油氣井工程測量理論與方法41傳感器

第八節(jié)熱電式溫度計熱電式傳感器是指將溫度變化轉(zhuǎn)化為電量變化的原件和裝置。熱電式傳感器有許多種類，如熱電偶、、熱電阻、集成溫度傳感器等。本節(jié)主要介紹熱電偶和熱電阻。一、熱電偶熱電偶溫度計是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測溫儀表。它的測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，測溫準(zhǔn)確可靠，便于信號的遠(yuǎn)傳、自動記錄和集中控制，因而在工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域中應(yīng)用極為普遍。。

熱電偶溫度計是由熱電偶、連接導(dǎo)線及顯示儀表三部分組成。下圖是最簡單的熱電偶溫度計測溫系統(tǒng)示意圖。（一）熱電偶的測溫原理熱電偶是由兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料焊接或絞接（見下圖）而成，焊接的一端與被測介質(zhì)充分接觸，感受被測溫度，稱為熱電偶的工作端或熱端；另一端與導(dǎo)線連接，稱為自由端或冷端。導(dǎo)體A、B稱為熱電極。熱電效應(yīng)：將熱電偶熱端加熱，使得冷、熱兩端溫度不同，則在該熱電偶回路中就會產(chǎn)生熱電勢，這種物理現(xiàn)象叫熱電效應(yīng)。

在熱電偶回路中產(chǎn)生的熱電勢有溫差電勢和接觸電勢兩部分組成。（1）溫差電勢它是在同一導(dǎo)體材料的兩端因其溫度不同，自由電子分布不均勻，而產(chǎn)生溫差電動勢。記為e（t，t0）。此電勢只與導(dǎo)體性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體長度、截面大小及沿導(dǎo)體長度上的溫度分布無關(guān)。

（2）接觸電勢:

它是兩種電子密度不同的導(dǎo)體相互接觸時產(chǎn)生的一種熱電勢。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B相接觸時，其自由電子密度不等，則在兩導(dǎo)體的接觸面上，有電子擴散現(xiàn)象因而產(chǎn)生接觸電勢，記為eAB(t)。接觸電勢只與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度有關(guān)，當(dāng)兩種導(dǎo)體的材料一定，接觸電勢僅與其接觸點的溫度有關(guān)。溫度越高，導(dǎo)體中的電子就越活躍，由A導(dǎo)體擴散到B導(dǎo)體的電子數(shù)就越多，致使接觸面處所產(chǎn)生的電場強度越高，因而接觸電勢也就越大。

導(dǎo)體A和B相接觸時，其自由電子密度不等，則在兩導(dǎo)體的接觸面上，有電子擴散現(xiàn)象因而產(chǎn)生接觸電勢，記為eAB(t)。

綜上所述，由A、B兩種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，如果兩接觸點的溫度不同，假設(shè)t＞t0，電子密度NA＞NB，則存在兩個溫差電勢eA（t，t0）和eB（t，t0），兩個接觸電勢eAB(t)和eAB(t0)，各電勢的方向示于圖中。由圖中可知，兩個溫差電勢的方向相反，兩個接觸電勢的方向也相反，因溫差電勢往往遠(yuǎn)小于接觸電勢，所以常常把它忽略不計.電路中的總電勢EAB(t，t0)可表示為：

EAB(t，t0)＝eAB(t)－eAB(t0)

下腳注AB的順序表示熱電勢的方向，A表示為正極（電子密度大的）導(dǎo)體，B表示為負(fù)極（電子密度小的）導(dǎo)體，t表示高溫端，t0表示低溫端。如果次序改變，則熱電勢前面的符號也應(yīng)隨之改變。即

eAB(t)＝－eBA(t)

EAB(t，t0)＝－EBA(t，t0)＝－EAB(t0，t)

由熱電偶回路中的總電勢可知，當(dāng)A、B兩種材料確定之后，熱電勢僅與兩接點的溫度t和t0有關(guān)，如果t0端溫度保持不變，即eAB(t0)為常數(shù)，則熱電偶回路中的總電勢就成為熱端溫度t的單值函數(shù)，只要測出EAB(t，t0)的大小，就能得到被測溫度t，這就是利用熱電現(xiàn)象來測溫的原理。說明：如果組成熱電偶回路的A、B導(dǎo)體材料相同，則無論兩接點溫度如何，熱電偶回路內(nèi)的總電勢為零。如果熱電偶兩端溫度相同，盡管A、B兩導(dǎo)體材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總電勢也為零。熱電偶回路中的熱電勢除了與兩接點處的溫度有關(guān)外，還與熱電極的材料有關(guān)，也就是說不同熱電極材料制成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電勢是不同的，參見各種熱電偶分度表。

（3）引入第三種導(dǎo)體的問題為了測量熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，必須要用導(dǎo)線與顯示儀表構(gòu)成閉合回路，這樣就在熱電偶回路中加入了第三導(dǎo)體，而第三導(dǎo)體的引入又構(gòu)成了新的接點，如下圖中的點3和點4、點2和點3，引入第三導(dǎo)體后會不會影響熱電偶的熱電勢呢？下面分別對以下兩種情況進行分析。EABC(t，t1，t0)＝eAB(t)＋eBC(t1)＋eCB(t1)＋eBA(t0)）因為eBC(t1)＝－eCB(t1)eBA(t0)＝－eAB(t0)

所以，式可以改寫成：

EABC(t，t1，t0)＝eAB(t)－eAB(t0)＝EAB(t，t0)A:右圖所示情況在電路中，3、4接點溫度相同（均為t1），故回路中總的熱電勢為：所以回路中總的熱電勢與引入第三導(dǎo)體無關(guān)。B:右圖所示情況電路中的2、3接點的溫度相同（均為t0），故回路中總的熱電勢為：根據(jù)能量守恒定律，多種導(dǎo)體組成的閉合回路中，盡管它們的材料不同，只要各接點的溫度相等，則此閉合回路中的總電勢等于零。即ABC三種導(dǎo)體組成的閉合回路，EABC(t，t0)＝eAB(t)－eAB(t0)＝EAB(t，t0)結(jié)果表明熱電勢與第三導(dǎo)體的引入無關(guān)。EABC(t，t0)＝eAB(t)＋eBC(t0)＋eCA(t0)EABC(t0，t0)＝eAB(t0)＋eBC(t0)＋eCA(t0)＝0則：－eAB(t0)＝eBC(t0)＋eCA(t0)（3-6-9）三個接點溫度相同（均為t0），則回路中總熱電勢為：將式（3-6-9）代入前式得：

經(jīng)過分析知：

在熱電偶回路中，接入第三種導(dǎo)體后，只要與第三種導(dǎo)體連接的兩接點的溫度相同，則對熱電偶回路中的熱電勢沒有影響。

同理，如在回路中引入多種導(dǎo)體，只要保證引入的導(dǎo)體兩端溫度相同，均不會影響熱電偶回路中的熱電勢。這是熱電偶回路中一個很重要的性質(zhì)，正是由于這種性質(zhì)的存在，才可以在回路中根據(jù)需要方便地引入各種連接導(dǎo)線及顯示儀表。（二）常用熱電偶根據(jù)熱電偶測溫原理，理論上任意兩種導(dǎo)體都可以組成熱電偶。但實際為保證一定的測量精度，對組成熱電偶的材料必須進行嚴(yán)格地選擇。工業(yè)用熱電極材料應(yīng)滿足以下要求：1、熱電極的物理和化學(xué)穩(wěn)定性要高，即在測溫范圍內(nèi)熱電特性（熱電勢與溫度之間的關(guān)系）不隨時間變化；2、電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高；3、溫度每升高1℃所產(chǎn)生的熱電勢要大，而且熱電勢與溫度之間盡可能為線性關(guān)系；3、材料組織要均勻，有韌性，復(fù)現(xiàn)性好（用同種成分材料制成的熱電偶其熱電特性均相同的性質(zhì)稱復(fù)現(xiàn)性），便于成批生產(chǎn)及互換等。熱電偶溫度計（續(xù)）

在實際生產(chǎn)中同時具備上述要求的熱電極材料是難以找到的。因此，應(yīng)根據(jù)不同的測溫范圍，選用不同的熱電極材料。目前在國際上被公認(rèn)的比較好的熱電極材料只有幾種，這些材料是經(jīng)過精選而且標(biāo)準(zhǔn)化了的，應(yīng)用在各種溫度范圍內(nèi)，測量效果較好?，F(xiàn)將工業(yè)上最常用的（已標(biāo)準(zhǔn)化了的）幾種熱電偶介紹如下：

