.2212.45丙烷2.739.5乙烯2.7528.6乙炔*2.580一氧化碳12.580氢气*474……说明：表中乙炔和氢气在常温下爆炸的危险性最大，因为在较宽浓度范围内都有可能爆炸；当温度升高时，混合物的下限降低，上限上升，危险变大；环境中的氧气浓度升高时。混合物的下限降低，上限上升，危险变大；环境中的惰性气体浓度升高时，混合物的下限上升，上限降低，危险变小；容器的直径对爆炸极限也有影响，直径小，火焰难于蔓延，不易爆（如甲烷D<0.4mm；氢气D<0.1mm可以保证安全）。易爆混合物的最低引爆能量（点燃能量）：名称能量（mJ）甲烷0.47乙烷0.285丙烷0.305乙烯0.096乙炔0.019氢气0.017（易燃爆）氨*1000.0（不易燃爆）……说明：对工作在易爆气体中的仪表，无论正常或异常，都不能产生能量过大的火花—安全火花。粉尘的爆炸性：引爆能量相对较高，但危害较大铝粉、镁粉等—金属粉末煤粉、碳粉等—燃料粉末面粉、淀粉等—粮食粉末塑料、染料等—合成物粉末鱼粉、血粉等—饲料粉末棉花、烟草等—纤维粉末木屑、纸屑等—林产品粉末1.6.2防爆等级和标志1）危险场所的分类、易爆程度分级与引燃温度分组：类别I类：由甲烷气体的煤矿井下；II类：有各种易燃易爆气体的工业生产场所；III类：有易燃易爆粉尘的场所。级别A级：难以引爆B级：中间状态C级：最易引爆分组T1组：最难自燃T2组—T5组渐易T6组：最易自燃粉尘分组为T1-1～T1-3危险递增关系。 2）爆炸性气体、粉尘的分类、分级、分组列表：见P28表1-6；表1-73）防爆仪表的类型与等级标志GB3836.1的规定类型（8类） “d”—隔爆型；“e”—增安型；“i”—本安型；“n”—无火花型； “o”—充油型；“p”—正压型；“q”—充砂型；“s”—特殊型。 其中：增安型指—正常运行条件下不会产生火花或高温的电气设备或仪表，在隔爆型仪表的基础上又采取了措施，增加了安全性，可防止在过载的条件下导致事故；本安型又分和两级，前者安全系数大，可用在更危险的场合。等级标志：类型（d、e、I、n、o、p、q、s）+类别（I、II、III）+级别（A、B、C）+温度组别（T1、T2、T3、T4、T5、T6、或T1-1、T1-2、T1-3） <例1>某仪表可用于乙烯生产场所，表面温度不超过200°C，隔爆类型，则标识应为：dIIBT3 <例2>某表标识为iaIIAT5,说明其含义。本安ia级用于工厂的乙醛、三甲氨等环境（P28表1.6），表面温度100～135°C以内。1.7仪表的防护等级标准1.7.1基本概念防护：指仪表能否在制定环境下正常运行（指环境能否影响仪表本身）国际标准：IEC529；德国标准DIN40050国内标准：GB4208《外壳防护等级的分类》（与国际标准兼容）1.7.2标注方法及含义 IP数字0～8：表示对水侵入的防护（P31，表1.11）数字0～6：接触防护和对外来物体侵入的防护（P31，表1.10）防护标识

2温度测量2.1温标与测温方法2.1.1温度标尺（温标）1）温度与温标：温度：衡量物体冷热程度的物理量，是物体分子热运动平均动能的标志。温标：衡量温度高低的标尺，是表示温度数值的一套规则。2）经验温标摄氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为0度，水的沸点为100度，两固定点之间等分100份，每份为摄氏1度，记为1C。（1740年瑞典人摄尔塞斯Celsius）华氏温标：标准大气压下，水的冰点为32度，水的沸点为212度，两固定点中间等分180份，每份为华氏1度，记为1F。（1714年德国人华伦凯特Fahrenheit）｛最初建立时以水银作为测温介质，把氯化铵与水的混合物的温度定为0度，人的体温定为100度，按水银的膨胀程度分成100等份，每份为华氏1度｝两种温标的关系：2-1这种温标的缺点：温标本身依赖于物质本身的特性，分度的任意性无法满足测温技术的发展需求。解决：寻求一种不依赖于物质本身特性的新温标。3）热力学温标在卡诺循环中，卡诺机在高温热源T1和低温热源T2之间交换热量，其中从高温热源吸收热量Q1,向低温热源放热Q2。则有2.2 可见，温度只与热量有关，与物质无关，从而避免了分度的任意性。以此建立的温标称为热力学温标。热力学温度（也称绝对温度）用符号T表示，单位为开尔文，符号K。 热力学温度的定义中以水的三相点作为273.16，再取1／273.16定义为1K。4）理想气体温标由于卡诺机为理想热机，实际上并不存在。复现热力学温标可从与卡诺定理等效的理想气体状态方程入手。用波意尔—马略特定律制成气体温度计，解决了热力学温标的实现问题。5）国际实用温标（国际温标）由于气体温度计制造和使用都很复杂，不宜实用，故只用来夫现热力学温标。1927年第七届国际计量大会开始制定了以热力学温标为基础的能用公式表示、便于实际应用的协议温标—国际温标（ITS-27）,后几经修改成为ITS-48/ITS-68/ITS-90。1990年国际温标是国内目前使用的温度标准。包括三方面的内容：温度单位的定义；定义固定温度点的方法和复现固定温度点的方法。2-32.1.2测温方法分类两大类接触式：体积膨胀式、压力表式、热电偶、热电阻等非接触式：辐射式、光电式等2.2接触式测温2.2.1膨胀式与压力式温度计1）膨胀式玻璃管温度计（液体膨胀式）原理：基于液体在透明玻璃外壳中的热胀冷缩作用。结构：感温包（球型或圆柱形液体贮囊），毛细管，温度标尺。 内标式 图2.5 图2.6 棒式图2.6 外标式 特殊结构 图2.7，2.8数量关系：2-4其中： L—温度计的灵敏度（对应刻度每1C，液体在毛细管中的长度）； —液体在0~100C间的视膨胀系数； V0—液体贮囊的容积； S—毛细管的横截面积。[液体在玻璃内的视膨胀系数：液体的平均体膨胀系数（）与玻璃的平均体膨胀系数（）之差。（可通过试验或查表取得，如P41表2.3）]提高灵敏度的方法：升高和V0（过大有热惰性），降低S（过小易堵或上升不均匀）。