自动检测技术

课题1绪论1.1概述1.2传感器的基本特性1.3测量误差及分类

1.1概述1.1.1传感器的定义能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置称为传感器。传感器是一种检测装置，它能够感受外界信息，并将其转换成为电信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。其感受外界信息的过程称为检测过程。在自动检测和控制系统中，传感器技术对系统各项功能的实现起着重要的作用，系统的自动化程度越高，对传感器的依赖性就越强。传感器在工业生产、科学研究、现代医学、现代农业、国防科技、家用电器等行业应用广泛。下一页返回1.1概述1.1.2传感器的基本构成传感器通常由敏感元件、转换元件和基本转换电路构成，如图1.1所示，其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受的被测量转换成适于传输或测量的电信号的元件。由于传感器的输出信号一般都比较微弱，因此需要有基本转换电路对其进行放大、运算调制等。上一页返回1.2传感器的基本特性1.2.1传感器的静态特性1.线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入/输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。在实际应用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但是如果传感器的非线性不明显，输入量变化范围较小时，可用一条直线近似代替实际曲线的一段，使传感器输入/输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线，如图1.2所示。下一页返回1.2传感器的基本特性2.灵敏度灵敏度如图1.3所示，它是输入/输出特性曲线的斜率。如果传感器的输出与输入之间呈线性关系，则灵敏度是一个常数。灵敏度的量纲是输出与输入量纲之比。上一页下一页返回1.2传感器的基本特性3.分辨力分辨力是指传感器在规定测量范围内检测被测量的最小变化量的能力。只有当输入量变化超过分辨力量值时，其输出才会发生变化。分辨力越小，表明传感器检测非电量的能力越强。对于模拟式仪表，分辨力就是面板刻度盘上的最小分度(1格)，而对于数字仪表，分辨力就是仪表的最小显示数字的一个单位字。上一页下一页返回1.2传感器的基本特性4.迟滞传感器在正行程(输入量增大)和反行程(输入量减小)期间其输入/输出特性曲线不重合的现象称为迟滞现象，如图1.4所示。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和平共处机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。上一页下一页返回1.2传感器的基本特性5.重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图1.5所示。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。上一页下一页返回1.2传感器的基本特性1.2.2传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。上一页返回1.3测量误差及分类1.3.1绝对误差与相对误差1.绝对误差绝对误差△是指测量值Ax与真值A0之间的差值，即下一页返回1.3测量误差及分类2.相对误差有时绝对误差不足以反映测量值偏离约定真值程度的大小，所以还要用相对误差来表示。相对误差用百分比的形式表示，一般多取正值。相对误差可分为如下几种。(1)实际相对误差γA用绝对误差△与被测量值A0的百分比表示，即上一页下一页返回1.3测量误差及分类(2)示值(标称)相对误差γx。用绝对误差△与被测量值Ax表示，即(3)满度(引用)相对误差γm。用绝对误差△与仪器满度值Am的比表示，即上一页下一页返回1.3测量误差及分类1.3.2粗大误差、系统误差和随机误差1.粗大误差明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰造成的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰等造成的误差。就数值而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。上一页下一页返回1.3测量误差及分类2.系统误差系统误差也称为装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡是误差的数值固定或按一定规律变化的，均属于系统误差。按其表现的特点，可分为恒值误差和变值误差两大类。恒值误差在整个测量过程中，其数值和符号都保持不变。例如，由于刻度盘分度差错或刻度盘移动而使仪表刻度产生误差，皆属于此类。而由于电源电压波动、电子元件老化等引起的误差属于变值误差。上一页下一页返回1.3测量误差及分类3.随机误差在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。虽然某个误差的出现是随机的，但就误差整体而言，服从于一定的统计规律，多数随机误差都服从正态分布。上一页返回图1.1传敢器的组成返回图1.2直线拟合返回图1.3传感器的灵敏度返回图1.4识滞现象返回图1.5重复特性返回课题2温度的测量2.1任务一铂电阻温度仪2.2任务二热电偶测量电路制作2.3任务三集成温度测量电路制作2.1任务一铂电阻温度仪2.1.1学习目标(1)了解温标的概念和温度的测量方法。(2)掌握铂电阻温度仪的工作原理和结构类型。(3)掌握铂电阻温度仪的应用电路制作。(4)掌握铂电阻温度仪的安装和校验方法。2.1.2学习任务(1)通过查阅相关资料，了解温度的测量方法，掌握铂电阻温度仪的工作原理和结构。(2)结合实际工程项目的需要，能够制作铂电阻温度仪的测温电路。(3)结合实际工程项目的要求，能够安装和校验铂电阻温度仪。下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪2.1.3知识准备1.概述(1)温标用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标等。3种温标的换算关系为上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪(2)温度的测量方法温度不能直接测量，需要借助于某种物体的物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。温度测量仪表就是通过测量某些物理量参数随温度的变化而间接测量温度的。这些测温仪表通常是由感温元件部分和转换电路组成的，如图2.1所示。温度的测量方法，通常按感温元件是否与被测物接触而分为接触式测量和非接触式测量两大类。表2.1为常用测温仪表的工作原理、测温范围和特点。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪2.铂电阻温度仪的工作原理铂电阻温度仪是金属热电阻温度仪的一种，它是利用金属导体的电阻随温度的变化而变化的原理进行测温的。最基本的铂电阻温仪由热电阻、连接导线和显示仪表组成，如图2.2所示。对于金属材料，当温度升高时，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部自由电子通过金属导体时的阻力增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增大，即电阻值与温度的变化趋势相同，具有正温度系数。把热电阻的这种Rt-t之间函数关系Rt=f(t)约称为电阻一温度特性，铂电阻也具有这种特性。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪工业用铂电阻的应用范围为-200~850℃，铂电阻的温度特性方程如下。在-200~0℃温度范围内在0~850℃温度范围内上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪3.铂热电阻温度计的侧温电路铂热电阻温度计的测温电路常用电桥电路。由于工业用铂电阻安装在现场，离控制室较远，铂电阻的引线暴露在室外，环境温度的变化能够使引线电阻发生变化。而引线电阻与铂电阻串联，因此对测量结果有较大的影响。为了减小或消除引线电阻产生的测量误差，目前，热电阻引线的连接方式经常采用三线制。在电阻体的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线制，如图2.3所示。当铂电阻和电桥配合使用时，这种引线方式可以较好地消除引线电阻的影响，提高测量精度，所以工业铂电阻多采用这种方式。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪4.铂电阻温度仪的结构工业用铂电阻的结构如图2.4所示，它由电阻体、绝缘体、保护套管、引线和接线盒等组成。电阻体的结构，随用途的不同，也有很多种结构，如图2.5所示即为常见铂电阻体结构。图2.5(a)所示为玻璃管架铂丝电阻体，它是把直径0.03~0.04mm的细铂丝双绕在直径4~5mm的玻璃棒上，在最外层再套以薄玻璃管，烧结在一起，以便起保护作用。引线也烧结在玻璃棒上，根据不同需要可有2~4根引出线。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪2.1.4任务实施1.二线式铂热电阻恒温器电路如图2.8所示是二线式的铂热电阻接线实例。这是一种用来检测印制电路板上功率晶体管周围温度的恒温器电路，温度超过60℃时，A输出低电平，控制有关电路进行温度调节。电路中，RT采用100Ω的铂热电阻，RT与R1串联接到恒压源(+12V),RT中流经约1mA的电流。这种接法虽属于恒压法，但由于R1阻值比RT的大很多，RT阻值变化引起的测量电流变化不大，因此能够获得近似巨流法的线性输出。2.三线式侧温电路如图2.9所示是三线式测温电路实例。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪3.四线式侧温电路如图2.10所示是四线式测温电路实例。4.铂电阻温度仪的安装(1)感温元件与被测介质能进行充分的热交换。铂电阻温度仪属接触式温度计，铂电阻是与被测介质进行热交换而测温的，保证能充分热交换，不应把铂电阻插至被测介质的死角区域。