1．鉑銠30—鉑銠6熱電偶（分度號為B）也稱雙鉑銠熱電偶，是典型的高溫?zé)犭娕?。以鉑銠30（鉑70％，銠30％）為正極，鉑銠6（鉑94％，銠6％）為負(fù)極，其測溫上限長期使用可達(dá)1600℃，短期可達(dá)1800℃。其熱電特性在高溫下更為穩(wěn)定，適于在氧化性或中性介質(zhì)中使用。但它產(chǎn)生的熱電勢小，價格貴。在室溫下熱電勢極小（25℃時為－2μV，50℃時為3μV），因此當(dāng)冷端溫度在40℃以下范圍使用時，一般不需要進行冷端溫度補償。

2．鉑銠10—鉑熱電偶（分度號為S）鉑銠10為正極，純鉑絲為負(fù)極，測溫上限長期使用為1300℃，短期可達(dá)1600℃，適于在氧化性及中性介質(zhì)中使用。物理化學(xué)性能穩(wěn)定，耐高溫，不易氧化，在所有的熱電偶中，它的精度最高，可用于精密溫度測量和作基準(zhǔn)熱電偶。

3．鎳鉻—鎳硅熱電偶（分度號為K）鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極，測溫上限長期使用為1000℃，短期使用可達(dá)1200℃。此熱電偶由于正、負(fù)極材料中都含鎳，故抗氧化性抗腐蝕性好，500℃以下可用于氧化性及還原性介質(zhì)中，500℃以上只宜在氧化性和中性介質(zhì)中使用。熱電勢與溫度近似為線性，熱電勢比鉑銠10—鉑熱電偶高3～4倍，價格便宜，應(yīng)用廣泛。4．鎳鉻—康銅熱電偶（分度號為E）鎳鉻為正極，康銅（含鎳40％的銅鎳合金）為負(fù)極，測溫范圍為－200～870℃，但在750℃以上只宜短期使用。該熱電偶穩(wěn)定性好，價格低廉，并可用于低溫測量，尤其適宜在0℃以下使用，而且在濕度大的情況下，較其它熱電偶耐腐蝕。

5．銅—康銅熱電偶（分度號為T）該熱電偶正極為純銅，負(fù)極為康銅，適用測溫范圍一般為－200～300℃，短期可達(dá)350℃。在廉價金屬熱電偶中它的精確度高，穩(wěn)定性好，低溫測量靈敏度高，可用于真空、氧化、還原及中性介質(zhì)中。但由于銅在高溫時易氧化，故一般使用時不超過300℃，因銅熱電極的熱導(dǎo)率高，在低溫下易引入誤差。6．鐵—康銅熱電偶（分度號為J）該熱電偶正極為鐵，負(fù)極為康銅，一般測溫范圍為－40～750℃。它是廉價金屬熱電偶，適用的介質(zhì)同銅—康銅熱電偶，這種熱電偶在700℃以下線性非常好，具有較高的靈敏度。由于鐵易氧化生銹，故它不能在高溫或含硫的介質(zhì)中使用。各種常用熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系可由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表中查到，這種表稱為熱電偶的分度表，分度表是在熱電偶冷端溫度t0＝0℃的條件下，得到的熱電勢與測量端溫度對應(yīng)關(guān)系。分度號相同的熱電偶可以共用同一分度表。幾種常用熱電偶的分度表見本章附錄一。

普通型熱電偶由熱電極、絕緣子、保護套管及接線盒四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。熱電極是組成熱電偶的兩根熱偶絲，熱電極的直徑由材料的價格、機械強度、導(dǎo)電率以及熱電偶的測溫范圍等決定。貴金屬的熱電極大多采用直徑為0.3～0.65mm的細(xì)絲，普通金屬電極直徑一般為0.5～3.2mm。其長度由安裝條件及插入深度而定，一般為350～2000mm。

絕緣子用于防止熱電偶兩極之間及熱電極與保護套管之間形成短路，在熱電極上套入絕緣子，其材料視被測溫度高低而定。最常用的絕緣子是瓷管和高溫陶瓷管，其結(jié)構(gòu)有單孔、雙孔和四孔的。保護套管是套在熱電極及絕緣子外邊，其作用是保護熱電極不受化學(xué)腐蝕和機械損傷。其材質(zhì)一般根據(jù)測溫范圍、插入深度、被測介質(zhì)性質(zhì)以及測溫時間常數(shù)等條件來決定。對材料的要求是：耐高溫，耐腐蝕，有良好的氣密性，足夠的機械強度，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)等。最常用的保護套管是碳鋼和不銹鋼。為了便于安裝，保護套管又分為螺紋連接和法蘭連接兩種型式。

（三）熱電偶冷端溫度處理方法為了使用上的方便，與各種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶配套的顯示儀表是根據(jù)所配熱電偶的分度表將熱電勢轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值來進行刻度的。各熱電偶的分度表均是在冷端溫度（t0）為0℃的條件下的熱電勢與溫度（t）之間的關(guān)系，因此要求熱電偶工作時，冷端必須保持在0℃，否則將產(chǎn)生誤差。但在工業(yè)上使用時，要使冷端保持在0℃是比較困難的，因此要根據(jù)不同的使用條件及要求的測量精度，對熱電偶冷端采用一些不同的處理方法。1．補償導(dǎo)線由于熱電偶一般做得比較短（除鎧裝熱電偶外），特別是貴金屬熱電偶就更短。這樣熱電偶的冷端離被測對象很近，使冷端溫度較高且波動較大。如果把熱電偶做得很長，使冷端延長至溫度比較穩(wěn)定的地方，這種辦法由于熱電極線不便于敷設(shè)，對于貴金屬熱電偶很不經(jīng)濟。采用專用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來，如圖所示，這種導(dǎo)線也是由兩種材料制成，在一定溫度范圍內(nèi)（0～100℃）與所連接的熱電偶具有相同或十分近似的熱電特性，其材料又是廉價金屬，稱為補償導(dǎo)線。

不同熱電偶所用的補償導(dǎo)線也不同，在使用時要注意型號相配，極性不能接錯，熱電偶與補償導(dǎo)線連接處的溫度不應(yīng)超過100℃。各種型號熱電偶所配用的補償導(dǎo)線材料列于表。

補償導(dǎo)線表示并不能補償熱電偶冷端溫度的變化，只是起到了熱電偶冷端的延伸作用，改變熱電偶的冷端位置，以便于采用其它的補償方法。

另外，即使在規(guī)定使用溫度范圍內(nèi)，由于補償導(dǎo)線熱電特性不可能與熱電偶完全相同，因而仍存在一定的誤差。2．冰點法熱點偶的分度表都是在冷端溫度為0℃的情況下制定的，如果把冷端置于能保持溫度為0℃的冰點槽內(nèi)，則測得的熱電勢就代表被測實際溫度。保溫瓶內(nèi)盛滿冰水混合物，為了防止短路，兩根電極絲要分別插入各自的試管中，試管則置于保溫瓶中，使其溫度保持在0℃，然后用銅導(dǎo)線引出接入顯示儀表。

冰點法一般在實驗室里精密測量中使用。因為這種方法需要保持冰水兩相共存，使用起來比較麻煩，故一般工業(yè)測量中均不采用。3．計算修正法當(dāng)熱電偶冷端溫度不是0℃而是t0℃時，測得的熱電偶回路中的熱電勢為E（t，t0），這時可采用下式進行修正：

E（t，0）＝E（t，t0）＋E（t0，0）式中：E（t，0）—冷端為0℃，熱端為t℃時的熱電勢；

E（t，t0）—冷端為t0℃，熱端為t℃時的熱電勢；

E（t0，0）—冷端為0，熱端為t0℃時的熱電勢，即冷端溫度不為0℃時熱電勢校正值。例1、熱電阻的測溫原理

熱電阻溫度計是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值與溫度呈一定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)溫度測量的。實驗證明，大多數(shù)金屬導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時，其電阻值均增大0.4％～0.6％；而半導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時，其電阻值則下降3％～6％。金屬導(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系一般可表示為

