傳感器在工程檢測(cè)中的應(yīng)用i

第15章傳感器在工程檢測(cè)中的應(yīng)用

15.1溫度測(cè)量

15.2壓力測(cè)量

15.3流量測(cè)量

15.4物位測(cè)量

15.1溫度測(cè)量

15.1.1溫度概述1.溫度與溫標(biāo)溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度不能直接加以測(cè)量，只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質(zhì)隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測(cè)量。為了定量地描述溫度的高低，必須建立溫度標(biāo)尺(溫標(biāo))，溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。歷史上提出過(guò)多種溫標(biāo)，如早期的經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)（攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)），理論上的熱力學(xué)溫標(biāo)，當(dāng)前世界通用的是國(guó)際溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的一種理論溫標(biāo)，熱力學(xué)溫標(biāo)確定的溫度數(shù)值為熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T(mén)），單位為開(kāi)爾文（符號(hào)為K）。

國(guó)際溫標(biāo)是一個(gè)國(guó)際協(xié)議性溫標(biāo)，是既能體現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)（即保證較高的準(zhǔn)確度），使用方便，又容易實(shí)現(xiàn)的溫標(biāo)。國(guó)際溫標(biāo)自1927年擬定以來(lái)幾經(jīng)修改而不斷完善，目前實(shí)行的是1990年國(guó)際溫標(biāo)（ITS—90），取代了早先推行的IPTS—68。國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定仍以熱力學(xué)溫度作為基本溫度，1K等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。它同時(shí)定義國(guó)際開(kāi)爾文溫度（符號(hào)T90）和國(guó)際攝氏溫度（符號(hào)t90），T90和t90之間的關(guān)系為t90/℃=T90/K-273.16

2.溫度測(cè)量的主要方法和分類(1)溫度傳感器的組成在工程中無(wú)論是簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的測(cè)溫傳感器，就測(cè)量系統(tǒng)的功能而言，通常由現(xiàn)場(chǎng)的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成，如圖15-1所示。簡(jiǎn)單的溫度傳感器往往是把溫度傳感器和顯示器組成一體的，對(duì)這樣一種傳感器一般在現(xiàn)場(chǎng)使用。圖15–1溫度傳感器組成框圖

(2)溫度測(cè)量方法及分類測(cè)量方法按感溫元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸，可以分成接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫兩大類。接觸式測(cè)溫是使溫度敏感元件和被測(cè)介質(zhì)相接觸，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度敏感元件與被測(cè)介質(zhì)的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的一類。

非接觸式測(cè)溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。眾所周知，物體輻射能的大小與溫度有關(guān)，并且以電磁波形式向四周輻射，當(dāng)選擇合適的接收檢測(cè)裝置時(shí)，便可測(cè)得被測(cè)對(duì)象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測(cè)量和顯示的各種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。非接觸式溫度傳感器理論上不存在接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和應(yīng)用范圍上的限制，可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，但精度較低，使用不太方便。15.1.2膨脹式溫度傳感器

根據(jù)液體、固體、氣體受熱時(shí)產(chǎn)生熱膨脹的原理,這類溫度傳感器有液體膨脹式、固體膨脹式和氣體膨脹式。

1.液體膨脹式液體膨脹式是利用液體受熱后體積膨脹的原理來(lái)測(cè)量溫度的。在有刻度的細(xì)玻璃管里充入液體（稱為工作液，如水銀、酒精等）就構(gòu)成了液體膨脹式溫度計(jì)（又稱玻璃管液體溫度計(jì)），如圖15-2所示。玻璃管液體溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，精確度高，價(jià)格低廉。這種溫度計(jì)遠(yuǎn)不能算傳感器，它只能就地指示溫度。圖15–2玻璃管液體溫度計(jì)(a)外標(biāo)尺式；(b)內(nèi)標(biāo)尺式圖15–3工業(yè)用玻璃管液體溫度計(jì)(a)外標(biāo)尺式；(b)內(nèi)標(biāo)尺式圖15–4電接點(diǎn)式溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.固體膨脹式固體膨脹式是以雙金屬元件作為溫度敏感元件受熱而產(chǎn)生膨脹變形來(lái)測(cè)溫的。它由兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬緊固結(jié)合而成雙金屬片，為提高靈敏度常作成螺旋形。圖15-5為雙金屬溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，螺旋形雙金屬片一端固定，另一端連接指針軸，當(dāng)溫度變化時(shí)，雙金屬片彎曲變形，通過(guò)指針軸帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)顯示溫度。它常用于測(cè)量-80～600℃范圍的溫度，抗震性能好，讀數(shù)方便，但精度不太高，用于工業(yè)過(guò)程測(cè)溫、上下限報(bào)警和控制。圖15–5雙金屬溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

3.氣體膨脹式氣體膨脹式是利用封閉容器中的氣體壓力隨溫度升高而升高的原理來(lái)測(cè)溫的，利用這種原理測(cè)溫的溫度計(jì)又稱壓力計(jì)式溫度計(jì)，如圖15-6所示。溫包、毛細(xì)管和彈簧管三者的內(nèi)腔構(gòu)成一個(gè)封閉容器，其中充滿工作物質(zhì)（如氣體常為氮?dú)猓?，工作物質(zhì)的壓力經(jīng)毛細(xì)管傳給彈簧管，使彈簧管產(chǎn)生變形，并由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針，指示出被測(cè)溫度的數(shù)值。溫包內(nèi)的工作物質(zhì)也可以是液體（如甲醇、二甲苯、甘油等）或低沸點(diǎn)液體的飽和蒸氣（如乙醚、氯乙烷、丙酮等），溫度變化時(shí)，溫包內(nèi)液體受熱膨脹使液體或飽和蒸氣壓力發(fā)生變化，屬液體膨脹式的壓力溫度計(jì)。壓力溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗振及耐腐蝕性能好，與微動(dòng)開(kāi)關(guān)組合可作溫度控制器用，但它的測(cè)量距離受毛細(xì)管長(zhǎng)度限制，一般充液體可達(dá)20m，充氣體或蒸氣可達(dá)60m。圖15–6壓力式溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖15.1.3熱電偶傳感器1.熱電偶測(cè)溫原理兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路(如圖15-7所示)，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng),該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。這兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。兩個(gè)接點(diǎn)，一個(gè)稱熱端，又稱測(cè)量端或工作端，測(cè)溫時(shí)將它置于被測(cè)介質(zhì)中;另一個(gè)稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過(guò)導(dǎo)線與顯示儀表相連。圖15–7熱電偶回路圖15–8熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

