第七章 過程參數(shù)檢測(cè)中的常用傳感技術(shù)1

1、2022年4月17日星期日23時(shí)52分8秒17 過程參數(shù)檢測(cè)中的常用傳感技術(shù)過程參數(shù)檢測(cè)中的常用傳感技術(shù)2022年4月17日星期日23時(shí)52分8秒27 過程參數(shù)檢測(cè)中的常用傳感技術(shù)過程參數(shù)檢測(cè)中的常用傳感技術(shù) 71 概述概述 72 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè) 73 壓力檢測(cè)壓力檢測(cè) 74 流量檢測(cè)流量檢測(cè) 75 物位檢測(cè)物位檢測(cè)2022年4月17日星期日23時(shí)52分8秒371 概述概述711 過程參數(shù)檢測(cè)的意義過程參數(shù)檢測(cè)的意義檢測(cè)是意義更為廣泛的測(cè)量，包括對(duì)被測(cè)參數(shù)的定性檢查和定量測(cè)量。定性檢查指的是分辨出被測(cè)參數(shù)所屬的范圍，以此判別參數(shù)合格與否或現(xiàn)象有無等；而定性測(cè)量指的是通過與作為單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行

2、比較而獲得被測(cè)參數(shù)的量值?，F(xiàn)代化生產(chǎn)過程是高效連續(xù)的生產(chǎn)過程，為確保生產(chǎn)安全、保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少能源消耗、降低成本等等，必須對(duì)反映生產(chǎn)過程狀態(tài)、進(jìn)行情況等的諸參數(shù)如溫度、壓力、流量、物位、成分等進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制。因此過程檢測(cè)就是對(duì)生產(chǎn)過程和運(yùn)動(dòng)對(duì)象實(shí)施自動(dòng)的定性檢查和定量測(cè)量的技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的前提和依據(jù)。一個(gè)完整的檢測(cè)過程一般應(yīng)包括信息提取、信號(hào)的放大、轉(zhuǎn)換與傳輸、信號(hào)的顯示與記錄、信號(hào)的分析與處理。本章的重點(diǎn)是從被測(cè)參數(shù)的角度討論傳感技術(shù)與檢測(cè)方法。2022年4月17日星期日23時(shí)52分8秒4712 參數(shù)檢測(cè)應(yīng)考慮的問題參數(shù)檢測(cè)應(yīng)考慮的問題 1、正確選定被測(cè)參數(shù)和檢測(cè)點(diǎn)、正

3、確選定被測(cè)參數(shù)和檢測(cè)點(diǎn) 在工業(yè)過程檢測(cè)中，被測(cè)參數(shù)有時(shí)并不是所要求的直接參數(shù)，而是需要用間接方法確定一個(gè)或幾個(gè)中間參數(shù)。對(duì)于一些復(fù)雜或特殊的檢測(cè)過程，還需要選擇多個(gè)檢測(cè)參數(shù)并進(jìn)行多次檢測(cè)。因此在選擇被測(cè)參數(shù)和檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)和特征，所選參數(shù)和檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)具有典型性和代表性。2、恰當(dāng)選取檢測(cè)方法與傳感方式、恰當(dāng)選取檢測(cè)方法與傳感方式 隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和信息技術(shù)的發(fā)展，過程參數(shù)的檢測(cè)，除傳統(tǒng)方法外，還有許多新的手段和方法可以使用。但是先進(jìn)的不一定總是可行的，需要根據(jù)檢測(cè)的條件、特點(diǎn)和要求，恰當(dāng)選取檢測(cè)方法、選擇或設(shè)計(jì)合適的傳感器。這是正確實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)檢測(cè)的關(guān)鍵所在。3、檢測(cè)系統(tǒng)的引入，

4、不能對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)產(chǎn)生干擾。、檢測(cè)系統(tǒng)的引入，不能對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)產(chǎn)生干擾。4、檢測(cè)系統(tǒng)要具備一定抗機(jī)械振動(dòng)、電磁場(chǎng)、環(huán)境溫度、腐蝕等各種干擾、檢測(cè)系統(tǒng)要具備一定抗機(jī)械振動(dòng)、電磁場(chǎng)、環(huán)境溫度、腐蝕等各種干擾的能力。的能力。5、檢測(cè)系統(tǒng)要具有良好的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，保證檢測(cè)信號(hào)的信噪比滿、檢測(cè)系統(tǒng)要具有良好的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，保證檢測(cè)信號(hào)的信噪比滿足要求，做到無延遲、不失真。足要求，做到無延遲、不失真。6、檢測(cè)系統(tǒng)的安裝維護(hù)要方便。、檢測(cè)系統(tǒng)的安裝維護(hù)要方便。2022年4月17日星期日23時(shí)52分8秒5713 過程檢測(cè)技術(shù)的分類過程檢測(cè)技術(shù)的分類過程檢測(cè)技術(shù)從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方

5、法。按傳感原理可分為電磁法、光學(xué)法、熱學(xué)法、超聲法、微波法等等。按敏感元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸可分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。按獲得檢測(cè)結(jié)果的方法可分為直接測(cè)量、間接測(cè)量、組合測(cè)量。按被測(cè)參數(shù)類型可分為電量：電壓、電流、功率、磁場(chǎng)強(qiáng)度等；機(jī)械量：尺寸、形狀、位移、速度、加速度、力、質(zhì)量、重量、振動(dòng)等；熱工量：溫度、壓力(壓差、真空度)、流量(流速、風(fēng)速)、物位（液位、料位、界面）等；物性和成分量：酸堿度、鹽度、濃度、粘度、密度、比重、粒度、純度、離子濃度、濕度、水份等。狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋，缺陷、泄漏、表面質(zhì)量(光潔度、白度灰度等)等。本章將選擇部分典型的熱工參數(shù)檢測(cè)進(jìn)行介紹。20

6、22年4月17日星期日23時(shí)52分8秒672 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè) 721 溫度和溫標(biāo)溫度和溫標(biāo)1、溫度、溫度 溫度是國際單位制中七個(gè)基本物理量之一。溫度用來表征物體的冷熱程度，從微觀角度，它表征組成該物體的大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，即該物體分子平均動(dòng)能的大小。從宏觀角度，溫度概念建立在熱平衡基礎(chǔ)上，兩個(gè)溫度不同的物體接觸，溫度必然從高溫處向低溫處傳遞，經(jīng)過足夠長時(shí)間，最終達(dá)到溫度相同，即熱平衡狀態(tài)。熱平衡理論，以及物體的許多物理化學(xué)性質(zhì)都與溫度有關(guān)這一特性，確定了溫度的各種檢測(cè)方法。2、溫標(biāo)、溫標(biāo) 溫標(biāo)是為溫度測(cè)量的準(zhǔn)確統(tǒng)一而建立起來的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度，它給出了溫度量值化的一套規(guī)則和方法。溫度計(jì)