双金属温度计（固体膨胀式）原理：利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，当温度变化时使自由端产生位移，用位移标识温度。结构：如图2.9，图2.10特点：简单，价低，抗震动和冲击，精度稍差。2）压力式温度计原理：利用密封在容器中的工质受热后体积变化引起的压力变化来指示温度。结构：测温包+压力计（刻度成温度示值），冰箱测温或如图2.112.2.2热电偶温度计1）热电现象（塞贝克效应1821年）：两种不同材料的导体（或半导体）A和B构成闭合回路，当两个接触端温度T1>T2时，回路中将产生电势，这种现象称为热电现象。产生的电势称为热电势；AB构成的闭合回路称为热电偶；图2.12T1为测量端（热端、工作端），T0称为参比端（冷端、自由端）。2）热电现象产生的原因：物理学指出，热电势由接触电势和温差电势组成。接触电势：由于导体材料内部自由电子密度不同，当两种不同导体相互接触时接点处产生的电势。（自由电子从密度大的导体扩散到密度小的导体中，失去电子的导体呈阳性，获得电子的导体呈阴性，因此又形成了一个内部电场，此电场阻碍自由电子的进一步扩散运动。当电场力与扩散力达到平衡时，接点处形成一定的电位差——即：接触电势也叫珀尔帖电势。图示见图2.13（分清三个方向：内部电场、内部电压降和外部电势）接触电势的数值：2-5 式中： k—波尔兹曼常数1.3810-23J／K T—接点温度 e—单位电荷数，4.80210-10绝对静电单位 NA、NB—导体A、B在温度T时的自由电子密度 结论：接触电势是接点温度的函数，与两种导体的性质有关。温差电势：同种材料导体由于两端温度不同产生的热电势。（温度高的一侧自由电子能量大，因此电子扩散时从高温端移向低温端的数量多，返回的数量少，形成的内部电场力与扩散力平衡时，导体呈电性，产生温差电势—也叫汤姆逊电势）图示见图2.14（分清三个方向：内部电场、内部电压降和外部电势）温差电势的数值：2-6式中： —汤姆逊系数，表示温差为1℃时所产生的电动势，它与材料的性质有关。—只与导体性质及温度有关，与导体长度、截面积及温度分布无关。3）热点偶回路的总电势：温差电势与接触电势的综合效应。设T>T0，NA>NB如图2.152-7即：2-8若电极A、B为同一种材料（NA＝NB，），则无论温度如何，回路总电势始终为0；若T＝T0，则无论电极A、B材料是否相同，回路总电势始终为0。热电偶产生热电势的条件——不同材料且接点温度不同。等效表达形式1：2-9热电势是温度函数之差，而不是温差的函数；若T0恒定，则热电势与T呈一一对应关系；热电势大小只与导体材质和接点温度相关，而与形状、接触面积无关；热电极的极性规定，电子密度大的电极为正；热电势符号中电极和温度顺序互换一次，电势变一次符号；等效表达式2：2-102-11证明：2-12证明：4）热电偶的基本定律均质导体定律均质导体：沿导体长度方向各部分化学成分均相同的导体。定律：由一种均质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体各处温度分布如何，都不能产生热电势。作用：热电偶必须采用两种不同材质的导体构成（制造）； 若两种导体组成的闭合回路产生热电势，材料非均质（冶炼）； 若材料局部不均匀将产生附加热电势（及时检修，防腐）；中间导体定律定律：在热电偶回路中接入中间均质导体，只要导体两端温度相等，则对回路总电势没有影响（非均质导体要求此导体等温）。 证明：如图2.16所示，在电极为AB的热电偶回路中接人第三种均质导体C，保持C两端的温度相等，则回路总电动势不变，即：CABATCABAT0T图2.16∵2-14∴2-15 式2-15代入式2-13有：证毕。作用：用仪表测量热电势成为可能；且提出了测量接线及环境要求；热电偶开路测量金属壁温、液态金属等成为可能；可推广到第四种以上导体。推论：如果A、B对C材料的热点是已知，则A、B构成热电偶的热电势为它们对C热电势的代数和。ACAACA+＝CBBTTTT0T0T0证毕作用：只要通过实验获得某些电极与标准铂电极的热电势，则其中任何两个电极配成的热电偶热电势即可通过计算获得。［例］已知在热端100℃，冷端0℃时，铜铂相配热电势为0.75mV，考铜与铂相配的热电势为-4.0mV，问铜－考铜热电偶此温度下的热电势？解：设铜为A，铂为B，考铜为C由已知：连接导体定律：热电偶回路中如果热电极级A和B分别与导体A’、B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电势等于热电偶热电势和连接导体热电势的代数和。如图2.17所示。2-16A’A’B’BATTnT0图2.172-17由2-18 式2-18代入2－17有 证毕作用：若A’，B’材料热电特性在Tn，T0（低温区）与A、B的热电特性相同，则可用A’B’材料代替AB延长热电偶。中间温度定律：定律：两种均质材料AB构成热电偶，两端温度分别为T，T0，如果有一个中间温度Tn，则热电势不受影响。2-19证明：连接导体定律中A’B’换成AB即可。写成特殊形式：2-20作用： 已知热电偶在某一冷端下的分度（温度与热电势的对应数据），只要引入适当的修正就可在另外的冷端下使用。介绍《分度表》P416四点注意： 冷端0℃；由T查E（T，0）；由E（T,0）查T；显示仪表刻度以分度表为准。［例］K型热电偶用于测温，已知参比端温度25℃，测得热电势20.54mV，问实际测量温度是多少？解：由已知，E（T，25）＝20.54mV,因E（T，0）＝E（T，25）+E（25，0）＝20.54+1.0＝26.54mV查表，得T＝521℃｛问，可否直接查K型热电偶的分度表P420，得出一个温度，如20.559对应498℃，再加上25℃，得523℃？为何有此差别？｝5）热电偶的种类与结构热电极的材料原则上任何导体均可。但考虑作为传感器的基本要求，故实际可用材料有限，且随着材料技术的发展有一定的变化。