安全檢測技術(shù)（第三版）生產(chǎn)工藝參數(shù)檢測儀表

安全檢測技術(shù)生產(chǎn)工藝參數(shù)檢測儀表生產(chǎn)工藝參數(shù)檢測儀表

壓力檢測與儀表4.2液位檢測與儀表4.4流量檢測與儀表4.3溫度檢測與儀表4.14.1溫度檢測與儀表

溫度是表征平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量；溫度單位是國際單位制中七個基本單位之一。4.1溫度檢測與儀表

4.1.1溫標及測溫方法分類

1.溫標

為了保證溫度量值的統(tǒng)一，必須建立一個用來衡量溫度高低的標準尺度，這個標準尺度稱為溫標。溫度的高低必須用數(shù)字來說明，溫標就是溫度的一種數(shù)值表示方法，并給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，同時明確了溫度的測量單位。人們一般是借助于隨溫度變化而變化的物理量（如體積、壓力、電阻、熱電勢等）來定義溫度數(shù)值，建立溫標和制造各種各樣的溫度檢測儀表。各種溫度計和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標確定。

1）經(jīng)驗溫標

Ⅰ.攝氏溫標

攝氏溫標是把在標準大氣壓下水的冰點定為零攝氏度，把水的沸點定為100攝氏度的一種溫標。在0攝氏度到100攝氏度之間進行100等分，每一等分為1攝氏度，單位符號為℃。

Ⅱ.華氏溫標

人們規(guī)定標準大氣壓下的純水的冰點溫度為32華氏度，水的沸點定為212華氏度，中間劃分180等分。每一等分稱為1華氏度。單位符號為℉。Ⅲ.列氏溫標

列氏溫標規(guī)定標準大氣壓下純水的冰融點為0列氏度，水沸點為80列氏度，中間等分為80等分，每一等分為1列氏度。單位符號為°R。攝氏、華氏、列氏溫度之間的換算關(guān)系為（4-1）

式中:C——攝氏溫度值；F——華氏溫度值；R——列氏溫度值。攝氏溫標、華氏溫標都是用水銀作為溫度計的測溫介質(zhì)，而列氏溫標則是用水和酒精的混合物來作為測溫物質(zhì)的。但它們均是依據(jù)液體受熱膨脹的原理來建立溫標和制造溫度計的。

2）熱力學(xué)溫標

1848年英國科學(xué)家開爾文（Kelvin）提出以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)建立熱力學(xué)溫標。他根據(jù)熱力學(xué)理論，認為物質(zhì)有一個最低溫度點存在，定為0K，把水的三相點溫度273.15K選作唯一的參考點,在該溫標中不會出現(xiàn)負溫度值。從理想氣體狀態(tài)方程入手可以復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標，稱做絕對氣體溫標。這兩種溫標在數(shù)值上完全相同，而且與測溫物質(zhì)無關(guān)。由于不存在理想氣體和理想卡諾熱機，故這類溫標是無法實現(xiàn)的。

3）國際溫標

國際溫標是用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標的，其指導(dǎo)思想是采用氣體溫度計測出一系列標準固定溫度（相平衡點），以它為依據(jù)在固定點中間規(guī)定傳遞的儀器及溫度值的內(nèi)插公式。第一個國際溫標制定于1927年，此后隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進步，溫標的探索也在不斷地進展，1989年7月國際計量委員會批準了新的國際溫標，簡稱ITS－90。我國于1994年起全面推行ITS－90新溫標。

ITS－90同時定義國際開爾文溫度（變量符號為T90）和國際攝氏溫度（變量符號為t90）。水三相點熱力學(xué)溫度為273.15K，攝氏度與開爾文度保留原有簡單的關(guān)系式

（4-2）

ITS-90規(guī)定把整個溫標分成四個溫區(qū)，其相應(yīng)的標準儀器如下：①0.65～5.0K之間，T90用3He和4He蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義；②3.0～24.5561K（氖三相點）之間，用氦氣體溫度計來定義；③13.8033K（平衡氫三相點）～1234.93k（銀凝固點）之間，用基準鉑電阻溫度計來定義；④1234.94k以上，用單色輻射溫度計或光電高溫計來復(fù)現(xiàn)。①和②為低溫區(qū)，③為中溫區(qū)，④為高溫區(qū)。

ITS-90對某些純物質(zhì)各相（固、液體）間可復(fù)現(xiàn)的平衡態(tài)之溫度賦予給定值，即給予了定義，定義的固定點共17個。

2.溫度檢測的主要方法及分類溫度檢測方法一般分為兩大類，即接觸測量法和非接觸測量法。

1）接觸式測溫方法

接觸式測溫方法是使溫度敏感元件和被測溫度對象相接觸，當被測溫度與感溫元件達到熱平衡時，溫度敏感元件與被測溫度對象的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，精度高，穩(wěn)定性好，價格低廉等優(yōu)點。這類測溫方法的溫度傳感器主要有：基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度傳感器；基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的電阻式溫度傳感器；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度傳感器。

2）非接觸式測溫方法

非接觸式測溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān)，并且以電磁波形式向四周輻射，當選擇合適的接收檢測裝置時，便可測得被測對象發(fā)出的熱輻射能量，并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號，實現(xiàn)溫度的測量。這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測量滯后和在溫度范圍上的限制，可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測溫度場，但精度較低，使用不太方便。

表4-1溫度檢測方法的分類

表4-1溫度檢測方法的分類

4.1.2接觸式溫度傳感器

1.熱膨脹式溫度傳感器

1)雙金屬溫度計

固體膨脹式溫度計中最常見的是雙金屬溫度計，其典型的敏感元件為兩種粘在一起且膨脹系數(shù)有差異的金屬。雙金屬片組合成溫度檢測元件，也可以直接制成溫度測量的儀表。通常的制造材料是高錳合金與殷鋼。殷鋼的膨脹系數(shù)僅為高錳合金的1/20，兩種材料制成疊合在一起的簿片，其中膨脹系數(shù)大的材料為主動層，小的為被動層。將復(fù)合材料的一端固定，另一端自由。在溫度升高時，自由端將向被動層一側(cè)彎曲，彎曲程度與溫度相關(guān)。自由端焊上指針和轉(zhuǎn)軸則隨溫度可以自由旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成了室溫計和工業(yè)用的雙金屬溫度計，它也可用來實現(xiàn)簡單的溫度控制。雙金屬溫度計敏感元件如圖4-1所示。

圖4-1雙金屬溫度計敏感元件

由兩種熱膨脹系數(shù)a不同的金屬片組合而成，例如一片用黃銅，a=22.8×10-6℃-1，另一片用鎳鋼a=1×10-6℃-1～2×10-6℃-1，將兩片粘貼在一起，并將其一端固定，另一端設(shè)為自由端，自由端與指示系統(tǒng)相連接。當溫度由t0變化到t1時，由于A,B兩者熱膨脹不一致而發(fā)生彎曲，最后導(dǎo)致自由端產(chǎn)生一定的角位移，角位移的大小與溫度成一定的函數(shù)關(guān)系，通過標定刻度，即可測量溫度。雙金屬溫度計一般應(yīng)用在-80℃～600℃范圍內(nèi)，最好情況下，精度可達0.5～1.0級，常被用作恒定溫度的控制元件。

一般用途的恒溫箱、加熱爐等就是采用雙金屬片來控制和調(diào)節(jié)”恒溫”的，如圖4-2所示。圖4-2雙金屬控制恒溫箱示意圖

2）壓力式溫度計壓力式溫度計是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體在定容條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理制成的。主要由感溫包、傳遞壓力元件（毛細管）、壓力敏感元件（彈簧管、膜盒、波紋管等）、齒輪或杠桿傳動機構(gòu)、指針和讀數(shù)盤組成，如圖4－3所示。圖4-3壓力式溫度計

2.熱電偶

1）熱電偶的特點

（1）溫度測量范圍。熱電偶的品種較多，它可以測量自-271～2800℃乃至更高的溫度。（2）性能穩(wěn)定、準確可靠。熱電偶的性能是很穩(wěn)定的，其精度高，測量準確可靠。（3）信號可以遠傳和記錄。熱電偶能將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，因此可以遠距離傳遞，也可以集中檢測和控制。此外，熱電偶的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，其測量端能做得很小。因此，可以用它來測量“點”的溫度。又由于它的熱容量小，因此反應(yīng)速度很快。