7、在使用前必須先經(jīng)過分度，或稱標(biāo)定?；鶞?zhǔn)點(diǎn)溫度值是以一些物質(zhì)的相平衡點(diǎn)作為固定點(diǎn)，固定點(diǎn)之間的溫度值則是利用一定的函數(shù)關(guān)系來描述，稱為內(nèi)插函數(shù)或內(nèi)插方程。通常把溫度計(jì)、固定點(diǎn)和內(nèi)插方程稱為溫標(biāo)三要素。 由于溫度概念較為抽象，因此溫標(biāo)建立經(jīng)歷了一個(gè)較為漫長的過程。常用溫標(biāo)包括：經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、理想氣體溫標(biāo)、國際實(shí)用溫標(biāo)等。 國際統(tǒng)一的溫度標(biāo)準(zhǔn)要傳遞到各國，各國要按照規(guī)定進(jìn)行國際比對(duì)，建立本國的國家溫度基準(zhǔn)，以此類推，全國各個(gè)地區(qū)再建立次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并定期由國家基準(zhǔn)檢定。 測(cè)溫儀表按準(zhǔn)確度可分為基準(zhǔn)、工作基準(zhǔn)、一定基準(zhǔn)、二等基準(zhǔn)以及工業(yè)用儀表。任何等級(jí)的儀表都要定期到上一級(jí)計(jì)量部門進(jìn)行鑒定，確保準(zhǔn)

8、確可靠。2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒7722 測(cè)溫方法分類測(cè)溫方法分類 溫度表征物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，難以直接測(cè)量，因此均是根據(jù)物體物理性質(zhì)隨溫度變化的特征進(jìn)行間接測(cè)量。歸結(jié)起來溫度測(cè)量方法分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量兩類。1、接觸式測(cè)量、接觸式測(cè)量接觸式測(cè)量依據(jù)的是物體的熱平衡原理，優(yōu)點(diǎn)是直觀、可靠、體統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)是時(shí)間滯后，對(duì)于較小的物體，可能因測(cè)溫元件引入影響溫度場(chǎng)分布而造成測(cè)量誤差，難以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體溫度，另外受溫度計(jì)材質(zhì)限制一般只適合于中低溫測(cè)量。常用的接觸式測(cè)溫儀表有：基于熱膨脹原理的膨脹式溫度儀表、基于密閉容積內(nèi)介質(zhì)隨溫度升高而壓力升高的壓力式測(cè)溫儀表、基于金

9、屬導(dǎo)體電阻溫度效應(yīng)的熱電阻測(cè)溫儀表、基于PN結(jié)電壓隨溫度變化的晶體二極管、三極管和集成電路式測(cè)溫儀表、以及基于熱電效應(yīng)的熱電偶測(cè)溫儀表等。2、非接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量非接觸式測(cè)量是基于物體輻射特性與溫度之間的關(guān)系設(shè)計(jì)的。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣、理論上無溫度上限限制、測(cè)溫響應(yīng)快、測(cè)溫過程不影響溫度場(chǎng)分布、能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體溫度等。缺點(diǎn)是所測(cè)溫度與被測(cè)物體發(fā)射率等本身性質(zhì)的影響，一般需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。常用非接觸式測(cè)溫儀表有：輻射溫度計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、光電高溫計(jì)、比色溫度計(jì)等。隨著測(cè)量要求的提高和傳感技術(shù)的發(fā)展，在一些特殊領(lǐng)域中，除了傳統(tǒng)測(cè)溫方法，還逐漸開發(fā)出一些特殊的或?qū)Ｓ玫臏y(cè)溫技術(shù)，如石英溫度計(jì)、

10、聲學(xué)溫度計(jì)、集成溫度傳感器、光纖測(cè)溫技術(shù)等。2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒8723 典型測(cè)溫方法和傳感器典型測(cè)溫方法和傳感器1、金屬熱電阻測(cè)溫、金屬熱電阻測(cè)溫（1）測(cè)溫原理及特點(diǎn)）測(cè)溫原理及特點(diǎn)熱電阻溫度計(jì)是利用導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)測(cè)量溫度的。雖然電阻溫度特性是導(dǎo)體半導(dǎo)體所具有的普遍特性，但要用作測(cè)溫?zé)犭娮栊枰邆湟韵聴l件：1）盡可能大而且穩(wěn)定的的電阻溫度系數(shù)；2）電阻隨溫度變化呈單值函數(shù)關(guān)系，且線性良好；3）電阻率大，以便同樣靈敏度情況下元件尺寸??；4）具有較高的性能價(jià)格比。熱電阻的測(cè)溫范圍可以達(dá)到-260C900C，對(duì)大量的工業(yè)用測(cè)溫來說，熱電阻性價(jià)比高，中低溫區(qū)穩(wěn)定性好

11、、準(zhǔn)確度高、靈敏度大，信號(hào)易于測(cè)量、便于遠(yuǎn)傳。但熱電阻體積較大、熱慣性大，不適于測(cè)量高溫物體、體積狹小物體和溫度快速變化的物體，另外抗振動(dòng)沖擊能力差。（2）熱電阻分類）熱電阻分類熱電阻按材料分，有鉑、銅、鎳、鐵、銠鐵、鉑鈷合金等；按精度等級(jí)分為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)和工業(yè)熱電阻；按結(jié)構(gòu)分為線繞型、薄膜型和厚膜型。金屬熱電阻主要參數(shù)有分度號(hào)、標(biāo)稱電阻值、測(cè)溫范圍、允許偏差、電阻比W（溫度為100C和0C時(shí)的電阻值之比）、熱響應(yīng)時(shí)間和額定電流等。應(yīng)用熱電阻測(cè)溫，要根據(jù)測(cè)量要求、熱電阻基本參數(shù)進(jìn)行恰當(dāng)選擇。表7-1為幾種常用金屬熱電阻的分度號(hào)、測(cè)量范圍。2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒9表表7-1

12、 金屬熱電阻分度及主要參數(shù)金屬熱電阻分度及主要參數(shù) 2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒10（3）熱電阻引線方式）熱電阻引線方式 工業(yè)用熱電阻由感溫元件、引線和保護(hù)管組成。其中引線是感溫元件測(cè)量線路連接的引線，通常置于保護(hù)管內(nèi)。熱電阻引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響，常用引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。兩線制在感溫元件兩端各引出一根引線，這種引線簡單、便宜，但引線電阻及引線電阻變化會(huì)引入附加誤差，因此適用于引線不長、測(cè)溫精度要求不高的場(chǎng)合。三線制在感溫元件一端引出一條引線，另一端引出兩條引線。這種引線可以較好地消除引線電阻影響，測(cè)量精度有所提高，因此是工業(yè)用熱電阻通常使用的引線方式，在導(dǎo)線

13、長、測(cè)溫范圍窄、導(dǎo)線所處環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)合，必須使用三線制。四線制是在感溫元件兩端各引出兩根引線，通過其中兩根引線構(gòu)成校正線路，能夠完全消除引線電阻的影響。圖7-1為三種引線方式及其測(cè)量電路的示意圖 圖圖7-1 熱電阻引線方式熱電阻引線方式（a）兩線制）兩線制 （b）三線制）三線制 （c）四）四線制線制（a）（b）（c）2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒112、半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)溫、半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)溫 （1）半導(dǎo)體的熱點(diǎn)特性及分類）半導(dǎo)體的熱點(diǎn)特性及分類半導(dǎo)體的電阻與溫度之間的關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系，可表示為： （7-3）式中A、B為常數(shù)，與半導(dǎo)體的材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)，量綱分別為電阻和溫度。對(duì)（