在管道中，铂电阻的工作端应处于管道流速最大处，保护管的末端应越过流束中心线约50~70mm。如图2.11(a)所示。(2)感温元件应与被测介质形成逆流。(3)避免热辐射所产生的测温误差。(4)避免感温元件外露部分的热损失所产生的测温误差。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪(5)感温元件安装于负压管道、设备中(如烟道)时，必须保证其密封性，以免外界冷空气袭入，降低测量指示值，也可用绝热物质(如耐火泥或石棉绳)堵塞空隙。(6)铂电阻的接线盒出线孔应向下，以防因密封不良而使水汽、灰尘或脏物等落入接线盒中影响测量。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪5.注意事项(1)凡安装承受压力的感温元件，都必须保证其密封性。(2)在介质中具有较大流速的管道中，安装感温元件时必须倾斜安装。为了避免感温元件收到过大的冲蚀，最好能把感温元件安装在管道的弯曲处。(3)如被测介质中有尘粒、粉末物或测量腐蚀性介质时，为保护感温元件不受磨损，应加装保护屏或外保护管。(4)在薄壁管道上安装感温元件时，需在连接处加装加强板。(5)当介质工作压力超过10MPa时，必须加装保护外套。上一页下一页返回2.1任务一铂电阻温度仪6.铂电阻的校验将待校验的铂电阻及校验用设备按图2.12线路连接，测出0℃及100℃的铂电阻值，求出R0，和R100/R0，符合技术要求即可。7.铂电阻的常见故障铂电阻的常见故障是断路，找出断线处重新焊好，即可继续使用，铂电阻断线可用电压6一8V电弧焊焊接。短路的故障也时有出现，加绝缘衬垫或用漆片胶固即可，修理后的铂电阻必要时应重新校验。上一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.2.1学习目标(1)了解热电偶温度计的功能和作用。(2)掌握热电偶温度计的工作原理、结构和冷端补偿。(3)了解热电偶温度计的分类。(4)掌握热电偶测量电路的制作。(5)掌握热电偶温度计的安装和校验方法。下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.2.2学习任务(1)通过查阅相关资料，了解热电偶温度计的功能和作用，掌握热电偶温度计的工作原理、结构和冷端补偿。(2)结合实际工程项目的需要，能够制作热电偶测量电路。(3)结合实际工程项目的要求，能够安装和校验热电偶温度计。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.2.3知识准备1.概述热电偶温度计是利用热电偶传感器的热电效应实现温度测量的仪表。热电偶能将温度转换成毫伏级热电势信号输出，通过导线连接显示仪表和记录仪表，进行温度指示、报警和温度控制等，如图2.13所示。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.热电偶侧温原理两种不同材料的导体A和B组成一个闭合回路，如图2.14所示。若热端和冷端的温度不同，则在该回路中将会产生电动势，两个节点的温差越大，所产生的电动势越大。组成回路的导体材料不同，所产生的电动势也不一样。这种现象称为热电效应。两种导体所组成的闭合回路称为热电偶;热电偶所产生的电动势称为热电势;组成热电偶的材料A和B称为热电极;两个接点的异端称为热端或测量端(工作端)，另一端则称为冷端或参考端(自由端)。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作热电偶是基于热电效应的原理来测量温度的。热电偶的热端一般要插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备外，如果两端所处温度不同，则测温回路中会产生热电动势。在冷端温度保持不变的情况下，用显示仪表测得电动势数值后，便可知道被测温度的大小。(1)两种导体的接触电势接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触面形成的电势。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)单一导体的温差电势(3)热电偶回路总电势对于导体A,B组成的热电偶回路，如图2.17所示，当接点温度t>to,NA>NB。时，回路中总热电势为上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作3.热电偶的基本定律(1)中间导体定律在热电偶电路中接入第三种导体，只要保持该导体两个接入点的温度相等，回路中总的热电势不变，即第三种导体的引入对热电偶回路总热电势没有影响，如图2.18所示。由图2.18可得回路总电势为当t=to，时上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作所以中间导体定律的意义:根据这个定律，在利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电势没有影响。如图2.19所示，可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量，只要保证两热电极插入地方的温度相同即可。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)中间温度定律(3)标准电极定律标准电极定律的意义:标准电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势，那么任意两种电极配对后的热电势均可利用该定律计算，而不需要逐个进行测定。由于纯铂丝物理化学性能稳定，熔点高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极，称为标准铂热电极。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作4.热电偶的类型根据热电偶的测量原理，理论上任何两种材料的导体都可以作为热电极组成热电偶，但实际应用中，为了准确、可靠地进行温度测量，用来制造热电偶的材料要求物力和化学性质稳定、电阻温度系数小、电导率高、热电势大、线性好、成分均匀、复现性好。能够完全满足这些要求的材料是很难找到的，因此在应用中应根据具体应用情况选用不同的热电极材料。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(1)铂铑10一铂热电偶特点:热电特性稳定，测温准确度高，铂材料容易提纯，铂和铂锗合金熔点高，便于复制，可作为基准热电偶。缺点是热电势较低，价格昂贵，不能用于金属蒸汽和还原性气体。(2)铂铑10-铂铑6热电偶特点:比铂铑10-铂热电偶具有更高的测量上限、更好的稳定性和更高的机械强度，室温下热电势较小，因此在0~50℃下不需要冷端补偿和修正，可作为标准热电偶。缺点是热电势小，不能用于0℃以下温度的测量。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(3)镍铬一镍硅热电偶特点:热电势较大，热电势与温度的关系很接近线性关系，有较强的抗氧化性和抗腐蚀性，化学稳定性好，复制性好，价格便宜。缺点是测量精度比S型热电偶低，热电势稳定性也比较差。但此种热电偶完全满足绝大多数工业条件下的测温要求，是工业生产中最常用的一种热电偶。(4)镍铬一铜镍热电偶特点:热电势较大，热电灵敏度高，电阻率小，适用于还原性或中性气体下测温，价格便宜。缺点是测量范围低且窄，铜镍合金易受氧化而变质。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作5.热电偶的结构(1)普通型热电偶普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽、液体等介质的温度，在工业测量上应用最多。由于使用的条件基本相似，所以这类热电偶结构已有通用标准，其基本组成相同。如图2.22所示，其结构主要包括热电极、绝缘管、保护套管和接线盒。普通热电偶根据安装连接形式可分为固定螺纹连接、固定法“今连接、活动法“今连接和无固定装置等形式。(2)薄膜热电偶薄膜热电偶如图2.23所示，它是用真空蒸镀的方法，把热电极材料蒸镀在绝缘片表面而制成的。测量端既小又薄，厚度约几个微米左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴，适用于测量微小面积上的瞬变温度。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(3)恺装热电偶恺装热电偶也称缆式热电偶，如图2.24所示，它是将保护套管、绝缘材料粉末与热电极三者熔铸成一体，经多次拉伸制成细长形状铁丝样的热电偶。这种热电偶的结构特点是热电偶可以做得很细很长，并且可弯曲，套管外径最细能达0.25mm，长度可达100m，便于在复杂场合安装，特别适用于结构复杂(如狭小弯曲管道内)的温度测量;而且耐高温、反应时间短、坚固耐用。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作6.热电偶的冷端补偿(1)0℃冷端恒温法将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变，此法也称冰浴法，它消除了t0不等于0℃而引入的误差。此时测得的热电势可以准确地反映热端温度变化的大小，直接查对应分度表即可得出热端温度的大小。由于冰融化较快，所以此法一般只适用于实验室中，如图2.25所示。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)补偿导线法(延引电极法)实际测温时，由于热电偶的长度有限，冷端温度将直接受到被测介质温度和周围环境温度影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，电炉周围空气温度的不稳定性会影响到接线盒中的冷端温度，造成测量误差。虽然可以将热电偶做得很长，但对于贵金属热电极当做导线来用是不经济的，这将提高测量系统的成本。所以，一般采用在一定温度范围内(0~100℃)与热电偶热点特性相近且廉价的材料代替热电偶来延长热电极，这种导线称为补偿导线，这种方法称为补偿导线法。如图2.26所示。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(3)计算修正法当热电偶的冷端温度to

