物位檢測(cè)與控制課件

1、第8章 壓力、流量和物位檢測(cè)技術(shù) 8.1 壓力檢測(cè)技術(shù) 8.2 流量測(cè)量技術(shù) 8.3 物位檢測(cè)與控制 思考與練習(xí) 8.1 壓力檢測(cè)技術(shù) 8.1.1 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。 它的大小由兩個(gè)因素所決定， 即受力面積和垂直作用力的大小， 用數(shù)學(xué)式表示為 (8-1) 式中，P為壓力；F為垂直作用力；S為受力面積。 壓力也可以用相當(dāng)?shù)囊褐叨葋肀硎?，如圖8-1所示。根據(jù)壓力的概念， 有 （8-2） 式中，為壓力計(jì)中液體的重度；h為液柱的高度?？梢妷毫Φ扔谝褐叨扰c液體重度的乘積。 圖8-1 液柱壓力示意圖 2. 壓力的單位在國際單位制中， 壓力的

2、單位是帕斯卡， 簡稱帕， 代號(hào)為Pa。 它的定義是在每平方米面積上垂直作用1牛頓的力， 即 帕斯卡與其它壓力單位的換算關(guān)系見表8-1。 （8-3） 表8-1 常用壓力單位的換算表 3. 大氣壓力、絕對(duì)壓力、表壓力與真空度（1） 大氣壓力：指由于空氣的重量垂直作用在單位面積上所產(chǎn)生的壓力。 （2） 絕對(duì)壓力：它是指流體的實(shí)際壓力，它以絕對(duì)真空為零壓力。 （3） 相對(duì)壓力： 它是指流體的絕對(duì)壓力與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫χ睢?當(dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)， 其相對(duì)壓力稱為表壓力； 當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)， 其相對(duì)壓力稱為真空度或負(fù)壓力。 因此， 有 式中，P表為表壓力；P絕為絕對(duì)壓力；P氣為大氣壓力。

3、8.1.2 壓力傳感器及其類別1. 壓力傳感器類別壓力傳感器的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(cè)量范圍為710-55108 Pa；信號(hào)輸出有電阻、電流、電壓、頻率等形式。 壓力測(cè)量系統(tǒng)一般由傳感器、測(cè)量線路和測(cè)量裝置以及輔助電源所組成。常見的信號(hào)測(cè)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，并可與計(jì)算機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的現(xiàn)場(chǎng)控制。 表8-2 幾種常見的壓力傳感器性能比較表 2. 常用壓力傳感器1） 單圈彈簧管壓力

4、表（1） 結(jié)構(gòu)： 彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。它主要由彈簧管和一組傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)（簡稱機(jī)芯， 其中包括拉桿、扇形齒輪、 中心齒輪）及指示機(jī)構(gòu)(包括指針、面板上的分度標(biāo)尺)所組成。 圖8-2 彈簧管壓力表 3被測(cè)壓力由接頭9通入，迫使彈簧管1的自由端B向右上方擴(kuò)張。自由端B的彈性變形位移通過拉桿2使扇形齒輪3作逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)中心齒輪4作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，使與中心齒輪同軸的指針5也作順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從而在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測(cè)壓力P的數(shù)值。由于自由端的位移與被測(cè)壓力之間具有比例關(guān)系，因此彈簧管壓力表的刻度標(biāo)尺是線性的。 游絲7用來克服因扇形齒輪和中心齒輪間的間隙而產(chǎn)生的儀表變差。 改變調(diào)整螺

5、釘8的位置(即改變機(jī)械傳動(dòng)的放大系數(shù))， 可以實(shí)現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。 （2） 材料：彈簧管的材料因被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)和被測(cè)壓力的高低而不同，一般當(dāng)P20 MPa(約200 kgf/cm2)時(shí)，采用磷銅；當(dāng)P20 MPa時(shí)， 則采用不銹鋼或合金鋼。但是，在選用壓力表時(shí)，必須注意被測(cè)介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。例如，測(cè)量氨氣壓力必須采用不銹鋼彈簧管，而不能采用易被腐蝕的銅質(zhì)材料；測(cè)量氧氣壓力時(shí)，則嚴(yán)禁沾有油脂，以免著火甚至爆炸。 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。 （3）

6、信號(hào)遠(yuǎn)傳式壓力表： 利用變頻控制進(jìn)行恒壓供水已經(jīng)廣泛應(yīng)用。 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。 2） 應(yīng)變式壓力傳感器（1） 板式壓力傳感器： 該類傳感器分為薄板式、 膜片式和組合式。 測(cè)量氣體或液體壓力的薄板式壓力傳感器如圖8-3（a）所示。 圓薄板直徑為10 mm， 厚度為1 mm，和殼體連接在一起，引線自上端引出。工作時(shí)將傳感器的下端旋入引壓管， 壓力均勻地作用在薄板的下表面。薄板受壓變形后表面上應(yīng)變分布如圖8-3（b）所示。 在薄板周邊上，

7、 其切向應(yīng)變?yōu)榱悖?徑向應(yīng)變?yōu)樨?fù)應(yīng)變， 且絕對(duì)值最大， 而在中心處其切向應(yīng)變與徑向應(yīng)變相等且最大。因此，在貼片時(shí)，一般在薄板中心處沿切向貼兩片R2和R3，在邊緣處沿徑向貼兩片R1和R4。將應(yīng)變片按R1、R2、R4、R3的順序接成閉合回路，便構(gòu)成差動(dòng)電橋， 可以提高靈敏度和進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 圖8-3板式壓力傳感器（2） 筒式壓力傳感器：當(dāng)被測(cè)壓力較大時(shí)，多采用筒式壓力傳感器，如圖8-4所示。圖中工作應(yīng)變片R1貼在空芯的筒臂外感受應(yīng)變，補(bǔ)償應(yīng)變片R2貼在不發(fā)生變形的實(shí)芯部位作為溫度補(bǔ)償用。 這種傳感器可用來測(cè)量機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力(幾十公斤/厘米2幾百公斤/厘米2)和槍、 炮筒腔內(nèi)的壓力(幾千公斤/厘

8、米2)(1 kgf/cm2 =0.098 MPa)。 （3） 擴(kuò)散硅固體壓力傳感器： 如圖8-5所示， 擴(kuò)散硅固體壓力傳感器是在一塊圓形膜片上集成四個(gè)等值電阻并串接成電橋， 膜片四周用硅杯固定， 高壓腔與被測(cè)壓力相接， 低壓腔與大氣相通， 通過應(yīng)變測(cè)量壓力。 圖8-4 筒式壓力傳感器 圖8-5 擴(kuò)散硅壓力傳感器 （4） 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8-6（a）所示。 其中， 1腳接地， 3腳加電源電壓， 激勵(lì)電流流過3腳和1腳。 加在硅膜上的壓力與電流垂直， 該壓力在電阻器上建立了