2）熱電偶的測溫原理

Ⅰ.熱電效應(yīng)

熱電偶測溫是基于熱電效應(yīng)。在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個結(jié)點的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個電動勢，通常我們稱這種電動勢為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)，如圖4-4所示。圖4-4熱電偶的測溫原理

在熱電偶的兩個結(jié)點中，位于被測溫度（T）中的結(jié)點1稱為工作端（熱端），而處于恒定溫度（T0）中的結(jié)點2稱為參考端（冷端）。由于熱電效應(yīng)，回路中產(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢E。當兩個結(jié)點間的溫差越大，產(chǎn)生的電動勢就越大。通過測量熱電偶輸出的電動勢的大小，就可以得到被測溫度的大小。熱電偶的熱電勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成的。

Ⅱ.接觸電勢

兩種材料不同的導(dǎo)體A和B接觸在一起時，由于自由電子濃度不同，便在接觸處發(fā)生電子擴散，若導(dǎo)體A、B的電子濃度分別為NA、NB，且NA>NB，則在單位時間內(nèi)，由A擴散到B的電子數(shù)要多于由B擴散到A的電子數(shù)。所以，導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B因得到電子而帶負電，在A、B的接觸面處便形成一個從A到B的靜電場。這個電場又阻止電子繼續(xù)由A向B擴散。當電子擴散能力與此電場阻力相平衡時，自由電子的擴散達到了動態(tài)平衡，這樣在接觸處形成一個穩(wěn)定的電動勢，稱為接觸電勢。在圖4-4回路中，T點的接觸電勢其大小為（4-3）

上式中:EAB（T）為導(dǎo)體A、B在溫度T的接觸電勢；T為接觸處絕對溫度，K為波耳茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；e為電子電荷，e=1.60×10-19C。，NA(t）、NB（t)為A、B兩種材料在溫度t時的自由電子密度。在圖4-4回路中，T0點的接觸電勢其大小為（4-4）

在圖4-4回路的接觸電勢為

可以看出:1.如果熱電偶的兩個電極材料相同(NA=NB)，則不會產(chǎn)生接觸電勢。因此，熱電偶的兩個電極材料必須不同。

2.熱電偶回路總接觸電勢的大小只與熱電極材料及兩接點的溫度有關(guān)，當兩接點的溫度相等時（t=t0），總接觸電勢為零。（4-5）

Ⅲ.溫差電勢

溫差電勢（也稱湯姆遜電勢）是指在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動勢。導(dǎo)體A兩端的溫度分別為T0和T時的溫差電勢表示為EA（T，T0）。設(shè)導(dǎo)體A(或B)兩端溫度分別為T0和T，且T>T0。此時導(dǎo)體A(或B)內(nèi)形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴散到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因獲得電子而帶負電荷。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最后使電子擴散達到動平衡，此時形成溫差電勢。在圖4-4回路中，A導(dǎo)體上的溫差電勢EA(T,T0)為

（4-6）

B導(dǎo)體上的溫差電勢EB(T,T0)為

（4-7）

則在導(dǎo)體A、B組成的熱電偶回路中，兩導(dǎo)體上產(chǎn)生的溫差電勢之和為（4-8）

Ⅳ.熱電偶閉合回路的總電勢

在圖4-4回路中，接觸點1處將產(chǎn)生接觸電勢EAB(T)，接觸點2處將產(chǎn)生接觸電勢EAB(T0)，導(dǎo)體A上將產(chǎn)生溫差電勢EA（T，T0）

，導(dǎo)體B上將產(chǎn)生溫差電勢EB（T，T0）

，所以熱電偶回路中的熱電勢為接觸電勢與溫差電勢之和，取EAB（T）的方向為正向，則整個回路總熱電勢可表示為：EAB（T，T0）=［EAB（T）-EAB（T0）］

+［EA（T，T0）-EB（T，T0）］

（4-9）

通常情況下，溫差電勢比較小，因此

EAB（T，T0）≈EAB（T）-EAB（T0）

（4-10）

如果能使冷端溫度T0固定，即EAB（T0）=C(常數(shù))，則對確定的熱電偶材料，其總電勢EAB（T，T0）就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即EAB（T，T0）≈EAB（T）-C

(4-11)

根據(jù)國際溫標規(guī)定：在T0=0℃時，用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，并將其列成一張表格，這就是常說的分度表。同時，需注意以下幾點：

(1)兩種相同材料的導(dǎo)體構(gòu)成熱電偶時，其熱電勢為零；

(2)當兩種導(dǎo)體材料不同，但兩端溫度相同時，其熱電偶的熱電勢為零；

(3)熱電勢的大小只與電極的材料和結(jié)點的溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀無關(guān)。

3)熱電偶基本定律

Ⅰ.中間導(dǎo)體定律

熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則對熱電偶回路總的熱電勢沒有影響，如圖4-5所示。

圖4-5中間導(dǎo)體定律

熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體C后的熱電勢為EABC（T，T0）=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）（4-13）

即EBC（T0）+ECA（T0）=-EAB（T0）

（4-14）

所以

EABC（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T，T0）

（4-15）

根據(jù)這個定律，熱電偶回路中可以接入各種類型的儀表，也允許熱電偶采用任意焊接方法來焊接熱電極。

Ⅱ.中間溫度定律

熱電偶在結(jié)點溫度為（T，T0）時的熱電勢，等于在結(jié)點溫度為（T，Tn）及（Tn，T0）時的熱電勢之和，其中，Tn

稱為中間溫度，如圖4-6所示。其熱電勢可用下式表示：

（4-16）

EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）

圖4-6中間溫度定律

中間溫度定律的實用價值在于：

(1)當熱電偶冷端不為0℃時，可用中間溫度定律加以修正；

(2)由于熱電偶電極不能做得很長，可根據(jù)中間溫度定律選用適當?shù)难a償導(dǎo)線。

Ⅲ.標準電極定律如圖4-7所示，如果A、B兩種導(dǎo)體分別與第3種導(dǎo)體C組成熱電偶，當兩結(jié)點溫度為（T，T0）時熱電勢分別為EAC（T，T0）和EBC（T，T0），那么在相同溫度下，由A、B兩種熱電偶配對后的熱電勢為EAB（T，T0）=EAC（T，T0）-EBC（T，T0）

（4-17）

圖4-7標準電極定律

因此，采用同一個標準熱電極與不同的材料組成熱電偶，先測試出各熱電勢，再計算合成熱電勢，這是測試熱電偶材料的通用方法，可大大簡化熱電偶的選配工作。由于純鉑絲的物理和化學(xué)性能穩(wěn)定、熔點高、易提純，它常被用作標準電極。

Ⅳ.均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論導(dǎo)體的截面和長度如何，以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。這條定理說明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。4）熱電偶的材料熱電偶的材料

5）熱電偶的分類按熱電偶材料分類有廉金屬、貴金屬、難熔金屬和非金屬四大類。廉金屬中有鐵—康銅、銅—康銅、鎳鉻—考銅、鎳鉻—康銅、鎳鉻—鎳硅（鎳鋁）等；貴金屬中有鉑銠10—鉑、鉑銠13—鉑、鉑銠系、銥銠系、銥釕系和鉑銥系等；難熔金屬中有鎢錸系、鎢鉑系、銥鎢系和鈮鈦系等；非金屬中有二碳化鎢—二碳化鉬、石墨—碳化物等。如表4-2所示。表4-2熱電偶的分類

(1)鉑銠10—鉑熱電偶（S型）。這是一種貴金屬熱電偶，由直徑為0.5mm以下的鉑銠合金絲（鉑90%，銠10%）或純鉑絲制成。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故這種熱電偶的復(fù)制精度和測量準確度較高，可用于精密溫度測量。在氧化性或中性介質(zhì)中具有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，在1300℃以下范圍內(nèi)可長時間使用。其主要缺點是金屬材料的價格昂貴；熱電勢小，而且熱電特性曲線非線性較大；在高溫時易受還原性氣體所發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質(zhì)，失去測量準確度。