Rt＝Rt0[1＋α(t－t0)]=Rt0[1+αt0]+Rt0αt式中：Rt——溫度為t時的電阻值；

Rt0——溫度為t0

時的電阻值；

α——電阻溫度系數(shù)，即溫度每升高1℃時的電阻相對變化量。一般金屬材料的電阻與溫度的關(guān)系并非線性，故α值也隨溫度而變化，并非常數(shù)，但在某一范圍內(nèi)可近似為常數(shù)。二、熱電阻溫度計半導(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系為：

RT＝AeB/T

式中：RT——溫度T時的電阻值；

T——絕對溫度，K；

e——自然對數(shù)的底，2.71828；

A、B——常數(shù)，其值與半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)有關(guān)。電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系一旦確定之后，就可通過測量置于測溫對象之中并與測溫對象達(dá)到熱平衡的熱電阻的阻值而求得被測溫度。2、常用金屬熱電阻作為電阻溫度計感溫元件的熱電阻，分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩類，其中以金屬熱電阻應(yīng)用較多。一般對熱電阻材料要求如下：（1）電阻溫度系數(shù)大，即靈敏度高；（2）物理化學(xué)性能穩(wěn)定，以能長期適應(yīng)較惡劣的測溫環(huán)境；（3）電阻率要大，以使電阻體積較小，減小測溫的熱慣性；（4）電阻與溫度之間近似為線性關(guān)系；（5）價格低廉，便于復(fù)制。目前，使用的金屬熱電阻材料有銅、鉑、鐵、鎳，而實際應(yīng)用最廣的是銅、鉑兩種材料，并已列入了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

（一）結(jié)構(gòu)金屬熱電阻感溫元件一般由電阻體、引線、絕緣子、保護套管及接線盒等組成，其外型與熱電偶相似。熱電阻通常也有普通型和鎧裝型等結(jié)構(gòu)型式。普通熱電阻為電阻體是用熱電阻絲繞制在絕緣骨架上制成的。一般工業(yè)用熱電阻絲，鉑絲直徑多為φ0.07mm（毫米），銅絲直徑多為φ0.1mm（毫米）。為消除繞制電感，通常采用雙線并繞（亦稱無感繞制）。1—電阻體；2—引線；3—絕緣子；4—保護套管；5—接線盒；6—安裝螺紋

（二）常用熱電阻鉑電阻特點（1）鉑電阻鉑電阻由純鉑電阻絲繞制而成，其使用溫度范圍（按國際電工協(xié)會IEC標(biāo)準(zhǔn)）為－200～850℃。鉑電阻的特點：精度高，性能可靠，抗氧化性好，物理化學(xué)性能穩(wěn)定。易提純，復(fù)制性好，有良好的工藝性，可以制成極細(xì)的鉑絲（直徑可達(dá)0.02mm或更細(xì)）或極薄鉑箔，與其它熱電阻材料相比，有較高電阻率。

鉑電阻是一種較為理想的熱電阻材料，除作為一般工業(yè)測溫元件外，還可作為標(biāo)準(zhǔn)器件。鉑電阻缺點：電阻溫度系數(shù)小，電阻與溫度呈非線性，高溫下不宜在還原性介質(zhì)中使用，而且價格較貴。

3、常用熱電阻溫度計算（1）鉑電阻一般工業(yè)上常用的鉑電阻，我國規(guī)定的分度號為Pt10和Pt100。即相應(yīng)0℃時的電阻值分別為R0＝10Ω和R0＝100Ω。Pt10的電阻溫度計電阻絲較粗，主要應(yīng)用于600℃以上的溫度測量。在－200～0℃范圍內(nèi)，鉑的電阻與溫度的關(guān)系為：

Rt＝R0[1＋At＋Bt2＋C（t－100）t3）]

在0～850℃范圍內(nèi)，其關(guān)系為：

Rt＝R0[1＋At＋Bt2]

兩式中：Rt、R0——t℃和0℃時的阻值。

A、B、C——常數(shù)，A＝3.90802×10－3，B＝－5.80195×10－7，C＝－4.27350×10－12。滿足上述關(guān)系的熱電阻，其平均溫度系數(shù)為α＝3.85×10－31/℃。不同分度號的鉑電阻因為R0不同，在相同溫度下的電阻值是不同的，因此電阻與溫度之間的關(guān)系，即分度表也是不同的，分度表見本節(jié)附錄二。

（2）銅電阻銅電阻一般用于－50～150℃范圍的溫度測量。

特點：電阻值與溫度之間基本為線性關(guān)系，電阻溫度系數(shù)大，且材料易提純，價格便宜。

缺點：電阻率低，易氧化。在溫度不高，測溫元件體積無特殊限制時，可以使用銅電阻溫度計。銅電阻與溫度的關(guān)系為：

Rt＝R0（1＋αt）（3-6-16）式中：Rt、R0——t℃和0℃時的阻值；

α——電阻溫度系數(shù)，α＝4.25～4.28×10－31/℃。我國工業(yè)用銅熱電阻的分度號分為Cu50和Cu100兩種，其R0的阻值分別為50Ω和100Ω。其分度表見本節(jié)附錄二。

（3）半導(dǎo)體熱電阻亦稱為熱敏電阻，通常用鐵、錳、鉬、鈦、鎂、銅等金屬氧化物或碳酸鹽、硝酸鹽、氧化物等材料制造，其電阻溫度系數(shù)為：

（3-6-17）

式中：B——常數(shù)，與半導(dǎo)體材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)；

T——絕對溫度，K。由此可見，半導(dǎo)體電阻具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即溫度升高，電阻減小。此外，隨溫度上升，電阻溫度系數(shù)急劇減小，即高溫下的測量靈敏度很低（見圖）。

半導(dǎo)體熱電阻與一般金屬熱電阻不同，它是由鐵鎳等氧化物混合，以有機粘合劑成型，并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。

半導(dǎo)體熱電阻的電阻溫度系數(shù)比金屬熱電阻要大，靈敏度高，一般測量范圍為－100～300℃。半導(dǎo)體熱電阻的缺點：同一型號的熱電阻復(fù)現(xiàn)性（互換性）差，特性分散，非線性嚴(yán)重；電阻與溫度的關(guān)系不穩(wěn)定，隨時間而變化，因此測溫誤差較大，均為2％t（t為所測溫度），使用受到了一定的限制。目前只使用于一些測量要求不高的場合。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，制造工藝水平的提高，半導(dǎo)體熱電阻有其廣闊的發(fā)展前景。4、溫度顯示儀表利用熱電偶和熱電阻可以把被測溫度的高低分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)熱電勢和電阻值，如何測量熱電勢和電阻值，并指示出對應(yīng)于這些信號的溫度。目前工業(yè)溫度顯示儀表三大類：動圈式顯示儀表、電子自動平衡式顯示儀表、數(shù)字式顯示儀表。1、動圈式溫度顯示儀表（1）結(jié)構(gòu)組成溫度顯示儀表（1）動圈式溫度顯示儀表結(jié)構(gòu)組成

動圈表A.永久磁鐵：用于產(chǎn)生磁場；B.鐵芯：使磁場的磁力線分布均勻合理；C.動圈：用銅漆包線繞制，置于空氣隙磁場中；D.張絲：支承動圈，作連接導(dǎo)線用，平衡動圈扭轉(zhuǎn)；E.指針：固定在動圈上，隨動圈轉(zhuǎn)動；F.刻度盤：指示被測參數(shù)；G.平衡重錘：調(diào)整轉(zhuǎn)動部分重心與轉(zhuǎn)軸中心重合；H.RT是動圈的溫度補償電阻，是半導(dǎo)體熱敏電阻。補償動圈銅線電阻隨溫度變化而變化所引起的誤差；I.RB：錳銅電阻；熱敏電阻RT溫度特性曲線非線性，與RB

并聯(lián)以校正其溫度特性。J.R串：動圈表的量程電阻。

動圈式溫度顯示儀表

（2）工作原理動圈儀表是利用永久磁鐵形成的磁場，對通過信號電流的線圈產(chǎn)生作用力矩與彈性支承機構(gòu)的反作用力矩相平衡而工作的一種磁電式儀表。其工作原理可用下式表示：