14、7-3）式微分可得熱敏電阻溫度系數(shù)為 （7-4） 由式（7-4）可以看出，電阻溫度系數(shù)隨著溫度變化而變化，即靈敏度隨著溫度的升高而降低，因此限制了熱敏電阻只能在低溫下使用。根據(jù)電阻溫度系數(shù)可以將熱敏電阻分為NTC熱敏電阻、PTC熱敏電阻、CTR熱敏電阻三類。NTC熱敏電阻適用范圍寬，從1mK100K的超低溫到1300 2000C的高溫，之間的各溫度段都可測(cè)量；NTC測(cè)量范圍為-50 150C；CTR測(cè)溫范圍為0 150C。 /TBTAeR21TBdTdRRTT2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒12（）半導(dǎo)體熱敏電阻的特點(diǎn)（）半導(dǎo)體熱敏電阻的特點(diǎn) 熱敏電阻靈敏度高，一般是金屬熱電阻的10

15、多倍，電阻值高，通常在千歐以上，引線電阻對(duì)測(cè)溫幾乎沒有影響，不必使用三線制，響應(yīng)時(shí)間快，可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，化學(xué)穩(wěn)定性好，可用于惡劣環(huán)境。但其缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)的非線性嚴(yán)重，而且一般僅適用于350C以下的溫度檢測(cè)。圖7-2為常見熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式。使用半導(dǎo)體熱敏電阻應(yīng)注意：防止過電流使用以防電阻燒壞；開始測(cè)量讀數(shù)的時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于時(shí)間常數(shù)57倍，以保證讀書穩(wěn)定準(zhǔn)確；避免在溫度急驟變化的場(chǎng)合使用；注意防水耐寒等。圖圖7-2 熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式圖7-2 熱敏電阻結(jié)構(gòu)形式（a）圓片形）圓片形 （b）薄膜形）薄膜形 （c）桿形）桿形 （d）管形）管形 （e）平板形）平板形 （

16、f）珠形珠形（g）扁圓形）扁圓形 （h）墊圈形）墊圈形 （i）金屬帽引出的桿形）金屬帽引出的桿形（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒133、熱電偶測(cè)溫 （1）熱電偶選型）熱電偶選型熱電偶是利用金屬的熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電偶種類有幾百種，應(yīng)用較廣的幾十種，分為標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化兩大類。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶八種，分度號(hào)分別為S、R、B、K、N、T、E、J，前三種由鉑和鉑銠合金制成，屬于貴金屬熱電偶，其余五種由鎳、鉻、硅、銅、鋁、錳、鎂、鈷等金屬合金制成，屬于賤金屬熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)熱電偶在使用時(shí)按照允差分為三個(gè)等級(jí)。表72、73分別為標(biāo)準(zhǔn)化和

17、非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能。表表72 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能 2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒142022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒15表表73 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的主要性能2022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒162022年4月17日星期日23時(shí)52分9秒17 在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，一般應(yīng)在了解熱電偶基本特性的前提下，根據(jù)被 測(cè)對(duì)象、 測(cè)量氣氛、測(cè)溫范圍等正確選擇熱電偶。按使用溫度考慮：1000C之內(nèi)一般選用賤金屬熱電偶，如-200300C可選用T型或E型。1300C之內(nèi)可選用N型或K型，10001400C可選用R、S型，14001800C可

18、選用B型，高于1800C就要采用非標(biāo)準(zhǔn)的無賴鎢錸系列熱電偶。按環(huán)境氣氛考慮：當(dāng)環(huán)境氣氛有氧化性，溫度低于1300C可選用K型或N型，高于1300C應(yīng)選用鉑銠系列。若環(huán)境氣氛為真空或有還原性，溫度低于950C可選用J型，高于1600C應(yīng)選用鎢錸系列。參考端溫度影響除用冷端補(bǔ)償措施外，也可通過適當(dāng)選型解決。當(dāng)溫度低于1000C時(shí)，可選用K型熱電偶，冷端溫度在030C對(duì)測(cè)量的影響可忽略不計(jì)，溫度高于1000C選用B型熱電偶，可忽略冷端溫度影響。熱電偶偶絲直徑選擇與溫度有關(guān)，也影響動(dòng)態(tài)特性和精度。直徑大響應(yīng)時(shí)間長，直徑小則使電阻增大，影響與測(cè)量電路的阻抗匹配，使精度下降。（2）熱電偶的冷端處理）熱電偶

19、的冷端處理根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，熱電勢(shì)是測(cè)量端與參考端溫度t、t0的函數(shù)差，只有參考端溫度恒定，才能得到熱電勢(shì)與測(cè)量端溫度之間的關(guān)系。實(shí)際上我們通常使用的熱電偶分度表是以參考端為0C制作的。但在工業(yè)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，參考端溫度則難以保持恒定不變，更難以維持在0C，因此冷端處理是熱電偶在實(shí)際使用時(shí)必須面對(duì)的問題。 2022年4月17日星期日23時(shí)52分10秒18 冷端處理方法可以概括為冷端恒溫、冷端溫度校正、冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償、補(bǔ)償導(dǎo)線。1）冷端恒溫在條件許可的情況下，通過人為方法創(chuàng)造0C或t0（非0C）的恒溫環(huán)境，如保溫瓶、恒溫槽、恒溫箱等，將冷端置于其中。對(duì)于恒溫在的情況，可以再通過溫度校正的方法進(jìn)行校

20、正。2）冷端溫度校正根據(jù)熱電效應(yīng)的中間溫度定則可以對(duì)冷端恒定在tn的熱電勢(shì)值進(jìn)行修正：E (t, 0)= E (t, tn)+ E (tn, 0) （76）其中E (tn,0)即為修正量，可以通過查分度表得出。但是由于熱電特性的非線性，將分度表上由E (t,0)查得的溫度t1直接加tn作為檢測(cè)結(jié)果是錯(cuò)誤的，工業(yè)檢測(cè)中經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)公式校正：t=t1+K(tn-0) （77）式中t、t1、tn分別為測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度、由E (t, tn)值查分度表得到的溫度、冷端恒定溫度，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。不同熱電偶在不同溫度下具有不同的K值，可由相關(guān)資料給出。3）冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償tBAtnDCtnt0mVv圖7-3 串接

21、補(bǔ)償熱電偶回路其基本思想是在熱電偶測(cè)量電路中加入一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，感受冷端溫度變化，產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電勢(shì)，以使儀表檢測(cè)到的電動(dòng)勢(shì)不受冷端溫度變化影響。2022年4月17日星期日23時(shí)52分10秒19 baRtR3R2R1+mVVV+ER圖7-4 帶補(bǔ)償電橋的熱電偶測(cè)量電路例如在測(cè)量電路中串一個(gè)與測(cè)量用熱電偶A-B熱電特性相同的電偶C-D，如圖73所示。根據(jù)中間溫度定則，無論補(bǔ)償電偶正串還是反串，均可將參考端溫度變化補(bǔ)償?shù)?。補(bǔ)償電偶最好與測(cè)量電偶具有相同的熱電特性并且價(jià)格便宜。也可在熱電偶測(cè)量電路中加一個(gè)直流不平衡電橋，如圖74所示。該補(bǔ)償電橋由直流電源供電，輸出端串接在熱電偶回路中。橋臂電阻R1、R2

