传感器与检测仪表CAI.ppt

1、3.4 物位检测及仪表,3.4.1概述 液位计测液位 物位仪表 料位计测固体或颗粒状物质的料位 界面计测密度不同且互不相溶的两种液体介质 的分界面 物位检测的目的： 确定物质的体积或质量，物位绝对值准确； 保持物位一定高度，以及超限报警 物位相对值准确。 监测物料平衡,3.4.1 概述,物位计仪表的类型： 直读式物位仪表； 差压式物位仪表； 浮力式物位仪表； 电磁式物位仪表； 核辐射式物位仪表； 声波式物位仪表； 光学式物位仪表； 。,3.4.2 差压式液位变送器,1.工作原理 容器内液位改变，液柱静压相应变化。如图3-43所示。,图3-43 差压液位变送器原理图,由图3-43知 p1=p0+

2、gH；p2=p0 p= p1 p2 = gH H液位高度； 介质密度； g重力加速度； p1、p2分别为差压变送器 正、负压室的压力。 当H=0时，p=0，无零点迁移。,对于敞口容器，可以直接用压力表测液位（压力表按液位刻度），如图3-44所示。,图3-44 压力表式液位计,3.4.2 差压式液位变送器,3.4.2 差压式液位变送器,2.零点迁移问题 负迁移 实际液位测量时，在差压变送器正、负压室与取压点之间安装 有隔离室，并充有隔离液（2，且21），如图3-45所示。,图3-45 负迁移示意图,由图3-45知 p1= 2gh1+1gH+ p0； p2=2gh2+ p0 由此可得 p= p1

3、p2 = 2gh1+1gH+ p02gh2 p0 =1gH (h2h1)2g 当H=0时，p= (h2h1)2g 0，有零点迁,正迁移：图3-46为正迁移情况。 由图3-46知 p= p1 p2 = g（h+H）+ p0 p0=gH +gh 当H=0时，p= gh（正迁移）。,图3-46 正迁移示意图,3.4.2 差压式液位变送器,当有零点迁移时，必须采用“零点迁移”的办法使H=0时，p=0，DDZ-型差压变送器零点输出I0=4mA。“零点迁移”相当于测量范围平移，不改变仪表原来的量程。对于图3-45所示的情况，迁移量为 (h2h1)2g 调节液位检测仪表上的迁移 弹簧来抵消“零点迁移”量，实

4、 现零点迁移。,图3-46 正、负迁移示意图,3.4.2 差压式液位变送器,3.4.2 差压式液位变送器,图3-47 法兰取压式差压变送器测量液位示意图 1-法兰式测压头；2-毛细管；3-变送器,3.用法兰取压式差压变送器测量液位 解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器。,3.4.3 电容式物位计,1.测量原理 柱形电容器（如图3-49（a）所示）电容量为,图3-49 柱形电容器测物位原理图,3.4.3 电容式物位计,2.液位检测 如图3-49（b）所示，液位H=0时,液位上升为H时，,电容量的

5、变化Cx为,式中， 比例系数。可见电容量的变化Cx与 液位高度 H成线性关系。,图3-49 柱形电容器测物位原理图,3.4.3 电容式物位计,3.料位检测 采用金属棒作为内电极，金属容器 壁作为外电极，如图3-49所示。电容量 为,式中，,K比例系数； 0空气电介常数； 物料的电介常数。,图3-49 料位检测 1-金属棒内电极；2-金属容器外电极,3.4.4 核辐射检测,利用放射性同位素辐射的射线，穿过一定厚度介质的衰减规 律来测物位。,式中， 介质对射线的吸收系数；H介质层的厚度； I穿过介质后的射线强度； I0入射射线强度。,图3-51 核辐射物位计示意图 1-射线源；2-接受器,核辐射射

