傳感器第5章課件

傳感器及應(yīng)用第5章要點(diǎn)：1.壓力的概念、測量方法、傳感器的類別，壓力計(jì)的選擇與使用2.流量的概念，流量傳感器的類型，差壓式流量計(jì)的投運(yùn)，電磁流量計(jì)的特點(diǎn)與使用注意問題3.物位的概念、測量方法、零點(diǎn)遷移，超聲波物位計(jì)的應(yīng)用第5章壓力、流量和物位傳感器及應(yīng)用壓力、流量、物位、成分和溫度五種物理量統(tǒng)稱為過程量或熱工量，在化工、印染、冶金等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域全都是依靠傳感器和自動(dòng)化儀表進(jìn)行自動(dòng)檢測和控制的。其中，流量和物位也都可以用壓力傳感器來測量。主要內(nèi)容●

5.1壓力傳感器及應(yīng)用壓力的概念，壓力傳感器類別及其選擇和安裝●

5.2流量傳感器及應(yīng)用流量的概念、測量方法，差壓式流量計(jì)及其投運(yùn)，電磁流量計(jì)及其使用注意問題，其他流量傳感器●

5.3物位傳感器及應(yīng)用物位的概念及測量方法，靜壓式液位計(jì)、超聲波物位傳感器等5.1壓力傳感器及應(yīng)用5.1.1壓力的基本概念及單位1.壓力的基本概念壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力。它由受力面積和垂直作用力的大小兩個(gè)因素所決定，用數(shù)學(xué)式表示為圖5-1液柱壓力示意圖壓力也可以用相當(dāng)?shù)囊褐叨葋肀硎?，如圖5-1所示。根據(jù)壓力的概念有壓力傳感器主要類別有電位器式、應(yīng)變式、霍爾式、電感式、壓電式、壓阻式、電容式及振弦式等，測量范圍為7×10-5～5×lO8Pa；信號(hào)輸出有電阻、電流、電壓、頻率等形式。壓力測量系統(tǒng)一般由傳感器、測量線路和測量裝置以及輔助電源所組成。常見的信號(hào)測量裝置有電流表、電壓表、應(yīng)變儀以及計(jì)算機(jī)等。目前利用壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)或其他固體物理特性的壓力傳感器已實(shí)現(xiàn)小型化、數(shù)字化、集成化和智能化，直接把壓力轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的現(xiàn)場控制。幾種常見的壓力傳感器性能比較見表5-2。5.1.2壓力傳感器及其類別1.壓力傳感器類別

2.常用壓力傳感器目前我國出廠的彈簧管壓力表量程有0.1，0.16，0.25，0.4，0.6，1，1.6，2.5，4，6，10，16，25，40，60(MPa)等。

在彈簧管壓力表中裝入電觸點(diǎn)，可構(gòu)成具有上、下限指示與控制的電接點(diǎn)信號(hào)壓力表；與電位器配合，可構(gòu)成電位器式遠(yuǎn)傳壓力表，如YCD—150型壓力傳感器，它結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。在利用變頻控制進(jìn)行恒壓供水方面有廣泛應(yīng)用。（1）單圈彈簧管壓力表圖5-2彈簧管壓力表1—彈簧管2—拉桿3—扇形齒輪4—中心齒輪5—指針6—面板7—游絲8—調(diào)整螺釘9—接頭（2）應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器用于液體、氣體壓力的測量，其測量壓力范圍104～107Pa。應(yīng)變式壓力傳感器采用筒式、薄板式、膜片式和組合式彈性元件。硅X型壓力傳感器：利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在硅膜片表面用離子注入制作一個(gè)X形的四端元件，一只X形壓敏電阻器被置于硅膜邊緣，其原理如圖5-3a所示。其中，1腳接地，3腳加電源電壓，2腳和4腳輸出。圖5-6X形硅壓力傳感器a）工作原理圖b）外形圖c）電路符號(hào)電感式壓力傳感器是用變換壓力的彈性敏感元件將壓力變換成位移，再由電感式位移傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在壓力測量中，差動(dòng)變壓器式傳感器應(yīng)用的比較廣泛。如圖5-4所示為微壓力變送器的結(jié)構(gòu)示意圖。由膜盒將壓力變換成位移，再由差動(dòng)變壓器轉(zhuǎn)換成輸出電壓。內(nèi)裝電路，可輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，故稱變送器。