(2)鉑銠13—鉑銠熱電偶（B型）。它也是貴金屬熱電偶，長期使用的最高溫度可達600℃,短期使用可達1800℃，它宜在氧化性和中性介質(zhì)中使用，在真空中可短期使用。它不能在還原性介質(zhì)及含有金屬或非金屬蒸汽的介質(zhì)中使用，除非外面套有合適的非金屬保護管才能使用。它具有鉑銠10—鉑的各種優(yōu)點，抗污染能力強；主要缺點是靈敏度低、熱電勢小，因此，冷端在40℃以上使用時，可不必進行冷端溫度補償。

(3)鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶（K型）。由鎳鉻與鎳硅制成，熱電偶絲直徑一般為1.2～2.5mm。鎳鉻為正極，鎳硅為負極。該熱電偶化學(xué)穩(wěn)定性較高，可在氧化性介質(zhì)或中性介質(zhì)中長時間地測量900℃以下的溫度，短期測量可達1200℃；如果用于還原性介質(zhì)中，就會很快地受到腐蝕，在此情況下只能用于測量500℃以下溫度。這種熱電偶具有復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電勢大，線性好，價格便宜等優(yōu)點。雖然測量精度偏低，但完全能滿足工業(yè)測量要求，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。表4-3為其分度表。

表4-3K型熱電偶分度表

例：用鎳鉻一鎳硅（K型）熱電偶測量某一物體溫度，已知熱電偶參考端溫度為30℃，測得熱電動勢為33.686mV，求被測物體溫度為多少？

解：查K型熱電偶分度表可知

En（30，0）=1.203mV

已知：Ek（T，30）=33.686mV

計算：Ek（T，0）=Ek（T，30）+En（30，0）

=33.686+1.203=34.889mV

再查表可知：被測物體溫度大約為840℃。

(4)鎳鉻一康銅熱電偶（E型）。其正極為鎳鉻合金，9%～10%鉻,0.4%硅，其余為鎳；負極為康銅,56%銅，44%硅。鎳鉻一康銅熱電偶的熱電勢是所有熱電偶中最大的，如EA（100.0）=6.95mV，比鉑銠一鉑熱電偶高了十倍左右，其熱電特性的線性也好，價格又便宜。它的缺點是不能用于高溫，長期使用溫度上限為600℃,短期使用可達800℃；另外，康銅易氧化而變質(zhì)，使用時應(yīng)加保護套管。以上幾種標準熱電偶的溫度與電勢特性曲線如圖4-8所示。圖4-8熱電偶的溫度與電勢特性曲線

(5)鎢錸系熱電偶。該熱電偶屬廉價熱電偶，可用來測量高達2760℃的溫度，通常用于測量低于2316℃的溫度，短時間測量可達3000℃。這種系列熱電偶可用于干燥的氫氣、中性介質(zhì)和真空中，不宜用在還原性介質(zhì)、潮濕的氫氣及氧化性介質(zhì)中。常用的鎢錸系熱電偶有鎢—鎢錸26，鎢錸—鎢錸25，鎢錸5—鎢錸20和鎢鋅5—鎢錸26，這些熱電偶的常用溫度為300～2000℃，分度誤差為±1%。

(6)銥銠系熱電偶。該熱電偶屬貴金屬熱電偶。銥銠—銥熱電偶可用在中性介質(zhì)和真空中，但不宜在還原性介質(zhì)中，在氧化性介質(zhì)中使用將縮短壽命。它們在中性介質(zhì)和真空中測溫可長期使用到2000℃左右。它們熱電勢雖較小，但線性好。

(7)鎳鈷—鎳鋁熱電偶。測溫范圍為300～1000℃。其特點是在300℃以下熱電勢很小，因此不需要冷端溫度補償。

6）熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶的基本組成包括熱電極、絕緣套管、保護套管和接線盒等部分，其結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。熱電偶的結(jié)構(gòu)形式各種各樣，按其結(jié)構(gòu)形式，熱電偶可分為以下4種形式:

Ⅰ.普通型熱電偶

這類熱電偶主要用來測量氣體、蒸氣和液體介質(zhì)的溫度，目前已經(jīng)標準化、系列化。

6）熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶的基本組成包括熱電極、絕緣套管、保護套管和接線盒等部分，其結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。圖4-9熱電偶的結(jié)構(gòu)

Ⅱ.鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶又稱纜式熱電偶，它是將熱電極、絕緣材料和金屬保護套三者結(jié)合成一體的特殊結(jié)構(gòu)形式，其斷面結(jié)構(gòu)如圖4-10所示。它具有體積小、熱慣性小、精度高、響應(yīng)快、柔性強的特點，廣泛用于航空、原子能、冶金、電力、化工等行業(yè)中。

Ⅰ.普通型熱電偶

這類熱電偶主要用來測量氣體、蒸氣和液體介質(zhì)的溫度，目前已經(jīng)標準化、系列化。圖4-10鎧裝熱電偶斷面結(jié)構(gòu)

Ⅲ.薄膜熱電偶薄膜熱電偶是采用真空蒸鍍的方法，將熱電偶材料蒸鍍在絕緣基板上而成的熱電偶。它可以做得很薄，具有熱容量小、響應(yīng)速度快的特點，適于測量微小面積上的瞬變溫度。

Ⅳ.快速消耗型熱電偶這種熱電偶是一種專用熱電偶，主要用于測量高溫熔融物質(zhì)的溫度，如鋼水溫度，通常是一次性使用。這種熱電偶可直接用補償導(dǎo)線接到專用的快速電子電位差計上，直接讀取溫度。

7）熱電偶的參考端的處理從熱電偶測溫基本公式可以看到，對某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān)，即熱電偶的分度表是以t0=0℃作為基準進行分度的。而在實際使用過程中，參考端溫度往往不為0℃，因此需要對熱電偶參考端溫度進行處理。熱電偶的冷端溫度補償有下面幾種方法：

（1）溫度修正法。采用補償導(dǎo)線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要參考端溫度不等于0℃，需要對熱電偶回路的電勢值加以修正，修正值為EAB（t0,0）。經(jīng)修正后的實際熱電勢可由分度表中查出被測實際溫度值。

（2）冰浴法。在實驗室及精密測量中，通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，以便參考端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。（3）補償電橋法。補償電橋法是在熱電偶與顯示儀表之間接入一個直流不平衡電橋，也稱冷端溫度補償器，如圖4-11所示。圖4-11具有補償電橋的熱電偶測量線路

（4）補償導(dǎo)線法。在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸?shù)竭h離現(xiàn)場數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導(dǎo)線，它通常由兩種不同性質(zhì)的廉價金屬導(dǎo)線制成，而且要求在0～100℃的溫度范圍內(nèi)，補償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。常用熱電偶的補償導(dǎo)線如表4-4所示。表4-4常用熱電偶的補償導(dǎo)線規(guī)格

熱電偶測溫的特點：

3.熱電阻

1）工作原理

大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻具有隨溫度變化的特性，其特性方程如下：Rt=R0［1+a(t-t0)］

（4-18）

Ｒt:絕對溫度ｔ時金屬的電阻值；Ｒ0:基準狀態(tài)t0時的電阻值；α:熱電阻的溫度系數(shù)（1/℃）。絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，α是溫度的函數(shù)，但在一定的溫度范圍內(nèi)，可看成一個常數(shù)。

2)熱電阻材料

3）熱電阻類型

Ⅰ.鉑熱電阻（WZP型號）

鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電阻主要作為標準電阻溫度計，廣泛應(yīng)用于溫度的基準、標準的傳遞。鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系：在0～850℃范圍內(nèi)為：（4-19）

在-190～０℃范圍內(nèi)為

（4－20）

R0為溫度為0℃時的電阻值；t為任意溫度值；Ａ為分度系數(shù)，A=3.90802×10-3℃-1；B為分度系數(shù)，B=5.802×10-7℃-2；C為分度系數(shù)，C=4.27350×10-12℃-4。

鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W（100）表示，即（4-21）

式中R100為鉑熱電阻在100℃時的電阻值；R0為鉑熱電阻在0℃時的電阻值。電阻比W（100）越大，其純度越高。按IEC標準，工業(yè)使用的鉑熱電阻的W（100）≧1.3850。目前技術(shù)水平可達到W（100）=1.3930其對應(yīng)鉑的純度為99.9995%。鉑熱電阻的特點：表4-5鉑熱電阻Pt100的分度表