单值性：输出与被测量单值关系，最好是线性关系；复现性：在不同的测量条件下测量值应在一定的准确度内一致；选择性：传感器输出只对被测量变化敏感；超然性：对被测量的干扰尽可能小；灵敏性：输出信号尽可能大；稳定性：物理、化学性质稳定；经济性：价格可被接受。热电偶的分类标准化热电偶：工艺成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际、国家标准性文件的热电偶。见P48表2.4分度号S，铂铑10－铂， 0～1300℃***分度号R，铂铑13－铂， 0～1300℃分度号B，铂铑30-铂铑6 0～1300℃见P48-50说明分度号K，镍铬-镍硅， -200～1200℃***见P48-50说明分度号N，镍铬硅－镍硅，-200～1200℃分度号E，镍铬－康铜， -200～760℃***分度号T，铜－康铜， -200～350℃***分度号J，铁－康铜， -40～600℃非标准化热电偶：对这一类热电偶的研究还不够成熟，虽然已有产品，也能够使用，但还没有统一的分度表。非标准化的热电偶发展很快，主要目的是进一步扩展高温和低温的测量范围。贵金属热电偶包括铂铑系列热电偶，它们最高测量温度为1850C。还有铱铑系列热电偶，最高测温达2250C。此外还有铂-金热电偶，具有极高的稳定性，主要用于航天技术和高精度测量领域。贵一廉金属混合式热电偶金铁合金热电偶主要用于低温测量，这种热电偶测温范围在一270～OC，它们在低温下都有较高的灵敏度和稳定性。此外还有双铂钼热电偶，这种热电偶可用于核辐射场合中，也可以在真空和惰性气体中长期使用，最高温度为1600C。难熔金属热电偶它包括钨铼合金热电偶，熔点高于3000℃，最高测量温度可达2500～2800℃，而且稳定性好，线性度好，在冶金。建材、航空航天和核能工业中应用广泛。它是一种在高温测量领域很有发展前途的热电偶。此外还有钨钼热电偶，最高测量温度为2000℃，价格便宜，但热电势小。非金属热电偶由非金属材料制成的热电偶目前仍处于研究阶段，主要问题是它的复现性和机械强度差，但热电势大，如碳－硅碳热电偶在1700℃时，热电势508mV.热电偶的结构形式要求： 两电极间电气绝缘；—————绝缘子保护套管 电极不受环境有害物质污染；—保护套管 一定的刚度和强度；————— 测量端与被测对象有良好的接触。—紧贴套管端部、插入深度等。图2.22普通装配式热电偶结构图2.22普通装配式热电偶结构图2.23铠装热电偶结构6）热电偶的冷端处理影响： 由知T0恒定，EAB与T单值，故需修正。办法： 首先将冷端延长到一个温度稳定的地方——使用补偿导线；然后再考虑将冷端处理为0（与分度表对应），——冷端处理和补偿方法：补偿导线法补偿导线：在100℃（或200℃）以下的常温范围内，具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同特性的廉价材料导线。用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。延长型补偿导线：合金丝的化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同。补偿型补偿导线：合金丝的化学成分与配用的热电偶不同，但热电势值在100℃以下与配用的热电偶的热电势标称值相同。对补偿导线的要求： 价格低 与热电偶配套 正负极性不能接错 与热电偶的接点温度相同［问题］上述要求每一条的原因是什么？参比端恒温法冰点槽法——重点在结构和连线。适用于实验室应用，或校验精度时使用。恒温箱法：把冰点槽换成恒温箱。恒温数值T0已知，通过计算等方法处理。计算修正法：通常冷端温度已知，并测出时，利用公式得出。2-21［例］用K型热电偶测温，显示仪表按温度刻度（以分度表为依据），仪表读数为500℃，但此时冷端温度50℃，问仪表示值是否可信，应为多少？ 解：由题义，仪表读数500℃，查分度表知对应的热电势为：20.644mV。设被测温度为T，则 20.644mV =20.644+2.023=22.667mV 查表插值计算： 54722.649 54822.691T22.667 V＝22.667代入上式T＝547.43℃问题：为何不直接进行温度相加减？线性特性是否可以？冷端补偿器法思路：被测温度一定时，冷端温度升高—>热电势下降，反之亦然。若想办法在热电偶回路中串联上一个输出电压也跟随冷端温度变化，但与热电势变化方向大小相等方向相反，那么总输出电势将再不受冷端温度变化影响。实现原理：直流不平衡电桥，其中固定三个桥臂电阻，另一个桥臂电阻随温度变化即可。dCdC 图中R1、R2、R3为1欧姆，用锰铜电阻（温度系数0.00610-3／℃），Rcu为铜电阻（温度系数4.25～4.2810-3／℃），设计平衡点1欧姆。 补偿电势设计平衡点处＝0；EURcuI1UdaEURcuI1UdaUbaE 上述过程中认为Ucd不变。当冷端温度偏离设计平衡点时，热电势变化方向与Uab变化方向相反从而保证U基本不变（示值不变）。要求： 不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器（调整电源回路电阻）；冷端补偿器中的铜电阻必须与冷端同温；补偿范围有限（一定精度内，一般0～50℃）；极性不能接反；作用上强制冷端处于平衡点温度，若平衡点为0℃可直接用分度表。软件修正法计算机监控系统中使用的方法。即采集实时的冷端温度，利用软件编程实现在线计算并自动查表修正。冷端温度测量通常采用半导体测温元件或数字温度计。2.2.3热电阻温度计 广泛用于测量-200～850℃温度1）测温原理利用导体或半导体的阻值随温度变化这一现象测量温度。（R～T特性）对材料的要求：相对温度系数要大——提高灵敏度；电阻率要大——减小体积，提高动态性能；符合传感器基本要求。对绕线骨架的要求：膨胀系数小；机械强度高；绝缘性能好；耐高温、耐腐蚀。