圖5-4微壓力變送器結(jié)構(gòu)示意圖1—接頭2—膜盒3—底座4—線路板5—差動(dòng)變壓器6—銜鐵7—罩殼8—插頭9—通孔（3）電感式壓力傳感器5.1.4壓力計(jì)的選擇和使用

1.壓力計(jì)的選擇壓力計(jì)的選擇應(yīng)根據(jù)具體情況作具體分析，在符合工藝過程、熱工過程所提出的技術(shù)要求，適應(yīng)被測介質(zhì)的性質(zhì)和現(xiàn)場環(huán)境條件下，本著節(jié)約的原則，合理地選擇壓力計(jì)的種類、儀表型號(hào)、量程和精確度等級(jí)等，以及是否要帶報(bào)警、遠(yuǎn)傳、變送等附加裝置。對(duì)于彈性式壓力計(jì)，為了保證彈性元件能在彈性變形的安全范圍內(nèi)可靠的工作，在選擇量程時(shí)必須留有足夠的余地，一般在被測壓力較穩(wěn)定的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的3／4，在被測壓力波動(dòng)較大的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的2／3。為保證測量精確度，被測壓力最小值應(yīng)不低于全量程的1／3。（1）測量點(diǎn)的選擇測量點(diǎn)的選擇應(yīng)能代表被測壓力的真實(shí)情況。因此，取壓點(diǎn)不能處于流束紊亂的地方，應(yīng)選在管道的直線部分，也就是離局部阻力較遠(yuǎn)的地方。為避免導(dǎo)壓管堵塞，取壓點(diǎn)一般要求在水平管道上。在測量液體壓力時(shí)，2.壓力計(jì)的使用圖5-7導(dǎo)壓管與管道的連接導(dǎo)壓管與管道的連接如圖5-7所示。取壓點(diǎn)應(yīng)在管道下部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣體；測量氣體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道上部，使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存液體。（3）壓力計(jì)的安裝測量蒸汽壓力或壓差時(shí)，應(yīng)裝冷凝管或冷凝器。冷凝器的容積應(yīng)大于全量程內(nèi)差壓計(jì)或差壓變送器工作空間的最大容積變化的三倍。

當(dāng)被測流體有腐蝕性，易凍結(jié)、易析出固體或是高粘度時(shí)，應(yīng)采用隔離器和隔離液。隔離液應(yīng)選擇沸點(diǎn)高，凝固點(diǎn)低，化學(xué)與物理性能穩(wěn)定的液體，如甘油、乙醇等。被測壓力波動(dòng)頻繁和劇烈時(shí)(如壓縮機(jī)出口)可用阻尼裝置。安裝壓力計(jì)時(shí)應(yīng)避免溫度的影響，如遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩?，特別是彈性式壓力計(jì)一般應(yīng)在低于50℃的環(huán)境下工作。安裝時(shí)還應(yīng)避免振動(dòng)的影響。

壓力計(jì)安裝示例如圖5-8所示。在圖c所示情況下，壓力計(jì)上的指示值比管道內(nèi)的實(shí)際壓力高。這時(shí)，應(yīng)減去從壓力計(jì)到管道取壓口之間一段液柱的壓力，即圖5-8壓力計(jì)安裝示例圖a)測量蒸汽b)測量腐蝕性介質(zhì)c)壓力計(jì)安裝在管道下方1-壓力計(jì)2-切斷閥門3-隔離器4-生產(chǎn)設(shè)備5-冷凝管