22、、R3和限流電阻R選用錳銅電阻，阻值受溫度影響很小，橋臂電阻Rt為銅電阻，阻值隨溫度升高而增大，將其置于與熱電偶冷端同樣的溫度場(chǎng)中。由于電橋不平衡輸出Uab隨Rt變化是非線性的，補(bǔ)償熱電勢(shì)E (tn, 0）隨tn變化也是非線性的，但兩者變化情況很難一致，設(shè)計(jì)時(shí)一般要求在兩個(gè)溫度點(diǎn)上符合即可，也可采用使供橋電源E隨tn變化的方式。補(bǔ)償電橋與熱電偶應(yīng)配套使用。同類型補(bǔ)償電橋外形與內(nèi)部設(shè)計(jì)都是一樣的，只要配上合適的限流電阻R即可與熱電偶相配套，R決定了補(bǔ)償量Uab的大小。tBAtnDCtnt0m Vv圖圖7-3 串接補(bǔ)償熱電偶回串接補(bǔ)償熱電偶回路路baRtR3R2R1+mVVV+ER圖圖7-4 帶補(bǔ)

23、償電橋的熱電偶測(cè)量電路帶補(bǔ)償電橋的熱電偶測(cè)量電路2022年4月17日星期日23時(shí)52分10秒20 4) 補(bǔ)償導(dǎo)線 補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)與某種熱電偶具有相同熱電特性的一對(duì)帶有絕緣層的導(dǎo)線或電纜。恰當(dāng)選用補(bǔ)償導(dǎo)線可將熱電偶的參考端延伸到遠(yuǎn)離熱源或環(huán)境溫度相對(duì)恒定的地方。為降低成本，補(bǔ)償導(dǎo)線一般選用賤金屬材料。如果熱電偶為貴金屬材料，稱為補(bǔ)償型（C型），如果熱電偶本身就是賤金屬材料，則稱為延伸型（X型）。補(bǔ)償導(dǎo)線一般只在較低的溫度范圍內(nèi)（通常在0100之間）與熱電偶熱點(diǎn)特性一致，因此使用溫度必須符合要求，而且各種補(bǔ)償導(dǎo)線必須與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用，見表7-4。連接時(shí)注意不能將補(bǔ)償導(dǎo)線極性接

24、反。對(duì)于補(bǔ)償型導(dǎo)線（C型），還要求于熱電偶的兩個(gè)連接點(diǎn)溫度相同。在需高精度測(cè)溫場(chǎng)合，處理測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)加上補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值，以保證測(cè)量精度。補(bǔ)償導(dǎo)線使用方便，是熱電偶測(cè)量電路中經(jīng)常采用的方法，也是各種冷短端溫度補(bǔ)償方法中最基本的一種。表表7-4 常用補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶配用關(guān)系常用補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶配用關(guān)系2022年4月17日星期日23時(shí)52分10秒21（3）熱電偶的斷偶檢查）熱電偶的斷偶檢查在熱電偶自動(dòng)測(cè)溫電路中如果發(fā)生斷偶現(xiàn)象，輸出熱電勢(shì)為0，就會(huì)得出t=t0的錯(cuò)誤結(jié)果。為此，檢測(cè)電路中應(yīng)增加一個(gè)斷偶判斷的環(huán)節(jié)。如圖7-5所示，MN為熱電偶輸出端，經(jīng)R1、R2、CF構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)送入量程放大器A，

25、再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將測(cè)量結(jié)果送計(jì)算機(jī)處理。此電路中有一個(gè)UB和RB構(gòu)成的斷偶判斷環(huán)節(jié)，RB為兆歐級(jí)大電阻。熱電偶正常工作時(shí)該環(huán)節(jié)相當(dāng)于開路；當(dāng)發(fā)生斷偶時(shí)，MN處電壓為UB，UB選擇為經(jīng)放大后使A/D轉(zhuǎn)換器溢出，從而使計(jì)算機(jī)能夠判斷出斷偶發(fā)生。圖圖75 熱電偶斷偶檢查熱電偶斷偶檢查2022年4月17日星期日23時(shí)52分10秒224、輻射測(cè)溫、輻射測(cè)溫（1）幅射測(cè)溫的基本原理）幅射測(cè)溫的基本原理任何物體，只要溫度超過絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量，稱為熱輻射。熱輻射能量與物體自身性質(zhì)和溫度有關(guān)。這種通過接收物體的輻射能量來確定溫度的方法稱為輻射測(cè)溫，利用這種原理測(cè)溫的儀表和傳感器通稱為輻

26、射式溫度計(jì)。熱輻射波長涉及紫外、可見光、紅外光區(qū)?？梢姽獠ㄩL范圍僅為0.30.72m，紅外光波長范圍較大，為O.72l000m。輻射式溫度計(jì)的感溫元件使用的波長范圍一般為 0.340m。根據(jù)斯蒂藩一玻耳茲曼定律，若黑體在單位時(shí)間單位面積上輻射出的能量為M0（T），則輻出能量與絕對(duì)溫度間的關(guān)系滿足： （7-8）式中為玻爾茲曼常數(shù)。黑體的光譜輻射亮度L0是一個(gè)與波長和絕對(duì)溫度均有關(guān)物理量，式（7-8）用輻射亮度表示，則有： （7-9） 4)(0TTM 4)(0TTL2022年4月17日星期日23時(shí)52分10秒23 理想的絕對(duì)黑體在自然界中是不存在的。一般物體的輻射出射度小于絕對(duì)黑體。在某一溫度T，

27、某物體在全波長范圍內(nèi)的積分輻射出射度M(T)與絕對(duì)黑體在全波長范圍內(nèi)的積分輻射出射度M0(T)之比稱為該物體的全輻射率(或全輻射系數(shù))，用(T)表示, 0(T)1。類似地，在任一溫度和某個(gè)波長下，物體在此波長的光譜幅射出射度M(,T)與與黑體在此波長的光譜幅射出射度M0(,T)之比稱為光譜(單色)幅射度，用 (T)表示。因此，對(duì)于一般物體，光譜輻射亮度與絕對(duì)溫度的關(guān)系為： 通過測(cè)量物體的輻射亮度就可得到該物體的溫度，這就是輻射測(cè)量基本原理。 （2）光譜輻射式溫度計(jì)）光譜輻射式溫度計(jì) 光譜輻射溫度計(jì)是根據(jù)熱輻射效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。通常由輻射敏感元件、光學(xué)系統(tǒng)、測(cè)量儀表及輔助裝置等幾部分組成。 輻射敏