Ⅱ.銅熱電阻（WZC型號）

鉑電阻雖然優(yōu)點多，但價格昂貴。銅易于提純，價格低廉，電阻-溫度特性線性較好。在測量精度要求不高且溫度較低的場合，銅電阻得到廣泛應(yīng)用。銅的電阻溫度系數(shù)大，易加工提純，其電阻值與溫度呈線性關(guān)系，價格便宜，在-50～150℃內(nèi)有很好的穩(wěn)定性。但溫度超過150℃后易被氧化而失去線性特性，因此，它的工作溫度一般不超過150℃。

銅的電阻率小，要具有一定的電阻值，銅電阻絲必須較細且長，則熱電阻體積較大，機械強度低。在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度近似呈現(xiàn)性關(guān)系，可用下式表示，即（4-22）

由于B、C比A小得多，所以可以簡化為（4-23）上式中:Rt是溫度為t℃時銅電阻值；R0是溫度為0℃時銅電阻值；A是常數(shù)，A=4.28×10-3℃-1。

銅電阻的R0分度表號Cu50為50Ω；Cu100為100Ω。銅的電阻率僅為鉑的幾分之一。因此，銅電阻所用阻絲細而且長，機械強度較差，熱慣性較大，在溫度高于100℃以上或侵蝕性介質(zhì)中使用時，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無侵蝕性的介質(zhì)中。熱電阻新、舊分度號如表4-6所示。表4-6熱電阻新、舊分度號

銅熱電阻特點

Ⅲ.其他熱電阻近年來，對低溫和超低溫測量方面，采用了新型熱電阻。銦電阻是用99.999％高純度的銦繞成電阻?？稍谑覝氐?2Ｋ溫度范圍內(nèi)使用，42～15Ｋ溫度范圍內(nèi)，靈敏度比鉑高10倍。缺點是材料軟，復(fù)制性差。

3）熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護套管、引線和接線盒等組成，如圖4-12所示。

圖4-12熱電阻傳感器結(jié)構(gòu)（a）熱電阻傳感器結(jié)構(gòu);

（b）電阻體結(jié)構(gòu)

熱電阻的結(jié)構(gòu)特點

例題：用分度號為Cu50（Ro=50Ω）的銅熱電阻測溫，測得某介質(zhì)溫度為100℃，若α=4.28×10-3

／℃。求:（1）此時的熱電阻值是多少？（2）但檢定時發(fā)現(xiàn)該電阻的Ro＝51Ω，求由此引起的熱電阻值絕對誤差和相對誤差。

解：(1）根據(jù)Rt=Ro［1+at］，代入數(shù)值，可求得120℃時的熱電阻值

Rt=50×［1+4.28×10-3×100］=71.4

Ω

（2）當Ｒo=51Ω時，計算得

Rt’=51×［1+4.28×10-3×100］=72.82

Ω

則絕對誤差:△R=Rt’-Rt=72.82

-71.4=

1.42 Ω

相對誤差:

熱電阻測溫特點

4.1.3非接觸式測溫

1.黑體輻射定律

輻射測溫的理論基礎(chǔ)是黑體輻射定律，黑體是指能對落在它上面的輻射能量全部吸收的物體。自然界中任何物體只要其溫度在絕對零點以上，就會不斷地向周圍空間輻射能量。溫度愈高，輻射能量就愈多。黑體輻射滿足下述各定律。

1）普朗克定律

當黑體的溫度為T(K)時，它的每單位面積向半球面方向發(fā)射的對應(yīng)于某個波長的單位波長間隔、單位時間內(nèi)的輻射能量與波長、溫度的函數(shù)關(guān)系為（4-24）

式中Eb(λ，T)為黑體在溫度T、波長λ、單位時間、單位波長間隔輻射的能量，W／(cm2·μm)；C1為普朗克第一輻射常數(shù)，C1=3.7413×10-12W·μm/cm2；C2為普朗克第二輻射常數(shù)，C2=1.4388cm·K；λ為輻射波長，μm；T為黑體表面的絕對溫度，K。

2）維恩位移定律黑體對應(yīng)最大輻射能量的波長隨溫度的升高，而向短波方向移動，其關(guān)系為（4-25）

式中:λm為對應(yīng)黑體輻射能量最大值的波長，μm；T為黑體表面的絕對溫度，K。式(4-25)稱為維恩位移定律?？梢?，對于溫度較低的黑體，其輻射能量主要在長波段。當它的溫度升高時，輻射能量增加。對應(yīng)最大輻射能量的波長向短波方向移動。

3）斯忒藩—玻耳茲曼定律

在一定的溫度下，黑體在單位時間內(nèi)單位面積輻射的總能量為（4-26）

式中，α為斯忒藩一玻耳茲曼常數(shù)，α=5.67×10-12W／(cm2·K4)。上述各定律只適用于黑體。實際物體都是非黑體，它們的輻射能力均低于黑體。實際物體的輻射能量與黑體在相同溫度下的輻射能量之比稱為該物體的比輻射率或黑度，記為ε，則（4-27）

2.輻射測溫方法

1）亮度測溫法亮度溫度的定義是：某一被測體在溫度為T、波長為λ時的光譜輻射能量，等于黑體在同一波長下的光譜輻射能量。此時，黑體的溫度稱為該物體在該波長下的亮度溫度(簡稱亮溫)。由普朗克定律可以得到（4-28）

式中:λe為有效波長；ελ為有效波長λe的比輻射率；T為被測體的真溫；TL為被測體的亮溫。

2）比色測溫法

比色溫度的定義是：黑體在波長λ1和λ2下的光譜輻射能量之比等于被測體在這兩個波長下的光譜輻射能量之比，此時黑體的溫度稱為被測體的比色溫度(簡稱色溫)。由普朗克定律可求得被測體的溫度與其色溫的關(guān)系為（4-29）

式中:Tc為被測體的色溫；T為被測體溫度；ε1、ε2分別為被測體對應(yīng)于波長λ1和λ2的比輻射率。當比輻射率ε1、ε2為已知時，根據(jù)式(4－29)可由測得的色溫求出被測體的真溫。

3）全輻射測溫法全輻射測溫的理論依據(jù)是斯忒藩—玻耳茲曼定律。全輻射溫度的定義是：當某一被測體的全波長范圍的輻射總能量與黑體的全波長范圍的輻射總能量相等時，黑體的溫度就稱為該被測體的全輻射溫度。此時有（4-30）

當被測體的全波比輻射率ε為已知時，可由式(4-30)校正后，求得真溫T。由上述三種測溫原理可知，比色測溫與亮度測溫都具有較高的精度。比色測溫的抗干擾能力強，在一定程度上可以消除電源電壓的影響和背景雜散光的影響等。全輻射測溫容易受背景干擾。從三種輻射測溫原理可見，輻射法測溫并非直接測得物體的真溫，每種方法都需要由已知的比輻射率校正后求出真溫。這樣，由于比輻射率的測量誤差將會影響輻射測溫結(jié)果的準確性，這是輻射測溫法的缺點。因此，盡管輻射測溫具有很多優(yōu)點，但測溫精度還不夠高，這在一定程度上影響了它的使用。加之，輻射測溫儀器復(fù)雜，價格較貴，因此它的使用范圍遠不及接觸式測溫儀表廣泛。

3.輻射測溫儀表

1）光學(xué)高溫計

光學(xué)高溫計按其結(jié)構(gòu)可分為燈絲隱滅式和燈絲恒亮式兩類。燈絲隱滅式是光學(xué)高溫計中最完善的一類。

當被測物體輻射的單色亮度與光學(xué)高溫計內(nèi)燈絲的單色亮度相等時，兩者的溫度便是一致的，而燈絲的溫度可由流過它的電流的大小來確定。測量時，將光學(xué)高溫計對準被測體。調(diào)節(jié)燈絲電流、改變燈絲的亮度，使之與被測物體亮度相等。這時被測體輻射強度就等于標準燈泡燈絲的輻射強度，燈絲便消失在被測物的背景之中。燈絲的電流與它的溫度有著確定的關(guān)系，因此可把電流值直接刻度成溫度值。光電高溫計的工作原理如圖4-18所示。圖4-18光電高溫計原理圖