接觸電勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。兩種導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，在接觸處失去電子一側(cè)帶正電，得到電子一側(cè)帶負(fù)電，擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，在接觸面的兩側(cè)就形成穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。接觸電勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電勢(shì)eAB(T)和eAB（T0）可表示為

溫差電勢(shì)是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。同一導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，因此，在導(dǎo)體兩端便形成接觸電勢(shì)，其大小由下面公式給出：式中,NAt和NBt分別為A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的電子密度，是溫度的函數(shù)。

在圖15-7所示的熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)為在總熱電勢(shì)中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，可忽略不計(jì)，則熱電偶的熱電勢(shì)可表示為

eAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，eAB(T0)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即eAB(T,T0)=eAB(T)-c=f(T)這一關(guān)系式在實(shí)際測(cè)量中是很有用的，即只要測(cè)出eAB（T，T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。

2.熱電偶基本定律①均質(zhì)導(dǎo)體定律:由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與兩材料及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無(wú)關(guān)。即如材料不均勻，當(dāng)導(dǎo)體上存在溫度梯度時(shí)，將會(huì)有附加電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。這條定理說(shuō)明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。②中間導(dǎo)體定律：利用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，必須在回路中引入連接導(dǎo)線和儀表，接入導(dǎo)線和儀表后會(huì)不會(huì)影響回路中的熱電勢(shì)呢？中間導(dǎo)體定律說(shuō)明，在熱電偶測(cè)溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)回路的總熱電勢(shì)沒(méi)有影響。

圖15-9為接入第三種導(dǎo)體熱電偶回路的兩種形式。在圖15-9（a）所示的回路中，由于溫差電勢(shì)可忽略不計(jì)，則回路中的總熱電勢(shì)等于各接點(diǎn)的接觸電勢(shì)之和，即eABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)當(dāng)t=t0時(shí)，有eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0)將（15-10）式代入（15-9）式中得eABC(t,t0)+eAB(t0)-eAB(t0)=eAB(t,t0)圖15-9具有三種導(dǎo)體的熱電偶回路

③中間溫度定律：在熱電偶測(cè)溫回路中，tc為熱電極上某一點(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和tc、t0時(shí)的熱電勢(shì)eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代數(shù)和（見(jiàn)圖15-10），即eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)，在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。另外根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B′(見(jiàn)圖15-10)，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。圖15-10中間溫度定律

3.熱電偶類型理論上講，任何兩種不同材料的導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但為了準(zhǔn)確可靠地測(cè)量溫度，對(duì)組成熱電偶的材料必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的選擇。工程上用于熱電偶的材料應(yīng)滿足以下條件：熱電勢(shì)變化盡量大，熱電勢(shì)與溫度關(guān)系盡量接近線性關(guān)系，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，易加工，復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，有良好的互換性。實(shí)際上并非所有材料都能滿足上述要求。目前在國(guó)際上被公認(rèn)比較好的熱電偶的材料只有幾種。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）向世界各國(guó)推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，就是它已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表。我國(guó)已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。

4.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。(1)普通型熱電偶普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成，其結(jié)構(gòu)如圖15-11所示。普通型熱電偶按其安裝時(shí)的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動(dòng)法蘭連接、無(wú)固定裝置等多種形式。圖15-11普通型熱電偶結(jié)構(gòu)

(2)鎧裝型熱電偶鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅(jiān)實(shí)組合體，如圖15-12所示。它可以做得很細(xì)很長(zhǎng)，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝熱電偶的主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門(mén)中。圖15-12鎧裝型熱電偶

(3)薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶，如圖15-13所示。薄膜熱電偶的熱接點(diǎn)可以做得很小（可薄到0.01～0.1μm），具有熱容量小、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，熱響應(yīng)時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。圖15-13薄膜熱電偶

5.熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線及冷端溫度的補(bǔ)償方法當(dāng)熱電偶材料選定以后，熱電動(dòng)勢(shì)只與熱端和冷端溫度有關(guān)。因此只有當(dāng)冷端溫度恒定時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)和熱端溫度才有單值的函數(shù)關(guān)系。此外熱電偶的分度表是以冷端溫度0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，而在實(shí)際使用過(guò)程中，冷端溫度往往不為0℃，所以必須對(duì)冷端溫度進(jìn)行處理，消除冷端溫度的影響。那么熱端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可見(jiàn)，eAB(t0，0)是冷端溫度t0的函數(shù)，因此需要對(duì)熱電偶冷端溫度進(jìn)行處理。

(1)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來(lái)。工程中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線，它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價(jià)金屬導(dǎo)線制成，而且在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。

(2)冷端溫度修正法采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要冷端溫度t0不等于0℃，需要對(duì)熱電偶回路的測(cè)量電勢(shì)值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)eAB(t,0)與熱電偶實(shí)際產(chǎn)生的熱電勢(shì)eAB(t,t0)之間的關(guān)系可根據(jù)中間溫度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)

(3)冷端0℃恒溫法在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為不便。

(4)冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法（補(bǔ)償電橋法）補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab作為補(bǔ)償信號(hào)，來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶測(cè)量過(guò)程中因冷端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢(shì)的變化值。補(bǔ)償電橋如圖15-14所示，它由三個(gè)電阻溫度系數(shù)較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3及電阻溫度系數(shù)較大的銅絲繞制的電阻rcu和穩(wěn)壓電源組成。補(bǔ)償電橋與熱電偶冷端處在同一環(huán)境溫度，當(dāng)冷端溫度變化引起的熱電勢(shì)eAB(t,t0)變化時(shí)，由于rcu的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當(dāng)選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓Uab補(bǔ)償由于冷端溫度t0變化引起的熱電勢(shì)變化量，從而達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康?。圖15-14補(bǔ)償電橋

6.熱電偶測(cè)溫線路熱電偶測(cè)溫時(shí)，它可以直接與顯示儀表（如電子電位差計(jì)、數(shù)字表等）配套使用，也可與溫度變送器配套，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，圖15-15為典型的熱電偶測(cè)溫線路。如用一臺(tái)顯示儀表顯示多點(diǎn)溫度時(shí)，可按圖15-16連接，這樣可節(jié)約顯示儀表和補(bǔ)償導(dǎo)線。圖15-15熱電偶典型測(cè)溫線路普通測(cè)溫線路；(b)帶有補(bǔ)償器的測(cè)溫線路；(c)具有溫度變送器的測(cè)溫線路；(d)具有一體化溫度變送器的測(cè)溫線路圖15-16多點(diǎn)測(cè)溫線路