6、线检测属非接触测量，具有一系列 独特的优点。当射线对人体有害，应注意安 全防护措施。,3.4.5 称重式液罐计量仪,石油石化行业大型贮罐要求测量准确。温度引起体积变化，贮罐内介质的质量储量难测准。 称重仪根据天平原理设计，如图3-51所示。p1、p2作用于波纹管1、2，其差 压p产生力矩（测量力矩）使杠杆失衡，可逆电机工作移动砝码5，使其力矩去平 衡测量力矩。杠杆平衡时， (p1 p2)A1L1=MgL2 式中，M砝码质量；g重力加速度；L1、L2杠杆臂长；A1波纹管有效面 积。,1-下波纹管； 2-上波纹管； 3-液相引压管； 4-气相引压管； 5-砝码； 6-丝杠； 7-可逆电机； 8-编

7、码盘； 9-发讯器,图3-51 称重式液罐计量仪,3.4.5 称重式液罐计量仪,（p1 p2)A1L1=MgL2 由于 p1 p2=gH,式中， 仪表常数；被测介质密度。,如果液罐截面均匀，设截面积为A，于是贮液罐内总的液体储量 M0为 M0=AH，即H= M0 /A,式中，,仪表常数，可见L2与贮液罐内介质的总 质量储量M0成比，而与介质密度无关。,由此可得,代入前式得,3.5 温度检测及仪表,温度是非常重要而且最普遍的工程参数 ； 在生产过程自动化中，温度是非常重要的检测、 控制指标。 油气集输、加工处理自动化过程，温度自动控 制； 油气计量，温度自动检测；等,3.5.0 温度测量的基本概

8、念,1.温标 温度的基准量，规定温度的始点（零度）和测量温 度的基本单位。 温标的三要素：温度固定点，标准温度计(测温物质)，内插 公式。 2.热力学温标（K） 1848年英国开尔文（L.Kelvin)提出以热力学第二定律为基 础的热力学温标，选定水的三相点为273.16K，定义水的三相 点温度的1/273.16为1度，单位为开尔文，简称K(1954年国际 计量会议)。 热力学温度也称为绝对温度。,3.5.0 温度测量的基本概念,3.国际实用温标（IPTS-68，ITS-90） 温度的基本单位与热力学温标相同，其标度具有11个固定点。如表3- 0所示。 测量各固定点之间温度值得方法： 13.8

9、1K630.74范围内用基准铂电阻温度计进行插补，电阻-温度关 系由一个已知的插补函数确定； 630.74 1064.43范围内，采用铂铑-铂热电偶作为标准仪器。,3.5.0 温度测量的基本概念,4.摄氏温标和华氏温标 摄氏温标:标准大气压下冰的熔点定为零度（0），水 的沸点定为100度（100）。在0和100之间划分为100 等份，每一等份为一摄氏度(1）（1742，瑞典摄尔萨斯， A.Celsius)。 华氏温标：规定标准大气压下冰的熔点为32，水的沸 点为212，其间划分为180等份，每一等份为华氏一度 (1）(1714,德国华林海特,G.D.Fahrenheit)。人的体温约为 100

10、。 摄氏温度t与热力学温度T、华氏温度tF和之间的关系: T=273.16+t, t=T273.16,3.5.1 温度检测方法,温度检测可分为接触测量（热交换）和非接触测量（热辐 射）两类。具体分类见表3-1。,表3-1 常用温度计的种类及其优缺点,3.5.2 简单温度计,（1）膨胀式温度计利用物体受热体积膨胀原理 玻璃温度计（液体）； 双金属温度计（固体）:双金属片制成螺旋形感温元件。主要用于温度检测、控制。,图3-52 双金属片,图3-53 双金属温度信号器 1-双金属片；2-调节螺钉；3-绝缘子；4-信号灯,3.5.2 简单温度计,膨胀式双金属温度计（常用于工业现场温度就地检测显示）,双

11、金属片螺旋形感温元件,1-指针;2-表壳;3-金属保护管;4-指针轴; 5-双金属感温元件;6-固定端;7-刻度盘,3.5.2 简单温度计,（2） 压力式温度计基于压力随温度变化原理 压力式温度计如图3-54所示。由温包（感温元件）、毛 细管（传递压力）、弹簧管、指针、刻度盘等组成。,3.5.2 简单温度计,（2） 压力式温度计温包（感温元件）+毛 细管（传递压力）+弹簧管压力表。,3.5.2 简单温度计,（3）辐射式高温计基于维恩（Wien）位移定律 物体热辐射能量随辐射波长变化，辐射能谱峰值波长m与物体自身 的温度T成反比，即 m=2898/T（m） 式中，T物体的温度(K)； m物体热辐