9、一個(gè)橫向電場(chǎng)， 該電場(chǎng)穿過中點(diǎn)，所產(chǎn)生的電壓差由2腳和4腳引出。 圖8-6中（b）為MPZ10、 MPX12系列器件外封裝形式， 其量程為010 kPa，線性度為1.0%。 圖8-6 硅壓力傳感器（a） 工作原理圖； （b） 外形圖 3） 電感式壓力傳感器 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(cè)量中，差動(dòng)變壓器式傳感器應(yīng)用的比較廣泛。 （1） CPC型差壓計(jì)： 圖8-7是CPC型差壓計(jì)的結(jié)構(gòu)與電路圖。 當(dāng)所測(cè)的P1與P2之間的差壓變化時(shí)， 差壓計(jì)內(nèi)的膜片產(chǎn)生位移， 從而帶動(dòng)固定在膜片上的差動(dòng)變壓器的銜鐵移位， 使差動(dòng)變壓器二次側(cè)輸

10、出電壓發(fā)生變化， 輸出電壓的大小與銜鐵位移成正比， 從而也與所測(cè)差壓成正比。 圖8-7 CPC型差壓計(jì) （2） 微壓力變送器： 圖8-8是微壓力變送器的結(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8-8 微壓力變送器結(jié)構(gòu)示意圖 4） 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是將壓力的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。目前，從工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化應(yīng)用來說， 有壓力、 差壓、 絕對(duì)壓力、帶開方的差壓(用于測(cè)流量)等品種及高差壓、 微差壓、 高靜壓等規(guī)格。 （1） 電容式差壓傳感器： 電容式差壓傳感器的核心部分如圖8-9所示。 它主要由

11、測(cè)量膜片（金屬彈性膜片）、鍍金屬的凹形玻璃球面及基座組成。測(cè)量膜片左右空間被分隔成兩個(gè)室。 在兩室中充滿硅油，當(dāng)左右兩室分別承受高壓PH和低壓PL時(shí)，硅油的不可壓縮性和流動(dòng)性，便能將差壓PPHPL傳遞到測(cè)量膜片的左右面上。 因?yàn)闇y(cè)量膜片在焊接前加有預(yù)張力， 所以當(dāng)P =0時(shí)處于中間平衡位置并十分平整， 此時(shí)定極板左右兩電容的電容值完全相等， 即CH=CL，電容量的差值C=0。 當(dāng)有差壓作用時(shí)， 測(cè)量膜片發(fā)生變形， 也就是動(dòng)極板向低壓側(cè)定極板靠近， 同時(shí)遠(yuǎn)離高壓側(cè)定極板， 使得電容CHCL。通過引出線將這個(gè)電容變化輸送到電子轉(zhuǎn)換電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力或差壓的測(cè)量。 圖8-9 電容式差壓傳感器 （2）

12、 變面積式電容壓力傳感器： 這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖8-10（a）所示。 被測(cè)壓力作用在金屬膜片1上， 通過中心柱2、 支撐簧片3使可動(dòng)電極4隨膜片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極4與固定電極5都是由金屬材質(zhì)切削成的同心環(huán)形槽構(gòu)成的， 有套筒狀突起， 斷面呈梳齒形， 在兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積決定電容量。 固定電極的中心柱6與外殼間有絕緣支架7， 可動(dòng)電極則與外殼連通。 壓力引起的極間電容變化由中心柱引至電子線路， 變?yōu)橹绷餍盘?hào)420 mA輸出。 電子線路與上述可變電容安裝在同一外殼中， 整體小巧緊湊。 圖8-10 變面積電容式壓力傳感器（a） 結(jié)構(gòu)圖； （b） 懸掛在介質(zhì)中； （c） 安裝在容器壁

13、上 5） 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器可以測(cè)量各種壓力， 如車輪通過枕木時(shí)的強(qiáng)壓力， 繼電器接點(diǎn)壓力和人體脈搏的微小壓力等。用得最多的是在汽車上測(cè)量氣壓、 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力和真空度。 如圖8-11所示的膜片式壓電壓力傳感器目前較常用。 圖中， 膜片起密封、 預(yù)壓和傳遞壓力的作用。 由于膜片的質(zhì)量很小， 而壓電晶體的剛度很大， 所以傳感器具有很高的固有頻率(高達(dá)100 kHz以上)， 尤其適用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。 常用的壓電元件是石英晶體。 為了提高靈敏度， 可采用多片壓電元件層疊結(jié)構(gòu)。 圖8-11 膜片式壓電壓力傳感器 這種壓力傳感器可測(cè)量102108 Pa的壓力， 且外型尺寸可做得很小，

14、其下限頻率由電荷放大器決定。 傳感器中， 常設(shè)置的一個(gè)附加質(zhì)量塊和一組極性相反的補(bǔ)償壓電晶體， 以補(bǔ)償測(cè)量時(shí)因振動(dòng)造成的測(cè)量誤差。 6） 振弦式壓力傳感器如圖8-12所示是振弦式壓力傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。 在圓形壓力膜片1的上、下兩側(cè)安裝了兩根長度相同的振弦3、4， 它們被固緊在支座2上，并加上一定的預(yù)應(yīng)力。 當(dāng)它們受到激勵(lì)而振動(dòng)時(shí)， 產(chǎn)生的振動(dòng)頻率信號(hào)分別經(jīng)放大、振蕩電路10、 11后到混頻器12進(jìn)行混頻， 所得差頻信號(hào)經(jīng)濾波、整形電路輸出。 如無外力作用時(shí)，壓力膜片上、下兩根振弦所受張力相同， 受激勵(lì)后產(chǎn)生相同的振動(dòng)頻率，由混頻器所得差頻信號(hào)的頻率為零。 若有外力F垂直作用于柱體9上時(shí)，壓力

15、膜片受壓彎曲， 使上側(cè)振弦3的張力減小， 振動(dòng)頻率減低，而下側(cè)振弦4的張力增大， 振動(dòng)頻率增高。由混頻器輸出兩者振動(dòng)頻率的差頻信號(hào)， 其頻率隨外力增大而升高。 圖8-12 振弦式壓力傳感器 7） 霍爾壓力傳感器（1） 霍爾式壓力計(jì)：它是利用霍爾元件測(cè)量彈性元件變形的一種電測(cè)壓力計(jì)。 它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、 動(dòng)態(tài)范圍(輸出電勢(shì)的變化)大、可靠性高、易于微型化和集成電路化。 但其信號(hào)轉(zhuǎn)換頻率低、 溫度影響大，使用于要求轉(zhuǎn)換精度高的場(chǎng)合時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 （2） 霍爾式微壓力傳感器：它的原理如圖8-13所示。 當(dāng)被測(cè)壓力為零時(shí)，霍爾元件的上半部分感受的磁力線方向?yàn)閺淖笾劣?，而下部分感受?/p>