≠0℃时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB(t,to)

与冷端为0℃时所测得的热电势EAB(t,0)不等。如冷端温度高于EAB(t,to)

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EAB(t,0)。可以利用下式计算并修正测量误差上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(4)补偿电桥法计算修正法虽然很精确，但不适合连续测温。为此，有些仪表的测温线路中带有补偿电桥，利用不平衡电桥产生的不平衡电压，来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化。如图2.27所示。7.热电偶侧温线路(1)测量某一点温度如图2.28所示，为热电偶测量某一点温度的基本电路。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)测量两点间温度差的测温电路如图2.29所示，将两只同型号的热电偶反相串联，使其冷端处于同一温度下，即可测量两点温度差。这种连接方法使各自产生的热电动势互相抵消，仪表的读数为(3)测量多点温度的测温电路多个被测温度用多个热电偶分别测量，但多个热电偶共用一台显示仪表，它们是通过专用的切换开关来进行多点测量的，测温电路如图2.30所示。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(4)测量几点温度之和的测温电路如图2.31所示，将几只同型号的热电偶正向串联，使其冷端处于同一温度下，即可直接从仪表读出输入到其两端的电动势之总和，测出多点温度之和。仪表的读数为(5)测量平均温度的测温电路如图2.32所示，将几只同型号的热电偶并联，且使其冷端处于同一温度下，即可测量几点的平均温度。仪表的读数为上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.2.4任务实施1.制作热电偶传感器侧量电路热电偶温度传感器由于其测量温度范围广，可用于各行各业温度测量的场合，如用于真空炉、塑料注塑成型机、熔融金属、炼钢炉等温度的测量和控制，也广泛用于飞机发动机温度的测量、某点温度的测量等。(1)热电偶测金属表面温度表面温度测量是温度测量的一大领域。金属表面温度的测量对于机械、冶金、能源、国防等部门来说是非常普遍的问题。例如，热处理的锻件、铸件、气体水蒸气管道、炉壁面等表面温度的测量。测量范围从几百到一千多摄氏度，而测量方法通常利用直接接触测温法。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作(2)测控应用如图2.33所示为常用炉温测量控制系统。图中由毫伏定值器给出设定温度对应的毫伏数，当热电偶测量的热电势与定值器输出的数值有偏差，说明炉温偏离设定值，此偏差经放大器放大后送到调节器，再经晶闸管触发器推动晶闸管执行器，从而调整炉丝加热功率，消除偏差，达到温控的目的。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作2.热电偶的安装及注意事项(1)注意插入深度(2)避免热电偶与火焰直接接触。(3)含有大量粉尘的气体温度的测量，最好选用恺装热电偶。(4)高温下工作的热电偶，其安装位置应尽可能保持垂直，防止保护管在高温下产生变形。若必须水平安装时，则不宜过长，且应装有耐火粘土或耐热合金制成的支架。(5)在安装瓷和氧化铝这一类保护管的热电偶时，其所选择的位置应适当，防止损坏保护管。插入或取出热电偶时，应避免急冷急热，以免保护管破裂。上一页下一页返回2.2任务二热电偶测量电路制作3.热电偶的校验热电偶在使用前要进行校验，一些主要场合的热电偶在使用过程中也要校验，因为热端被氧化、腐蚀和在高温下热电偶材料的再结晶，使热电特性发生变化而使测量误差越来越大。为了温度测量保证一定精确度，热电偶必须定期进行校验。通常采用如图2.34所示热电偶校验装置。上一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作2.3.1学习目标(1)了解集成温度传感器的功能和作用。(2)掌握集成温度传感器的工作原理。(3)了解集成温度传感器的结构和分类。(4)掌握集成温度测量电路的制作方法。2.3.2学习任务(1)通过查阅相关资料，了解集成温度传感器的结构分类，掌握集成温度传感器的工作原理。(2)结合实际工程项目的需要，能够制作集成温度测量电路。下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作2.3.3知识准备1.概述集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系，把感温元件(PN结)与有关的电子线路集成在很小的硅片上封装而成的。其具有测温精度高、复现性好、体积小、线性好、热容量小、稳定性好、反应灵敏、输出电信号大、价格低、抗干扰能力强等优点，所以应用十分广泛。由于PN结不能耐高温，所以集成温度传感器通常测量150℃以下的温度。上一页下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作2.集成温度传感器的基本工作原理集成温度传感器的测温基础是PN结的温度特性。硅二极管有个特性，当环境温度改变时，其PN结的正向电压降以-2mV/℃改变，正向导通电压与温度变化呈线性关系，所以PN结可以将感受到温度变化转换成电压变化量。电路的测温范围取决于二极管许可的工作温度范围，大多数二极管可以工作在-20~150℃。集成温度传感器内除了PN结之外，还有恒流源、放大器等集成电路，如图2.35所示上一页下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作3.集成温度传感器的分类(1)电压输出型如图2.36所示为电压输出型温度传感器原理电路图(2)电流输出型如图2.37所示为电流输出型集成温度传感器原理电路图2.3.4任务实施1.制作数显温度计在最简单的应用中，LM35可以按图2.39所示那样连接，仅仅为它提供一组直流电源，如9V电池电源，再加上一个用做显示的DVM(数字电压表)即可工作。LM35D是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器。上一页下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作2.温度侧量电路如图2.40所示为一简单测温电路，AD590在25℃(298.15K)时，理想输出电流为298.15μA。将AD590串联一个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，使输出电压UR满足1mV/K的关系调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压UR读出AD590所测得的热力学温度。3.热电偶冷端温度补偿电路如图2.41所示为热电偶冷端补偿电路上一页下一页返回2.3任务三集成温度测量电路制作4.温度控制如图2.42所示为采用AD590的简单温度控制电路。AD311为比较器，其输出控制加热器的电流，调节RT可改变比较电压，从而改变控制温度。稳压器AD581为AD590提供稳定电压。上一页返回表2.1常用测温方法、类型及特点返回图2.1测温仪表的组成框图返回图2.2铂电阻温度