2）光電比色高溫計

光電比色高溫計在光路結(jié)構(gòu)上與光電亮度高溫計有很多相似之處，它是利用被測對象兩個不同波長的輻射能量之比與其溫度之間的關(guān)系來實現(xiàn)輻射測量的。圖4-19是雙通道光電比色高溫計的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4-19雙通道式光電比色高溫計的結(jié)構(gòu)原理圖

3）全輻射溫度計

全輻射溫度計的工作原理如圖4-20所示。與前面幾種輻射溫度計相比，它是把被測體的所有波長的能量全部接收下來，而不需要變?yōu)閱紊?。因此，全輻射式溫度計要求光敏元件對整個光譜的光都能較好的響應(yīng)。一般選用熱電堆或熱釋電器件。熱釋電器件近年來應(yīng)用較多。它的響應(yīng)速度快，并且有很寬的動態(tài)范圍，對光譜輻射的響應(yīng)幾乎與波長無關(guān)，直到遠紅外波段靈敏度都相當均勻。圖4-20全輻射溫度計的工作原理

4.1.4溫度檢測儀表的選用溫度檢測儀表的選用應(yīng)根據(jù)工藝要求，正確選擇儀表的量程和精度。正常使用溫度范圍，一般為儀表量程的30％～90％?，F(xiàn)場直接測量的儀表可按工藝要求選用。

玻璃液體溫度計具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量準確、價格便宜等優(yōu)點，但強度差、容易損壞，通常用于指示精度較高，現(xiàn)場沒有震動的場合，還可作溫度報警和位式控制。

雙金屬溫度計具有體積小、使用方便、刻度清晰、機械強度高等優(yōu)點，但測量誤差較大，適用于指示清晰，有震動的場合，也可作報警和位式控制。

壓力式溫度計有充氣式、充液體式和充蒸汽式三種?？梢詫崿F(xiàn)溫度指示、記錄、調(diào)節(jié)、遠傳和報警，刻度清晰，但毛細管的機械強度較差，測量誤差較大，一般用于就地集中測量或要求記錄的場合。

熱敏電阻溫度計具有體積小、靈敏度高、慣性小、結(jié)實耐用等優(yōu)點，但是熱敏電阻的特性差異很大，可用于間斷測量固體表面溫度的場合。

熱電偶測溫適應(yīng)性強，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟方便，應(yīng)用廣泛。需注意寄生熱電勢及動圈式儀表電阻對測量結(jié)果的影響。

熱電阻測溫精度及靈敏度均較好，需注意環(huán)境溫度的影響。

輻射型溫度計測溫度必須考慮現(xiàn)場環(huán)境條件，如受水蒸氣、煙霧、一氧化碳、二氧化碳等影響，應(yīng)采取相應(yīng)措施，克服干擾。

光學(xué)高溫計具有測溫范圍廣、使用攜帶方便等優(yōu)點，但是只能目測，不能記錄或控制溫度。

輻射感溫器具有性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點，與顯示儀表配套使用能連續(xù)指示記錄和控制溫度，但測出的物體溫度和真實溫度相差較大，使用時應(yīng)進行修正。當與瞄準管配套測量時，可測得真實溫度。習題：2，3，5，6，7，8，94.2壓力檢測與儀表4.2.1壓力檢測的概念與分類

工程上把垂直均勻作用在單位面積上的力稱為壓力，即物理學(xué)中定義的壓強。

1.壓力的描述與單位（1）絕對壓力。指作用于物體表面上的全部壓力，其零點以絕對真空為基準，又稱總壓力或全壓力，一般用大寫字母P表示。（2）大氣壓力。指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以P0表示。（3）相對壓力。指絕對壓力與大氣壓力之差，一般用P表示。當絕對壓力大于大氣壓力時，稱為正壓力，簡稱壓力，又稱表壓力；當絕對壓力小于大氣壓力時，稱為負壓，負壓又可用真空度表示，負壓的絕對值稱為真空度。測壓儀表指示的壓力一般都是表壓力。

（4）差壓。任意兩個壓力之差稱為差壓。壓力在國際單位制中的單位是牛頓／米2（N／m2），通常稱為帕斯卡或簡稱帕（Pa）。由于帕的單位很小，工業(yè)上一般采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作為壓力的單位。標準大氣壓（760mmHg）是指0℃時水銀密度為13.5951g／cm3，在標準重力加速度9.80665m／s2下高760mm水銀柱對底面的壓力；毫米水柱（mrnH2O）是指標準狀態(tài)下高lmm的水柱對底面的壓力；毫米汞柱（mmHg）指標準狀態(tài)下高lmm的水銀柱對底面的壓力等。一些西方國家尚有使用bar（或mbar）和bf／in2等舊時壓力單位的，這些壓力單位的相互換算見表4-7。表4-7壓力單位的相互換算

2.壓力儀表的分類

壓力測量儀表的種類繁多，對壓力表的分類也常采用不同的方法。首先介紹常用的壓力范圍的劃分方法。

1）壓力范圍的劃分

（1）微壓壓力在0～0.1MPa以內(nèi)；（2）低壓壓力在0.1～10MPa以內(nèi)；（3）高壓壓力在10～600MPa以內(nèi)；（4）超高壓壓力高于600MPa；（5）真空（以絕對壓力表示）：

①粗真空：1.3332×103～1.0133×105Pa；

②低真空：0.13332～1.3332×103Pa；

③高真空：1.3332×10-6～0.13332Pa；

④超高真空：1.3332×10-10～1.3332×10-6Pa；

⑤極高真空：<1.3332×10-10Pa。

2）壓力儀表的分類

（1）按敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的特性分類。如表4－8所示。

①液柱式壓力計。根據(jù)液體靜力學(xué)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱的高度來實現(xiàn)測量。如U形管壓力計、單管壓力計和斜管壓力計等；

②彈性式壓力計。根據(jù)彈性元件受力變形的原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換為位移來實現(xiàn)測量。如彈簧管壓力計、膜片壓力計和波紋管壓力計等；

③負荷式壓力計?；陟o力平衡原理測量。如活塞式壓力計、浮球式壓力計等；

④電測式壓力儀表。利用敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換為各種電量，根據(jù)電量的大小間接進行檢測。表4-8壓力儀表的分類（2）按測量壓力的種類分類壓力表、真空表、絕對壓力表和差壓壓力表。（3）按儀表的精確度等級分類

①一般壓力表：精確度等級有1級、1.5級、2.5級和4級。

②精密壓力表：精確度等級有0.4級、0.25級、0.16級、0.1級和0.05級數(shù)字壓力表。

③活塞式壓力計：0.2級（三等）、0.05級（二等）、0.02級（一等）。

液柱式壓力計是利用液柱高度和被測介質(zhì)壓力相平衡的原理，所制成的測壓儀表。

液柱式壓力計可分為Ｕ形管壓力計、單管壓力計和傾斜管壓力計。1.Ｕ形管壓力計

U形管壓力計可以測量表壓、真空以及壓力差，其測量上限可達1500mm液柱高度。U形管壓力計的示意圖如圖4-21所示，它由U形玻璃管、刻度盤和固定板三部分組成。根據(jù)液體靜力平衡原理可知，在U形管的右端接入待測壓力，作用在其液面上的力為左邊一段高度為ｈ的液柱和大氣壓力P0作用在液面上的力所平衡，即4.2.2液柱式壓力計

圖4-21U形管壓力計4.2.2液柱式壓力計如將上式左右部分的Ａ消去，得或P表＝hρg（4-32）

式中:Ａ為U形管截面積；ρ為U形管內(nèi)所充入的工作液體密度；P絕、P0分別為絕對壓力和大氣壓力；P表為被測壓力的表壓力，P=P絕-P0；h為左右兩邊液面高度差。P絕Ａ＝（hρg＋P0）Ａ

（4-31）

2.單管壓力計

U形管壓力計在讀數(shù)時，需讀取兩邊液位高度，使用起來比較麻煩。為了能夠直接從一邊讀出壓力值，即把U形管壓力計的一個管改換成杯形容器，就成為單管壓力計其結(jié)構(gòu)如圖4-22所示。