12、射能谱峰值波长。 从上式可知，物体的温度 T=2898/m 辐射式高温计被广泛地用来 测量高于800的温度。,图3-54 黑体发射本领按波长和温度的分布,工业用温度检测仪表,生产过程自动化中使用最多的是利用热电偶和热 电阻这两种感温元件来测量温度。 热电偶：t EAB(t,t0) 标准信号（420mA） 热电阻：t Rt 标准信号（420mA）,3.5.3 金属热电阻温度计,1.原理与感温材料 原理： 温度 电阻 电阻-温度效应大多数金属导体的电阻都随温度而变化。电阻温度特性方程： Rt=R0 (1 + t +t2 + ) 热电阻感温元件：纯金属材料，其性能要求： 大则灵敏度高； 理化性能稳定

13、； 恒定，以保证线性关系； 大，体积尺寸小； 复现性好。,3.5.3 金属热电阻温度计,2.铂热电阻（WZP） 结构材料：0.020.07mm Pt丝绕在云母等绝缘骨架 上，装入保护套管，接出引线，0.0981106m ；或 箔式结构，薄膜式结构。,图3-55 铂热电阻的结构,3.5.3 金属热电阻温度计,测温范围和应用：-259.34630.74；温度基准、标准用； 百度电阻比：W(100)纯度；W(100)R100 / R0 基准铂热电阻：W(100)1.39256，纯度99.9995， 精度：0.0010.0001 工业用标准热电阻：W(100)1.391， 精度：-2000，1； 01

14、00，0.5 100650，(0.5)t 电阻温度关系： Rt=R0 (1 + At + Bt2 ) 0t650 Rt=R0 (1 + At + Bt2 + C(t100)t3 ) -200t0 其中A、B、C与W(100)有关，见相关资料。在测温范围不大时， 基本线性。 分度号：Pt100，（R0=100）；Pt50，（R0=50）； Pt1000，（R0=1000）；等。 分度表：见第3章末附表2。,3.5.3 金属热电阻温度计,3.铜热电阻（WZC） 结构材料：Cu丝绕制，（4.254.28）103 / 0.017106m； 测温范围和应用：-50100，工业用温度计； 百度电阻比：W(

15、100)1.425， 精度：-5050，0.5， 50100，(1)t 电阻温度特性：Rt=R0 (1 + t )，在测温范围内线性。 分度号：Cu100，Cu50，等。 分度表：见第3章末附表3、4。 另外，铁、镍材料也可制作热电阻温度计。,3.5.3 金属热电阻温度计,4.热电阻测量线路 直流电桥线路，主要考虑其引线电阻和接触电阻影响，常采用三线接法和四 线接法。如图3-56、图3-57所示。 其次考虑工作电流的热效应影响，工作电流10mA。,图3-56 热电阻测温电桥的三线连接法,图3-57 热电阻测温电桥的四线连接法,3.5.4 热电偶温度计,热电效应 热电势EAB（T,T0）或EAB

16、（t , t0） 1.热电偶的工作原理 热电效应：将两种不同的导体（金属或合金）A和B组成一个闭 合回路（称为热电偶，见图3-58），若两接触点温度(T、T0)不同，则 回路中有一定大小电流，表明回路中有电势产生，该现象称为热电动势 效应或塞贝克（Seebeck）效应(1823)。回路中的电势称为热电势或塞 贝克电势，用EAB（T,T0）或EAB（t , t0）表示。,图3-58 热电效应,热电偶： 热电极（导体A、B）； 测量端（热端或工作端）T（或t）； 参考端（冷端或自由端）T0（或t0）。,3.5.4 热电偶温度计,Peltier效应接触电势 自由电子密度不同的两种金属接触处，由于电子