16、磁力線方向從右至左，它們的方向相反，而大小相等，相互抵消，霍爾電動(dòng)勢(shì)為零。當(dāng)被測(cè)微壓力從進(jìn)氣口進(jìn)入彈性波紋膜盒時(shí)，膜盒膨脹，帶動(dòng)杠桿（起位移放大作用）的末端向下移動(dòng)，從而使霍爾器件在磁路系統(tǒng)中感受到的磁場(chǎng)方向以從右至左為主，產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)為正值。 如果被測(cè)壓力為負(fù)壓， 杠桿端部上移，霍爾電動(dòng)勢(shì)為負(fù)值。 由于波紋膜盒的靈敏度很高，又有杠桿的位移放大的作用， 所以可用來測(cè)量微小壓力的變化。 霍爾壓力傳感器也可由彈簧管與霍爾式位移傳感器構(gòu)成。 霍爾式位移傳感器是將霍爾元件放置在由磁鋼產(chǎn)生的恒定梯度磁場(chǎng)中構(gòu)成的。 圖8-13 霍爾式微壓力傳感器原理示意圖（a） 結(jié)構(gòu)； （b） 磁場(chǎng)與壓力的關(guān)系曲線

17、8.1.3 集成壓力傳感器的應(yīng)用電路1. 壓力測(cè)量電路由壓力傳感器及運(yùn)算放大器組成的壓力測(cè)量電路如圖8-14所示。 圖中， 壓力傳感器采用43系列。 43系列是一種小型壓阻式壓力傳感器， 有絕對(duì)壓力和表壓力兩大類。 標(biāo)準(zhǔn)量程系列有05 Psi和0250 Psi，共分7擋， 每擋有A、B、C三種等級(jí)。1 Psi=6.895103 Pa，Psi是磅/英寸2(bf/in2)單位。 圖8-14 壓力測(cè)量電路 供給傳感器的恒流源電流I0=Uz/R2可通過R2來調(diào)整，從而調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。該電路的電流為0.996 mA。43系列滿量程輸出為100 mV， 經(jīng)A2、A3和A4放大后，要求相應(yīng)的輸出為05

18、V，以此來決定放大器的放大倍數(shù)。 調(diào)節(jié)調(diào)零電位器RP1， 使在零壓力時(shí)輸出為0 V。調(diào)節(jié)電位器RP2，使在滿量程時(shí)， 輸出為5 V。 2. 便攜式壓力計(jì)電路圖8-15為用MPX2050硅壓力傳感器組成的便攜式壓力計(jì)電路。 它利用數(shù)字電壓表(DVM)作為指示或顯示裝置，電源為9 V電池。 MPX2050硅壓力傳感器的壓力測(cè)量范圍為050 kPa，滿量程輸出為40 mV。 數(shù)字電壓表的滿量程選為200 mV。 所以， 可調(diào)節(jié)增益電阻RP， 使傳感器滿量程輸出時(shí)，A1、A2差動(dòng)輸出電壓為200 mV。 圖8-15便攜式壓力計(jì)電路3. 壓力變送器電路圖8-16為一個(gè)用集成變送器XTR101將傳感器輸出

19、電壓轉(zhuǎn)為420 mA電流的二線制變送器電路。 二線制即信號(hào)、負(fù)載和電源串聯(lián)， 信號(hào)需要遠(yuǎn)距離傳送（可能達(dá)幾百米），該系統(tǒng)采用直流24 V電源。負(fù)載可以用串聯(lián)電流表來指示，也可以用如圖所示的RL=240 轉(zhuǎn)換為0.964.8 V的電壓輸出來指示。 圖8-16 420 mA壓力變送器電路 4. 固態(tài)壓力開關(guān)電路圖8-17是一個(gè)低成本定點(diǎn)的壓力開關(guān)電路，它可用來對(duì)電動(dòng)機(jī)M實(shí)現(xiàn)控制。 圖8-17 固態(tài)壓力開關(guān)電路 5. 壓力/頻率變換電路壓力/頻率變換電路如圖8-18所示。它利用四個(gè)運(yùn)放U2AU2D，將壓力傳感器MPX2100輸出的差模電信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸出的電信號(hào)，然后直接和AD654電壓頻率變換器相

20、接。AD654輸出的頻率信號(hào)經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管V和R10組成的緩沖器輸出。該電路標(biāo)稱零壓力輸出頻率為1 kHz， 滿量程為100 kPa， 輸出頻率為10 kHz。 圖8-18 壓力/頻率變換電路 圖8-18中， B+為外界電源輸入端，要求最小值為10 V，最大值為30 V，經(jīng)U1集成穩(wěn)壓塊輸出8 V電壓供MPX2100； 經(jīng)U4集成穩(wěn)壓塊輸出5 V電壓供場(chǎng)效應(yīng)管V。U2A主要完成差模信號(hào)的放大； U2B用來防止運(yùn)放的反饋電流流入傳感器的負(fù)端； U2C和U2D，使在零壓力和滿量程壓力（100 kPa)時(shí)， U2D輸出0.54.5 V的電壓。 AD654中的電容C3決定額定輸出頻率。調(diào)節(jié)R3， 使在零壓

21、力（0.5 V）時(shí)輸出頻率為1 kHz。 調(diào)節(jié)R12，使在滿量程壓力（4.5 V）時(shí)輸出頻率為10 kHz。 輸出頻率信號(hào)的邏輯電平為5 V。 場(chǎng)效應(yīng)管V和R1構(gòu)成的緩沖器， 用來改善脈沖邊沿和電平移位， 使最后輸出頻率信號(hào)幅度為5 V， 占空比為50%的方波信號(hào)。 8.1.4 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(cè)介質(zhì)的性質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的條件下，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

22、形的安全范圍內(nèi)可靠地工作， 在選擇量程時(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)不超過滿量程的2/3。為保證測(cè)量精確度，被測(cè)壓力最小值應(yīng)不低于全量程的1/3。 例如，要測(cè)量高壓油噴嘴霧化劑(蒸汽)的壓力， 已知蒸汽壓力為(24)105 Pa，要求最大測(cè)量誤差小于104 Pa， 如何選擇壓力表呢?根據(jù)已知條件及彈性式壓力計(jì)的性質(zhì)， 決定選用Y-100型單圈管彈簧壓力計(jì)， 其測(cè)量范圍為06105 Pa(當(dāng)壓力從2104 Pa變化到4105 Pa時(shí)， 正好處于量程的1/32/3)。 要求最大測(cè)量誤差小于104 P