杯內(nèi)充有水銀或水，當杯內(nèi)通入待測壓力時，杯內(nèi)液柱下降的體積與玻璃管內(nèi)液柱上升的體積是相等的。這樣，就可以用杯形容器液面作為零點，液柱差可直接從玻璃管刻度上讀出。圖4-22單管壓力計由于左邊杯的內(nèi)徑Ｄ遠大于右邊管子的內(nèi)徑ｄ，當壓力P絕加于杯上，杯內(nèi)液面由0—0截面下降到2—2截面處，其高度為h2，玻璃管內(nèi)液柱由0—0截面上升到1—1截面處，其高度為h1，而杯內(nèi)減少的工作液的體積等于玻璃管內(nèi)增加的工作液的體積，即（4-33）

或（4-34）

因為（4－35）

故（4-36）

由于D>>d,所以項可以忽略（4-37）

被測壓力P表可寫成P表＝ρgh1

（4-38）

單管壓力計的“零”位刻度在刻度標尺的下端，也可以在上端。液柱高度只需一次讀數(shù)。使用前需調(diào)好零點，使用時要檢查是否垂直安裝。單管壓力計的玻璃管直徑，一般選用3～5mm。

3.斜管壓力計斜管壓力計就是將單管壓力計的玻璃管傾斜放置，如圖4-23所示。由于h1讀數(shù)標尺連同單管一起被傾斜放置，使刻度標尺的分度間距離得以放大，這樣就可以測量到1/10mm水柱的微壓，所以有時又把斜管壓力計叫做微壓力計。

圖4-23傾斜管壓力計斜管壓力計有傾斜角固定的和變動的兩種。使用時注入容器內(nèi)的液體密度一定要和刻度時所用的液體密度一致，否則要加以校正。為了使用方便，通常把標尺直接制成毫米水柱的刻度。傾斜管壓力計的“零”位刻度在刻度標尺的下端。傾斜管角度是可以根據(jù)生產(chǎn)需要改變的，固定的斜管壓力計的液面變化范圍比單管壓力計放大 倍。使用前需放置水平調(diào)好零位。更換工作液時，其密度與原刻度標尺時的密度要一致。若將被測壓力P通入容器，則玻璃管中液面的位置將移動為l。如忽視容器中波面的降低，則測得的壓力可用下式表示（4-39）

式中：l為液體自標尺零位向上移動的毫米數(shù)；α為玻璃管的傾斜角；ρ為液體密度?？梢?，斜管壓力計所測量的壓力等于傾斜管中液面移動的距離，與該液體密度和玻璃管傾斜角α的正弦之乘積。液柱式壓力計的特點彈性式壓力表是以彈性元件受壓產(chǎn)生彈性變形作為測量的。

1.彈性元件

不同材料、不同形狀的彈性元件適配于不同場合、不同范圍的壓力測量。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等，圖4-24為一些彈性元件的示意圖。4.2.3彈性式壓力計圖4-24彈簧管與波紋管

1）彈簧管

它是一端封閉并且彎成圓弧形的管子，管子的截面為扁圓形或橢圓形。當被測壓力從固定端輸入后，它的自由端會產(chǎn)生彈性位移，通過位移大小進行測壓。彈簧管式壓力計測量范圍最高可達109Pa。

2）波紋管

這是一種表面上有多個同心環(huán)形狀波紋的薄壁筒體，用金屬薄管制成。當輸入壓力時，其自由端產(chǎn)生伸縮變形，籍此測取壓力大小。波紋管對壓力靈敏度較高，可以用來測量較低的壓力或壓差。

3）波紋膜片和膜盒波紋膜片由金屬薄片或橡皮膜做成，在外力作用下膜片中心產(chǎn)生一定的位移，反映外力的大小。薄膜式壓力計中膜片又分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片。

平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。其波紋形狀有正弦形、梯形和鋸齒形，如圖4-25（a）所示。膜片的厚度在0.05～0.3mm之間，波紋的高度在0.7～1mm之間。

4）薄壁圓筒

薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖4-25（b）所示。圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的1/20，當筒內(nèi)腔受流體壓力時，筒壁均勻受力，并均勻地向外擴張，所以在筒壁的軸線方向產(chǎn)生拉伸力和應(yīng)變。薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取絕于圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長度無關(guān)。圖4-25波紋膜片與薄壁圓筒

（a）波紋膜片；（b）薄壁圓筒

2.彈簧管壓力表

彈簧管壓力表的敏感元件是彈簧管，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，其中一端封閉為自由端、另一端開口為輸入被測壓力的固定端，如圖4-26所示。當開口端通入被測壓力P后，非圓橫截面在壓力作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時改變中心角。中心角的相對變化量與被測壓力有如下的函數(shù)關(guān)系：（4-40）

圖4-26單圈彈簧管結(jié)構(gòu)圖4-27彈簧管壓力計

彈簧管壓力計測量范圍寬，包括負壓、微壓、低壓、中壓和高壓的測量。彈簧管的材料因被測介質(zhì)的性質(zhì)、被測壓力的大小而不同。一般在p＜20MPa時采用磷銅；p＞20MPa時，則采用不銹鋼或合金鋼。使用壓力表時，必須注意被測介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。例如，測量氨氣壓力時必須采用不銹鋼彈簧管，而不能采用銅質(zhì)材料；測量氧氣壓力時，嚴禁沾有油脂，以免著火甚至爆炸。彈性式壓力表測量范圍從微壓或負壓到高壓，精確度等級一般為1～2.5級，精密型壓力表可達0.1級。它可直接安裝在各種設(shè)備上或用于露天作業(yè)場合，制成特殊形式的壓力表還能在惡劣的環(huán)境（如高溫、低溫、振動、沖擊、腐蝕、黏稠、易堵和易爆）條件下工作。

1.活塞式壓力計活塞式壓力計也稱為壓力天平，是基于帕斯卡定律及流體靜力學(xué)平衡原理產(chǎn)生的一種高準確度、高復(fù)現(xiàn)性和高可信度的標準壓力計量儀器?；钊綁毫τ嬍峭ㄟ^將專用砝碼加載在已知有效面積的活塞上所產(chǎn)生的壓強來表達精確壓力量值的。主要用于計量室、實驗室以及生產(chǎn)或科學(xué)實驗環(huán)節(jié)作為壓力基準器使用，也直接應(yīng)用于高可靠性監(jiān)測的環(huán)節(jié)，對其他壓力儀表進行校驗。國際上常將活塞式壓力計作為國家基準和工作基準或壓力計量標準器。0.05級的活塞式壓力計是用來檢定0.25級和0.4級精密壓力表的基準儀器。活塞式壓力計測量范圍有0.04～0.6MPa，0.1～6MPa，0.5～25MPa，1～60MPa，5～250MPa。另外，-0.1～0.25MPa的活塞式壓力真空計是按企業(yè)標準進行生產(chǎn)的。

4.2.4負荷式壓力計

活塞式壓力計如圖4-28所示。由圖4-28（a）（b）的原理圖可知，儀表的測量變換部分包括：活塞、活塞筒和砝碼。

圖4-28活塞式壓力計（a）原理圖;（b）實物圖當系統(tǒng)處于平衡時，即系統(tǒng)內(nèi)的壓力作用在活塞上的力與重物及活塞本身的質(zhì)量相平衡，系統(tǒng)內(nèi)部的壓力為

（4-41）

式中:G為重物(砝碼)加活塞及上部圓盤的總質(zhì)量；S0為活塞的有效面積。

2.浮球式壓力計

浮球式壓力計是以壓縮空氣或氮氣作為壓力源，以精密浮球處于工作狀態(tài)時的球體下部的壓力作用面積為浮球有效面積的一種氣動負荷式壓力計，如圖4－29(a)所示。精密浮球置于筒形的噴嘴內(nèi)部，專用砝碼通過砝碼架作用在球體的頂端，噴嘴內(nèi)的氣壓作用在球體下部，使浮球在噴嘴內(nèi)飄浮起來。當已知質(zhì)量的專用砝碼所產(chǎn)生的重力與氣壓的作用力相平衡時，浮球式壓力計便輸出一個穩(wěn)定而精確的壓力值。圖4-29浮球式壓力計原理圖