特殊情況下，熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只能是同一分度號(hào)的熱電偶，且冷端應(yīng)在同一溫度下。如熱電偶正向串聯(lián)，可獲得較大的熱電勢(shì)輸出和提高靈敏度；在測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差時(shí)，可采用熱電偶反向串聯(lián)；利用熱電偶并聯(lián)可以測(cè)量平均溫度。熱電偶串、并聯(lián)線路如圖15-17所示。圖15-17熱電偶串、并聯(lián)線路(a)正向串聯(lián)；(b)反向串聯(lián)；(c)并聯(lián)15.1.4熱電阻傳感器

熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。熱電阻傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，一般把金屬熱電阻稱為熱電阻，而把半導(dǎo)體熱電阻稱為熱敏電阻。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量-200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K，高溫達(dá)1000℃。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成，如圖15-18所示。熱電阻也可與溫度變送器連接，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。

圖15-18熱電阻傳感器

1.常用熱電阻用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率，R-t關(guān)系最好成線性，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。(1)鉑熱電阻鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200～850℃。鉑熱電阻的特性方程為在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～850℃的溫度范圍內(nèi)

Rt=R0(1+At+Bt2)式中：Rt和R0——鉑熱電阻分別在t℃和0℃時(shí)的電阻值；

A、B和C——常數(shù)。在ITS—90中，這些常數(shù)規(guī)定為

A=3.9083×10-13/℃

B=-5.775×10-7/℃2

C=-4.183×10-12/℃4

從上式看出，熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。Pt100的分度表見(jiàn)表15-8。鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W（100）表示，即式中：R100——鉑熱電阻在100℃時(shí)的電阻值；

R0——鉑熱電阻在0℃時(shí)的電阻值。電阻比W（100）越大，其純度越高。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)使用的鉑熱電阻的W100≥1.3850。目前技術(shù)水平可達(dá)到W（100）=1.3930，其對(duì)應(yīng)鉑的純度為99.9995%。

(2)銅熱電阻由于鉑是貴重金屬，因此，在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，它的測(cè)量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為

Rt=R0（1+αt）式中,α為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，取α=4.28×10-3/℃。銅熱電阻有兩種分度號(hào)，分別為Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。銅熱電阻線性好，價(jià)格便宜，但它測(cè)量范圍窄，易氧化，不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。2.熱電阻的結(jié)構(gòu)圖15-19熱電阻結(jié)構(gòu)

電阻體由電阻絲和電阻支架組成。電阻絲采用雙線無(wú)感繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用，引出線通常采用直徑1mm的銀絲或鍍銀銅絲，它與接線盒柱相接，以便與外接線路相連而測(cè)量及顯示溫度。用熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，測(cè)量電路經(jīng)常采用電橋電路。熱電阻與檢測(cè)儀表相隔一段距離，因此熱電阻的引線對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制三種，如圖15-20所示。二線制中引線電阻對(duì)測(cè)量影響大，用于測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合。三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，用于高精度溫度檢測(cè)。

圖15-20內(nèi)部引線方式15.1.5集成溫度傳感器集成溫度傳感器是利用晶體管PN結(jié)的電流、電壓特性與溫度的關(guān)系，把感溫PN結(jié)及有關(guān)電子線路集成在一個(gè)小硅片上，構(gòu)成一個(gè)小型化、一體化的專用集成電路片。集成溫度傳感器具有體積小、反應(yīng)快、線性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。由于PN結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制，它只能用來(lái)測(cè)150℃以下的溫度。

1.基本工作原理目前在集成溫度傳感器中，都采用一對(duì)非常匹配的差分對(duì)管作為溫度敏感元件。圖15-21是集成溫度傳感器基本原理圖。其中V1和V2是互相匹配的晶體管，I1和I2分別是V1和V2管的集電極電流，由恒流源提供。V1和V2管的兩個(gè)發(fā)射極和基極電壓之差ΔUbe可用下式表示：圖15-21集成溫度傳感器基本原理圖

2.集成溫度傳感器的信號(hào)輸出方式(1)電壓輸出型電壓輸出型集成溫度傳感器原理電路如圖15-22所示。當(dāng)電流I1恒定時(shí)，通過(guò)改變R1的阻值，可實(shí)現(xiàn)I1=I2，當(dāng)晶體管的β≥1時(shí)，電路的輸出電壓可由下式確定：若取R1=940Ω，R2=30kΩ，γ=37，則電路輸出的溫度系數(shù)為圖15-22電壓輸出型原理電路圖

（2）電流輸出型圖15-23為電流輸出型集成溫度傳感器的原理電路圖。V1和V2是結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩個(gè)晶體管，作為恒流源負(fù)載，V3和V4管是測(cè)溫用的晶體管，其中V3管的發(fā)射結(jié)面積是V4管的8倍，即γ=8。流過(guò)電路的總電流IT為上式表明，當(dāng)R和γ一定時(shí)，電路的輸出電流與溫度有良好的線性關(guān)系。圖15-23電流輸出型原理電路圖若取R為358Ω，則電路輸出的溫度系數(shù)為電流輸出型典型的集成溫度傳感器有美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD590。我國(guó)生產(chǎn)的SG590也屬于同類型產(chǎn)品，其基本電路與圖15-23一樣，只是增加了一些啟動(dòng)電路，防止電源反接以及使左右兩支路對(duì)稱的附加電路，以進(jìn)一步提高性能。AD590的電源電壓為4～30V，可測(cè)溫度范圍為-50～150℃。

3.AD590集成溫度傳感器應(yīng)用實(shí)例AD590是應(yīng)用廣泛的一種集成溫度傳感器，由于它內(nèi)部有放大電路，再配上相應(yīng)外電路，就可方便地構(gòu)成各種應(yīng)用電路。下面介紹AD590幾種簡(jiǎn)單的應(yīng)用線路。(1)溫度測(cè)量電路圖15-24是一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)溫電路。AD590在25℃（298.2K）時(shí)，理想輸出電流為298.2μA，但實(shí)際上存在一定誤差，可以在外電路中進(jìn)行修正。將AD590串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電阻，在已知溫度下調(diào)整電阻值，使輸出電壓Uo滿足1mV/K的關(guān)系（如25℃時(shí)，Uo應(yīng)為298.2mV）。調(diào)整好以后，固定可調(diào)電阻，即可由輸出電壓Uo讀出AD590所處的熱力學(xué)溫度。圖15-24簡(jiǎn)單的測(cè)溫電路(2)控溫電路簡(jiǎn)單的控溫電路如圖15-25所示。AD311為比較器，它的輸出控制加熱器電流，調(diào)節(jié)RT可改變比較電壓，從而改變了控制溫度。AD581是穩(wěn)壓器，為AD590提供一個(gè)合理的穩(wěn)定電壓。圖15-25簡(jiǎn)單的控溫電路(3)熱電偶冷端補(bǔ)償電路該種補(bǔ)償電路如圖15-26所示。AD590應(yīng)與熱電偶冷端處于同一溫度下。AD580是一個(gè)三端穩(wěn)壓器，其輸出電壓為2.5V。電路工作時(shí)，調(diào)整電阻R2,使得I1=t0×10-3(mA)