2）标准热电阻铂热电阻：特点：测温范围：-200～850℃，精度高、稳定性和复现性好，价格高、体积略大。种类： Pt10：0℃时10欧姆，用较粗铂丝绕制，主要用于650℃以上温区；Pt100：0℃时100欧姆，用较细铂丝绕制，用于650℃以下温区；厚膜铂电阻：铂浆料印刷在玻璃或陶瓷底板上，再经光刻而成，-70～500℃；数学模型：-200～0℃：2-220～850℃：2-23式中：铜热电阻：特点：测温范围：-40～140℃，线性好，价格低、体积大；种类：Cu50和Cu100，0℃时分别50欧姆和100欧姆：数学模型：2-24式中：分度表：分度表：表格形式列出的R～T关系，由数学模型计算出；P423附录23）标准热电阻结构：4）热电阻的测温误差：分度误差：材料纯度和工艺致使；通电发热误差（自升温）：无法消除，可用规定最大电流<6mA,传热条件好来减小。线路电阻变化引入的误差：可串联电位器调整，规定三线、四线接线方法等减小；附加热电势：接点处构成热偶，可通过接点靠近，同温等办法减小或消除。5）接线方法三线制接法：热电阻与电桥配合使用时，可有效减小连线误差。平衡电桥原理测电阻：cddcddabRJ2-252-26设计时满足：式2－26变成：，即，温度变化时调整R3即可使电桥平衡，用可变电阻R3即可刻度Rt同时不受连线电阻影响。三线制作用明显！！不平衡电桥原理测电阻：原理：除测温电阻外，其它桥臂电阻不可变。设计工况下电桥处于平衡状态（如0℃下），当被测温度偏离设计状态时，电桥失去平衡，检流计显示出不平衡电流的大小，并以此电流反映温度变化的数值。IJIJRcdUcdRJ用等效发电机原理画出检流计以外的等效电路：先让电压源短路，电流源开路，忽略电源支路电阻时求出等效电阻Rcd，再将检流计支路开路求出等效Ucd；求出IJ与Rt，r等参数的关系。［具体求法课下完成］说明：不平衡电桥测量模型中，测量精度电路中的所有元器件相关（公式中有体现），所以除测温电阻外，均要保持稳定；IJ与测量电阻的关系非线性；三线制有补偿效果但不完善，只能部分抵消；工作电源的稳定性对测量结果影响很大（不同于平衡电桥）；对检流计的精度、灵敏度要求很高。四线制接法：此方法用于恒流源驱动、电位差计测量的情况。因为电位差计是高阻抗输入，故连线电阻r对电位差不产生影响。特别注意：无论三线制还是四线制，导线都必须从电阻感温体的根部引出，不要从端子处引出。2.2.4热敏电阻温度计热敏电阻：金属氧化物或半导体作为电阻体的感温元件。由正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三种。NTC常用于温度测量，PTC和CTR常用于温度开关器件。NTC的数学模型：2-27相对温度系数：2-28B—材料及结构参数（常数）热敏电阻的特点：温度系数大，灵敏度高，阻值大（连线电阻影响可忽略）；结构简单、体积小、热响应快、价格低；互换性差；民用较多。2.2.5接触式测温讨论接触测温过程中的传热问题锅炉尾部烟道烟温测量为例：Q1Q1过热器省煤器烟气T2T1T3T4T5Q2Q3Q4由烟气流程知：T1（烟温）>T2（热端温度）>T3（过热器壁温）>T4（省煤器壁温）>T5（墙外气温）；传热学知：有温差就有传热。因此，Q1为烟气传给热电偶热端的热量；Q2为套管传给环境的热量；Q3、Q4为热端辐射给换热器冷表面的热量。 热平衡时：Q1＝Q2+Q3+Q4因正常工作时Q2、Q3、Q4散热永远存在，故Q1必然存在，所以T1T2即测温误差永远存在。减小误差的办法：增大Q1，减小Q2、Q3、Q42）导热误差及其对策误差公式导热存在于热电偶套管上，因T2>T5造成。若只考虑被测介质向传感器内插部分的对流换热，沿传感器向外导热和传感器外露部分相空间的散热，且达到热平衡时，由传热学原理推导出的导热误差公式如下：T5T2T5T2T1α1α2L1L2d1d0L12-29式中： 、—管道内外介质与传感器之间的换热系数 、—套管内外两段的导热系数 、—L1,L2两段的外圆周长 、—L1,L2两段的截面积数学补充：在x>0时，ch（x）是双曲余弦函数，自变量增大时，函数值增大；th（x）双曲正切函数，自变量增大时，函数值增大；cth（x）双曲余切函数，自变量增大时，函数值减小； 、—数学补充：在x>0时，ch（x）是双曲余弦函数，自变量增大时，函数值增大；th（x）双曲正切函数，自变量增大时，函数值增大；cth（x）双曲余切函数，自变量增大时，函数值减小；结论：，必然存在，切不可消除，与测量仪表的精度无关；除外，、均影响误差值，减小应从设计、制造、安装等方面同时考虑；减小导热误差的具体措施：升高T5和增大降低插入段分析：应增大：增大b1－>需增大,U1；降低和F1：流动介质流速越高数值越大办法传感器插入管道中心； 采用抽气式结构，人为提高流速。增大L1－>与综合考虑，既要增加插入深度，又要保证传感器在管道中心，办法只能“斜插”或“在弯头处插”（注：对于高温、高压、高速等介质，从强度上考虑，不允许这种安装方式）。增大U1与减小A1：二者矛盾，一般设计成细且薄壁的形式。减小：采用热导率小的材料做套管，例如不锈钢或非金属材料。外露段分析：应降低综上：减小导热误差必须从设计、制造、安装等多方面综合考虑。为制造方便，传感器保护套管的截面积尺寸和材料应保持一致，因此外露段的A2、U2、不能变化，只有减小和L2；办法：外露部分尽可能短；同时加包保温材料。综上：减小导热误差必须从设计、制造、安装等多方面综合考虑。辐射换热误差及对策误差公式T2T2T3Q3T1α12-30 式中：－传感器套管端部黑度； －斯特芬－波尔兹曼常数； —介质与传感器之间的换热系数。减小辐射换热误差的方法：降低：保护套管表面光滑；升高：插入中心、加大流速（同导热情况）；T3升高：传感器远离冷物体；加装遮热罩2.3非接触式测温如，非典时期车站、机场等使用的红外温度计等2.3.1概述如，非典时期车站、机场等使用的红外温度计等特点：不干扰被测对象温度场；不会受到被测对象的腐蚀和毒化；不必与被测对象同温，测量上限不受限制；不必与被测对象达到热平衡，动态特性好；测量准确性受环境及对象性质影响较大。