=KI

式中：

——

動圈偏轉(zhuǎn)角；I——通過動圈的電流；

K——

比例常數(shù)。又：

式中：E—

動圈表的輸入毫伏信號；

ΣR—動圈表整個測量回路的電阻，包括動圈內(nèi)阻和外線電阻。所以：由上式可知，動圈的偏轉(zhuǎn)角與流過動圈的電流成正比。當(dāng)配合熱電偶測溫時只要保證整個測量回路的總電阻ΣR保持不變，則動圈偏轉(zhuǎn)角就與電動勢E成正比。動圈式溫度顯示儀表

對應(yīng)動圈表的電動勢E，在動圈表電阻回路中就有一個I，動圈表就有一個相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角。如果E是由測溫?zé)犭娕籍a(chǎn)生的毫伏信號，則動圈表可為溫度刻度，指針可直接指示溫度，因此動圈式儀表實際上是一種測量電流的儀表。配用熱電偶測溫的動圈儀表，一般情況下補償電橋設(shè)計在室溫（250c)平衡。由動圈儀表的測量原理知道配用熱電偶測溫時，測量電路總電阻必須恒定，在動圈儀表內(nèi)阻已定的情況下，均規(guī)定外線電阻R外＝15。外線電阻包括熱電偶電阻、補償電橋等效電阻、補償導(dǎo)線電阻。如果上述電阻不足15，需要錳銅絲電阻補足。例：動圈式溫度顯示儀表2、電子電位差計由于動圈式儀表實際上是一種測量電流的儀表，因此能引起電流變化的各種干擾因素都會導(dǎo)致測量誤差，這種誤差不是靠提高儀表的加工要求所能彌補的。同時，它的可動部分容易損壞，怕震動，且不便于實現(xiàn)自動記錄。然而，利用自動電子電位差計來測量電勢，就可以克服以上的缺點，提高測量精度。（1）.手動電位差計如圖所示，當(dāng)增減砝碼與被稱物體達(dá)到平衡時，被稱物體的重量就等于砝碼的重量。電位差計就是根據(jù)這種平衡法（也稱補償法、零值法）將被測電勢與已知的標(biāo)準(zhǔn)電勢進行比較而工作的。當(dāng)兩者的差值為零時，被測電勢就等于已知的標(biāo)準(zhǔn)電勢。溫度顯示儀表最簡單的手動電位差計原理線路圖如圖b所示。圖中滑線電阻R用線性度很高的錳銅線繞制，大小已知。通過它的電流是規(guī)定的（I的大小可通過調(diào)節(jié)RJ使電流表指在規(guī)定值上），所以R上的每一部分電壓降都是已知的。G為檢流計，是靈敏度很高的電流計。當(dāng)測量未知電勢時，只需把它接入電路，移動滑動觸點C的位置，直至檢流計指零為止。電子電位差計EX與RCA上的電壓降相等，則得

EX=UCA=IRCA

（4-3-3）式中：EX

——

被測電勢；

UCA——A點與K點間的電位差；

I——

通過滑線電阻的工作電流；

RCA——A點與C點間滑線電阻阻值。這樣滑動觸點C的位置就代表EX的大小，從而達(dá)到了對未知熱電勢測量的目的。

電子電位差計

利用電位差計來測量熱電勢時，當(dāng)已知電勢與未知電勢完全達(dá)到平衡時，則檢流計中（即測量回路中）無電流I通過，因此測量線路中電阻R的大小對測量沒有影響，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性僅取決于工作電流和滑線電阻的準(zhǔn)確程度，故電位差計測量精度比動圈儀表的精度高。為了確保工作電流I的恒定，可引入標(biāo)定工作電流回路或穩(wěn)壓電源供電。如下圖所示是使用標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)定工作電流的手動電位差計原理線路。電子電位差計

工作電流的標(biāo)定方法是將開關(guān)K合在“1”位置上，調(diào)節(jié)RJ使檢流計G指零，此時工作電流在標(biāo)準(zhǔn)電阻RN上的電壓降與標(biāo)準(zhǔn)電池電勢EN相等，即EN=IRN

當(dāng)標(biāo)定好工作電流以后，可以將開關(guān)K合到“2”位置上，這時標(biāo)定電路斷開，測量回路接通，移動滑動觸點C的位置，直至檢流計指零.用標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)定工作電流E—電源；RJ—可變電阻；RN—標(biāo)準(zhǔn)電阻;EN—標(biāo)準(zhǔn)電池；R—有分度的已知電阻G—檢流計；K—轉(zhuǎn)換開關(guān)電子電位差計

于是被測熱電勢EX得到準(zhǔn)確的測量。C點的位置與標(biāo)準(zhǔn)電勢UBC或被測電勢EX相對應(yīng)，在滑線電阻上刻上相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)毫伏刻度，便可由C點的位置測得毫伏信號手動電位差計在使用時必須用手調(diào)節(jié)滑線電阻C點的位置，因此，它不能連續(xù)地、自動地指示出被測電勢，因而常作為標(biāo)準(zhǔn)儀表用于實驗室中,若用于生產(chǎn)過程中的連續(xù)測量，則必須采用自動電位差計.

（2）.自動電位差計自動電子電位差計與手動電子電位差計比較，它是用可逆電機及一套機械傳動機構(gòu)代替了人手進行電壓平衡操作，用放大器代替了檢流計來檢測不平衡電壓并控制可逆電機的工作。下圖是自動電子電位差計的簡單原理圖。電子電位差計

當(dāng)熱電勢EX與已知的直流電壓相比較時，比較后的差值電壓（即不平衡電壓）經(jīng)放大器放大后，輸出足以驅(qū)動可逆電機的功率，使可逆電機又通過一套傳動系統(tǒng)帶動滑動觸點C移動，直到EX=UCB為止。這時放大器輸入端的輸入信號為零，可逆電機不再轉(zhuǎn)動?？赡骐姍C在帶動滑動觸點的同時還帶動指示記錄機構(gòu)，使指示記錄機構(gòu)沿著有分度的標(biāo)尺滑行?；瑒佑|點的每一平衡位置相應(yīng)于標(biāo)尺的一定數(shù)值。因此，當(dāng)自動電位差計處于平衡狀態(tài)時，指示機構(gòu)的指針在標(biāo)尺上指示出一定的溫度讀數(shù)。自動電子電位差計

自動電位差計原理圖自動電子電位差計Cpoe3井用：泥漿溫度傳感器是鉑電阻探頭，反應(yīng)速度高。由不銹鋼制成。量程：-30℃to100℃

，精度：+/-0.1°C.應(yīng)用1：綜合錄井—渤海錄井公司PT1000鉑電阻應(yīng)用2：課題--漏層位置測量

測量原理在漏失發(fā)生時，在漏層以下流體不流動，當(dāng)加熱器加熱時，加熱器附近泥漿被加熱，這部分流體的密度變小，而高密度流體在上，這樣上面泥漿在重力作用下下移，造成上面泥漿與加熱器附近低密度漿對流，形成自然對流，且只能形成自然對流。

在漏層以上，由于漏層的存在，使得流體向漏層內(nèi)流動，這樣漏層以上液體流動速度加大，這種流動導(dǎo)致加快對流傳熱，因而產(chǎn)生了強迫對流。井筒傳熱實驗室進行了應(yīng)用性試驗研究結(jié)果結(jié)構(gòu)設(shè)計

井下漏層位置測量工具結(jié)構(gòu)示意圖①---儀器上接頭。②—電熱器保護管；③—溫度輸出保護管；④—電熱器；⑤—下導(dǎo)向頭；⑥—溫度探頭；⑦--外保護管利用鉑電阻：測量井漏利用鉑電阻：測量井漏一、概述（一）

流量的定義和單位流量：指流經(jīng)管道（或設(shè)備）某一截面的流體數(shù)量。隨著工藝要求不同，它的測量又可分為瞬時流量和累積流量的測量。瞬時流量：單位時間內(nèi)流經(jīng)某一截面的流體數(shù)量。它可以分別用體積流量和質(zhì)量流量來表示。體積流量:

單位時間內(nèi)流過某一有效截面的的流體體積，可用Q表示為：Q＝VA式中：V—某一有效截面處的平均流速；

A—

流體通過的有效截面積。常用的單位為：立方米每小時（m3／h），升每小時（l／h）等第九節(jié)

流量測量

質(zhì)量流量：單位時間內(nèi)流經(jīng)某一有效截面的的流體質(zhì)量。常用M表示，若流體的密度是ρ，則體積流量與質(zhì)量流量之間的關(guān)系是：