28、感元件分為光電型和熱敏性兩大類。光電型常用的有光電倍增管、硅光電池、鍺光電池等。特點(diǎn)是響應(yīng)快，但同類元件光電特性曲線一致性不好，互換性差。熱敏型常用的有熱敏電阻、熱電堆等。特點(diǎn)是同類元件熱電特性曲線一致性好、靈敏度高、對(duì)響應(yīng)波長無選擇，但響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大，通常為0.01s1s。10)-(7 )(4TTL2022年4月17日星期日23時(shí)52分10秒24 光學(xué)系統(tǒng)的作用是聚集被測(cè)物的輻射能。其形式有反射型和透射型兩類。測(cè)量儀表包括測(cè)量電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、顯示裝置等。數(shù)字式儀表還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，自動(dòng)平衡式儀表需有平衡驅(qū)動(dòng)裝置，如小型步進(jìn)電機(jī)。輔助裝置包括冷卻和防塵防護(hù)裝置。光譜輻射溫度計(jì)是按絕對(duì)黑

29、體進(jìn)行溫度分度的，測(cè)量非黑體時(shí)，儀表示值稱為該物體的輻射溫度。由于0（T）1，輻射溫度總是低于物體的真實(shí)溫度。物體的輻射溫度TF與真實(shí)溫度T之間的關(guān)系為： （7-11） 使用光譜輻射式高溫計(jì)需注意以下幾點(diǎn)：1）距離系數(shù)距離系數(shù) 被測(cè)物與感溫器之間的距離L與被測(cè)物有效直徑D之比稱為距離系數(shù)。為保證感溫器全部接收到被測(cè)物的輻射能量，被測(cè)物大小應(yīng)受距離系數(shù)約束。2）中間介質(zhì)中間介質(zhì) 空氣對(duì)輻射能吸收較少，但水蒸氣、CO2對(duì)輻射的吸收能力則較強(qiáng)。測(cè)量中應(yīng)盡量減少中間介質(zhì)的影響。3）環(huán)境溫度環(huán)境溫度 被測(cè)物的高溫使環(huán)境溫度升高，影響檢測(cè)元件的正常工作。一般需要冷卻或溫度補(bǔ)償措施。4）雜光干擾雜光干擾 被

30、測(cè)物反射的外界輻射和自身輻射一起投向感溫元件，為此應(yīng)加裝屏蔽罩。與其他類型的高溫計(jì)相比，輻射溫度計(jì)是最古老、最簡單的一種測(cè)量儀器，靈敏度與精度都不太高，因此使用面遠(yuǎn)不及光學(xué)高溫計(jì)廣泛。4)(/1TTTF2022年4月17日星期日23時(shí)52分10秒25 （3）光學(xué)高溫計(jì)）光學(xué)高溫計(jì) 光學(xué)高溫計(jì)通過將輻射體在單一波長（通常采用0.66m）下的亮度與高溫計(jì)燈泡亮度比較來確定物體溫度。光學(xué)高溫計(jì)有三種形式：燈絲隱滅式、恒定亮度式和光電亮度式。圖7-6是燈絲隱滅式高溫計(jì)工作原理圖。調(diào)節(jié)物鏡使被測(cè)物的像落在燈泡的燈絲平面上，燈泡溫度低時(shí)，從目鏡中看到被測(cè)物像上的暗絲，接通電源并調(diào)節(jié)可變電阻，使燈泡變亮，當(dāng)

31、燈絲兩度與被測(cè)物亮度相同時(shí)，燈絲隱滅在被測(cè)物的像中。光學(xué)高溫計(jì)的示值也是按照黑體分度的，儀表示值稱為被測(cè)物的亮度溫度，根據(jù)發(fā)射率，可求出真實(shí)溫度：式中，TL、T分別為物體的亮度溫度、真實(shí)溫度；(T)為物體的光譜發(fā)射率，0(T)UCU，可忽略，故時(shí)差，可忽略，故時(shí)差則流體流速則流體流速 在實(shí)際的工業(yè)測(cè)量中，時(shí)差在實(shí)際的工業(yè)測(cè)量中，時(shí)差 t t非常小，若流速測(cè)量要達(dá)到非常小，若流速測(cè)量要達(dá)到1 1準(zhǔn)確準(zhǔn)確度，則時(shí)差測(cè)量要達(dá)到度，則時(shí)差測(cè)量要達(dá)到0.010.01的準(zhǔn)確度，因此難以實(shí)現(xiàn)。的準(zhǔn)確度，因此難以實(shí)現(xiàn)。ucLtucLt212122cLuttttLcu222022年4月17日星期日23時(shí)52分1

32、4秒74超聲波流量計(jì) 相差法相差法是把上述時(shí)間差轉(zhuǎn)換為超聲波傳播的相位差來測(cè)量。設(shè)發(fā)相差法是把上述時(shí)間差轉(zhuǎn)換為超聲波傳播的相位差來測(cè)量。設(shè)發(fā)射器向流體連續(xù)發(fā)射頻率為射器向流體連續(xù)發(fā)射頻率為f f的正弦波超聲波脈沖，則逆流和順流的正弦波超聲波脈沖，則逆流和順流時(shí)兩束波的相位差時(shí)兩束波的相位差 與前述時(shí)間差與前述時(shí)間差 t t之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 則流體的流速則流體的流速 相差比時(shí)差有了一個(gè)相差比時(shí)差有了一個(gè)2 2 f f放大系數(shù)，對(duì)儀器靈敏度的要求不必象時(shí)放大系數(shù)，對(duì)儀器靈敏度的要求不必象時(shí)差法那樣嚴(yán)格，因此提高了測(cè)量精度。差法那樣嚴(yán)格，因此提高了測(cè)量精度。但在時(shí)差法和相位差法中，流速測(cè)量均

33、與聲速有關(guān)，而聲速是溫但在時(shí)差法和相位差法中，流速測(cè)量均與聲速有關(guān)，而聲速是溫度的函數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)會(huì)影響到測(cè)量精度。度的函數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)會(huì)影響到測(cè)量精度。tft212fLcu422022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒75超聲波流量計(jì) 頻差法頻差法是通過測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的循環(huán)頻率差來測(cè)量流頻差法是通過測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲脈沖的循環(huán)頻率差來測(cè)量流量的。超聲波發(fā)射器向被測(cè)流體發(fā)射超聲脈沖，接收器收到聲脈量的。超聲波發(fā)射器向被測(cè)流體發(fā)射超聲脈沖，接收器收到聲脈沖并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后再用此電信號(hào)去觸發(fā)發(fā)射電路沖并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后再用此電信號(hào)去觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)射下

34、一個(gè)聲脈沖，因此任何一個(gè)聲脈沖都是由前一個(gè)接收信號(hào)發(fā)射下一個(gè)聲脈沖，因此任何一個(gè)聲脈沖都是由前一個(gè)接收信號(hào)脈沖所觸發(fā)。脈沖信號(hào)發(fā)射體、流體、接收器、放大電路內(nèi)循環(huán)，脈沖所觸發(fā)。脈沖信號(hào)發(fā)射體、流體、接收器、放大電路內(nèi)循環(huán)，故稱聲循環(huán)法。脈沖循環(huán)周期的倒數(shù)稱為聲循環(huán)頻率故稱聲循環(huán)法。脈沖循環(huán)周期的倒數(shù)稱為聲循環(huán)頻率( (即重復(fù)頻即重復(fù)頻率率) )，它由脈沖在流體中的傳播時(shí)間有關(guān)。因此順流、逆流時(shí)的生，它由脈沖在流體中的傳播時(shí)間有關(guān)。因此順流、逆流時(shí)的生循環(huán)頻率循環(huán)頻率f f1 1、f f2 2分別為：分別為： 聲脈沖循環(huán)頻差：聲脈沖循環(huán)頻差： 流體流速：流體流速： Luctf111Luctf22