23、a， 即要求儀表的相對(duì)誤差為 所以應(yīng)選1.5級(jí)表。 2. 壓力計(jì)的使用 1） 測(cè)量點(diǎn)的選擇測(cè)量點(diǎn)的選擇應(yīng)能代表被測(cè)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。導(dǎo)壓管最好不要伸入被測(cè)對(duì)象內(nèi)部， 而在管壁上開一形狀規(guī)整的取壓孔，再接上導(dǎo)壓管，如圖8-19所示。當(dāng)一定要插入對(duì)象內(nèi)部時(shí)，其管口平面應(yīng)嚴(yán)格與流體流動(dòng)方向平行，如圖8-19所示。如圖8-19或那樣放置就會(huì)得出錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。 此外，導(dǎo)壓管端部要光滑，不應(yīng)有突出物或毛刺。 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(cè)量液體壓力時(shí)，取壓點(diǎn)應(yīng)在管道下部， 使導(dǎo)壓管內(nèi)不積存氣體； 測(cè)

24、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。 圖8-19 導(dǎo)壓管與管道的連接 2） 導(dǎo)壓管的鋪設(shè)(包括各種閥)鋪設(shè)導(dǎo)壓管時(shí)， 應(yīng)保持對(duì)水平有110120的傾斜度， 以利于導(dǎo)壓管內(nèi)流體的排出。 導(dǎo)壓管中的介質(zhì)為氣體時(shí)， 在導(dǎo)壓管最低處需裝排水閥； 為液體時(shí)， 則在導(dǎo)壓管最高處需裝排氣閥； 若被測(cè)液體易冷凝或凍結(jié)， 必須加裝管道保溫設(shè)備。 在靠近取壓口的地方應(yīng)裝切斷閥， 以備檢修壓力計(jì)時(shí)使用。 在需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)和經(jīng)常沖洗導(dǎo)壓管的情況下， 應(yīng)裝三通開關(guān)。 導(dǎo)壓管內(nèi)徑一般為610 mm，長度小于等于50 m(以減少滯后)， 否則要裝變送器。 3） 壓力計(jì)的安裝測(cè)量蒸汽壓力或壓差時(shí)， 應(yīng)

25、裝冷凝管或冷凝器。 冷凝器的作用是使導(dǎo)壓管中被測(cè)量的蒸汽冷凝， 并使正負(fù)導(dǎo)壓管中冷凝液具有相同的高度且保持恒定。 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(cè)流體有腐蝕性， 且易凍結(jié)、 易析出固體或是高粘度時(shí)， 應(yīng)采用隔離器和隔離液，以免破壞差壓計(jì)或差壓變送器的工作性能。 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(cè)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)嵩矗?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8-20所示

26、。 在圖（c）所示的情況下， 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 P=P表-h （8-5） 圖8-20 壓力計(jì)安裝示例圖（a） 測(cè)量蒸汽； （b） 測(cè)量腐蝕性介質(zhì)；（c） 壓力計(jì)安裝在管道下方 4） 壓力計(jì)的維護(hù)為防止臟污液體或灰塵積存在導(dǎo)壓管和差壓計(jì)中， 應(yīng)定期進(jìn)行清洗。 其方法是被測(cè)流體為氣體或液體時(shí)， 可用潔凈的空氣將其吹入主管道； 如果被測(cè)流體是液體時(shí)， 可用清潔的液體將其通入主管道。 8.2 流量測(cè)量技術(shù) 8.2.1 流量及其測(cè)量方法1. 流量的概念單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)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

27、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。 工程上講的流量常指瞬時(shí)流量，下面若無特別說明均指瞬時(shí)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 體積流量qv是指單位時(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 (8-6) 式中, S為管道截面面積（m2）；v為管道內(nèi)平均流速(m/s)； V為流體體積（m3）；t為時(shí)間(s)。 2） 質(zhì)量流量qm 質(zhì)量流量qm是指單位時(shí)間內(nèi)通過某截面的流體的質(zhì)量。根據(jù)定義，質(zhì)量流量可表示為 (8-7) 式中, 為流體的密度(kg/m3);

28、m為流體的質(zhì)量（kg）。 2. 流量的測(cè)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(cè)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(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速度式、 容積式和質(zhì)量式三大類。 1） 速度式流量測(cè)量原理 速度式流量傳感器大多是通過測(cè)量流體在管路內(nèi)已知截面流過的流速大小實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的。 它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、 轉(zhuǎn)子、 渦輪、

29、 靶子、 非線性物體等）把流體的流速變換成壓差、 位移、 轉(zhuǎn)速、 沖力、 頻率等對(duì)應(yīng)的信號(hào)來間接測(cè)量流量的。 差壓式、 轉(zhuǎn)子、 渦輪、 電磁、 旋渦和超聲波等流量傳感器都屬于此類。 2） 容積式流量測(cè)量原理 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)來測(cè)量流體的瞬時(shí)流量和總量的。 常用的容積式流量傳感器有橢圓齒輪式、 旋轉(zhuǎn)活塞式和刮板式等。 3） 質(zhì)量式流量測(cè)量原理 質(zhì)量式流量傳感器有兩種，一種是根據(jù)質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系， 測(cè)出體積流量再乘以被測(cè)流體的密度的間接質(zhì)量流量傳感器， 如工程上常用的補(bǔ)償式質(zhì)量流量傳感器， 它采取溫度、 壓力自動(dòng)補(bǔ)償； 另一種是直接式質(zhì)量流量

30、傳感器， 如熱電式、 慣性力式、 動(dòng)量矩式質(zhì)量流量傳感器等。 直接法測(cè)量具有不受流體的壓力、 溫度、 粘度等變化影響的優(yōu)點(diǎn)， 是一種正在發(fā)展中的質(zhì)量流量傳感器。 8.2.2 幾種速度式流量傳感器1. 差壓式流量傳感器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 (或差壓變送器)組成， 如圖8-21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差壓信號(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(cè)量、 顯示、 記錄或控制。 在氣動(dòng)控制中，

31、 還可以轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)信號(hào)， 然后用于顯示、 記錄或控制。 圖8-21 差壓式流量傳感器 差壓式流量傳感器節(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)。 當(dāng)被測(cè)流體流過節(jié)流元件時(shí)，流體受到局部阻力， 在節(jié)流元件前后產(chǎn)生壓力差， 就像電流流過電阻元件產(chǎn)生電壓差那樣，節(jié)流元件上游壓力P1高于下游壓力P2。 流量與壓差P= P1 - P2的關(guān)系為 （8-8） （8-9） 式（8-8）、 (8-9)為不可壓縮流體的流量基本方程式。 對(duì)于可壓縮的流體（如氣體或蒸氣）， 必須考慮流體密度變化和膨脹的影響。 為此， 還需引入流體膨脹校正系數(shù)， 則可壓縮流體的流量基本方程式為 （8-10） （8-11） 式中，