17、的扩散 现象在接触点处形成接触电势或Peltier电势，此现象称为 Peltier效应。接触电势为,接触点T处接触电势：,接触点T0处接触电势 ：,总接触电势：,式中，k玻尔兹曼常数(1.381023J/K)；e电子电量； nA、nB分别为电极A、B材料的自由电子密度。,3.5.4 热电偶温度计,Thomson效应温差电势 均质导体，两端温度不相等时，由于体内自由电子从高温端 向低温端的扩散，在其两端形成的电势称为温差电势或 Thomson电势，此现象称为Thomson效应。 导体A中的Thomson电势： 导体B中的Thomson电势： 回路中总的Thomson电势： 式中，A、B分别为导体

18、A、B中的Thomson系数。,综合考虑A、B组成的热电偶回路，当TT0时，总的热 电势为,图3-59 热电效应示意图,3.5.4 热电偶温度计,3.5.4 热电偶温度计,讨论： 如果热电偶两电极材料相同（nAnB，A=B），两接点 温度不同，不会产生热电势； 如果两电极材料不同，但两接点温度相同（T=T0），也 不会产生热电势； 热偶工作的基本条件：两电极材料不同；两接点温度不同； 热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。 当两热电极材料不同，且A、B固定（即nA、nB、A、B 为常数），热电势EAB(T，T0)便为两接点温度（T，T0）的 函数 这就是热偶测温原理。 热电势的极性：热端失去

19、电子为正，获得电子为负，且 有,(T0恒定),3.5.4 热电偶温度计,2.热电偶的基本定律 均质导体定律 要求热电极材质均匀，克服因热电极上各点温度不同时造 成附加误差。 中间导体定律 热偶回路断开接入第三种导体C，若C两端温度相同，则回 路热电势不变，这为热电势的测量（接入测量仪表，第三导 体）奠定理论基础，见图3-60 。,图3-60 热电偶测温电路原理图,若T00，,标准（参考）电极定律 标准电极定律原理如图3-61所示。,以C作为标准电极，一般C为铂，构建热偶A、B。,图3-61 标准电极定律示意图,中间温度定律,3.5.4 热电偶温度计,3.5.4 热电偶温度计,3.热电偶的种类

20、热电极材料的基本要求 热电极是感温元件，物理性质查相关资料，基本要求： 热电势足够大，测温范围宽、线性好； 热电特性稳定； 理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀； 电阻温度系数 、电阻率小； 易加工、复制性好； 价廉,3.5.4 热电偶温度计,热电偶类型（分度号） 标准化热电偶及其参数表3-2 S：E铂銠10-铂（100，0）=645V K： E镍铬-镍硅（100，0）=4095V E： E镍铬-铜镍（100，0）=4277 V 分度表及计算公式：见第3章末附表5、6、7及相关资料。,表3-2 工业用热电偶,3.5.4 热电偶温度计,4.热电偶的结构 热电偶接点焊接要求和焊接方法（不引入第三种材

21、料，接 点大小适当）；电极之间绝缘。见图 3-62,图 3-62 热电偶电极的绝缘方法 （a）裸线热电偶；（b）珠形绝缘热电偶； （c）双孔绝缘子热电偶；（d）石棉绝缘管热电偶,普通型热电偶 普通型热电偶结构见图3-63。,图3-64 铠装热电偶工作端结构 (a)单芯结构;(b)双芯碰底型;(c)双芯不碰底型;(d)双芯露头型;(e)双芯帽型,铠装热电偶,铠装热电偶结构见图3-64。,图3-63 普通型热电偶结构,3.5.4 热电偶温度计,薄膜热电偶 薄膜热电偶电极为厚度0.010.1m薄膜构成，见图3-65。,3.5.4 热电偶温度计,图 3-65 铁-镍薄膜热电偶,3.5.4 热电偶温度计

22、,5.热电偶的冷端补偿及处理 热电偶的热电势是两接点之间相对温差TTT0的函 数，只有T0固定，热电势才是T的单值函数；热偶标准分度 表是以T00为参考温度条件下测试制定的，只有保持T0 0，才能直接应用分度表或分度曲线。若T00，则应 进行冷端补偿，其补偿方法： 延长导线法 利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0端测试。 要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有 相同或相近的热电特性。,图3-66 补偿导线接线图,表3-3 常用热电偶的补偿导线,3.5.4 热电偶温度计,3.5.4 热电偶温度计, 0恒温法 将热电偶冷端置于冰水混合物的0恒温器内，使其工作 与分度状态达到一