依据：物体的辐射能量与其温度之间的函数关系。运用场合：高温测量（冶金、铸造、热处理、玻璃、陶瓷、耐火材料生产等），不适于接触式测量的场合。测温范围：常温（红外）到900℃以上的高温区。2.3.2辐射测温物理基础概念热辐射：物体处于0K以上任何温度，其内部带电粒子的热运动会发出不同波长的电磁波，这种现象称为热辐射（或温度辐射）。辐射能Q：以辐射的形式发射传播或接收的能量，单位为焦耳［J］。辐射通量：辐射能随时间的变化率（或辐射率），单位为瓦特［W］。辐射出射度（M）：若辐射源表面上的元面积在半个空间的总辐射通量，则元面积的辐射出射度为：W／m22-31单色辐射出射度：在波长（）范围内的辐射出射度。W／m32-32绝对黑体：在任何温度下，对投射到其上的任何波长的热辐射均能全部吸收的物体。单色辐射黑度（光谱发射率）：物体在温度T时，单色辐射出射度与同温度、同波长的绝对黑体的单色辐射出射度之比。2-33全辐射黑度（全发射率）：2-34灰体：若物体的不随波长的改变而变化，则这种物体称为灰体。实际物体：物体的随波长的改变而变化，则这种物体称为实际物体。基本定律普朗克定律（单色辐射强度定律）：绝对黑体的单色辐射出射度与波长和温度的关系如下：2-35式中： C1＝3.741810-16W˙m2普朗克第一常数。 C2＝1.438810-12m˙K普朗克第二常数。 n－与绝对黑体香灵物质的折射率，空气n＝1.00029。维恩公式当>>1时，普朗克公式简化成维恩公式：2-36当T<3000K且可见光范围内，常用此公式。斯蒂芬－玻耳兹曼定律（全辐射定律）：绝对黑体的总辐射出射度与表面温度之间符合：2-37通常取＝1，－斯蒂芬－玻耳兹曼常数，5.6696110-3W／（m2˙K4）实际物体的辐射能力：单色辐射出射度：全辐射出射度：实际物体的黑度辐射测温仪表的种类依据单色辐射原理 光学高温计光电高温计比色高温计红外测温仪……依据全辐射原理 辐射高温计部分辐射温度计光学高温计原理：用已知温度的灯丝亮度与被测物体亮度相比，当二者相等时，用灯丝温度反映被测温度。［分析］由普朗克公式，波长一定时，测出黑体的单色辐射出射度就可算出温度；而单色辐射出射度又与亮度一一对应，人眼可分辨出亮度，故产生此设想。普朗克定律只适用于黑体，而实际物体的黑度不为定植，故只有按黑体温度进行刻度才有通用性。若直接测量实际物体，所读出的温度称为亮度温度，物体的真实温度要进行黑度修正。亮度温度：当实际物体在某一波长下的单色辐射亮度与绝对黑体在同一波长下的单色辐射亮度相等时，黑体的温度称为实际物体的亮度温度。结构及操作：国产WGG2-201型光学高温计结构：1-物镜2-吸收玻璃3-灯泡4-红色滤光片5-目镜6-电压表7-刻度调整电阻操作方法：调节目镜，清晰看到灯丝；调节物镜清晰看到物体；调节刻度电阻使灯丝隐灭，读出亮度温度。主要部件及作用红色滤光片：使亮度比较在0.66微米波段进行（保证单色、可见）；吸收玻璃：保证灯丝不过热的条件下增大光学高温计的测量范围（似墨镜）。误差分析非黑体辐射的影响－已知物体黑度可计算修正，否则创造人工黑体环境；中间吸收介质的影响－如雾里车灯，不易修正，应选择测点位置；火焰及其它发光体的影响－加装观测管；环境温度影响－在灯丝上造成温度梯度引起误差，固定环境温度；读数误差－主观4℃。辐射高温计原理：测出全辐射出射度对应出温度，斯蒂芬－玻耳兹曼定律。黑体：实际物体：辐射温度：当实际物体辐射出射度与绝对黑体的辐射出射度相等时，黑体的温度称为实际物体的辐射温度。仪表按黑体刻度，读数为辐射温度，黑度修正后才得实际温度。结构显示仪表：mV表，动圈表、点温差计等辐射传感器： 光学系统 透镜式（如图）反射式混合式辐射变换系统 光电变换式：反应快、电量输出； 热变换器：热电堆、热电阻、双金属片等；误差：黑度影响中间介质影响距离、目标大小影响环境温度影响等。2.4温度变送器作用接受温度传感器信号并转换成标准信号输出。工业常用温度传感器：热电偶、热电阻；标准信号：两线制4～20mA或1~5V或标准协议的数字信号。要解决的技术问题：信号调理（滤波、放大、零点调整、量程调整、线性化、能量限制及电压／电流转换驱动等），热电偶冷端补偿。――电子技术。DDZ-III型温度变送器特点： 24VD.C集中供电，两线制； 集成运算放大器为核心器件； 具有热电阻、热电偶线性化功能； 兼有安全栅作用，可用于本安防爆系统。电路结构分析：量程单元 直流毫伏：信号调理；热电偶：信号调理+冷端补偿；热电阻：三线接入（桥式测量）+信号调理。放大单元 直交直变换电路：供电；信号及功率放大电路：放大信号、驱动输出；反馈电路：与运放组成负反馈放大；输出回路：变压器信号隔离电路。一体化温度变送器结构：小型化（可安装在传感器接线盒中），固态化（无可维修部件）特点： 节省了热电偶补偿导线；传输抗干扰能力强（4～20mA）体积小不占空间；无需维护。图片2.5新型温度传感器简介 近几年开发出来，已经或正在走向实用化的温度传感器。开发依据 新型传感效应：光、磁、力、化学、生物等等效应；新型敏感材料：单晶、多晶、非晶、微晶等等；新型加工工艺：薄膜加工（蒸发、溅射、沉积、分子束外延、微加工等）、光纤制造、集成等等工艺；新的信号处理方法：数字化、标准化、智能化等。典型产品 模拟式半导体温度传感器AD590数字式半导体温度传感器DS1820系列（可构成单总线系统）光纤温度传感器发展方向 数字化、网络化。