32、為流量系數(shù)，是用實(shí)驗(yàn)方法求出的，它與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、孔口截面積與管道截面積之比m、雷諾數(shù)Re、 孔口邊緣尖銳度、管壁粗糙度等因素有關(guān)， 運(yùn)用時(shí)可從有關(guān)手冊(cè)直接查出；為膨脹校正系數(shù)， 它與孔板前后壓力的相對(duì)變化量、介質(zhì)的絕熱指數(shù)、 孔口截面積與管道截面積之比等因素有關(guān)，運(yùn)用時(shí)也可查閱有關(guān)手冊(cè)而得；S0為節(jié)流元件的開孔截面積。 2） 差壓式流量傳感器的投運(yùn)差壓式流量傳感器投運(yùn)時(shí)， 要特別注意其彈性元件不能突受壓力沖擊， 更不要處于單向受壓狀態(tài)。 開表前， 必須使引壓管內(nèi)充滿液體或隔離液， 引壓管中的空氣要通過排氣閥和儀表的放氣排除干凈。 開表過程中， 先打開平衡閥4， 并逐漸打開正壓

33、側(cè)切斷閥5， 使正負(fù)壓室承受同樣的壓力， 然后打開負(fù)壓側(cè)切斷閥6， 并逐漸關(guān)閉平衡閥4， 便可投入運(yùn)行。 儀表在停運(yùn)時(shí)與開表過程相反， 先打開平衡閥， 然后關(guān)閉正、 負(fù)側(cè)切斷閥， 最后再關(guān)閉平衡閥。 2. 電磁流量傳感器1） 電磁流量傳感器的工作原理 電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電性液體的流量。 如圖8-22所示， 在磁場(chǎng)中安置一段不導(dǎo)磁、 不導(dǎo)電的管道， 管道外面安裝勵(lì)磁線圈（或一對(duì)磁極）， 在勵(lì)磁線圈通電后， 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)

34、大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、 管徑大小、 流體流速大小有關(guān)， 即 (8-12) 圖8-22 電磁式流量傳感器（a） 工作原理圖； （b） 電極部件剖面圖 由于體積流量與流體流速的關(guān)系為 (8-13) 式中，為儀表常數(shù)。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B及管道內(nèi)徑D固定不變時(shí)， 則K為常數(shù)， 兩電極間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與流量qv呈線性關(guān)系，便可通過測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來間接測(cè)量被測(cè)流體的流量qv值。 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， 常與電磁流量轉(zhuǎn)換器組成變送器， 輸出010 mA或420 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(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。 2） 電磁流量傳感

35、器的特點(diǎn) 電磁流量傳感器只能測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的流體流量。 電磁流量傳感器適用于測(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水和污水處理廠流量測(cè)量等。 電磁流量傳感器反應(yīng)迅速， 可以測(cè)量脈動(dòng)流量。 電磁流量傳感器的測(cè)量范圍很廣， 對(duì)于同一臺(tái)電磁流量傳感器， 量程比可達(dá)1100。 它的口徑可以從直徑1 mm做到2 m以上。 當(dāng)然，電磁流量傳感器也有其局限性和不足之處。 使用溫度和壓力不能太高，使用溫度一般低于120，

36、最高工作壓力一般不得超過1.6 MPa。 為了減小導(dǎo)管內(nèi)引起的渦流損耗， 故測(cè)量導(dǎo)管不宜采用厚壁導(dǎo)管， 一般管壁厚度不超過8 mm。 電磁流量傳感器不能用來測(cè)量氣體、 蒸汽和石油制品等非導(dǎo)電流體的流量。 對(duì)于導(dǎo)電液體， 其電導(dǎo)率的下限值一般也不得小于210-3510-3S/m(西門子/米)。 如果采用特殊的電子線路， 有可能將電導(dǎo)率下限擴(kuò)大至110-4S/m。 流速和速度分布必須符合設(shè)定條件， 否則將會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。 因此， 在電磁流量傳感器的前后， 必須有足夠的直管段長度， 以消除各種局部阻力對(duì)流速分布對(duì)稱性的影響。 感應(yīng)電勢(shì)與流速有關(guān)， 電磁流量傳感器的滿量程流速下限一般不得低于0.

37、3 m/s。 3） 使用電磁流量傳感器應(yīng)注意的問題（1） 安裝要求： 變送器安裝位置， 應(yīng)選擇在任何時(shí)候測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)都能充滿液體的地方， 以防止由于測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)沒有液體而指針不在零位所造成的錯(cuò)覺。 最好是垂直安裝， 使被測(cè)液體自下向上流經(jīng)儀表， 這樣可以避免在導(dǎo)管中有沉淀物或在介質(zhì)中有氣泡而造成的測(cè)量誤差。 如不能垂直安裝時(shí)， 也可水平安裝， 但要使兩電極在同一水平面上。 （2） 接地要求：電磁流量計(jì)的信號(hào)比較弱，在滿量程時(shí)只有2.58 mV，流量很小時(shí)，輸出只有幾微伏，外界略有干擾就能影響測(cè)量的精度。因此變送器的外殼、屏蔽線、 測(cè)量導(dǎo)管以及變送器兩端的管道都要接地，并且要求單獨(dú)設(shè)置接地點(diǎn)，絕對(duì)不

38、要連接在電機(jī)、電器等的公用地線或上下水管道上。轉(zhuǎn)換部分已通過電纜線接地，故勿再行接地。 （3） 安裝地點(diǎn)：變送器的安裝地點(diǎn)要遠(yuǎn)離一切磁源（例如大功率電機(jī)、 變壓器等），不能有振動(dòng)。 （4） 電源要求： 傳感器和變換器必須使用同一相電源， 否則由于檢測(cè)信號(hào)和反饋信號(hào)相差-120的相位， 使儀表不能正常工作。 儀表的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明， 即使變送器接地良好， 當(dāng)變送器附近的電力設(shè)備有較強(qiáng)的漏地電流， 或在安裝變送器的管道上存在較大的雜散電流， 或進(jìn)行電焊時(shí)， 都將引起干擾電勢(shì)的增加， 影響儀表正常運(yùn)行。 3. 超聲波測(cè)量流速和流量超聲波流量計(jì)是一種新型的流量計(jì)，它們按作用原理可分為三類： 時(shí)間差法、相位

39、差法和頻率差法； 聲束偏移法； 多普勒效應(yīng)法。 頻率差法的最大優(yōu)點(diǎn)是不受聲速的影響，即不必對(duì)流體溫度改變而引起聲波的變化進(jìn)行補(bǔ)償，因此是常用的方法。下面只介紹頻率差法。 如圖8-23所示是超聲波頻差法流量計(jì)原理圖， 它是利用液體的運(yùn)動(dòng)對(duì)超聲波在液體中傳播速度的影響而測(cè)出液體流速的。 圖8-23 超聲波頻率差法流量計(jì)原理圖 在管道壁上設(shè)置兩個(gè)相對(duì)的超聲波探頭，它們的連線與管道軸線之垂直線的交角為。由探頭TR1發(fā)射超聲波順流而下， 傳到探頭TR2， TR2收到超聲脈沖后， 經(jīng)電路而觸發(fā)發(fā)射探頭TR1再次發(fā)射脈沖。 同理，探頭TR2發(fā)射超聲波逆流而上，傳到探頭TR1，TR1收到超聲脈沖后，經(jīng)電路而觸