這樣在電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)隨冷端溫度t0變化的補(bǔ)償電壓U1=I1R1。圖15-26熱電偶參考端補(bǔ)償電路當(dāng)熱電偶冷端溫度為t0，其熱電勢(shì)eAB(t0，0)≈S·t0，S為塞貝克系數(shù)（μV/℃）。補(bǔ)償時(shí)應(yīng)使U1與eAB(t0，0)近似相等，即R1與塞貝克系數(shù)相等。對(duì)于不同分度號(hào)的熱電偶，R1的阻值亦不同。這種補(bǔ)償電路靈敏、準(zhǔn)確、可靠、調(diào)整方便，溫度變化在15～35℃范圍內(nèi)，可獲得±0.5℃的補(bǔ)償精度。15.2壓力測(cè)量

壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測(cè)量和控制壓力對(duì)保證生產(chǎn)工藝過(guò)程的安全性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。壓力及差壓的測(cè)量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測(cè)量中。工程技術(shù)上所稱的“壓力”實(shí)質(zhì)上就是物理學(xué)里的“壓強(qiáng)”，定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。其表達(dá)式為式中:P——壓力；F——作用力；A——作用面積。

國(guó)際單位制（SI）中定義：1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上形成的壓力為1“帕斯卡”。帕斯卡簡(jiǎn)稱“帕”，單位符號(hào)為Pa。過(guò)去采用的壓力單位“工程大氣壓”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、物理大氣壓（即atm）等均應(yīng)改為法定計(jì)量單位帕，其換算關(guān)系如下：1kgf/cm2=0.9807×105Pa1mmH2O=0.9807×10Pa1mmHg=1.333×102Pa1atm=1.01325×105Pa

壓力有以下幾種不同表示方法：(1)絕對(duì)壓力這是指作用于物體表面積上的全部壓力，其零點(diǎn)以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)，又稱總壓力或全壓力，一般用大寫(xiě)符號(hào)P表示。(2)大氣壓力這是指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以P0表示。(3)表壓力這是指絕對(duì)壓力與大氣壓力之差，一般用p表示。測(cè)壓儀表一般指示的壓力都是表壓力，表壓力又稱相對(duì)壓力。當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，則表壓力為負(fù)壓，負(fù)壓又可用真空度表示，負(fù)壓的絕對(duì)值稱為真空度。如測(cè)爐膛和煙道氣的壓力均是負(fù)壓。(4)差壓任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計(jì)和差壓式流量計(jì)就是利用測(cè)量差壓的大小來(lái)知道液位和流體流量的大小的。15.2.2液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)是根據(jù)流體靜力學(xué)原理來(lái)測(cè)量壓力的。它們一般采用水銀或水為工作液，用U形管或單管進(jìn)行測(cè)量，常用于低壓、負(fù)壓或壓力差的測(cè)量。圖15-27所示的U形管內(nèi)裝有一定數(shù)量的液體，U形管一側(cè)通壓力p1，另一側(cè)通壓力p2。當(dāng)p1=p2時(shí)，左右兩管的液體高度相等。當(dāng)p1<p2時(shí)，兩邊管內(nèi)液面便會(huì)產(chǎn)生高度差。圖15-27U形玻璃管壓力測(cè)量原量圖根據(jù)液體靜力學(xué)原理可知：Δp=p2-p1=ρgh式中,ρ為U形管內(nèi)液體的密度。如把壓力p1一側(cè)改為通大氣P0，p2一側(cè)通被測(cè)壓力，則上式）可改寫(xiě)為p2=ρgh

如果把U形管的一個(gè)管換成大直徑的杯，即可變成如圖15-28所示的單管或斜管。測(cè)壓原理與U形管相同，當(dāng)大容器通入被測(cè)壓力p，管中通入大氣壓P0，只是因?yàn)楸瓘奖裙軓酱蟮枚啵瓋?nèi)液位變化可略去不計(jì)，使計(jì)算及讀數(shù)更為簡(jiǎn)易，被測(cè)壓力仍可寫(xiě)成p=ρgh圖15-28液柱式壓力計(jì)(a)U形管壓力計(jì)；（b）單管壓力計(jì);（c）傾斜式壓力計(jì)15.2.3彈性式壓力表彈性式壓力表是以彈性元件受壓后所產(chǎn)生的彈性變形作為測(cè)量基礎(chǔ)的。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，現(xiàn)場(chǎng)使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測(cè)量范圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。

1.彈性元件采用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件，可以適用于不同場(chǎng)合、不同范圍的壓力測(cè)量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。圖15-29給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測(cè)量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測(cè)量。

圖15-29彈性元件示意圖

圖15-30為利用彈性形變測(cè)壓原理圖?；钊椎幕钊撞考佑兄鶢盥菪龔椈?，彈簧一端固定，當(dāng)通入被測(cè)壓力p時(shí)，彈簧被壓縮并產(chǎn)生一彈性力與被測(cè)壓力平衡，在彈性形變的限度內(nèi)，彈簧被壓縮后產(chǎn)生的彈性位移量Δx與被測(cè)壓力p的關(guān)系符合胡克定律，表示為式中:c——彈簧的剛度系數(shù)；

A——活塞的有效面積。

圖15-30彈性元件測(cè)壓原理圖

當(dāng)c、A為定值時(shí)，測(cè)量壓力就變?yōu)闇y(cè)量彈性元件的位移量Δx。金屬?gòu)椥栽季哂胁煌耆珡椥?，即在所加作用力去除后，彈性元件?huì)表現(xiàn)殘余變形、彈性后效和彈性滯后等現(xiàn)象，這將會(huì)造成測(cè)量誤差。彈性元件特性與選用的材料和負(fù)載的最大值有關(guān)。若要減小這方面的誤差，則應(yīng)注意選用合適的材料，加工成形后進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚淼取?/p>

