弱信號檢測技術(shù)第四章過程參數(shù)檢測技術(shù)課件

第四章過程參數(shù)檢測技術(shù)第一節(jié)壓力的檢測第二節(jié)物位的檢測第三節(jié)溫度的檢測第四節(jié)流量的檢測第五節(jié)物質(zhì)成分的檢測第六節(jié)機(jī)械量的檢測1第三章過程參數(shù)檢測技術(shù)第一節(jié)壓力的檢測一、壓力檢測方法及分類重力平衡方法機(jī)械力平衡方法：將壓力轉(zhuǎn)換成集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時的外力間接測量壓力彈性力平衡方法：利用彈性元件的彈性變形特性進(jìn)行測量物性測量方法液柱式壓力計：上限0.1－0.2MPa,精度0.15％負(fù)荷式壓力計：范圍寬，精度高，0.01％電測式壓力計：將被測壓力直接轉(zhuǎn)換為各種電量測量其他新型壓力計：集成壓力計、光纖壓力計2二、常用壓力檢測儀表1、彈性壓力計彈性元件是儀表的核心部分，其作用是感受壓力并產(chǎn)生彈性變形，彈性元件采用的形式要根據(jù)測量要求選擇和設(shè)計；變換放大機(jī)構(gòu)的作用是將彈性元件的變形進(jìn)行變換和放大；指示機(jī)構(gòu)如指針與刻度標(biāo)尺，用于給出壓力示值；調(diào)整機(jī)構(gòu)是用于調(diào)整儀表的零點(diǎn)和量程。彈性膜片波紋管彈簧管彈簧管壓力計：測壓范圍：－105－109Pa,精度±0.1％波紋管差壓計：彈性測壓計：電位器式、霍爾元件式33、壓力傳感器能夠檢測壓力值并提供遠(yuǎn)傳信號的裝置稱為壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器電容式壓力傳感器壓電式壓力傳感器振頻式壓力傳感器集成式壓力傳感器光纖式壓力傳感器5三、壓力檢測實(shí)例1基于光纖的壓力檢測6三、壓力檢測實(shí)例2壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為123456p壓電式測壓傳感器原理圖F——作用于壓電片上的力；d11——壓電系數(shù)；P——壓強(qiáng)，；S——膜片的有效面積。7案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。三、壓力檢測實(shí)例39第二節(jié)物位的檢測一、物位定義及分類1、物位的定義“物位”指設(shè)備和容器中液體或固體物料的表面位置。對應(yīng)不同性質(zhì)的物料又有以下的定義。(1)液位指設(shè)備和容器中液體介質(zhì)表面的高低。(2)料位指設(shè)備和容器中所儲存的塊狀、顆粒或粉末狀固體物料的堆積高度。(3)界位指相界面位置。容器中兩種互不相溶的液體，因其重度不同而形成分界面，為液—液相界面；容器中互不相溶的液體和固體之間的分界面，為液—固相界面。液—液、液—固相界面的位置簡稱界位。物位是液位、料位、界位的總稱。對物位進(jìn)行測量、指示和控制的儀表，稱物位檢測儀表。102、物位檢測儀表分類按測量方式：連續(xù)測量和定點(diǎn)測量按工作原理：直讀式、壓力式、浮力式、機(jī)械式、電氣式等。(1)直讀式：采用側(cè)壁開窗口或旁通管方式，直接顯示容器中物位的高度。方法可靠、準(zhǔn)確，但是只能就地指不。主要用于液位檢測和壓力較低的場合。(2)靜壓式：基于流體靜力學(xué)原理，適用于液位檢測。容器內(nèi)的液面高度與液柱重量所形成的靜壓力成比例關(guān)系，當(dāng)被測介質(zhì)密度不變時，通過測量參考點(diǎn)的壓力可測知液位。(3)浮力式：基于阿基米德定律，適用于液位檢測。漂浮于液面上的浮子或浸沒在液體中的浮筒，在液面變動時其浮力會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而檢測液位。(4)機(jī)械接觸式：通過測量物位探頭與物料面接觸時的機(jī)械力實(shí)現(xiàn)物位的測量。這類儀表有重錘式、旋冀式和音叉式等。(5)電氣式：將電氣式物位敏感元件置于被測介質(zhì)中，當(dāng)物位變化時其電氣參數(shù)如電阻、電容等也將改變，通過檢測這些電量的變化可知物位。(6)其他物位檢測方法如聲學(xué)式、射線式、光纖式、激光式等112、電容式物位計hC1CC22r12r2hxC=+可見傳感器電容量C與被測液位高度hx成線性關(guān)系。