3压力差压测量3.1压力差压的概念及单位3.1.1概念1）压力、差压、绝对压力和表压压力介质垂直作用在单位面积上的力，即物理学的压强。差压两个压力之差。绝对压力介质垂直作用在单位面积上的全部压力。表压力绝对压力与当时当地的大气压之差。工程上需要测量的往往是物体超出大气压以外的压力大小，因此压力计的指示值都是表压力（即通入仪表的压力是绝对压力，显示的是表压力）。绝对压力=表压力+大气压力表压力=绝对压力–大气压力2）正压、负压、真空度正压（压力）：表压力为正时。负压（真空）：表压力为负时。真空度：负压的绝对值。3）压力单位国际单位：帕斯卡（帕、Pa）1Pa=1牛顿/米（N／m2），工程上常用kPa，MPa。习惯常用：工程大气压kgf／cm2、mmHO、mmHg等见P87，表3.13.1.2压力传感器的种类机械式：液柱式、活塞式、弹性元件式；（结构简单，使用方便，价格低廉）电气式：压电式、压阻式、压磁式。（动态性能好，灵敏度高，易于小型化，便于远传，目前正在发展）3.2液柱式压力计原理：流体静力学原理，流体内某一点的静压力，由这一点的高度，流体的密度和外加压力决定。应用：0.1Pa以下的压力、差压和负压，也常作为校验低压和微压仪表的标准仪器。特点：简单，使用方便，精度较高；体积大，读数不便，不能远方测量，易损坏。3.2.1U形管压力计1）数学模型：设P—被测压力；P—参比压力（多为大气压），当PP时，液柱的高度差（h+h）： 由流体静力学知：在连续同一均质液体中，同一高度上的静压力相等。以A—A面为基准高度，由压力平衡知：展开整理得：这是普遍公式，给出了P与h，h的关系。一般情况ρ=ρ则P=P+g(ρ-ρ)(h+h)如果ρ<<ρ则P=P+gρ(h+h)2）结论：只要已知H，ρ，ρ，ρ，P，则只需测出h，h即可求出被测压力P。差压测量△P=P-P=g(ρ-ρ)(H-h)+g(ρ-ρ)(h+h)如果ρ=ρ则：△P=g(ρ-ρ)(h+h)如果ρ<<ρ则：△P=gρ(h+h)表压数值：如P=P（大气压）则△P=P-P即为表压3）几个问题：（口头）（h+h）不可能太大，否则读数制造都不方便，可以改变的是封液密度，以改变测压量程。密度越小，则测压范围越大，但是读数灵敏度越低。如使ρ=ρ与ρ相差不大时，（ρ-ρ）越小，则同样(h+h)越大，所以灵敏度越高，可测量微压。U形管压力计只读一侧数据时若U形管两侧的截面积不等时，2h代替（h+h）就会产生误差。对封液的要求：不与被测介质发生物理和化学反应，流动性好，液面清晰。3.2.2液柱式压力计的几种变形仪表（简介）单管压力计［这是用h代替（h+h）与上边的2h代替（h+h）不相同］解决了两次读数的不便。∵F>>F∴A/A≈0P≈P+g(ρ-ρ)h当A/A≤0.01时,δ≤1%斜管压力计（倾斜微压计）当α、ρ一定时，α越小l越大，l>h读数的相对误差越小。(α不能小于15度，否则会引起读数困难。)3.2.3液柱式压力计的误差从公式可以看出P一定时，P，g，ρ，ρ，ρ引起误差；毛细现象（表面张力）影响：管中封液的分界面也不是水平的，呈弯月面（上凸或者下凹），从而使得液面升高或是降低，引起附加误差。此误差与封液的种类、管内径有关内径细，则误差高，一般要求管内径大于6～8mm。对于一定的结构的封液的压力计，毛细现象引起的读数误差是一定的。（水<2mm,Hg<1mm），不随液面的高低变化，属于系统误差，很易修正。温度变化的影响：温度变化可导致毛细现象的变化，标尺的变化以及封液密度的变化（其中封液密度变化是主要的误差源）。重力加速度修正：使用实际重力加速度读数误差：正确读数方式：眼与液面的顶，底平。位置倾斜的误差（安装误差）3.3弹性元件及弹性压力表应用：测压范围广，从几mmHO到上万个大气压。应用最广，实际应用的压力表大多是弹性压力表。组成：压力传感器：弹性元件。位移转换器：位移放大，就地指示；位移—电量，远方显示。显示部分：机械式（就地）；电气式（远传）。3.3.1弹性元件1）作用：压力→变形位移；面积2）原理：面积（P）被测压力――→力（F）弹性变形（位移△l）→输出↑↓↓弹性恢复力3）种类：弹簧管（波登管）结构：弯曲成圆弧形，螺旋形或S形的非圆截面的管子，封闭一端（自由端），另一端通入被测压力。截面短轴方向与管子弯曲的径向方向一致。原理（简述）：短轴方向受力面积比长轴方向受力面积大，受力也大，使管子有变圆的趋势（短轴要伸长，长轴要缩短），产生弹性形变。有经验公式。提高灵敏度的措施：增大中心角γ（可做成多圈、S形）降低管壁厚增大长短轴比a/b值（越扁越灵敏）减小材料的刚度（单位变形所对应的弹性力）应用：大小压力、负压均可，但是一般不用它测量差压。膜片结构：见图。原理：P→△x种类：按膜片的形状：平膜片（刚性、挠性）、波纹膜片（三角波、梯形波、正弦波）；按刚度分：弹性膜片、挠性膜片；膜盒结构：见图。作用：提高灵敏度，应用很广。波纹管（筒）结构：如图。原理：P→△x，开口端固定，封闭端的位移作为输出，位移与压力、有效面积和波纹数成正比。特点：工作行程5～10mm；受压时线性范围大于受拉式的范围，整个线性范围较小。改善线性关系和量程的方法：力弹簧，这时弹性元件的特性主要由弹簧来决定，弹黄管主要起隔离介质以及压力转换成作用力的作用4）材料：测低压、负压：黄铜，磷青铜等。测高压：钢，不锈钢等。3.3.2弹性压力表前面讲过的各类弹性元件与各种位移变换器配合，可制成各种指示式和远传式压力表。1）弹簧管压力表结构：（单圈为例）（图）位移传递过程：自由端位移△l拉杆→扇形齿轮转动→中心齿轮转动→表针转动φ游标的作用：防止传动部分卡死，连接部分之间有一定的间隙，而此间隙引起的变差，加游标可保证各个连接部分之间只有一个方向的接触，克服间隙引起的变差影响。2）膜式微压计测量小压力或者是负压的膜式微压计一般均为膜盒式，基本结构原理一致。结构（图）3）双波纹管差压计：差压计的应用：广泛用来作为流量与水位测量的显示仪表。结构（图）传动过程：设波纹管B和B的有效受力面积相等的情况为F，则B受力PF，B受力PF，当PF>PF时，B受压缩→B伸长，弹簧伸长，当B和B和弹簧组成的弹性系统的反作用力与差压的作用力相等时，活动部分在新的位置上达到了平衡，中心轴向右移△l→摆杆带动扭力管转动，输出转角信号，带动显示部分。位移△l与差压△P的关系据力平衡原理：有（2K+K）△l=△P·F推出△l=△P·F/（2K+K）其中K和K分别为波纹管和弹簧组的刚度（刚度=力/变形位移）∵K、K、F为常数∴位移△l与差压△P成线性关系。