2.彈簧管壓力表彈簧管壓力表在彈性式壓力表中更是歷史悠久，應(yīng)用廣泛。彈簧管壓力表中壓力敏感元件是彈簧管。彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，如圖15-31所示。管子的一端為封閉，作為位移輸出端，另一端為開(kāi)口，為被測(cè)壓力輸入端。當(dāng)開(kāi)口端通入被測(cè)壓力后，非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢(shì)而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端由B移至B′而產(chǎn)生位移，彈簧管的中心角減小Δθ，如圖15-31中虛線所示。中心角的相對(duì)變化量Δθ/θ與被測(cè)壓力p有如下的函數(shù)關(guān)系：圖15-31單圈彈簧管結(jié)構(gòu)

由前面可知，如果a=b，則Δθ=0，這說(shuō)明具有均勻壁厚的圓形彈簧管不能用作測(cè)壓敏感元件。對(duì)于單圈彈簧管，中心角變化量Δθ比較小，要提高Δθ，可采用多圈彈簧管。

彈簧管壓力表結(jié)構(gòu)如圖15-32所示。被測(cè)壓力由接頭9通入，迫使彈簧管1的自由端產(chǎn)生位移，通過(guò)拉桿2使扇形齒輪3作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，于是指針5通過(guò)同軸的中心齒輪4的帶動(dòng)而作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測(cè)壓力的數(shù)值。游絲7是用來(lái)克服扇形齒輪和中心齒輪所產(chǎn)生的儀表變差。改變調(diào)節(jié)螺釘8的位置（即改變機(jī)械傳動(dòng)的放大倍數(shù)），可以實(shí)現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。圖15-32彈簧管壓力表

3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件，它是基于壓阻效應(yīng)工作的。所謂壓阻元件實(shí)際上就是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，當(dāng)它受外力作用時(shí)，其阻值由于電阻率的變化而改變。擴(kuò)散電阻正常工作時(shí)需依附于彈性元件，常用的是單晶硅膜片。圖15-33是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓阻芯片采用周邊固定的硅杯結(jié)構(gòu)，封裝在外殼內(nèi)。在一塊圓形的單晶硅膜片上，布置四個(gè)擴(kuò)散電阻，兩片位于受壓應(yīng)力區(qū)，另外兩片位于受拉應(yīng)力區(qū)，它們組成一個(gè)全橋測(cè)量電路。硅膜片用一個(gè)圓形硅杯固定，兩邊有兩個(gè)壓力腔，一個(gè)和被測(cè)壓力相連接的高壓腔，另一個(gè)是低壓腔，接參考?jí)毫?，通常和大氣相通。?dāng)存在壓差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，使兩對(duì)電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出電壓反映膜片兩邊承受的壓差大小。圖15-33壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(b)硅膜片示意圖

壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕斯卡的微壓，它是一種比較理想，目前發(fā)展較為迅速和應(yīng)用較為廣泛的一種壓力傳感器。這種傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小?，F(xiàn)在出現(xiàn)的智能壓阻壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償，它利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將傳感器與微處理器集成在同一塊硅片上，兼有信號(hào)檢測(cè)、處理、記憶等功能，從而大大提高了傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度。

4.壓力傳感器的選用與安裝

（1）壓力傳感器的選用在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)壓力傳感器進(jìn)行選型，確定檢測(cè)點(diǎn)與安裝等是非常重要的，傳感器選用的基本原則是依據(jù)實(shí)際工藝生產(chǎn)過(guò)程對(duì)壓力測(cè)量所要求的工藝指標(biāo)、測(cè)壓范圍、允許誤差、介質(zhì)特性及生產(chǎn)安全等因素，要經(jīng)濟(jì)合理，使用方便。對(duì)彈性式壓力傳感器要保證彈性元件在彈性變形的安全范圍內(nèi)可靠的工作，在選擇傳感器量程時(shí)必須留有足夠的余地。一般在被測(cè)壓力較穩(wěn)定的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過(guò)滿量程的3/4；在被測(cè)壓力波動(dòng)較大的情況下，最大壓力值應(yīng)不超過(guò)滿量程的2/3。為了保證測(cè)量精度，被測(cè)壓力最小值應(yīng)不低于全量程的1/3。

如要測(cè)量高壓蒸氣的壓力，已知蒸氣壓力為（2～4）×105Pa，生產(chǎn)中允許最大測(cè)量誤差為104Pa，且要求就地顯示。如何選擇壓力表呢？根據(jù)已知條件及彈性式壓力傳感器的性質(zhì)決定選Y-100型單圈彈簧管壓力表，其測(cè)量范圍為(0～6)×105Pa（當(dāng)壓力從2×105Pa變化到4×105Pa時(shí)，正好處于量程的1/3～2/3）。要求最大測(cè)量誤差小于104Pa，即要求傳感器的相對(duì)誤差所以應(yīng)選精度為1.5級(jí)的表。

（2）壓力傳感器的安裝傳感器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，不僅與傳感器本身的精度等級(jí)有關(guān)，而且還與傳感器的安裝、使用是否正確有關(guān)。壓力檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在能準(zhǔn)確及時(shí)地反映被測(cè)壓力的真實(shí)情況處。因此，取壓點(diǎn)不能處于流束紊亂的地方，即要選在管道的直線部分，離局部阻力較遠(yuǎn)的地方。測(cè)量高溫蒸氣壓力時(shí)，應(yīng)裝回形冷凝液管或冷凝器，以防止高溫蒸氣與測(cè)壓元件直接接觸。如圖15-34（a）所示。圖15-34測(cè)量高溫、腐蝕介質(zhì)壓力表安裝示意圖(a)測(cè)量蒸氣；(b)測(cè)量有腐蝕性介質(zhì)

測(cè)量腐蝕、高粘度、有結(jié)晶等介質(zhì)時(shí)，應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐，如圖15-34（b）所示。隔離罐內(nèi)的隔離液應(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。壓力傳感器安裝高度應(yīng)與取壓點(diǎn)相同或相近。對(duì)于圖15-35所示情況，壓力表的指示值要比管道內(nèi)的實(shí)際壓力高，應(yīng)對(duì)取壓管道的液柱附加的壓力誤差進(jìn)行修正。圖15-35壓力表位于生產(chǎn)設(shè)備下安裝示意圖15.3流量測(cè)量15.3.1流量概述