35、1Lufff221fLu22022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒76超聲波流量計(jì) 流體流速和頻差成正比，且與聲速無關(guān)，精度與穩(wěn)定性都有提高，這是頻差法的顯著優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)頻差很小，直接測(cè)量的誤差大，為了提高測(cè)量精度，一般需采用倍頻技術(shù)。 由于順、逆流兩個(gè)聲循環(huán)回路在測(cè)循環(huán)頻率時(shí)會(huì)相互干擾，工作難以穩(wěn)定，而且要保持兩個(gè)聲循環(huán)回路的特性一致也是非常困難的。因此實(shí)際應(yīng)用頻差法測(cè)量時(shí)，僅用一對(duì)換能器按時(shí)間交替轉(zhuǎn)換作為接收器和發(fā)射器使用。圖7.27 換能器在管道上的配置方式 圖7.27是超聲換能器在管道上的配置方式， 其中Z式為單聲道方式，是最常用的方式，裝置簡單，適用于有足夠長的直管段、流速分布為管

36、道軸對(duì)稱的場(chǎng)合；V式適用于流速不對(duì)稱的流動(dòng)流體的測(cè)量；當(dāng)安裝距離受到限制時(shí)，可采用X式。換能器一般均交替轉(zhuǎn)換作為發(fā)射和接收器使用。2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒77超聲波流量計(jì)圖圖7.27 換能器在管道上的配換能器在管道上的配置方式置方式2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒78超聲波流量計(jì) 超聲波流量計(jì)測(cè)量時(shí)，超聲波換能器可以置于管道外，不與流體直接接觸，不破環(huán)流場(chǎng)，沒有壓力損失,測(cè)量范圍寬，可用于各種液體的流量測(cè)量，包括測(cè)量腐蝕性液體、高粘度液體和非導(dǎo)電液體的流量，尤其適于測(cè)量大口徑管道的水流量或各種水渠、河流、海水的流速和流量，在醫(yī)學(xué)上還用于測(cè)量血液流量等。但超聲波流

37、量計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格昂貴，一般用在特殊場(chǎng)合或有特殊要求的流量測(cè)量。 超聲波流量計(jì)前需要一定長度的直管段。一般直管段長度在上游側(cè)需要10D以上，而在下游側(cè)則需要5D左右。2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒7975 物位檢測(cè) 物位包括液位、料位和相界面。液位指各種儲(chǔ)液器（油罐、水塔、水箱鍋爐、煉鋼爐等）、河道、水庫中的液面位置；料位指儲(chǔ)料容器、堆場(chǎng)、倉庫等存儲(chǔ)的固體顆?；蚍哿系亩逊e高度，即堆積頂面的位置；相界面指兩種密度不同且互不相容的液體之間或液體與固體之間的分界面位置，包括液液相界面和液固相界面。液位檢測(cè)的難點(diǎn)在于有些情況下液體表面有沸騰或起泡；料位檢測(cè)要注意一般固體物料在自然堆積

38、時(shí)料面是不平的；相界面檢測(cè)的難點(diǎn)在于界面分界不明顯或存在混濁段。 物位檢測(cè)方法由于被測(cè)對(duì)象不同，介質(zhì)狀態(tài)、特性不同以及檢測(cè)環(huán)境條件不同而多種多樣，表7-6是工業(yè)上各種常用液位、料位檢測(cè)方法及相應(yīng)測(cè)量儀器的主要性能特點(diǎn)匯總表。 由于液位檢測(cè)需求最多，技術(shù)也相對(duì)簡單，因此重點(diǎn)介紹常用的液位檢測(cè)方法和液位計(jì)。2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒807.5.1 液位檢測(cè) 液位檢測(cè)方法包括直接測(cè)量、壓力法測(cè)量、浮力法測(cè)量、電學(xué)法測(cè)量、超聲波測(cè)量、輻射法測(cè)量、激光測(cè)量、微波測(cè)量等多種方法。2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒81直接測(cè)量 直接測(cè)量利用連通器原理將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀

39、察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。這類液位計(jì)統(tǒng)稱玻璃管式液位計(jì)，盡管在實(shí)際應(yīng)用中觀察管并不一定都是玻璃。這種測(cè)量方法簡單直觀、安全可靠、價(jià)格低廉，在電廠及化工領(lǐng)域的連續(xù)生產(chǎn)過程中仍有廣泛應(yīng)用；但它的缺點(diǎn)是不易實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)傳，被測(cè)液體溫度壓力不能太高，不宜測(cè)量粘稠和深色的液體。 2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒82壓力法測(cè)量 壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)量。液體對(duì)容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測(cè)量容器中液體的壓力來測(cè)算液位高度。圖7-28為用于測(cè)量開口容器液位高度的三種壓力式液位計(jì)。（a）壓力式液位計(jì)）壓力式液位計(jì)（b）法蘭式液位變送）法蘭式液位變送器器（c）吹氣式

40、液位）吹氣式液位計(jì)計(jì)圖圖7-28 壓力式液位計(jì)壓力式液位計(jì)1-旋塞閥；旋塞閥； 2-引壓管；引壓管； 3-壓力表；壓力表； 4-法蘭；法蘭； 5-壓力變送壓力變送器器2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒83壓力法測(cè)量 （a）為壓力表式液位計(jì)，利用引壓管將壓力變化值引入高靈敏度壓力表進(jìn)行測(cè)量。壓力表安裝位置若與容器底等高，則讀數(shù)直接反映液位高度；若不等高，則須先標(biāo)定出液位為零時(shí)的讀數(shù)，稱為零點(diǎn)遷移量。壓力表式液位計(jì)使用范圍較廣，但要求介質(zhì)潔凈，粘度不能太高，以免阻塞引壓管。 （b）為法蘭式壓力變送器，變送器安裝在容器底部的法蘭上，敏感元件為金屬膜盒，經(jīng)導(dǎo)壓管與變送器的測(cè)量室相連，導(dǎo)壓管內(nèi)