几个问题的分析：量程的改变方法：国产的CW系列差压计，连接轴总的行程为5mm，通过改变K、K、F可改变量程。一般采用两个措施：改变K（改变弹簧粗细或指数K提高，△P增大）；改变F（改换波纹管直径）R增大，则△P减小。承受静压：差压计的特点是差压不大，而静压可能很高，所以在选择表时还必须考虑静压能力是否满足工作要求。B的温度补偿作用：不加B时，温度升高，充液体积改变，波纹管做不规则变形引起误差；加入B后，充液的体积变化由B来容纳。（因为B未与刚性轴相连，可以自由伸长，而B和B不可以）单向过压保护：由于差压计差压小，静压高，而△l=5mm,过大则损坏，所以△P不可过大，更不允许单向受压，当发生△P过大时，由单向受压保护阀把容室隔断，防止波纹管的进一步变形。阻尼装置：为了防止差压频繁波动引起的指针摆动不定，要加阻尼。可分为固定阻尼（阻尼环）和可调阻尼（阻尼旁路阀）波纹管位移δ的外传：要求：密封外传：扭力管的构造：φ3.2，厚0.2mm的弹性管，尾端封闭并与摆杆，中心轴焊为一体，另一端与外壁及中心轴基座焊死（不漏油）中心轴通过玛璃轴承引出。因为扭力管很薄，所以能作弹性扭转。3.4弹性元件位移的远传远距离测压的两种方法：用长管道传递压力信号，再由直接指示仪表显示（不经济，不安全）；弹性元件就地把位移转换成电量，用电气表表示（常用，对应的是远传压力表，它的关键在于位移与电量的转换原理以及方法。）3.4.1霍尔效应位移变换器1）霍尔片结构及霍尔效应：结构：一块半导体材料（如锗等）制成的薄片。霍尔效应：霍尔片的Z轴方向加一感应强度为B的磁场，Y轴方向加一电流I，则由于磁场作用片内电子产生偏移的结果，使霍尔片在X轴方向产生电势的现象。2）霍尔电势：霍尔系数霍尔系数形状系数厚度电势导出端长度电流通入端宽度当霍尔片材料、尺寸确定后：3）霍尔片式压力变送器结构（示例）3.4.2电感式位移变换器1）三种结构形式变气隙宽度：原理：如图：当衔铁和铁芯之间的气隙宽度变化时，会使线圈的自感发生变化：L=ω/=ω/2δ/μF=ωμF/2δ其中： ω—线圈匝数；R—磁路总磁组；μ—空气导磁系数；F—衔铁与铁芯之间的相对面积；δ——气隙宽度特点：灵敏度高；非线性严重，线性范围小，测量行程有限（一般δ≦1mm,△δ≦1/5δ）变气隙面积式：原理：如图。衔铁的位移改变F→改变L特点：△L与L近似线性，所以行程范围大，比前者用得多螺管式：原理：如图∵L=ω/铁芯下移，则磁路空气段加长。∴R增大，L减小，铁芯上移，R减小，L增大。特点：结构简单，制造容易，行程很大，灵敏度低。为提高灵敏度，再线圈外加等磁材料包起来，称为外铁心。2）差接式电感位移变换器上述三种形式都可以作为差接变换器，如图。原理：取两个线圈L、L在差接变换器中，铁心位置变化使得L、L同时变化，但一个增大，一个减小。特点：灵敏度提高（L增大、L减小，则△L增大一倍），可降低环境等因素对于测量的影响（如L、L随某些因素变化时，变化量相同，可以使之抵消）3.4.3差动变压器式位移变换器这种变换器是目前应用最广泛的一种ω1ω1ω2ie1e2如图：设原边匝数ω，加电源e，其电流I；副边匝数ω，互感电压e：则有e=-M其中：是原线圈1中的电流的时间变化率；M是线圈间互感系数：M=ωω/R，R为穿过原副线圈磁路的磁阻。当结构一定时，ωω为定值，则M只随铁芯位置而改变，并且，决定于交流电源的电压的幅值与频率，可以固定为常数。在铁芯上移则R减小，e2增加。2）差动变压器原理：（它是实际采用的形式）一个原线圈，两个结构完全相同的并按电压反向串连的副线圈。即：在副边开路时，其电压输出的瞬时值△u为两个副线圈的电势之差。△u=e-e=(M-M)M—原线圈ω与副线圈ω的耦合互感系数M=ωω/RM—原线圈ω与副线圈ω的耦合互感系数M=ωω/R可见，M1、M取决于铁芯的位置，△u也取决于铁芯的位置。△U与△l的关系（△l为铁芯位移）当铁芯居中：△l=0，则R=R，M=M，e=e，△U=0当铁芯居上：△l>0，则R<R，M>M，e>e，△U≠0当铁芯居下：△l<0，则R>R，M<M，e<e，△U≠0△l越大，△U越大结论：当差动变压器的电源电压一定时。其输出的交流电压的大小只决定于铁芯的偏离中间位置的位移的大小，而输出电压的相位决定于铁芯偏离中心位置的方向。3）差动变压器式位移变换器的实用举例结构如图传动：△P=P-P→膜盒位移△l→△U3.4.4电容式位移变换器1）原理对于电容器，改变极板之间距离、相对面积或介电常数均可可变电容量，实现位移—>电容的转换。平行板电容器：同轴圆筒式电容器：2）两种主要形式平行板电容变距离；同轴圆筒变面积。3）差接式电容变换器以上两种电容变换器都可以作为差接式特点：灵敏度高，温度等环境影响小。4）电容变换式远传差压计举例结构如图：（图）电容转换部分：在基座的两侧球面内壁先涂一层绝缘层，再加镀一层金属膜作为固定电极，测量膜片作为动电极。显然△P=0时，C=C，X=1/ωC，X=1/ωC相等△P≠0时，C≠C，X≠X测量电路一般采用桥路。△P=0时，C=C，所以上下电路对称U=0△P>0时，C<C，X>X3.4.5应变式位移变换器1）基本原理：用应变传感器（应变片）把弹性元件的变形信号转换成电阻变化信号。2）特点尺寸小、重量轻、简单可靠，维护量小，动态性能好，便于小型化；在材料、机械、实验等方面应用较广。3）组成：弹性元件（压力→变形）+应变片（变形→电阻）+电阻测量仪表4）电阻应变片工作原理应变片的结构：1、基底；2、电阻栅；3、保护层；4、引线其中：电阻栅是用一定方法制成的并固定在基底上的电阻丝或电阻薄膜；基底是用来保持电阻栅一定形状的，与被测物体粘合传递变形，绝缘。工作原理：电阻栅变形—→阻值变化（几何尺寸以及电阻率两方面变化结果）应变片用于压力测量的例子组合式应变片加在一个附加的悬臂梁上，由高的灵敏度和高的测量精度，一般不只有一张应变片，而在不同的应变区贴两张或者是四张。