M＝Qρ＝VAρ

式中：M—質(zhì)量流量；

V、A同前式。常用的單位為：噸每小時（t／h），千克每小時（kg／h）等。

（二）

流量測量儀表的分類流量測量的方法很多，其測量原理和所采用的儀表結(jié)構(gòu)形式各不相同。目前有許多種流量測量的分類方法，我們僅按其中一種分類方法簡介如下：

（1）速度式流量計主要是以測量流體在管道內(nèi)的流動速度作為測量依據(jù)的測量儀表。例如：差壓式流量計、電磁流量計、渦輪流量計等。

（2）容積式流量計主要利用流體在單位時間內(nèi)連續(xù)通過固定容積的數(shù)目作為測量依據(jù)的測量儀表。例如：橢圓齒輪流量計、腰輪（羅茨）流量計、刮板流量計等。二、體積流量計（一）電磁流量計原理與結(jié)構(gòu)

電磁流量計的基本原理是基于電磁感應(yīng)定律。導(dǎo)電流體在磁場中作垂直方向流動而切割磁力線時，與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成比例的感應(yīng)電勢被測介質(zhì)的流量經(jīng)檢測部分變換成感應(yīng)電勢，然后再由轉(zhuǎn)換部分將感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一直流信號進行輸出，以便進行指示、記錄或與電動單元組合儀表配套使用。電磁流量計的基本工作原理圖和外形結(jié)構(gòu)如下：

基本工作原理圖感應(yīng)電勢的方向由右手定則（發(fā)電機原理）判斷。

大小由下式確定：

Ex＝CBDV

式中：Ex—感應(yīng)電勢，V（伏）；

B—

磁感應(yīng)強度，T（特斯拉）

D—管道直徑，即流體垂直切割磁力線的長度，m（米）

V—垂直于磁力線方向的液體流速，m/s（米每秒）

C—

單位換算系數(shù)。

由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器兩大部分組成。傳感器典型結(jié)構(gòu)示意如圖2，測量管上下裝有激磁線圈，通激磁電流后產(chǎn)生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電勢，送到轉(zhuǎn)換器。激磁電流則由轉(zhuǎn)換器提供。感應(yīng)電勢大小由下式確定：式中：Ex—感應(yīng)電勢，V（伏）；

B—

磁感應(yīng)強度，T（特斯拉）

D—管道直徑，即流體垂直切割磁力線的長度，m（米）

V—垂直于磁力線方向的液體流速，m/s（米每秒）

C—

比例系數(shù)，即單位換算系數(shù)。體積流量Q（m3/s）與流速的關(guān)系為：

將此式代入式（1）得：式中：K—儀表常數(shù)=4CB/πD，取決于磁感應(yīng)強度B,管道直徑D的大小。由上式可見感應(yīng)電勢的大小與體積流量之間具有線性關(guān)系，因而儀表具有均勻刻度。Ex＝CBDV（1)外形結(jié)構(gòu)圖

特點及使用電磁流量計的測量管內(nèi)光滑無阻，所以壓力損失極小。在采用防腐襯里的條件下，可以測量腐蝕性液體和含有固體顆粒及懸浮物等液體的流體流量。其輸出信號與流量之間的關(guān)系不受液體的物理性質(zhì)（如溫度、壓力、粘度、密度等）變化的影響；流動狀態(tài)（如層流、紊流、脈動流）對示值影響很小。流量計口徑從幾毫米至1米以上，精度可達(dá)0.5級。

特點及使用電磁流量計要求被測液體的電導(dǎo)率不小于5×10－6S/cm，因而不能測量氣體\蒸氣以及石油制品等電導(dǎo)率很小的液體流量。由于感應(yīng)電勢的數(shù)值很小，所以要引入高放大倍數(shù)的放大器，由此而造成測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，并且很容易受外界電磁場干擾的影響，在使用不當(dāng)時會較大地影響儀表的精度。要根據(jù)被測液體的種類、性能、壓力、溫度和腐蝕性等選擇適宜的電極和內(nèi)襯。

近年來，電磁流量計已由四線制朝著二線制智能化的方向發(fā)展。采用微處理機進行信號噪聲處理，提高了信噪比，降低了功耗，精度可達(dá)0.5級。

（二）

渦街流量計

旋渦是自然界里的一種物理現(xiàn)象，渦街流量計也稱旋渦流量計，是七十年代以來發(fā)展起來的基于流體振蕩原理工作的一種流量計。

1．

原理與結(jié)構(gòu)在流體中垂直于流向插入一根柱狀物體（如圓柱或三角柱等），迫使流體流過柱狀物之后形成兩列平行狀有規(guī)則左右交替出現(xiàn)的、方向相反的卡門渦街旋渦，這兩排平行的渦列稱為卡曼（Karman)渦街，柱狀物體稱為旋渦發(fā)生體，可以根據(jù)旋渦出現(xiàn)的頻率測定流量。如圖所示。（a）圓柱體；（b）等邊三角形柱體實驗證明，當(dāng)渦列間隔h與旋渦之間的距離l滿足下列關(guān)系:

時，卡門渦街才是穩(wěn)定的周期性現(xiàn)象，所產(chǎn)生的單側(cè)旋渦頻率f和流體速度之間存在如下關(guān)系：

式中：V1—旋渦發(fā)生體兩側(cè)的流速，m/s；

d—旋渦發(fā)生體的迎流面最大寬度，m；

St—斯特羅哈而數(shù)（無量綱。當(dāng)旋渦發(fā)生體幾何形狀確定時，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)為常數(shù)）。

根據(jù)流動的連續(xù)性，可知：式中：S1為柱體兩側(cè)流通面積(單位為m2)；

S為管道整個流通面積(單位為m2)；

V為管道內(nèi)流體的平均流速(單位為m／s)。設(shè)流通面積比為n，則:帶入前式有：對于直徑為D的管道，其容積流量qv為:

在管道尺寸及柱體尺寸都確定時，上式f前的各量皆為常數(shù)，則qv與f成正比，可寫為：可見，測出頻率f就能得知容積流量。上述推導(dǎo)的前提是渦街穩(wěn)定，實驗表明，在不論阻力體是圓柱、方柱、三角柱都能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。2．旋渦頻率的檢測流體的平均流速V與卡門渦街的產(chǎn)生頻率f成正比，測得f可求得V。利用旋渦的局部壓力、流速等的變化作用于敏感元件，產(chǎn)生周期性電信號，再經(jīng)過放大整形，得到方波脈沖。渦街流量計由檢測器、放大器和轉(zhuǎn)換器組成，它可直接以數(shù)字量輸出，也可通過D/A數(shù)字與模擬量轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號的模擬量輸出。旋渦頻率信號／的檢測方法很多，介紹前一種利用旋渦發(fā)生時，發(fā)熱體散熱條件變化引起變化來檢出。

采用圓柱檢測器，如圖所示，在其兩側(cè)會交替地產(chǎn)生旋渦，在其檢測器徑側(cè)開出并列的若干個導(dǎo)壓孔5，導(dǎo)壓孔與檢測器內(nèi)的空腔6相通，空腔由隔墻3分成兩室，在隔墻中央部分有一小孔，在小孔中裝有被加熱的鉑電阻4。

當(dāng)圓柱檢測器二側(cè)旋渦形成時，由于產(chǎn)生旋渦一側(cè)的靜壓大于不產(chǎn)生旋渦一側(cè)的靜壓，兩者之間形成壓力差，引起檢測器空腔內(nèi)流體移動，從而交替地對熱電阻產(chǎn)生冷卻作用，且改變其阻值，由測量給出電信號送至放大器．則檢測器除形成旋渦之外，還同時將旋渦產(chǎn)生的頻率轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭娮柚档淖兓?，并且電阻值的變化與旋渦的頻率相對應(yīng)．

如果采用三角柱檢測器，如上圖所示，它可以得到更穩(wěn)定更強烈的旋渦．在三角柱迎流面中間對稱地嵌入兩只熱敏電阻2，組成橋路的兩臂，并以恒定電流源提供微弱的電對其進行加熱，使其溫度在流體靜止的情況下比被測流體高10oc左右．當(dāng)三角柱檢測器兩側(cè)交替發(fā)生旋渦時，在產(chǎn)生旋渦一側(cè)的熱敏電阻處，由于環(huán)流的作用而使流速減小，導(dǎo)致熱敏電阻的溫度升高，阻值減小，測電橋失去平衡并有電壓輸出．