（a）原理圖;（b）實物圖浮球式壓力計原理圖如圖4-29（a）所示，壓縮空氣或氮氣通過流量調(diào)節(jié)器進入球體的下部，并通過球體和噴嘴之間的縫隙排入大氣，在球體下部形成的壓力將球體連同砝碼向上托起。當排氣體流量等于來自調(diào)節(jié)器的流量時，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。這時，球體將浮起一定高度，球體下部的壓力作用面積(即浮球的有效面積)也就一定。由于球體下部的壓力通過壓力穩(wěn)定器后作為輸出壓力，因此輸出壓力將與砝碼負荷成比例。

在砝碼架上增、減砝碼時，將破壞上述的平衡狀態(tài)，使浮球下降或上升。從而也改變了排入大氣的氣體流量，使浮球下部的壓力發(fā)生變化。調(diào)節(jié)器測出壓力變化后，立即改變氣體的流入量，使系統(tǒng)重新達到平衡狀態(tài)，以保持浮球的有效面積不變。因而，保持了輸出壓力與砝碼負荷之間的固定比例關(guān)系，使浮球式壓力計達到很高的精確度。

與傳統(tǒng)的活塞式壓力計相比，浮球式壓力計具有下列特點：(1）浮球式壓力計內(nèi)置自動流量調(diào)節(jié)器，增減砝碼后無需再作任何操作，即可得到精確的輸出壓力；(2）工作時浮球不下降，可連續(xù)、穩(wěn)定地輸出精確的壓力信號；

(3）浮球式壓力計具有流量自行調(diào)節(jié)功能，其精確度與操作者的技術(shù)水平無關(guān)；

(4）儀器工作時氣流使浮球懸浮于噴嘴內(nèi)，球體與噴嘴之間處于非接觸狀態(tài)。其摩擦小、重復(fù)性好、分辨能力高，且免除了旋轉(zhuǎn)砝碼的必要，這是浮球式壓力計所獨具的特性；

(5）工作進程中，氣流能不斷地對浮球體進行自清洗，確保了儀器的高可靠性。

1.應(yīng)變式壓力計

金屬應(yīng)變片式壓力計的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)用時將應(yīng)變片用粘結(jié)劑牢固地粘貼在被測試件表面上，當試件受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，引起應(yīng)變片電阻值變化，通過測量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出。1）金屬應(yīng)變片式壓力計的特點

（1）精度高，測量范圍廣。對測壓計，量程從幾十帕至1011Pa，精度為0.1%FS。應(yīng)變測量范圍一般可由數(shù)微應(yīng)變（με）至數(shù)千微應(yīng)變（1με相當于長度為1m的試件，其變形為1μm時的相對變形量。4.2.5電測式壓力儀表（2）頻率響應(yīng)特性較好。一般電阻應(yīng)變式壓力計的響應(yīng)時間為10-7s，半導(dǎo)體應(yīng)變式壓力計可達10-11s。（3）結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕。（4）可在高（低）溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣條件下正常工作。（5）易實現(xiàn)小型化、固態(tài)化。（6）價格低廉，品種多樣，便于選擇。

但是應(yīng)變式壓力計也存在一定的缺點：在大應(yīng)變狀態(tài)中具有較明顯的非線性，半導(dǎo)體應(yīng)變式壓力計的非線性更為嚴重；應(yīng)變式壓力計輸出信號微弱，故它的抗干擾能力較差。

2）膜式應(yīng)變壓力計

圖4-30是一種最簡單的平膜壓力計。由膜片直接感受被測壓力而產(chǎn)生的變形，應(yīng)變片貼在膜片的內(nèi)表面，在膜片產(chǎn)生應(yīng)變時，使應(yīng)變片有一定的電阻變化輸出。圖4-30平膜式壓力計圖4-31平膜式壓力計應(yīng)變分布曲線圖4-32專用圓形的箔式應(yīng)變片（a）箔式應(yīng)變片半橋電路;（b）箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

2.壓電式壓力計

壓電式壓力計內(nèi)有彈性敏感元件和壓電轉(zhuǎn)換元件，彈性敏感元件接受壓力并傳遞給壓電元件，壓電元件通常采用石英晶體。壓電式壓力計的結(jié)構(gòu)如圖4-33所示，它主要由石英晶片、膜片、薄壁管、外殼等組成。石英晶片由多片疊堆放在薄壁管內(nèi)，并由拉緊的薄壁管對石英晶片施加預(yù)載力。感受外部壓力的是位于外殼和薄壁管之間的膜片，它由撓性很好的材料制成。

圖4-33壓電式壓力計結(jié)構(gòu)圖4-34膜片式壓電壓力計

3.電容式壓力計

1）電容式差壓計電容式差壓計的核心部分如圖4-36所示。將左右對稱的不銹鋼基座的外側(cè)加工成環(huán)狀波紋溝槽，并焊上波紋隔離膜片?；鶅?nèi)側(cè)有玻璃層，基座和玻璃層中央都有孔。玻璃層內(nèi)表面磨成凹球面，球面除邊緣部分外鍍以金屬膜，此金屬膜層為電容的定極板并有導(dǎo)線通往外部。左右對稱的上述結(jié)構(gòu)中央夾入并焊接彈性平膜片，即測量膜片，為電容的中央動極板。測量膜片左右空間被分隔成兩個室，故有兩室結(jié)構(gòu)之稱。圖4-36兩室結(jié)構(gòu)的電容差壓計

2）變面積式壓力計

這種壓力計的結(jié)構(gòu)原理如圖4-37（a）所示。被測壓力作用在金屬膜片上，通過中心柱、支撐簧片,使可動電極隨膜片中心位移而動作。圖4-37變面積式電容壓力計

4.電感式壓力計

在電感式壓力計中，大都采用變隙式電感作為檢測元件，它和彈性元件組合在一起構(gòu)成電感式壓力計。圖4-38為這種壓力計的工作原理圖。圖4-38變隙式電感壓力計工作原理圖

5.霍爾式壓力計圖4-39（a）為HWY-1型霍爾式微壓計，當被測壓力P送到膜盒中使膜盒變形時，膜盒中心處的硬芯及與之相連的推桿產(chǎn)生位移，從而使杠桿繞其支點軸轉(zhuǎn)動，杠桿的一端裝上霍爾元件?；魻栐趦蓚€磁鐵形成的梯度磁場中運動，產(chǎn)生的霍爾電勢與其位移成正比，若膜盒中心的位移與被測壓力P成線性關(guān)系，則霍爾電勢的大小即反映壓力的大小。圖4-39（b）為HYD霍爾式壓力計，彈簧管在壓力作用下，自由端的位移使霍爾元件在梯度磁場中移動，從而產(chǎn)生與壓力成正比的霍爾電勢。圖4-39霍爾式微壓和壓力計結(jié)構(gòu)原理圖1．壓力儀表種類和型號的選擇

1)從被測介質(zhì)壓力大小來考慮

如測量微壓(幾百至幾千帕)，宜采用液柱式壓力管表或膜盒壓力計；如被測介質(zhì)壓力不大，在15kPa以下，且不要求迅速讀數(shù)的，可選U形管壓力計或單管壓力計；如要求迅速讀數(shù)，可選用膜盒壓力表；如測高壓(>50kPa)，應(yīng)選用彈簧管壓力表。

2)從被測介質(zhì)的性質(zhì)來考慮

對稀硝酸、酸、氨及其他腐蝕性介質(zhì)應(yīng)選用防腐壓力表，如以不銹鋼為膜片的膜片壓力表；對易結(jié)晶、粘度大的介質(zhì)應(yīng)選用膜片壓力表；對氧、乙炔等介質(zhì)應(yīng)選用專用壓力表。4.2.6壓力儀表的選用

3)從使用環(huán)境來考慮

對爆炸性氣氛環(huán)境，使用電氣壓力表時，應(yīng)選擇防爆型；機械振動強烈的場合，應(yīng)選用船用壓力表；對溫度特別高或特別低的環(huán)境，應(yīng)選擇溫度系數(shù)小的敏感元件以及其他變換元件。

4)從儀表輸出信號的要求來考慮

若只需就地觀察壓力變化，應(yīng)選用彈簧管壓力計；若需遠傳，則應(yīng)選用電測式壓力計，如霍爾式壓力計等；若需報警或位式調(diào)節(jié)，應(yīng)選用帶電接點的壓力計；若需檢測快速變化的壓力，應(yīng)選壓阻式壓力計等電氣式壓力計；若被檢測的是管道水流壓力且壓力脈動頻率較高，應(yīng)選電阻應(yīng)變式壓力計。