在测量应变电阻时一般接成桥路，如图：当P加大时弹簧管伸直，梁上弯RR增加，RR减小，所以灵敏度提高了四倍。另外，其他因素对R的影响，因为R、R、R、R相同，所以互相抵消。直接式：应变片直接贴在弹性元件上来测量弹性元件的应变问题：应该在什么位置？——应变最大处弹簧管：40～80°处变形最大，一般在60°附近；截面积在0.9a处。平膜片：根据应变曲线（图）切向应变ε：整个半径均为正，但中心大，两边小，边缘为0。法向应变ε：中间正边缘负，r=a处ε=0，所以a为半径的园做分界线，内正，外负。粘贴方法：为提高灵敏度，提高精度，一般贴两张（一正，一负）或贴四张（两正两负）5）压阻效应与半导体应变片压阻效应：在外加应力的作用下，电阻发生变化的现象。半导体应变片原理：利用半导体材料的电阻率在外加应力的作用下发生改变的压阻效应，直接测取微小应变。特点：灵敏度比金属应变片高50倍以上，阻值大，响应快。6）应变片的共性问题工作温度影响——需补偿；材料选择——硅、锗加工工艺——缠绕、箔片、印刷、扩散、溅射…安装位置及方法——应变大小。3.4.6压电效应对于某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之变形时，其内部会产生极化现象，使物体的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态。物体产生的电荷量与外力的大小成正比，电荷的极性随外力方向改变而变化，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质有很多，如天然形成的石英晶体，人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、铅酸锂等。3.5活塞式压力计以及压力计的选择和使用3.5.1活塞式压力计结构3.5.2压力计选择项目（量程、精度、外形尺寸、显示功能、是否带变送器）量程选择为保护弹性元件，压力表的上限应大于被测压力的上限，并有一定的安全系数；若被测压力较为稳定，额定压力的指示值应为最大刻度的1/2到2/3。若被测压力为脉动压力，则额定压力的指示值不大于最大刻度的1/2。但是为了降低相对误差，额定压力通常不小于最大刻度的1/3。另外，表的上限应当按照国家系列选择。精度：保证基本误差<要求的允许误差外形尺寸：对于弹簧管压力表有Φ100（次要表就地）、150（一般）、200和250（重要参数，如饱和蒸汽和过热蒸汽的压力表）等。显示功能：由需要来选择（是否能报警、记录等）。是否带变送器：远方测量和记录功能需要带变送器3.5.3测压仪表的安装总的要求：应当取得实际的静压力（真实压力）取压口的形状和位置形状与尺寸：形状：一般为圆尺寸：孔径大，对流体流动的扰动就大，取得的静压矢量程度大，但是孔径小，动态误差就大，所以，二者要综合考虑取压开口的原则：在保证加工方便和不堵塞的情况下，尽可能的小，特别是流速高时。但是在压力波动较大、压力计的测量空间容积变化较大和动态特性要求比较高时，孔径应适当的加大。取压孔轴线尽可能垂直于流束，倾角在5到10度之间，避免倾角倒向流束方向。取压孔表面无毛刺、无明显倒角或豁口。取压口的位置：沿管的长度位置，应保证区的静压有代表性。在管道长度的上下位置，应避开局部阻力件，以防止涡流干扰。具体要求：离下游阻力件的距离>2D离下游阻力件的距离>3D在管壁的位置：原则：只有单相流体进入压力信号管，防止水塞，气塞。

4流量测量4.1概述作用：指导操作、经济核算、保障安全的重要参数。4.1.1测量流量的现状现状：迄今为止，流量的测量准确度较低，流量计的通用性很差，单位传递和仪器的检定都有困难，是发展中的领域。原因：流体性质多样：单相与多相、牛顿与非牛顿、粘与非粘、可压和不可压、汽化、结晶和清洁杂质等。管路系统的多样性：圆和非圆、光滑和粗糙、弯曲情况等。流动状态多样：层流，紊流（充分发展与非充分发展）、满管、非满管、明渠…4.1.2概念1）瞬时流量（流量）q：单位时间内流过某一截面的物质数量（质量或体积）。2）总流量（总量、累积流量）Q：在某一时间内流过的物质数量。Q=,4-1q=4-2若q=c则Q=q(t-t)4-33）流量表示法：质量流量：单位：kg/skg/h体积流量：单位：m/sm/h二者之间的关系：4-4ρ——流体的密度kg/m4）说明质量流量是物质的固有属性不随外界条件发生变化，是反映流量的最好方法。凡是没有特殊说明的流量，均指的是瞬时流量。4.1.3流量测量方法的分类1）容积法流体的固定的已知大小的体积逐次的从流量计中排放流出，则计算流出次数，就可以求出总量，计算排放频率，就可以求出q。例如刮板流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计。特点：流体的流动状态，雷诺数影响小，易准确计数。但是不宜于高温，高雅，赃、污介质，上限不能很大，漏流以及磨损。2）流速法：应用最多，流通截面积恒定时，截面上的平均流速与体积流量成正比，测出与流速有关的物理量就可以知流量的大小。例如差压法、动压、涡轮等。3）质量法：直接法：由牛顿第二定律，测力，加速度，得出质量。例如：转子，靶式。间接法：体积流量与密度信号综合运算。4）其他：漩涡、热式、电磁、超声波。4.2节流式流量计是目前应用最广的一种流量计，约占70%，今后相当长的时间内还会占40%～45%优点：形式不需要个别标定，能保证相当高的工作精度。4.2.1工作原理以及节流式流量计的组成1）原理流体流经管内固定的节流元件时，在节流件前后产生了差压，利用对差压的测量来反映流量大小。2）流量计的组成：节流装置：显示仪表（差压计）；节流装置、差压变送器、显示仪表；节流装置、差压变送器、开方器、显示仪表、积算器（其中差压变送器和开方器称为流量变送器）4.2.2流量公式依据：能量方程（伯努力方程），连续性方程，定熵膨胀过程（可压缩流体）要求：掌握结果，了解详细推导过程；各种节流元件的公式形式相同，只是系数不同。1）流动状