仪测量示意图返回图2.3铂电阻份线制测温电路返回图2.4铂电阻结构返回图2.5电阻体结构返回图2.8铂电阻二线式接法返回图2.9三线式测温电路实例返回图2.10四线式测温电路实例返回图2.11安装实例返回图2.12铂电阻校验原理图返回图2.13热电偶温度计组成示意图返回图2.14热电偶测温原理图返回图2.17热电阻回路总热电势返回图2.18中间导体电律返回图2.19开路热电偶测温返回图2.22普通热电偶返回图2.23薄膜热电阻返回图2.24铠装热电偶返回图2.25冰浴法接线图返回图2.26补偿导线法返回图2.27电桥补偿法返回图2.28测量某一点温度的基本电路返回图2.29测量两点间温度差的测温电路返回图2.30多点测温电路返回图2.31一台仪表分别测量多点温度返回图2.32平均温度的并联电路返回图2.33常用炉温测量控制系统返回图2.34热电偶校验装置示意图返回图2.35集成温度传感器原理图返回图2.36电压输出型原理电路图返回图2.37电流输出型原理电路图返回图2.39数显温度计电路实例返回图2.40简单测温电路返回图2.41热电偶冷端补偿电路返回图2.42温度控制电路返回课题3压力与液位的测量3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.2任务二电容式液位计3.3任务三超声波液位测量装置3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.1.1学习目标(1)了解压力的基本概念。(2)了解压阻效应。(3)了解扩散硅压阻式传感器的组成和结构特点。(4)掌握扩散硅压阻式传感器的工作原理。(5)掌握压力传感器的应用。3.1.2学习任务(1)通过查阅相关资料，了解压力传感器的功能和作用。(2)结合实际工程项日的需要，能够进行压力传感器的产品选型。(3)结合实际工程项日的需要，能安装调试压力传感器电路。下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.1.3知识准备1.压力侧量的基本知识压力是工业生产中的重要参数之一。在物理学中，流体介质垂直作用于单位面积上的力称为“压强”，在工程技术上一般称它为“压力”，其法定计量单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa由于空气有重量，所以在地球上的任何物体都会受到它的压力作用，称为大气压。大气压在海平面的标准值为1.01325x105N/m2。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置以绝对真空(零压)为基准来表示的压力称为绝对压力。绝对压力的测量涉及零压力，很不方便，因此引入表压力的概念。表压力是以实际大气压为基准来表示的压力，它是绝对压力与大气压之差。当物体仅在大气压的作用下，它的表压为零。当测量液体压力时，其值通常会高于大气压;当测量气体压力时，压力可能高于或低于大气压。由于它们的测量范围不同，以及各种液体和气体的状态不同，所使用的压力测量装置也不相同。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置2.扩散硅压阻式传感器结构及原理固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。扩散硅压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，是一种半导体传感器。图3.1为压阻式传感器的实物图。利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力呈对应关系。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置压阻式传感器的结构及等效电路如图3.2所示。被测压力引至隔离膜片，通过硅油传到硅基片。硅基片受力产生的机械形变引起四个应变电阻值的变化。介质压力越大，机械变形越大，则电阻值变化也越大。3.压阻式传感器供电电路扩散硅压阻式传感器由恒压源或恒流源供电。由恒压源供电的电路如图3.3(a)所示。设四个桥臂电阻的起始值相等而且均为R。当有压力作用时，电桥的输出由恒流源供电的电路如图3.3(b)所示。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.1.4任务实施1.扩散硅压阻式传感器主要规格和性能参数MPM系列扩散硅压阻式传感器由中美合资麦克传感器有限公司生产，该系列又有208型、306型、310型和316型四种型号，每种型号还有若干个规格。这一系列的传感器的敏感元件是一个固态压阻芯片，用ISO技术封装在不锈钢波纹膜片的壳体中，在不锈钢波纹膜片与敏感芯片之间充满硅油，并且采用了温度补偿技术，故其体积小、性能好、便于安装，具有很高的重复性，能用于有腐蚀性和导电性的流体或气体的压力测量，并能远距离地传输压力信号，便于实现远程控制。如在化工行业中用于对各种管道内部压力的监测和控制、流量及液面位置的测量等。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置2.选型原则传感器的选型，主要从技术上可行、经济上合理、管理上方便三个方面考虑，具体可考虑以下几点:(1)测量范围、精度。一般实际被测最大压力以不超过压力敏感元件量程的80%为宜。建议不要将压力敏感元件过分缩小量程使用，以免其输出过小给使用造成不便。(2)测量环境、被测介质的化学状态。(3)被测对象的结构、形状和尺寸。压力敏感元件装配推荐为“悬浮式”结构，以使把安装对压力敏感元件造成的影响减至尽可能小的程度。(4)项日中所有仪表的选型要统一考虑，要尽可能地减少品种规格，减少备品备件，以利于管理。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.结构及引脚结构及引脚如图3.4、图3.5所示。4.应用电路如图3.6所示为压力传感器电路枢图。传感器由恒流源供电，其输出的压力信号经压力检测与调理模块处理后，由电压放大器做进一步放大后送液晶电压显示。上一页返回3.2任务二电容式液位计3.2.1学习目标(1)掌握液位的检测方法。(2)掌握电容式传感器的组成和结构特点。(3)掌握电容式液位传感器的原理。3.2.2学习任务(1)针对水箱水位检测检测要求，确定液位传感器类型。(2)分析制定安装位置，实施效果检测方案，分析成本。(3)现场安装、连接和调试液位传感器电路。下一页返回3.2任务二电容式液位计3.2.3知识准备1.概述液位的检测常用以下几种方法。(1)直读法。用直读式仪表进行直读。这类仪表利用连通原理，采用和被测容器旁通着的玻璃管直接显示容器内液位的高度，常见有玻璃管液位计等。(2)浮力法。利用浮力原理，通过浮标把液位的变化转换成机械位移的变化，从而实现液位检测。如浮球式液位计、浮筒式液位变送器等。

上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(3)静压法。利用静压原理，通过检测液柱静压的办法对液位进行检测。常用有压力式液位变送器、差压式液位变送器等。(4)电容检测法。利用电容器原理，将液位的变化转换成电容器电容量的变化进行检测。常用的有电容式液位变送器，如图3.8所示。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计2.电容式传感器的原理平板式电容器的电容量:(1)变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器如图3.9所示。初始电容上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计当活动极板随被测参数变化上下移动时，设初始间隙d减小△d时，电容量士曾加△C，则:当△d<d时，上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计此时，电容变化量为:所以改变极板的间隙即可改变电容量。(2)变面积式电容传感器初始电容上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计在图3.10中，可动电极产生位移△X时，电容量减小△C可见，改变两极板相互覆盖的有效面积即可改变电容量。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(3)变介电常数式电容传感器上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计3.电容法侧量液位的原理

图3.12是一种用于测量液位高低的圆柱式电容器的结构原理图。设被测液体的介电常数为ε1，液面高度为H，传感器的总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，则此时传感器的电容值C为上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计4.电容式传感器的侧量电路由于电容传感器中的电容量及其变化量很微小，很难驭动显示、记录仪表，这就必须借助测量电路检测出微小电容的变化，并转换成电压、电流或频率。电容式传感器的测量电路分为四类:电桥电路、运放电路、脉冲宽度调制电路和调频(谐振)电路。通过测量电路把电容的变化转换成输出电压的变化。(1)交流电桥测量电路

图3.13为普通交流电桥电路。该电路要求提供幅值、频率稳定的交流电源，电源频率为被测信号最高频率的5~10倍。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(2)运算放大器式测量电路