23、致。 图3-67是延长导线法和0恒温法的一个实例。,图3-67 冷端处理的延长导线法和0恒温法,3.5.4 热电偶温度计,冷端温度修正法 热电势修正法 利用中间温度定律 式中，Tn 是热电偶测温时的是环境温度；EAB(T,Tn）是实 测热电势；EAB(Tn,0)是冷端修正值。 例如：铂铑10-铂热电偶测温，参考冷端温度为室温 21，测得,查表， 则， 查分度表T92。 若直接用0.465mV查表，则T75。 也不能将752196作为实际温度。,3.5.4 热电偶温度计,温度修正法 由实测热电势EAB(T，Tn)查表，得T，真实温度为： TTkTn 式中，k为热电偶修正系数，决定于热电偶的热电偶

24、种类和 被测温度范围，见相关资料。 例如前例： 实测 查分度表 T=75 ； 查修正系数表，此时该热电偶的k=0.82，Tn =21 , 则实际 温度 T=75+0.8221=92.2 与前面结果基本一致。这中修正方法在工程上应用较为 广泛。,3.5.4 热电偶温度计,冷端温度自动补偿法电桥补偿法 原理：电桥输出电压U(T0 ,0 )= EAB(T0 ,0)，自动补偿。 补偿电路：如图3-68所示。图中R1、R2、R3、RW为锰铜电阻，阻值几 乎不随温度变化，RCu为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。 T0=0时，R1=R2=R3=RCu，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响; T00时，RC

25、u变化R，Uab0，Uab =U(T0 ,0 )= EAB(T0 ,0)，热电偶 的热电势得到自动补偿。,图 3-68 冷端温度补偿线路图,3.5.5 温度仪表的安装,一体化温度变送器,图3-77 一体化温度变送器结构框图,(a),(b) (c),3.5.5 温度仪表的安装,温度仪表的常见安装方法如图3-71所示。,图3-71 温度仪表的常见安装方法,3.5. 6 温度测量仪表选型原则,主要从以下几方面考虑： （1）工艺角度 （2）测量范围 （3）测温元件的插入深度 （4）测温元件的保护套管材质及耐压等级 （5）热电偶形式的选择 （6）热电阻的形式选择 作业： 3-58，3-60，3-61，3

26、-62，3-63，3-64， 3-66 3-67,3.5. 6 温度测量仪表选型原则,作业： 3-58，3-60，3-61，3-62，3-63，3-64， 3-66，3-67,*3.6 分析仪器,3.6.1 成分和物性参数检测方法,1.热导式气体成分检测 气体种类、成分 导热系数 图3-72 各种气体的相对导热系数 图3-73 双臂-差比不平衡电桥,3.6.1 成分和物性参数检测方法,2.磁导式含氧量检测 混合气体中氧气浓度 混合气体磁化率 由表3-12知，氧的体积磁化率最高。 分析装置及原理如图 3-74所示。热磁风形成。 气体磁化率会随温度 升高而降低。 图3-74 热磁式含氧量 分析原理

27、图,3.6.1 成分和物性参数检测方法,3.红外线气体成分检测 气体种类、成分 红外线吸收差异 图3-75 红外线气体成分检测原理图 1-红外光源；2-反射镜；3-由马达带动的切光片，将红外光先调制成脉动光，作为红外工作光；4-过滤气室；5-测量气室；6-吸收气室，内充有纯的被分析组分气体；7-薄膜式电容敏感元件的电量检测室；8-电测仪表；9-参比气室；A-待分析组分；B-干扰组分；N2-氮气，它不吸收1.25m范围内的红外辐射能,3.6.1 成分和物性参数检测方法,4.电导式浓度检测 电解质溶液（气体）浓度 电导率 差异 例如合成氨中微量CO，CO2的测量就是气体介质，当CO2通过NaOH电