41、封入沸點(diǎn)高、膨脹系數(shù)小的硅油，使被測(cè)介質(zhì)與測(cè)量系統(tǒng)隔離。它可以將與液位有關(guān)的壓力信號(hào)變成電信號(hào)或氣動(dòng)信號(hào)。這種方式檢測(cè)信號(hào)可以遠(yuǎn)傳控制，而且可以檢測(cè)有腐蝕性、易結(jié)晶、粘度大或有色的介質(zhì)。 （c）為吹氣式液位計(jì)，通過旋塞閥調(diào)節(jié)進(jìn)入液體的壓縮空氣量，使液體靜壓與壓縮空氣壓力平衡，此時(shí)大約每分鐘150個(gè)左右氣泡從液體中逸出。當(dāng)液位高度變化時(shí)，逸出氣泡量變化。調(diào)節(jié)閥門使氣泡量恢復(fù)原狀態(tài)，從壓力表的調(diào)節(jié)量即可反映液位變化。這種液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可用于測(cè)量有懸浮物及高粘度液體。對(duì)于蜜蜂容器則要求容器上部有通氣孔。它的缺點(diǎn)是需要?dú)庠?，而且只能適用于靜壓不高、精度要求不高的場(chǎng)合。2022年4月17日星

42、期日23時(shí)52分15秒84壓力法測(cè)量 圖7-29是用于密閉容器測(cè)量的差壓式液位計(jì)，它采用差壓式變送器，反映液位高度的壓力P1和容器上部的氣體壓力P2分別引入壓力變送器的正壓室和負(fù)壓室，通過測(cè)量差壓獲得液面高度。這種液位計(jì)測(cè)量信號(hào)便于進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。安裝時(shí)通常低壓引壓管中充滿隔離液，以防氣體凝結(jié)成液體，且隔離液密度小于被測(cè)液體密度。正壓室引壓方式應(yīng)根據(jù)液體性質(zhì)選取，對(duì)于粘度大、易沉淀或易結(jié)晶的液體應(yīng)采用法蘭式安裝。2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒85壓力法測(cè)量圖圖729 差壓式液位計(jì)原理差壓式液位計(jì)原理2022年4月17日星期日23時(shí)52分15秒86浮力法 浮力法測(cè)液位是依據(jù)力平衡原理

43、，使浮子一類的物體平衡時(shí)能夠浮于液面。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，浮子就會(huì)跟隨液面上下移動(dòng)，測(cè)出浮子的位移就可知液位變化量。浮子式液位計(jì)按浮子形狀不同，可分為浮子式、浮筒式等等；按機(jī)構(gòu)不同可分為鋼帶式、杠桿式等。 圖730為浮筒式液位計(jì)原理圖。平衡時(shí)壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力平衡，即： 式中，k、x為彈簧剛度和壓縮量；G、A、H為浮筒的重量、截面積和浸入深度；為被測(cè)液體密度。假設(shè)液位升高H，彈簧被壓縮x，則力平衡關(guān)系為： 兩式相減得： 液位測(cè)量可轉(zhuǎn)化為位移量檢測(cè)，可用變換器(如差動(dòng)變壓器)將其變換成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和遠(yuǎn)傳控制。GgAHkxGxHHgAxxkxgAkH12022年4月17日星期日23

44、時(shí)52分16秒87電學(xué)法電學(xué)法 電學(xué)法按工作原理不同又分為電阻式、電感式和電容式。電學(xué)法測(cè)量無摩擦件和可動(dòng)部件，信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠(yuǎn)傳，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)，與電動(dòng)單元組合儀表配合使甩，可方便地實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。 2022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒88電學(xué)法 電阻式液位計(jì) 電阻式液位計(jì)的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行定點(diǎn)液位控制，即在液位到達(dá)上限或下限時(shí)觸發(fā)報(bào)警，也可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。圖7-32為連續(xù)測(cè)量電阻式液位計(jì)原理圖。 液位計(jì)的兩根電極是由兩根材料、截面積相同的具有大電阻率的電阻棒組成，電阻棒兩端固定并與容

45、器絕緣。整個(gè)傳感器電阻為： 式中， 、A、 h為電阻棒得電阻率、截面積和全長；H為液面高度。電阻的測(cè)量可用圖中的電橋電路完成。 電阻式液位計(jì)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和線路簡單、測(cè)量準(zhǔn)確，通過在與測(cè)量臂相鄰的橋臂中串接溫度補(bǔ)償電阻可以消除溫度變化對(duì)測(cè)量的影響。但其缺點(diǎn)是極棒表面容易產(chǎn)生生銹、極化、被介質(zhì)腐蝕等。HKKHAhAHhAR212222022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒89電學(xué)法圖圖7-32 電阻式液位計(jì)電阻式液位計(jì)1-電阻棒；電阻棒； 2-絕緣套；絕緣套； 3-測(cè)量電橋測(cè)量電橋2022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒90電學(xué)法 電感式液位計(jì) 電感式液位計(jì)利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液位變化引起線

46、圈電感變化，感應(yīng)電流也發(fā)生變化。電感式液位計(jì)既可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，也可進(jìn)行液位定點(diǎn)控制。 圖7-33為電感式液位控制器的原理圖。傳感器由不導(dǎo)磁管子、導(dǎo)磁性浮子及線圈組成。管子與被測(cè)容器相連通，管子內(nèi)的導(dǎo)磁性浮子浮在液面上，并跟隨液面移動(dòng)。線圈固定在液位上下限控制點(diǎn)，當(dāng)浮子隨液面移動(dòng)到控制位置時(shí)，引起線圈感應(yīng)電勢(shì)變化，以此信號(hào)控制繼電器動(dòng)作，觸發(fā)上下限報(bào)警。 電感式液位計(jì)的浮子與介質(zhì)接觸，因此不宜于測(cè)量易結(jié)垢、腐蝕性強(qiáng)的液體及高粘度漿液。2022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒91電學(xué)法圖圖733 電感式液位控制器電感式液位控制器1上下限線圈；上下限線圈； 2浮子浮子2022年4月17日星期日2

47、3時(shí)52分16秒92電學(xué)法 電容式液位計(jì) 電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測(cè)量。其結(jié)構(gòu)形式有平極板式、同心圓柱式等等。 對(duì)于同心圓柱式電容器，其電容量為： 式中，D、d為外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑；為兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；L為兩極板重疊長度。 液位變化引起等效介電常數(shù)變化，從而使電容器的電容量變化，這就是電容式液位計(jì)的檢測(cè)原理。 在具體測(cè)量時(shí)，電容式液位計(jì)的安裝形式因被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)不同而稍有差別。dDLCln22022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒93電學(xué)法圖圖7-34 單電極電容液位計(jì)單電極電容液位計(jì)1-內(nèi)電極；內(nèi)電極； 2-外電極外電極圖圖7-35 同心圓柱電

48、容器同心圓柱電容器 1-內(nèi)電極；內(nèi)電極； 2-絕緣套絕緣套2022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒94電學(xué)法 圖7-34為測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計(jì)，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，外套絕緣層，而導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。容器內(nèi)無液體時(shí)，內(nèi)電極與容器壁組成電容器，介電層為絕緣套和空氣；液面高度為H時(shí)，電容等效于無液部分電容和有液部分電容的并聯(lián)，兩部分電容介電層不同，其中有液體部分介電層為絕緣套。總電容克表達(dá)為： 式中，0、為空氣與絕緣套組成的介電層的介電常數(shù)和絕緣套的介電常數(shù)，空氣介電常數(shù)非常小，在這里可忽略；d、D、D0分別為內(nèi)電極外徑、絕緣套外徑和容器的內(nèi)徑。L為電極與