三角柱旋渦流量計原理方框圖如下，以這兩個熱敏電阻為電橋的相鄰橋臂，測電橋的對角線上就會輸出一系列與旋渦發(fā)生頻率相對應(yīng)的電壓脈沖，經(jīng)放大、整形后得到與流量相應(yīng)的脈沖數(shù)字輸出，或用“脈沖-電壓”轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，供指示和累計用．3．

特點及使用渦街流量計可以測量氣體流量，也可以測量液體流量。輸出的頻率信號與被測流體的流量呈線性關(guān)系，且不受被測流體性質(zhì)變化的影響；測量精確度高，約為0.5%～1%；，量程比寬，一般為30∶1～100∶1。結(jié)構(gòu)簡單，安裝、維護方便。渦街流量計特別適合測量大口徑、大流量的氣體測量，也適合高壓氣體的測量。3．

特點及使用由于是速度式測量方法，管道內(nèi)流速分布對測量的準(zhǔn)確性有較大影響，因此旋渦發(fā)生體前面至少要有15D長，后面要有5D長的直管段。對于大口徑管道，要求的直管段更長，一般前面要有30D，后面為10D。流量計允許安裝在水平或垂直管道上使用，但必須保證管道為滿管流動。垂直安裝時流量計應(yīng)選在自下而上流動的管道上安裝。由于流量計是以流體振動原理工作的，因此安裝地點應(yīng)特別注意避免機械振動。4、LUCB型插入式渦街流量傳感器

渦街測量頭（即小口徑渦街流量傳感器）是利用“卡門渦街”原理研制而成。在渦街測量頭表體中，垂直的插入一根三角柱即旋渦發(fā)生體，當(dāng)表體中有介質(zhì)流過時，則在三角柱的兩側(cè)交替的產(chǎn)生方向相反、有規(guī)則的卡門渦街，其旋渦的信號頻率是由壓電元件制成檢測頭，檢測出的旋渦的分離頻率與介質(zhì)的流動速度成正比。LUCB型插入式渦街流量傳感器技術(shù)參數(shù)：

1、公稱口徑Ф200-Ф2000（mm）

2、適用介質(zhì)：氣體

液體蒸汽

3、可測介質(zhì)溫度：-20℃-150℃；-20℃-250℃4、公稱壓力：1.6MPa；2.5MPa5、精度等級2.5級，1級

6、測量范圍液體：常溫水：Vmin=0.4m/s,Vmax=5.2m/s;

氣體（溫度20℃壓力0.1MPa空氣）：min=5.5m/s,Vmax=55m/s7、輸出信號：電壓脈沖：低電平≤1V,高電平≥6V，脈沖寬度0.4ms；

4-20mA電流信號:

8、供電電源：電壓脈沖輸出時：+12VDC或+24VDC

4-20mA輸出時：+19VDC-+30VDC

三、容積式流量計容積式流量計是一種使用很早的流量測量儀表，可用來測量各種液體和氣體的體積流量。它是利用某種標(biāo)準(zhǔn)容器的固定容積對被測流體進行連續(xù)計量并進行積算的。由于這種類型的流量計測量的精確度與流體的密度無關(guān)，不受流動狀態(tài)的影響，因此長期以來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的流量測量并作為流量計量的標(biāo)準(zhǔn)儀表。容積式流量計具有以下特點：測量精確度高，可達(dá)±0.1%～±0.5%；不要求前后直管段長度，特別適合高粘度介質(zhì)測量。但要求被測流體潔凈，否則在流量計前后應(yīng)加裝過濾器，這樣將造成較大壓損；容積式流量計在油田各級計量站、油庫、轉(zhuǎn)油站等處得到廣泛的應(yīng)用。

（一）

橢圓齒輪流量計

1．

工作原理橢圓齒輪流量計的工作原理如下圖所示。它的測量部分是由一對裝在軸上互相嚙合且旋轉(zhuǎn)的橢圓齒輪及殼體組成。橢圓齒輪與殼體之間形成半月形體積（綠色部分）叫測量室。

當(dāng)流體流過橢圓齒輪流量計時，由于要克服阻力將會引起壓力損失，從而使入口側(cè)壓力P1大于出口側(cè)壓力P2，在此壓力差的作用下，將對橢圓齒輪產(chǎn)生作用力矩。在圖（a）所示位置時，由于P1＞P2，在P1和P2的作用下所產(chǎn)生的合力矩使A輪順時針方向轉(zhuǎn)動。這時A是主動輪，B為從動輪。當(dāng)轉(zhuǎn)至圖（b）所示的中間位置時，根據(jù)作用力的分析可知，此時A輪與B輪均為主動輪，當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)至圖（c）所示位置時，P1和P2作用在A輪上的合力矩為零，作用在B輪上的合力矩使B輪作逆時針方向轉(zhuǎn)動，把已收入A輪一側(cè)的半月形容積的流體排至出口，并在B輪一側(cè)又收入半月形容積的流體，這時B為主動輪，A為從動輪，與圖（a）所示的情況剛好相反。如此往復(fù)循環(huán)，A輪和B輪互相交替地由一個帶動另一個轉(zhuǎn)動，并把被測介質(zhì)以半月形容積為單位一次又一次地由進口排至出口。顯然，上圖所示僅僅表示了橢圓齒輪轉(zhuǎn)動1/4周的情況，而其所排出的被測介質(zhì)則為一個半月形容積。所以，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周所排出的被測介質(zhì)量為4個半月形容積。故通過橢圓齒輪流量計的體積流量Q為：

Q＝4nV0

式中：n—橢圓齒輪的旋轉(zhuǎn)速度；

V0—半月形測量室容積；V0＝

a—

橢圓齒輪長半軸；

b—

橢圓齒輪短半軸；

H—橢圓齒輪軸向高度（厚度）；

R—容積式半徑。由上式可知，在橢圓齒輪流量計的半月形容積V0已定的條件下，只要測出橢圓齒輪的轉(zhuǎn)速n，便可知道被測介質(zhì)流量。2、橢圓齒輪流量計的的顯示：橢圓齒輪流量計的流量信號（即轉(zhuǎn)速n）可以就地顯示和遠(yuǎn)傳。就地顯示是將橢圓齒輪流量計某個齒輪的轉(zhuǎn)動通過一套減速齒輪傳動系，傳遞給儀表指針及積算機構(gòu)，指示被測流體的體積流量和累積流量，遠(yuǎn)傳式可采用脈沖信號形式傳送。為了實現(xiàn)流量信號的遠(yuǎn)距離、集中顯示?？梢栽诒眍^上裝上干簧繼電器、光電轉(zhuǎn)換裝置等，將橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖信號的數(shù)量與頻率輸出。

橢圓齒輪軸的轉(zhuǎn)動通過聯(lián)軸器傳遞到傳動齒輪系，在傳動輪系后，插入一個測速孔盤。流量計每有一單位體積流體累積時，測速孔盤轉(zhuǎn)一周。

如圖所示孔盤上等距開k有個孔眼。當(dāng)孔盤的孔眼轉(zhuǎn)到燈炮與光電管之間時，光電管導(dǎo)通，電路輸出高電平。而當(dāng)光電管與燈炮介于兩孔眼之間時，光線被擋住，光電管截止，電路輸出低電平。這樣光盤每轉(zhuǎn)過一個孔就能輸出一個電脈沖信號。光盤轉(zhuǎn)動一周，電路輸出k個脈沖信號，表示累積一個單位體積的流體。所以脈沖信號的個數(shù)與流體總量成正比，脈沖信號的頻率與流體的瞬時流量成正比，即：f=nk（n是孔盤轉(zhuǎn)速）

孔盤轉(zhuǎn)動時，其上磁鐵隨之轉(zhuǎn)動，磁鐵靠近干簧繼電器時，干簧繼電器內(nèi)兩電極被磁化后吸合在一起，可以使遠(yuǎn)處二次儀表的電磁計數(shù)器動作一次，以顯示累積流量，并帶動機械計數(shù)器的末位數(shù)字輪轉(zhuǎn)一字。磁鐵轉(zhuǎn)離時，兩電極又會在自身彈性力作用下分開，因此，孔盤每轉(zhuǎn)一周，干簧繼電器開、關(guān)一次，即有單位體積的流體流過。光電轉(zhuǎn)換裝置送來的脈沖信號主要來指示瞬時流量，將脈沖信號整形放大后即可得到正比于信號頻率的模擬電信號。