133、超聲式物位計回波反射式超聲波物位計原理：利用發(fā)射的超聲波脈沖將由被測物料的表面反射，測量從發(fā)射超聲波到接收回波所需的時間，求出從探頭到分界面的距離，進(jìn)而測得物位。設(shè)c為超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度，t為從發(fā)射超聲波到接收回波所需的時間，則測得液位H:注意：超聲波在介質(zhì)中的傳播速度易受介質(zhì)的溫度、成分等變化的影響，是影響物位測量的主要因素，需要進(jìn)行補(bǔ)償。通?？稍诔晸Q能器附近安裝濕度傳感器，自動補(bǔ)償聲速因溫度變化對物位測量的影響。還可使用校正器，定期校正聲速。144、光纖式物位計15單片機(jī)系統(tǒng)壓力表電壓傳感器電流傳感器流量表電機(jī)檢測液位傳感器電壓變送器隔離器數(shù)字隔離器壓力變送器電流變送器液位變送器數(shù)碼電臺電源控制箱電機(jī)控制器水泵電機(jī)水泵電機(jī)手控開關(guān)水源井各部件框圖17第三節(jié)溫度的檢測一、測溫原理及方法溫度測量方式有接觸式和非接觸式測溫兩大類。采用接觸式測溫時，依靠傳熱和對流進(jìn)行熱交換，二者需要良好的熱接觸，以獲得較高的測量精度。但是它往往會破壞被測對象的熱平衡，存在置人誤差。由于測量環(huán)境特點(diǎn)，對溫度敏感元件的結(jié)構(gòu)和性能要求較高。采用非接觸式測溫方法，是通過熱輻射進(jìn)行熱交換，或溫度敏感元件接收被測對象的部分熱輻射能，由熱輻射能的大小推出被測對象的溫度。特點(diǎn)是測溫響應(yīng)快，對被測對象干擾小，可測量高溫、運(yùn)動的被測對象和有強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕的場合。溫度反映物體的冷熱程度，是物體分子運(yùn)動平均動能大小的標(biāo)志。溫度的定量測量以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)，兩個受熱程度不同的物體相接觸后，經(jīng)過一段時間的熱交換，達(dá)到共同的平衡態(tài)后具有相同的溫度。溫度測量原理是選擇合適的物體作為溫度敏感元件，其某一物理性質(zhì)隨溫度而變化的特性為已知，通過溫度敏感元件與被測對象的熱交換，測量相關(guān)的物理量，即可確定被測對象的溫度。18常用溫度檢測方法19三、非接觸式測溫在工業(yè)生產(chǎn)中，有些場合是利用非接觸式溫度傳感器測量溫度，其優(yōu)點(diǎn)：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。近年來，這種溫度傳感器在國外發(fā)展迅猛。l．輻射高溫計是發(fā)展得較早的一類非接觸式溫度傳感器，常用來測量1000℃以上高溫。它可分為四種：光學(xué)高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2．光譜高溫計前蘇聯(lián)研制的YCI—I型自動測溫通用光譜高溫計、其測量范圍為400～6000℃，它是采用電子化自動跟蹤系統(tǒng)，保證有足夠準(zhǔn)確的精度進(jìn)行自動測量。213．超聲波溫度傳感器特點(diǎn)是響應(yīng)快（約為10ms左右），方向性強(qiáng)。目前國外已有可測到5000℉的產(chǎn)品。4．激光溫度傳感器適用于遠(yuǎn)程和特殊環(huán)境下的溫度測量。據(jù)報導(dǎo)，美、日、英等國均在致力于將其應(yīng)用到科研工程，如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度,精度為1％。美國麻省理工學(xué)院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達(dá)8000℃，是專門用于核聚變研究的。瑞士BrowaBorer研究中心用激光溫度傳感器可測幾千開（K）的高溫。22四、設(shè)計實(shí)例溫控系統(tǒng)電氣接口：１、電源：AC220V，50Hz２、加熱控制部分（選用固態(tài)繼電器）：Ｔ≤２０℃開始加熱Ｔ≥35℃停止加熱加熱器電氣接口：1000Ｗ，AC220V，50Hz３、散熱控制部分（選用固態(tài)繼電器）：Ｔ≥50℃開始散熱Ｔ≤40℃停止散熱加熱器電氣接口：200Ｗ，AC220V，50Hz4、對外接線方式：8芯接線柱，AC220V，10A；主用3對（AC220V電源輸入、AC220V加熱輸出、AC220V散熱輸出），備用一對。