图3.15为运算放大器式测量电路。根据集成运算比例放大器的运算关系，可导出下面的式子:上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计所以，输出电压与传感器电容变化成线性关系。该电路的特点是测量精度高，测量误差小。(3)差动脉冲调制电路脉冲调制电路如图3.16所示，它利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲的占空比随电容量变化而变化，再通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(4)调频电路该测量电路把电容式传感器与一个电感配合，构成一个谐振电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率发生变化。经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，再经放大器放大后再显示。原理框图如图3.17所示。调频振荡器的振荡频率:上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计这种电路的特点是抗干扰能力强，能取较高的直流信号(伏特数量级)。缺点是振荡频率受电缆电容的影响大。随着电子技术的发展，可直接将振荡器装在电容传感器旁，以克服电缆电容的影响。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计3.2.4任务实施电容液位变送器由电容式液位传感器和电容检测线路构成。通过电容传感器将液位的变化变换成电容量的变化，然后由电容转换电路将电容量的变化转换成电流、电压或频率等电信号，从而获得液位的数值。电容液位变送器适用于各种导电液体、非导电液体的液位测量和显示，还能与电动单元仪表配套使用，完成对液位的自动显示、记录和控制。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计1.特点(1)结构和安装特别简单。盲区小，杆式结构几乎无盲区。(2)用于测量导电液体的UYB一1型变送器采用聚四氟乙烯或氟一46塑料绝缘的内电极，耐高低温和耐强腐蚀性能好。(3)用于测量非导电液体的UYB一2型变送器采用不锈钢内外电极，结构牢固。(4)无可动零部件，寿命长，性能长期稳定可靠。(5)输出两线制DC4~20mA标准电流信号。

上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(6)输出信号的大小不受被测介质温度、压力及密度变化的影响。(7)杆式结构在出了前已将“零点”和“量程”校准，安装后用户无须重新调试即可直接使用。(8)变送器输出信号的数值只与液位的高低相对应，与容器的形状、大小无关。(9)测量范围宽。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计2.主要技术指标(1)测量范围(2)精度为士0.5%FS(3)被测介质。(4)被测介质温度为-40~+200℃(5)输出信号为DC4一20mA(6)负载电阻为0~750Ω(供电电压为DC24V时)。(7)环境温度为-40~+50℃(8)供电电压为DC24V上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计3.结构UYB一1型变送器适用于导电液体，有杆式结构和缆式结构两种。为便于安装和调试，应优先选用杆式结构。仅当量程很大时，才有必要选用缆式结构。(1)UYB一1型变送器的杆式结构如图3.18(a)所示，其电容式液位传感器由内外两个电极组成。内电极表面有聚四氟乙烯或氟一46塑料绝缘层。外电极用不锈钢管制造，它兼做内电极的保护管。(2)UYB一1型变送器的缆式结构如图3.18(b)，变送器上只装有电容式液位传感器的缆式内电极。缆式内电极表面有聚四氟乙烯或氟一46塑料绝缘层，外电极要根据安装现场的具体条件另外设置。(3)UYB-2型变送器，适用于非导电液体，一般只推荐使用杆式结构，其外形与UYB一1型变送器杆式结构的外形相似，如图3.18(a)所示。但其电容式液位传感器的内外两个电极都采用导电材料不锈钢制造，内外两个电极的表面均无绝缘层。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计4.选型根据现场液位罐的材料和高度来选择传感器的探头长度，一般探头的长度应稍微短于料罐高度。另外，在选择传感器时，还要考虑测量精度、探极耐温、输出方式、承压范围、安装方式等因素。5.安装(1)机械安装要严格按照使用说明书进行正确的机械安装。首先要进行标准法共的安装与液位罐连接，然后将同轴探头安装在标准法共上。探极垂直伸进罐内，要保证同轴探头安装的长度与液位罐底的面垂直，否则会影响测量精度。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(2)电路接线杆式变送器和缆式变送器的电路接线相同，如图3.20所示。7.注意事项(1)要特别注意保护UYB一1型变送器的内电极表面绝缘层，定期检查内电极与被测液体之间的绝缘性能。(2)变送器上涉及电极密封的紧固件，不要随意松动。(3)要定期检查或更换转换器中的干燥剂，使其保持浅蓝色。上一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.3.1学习目标(1)了解超声波的概念。(2)掌握超声波的传播特性。(3)掌握超声波在液位测量中的应用。3.3.2学习任务(1)针对容器液位检测要求，确定液位传感器类型。(2)分析制定安装位置，实施效果检测方案，分析成本。(3)现场安装、连接和测试超声波传感器电路。下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.3.3知识准备1.概述声波是指人耳朵能感受到的一种纵波。它是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点振动而产生的一种机械波。人耳能听到的声波频率为20Hz一20kHz。频率超过20kHz的声波称为超声波，低于20Hz的称为次声波。检测中常用的超声波频率范围为几十千赫兹到几十兆赫兹上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置超声波分为纵波、横波、表面波和共姆波四种。波源的质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波;波源的质点振动方向垂直于波的传播方向的波称为横波;波源的质点的振动方向介于纵波与横波之间且沿着表面传播，随深度的增加振幅迅速衰减的波称为表面波。质点以纵波分量或横波分量形式振动，以特定频率被封闭在特定有限空间时产生的制导波称为共姆波。横波、表面波和共姆波只能在固体中传播，纵波可以在固体、液体和气体中传播。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置2.