γ1、γ2-被測介質(zhì)和中性隔離液的重度P=P表-γh

1.流量的概念單位時(shí)間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量，稱為瞬時(shí)流量。而在某一段時(shí)間間隔內(nèi)流過管道某一截面的流體量的總和，即瞬時(shí)流量在某一段時(shí)間內(nèi)的累積值，稱為總量或累積流量，如用戶的水表、氣表等。瞬時(shí)流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。5.2流量傳感器及應(yīng)用5.2.1流量及其測量方法（1）體積流量qv單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的流體的體積，單位為m3/s。根據(jù)定義，體積流量可表示為

（2）質(zhì)量流量qm單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的流體的質(zhì)量，單位為kg/s。根據(jù)定義，質(zhì)量流量可表示為2.流量的測量方法生產(chǎn)過程中各種流體的性質(zhì)各不相同，流體的工作狀態(tài)（如介質(zhì)的溫度、壓力等）及流體的粘度、腐蝕性、導(dǎo)電性也不同，很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過程的情況復(fù)雜，某些場合的流體是高溫、高壓，有時(shí)是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測量的方法很多，測量原理和流量傳感器（或稱流量計(jì)）也各不相同，從測量方法上一般可分為速度式、容積式和質(zhì)量式三大類。（1）差壓式流量傳感器及其原理差壓式流量傳感器又稱節(jié)流式流量傳感器，主要由節(jié)流裝置和差壓傳感器圖5-91—節(jié)流元件（孔板）2—引壓管3—差壓傳感器4—平衡閥5—正壓室切斷閥6—負(fù)壓室切斷閥5.2.2幾種速度式流量傳感器1.差壓式流量傳感器(或差壓變送器)組成，如圖5-9所示。它是利用管路內(nèi)的節(jié)流裝置，將管道中流體的瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流裝置前后的壓力差，然后用差壓傳感器將壓差信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，或直接用差壓變送器把差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為與流量對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或電壓信號(hào)，以供測量、顯示、記錄或控制。（1）電磁流量傳感器的工作原理如圖5-10所示，電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電性液體的流量的。感應(yīng)電勢(shì)大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、管徑大小、流體流速大小有關(guān)，即圖5-10電磁式流量傳感器a)工作原理圖b)電極部件剖面圖1—鐵心2—電極3—絕緣套管4—?jiǎng)?lì)磁線圈5-液體2.電磁流量傳感器●只能測量導(dǎo)電介質(zhì)的流體流量?！襁m用于測量各種腐蝕性酸、堿、鹽溶液，固體顆粒懸浮物，粘性介質(zhì)等溶液；用于各種有衛(wèi)生要求的醫(yī)藥、食品等部門的流量測量，以及大型管道自來水和污水處理廠流量測量等?！穹磻?yīng)迅速，可以測量脈動(dòng)流量?！駵y量范圍很廣，對(duì)于同一臺(tái)電磁流量計(jì)，量程比可達(dá)1:100。它的口徑可以從直徑lmm做到2m以上?！袷褂脺囟群蛪毫Σ荒芴?，使用溫度一般低于120℃，最高工作壓力一般不得超過1.6MPa?！駵y量導(dǎo)管壁厚度不超過8mm?！癫荒苡脕頊y量氣體、蒸汽和石油制品等非導(dǎo)電流體的流量?！駵y量導(dǎo)電液體的電導(dǎo)率的下限值一般也不得小于2×10-3～5×10-3S/m(西門子／米)?！窳魉俸退俣确植急仨毞显O(shè)定條件，否則將會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差?！駶M量程流速下限一般不得低于0.3m/s。（2）電磁流量傳感器的特點(diǎn)在選用流量計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮流量測量儀表的發(fā)展趨勢(shì)，工藝流程中被測流體的種類和狀態(tài)（液體，氣體、蒸汽，溫度、壓力，粘度，重度、導(dǎo)電性，腐蝕性和脈動(dòng)等），最大、最小流量，容許壓力損失，精確度要求，價(jià)格，使用和安裝條件，計(jì)量、測量和控制等用途。1.流量測量儀表的發(fā)展趨勢(shì)①節(jié)流流量儀表逐年下降。②儀表測量精確度有所提高。③微機(jī)用于測量儀表，即儀表智能化。如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)，超聲流量計(jì)，激光流速計(jì)等。④各種特殊情況下的流量測量儀表發(fā)展很快，如用于兩相介質(zhì)（氣固、液固，液氣），高溫，高壓下的流量測量儀表。2.流量測量儀表的選擇參考表5-3。5.2.3流量測量儀表的選用物位是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、兩種不溶液體介質(zhì)的分界面的高低和固體粉末狀顆粒物料的堆積高度等的總稱。這一類傳感器根據(jù)具體用途分為液位、料位、界位傳感器。