40、發(fā)發(fā)射探頭TR2再次發(fā)射脈沖。由于順流而下的超聲波比波逆流而上的超聲波傳播速度多了流速分速度的2倍，因此兩個(gè)超聲波頻率不同， 其頻率差為 （8-14） 式（8-14）說明f與流速v成正比, 而與聲速無關(guān)，從而消除了聲速隨介質(zhì)溫度變化而造成的測(cè)量誤差。同時(shí)，可得體積流量QV測(cè)量公式為 （8-15） 所以只要測(cè)得f就可以得出QV。 用計(jì)數(shù)器將依次測(cè)得的f進(jìn)行積算，就可以得到累計(jì)流量。 如圖8-23所示， 通過切換開關(guān)和接收機(jī)就可以將信號(hào)引入測(cè)量電路。測(cè)量電路由倍頻器、可逆計(jì)數(shù)器和累計(jì)器，A/D轉(zhuǎn)換和瞬時(shí)指示所組成。 倍頻器可提高測(cè)量精確度， 可逆計(jì)數(shù)器測(cè)出f，累計(jì)器得到累計(jì)流量，可逆計(jì)數(shù)器的輸出信

41、號(hào)送到累計(jì)器的同時(shí)送入A/D轉(zhuǎn)換和瞬時(shí)指示， 后者將數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)后顯示出來， 此信號(hào)（05 V）也可供給遙測(cè)系統(tǒng)。 超聲波流量計(jì)可測(cè)任何液體的流量，特別是腐蝕性、高粘度、非導(dǎo)電液體的流量。也可測(cè)量大口徑管路水流量以及海水流速等等。從原理上講，也能測(cè)量氣體流量和含有固體微粒的液體流量。但是，流體中含有的粒子過大、過多，將會(huì)使超聲波大大地衰減，從而影響測(cè)量精確度。超聲波流量計(jì)的量程比一般為201，誤差約為2%3%。若超聲波探頭安裝在管外，則壓力損失小，對(duì)流體擾動(dòng)小，安裝方便?？紤]到管子截面的流速分布對(duì)測(cè)量精確度的影響，變送器上、下游應(yīng)具有一定長度的直管段。 4. 激光流速傳感器激光流速傳感

42、器的工作原理基于大家熟知的多普勒效應(yīng)： 當(dāng)波源和觀測(cè)者彼此接近時(shí)， 所接收到的頻率變高， 而當(dāng)波源和觀測(cè)者彼此分開時(shí)， 所接收到的頻率變低。 當(dāng)激光照射到跟隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上時(shí)， 激光被運(yùn)動(dòng)著的微粒(可看作波源)所散射， 散射光的頻率與入射光的頻率之差和流速成正比。 多普勒頻率(或稱多普勒頻移)fD與運(yùn)動(dòng)粒子流速的關(guān)系為 (8-16） 式中，為入射光波長; 為兩束入射光夾角。 如圖8-24所示是激光流速傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 從激光源射出的激光束通過偏振面偏轉(zhuǎn)器后， 由光束分解器將激光分為兩束， 再由焦點(diǎn)透鏡聚焦在焦點(diǎn)位置， 這個(gè)焦點(diǎn)便是測(cè)定點(diǎn)。 測(cè)定點(diǎn)的粒子引起的散射光由聚焦透鏡導(dǎo)向光敏元

43、件， 光敏元件輸出的電信號(hào)由電路處理后， 即可得到流速。 圖8-24 激光流速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 5. 光纖流速傳感器如圖8-25所示是光纖流速傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 將多模光纖插入順流放置的銅管中， 在其輸入端射入激光。 當(dāng)管道中的流體流動(dòng)時(shí)， 流體的壓力使光纖發(fā)生機(jī)械應(yīng)變， 從而使光纖中傳輸?shù)母髂Ｊ降墓獾南辔徊畎l(fā)生變化， 光纖中射出的發(fā)射光強(qiáng)就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱的變化， 其振幅與流體的流速成正比。 因此可根據(jù)測(cè)出的振幅， 得知流體的流速。 圖8-25 光纖流速傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 6. 多普勒血流計(jì)多普勒血流計(jì)的工作原理圖，如圖8-26所示。在人的皮膚上設(shè)置有發(fā)射換能器和接收換能器，發(fā)射換能器通過壓電元

44、件將電磁振蕩轉(zhuǎn)換為超聲波向血管發(fā)射，接受換能器則通過壓電元件將血液紅血球反射回來的超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 當(dāng)血液流動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為 （8-17） 式中，f0為發(fā)射超聲波頻率；c為超聲波在血液中的速度，約為1500 m/s；v為紅血球運(yùn)動(dòng)的速度；為發(fā)射換能器與皮膚的夾角；為接收換能器與皮膚的夾角。 圖8-26 多普勒血流計(jì)工作原理圖7. 熱導(dǎo)式流速傳感器我們知道， 各種流體在管道中流動(dòng)時(shí)， 任意兩點(diǎn)間傳遞的熱量與單位時(shí)間內(nèi)通過給定面積的運(yùn)動(dòng)流體的質(zhì)量成正比， 根據(jù)這一原理可以制成流速傳感器。 如圖8-27所示是采用熱導(dǎo)方法進(jìn)行氣體流速測(cè)量的工作原理示意圖。 圖8-27 熱導(dǎo)式流速測(cè)量原理 表8-

45、3 各種常見氣體及溶劑蒸汽在0時(shí)的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)上述原理，利用半導(dǎo)體技術(shù)可以制成熱導(dǎo)式集成流速傳感器，圖8-28是這種傳感器的芯片布局及內(nèi)部電路圖。 熱導(dǎo)式集成流速傳感器由三個(gè)半導(dǎo)體管等組成，其中V3為加熱管，V1和V2為兩個(gè)對(duì)稱地分布在V3兩側(cè)的溫度傳感器。V1用來檢測(cè)流體的溫度T1，V2則用來測(cè)定由于流體流動(dòng)從加熱管V3帶走熱量而形成的附加溫度T2。當(dāng)流體按圖8-28(a)所示方向流動(dòng)時(shí)，在芯片的兩側(cè)將形成溫度差T2-T1，這個(gè)溫差通過差分電路輸出。 隨著流體速度的增加，芯片兩端的溫差也增大，導(dǎo)致差分電路輸出信號(hào)的增加。 因此檢測(cè)到差分電路輸出信號(hào)的大小，便可測(cè)得流體的流速。 圖8-28