（1）由于這種流量計是齒輪嚙合傳動，通過的介質(zhì)必須潔凈，否則機械雜質(zhì)可能會損傷齒輪，影響測量精度，甚至可能使齒輪卡死，所以一般都應(yīng)與過濾器配套使用。（2）被測流量不能經(jīng)常接近測量上限，否則磨損加大，壽命縮短，一般Qch（正常流量）＝50%～80%Qmax（最大流量）。（3）當(dāng)被測介質(zhì)粘度太小或流量太大時，泄漏量突出，會降低精度。（4）安裝時應(yīng)使橢圓齒輪的旋轉(zhuǎn)軸呈水平位置（即表頭刻度盤應(yīng)與地面垂直），這樣可以減小齒輪和測量室底盤及蓋板的摩擦，從而減小零件磨損，保證測量精度和使用壽命。如果儀表安裝在垂直管道上，則流量計應(yīng)裝在旁路管道中，以防雜物落入流量計內(nèi)。正確的安裝見圖（3-3-11）所示。安裝、使用注意事項

（三）腰輪流量計又稱“羅茨”流量計，其原理是有齒輪泵演化而來，圖A是齒輪泵剖視圖。圖中O1和O2為兩個互相嚙合的齒輪，安裝在殼體內(nèi)，有外力按箭頭方向驅(qū)動時，會使液體沿點狀空間輸送到出口。內(nèi)燃機的潤滑油就是用這種齒輪泵供應(yīng)到各個摩擦面上的。A齒輪泵工作原理

若將齒輪的齒數(shù)減少到兩個，就演化為圖B，為了保證可靠地嚙合，在齒輪軸的一端裝有相互嚙合的普通齒輪，即圖中虛線所示。輸送流體則依靠輪上的兩齒和殼體之間的空間(即圖中畫有小點的空間)推移。兩齒的齒輪斷面是細(xì)腰狀，故有“腰輪’’之稱。腰輪與殼體間的有效空間比齒輪大得多，尤其是軸向尺寸很大時，腰輪實際上已是斷面為細(xì)腰狀的柱體，其排送流體的能力顯著提高.腰輪流量計（續(xù)）

把具有一定壓力的氣體自入口導(dǎo)進殼內(nèi)，則圖a里的O1右下端有向上的推力Pl，而其左下端推力F2較小，故O1將反時針方向轉(zhuǎn)動，經(jīng)端部齒輪使O2順時針方向轉(zhuǎn)動。這時O1為主動輪，O2為從動輪。當(dāng)腰輪O1處于垂直位置時，O2又成為主動輪，帶動O1旋轉(zhuǎn)。兩輪交替作用就能連續(xù)轉(zhuǎn)動。腰輪每轉(zhuǎn)一周，便有四倍單側(cè)空間的容積輸送到出口。測出腰輪的轉(zhuǎn)數(shù)，就可知道累計總?cè)莘e，其轉(zhuǎn)速即反映瞬時流量。腰輪流量計（續(xù)）

腰輪與殼體間及兩腰輪之間都保持微小間隙0.07~0.15mm，因此，漏泄很小。為了保證被測介質(zhì)不會沿軸向漏出，采用磁性傳動?；蛟谳S上安裝永久磁鐵，殼外裝舌簧管，腰輪每轉(zhuǎn)一周，舌簧管被吸合一次，發(fā)出一個脈沖信號，這就成了腰輪流量傳感器。再配以頻率轉(zhuǎn)換電路，得到直流電流0～10mA或4~20mA的信號，成為流量變送器。腰輪流量計可達(dá)到精確度0.2級或0.5級，其接管直徑可大至150mm，瞬時流量可達(dá)250m3/h。

腰輪流量計的計量室容積計算比較復(fù)雜，可參閱有關(guān)專著。根據(jù)理論分析結(jié)果,

腰輪流量計每轉(zhuǎn)一周排除液體體積為：通過腰輪流量計的體積流量可按下式計算求得

式中:D0---腰輪長軸直徑，米；

H---腰輪轉(zhuǎn)子軸向高度（厚度），米；

K0---系數(shù)，與腰輪形狀有關(guān)；

n---腰輪的轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)／分。

四、差壓式轉(zhuǎn)子流量計工業(yè)生產(chǎn)和科研工作中，經(jīng)常遇到小管徑、低雷諾數(shù)的小流量測量，而上述幾種流量計對于小管徑、小流量的測量均受到標(biāo)準(zhǔn)化或結(jié)構(gòu)等方面的條件限制，所以對較小管徑的流量測量常采用轉(zhuǎn)子流量計。它適用的管徑范圍為1～150mm。轉(zhuǎn)子流量計的主要特點是：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，壓力損失小且恒定，刻度近似線性，價格便宜，使用維護簡便等但儀表精度受到被測介質(zhì)密度、粘度、溫度、壓力等因素的影響，其精度一般在2.0級左右，最高可達(dá)1.0級。1、工作原理轉(zhuǎn)子流量計與前面所講的差壓計在工作原理上是不同的。差壓式流量計是在節(jié)流面積（節(jié)流元件的流通面積）不變的條件下，以差壓變化來反映流量的大小。而轉(zhuǎn)子流量計，卻是以壓差不變，利用節(jié)流面積的變化來反映流量的大小，故稱為恒壓差、變節(jié)流面積的流量測量方法。轉(zhuǎn)子流量計主要是由一根自上而下擴大的垂直錐管和一只隨流體流量大小而可以上、下，移動的轉(zhuǎn)子所組成。錐形管的錐度為40′～3°，其材料有玻璃管和金屬管兩種。轉(zhuǎn)子根據(jù)不同的測量范圍及不同介質(zhì)（氣體或液體）可分別采用不同材料制成不同形狀。

被測流體沿錐形管由下而上流過轉(zhuǎn)子之間的環(huán)隙時，位于錐形管中的轉(zhuǎn)子受到一個向上作用力F上，使轉(zhuǎn)子浮起。當(dāng)這個力正好與浸沒在流體里的轉(zhuǎn)子重力F下（自重減去流體對轉(zhuǎn)子的浮力）平衡時，則作用在轉(zhuǎn)子上的力達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)子就停浮在某一高度上。如果被測流體的流量增大，作用在轉(zhuǎn)子上、下的壓差增大，則向上的力F上將隨之增大，因為轉(zhuǎn)子在流體中所受的重力F下（自重減浮力）是不變的，則F上＞F下，使轉(zhuǎn)子上升，轉(zhuǎn)子在錐形管中位置的升高，造成轉(zhuǎn)子與錐形管間的環(huán)隙增大，即流體的流通面積增大。隨著環(huán)隙的增大，流過此環(huán)隙的流體流速變慢，則轉(zhuǎn)子上、下的壓差減小，因而作用在轉(zhuǎn)子上向上的力也變小。當(dāng)流體作用在轉(zhuǎn)子上的力再次等于轉(zhuǎn)子在流體中的重力（即F上＝F下）時，轉(zhuǎn)子又穩(wěn)定在某一個新的高度上。流量減小時情況相反。

這樣，轉(zhuǎn)子在錐形管中的平衡位置的高低與被測介質(zhì)的流量大小相對應(yīng)。如果在錐形管外表沿其高度刻上對應(yīng)的流量值，那么根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低就可直接讀出流量的大小。這就是轉(zhuǎn)子流量計測量流量的基本原理。轉(zhuǎn)子流量計中轉(zhuǎn)子受到的作用力為：

F上＝（P1－P2）A，F(xiàn)下＝Vr（ρr－ρ）g

式中P1、P2—轉(zhuǎn)子上下流體的壓力；

A---轉(zhuǎn)子的最大截面積；

Vr—轉(zhuǎn)子的體積；ρr—轉(zhuǎn)子的密度；

ρ—被測流體的密度；g—重力加速度值。

當(dāng)轉(zhuǎn)子在某一位置平衡時，應(yīng)滿足:

（P1－P2）A＝Vr（ρr－ρ）g

由于在測量過程中，流量計選定以后，被測流體工作條件不變，Vr、ρr、ρ、A、g均為常數(shù)，所以由上式可知，（P1－P2）也是常數(shù)。也就是說，在轉(zhuǎn)子流量計中，流體的壓降是固定不變的。由式可知：