5.3物位傳感器及應(yīng)用5.3.1物位測量概述在圖5-1中，液柱式壓力計(jì)是用液柱高度來表示壓力（或壓差）大小的。與此相反，也可用壓力（或壓差）的大小來表示液柱高度（即液位的高低）。靜壓式液位計(jì)就是以這一原理為基礎(chǔ)的液位測量儀表。5.3.2靜壓式液位計(jì)（1）差壓式液位計(jì)工作原理差壓式液位計(jì)也屬于靜壓式液位計(jì)的一種，它廣泛適用于密封容器的液位測量。圖5-13用差壓計(jì)測量液位原理圖2.差壓式液位計(jì)如圖5-13所示，設(shè)PA為密閉容器中的氣相A點(diǎn)的靜壓(氣相壓力)，PB為液相B點(diǎn)的靜壓，H為液柱高度，ρ為液體密度。則A、B兩點(diǎn)的壓差為：△P=PA-PB=PA+Hρg-PA=Hρg如果為敞口容器，則PA為大氣壓，則為：P=PB=Hρg

為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒及粘度大、易凝固等液體液位時(shí)，引壓管線被堵、被腐蝕的問題，需要用法蘭式差壓變送器。如圖5-14所示，容器經(jīng)法蘭、毛細(xì)管與變送器的測量室相通。其測量部分及氣動(dòng)轉(zhuǎn)換部分的動(dòng)作原理與氣動(dòng)差壓變送器基本相同。圖5-14法蘭式差壓變送器測量液位原理圖（2）法蘭式差壓變送器原理（3）零點(diǎn)遷移利用差壓變送器測量密閉容器液位時(shí)，由于現(xiàn)場的安裝條件不同，存在零點(diǎn)無遷移、正遷移和負(fù)遷移三種情況。當(dāng)差壓變送器的測量室與容器最低液位安裝在同一水平面上時(shí)，式（5-9）成立，無零點(diǎn)遷移。當(dāng)差壓變送器的測量室的安裝位置低于容器最低液位h高度時(shí)，不論實(shí)際液位如何變化，差壓計(jì)變送器輸出為△P=Hρg+hρg，即變送器的測量室總是增加了一個(gè)固定的壓差hρg，需要抵消固定正值hρg的作用，其方法叫做正遷移。當(dāng)液位上的介質(zhì)是可凝氣體(如蒸汽)時(shí)，負(fù)壓側(cè)連通管中充滿介質(zhì)的冷凝液，為使連通管中液柱恒定，正壓室的壓力只隨液位的變化而變化，在圖中虛線所示部分裝有截面積較大的平衡容器(又稱冷凝器)。假定連通管中充滿介質(zhì)的冷凝液與容器中液體密度相同，則作用在變送器正、負(fù)壓室的壓差為△P=P1-P2=Hρg-（H0-h）ρg?？梢?，無論實(shí)際液位如何變化，變送器測量室總是減少了一個(gè)固定的壓差（H0-h）ρg，抵消固定負(fù)值（H0-h）ρg的方法叫做負(fù)遷移。

5.3.3超聲波物位傳感器及應(yīng)用超聲波物位檢測是利用超聲波在兩種物質(zhì)的分界面上的反射特性，測量測量超聲波傳感器從發(fā)射超聲脈沖開始到接收反射回波脈沖為止的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)的。1.超聲波物位傳感器的類型與特點(diǎn)