流量是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)重要參數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，很多原料、半成品、成品都是以流體狀態(tài)出現(xiàn)的。流體的流量就成為決定產(chǎn)品成分和質(zhì)量的關(guān)鍵，也是生產(chǎn)成本核算和合理使用能源的重要依據(jù)。因此流量的測(cè)量和控制是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道某一截面的流體數(shù)量，稱為瞬時(shí)流量。瞬時(shí)流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。而在某一段時(shí)間間隔內(nèi)流過(guò)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。瞬時(shí)流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。

（1）體積流量qv單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某截面的流體的體積，單位為m3/s。根據(jù)定義，體積流量可用下式表示：式中，v為截面A中某一面積元dA上的流速。如果流體在該截面上的流速處處相等，則體積流量可寫(xiě)成qv=vA

（2）質(zhì)量流量qm單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某截面的流體的質(zhì)量，單位為kg/s。根據(jù)定義，質(zhì)量流量可用下式表示：則有qm=ρqv=ρvA

流體的密度受流體的工作狀態(tài)（如溫度、壓力）影響。對(duì)于液體，壓力變化對(duì)密度的影響非常小，一般可以忽略不計(jì)。溫度對(duì)密度的影響要大一些，一般溫度每變化10℃時(shí)，液體密度的變化約在1%以內(nèi)，所以當(dāng)溫度變化不是很大，測(cè)量準(zhǔn)確度要求不是很高的情況下，往往也可以忽略不計(jì)。對(duì)于氣體，密度受溫度、壓力變化影響較大，如在常溫常壓附近，溫度每變化10℃，密度變化約為3%；壓力每變化10kPa，密度約變化3%。因此在測(cè)量氣體流量時(shí)，必須同時(shí)測(cè)量流體的溫度和壓力。為了便于比較，常將在工作狀態(tài)下測(cè)得的體積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度為20℃，壓力為101325Pa）的體積流量，用符號(hào)qVN表示，單位符號(hào)為Nm3/s。

生產(chǎn)過(guò)程中各種流體的性質(zhì)各不相同，流體的工作狀態(tài)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(cè)量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，其情況復(fù)雜，某些場(chǎng)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(cè)量的方法很多，測(cè)量原理和流量傳感器（或稱流量計(jì)）也各不相同，從測(cè)量方法上一般可分為以下三大類。

①速度式:速度式流量傳感器大多是通過(guò)測(cè)量流體在管路內(nèi)已知截面流過(guò)的流速大小來(lái)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。②容積式:容積式流量傳感器是根據(jù)已知容積的容室在單位時(shí)間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體的瞬時(shí)流量和總量的。常用的有橢圓齒輪、旋轉(zhuǎn)活塞式和刮板等流量傳感器。③質(zhì)量式：質(zhì)量流量傳感器有兩種，一種是根據(jù)質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系，測(cè)出體積流量再乘被測(cè)流體的密度的間接質(zhì)量流量傳感器，如工程上常用的采取溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償式質(zhì)量流量傳感器。另一種是直接測(cè)量流體質(zhì)量流量的直接式質(zhì)量流量傳感器，如熱式、慣性力式、動(dòng)量矩式等質(zhì)量流量傳感器。

15.3.2差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器又稱節(jié)流式流量傳感器，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的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。差壓式流量傳感器流量測(cè)量系統(tǒng)主要由節(jié)流裝置和差壓計(jì)（或差壓變送器）組成，如圖15-36所示。節(jié)流裝置的作用是把被測(cè)流體的流量轉(zhuǎn)換成壓差信號(hào)，差壓計(jì)則對(duì)壓差信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并顯示測(cè)量值，差壓變送器能把差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為與流量對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)或氣信號(hào)，以供顯示、記錄或控制。差壓式流量傳感器發(fā)展較早，技術(shù)成熟而較完善，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)流體的種類、溫度、壓力限制較少，因而應(yīng)用廣泛。圖15-36差壓式流量傳感器流量測(cè)量系統(tǒng)

1.節(jié)流裝置節(jié)流裝置是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測(cè)元件，是安裝在流體流動(dòng)的管道中的阻力元件。常用的節(jié)流元件有孔板、噴嘴、文丘里管。它們的結(jié)構(gòu)形式、相對(duì)尺寸、技術(shù)要求、管道條件和安裝要求等均已標(biāo)準(zhǔn)化，故又稱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件，如圖15-37所示。其中孔板最簡(jiǎn)單又最為典型，加工制造方便，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常被采用。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按照規(guī)定的技術(shù)要求和試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)、加工、安裝，無(wú)需檢測(cè)和標(biāo)定，可以直接投產(chǎn)使用，并可保證流量測(cè)量的精度。圖15-37標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件(a)孔板；(b)噴嘴；(c)文丘里管

2.測(cè)量原理與流量方程式（1）測(cè)量原理在管道中流動(dòng)的流體具有動(dòng)壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件測(cè)量流量時(shí)，流體流過(guò)節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過(guò)的流量越大，節(jié)流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關(guān)系，這就是差壓式流量傳感器測(cè)量原理。

圖15-38為節(jié)流件前后流速和壓力分布情況，圖中充分地反映了能量形式的轉(zhuǎn)換。由于流動(dòng)是穩(wěn)定不變的，即流體在同一時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道截面A和節(jié)流件開(kāi)孔截面A0的流體量應(yīng)相同，這樣通過(guò)截面A0的流速必然比通過(guò)截面A時(shí)快。在流速變化的同時(shí)，流體的動(dòng)壓能和靜壓能也發(fā)生變化，根據(jù)能量守恒定律，因而在孔板前后出現(xiàn)了靜壓差。通過(guò)測(cè)量此靜壓差便可以求出流速和流量。圖15-38節(jié)流件前后流速和壓力分布情況

（2）流量方程式當(dāng)連續(xù)流動(dòng)的流體流經(jīng)Ⅰ-Ⅰ截面時(shí)管中心的流速為v10，靜壓為p10，密度為ρ1，流體流經(jīng)Ⅱ-Ⅱ截面時(shí)管中心的流速為v20、靜壓為p20，密度為ρ2，由于流體運(yùn)動(dòng)的慣性，流束最小截面處不在節(jié)流孔中，而是在Ⅱ-Ⅱ截面處。對(duì)于不可壓縮的理想流體，即流體流過(guò)節(jié)流件時(shí)，流體不對(duì)外作功，和外界沒(méi)有熱交換，而且節(jié)流件前后的流體密度相等，即ρ1=ρ2=ρ。根據(jù)伯努利方程，在兩截面Ⅰ、Ⅱ處管中心流體的能量方程為