超声波换能器超声波的方向性好，穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。超声波的频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越弱，利用这种特性就可以制成超声波传感器。超声波传感器是一种能将交流电信号转换成机械振动而面向介质中发射超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置。它主要由产生超声波和接收超声波两个部分组成，这种装置又称为超声波换能器或超声波探头。它可以分为直探头、斜探头、表面波探头、共姆波探头和双探头(一个发射、一个接收)等。超声波传感器一般是可逆的，既能发射，也能接收超声波。如图3.22所示为超声波传感器的外形图。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.超声波传感器的测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波后立即停止计时。超声波在空中的传播速度，一般约为340m/s。根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点到障碍物的距离s，即上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置如图3.24所示，超声波传感器常见有透射型、分离式反射型和反射型三种方式，它们用于不同的测量场合。如图3.25所示为超声波测量液位的示意图。在液位上方安装空气传导型超声发射器和接收器。按照超声波脉冲反射原理，由超声波的往返时间就可以测出液面高度。如果液面晃动，就会由于反射波散射而使接收困难，这时可用直管将超声波传播路径限定在一定范围内。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置4.超声波探侧用藕合剂超声探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并导致很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地人射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为祸合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的祸合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置5.超声波侧量电路如图3.26所示为超声波传感器测量系统的方枢图。超声波传感器的测量电路一般由处理单元、输出电路等组成。处理单元控制超声波信号的发射和接收，计算测距的数值和温度校正;输出电路对物体反射超声波的回波信号进行放大、整形和输出数据。超声波传感器测量系统的显示仪表，由LED显示电路组成，LED上直接显示被测距离。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置6.超声波传感器的特点超声波传感器具有小角度、小盲区、测量准确、无接触、防水、防腐蚀、低成本等优点。可应于液位、物位检测，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波的情况下有稳定的输出。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.3.4任务实施1.超声波测距模块组成凌阳V2.0版本超声波测距模块是一款简单实用、价格较低的超声波测量电路，可满足实验室条件下对距离或液位的测量要求。模块由超声波发射击探头、超声波接收探头、超声波谐振载波调理电路、超声波回波接收处理电路、模组接口、选择跳线器组成。图3.27、图3.28分别为超声波测距模块的组成框图和实物图。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置2.超声波侧距模块参数(1)超声波传感器谐振频率:40kHz(2)模组传感器工作电压:4.5~9V(3)模组接口电压:4.5~5.5V(4)通过跳线J1可选择三种测距模式(短距、中距、可调距)。短距:20~100cm左右(根据被测物表面材料决定)，精度1cm中距:70~400cm左右(根据被测物表面材料决定)。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.供电方式选择模块提供了两种电源输人方式，一种用凌阳16位单片机SPCE061A板(或其他开发板)通过10PIN排线为模块供电(SPCE061A板上J5选择5V,要求最好不要低于4.5V)，此时要把J2跳接到SV的一端;另一种直接为模块供电，通过模块上的电源输人口J3引入，此时需要把J2跳线跳到IN的一端。外接电源仅是为了给模块提高超声波发射功率、提高后级运算放大器的性能，最高不要超过12V。模组外接电源接口(J3)及供电方式选择跳线(J2)如图3.29所示。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置4.侧距模式选择超声波测距时，存在余波干扰问题，所以针对不同测距范围会有不同的处理方法。模组提供了测距模式选择跳线(J1)，可以选择短距测量模式、中距测量模式或距离可调模式。针对前两种测量模式，提供有不同参数的程序，跳线选择不同的模式时，要选用相对应的程序进行测量;跳线选择LOW时为近距测量模式，选择HIG时为中距测量例程，选择SET时为距离可调模式。凌阳网站上提供了短距测量模式和中距测量模式的完整源程序。模组测距模式(测量距离范围)选择跳线J1，如图3.30所示。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置5.超声波侧距模块与单片机SPCE061A板连接超声波测距模块与单片机SPCE061A板配合可进行距离测量，连接方法也很简单。首先保证SPCE061A板供电的电源在4.5~5.5V,SPCE061A板I/O端口电平选择5V输出。可以用10PIN的排线将SPCE061A板的J6与超声波测距模组的J5接口直接连接，而SPCE061A板的J7与超声波测距模组的J4直接连接即可，如图3.31所示。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置6.下载程序并进行短距侧距从凌阳科技大学计划网站(www.unsp.com.c时或SPCE061A板板附带光盘中下载测试程序(ultrasoniclow)。光盘中路径:模组配套资料\“超声波测距模组(V2.0版)”文件夹\DetnoCode\"ultrasoniclow"。打开工程，并下载到SPCE061A板中，全速运行，即可进行短距(20~100cm)测距实验。7.注意事项(1)测距时保证传感器与被测物间，以及测量轴线上没有障碍物。(2)尽量保证传感器轴线与被测物表面垂直。(3)实际测距范围与被测物表面材料有关，一般不要测量表面为毛料的物体表面。上一页返回图3.1