49、容器的覆蓋長度(m)。 相對(duì)于液位為零時(shí)的電容，液位為H時(shí)電容變化量為：dDHLdDHCCC0021ln2ln2HdDCxln22022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒95電學(xué)法 圖7-35為測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計(jì)。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有流通孔使液體流入極板間。液面高度為H時(shí)，電容等效于有液體部分和無液體部分兩個(gè)電容的并聯(lián)。有液體部分的介電層由液體和絕緣套組成，設(shè)其介電常數(shù)為；無液體部分的介電層由空氣和絕緣套組成，設(shè)其介電常數(shù)為0，因此總電容為： 相對(duì)與液位為零時(shí)的零點(diǎn)電容C0，液位為H時(shí)電容變化量為： 式中，d、D為內(nèi)電極外徑和金屬套內(nèi)

50、徑。 因此，只要測(cè)出電容變化量，即可推算液位高低。 電容式液位計(jì)適用范圍非常廣泛，對(duì)介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測(cè)量，此外還能測(cè)量有傾斜晃動(dòng)及高速運(yùn)動(dòng)的容器的液位。既可作液位控制器也可用于連續(xù)測(cè)量，因此在液位測(cè)量中占有重要地位。dDHLdDHCln2ln20HdDCCCxln2002022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒96熱學(xué)法 在冶金行業(yè)中常遇到高溫熔融金屬液位的測(cè)量。由于測(cè)量條件的特殊性，目前除使用 核幅射法外，也常用熱學(xué)方法進(jìn)行檢測(cè)。它利用空氣和高溫液體的分界面處溫度場(chǎng)出現(xiàn)突變的特點(diǎn)，用測(cè)量溫度的方法間接獲得高溫金屬熔液液位。圖7-36為熱電偶

51、測(cè)量高溫金屬熔液液位原理圖。 從溫度-電勢(shì)分布曲線上反映出第7個(gè)和第8個(gè)測(cè)點(diǎn)之間產(chǎn)生了溫度突變，因此液面就在第7與第8測(cè)點(diǎn)之間。 熱電偶測(cè)液位只是一個(gè)較為粗略的測(cè)量方法，精度一般不高，但工作可靠；在連鑄機(jī)結(jié)晶過程等應(yīng)用場(chǎng)合中是一種很適用的液位檢測(cè)控制方法。2022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒97熱學(xué)法b）溫度電勢(shì)分布）溫度電勢(shì)分布圖圖7-36 熱電偶測(cè)高溫金屬熔液液位原熱電偶測(cè)高溫金屬熔液液位原理圖理圖（a）溫度采集方法）溫度采集方法容器壁凝固金屬鋼水熱電偶2022年4月17日星期日23時(shí)52分16秒98超聲波法 超聲波在由液體傳播到空氣或由空氣傳播到液體時(shí)，幾乎發(fā)生全反射。在容器底部

52、或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，便可測(cè)出液位高低。 超聲波液位計(jì)按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計(jì)的方案。圖7-37為單探頭超聲波液位計(jì)示意圖，其中(a)為氣介式，(b)為液介式，(c)為固介式。2022年4月17日星期日23時(shí)52分17秒99超聲波法（a）氣介式）氣介式（b）液介式）液介式（c）固介式）固介式圖圖7-37 單探頭超聲波液位計(jì)示單探頭超聲波液位計(jì)示意圖意圖2022年4月17日星期日23時(shí)52分1

53、7秒100超聲波法 假設(shè)超聲波傳播距離為L，波的傳播速度為C，傳播時(shí)間為，則 式中，L是與被測(cè)液位相關(guān)的量，故測(cè)出便可知液位。的測(cè)量一般是用接收到的信號(hào)觸發(fā)門電路對(duì)振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。 實(shí)際測(cè)量中，如果液面有氣泡、懸浮物、波浪或沸騰，容易引起反射混亂，產(chǎn)生測(cè)量誤差，此時(shí)宜采用固介式液位計(jì)。 超聲波液位測(cè)量換能器與介質(zhì)不接觸，無可動(dòng)部件，不受光線、介質(zhì)粘度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等因素的影響，適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場(chǎng)合的液位測(cè)量，且儀器壽命長；還能測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)或有傾斜晃動(dòng)的液體的液位，如置于汽車、飛機(jī)、輪船中的液位；可進(jìn)行液位定點(diǎn)控制和連續(xù)測(cè)量，便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)傳控制。

54、但超聲波儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)昂貴；而且聲速會(huì)受傳播介質(zhì)溫度或密度的影響，一般需要有相應(yīng)的補(bǔ)償措施，否則嚴(yán)重影響測(cè)量精度；不適于測(cè)量隊(duì)超聲波有強(qiáng)烈吸收作用的介質(zhì)。tCL212022年4月17日星期日23時(shí)52分17秒101核幅射法 同位素射線穿過厚度為H的介質(zhì)時(shí)，會(huì)有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強(qiáng)度I與入射強(qiáng)度I0之間有如下關(guān)系： 式中，是吸收系數(shù)。因此測(cè)液位可通過測(cè)量射線在穿過液體時(shí)強(qiáng)度的變化量來實(shí)現(xiàn)。 核幅射式液位計(jì)由輻射源、接收器和測(cè)量儀表組成。 輻射源一般用鈷60或銫，放在專門的鉛室中，只能允許射線經(jīng)鉛室的一個(gè)小孔或窄縫透出。幅射源安裝在被測(cè)容器的一側(cè) 接收器與前置放大器裝在一起

55、，安裝在被測(cè)容器另一側(cè)，射線由蓋革計(jì)數(shù)管吸收，每接收到一個(gè)粒子，就輸出一個(gè)脈沖電流。經(jīng)過積分電路變成與脈沖數(shù)成正比的積分電壓，再經(jīng)電流放大和電橋電路，最終得到與液位相關(guān)的電流輸出。HeII02022年4月17日星期日23時(shí)52分17秒102核幅射法 圖7-38為輻射源與接收器均是為固定安裝方式的核幅射液位計(jì)。其中 (a)為長輻射源和長接收器形式，輸出線性度好； (b) 為點(diǎn)輻射源和點(diǎn)接收器形式，輸出線性度較差。 輻射式液位計(jì)通常用于特殊場(chǎng)合或惡劣環(huán)境下不常有人之處的液位測(cè)量，如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)、高溫熔融體等的液位測(cè)量；既可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，也可進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)送信號(hào)和進(jìn)行控制；射線不受溫度、壓力、濕度、電磁場(chǎng)的影響，而且可以穿透各種介質(zhì)，包括固體，因此能實(shí)現(xiàn)完全非接觸測(cè)量。 但在使用時(shí)仍要注意控制劑量，作好防護(hù)。2022年4月17日星期日23時(shí)52分17秒103核幅射法（a）長輻射源長接收器）長輻射源長接收器（b）點(diǎn)輻射源點(diǎn)接收器）點(diǎn)輻射源點(diǎn)接收器圖圖7-38 固定安裝的核輻射式液位計(jì)固定安裝的核輻射式液位計(jì)1-輻射源；輻射源；2-接收器接收器2022年4月17日星期日23時(shí)52分17