在ΔP一定的情況下，流過轉(zhuǎn)子流量計的流量和轉(zhuǎn)子與錐形管間環(huán)隙面積有關(guān)。由于錐形管自下而上逐漸擴大，所以環(huán)隙面積是與轉(zhuǎn)子浮起的高度有關(guān)的。轉(zhuǎn)子流量計（續(xù)）

因此，根據(jù)轉(zhuǎn)子浮起的高度就可以判斷被測介質(zhì)的流量大小，可用下式表示：

式中φ—轉(zhuǎn)子流量計的流量系數(shù)，取決于轉(zhuǎn)子形狀和雷諾數(shù)，并由試驗確定；h—轉(zhuǎn)子所處的高度。將式代入上兩式，可分別得到：可見，測得轉(zhuǎn)子所處的高度h，便可知流量的大小。

轉(zhuǎn)子流量計（續(xù)）

2、轉(zhuǎn)子流量計指示值的修正轉(zhuǎn)子流量計的刻度是單獨標(biāo)定而得到的。儀表制造廠為了便于成批生產(chǎn)，在進行流量刻度時，是在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃，0.10133Mpa）下以水或空氣為介質(zhì)進行刻度的。即轉(zhuǎn)子流量計的標(biāo)尺刻度值，對于液體流量測量是代表工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的流量值，對于氣體流量測量是代表工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣流量值。所以，在實際使用時，如果被測介質(zhì)的密度和工業(yè)狀態(tài)不同，必須對流量指示值按照實際被測介質(zhì)的密度、溫度、壓力等參數(shù)的具體情況進行修正。

1）液體流量的修正測量液體的轉(zhuǎn)子流量計，由于制造廠是在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下用水標(biāo)定的，如果實際測量時被測介質(zhì)不是水，則由于密度的不同必須對流量刻度進行修正。如果被測介質(zhì)的粘度與水的粘度相差不大（不超過0.03帕斯卡秒），可近似認(rèn)為φ是常數(shù)，已知刻度流量Q0，要計算實際流體的流量，可用下式進行修正：ρr—轉(zhuǎn)子的密度；

ρ—被測流體的密度

ρw—工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的密度

KQ為體積流量密度修正系數(shù)。

1．液體流量的修正測量液體的轉(zhuǎn)子流量計，由于制造廠是在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下用水標(biāo)定的，如果實際測量時被測介質(zhì)不是水，則由于密度的不同必須對流量刻度進行修正。如果被測介質(zhì)的粘度與水的粘度相差不大（不超過0.03帕斯卡秒），可近似認(rèn)為φ是常數(shù)，已知刻度流量Q0，要計算實際流體的流量，可用下式進行修正：ρr—轉(zhuǎn)子的密度；ρ—被測流體的密度ρw—工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下水的密度；KQ--體積流量密度修正系數(shù)

2）氣體流量的修正對于氣體流量的修正，除了被測介質(zhì)的密度不同之外，被測介質(zhì)的工作壓力和溫度的影響也較顯著，因此對密度、工作壓力和溫度均需進行修正。測量氣體的轉(zhuǎn)子流量計，制造廠是在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下用空氣標(biāo)定的，對于非空氣介質(zhì)在不同的工作狀態(tài)下測量時，需進行修正。

當(dāng)已知儀表顯示刻度Q0，要計算實際流體在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量時，可按下式修正。式中：Q1—被測介質(zhì)在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（20℃，0.10133Mpa）的體積流量，nm3/h----(標(biāo)準(zhǔn)立方米每小時）

ρ1—被測介質(zhì)在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，Kg/m3；

ρ0—空氣在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度（1.2046Kg/m3）；

P1—被測介質(zhì)的絕對壓力，MPa（兆帕）；

P0—工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對壓力（0.10133Mpa）；

T1—被測介質(zhì)的絕對溫度，K（開爾文）；

T0—工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時的絕對溫度（293K）；

Q0—用空氣標(biāo)定的刻度流量（nm3/h）；

Kρ—密度修正系數(shù)；KP—壓力修正系數(shù)；KT—溫度修正系數(shù)；

需要說明的是，由式計算得到的Q1是被測介質(zhì)在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃，0.10133Mpa）下的體積流量，而不是被測介質(zhì)在實際工作狀態(tài)下的體積流量。這是由于氣體計量時，一般采用標(biāo)準(zhǔn)立方米計量，而不用實際工作狀態(tài)下的體積流量來計量。同理，在訂購儀表，選擇流量計量程時，應(yīng)將被測流體在工作狀態(tài)下的流量值換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下標(biāo)定所用流體的流量值，以便選擇合理的儀表上限值。例題：LZ系列金屬管浮子流量計（又稱金屬轉(zhuǎn)子流量計），具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、適用范圍廣、精度較高、安裝方便等特點。該系列流量計與玻璃轉(zhuǎn)子流量計比較，具有耐高壓、高溫、安全感強、讀數(shù)簡明等特點。

玻璃轉(zhuǎn)子流量計主要用于化工、石油、輕工、醫(yī)藥等各個部門中，用來測量單相非脈動（液體或氣體）流體的流量。主要特點：壓力損失小，性能可靠結(jié)構(gòu)簡單，安裝使用方便價格便宜。一、井下流量計井下流量計可用來準(zhǔn)確地測量出油不同層段的產(chǎn)量、水井不同層段的注水量，對于摸清井下狀況，指導(dǎo)油田開發(fā)、生產(chǎn)，具有十分重要的意義。一般地，用于測量注水井注水流量的井下流量計，在油田習(xí)慣稱為井下流量計；用于測量油井產(chǎn)液量的井下流量計稱作井下產(chǎn)量計。

1、浮子式井下流量計浮子式井下流量計是從轉(zhuǎn)子式流量計演化而來的。其區(qū)別是錐形管上細(xì)下粗，與轉(zhuǎn)子流量計相反。并且，作為節(jié)流元件的轉(zhuǎn)子不再是自由的了，而是與彈簧連結(jié)，稱之為浮子。這種流量計便稱為浮子式井下流量計。全國各油田使用的浮子式井下流量計型號很多，如慶106型、慶104型、勝108型、遼76型、江101型、江102型和新疆雙彈簧型等。它們適用的測量條件、測量環(huán)境有所不同，其結(jié)構(gòu)各有差異，但其測量原理基本相同。附：井下流（產(chǎn)）量計

（1）浮子式井下流量計的工作原理如圖所示：當(dāng)注入地層的注水從進液管往下進入流量計、通過流量計錐管時，沖擊錐管里的浮子。使浮子帶動記錄筆向下移動，同時拉伸吊裝彈簧。這樣，流體對浮子的向下作用力使浮子下移，而吊裝彈簧被拉伸時又產(chǎn)生向上的反作用力。當(dāng)流體作用力與彈簧反力相平衡時，浮子及記錄筆就相對穩(wěn)定于某一位置。由于鐘機帶動記錄筒及記錄紙不停地勻速轉(zhuǎn)動，因而，記錄筆就可在記錄紙上畫出一定高度的臺階狀曲線。曲線的高度表示流量的大小。浮子式井下流量計（續(xù)）2．慶106型浮子式井下流量計，與偏心配水管柱配套，對注水井進行分層注水流量測量，流量計在配水器上的定位與密封，由與配水器配套的測試密封段來完成，不屬于流量計的固定組成部分．慶106型浮子式井下流量計由繩帽、鐘機系統(tǒng)、記錄裝置、測量部分四部分組成如圖所示．繩帽用來連結(jié)鋼絲，吊掛流量計，鐘機帶動記錄筒勻角速旋轉(zhuǎn)．記錄裝置由記錄筒、記錄筆導(dǎo)向管和記錄筆等組成．記錄筆導(dǎo)向管裝在記錄筒內(nèi)，下端固定在進液管上，一側(cè)開有供記錄筆上下移動的豎孔，記錄筆通過豎孔伸出導(dǎo)向臂，壓在記錄筒內(nèi)壁的記錄紙上．測量部分由彈簧、錐管、浮子、記錄筆桿等組成。測量時，浮子帶動記錄筆沿豎孔向下運動，記錄筒勻角速旋轉(zhuǎn)，記錄筆即可在記錄紙上畫出流量