2．壓力儀表量程的選擇壓力計能在安全的范圍內(nèi)可靠工作，并兼顧到被測對象可能發(fā)生的異常超壓情況，對儀表的量程選擇必須留有余地。測量穩(wěn)定壓力時，最大工作壓力不應(yīng)超過量程的3/4；測量脈動壓力時，最大工作壓力則不應(yīng)超過量程的2/3；測高壓時，則不應(yīng)超過量程的3/5。為了保證測量準確度，最小工作壓力不應(yīng)低于量程的1/3。當被測壓力變化范圍大，最大和最小工作壓力可能不能同時滿足上述要求時，應(yīng)首先滿足最大工作壓力條件。目前，我國出廠的壓力(包括差壓)檢測儀表有統(tǒng)一的量程系列，它們是1kPa、1.6kPa、2.5kPa、4.0kPa、6.0kPa以及它們的10n倍數(shù)(n為整數(shù))。

3．壓力表準確度等級的選擇壓力表的準確度等級主要根據(jù)生產(chǎn)允許的最大誤差來確定。我國壓力表準確度等級有0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。一般0.35級以上的表為校驗用的標準表。4.2.7壓力儀表的安裝4.2.7壓力儀表的安裝4.2.7壓力儀表的安裝4.2.7壓力儀表的安裝4.2.7壓力儀表的安裝習題：11，12，134.3流量檢測與儀表

流量是指單位時間內(nèi)流過管道某截面流體的體積或質(zhì)量（體積流量，質(zhì)量流量）。在一段時間內(nèi)流過的流體量就是流體總量，即瞬時流量對時間的累積。4.3.1流量檢測的概念與方法

1.流量的概念

1）瞬時體積流量

體積流量Qv是以體積計算的單位時間內(nèi)通過的流體量，在工程中可用l/h（升/小時）或m3/h（立方米/小時）等單位表示。若設(shè)被測管道內(nèi)某個橫截面S的截面積為A（m），取其上的面積微元ds，對應(yīng)流速為v（m/s），則（4-51）

若設(shè)被測管道內(nèi)整個橫截面S上的各處流速相等，均為v（m/s），則Qv=vS。但在工程中，管道內(nèi)各處的流體流速往往是不相等的。為了解決流體中各點速度往往不相等的問題，設(shè)定截面S上各點有一個平均流速v（m/s），則有（4-52）

2）瞬時質(zhì)量流量

質(zhì)量流量Qm是以質(zhì)量表示單位時間內(nèi)通過的流體量，工程中常用kg/h（千克/小時）表示。顯然質(zhì)量流量Qm等于體積流量Qv與流體密度ρ的乘積，用數(shù)學(xué)表達式可以表示為（4-53）

3）累積體積流量

累積體積流量V是以體積計算的單位時間內(nèi)通過的流體量，在工程中可用l（升）或m3（立方米）等單位表示。若設(shè)被測管道內(nèi)某個橫截面S上的瞬時體積流量為Qv，則在t時間內(nèi)流體的累積體積流量則為（4-54）

若設(shè)被測管道內(nèi)整個橫截面S上的瞬時體積流量在t時刻內(nèi)相等，則V=Qvt。

4）累積質(zhì)量流量累積質(zhì)量流量M等于累積體積流量V與流體密度ρ的乘積。

2.流量的檢測方法

流體的粘度、腐蝕性、導(dǎo)電性等不一樣，測量其流量方法不同。常用流量檢測方法有節(jié)流差壓法、容積法、速度法、流體阻力法、渦輪法、卡門渦街法、質(zhì)量流量測量等。

1）節(jié)流差壓法

在管道中安裝一個直徑比管徑小的節(jié)流件，如孔板、噴嘴、文丘利管等，當充滿管道的單相流體流經(jīng)節(jié)流件時，由于流道截面突然縮小，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，使流速加快。由能量守恒定律可知，動壓能和靜壓能在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換，流速加快必然導(dǎo)致靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差，而靜壓差的大小和流過的流體流量有一定的函數(shù)關(guān)系，所以通過測量節(jié)流件前后的壓差即可求得流量。

2）容積法

當流體流經(jīng)測量裝置時，在其入、出口之間產(chǎn)生壓力差，此流體壓力差推動活動壁旋轉(zhuǎn)，將流體一份一份地排出，記錄總的排出份數(shù)，則可得出一段時間內(nèi)的累積流量。應(yīng)用容積法可連續(xù)地測量密閉管道中流體的流量，它是由殼體和活動壁構(gòu)成流體計量室。容積式流量計有橢圓齒輪流量計、腰輪（羅茨式）、刮板式流量計及旋轉(zhuǎn)葉輪式水表等。（油田：雙容積、翻斗計量器）。

3）速度法

測出流體的流速，再乘以管道截面積即可得出流量。對于給定的管道，其截面積是個常數(shù)。流量的大小僅與流體流速大小有關(guān)，流速大流量大，流速小流量小。由于該方法是根據(jù)流速而來的，故稱為速度法。根據(jù)測量流速方法的不同，速度式流量計有動壓管式、熱量式、電磁式和超聲式等。

4）流體阻力法

流體阻力法是利用流體流動給設(shè)置在管道中的阻力體以作用力，而作用力大小和流量大小有關(guān)的原理來測流體流量。靶式流量計其阻力體是靶，由力平衡傳感器把靶的受力轉(zhuǎn)換為電量，實現(xiàn)測量流量的目的；轉(zhuǎn)子流量計是利用設(shè)置在錐形測量管中可以自由運動的轉(zhuǎn)子（浮子）作為阻力體，它受流體自下而上的作用力而懸浮，其位置高低和流體流量大小有關(guān)。

5）渦輪法在測管入口處裝一組固定的螺旋葉片，使流體流入后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。葉片后面是一個先縮后擴的管段，旋轉(zhuǎn)流被收縮段加速，在管道軸線上形成一條高速旋轉(zhuǎn)的渦線。該渦線進入擴張段后，受到從擴張段后返回的回流部分流體的作用，使其偏離管道中心，渦線發(fā)生進動運動，而進動頻率與流量成正比。利用靈敏的壓力或速度檢測元件將其頻率測出，即可測出流體流量。

6）卡門渦街法

在被測流體的管道中插入一個斷面為非流線型的柱狀體，如三角柱體或圓柱體，稱為旋渦發(fā)生體。旋渦分離的頻率與流速成正比，通過測量旋渦分離頻率可測出流體的流速和瞬時流量。當流體流過柱體兩側(cè)時，會產(chǎn)生兩列交替出現(xiàn)而又有規(guī)則的旋渦列。由于旋渦在柱體后部兩側(cè)產(chǎn)生壓力脈動，在柱體后面尾流中安裝測壓元件，則能測出壓力的脈動頻率，經(jīng)信號變換即可輸出流量信號。

7）質(zhì)量流量測量

質(zhì)量流量測量分為間接式和直接式。間接式是在直接測出體積流量的同時，再測出被測流體的密度或測出壓力、溫度等參數(shù)，求出流體的質(zhì)量流量。因此，測量系統(tǒng)的構(gòu)成將由測量體積流量的流量計（如節(jié)流差壓式、渦輪式等）和密度計或帶有溫度、壓力等的補償環(huán)節(jié)組成，其中還有相應(yīng)的計算環(huán)節(jié)。

直接式質(zhì)量流量測量是直接利用熱、差壓或動量來檢測，如雙渦輪質(zhì)量流量計，它是一根軸上裝有兩個渦輪，兩渦輪間由彈簧聯(lián)系，當流體由導(dǎo)流器進入渦輪后，推動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪受到的轉(zhuǎn)矩和質(zhì)量流量成正比。由于兩渦輪葉片傾角不同，受到的轉(zhuǎn)矩是不同的。因此，使彈簧受到扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭角，扭角大小正比于兩個轉(zhuǎn)矩之差，即正比于質(zhì)量流量，通過兩個磁電式傳感器分別把渦輪轉(zhuǎn)矩變換成交變電勢，兩個電勢的相位差即是扭角。又如科里奧利力質(zhì)量流量計就是利用動量來檢測質(zhì)量流量。