考慮流速分布的不均勻，及實(shí)際流體有粘性，在流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦力，其損失的能量為。在兩截面Ⅰ、Ⅱ處的能量方程可寫(xiě)成式中：C1、C2——截面Ⅰ、Ⅱ處流速分布不均勻的修正系數(shù)，C1=v10/v1,C2=v20/v2；

v1、v2——截面Ⅰ、Ⅱ的平均流速。由于流體流動(dòng)的連續(xù)性，則A1v1ρ=A2v2ρ

這樣我們可得

式中：m——開(kāi)口截面比，m=A0/A1,A1為Ⅰ-Ⅰ截面的流通面積；

μ——收縮系數(shù)，μ=A2/A0，A2為Ⅱ-Ⅱ截面流束的流通面積。

另外實(shí)際取壓是在管壁取的，所測(cè)得的壓力是管壁處的靜壓力，設(shè)實(shí)際取得的壓力為p1和p2，需引入一個(gè)取壓系數(shù)ψ，并取

根據(jù)流量的定義，我們可以得到體積流量與壓差Δp=p1-p2之間的流量方程式為體積流量質(zhì)量流量

式中，α為流量系數(shù)，

對(duì)于可壓縮流體，例如各種氣體及蒸氣通過(guò)節(jié)流元件時(shí)，由于壓力變化必然會(huì)引起密度ρ的改變，即ρ1≠ρ2，這時(shí)在公式中應(yīng)引入流束膨脹系數(shù)ε，可壓縮性流體流束膨脹系數(shù)ε小于1，如果是不可壓縮性流體，則ε=1。并規(guī)定流體密度用節(jié)流件前的流體密度ρ1，則可壓縮性流體的流量方程式變?yōu)?/p>

流量公式中的流量系數(shù)α與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、節(jié)流裝置開(kāi)孔直徑、流體流動(dòng)狀態(tài)（雷諾數(shù)）及管道條件等因素有關(guān)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，α值可直接從有關(guān)手冊(cè)中查出。3.差壓式流量檢測(cè)系統(tǒng)圖15-39差壓式流量檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

節(jié)流裝置是將被測(cè)流體的流量值變換成差壓信號(hào)Δp，節(jié)流裝置輸出的差壓信號(hào)由壓力信號(hào)管路輸送到差壓變送器（或差壓計(jì)）。由流量基本方程式可以看出，被測(cè)流量與差壓Δp成平方根關(guān)系，對(duì)于直接配用差壓計(jì)顯示流量時(shí)，流量標(biāo)尺是非線性的，為了得到線性刻度，可加開(kāi)方運(yùn)算電路或加開(kāi)方器。如差壓流量變送器帶有開(kāi)方運(yùn)算，變送器的輸出電流就與流量成線性關(guān)系。顯示儀表則顯示流量的大小。15.3.3電磁流量傳感器電磁流量傳感器是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量導(dǎo)電性液體的流量的。如圖15-40所示，在磁場(chǎng)中安置一段不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電的管道，管道外面安裝一對(duì)磁極，當(dāng)有一定電導(dǎo)率的流體在管道中流動(dòng)時(shí)就切割磁力線。與金屬導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一樣，在導(dǎo)體（流動(dòng)介質(zhì)）的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由設(shè)置在管道上的電極導(dǎo)出。該感應(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15-40電磁流量傳感器原理體積流量qv與流體流速v的關(guān)系為可得式中，K為儀表常數(shù)，

磁感應(yīng)強(qiáng)度B及管道內(nèi)徑D固定不變，則K為常數(shù)，兩電極間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ex與流量qv成線性關(guān)系，便可通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ex來(lái)間接測(cè)量被測(cè)流體的流量qv值。電磁流量傳感器的磁場(chǎng)有三種勵(lì)磁方式：直流勵(lì)磁、交流正弦波勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁。直流勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)是受交流磁場(chǎng)干擾小，因而液體中的自感現(xiàn)象可以忽略不計(jì)，缺點(diǎn)是在電極上產(chǎn)生的直流電勢(shì)引起管內(nèi)被測(cè)液體的電解，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，破壞了原來(lái)的測(cè)量條件。交流正弦波勵(lì)磁一般采用工頻（50Hz）交變電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)。交流勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)是能消除極化現(xiàn)象，輸出信號(hào)是交流信號(hào)，放大和轉(zhuǎn)換比較容易，但也會(huì)帶來(lái)一系列的干擾，如90°干擾、同相干擾等。低頻方波勵(lì)磁交流干擾影響小，又能克服極化現(xiàn)象，是一種比較好的勵(lì)磁方式。

電磁流量傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是很微小的，需通過(guò)電磁流量轉(zhuǎn)換器來(lái)顯示流量。常用的電磁流量轉(zhuǎn)換器能把傳感器的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流（0～10mA或4～20mA）信號(hào)或一定頻率的脈沖信號(hào)，配合單元組合儀表或計(jì)算機(jī)對(duì)流量進(jìn)行顯示、記錄、運(yùn)算、報(bào)警和控制等。電磁流量傳感器只能測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的流體流量。它適用于測(cè)量各種腐蝕性酸、堿、鹽溶液，固體顆粒懸浮物，粘性介質(zhì)（如泥漿、紙漿、化學(xué)纖維、礦漿）等溶液；也可用于各種有衛(wèi)生要求的醫(yī)藥、食品等部門(mén)的流量測(cè)量（如血漿、牛奶、果汁、鹵水、酒類等），還可用于大型管道自來(lái)水和污水處理廠流量測(cè)量以及脈動(dòng)流量測(cè)量等。15.3.4渦輪流量傳感器

渦輪流量傳感器類似于葉輪式水表，是一種速度式流量傳感器。圖15-41為渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是在管道中安裝一個(gè)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪，流體流過(guò)葉輪使葉輪旋轉(zhuǎn)，流量越大，流速越高，則動(dòng)能越大，葉輪轉(zhuǎn)速也越高。測(cè)量出葉輪的轉(zhuǎn)速或頻率，就可確定流過(guò)管道的流體流量和總量。圖15-41渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

渦輪由高導(dǎo)磁的不銹鋼制成，線圈和永久磁鋼組成磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器。測(cè)量時(shí)，當(dāng)流體通過(guò)渦輪葉片與管道間的間隙時(shí)，流體對(duì)葉片前后產(chǎn)生壓差推動(dòng)葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，高導(dǎo)磁性的渦輪葉片周期性地改變磁電系統(tǒng)的磁阻值，使通過(guò)線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化，因而在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，該電勢(shì)經(jīng)過(guò)放大和整形，便可得到足以測(cè)出頻率的方波脈沖，脈沖的頻率與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，即與流過(guò)流體的流量成正比。如將脈沖送入計(jì)數(shù)器就可求得累積總量。