MPM系列扩散硅压阻式传感器外形图返回图3.2压阻式传感器结构图和原理图返回图3.3压阻式传感器的供电电路返回图3.4MPM280型扩散硅压阻式传感器返回图3.5MPM280型传感器引脚图返回图3.6压力传感器电路框图返回图3.8电容式液位变送器的外形图返回图3.9变间隙式中容传感器返回图3.10变面积式中容传感器返回图3.12电容法测量液位返回图3.13普通交流电桥电路返回图3.15运算放大器式测量电路返回图3.16差动脉冲宽度调制电路返回图3.17调额测量电路原理框图返回图3.18UYB型变送器的结构图返回图3.20变送器电路接线及电位器位置示意图返回图3.22超声波传感器的外形图返回图3.24超声波传感器的3种

基本应用力一式返回图3.25超声波液位测量示意图返回图3.26超声波传感器测量系统方框图返回图3.27超声波测距模块组成框图返回图3.28实物图返回图3.29供电方式选择返回图3.30测距模式选择返回图3.31超声波测即模块与单片机SPCE061A板连榕返回课题4流体的测量4.1任务一涡轮流量计4.2任务二电磁流量计4.1任务一涡轮流量计4.1.1学习目标(1)了解涡轮流量计的功能和作用。(2)掌握涡轮流量计的结构和工作原理。(3)了解涡轮流量计的分类。(4)掌握涡轮流量计的选型方法。(5)掌握涡轮流量计的安装调试方法。4.1.2学习任务(1)通过查阅相关资料，了解涡轮流量计的功能和作用，掌握涡轮流量计的结构和工作原理。(2)结合实际工程项目的需要，能够进行涡轮流量计的产品选型。(3)结合实际工程项目的要求，能够安装和调试涡轮流量计。下一页返回4.1任务一涡轮流量计4.1.3知识准备1.概述涡轮流量计(以下简称TUF)是叶轮式流量(流速)计的主要品种，叶轮式流量计还有风速计、水表等。TUF广泛应用于以下一些测量对象:石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大型原油输送管线的首末站都大量采用它进行贸易结算。在欧洲和美国TUF是仅次于孔板流量计的天然气计量仪表，仅荷共在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸，压力从0.8MPa到6.5MPa的气体TUF，它们已成为优良的天然气流量计。上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计2.涡轮流量计的工作原理