28、解质溶液时，反应生成Na2CO3，因此溶液的电导率降低。CO2含量越高，电导率降低也越多。这样就可以根据溶液的电导率或电阻值来确定CO2的含量。同样，通过电桥和转换装置将电阻转换成标准统一电信号。对于CO必须先氧化成CO2后再进行测量。另外，H2SO4浓度和水中含盐量等液体介质的测定也可采用电导分析法。,3.6.1 成分和物性参数检测方法,5.色谱分析 混合气体中各组分的含量 各种组分吸附和脱附情况的差异 一系列色谱峰 分析仪器：色谱仪 图3-76 色谱峰谱图,3.6.1 成分和物性参数检测方法,6.酸度（pH）检测 溶液酸碱度 pH值变化 H浓度不同 电极电位变化 图3-77 pH检测示意图

29、 1-甘汞电极；2-玻璃电极,3.6.1 成分和物性参数检测方法,7.湿度检测 检测方法： 干湿球湿度计、露点式湿度计、电解式湿度计、电容式湿度计（电容器的电容量与两极板间介质的介电常数成正比。一般介质的介电常数在25之间，而水的介电常数特别大，为81。电容法检测湿度就是基于这一原理）等,3.6.1 成分和物性参数检测方法,8.密度检测 检测方法： 浮力式密度计、压力式密度计、重力式密度计、振动式密度计等。 振动式密度计 振荡管的自由振荡频率 随被测液体的密度而变化 图3-78 单管振动式密度检测原理图 1-驱动线；2-外管；3-法兰孔；4-振动管； 5-检测线圈；6-驱动放大器；7-输出放大

30、器,3.6.1 成分和物性参数检测方法,9.水质浊度计 表面散射光的强度与单位体积内微粒的数量(浊度)成正比，浊度计就是利用这一原理制成的，如图3-79所示。 图3-79 浊度计工作原理图,3.6.1 成分和物性参数检测方法,10.溶解氧分析仪 极谱式溶解氧分析仪 测量元件是一隔膜式极谱池，由浸在电解液中的铂阴极、银阳极和外包聚四氟乙烯的渗透隔膜组成。当两极间加上一定的极化电压时，溶解氧经过极谱池透过薄膜到达阴极时，两极上发生氧化还原反应，产生与氧含量大小成正比的扩散电流，测出此电流并加以放大，就可得出溶解氧的多少。同时气体透过薄膜的扩散速度随温度的上升而增加，电流也随之增大而造成误差，因此在

31、电极体内封装了一个热敏电阻，利用热敏电阻随温度变化的关系曲线和氧扩散电流随温度变化的关系曲线相似这一特点进行补偿。,3.6.1 成分和物性参数检测方法,溶解氧分析仪 图3-80 气态电化学式溶解氧分析仪工作原理图 1-水样冷却器；2-水样加热器；3-流量调节阀；4-氢气发生器； 5-集水箱；6-水气分离管；7-水气分离器；8-氢气恒压管； 9-排水管； 10-净化炉；11-置换管；12-零检炉；13-放大器； 14-检测室； 15-电极；16-恒流源；17-校正电池；18-溢流器,3.6.1 成分和物性参数检测方法,11.微量氧分析仪 微量氧分析仪的测量元件是一只对氧敏感的银-铅碱性原电池，当

32、含有微量氧的样品气通过原电池时进行如下反应。 阴极(Ag)： O2+2H2O+4e (OH) 阳极(Pb)： 2Pb+2KOH4(OH) 4e 2KHPbO2+2H2O 氧在阴极上还原氢氧根离子(OH)，并从外电路取得电子，铅阳极为氢氧化钾，同时向外电路输出电子，当接通外电路后便有电流通过，电流的大小随氧含量而变化，并有一定的对应关系，故测得原电池电路中的电流便可求得被测气体中的氧含量 主要特点是：灵敏度高,3.6.1 成分和物性参数检测方法,12. 可燃气体及有毒气体报警器 分类：接触燃烧式、半导体气敏元件式和电化学式。 接触燃烧式 接触燃烧式可燃气体及有毒气体报警器的检测器由检测元件、补偿元件、固定电阻组成不平衡电桥，检测元件和补偿元件是对称的。检测元件吸附可燃气体及有毒气体时，产生无焰燃烧，使检测元件的温度升高，电阻值增大