在渦輪葉片的平均半徑rc處取斷面，并將圓周展開(kāi)成直線，便可畫(huà)出圖15-42。設(shè)流體速度v平行于軸向，葉片的切線速度u垂直于v，若葉片的傾斜角為α，便可寫(xiě)出u=ωrc=vtanα

或

式中：n——渦輪的轉(zhuǎn)速；

ω——渦輪的角速度。

設(shè)葉片縫隙間的有效流通面積為A，則瞬時(shí)體積流量為如渦輪上葉片總數(shù)為z，則線圈輸出脈沖頻率f就是nzHz，代入上式可得式中,ξ為儀表常數(shù)，渦輪流量傳感器具有安裝方便、精度高（可達(dá)0.1級(jí)）、反應(yīng)快、刻度線性及量程寬等特點(diǎn)，此外還具有信號(hào)易遠(yuǎn)傳、便于數(shù)字顯示、可直接與計(jì)算機(jī)配合進(jìn)行流量計(jì)算和控制等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等工業(yè)，氣象儀器和水文儀器中也常用渦輪測(cè)風(fēng)速和水速。圖15-42渦輪葉片及流體的速度分析15.3.5漩渦式流量傳感器

漩渦式流量傳感器是利用流體振蕩原理工作的。目前應(yīng)用的有兩種：一種是應(yīng)用自然振蕩的卡曼漩渦列原理；另一種是應(yīng)用強(qiáng)迫振蕩的漩渦旋進(jìn)原理。應(yīng)用振蕩原理的流量傳感器，前者稱為卡曼渦街流量傳感器（或渦街流量傳感器），后者稱為旋進(jìn)漩渦流量傳感器。渦街流量傳感器應(yīng)用相對(duì)較多，這里只介紹這種流量傳感器。

在流體的流動(dòng)方向上放置一個(gè)非流線型的物體（如圓柱體等），物體的下游兩側(cè)有時(shí)會(huì)交替出現(xiàn)漩渦（見(jiàn)圖15-43）。在物體后面兩排平行但不對(duì)稱的漩渦列稱為卡曼渦列（也稱為渦街）。漩渦的頻率一般是不穩(wěn)定的，實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)兩列漩渦的間距h與同列中相鄰漩渦的間距l(xiāng)滿足h/l=0.281（對(duì)于圓柱體）條件時(shí)，卡曼渦列才是穩(wěn)定的。并且每一列漩渦產(chǎn)生的頻率f與流速v、圓柱體直徑d的關(guān)系為式中,St為斯特羅哈爾系數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱的系數(shù)。圖15-43卡曼漩渦

St主要與漩渦發(fā)生體的形狀和雷諾數(shù)有關(guān)。在雷諾數(shù)為500～150000的區(qū)域內(nèi)，基本上是一個(gè)常數(shù)，如圖15-44所示。對(duì)于圓柱體St=0.20，三角柱體St=0.16。工業(yè)上測(cè)量的流速實(shí)際上幾乎不超過(guò)這個(gè)范圍，所以可以認(rèn)為頻率f只受流速v和漩渦發(fā)生體的特征尺寸d的支配，而不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等的影響。所以當(dāng)測(cè)得漩渦的頻率后，就可得到流體的流速v，即可以求得流體的體積流量qv。圖15-44斯特羅哈爾系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系漩渦頻率檢測(cè)元件一般是附在漩渦發(fā)生體上。圓柱體漩渦發(fā)生體采用鉑熱電阻絲檢測(cè)法，鉑熱電阻絲在圓柱體的空腔內(nèi)，如圖15-45所示。當(dāng)圓柱體的右下方產(chǎn)生漩渦時(shí)，作為漩渦回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的反作用，在圓柱周圍產(chǎn)生環(huán)流，見(jiàn)圖15-43中的虛線所示。這環(huán)流的速度分量加在原來(lái)的流動(dòng)上，所以圓柱體上側(cè)有增加流速的作用，圓柱體下側(cè)有減少流速的作用。這樣，有個(gè)從下到上的升力作用到圓柱體上，結(jié)果有部分流體從下方導(dǎo)壓孔吸入，從上方的導(dǎo)壓孔吹出。如果把鉑熱電阻絲用電流加熱到比流體溫度高出某個(gè)溫度，流體通過(guò)鉑熱電阻絲時(shí)，帶走它的熱量，從而改變它的電阻值，此電阻值的變化與發(fā)出漩渦的頻率相對(duì)應(yīng)，即由此便可檢測(cè)出與流速成比例的頻率。圖15-45圓柱體漩渦檢測(cè)原理圖三角柱漩渦發(fā)生體的漩渦頻率檢測(cè)原理圖如圖15-46所示。埋在三角柱正面的兩只熱敏電阻與其它兩只固定電阻構(gòu)成一個(gè)電橋，電橋通以恒定電流使熱敏電阻的溫度升高。由于產(chǎn)生漩渦處的流速較大，使熱敏電阻的溫度降低，阻值改變，電橋輸出信號(hào)。隨著漩渦交替產(chǎn)生，電橋輸出一系列與漩渦發(fā)生頻率相對(duì)應(yīng)的電壓脈沖。漩渦式流量傳感器在管道內(nèi)沒(méi)有可動(dòng)部件，使用壽命長(zhǎng)，線性測(cè)量范圍寬，幾乎不受溫度、壓力、密度、粘度等變化的影響，壓力損失小，傳感器的輸出是與體積流量成比例的脈沖信號(hào)，這種傳感器對(duì)氣體、液體均適用。圖15-46三角柱體漩渦檢測(cè)原理圖15.3.6質(zhì)量流量傳感器

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品交易中，由于物料平衡，熱平衡以及儲(chǔ)存、經(jīng)濟(jì)核算等人們常常需要的是質(zhì)量流量,因此在測(cè)量工作中，常常將已測(cè)出的體積流量乘以密度換算成質(zhì)量流量。而對(duì)于相同體積的流體，在不同溫度、壓力下，其密度是不同的，尤其對(duì)于氣體流體，這就給質(zhì)量流量的測(cè)量帶來(lái)了麻煩，有時(shí)甚至難以達(dá)到測(cè)量的要求。這樣便希望直接用質(zhì)量流量傳感器來(lái)測(cè)量質(zhì)量流量，無(wú)需進(jìn)行換算，這將有利于提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確度。

質(zhì)量流量傳感器大致分為