图4.1所示为TUF传感器结构图，由图可见，当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动周期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。TUF的实用流量方程为:上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计3.涡轮流量计的结构涡轮流量计是由表体、导向体(导流器)、叶轮、轴、轴承及信号检测器组成的。(1)表体表体是传感器的主体部件，它起到承受被测流体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用。表体采用不导磁不锈钢或硬铝合金制造。对于大口径传感器已可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构，表体外壁装信号检测器。(2)导向体在传感器进出口装有导向体，它对流体起导向、整流及支撑叶轮的作用，通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。反推式涡轮流量传感器的后导流件还要求能产生足够的反推力，其结构形式很多。前导流器有专利产品可以抗流体流动的严重干扰。上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计(3)涡轮涡轮也称叶轮，是传感器的检测元件，它由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，也可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支撑，与表体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表性能和使用寿命。(4)轴与轴承轴与轴承支撑叶轮旋转，需要有足够的刚度、强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。轴与轴承决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此轴与轴承的结构与材料的选用及维护是很重要的。上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计(5)信号检测器国内常用变磁阻式信号信检测器，由永久磁钢、导磁棒(铁芯)、线圈等组成。永久磁钢对叶片有吸引力，产生磁阻力矩，小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在各种阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。输出信号有效值在10mV以上的可直接配用流量计算机，配上放大器则可以输出伏级频率信号。上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计4.涡轮流量计的主要特点(1)高精确度(2)重复性好(3)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。(4)可获得很高的频率信号(3~4kHz)，信号分辨力强。(5)范围度宽，中大口径可达40:1~10:1，小口径为6:1或S:lo(6)结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。(7)适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。

上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计4.涡轮流量计的主要特点(1)高精确度(2)重复性好(3)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。(4)可获得很高的频率信号(3~4kHz)，信号分辨力强。(5)范围度宽，中大口径可达40:1~10:1，小口径为6:1或S:lo(6)结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。(7)适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表。

上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计(8)专用型传感器类型多，可根据用户特殊需要设计为各类专用型传感器，如低温型、双向型、井下型、混砂专用型等。(9)可制成插入型，适用于大口径测量，压力损失小，价格低，可不断流取出，安装维护方便(10)难以长期保持校准特性，需要定期校验。(11)一般液体TUF不适用于较高钻度介质(高钻度型除外)，随着钻度的增大，流量计测量下线值提高，范围度缩小，线性度变差。(12)流体物性(密度、黏度)对仪表特性有较大影响。

上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计(13)流量计受来流流速分布畸变和旋转流的影响较大，传感器上下游侧需设置较长的直管段，如安装空间有限制，可加装流动调整器(整流器)以缩短直管段长度。(14)不适于脉动流和混相流的测量。(15)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，但也带来压损增大、维护量增加等副作用。(16)小口径(DN50以下)仪表的流量特性受物性影响严重，故小口径TUF的仪表性能难以提高。上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计5.涡轮流量计的分类(1)按传感器结构分类，可以分为以下几种类型:①轴向型(普通型)。叶轮轴中心与管道轴线重合，是TUF的主导产品，有全系列产品(DN10一DN600)②切向型。叶轮轴与管道轴线垂直，流体流向叶片平面的冲角约90度，适用于小口径微流量产品。③机械型。叶轮的转动直接或经磁祸合带动机械计数机构，只是计算总量，测量精度比电信号检测的传感器稍低，其传感器与显示装置组成一体式，受到用户欢迎。

上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计④井下专用型。适用于石油开采井下作业及采输用，测量介质有泥浆及油气流等，传感器体积受限制，需耐高压、高温及流体冲击等。⑤自校正双涡轮型。可用于天然气等气体流量测量，传感器由主、辅双叶轮组成，可由二叶轮的转速差自动校正流量特性的变化。⑥广钻度型。在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上锥体与下锥体的直径，增加钻度补偿翼及承压叶片等结构措施，使传感器适用于高钻度液体，如重油，黏度可达30mm2/s上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计(2)传感器结构类型很多，这里介绍几种广泛应用的产品。①止推式涡轮流量传感器。这类产品的结构如图4.2所示。②反推式涡轮流量传感器。这类产品的结构如图4.3所示。③切向式涡轮流量传感器。图4.4所示为用于微流量测量的涡轮流量传感器。流体由叶轮的切向流过，冲击其叶片旋转。由于被测流量小，为加大流体对叶轮的冲力，入口处装有喷嘴，可以更换喷嘴孔径以调节流量范围。叶轮的转速采用光电法检测，以避免如磁阻法产生磁阻力矩的缺点。上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计④气体TUF。气体的密度远小于液体密度，流体推动力矩小，气体流量传感器与液体流量传感器在结构参数上有显著差别。要加大轮毅半径，缩小流道截面积，使气流流速加大且集中经过叶片边缘。因气流流速很高，要用较小冲角的叶片。一般为降低摩擦阻力矩，采用滚动轴承，并对轴承系统注入润滑剂，能冲洗掉轴承表面的微粒，延长轴承寿命。多孔状的储油室能在换加润滑剂期间向轴承持续供油。典型的燃气TUF如图4.5所示。上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计4.1.4任务实施1.涡轮流量计的选型(1)精确度一般来说，选用涡轮流量计主要是看中其高精确度。目前TUF的精确度大致为液体:国际市场为士0.15%R、士0.2%R、士0.5%R和士1%R,国内定型产品为士0.5%R和士1%R;气体:国际市场为士0.5%R和士1%R,国内为士1%R和士1.5%R，以上精确度指范围度为6:1或10:1。精确度除与本身产品质量有关外，还与使用条件密切相关。若缩小范围度可提高精确度;特别是作为标准表法流量标准装置的标准流量计，若定点使用，精确度可大为提高。上一页下一页返回4.1任务一涡轮流量计(2)流量范围的选择涡轮流量计的流量范围的选择对其精确度及使用期限有较大的影响。一般在工作时最大流量相应的转速不宜过高。使用状况分连续工作和间歇工作两种，连续工作是指每天工作时间超过8小时，间歇工作是每天工作时间少于8小时。对于连续工作最大流量应选在仪表上限流量的较低处，而间歇工作可选在较高处。一般连续工作是将实际最大流量乘以1.4作为流量范围的上限流量，而间歇工作则乘以1.3上一页下