46、 熱導(dǎo)式集成流速傳感器（a） 芯片分布圖； （b） 芯片內(nèi)部電路 8.2.3 流量測(cè)量儀表的選用1. 流量測(cè)量儀表的發(fā)展趨勢(shì)近年來，過去應(yīng)用最廣泛的節(jié)流裝置（占流量測(cè)量儀表的70%以上）生產(chǎn)量正逐年下降。例如，日本1981年節(jié)流裝置只占流量測(cè)量儀表的38%。 儀表測(cè)量精確度有所提高。如電磁流量計(jì)的精確度過去只有1.5級(jí)，現(xiàn)已提高到0.5級(jí)。 微機(jī)用于測(cè)量儀表，即儀表智能化。其優(yōu)點(diǎn)為：使儀表性能穩(wěn)定， 精確度提高，功能增強(qiáng)（如用于數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)去掉疏失誤差， 求平均值， 求均方差等），自動(dòng)選擇計(jì)量單位， 自動(dòng)改變量程（如有的可以改變四個(gè)量程，有的可以自動(dòng)設(shè)定量程），進(jìn)行各種修正運(yùn)算（如氣體溫度、

47、壓力變化對(duì)氣體流量的修正），自診斷功能等等?，F(xiàn)已生產(chǎn)的帶微機(jī)的流量計(jì)有轉(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。 各種特殊情況下的流量測(cè)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(cè)量儀表。 2. 流量測(cè)量儀表的選擇 表8-4 流量測(cè)量儀表的參數(shù) 8.3 物位檢測(cè)與控制 物位傳感器種類較多，按其工作原理可分為下列幾種類型： （1) 直讀式：根據(jù)流體的連通性原理測(cè)量液位。 （2) 浮力式： 根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對(duì)浸沉在液體中的浮子(或稱沉筒)的浮力隨液位高度變化而變化的原理測(cè)量液位。 （3） 差壓式：根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對(duì)某點(diǎn)上產(chǎn)生

48、的靜(差)壓力的變化的原理測(cè)量物位。 （4）電學(xué)式：把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化而測(cè)量物位。 （5）核輻射式：根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時(shí)， 其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理測(cè)量液位。 （6） 聲學(xué)式：根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射距離變化而測(cè)量物位。 （7） 其他形式：如微波式、激光式、射流式、光纖維式傳感器等等。 8.3.2 靜壓式液位計(jì)1. 壓力式液位計(jì) 壓力式液位計(jì)是屬于靜壓式液位計(jì)的一種， 其原理以流體靜力學(xué)為基礎(chǔ)。 它一般僅適用于敞口容器的液位測(cè)量， 通常有利用壓力表測(cè)量液位和利用吹氣法測(cè)量液位兩種形式。 在此僅介紹利用壓力表測(cè)量液位的方法。 利用壓力表測(cè)量液位的原理如圖8-

49、29所示。測(cè)量儀表通過導(dǎo)壓管與容器底部相連，由測(cè)壓儀表的示值即可知道液位高度（可以用液位高度標(biāo)度），即 PHg=H （8-18） 如需將信號(hào)遠(yuǎn)傳，則可采用氣動(dòng)或電動(dòng)壓力變送器進(jìn)行檢測(cè)發(fā)信。但是液體密度不是定值時(shí)，會(huì)引起一定的誤差。 當(dāng)壓力表與其取壓點(diǎn)和取壓點(diǎn)與被測(cè)液位的零位不在同一水平位置時(shí)， 必須對(duì)位置高或低引起的壓力差值進(jìn)行修正， 否則儀表示值與實(shí)際液位不相符。 圖8-29 用壓力表測(cè)量液位原理圖 2. 差壓式液位計(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(cè)量。 因?yàn)樵谟袎毫Φ拿荛]容器中， 液面上部空間的氣相壓力不一定為定值， 所以用壓力

50、式液位計(jì)來測(cè)量液位時(shí)， 其示值中就包含有氣相壓力值，即使在液位不變時(shí)， 壓力表的示值也可能變化， 因而無法正確反映被測(cè)液位。為了消除氣相壓力變化的影響， 故需采用差壓式液位計(jì)。 差壓式液位計(jì)是利用容器內(nèi)的液位改變時(shí)，由液柱高度產(chǎn)生的靜壓也相應(yīng)變化的原理而工作的， 如圖8-30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為密閉容器中的液相B點(diǎn)的靜壓，H為液柱高度，為液體密度。根據(jù)流體靜力學(xué)原理可知：A、B兩點(diǎn)的壓差為 （8-19） 如果為敞口容器，則PA為大氣壓，公式(8-19)可變?yōu)?P=PB=Hg （8-20） 圖8-30 用差壓計(jì)測(cè)量液位原理圖 2） 法蘭式差壓變送器原理為了

51、解決測(cè)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8-31所示。 圖中， 變送器的法蘭直接與容器上的法蘭相連接， 作為敏感元件的金屬膜盒經(jīng)毛細(xì)管與變送器的測(cè)量室相通。 在膜盒、 毛細(xì)管和測(cè)量室所組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)充入硅油， 作為傳壓介質(zhì)。 為使毛細(xì)管經(jīng)久耐用， 其外部均套有金屬蛇皮保護(hù)管。 法蘭式差壓變送器的測(cè)量部分及氣動(dòng)轉(zhuǎn)換部分的動(dòng)作原理與氣動(dòng)差壓變送器的基本相同。 圖8-31 法蘭式差壓變送器測(cè)量液位原理圖 3） 零點(diǎn)遷移 利用差壓變送器測(cè)量密閉容器液位時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)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

52、情況。 當(dāng)差壓變送器的測(cè)量室與容器最低液位安裝在同一水平面上時(shí)，式（8-19）成立，無零點(diǎn)遷移。 如圖8-32所示， 當(dāng)差壓變送器的測(cè)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= Hg+ hg。即變送器的測(cè)量室總是增加了一個(gè)固定的壓差hg，需要抵消固定正值hg的作用，其方法叫做正遷移。 圖8-32 正遷移 如圖8-33所示，當(dāng)液位上的介質(zhì)是可凝氣體(如蒸汽)時(shí)， 負(fù)壓側(cè)連通管中充滿了介質(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)的冷凝液與容器中的液體

53、密度相同，則作用在變送器正、負(fù)壓室的壓差為P=P1-P2=Hg-（H0-h）g，其中，H0為通氣連通管中冷凝液柱高度（m）。可見，無論實(shí)際液位如何變化，變送器測(cè)量室總是減少了一個(gè)固定的壓差（H0-h）g， 抵消固定負(fù)值（H0 -h）g的方法叫做負(fù)遷移。 圖8-33 負(fù)遷移 零點(diǎn)遷移的方法是用調(diào)整變送器的零點(diǎn)遷移彈簧，使液位由零變化到最高液位時(shí)，P由零變化到最大差壓Pmax， 變送器的輸出從下限變化到上限。零點(diǎn)遷移彈簧的作用， 實(shí)質(zhì)是改變測(cè)量范圍的上限值和下限值，相當(dāng)于測(cè)量范圍的平移，它不改變量程的大小。在差壓變送器規(guī)格中，一般都注有是否帶正、負(fù)遷移裝置。 型號(hào)后面加“A”的為正遷移， 加“B”

54、的為負(fù)遷移， 必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求正確使用。 3. 水深測(cè)量儀水的深度不同，其壓力也不同，水的壓力隨水的深度以0.01 MPa/m呈線性變化。這樣只要能測(cè)得水的壓力，便可知水的深度。根據(jù)這一原理，利用CYG04型壓阻式壓力傳感器制成水深測(cè)量儀。 水深測(cè)量儀的工作原理如圖8-34所示。 CYG04型壓阻式壓力傳感器設(shè)置在測(cè)量探頭的中央， 其感壓膜正對(duì)進(jìn)水壓力通道。 使用時(shí)將探頭投入水中， 傳感器便可測(cè)得水的壓力而輸出電壓， 經(jīng)測(cè)試儀表的轉(zhuǎn)換， 便可直接從顯示器上讀出水的深度。 圖8-34 水深測(cè)量儀的工作原理圖 8.3.3 超聲波物位檢測(cè)1. 超聲波物位傳感器的類型與特點(diǎn)1） 超聲波物位傳感器的類型

55、超聲波物位傳感器根據(jù)使用特點(diǎn)可分為定點(diǎn)式物位計(jì)和連續(xù)式物位計(jì)兩大類； 根據(jù)傳感器放置位置的介質(zhì)不同， 超聲波物位傳感器可分為氣介式、 液介式和固介式三類； 超聲波傳感器既可采用單探頭， 也可采用雙探頭。 2） 超聲波物位傳感器的特點(diǎn) （1） 能定點(diǎn)及連續(xù)測(cè)量物位，并提供遙控信號(hào)。 （2） 無機(jī)械可動(dòng)部分，安裝維修方便。換能器壓電體振動(dòng)振幅很小，壽命長。 （3） 能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，適用于有毒、高粘度及密封容器內(nèi)的液位測(cè)量。 （4） 能實(shí)現(xiàn)安全火花型防爆。 2. 超聲波液位檢測(cè)原理幾種超聲波物位測(cè)量的結(jié)構(gòu)原理如圖8-35所示。 超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在水中， 讓超聲波在液體中傳播。 由于超聲

56、波在液體中的衰減比較小， 所以即使發(fā)出的超聲波脈沖幅度較小也可以傳播。 超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方， 讓超聲波在空氣中進(jìn)行傳播， 這種方式雖然便于安裝和維修， 但由于超聲波在空氣中的衰減比較厲害， 因此用于液位變化比較大的場(chǎng)合時(shí)， 必須采取相應(yīng)措施。 圖8-35 超聲波物位測(cè)量的結(jié)構(gòu)原理圖 采用單探頭時(shí)， 探頭與液面的距離為 （8-21） 采用雙探頭時(shí)， 探頭與液面的距離為 （8-22） 式中，h為探頭與液面的距離; t為超聲波從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間;v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;a為兩換能器間距的一半; s為超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離。 超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長

57、的特點(diǎn)， 但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)時(shí)有較大的誤差。 在一般使用條件下， 它的測(cè)量誤差為0.1%，檢測(cè)物位的范圍為10-2104 m。 3. 定點(diǎn)式超聲物位計(jì) 1） 聲阻式液位計(jì)聲阻式液位計(jì)是利用氣體和液體對(duì)超聲振動(dòng)的阻尼有顯著差別這一特性來實(shí)現(xiàn)液位檢測(cè)的。 如圖8-36所示，在壓電陶瓷前面是不銹鋼輻射面，由于氣體對(duì)不銹鋼輻射面振動(dòng)的阻尼小， 壓電陶瓷振幅較大，通過正反饋使放大器處于振蕩狀態(tài)；當(dāng)不銹鋼輻射面和液體接觸時(shí)，由于液體的阻尼較大，壓電陶瓷Q值降低，正反饋量減小，導(dǎo)致振蕩停止，消耗電流增大。根據(jù)換能器消耗電流的大小，可判斷被測(cè)液面是否上升到傳感器輻射面的位置。當(dāng)液面達(dá)到傳感器安裝的

58、位置，控制器內(nèi)繼電器動(dòng)作，發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)。傳感器的工作頻率約為40 kHz。 圖8-36 聲阻式液位計(jì)原理2） 液介穿透式超聲液位計(jì)它是利用超聲換能器在液體中和氣體中發(fā)射系數(shù)顯著不同的特性， 來判斷被測(cè)液面是否到達(dá)傳感器的安裝高度。 傳感器的結(jié)構(gòu)如圖8-37所示。 兩片相隔一定距離(12 mm)平行放置的壓電陶瓷分別構(gòu)成超聲波發(fā)射頭和接收頭。它們被封裝在不銹鋼外殼中或用環(huán)氧樹脂鑄成一體。 控制器內(nèi)有放大器及繼電器驅(qū)動(dòng)線路。 發(fā)射頭和接收頭分別被接到放大器的輸出端和輸入端， 通過兩片壓電陶瓷間的間隙構(gòu)成正反饋環(huán)路。 當(dāng)間隙內(nèi)充滿液體時(shí)，由于固體與液體的聲阻抗率接近， 超聲波穿透界面時(shí)損耗較小，

59、放大器工作在連續(xù)振蕩狀態(tài)。當(dāng)間隙內(nèi)是氣體時(shí)，由于固體與氣體聲阻抗率差別極大，超聲波穿透固、氣界面時(shí)衰減極大，聲反饋中斷， 振蕩停止。由此可判斷液面是否到達(dá)預(yù)定高度，判斷信號(hào)是否由繼電器發(fā)出。該液位計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，不受被測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)的影響， 工作安全可靠。 圖8-37 液介穿透式超聲液位計(jì) 3） 氣介穿透式超聲物位計(jì)如果將兩換能器相對(duì)安裝在預(yù)定高度的一直線上， 使其聲路通過空氣保持暢通。發(fā)射換能器和放大器接成正反饋振蕩回路，振蕩在發(fā)射換能器的諧振頻率上。當(dāng)被測(cè)料位升高而遮斷聲路時(shí)，接收換能器收不到超聲波，控制器內(nèi)繼電器動(dòng)作， 發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。 由于超聲波在空氣中傳播， 故頻率選擇得較低(2040 kHz)。 這種物位計(jì)適用于粉狀、顆粒狀、塊狀等固體料位的極限位置檢測(cè)。 其結(jié)構(gòu)簡單、 安全可靠、且不受被測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)的影響， 所以適用范圍廣， 如可用于比重小、介電率小、 電容式難以測(cè)量的塑料粉末、 羽獸毛等的物位的測(cè)量