Ф4mm固定孔4個線路板尺寸示意圖15mm150mm120mm15mm15mm15mm8芯接線柱23流量計分類25二、體積流量檢測方法是直接根據(jù)排出體積進(jìn)行流量累計的儀表，它利用運(yùn)動元件的往復(fù)次數(shù)或轉(zhuǎn)速與流體的連續(xù)排出量成比例對被測流體進(jìn)行連續(xù)的檢測。容積式流量計可計量各種液體和氣體的累積流量，由于這種流量計可以精密測量體積量，所以其類型包括從小型的家用煤氣表到大容積的石油和天然氣計量儀表。組成：測量室、運(yùn)動部件、傳動和顯示部件。測量室是具有固定標(biāo)準(zhǔn)容積的測量主體，由流量計內(nèi)部的運(yùn)動部件與殼體構(gòu)成。在流體進(jìn)、出口壓力差的作用下，運(yùn)動部件不斷地將充滿在測量室中的流體從入口排向出口。假定測量室的固定容積為V，某一時間間隔內(nèi)經(jīng)過流量計排出流體的固定容積數(shù)為n，則被測流體的體積總量Q可知。容積流量計的流量方程式可以表示為：計數(shù)器通過傳動機(jī)構(gòu)測出運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)數(shù)，n即可知，從而得出通過流量計的流體總量。在測量較小流量時，要考慮泄漏量的影響，通常儀表有最小流量的測量限度。1、容積式流量計26三、質(zhì)量流量檢測方法又稱為推導(dǎo)式質(zhì)量流量計。采用密度或溫度、壓力補(bǔ)償?shù)霓k法，在測量體積流量的同時，測量流體的密度或流體的溫度、壓力值，再通過運(yùn)算求得質(zhì)量流量。1、間接式質(zhì)量流量計▲體積流量計與密度計的組合方式差壓式流量計與密度計的組合其他體積流量計與密度計組合▲體積流量計與體積流量計的組合方式▲溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計流體密度是溫度、壓力的函數(shù)，通過測量流體溫度和壓力，與體積流量測量組合可求出流體質(zhì)量流量。29直接輸出與質(zhì)量流量相對應(yīng)的信號，反映質(zhì)量流量的大小。其測量不受流體的溫度、壓為、密度變化的影響。2、直接式質(zhì)量流量計簡稱科氏力流量計，它是利用流體在振動管中流動時，將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的測量原理?？剖狭α髁坑嬘蓹z測科里奧利力的傳感器與轉(zhuǎn)換器組成?！评飱W利質(zhì)量流量計基于流體中熱傳遞和熱轉(zhuǎn)移與流體質(zhì)量流量的關(guān)系。其工作機(jī)理是利用外熱源對被測流體加熱，測量因流體流動造成的溫度場變化，從而測得流體的質(zhì)量流量?！鵁崾劫|(zhì)量流量計用于測量自由落下的固體粉料的質(zhì)量流量。沖量式流量計由沖量傳感器及顯示儀表組成。沖量傳感器感受被測介質(zhì)的沖力，經(jīng)轉(zhuǎn)換放大輸出與質(zhì)量流量成比例的標(biāo)準(zhǔn)信號。▲沖量式流量計30四、流量檢測實(shí)例利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度不同來進(jìn)行測量。在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。根據(jù)這個關(guān)系，便可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。此種流量計可以測量各種液體的流速。中壓和低壓氣體的流速,不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。同理，可用于直接測量隨海洋深度而變化的聲速分布。即以一定距離放置兩個正對著的陶瓷換能器，一個為發(fā)射器、一個為接收器。根據(jù)測定的發(fā)射和接收的相位差隨深度的變化，即可得到聲速隨深度的分布情況。流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射31光纖多普勒流速計下圖為利用光纖多普勒計來測量流體流速的原理。當(dāng)待測流體為氣體時，散射光將非常微弱，此時可采用大功率的Ar激光器（出射光功率為2W，λ=514.5nm）以提高信噪比。光纖多普勒流速計的特點(diǎn)是非接觸測量，不會影響待測物體的流動狀態(tài)。

光纖多譜勒流量計結(jié)構(gòu)探測器頻譜分析儀He-Ne激光器123456781、3分束器；2反射鏡；4透鏡；5流體管道；6窗口；7、8光纖32第五節(jié)物質(zhì)成分的檢測一、物質(zhì)成分檢測方法★定期取樣檢測：通過實(shí)驗(yàn)室測定的實(shí)驗(yàn)室檢測方法★連續(xù)現(xiàn)場檢測：連續(xù)測定被測物質(zhì)的含量或性質(zhì)的自動檢測(1)電化學(xué)式，如電導(dǎo)式、電量式、電位式、電解式、酸度計、離子濃度計等；(2)熱學(xué)式，如熱導(dǎo)式、熱譜式、熱化學(xué)式等；(3)磁學(xué)式，如磁式氧分析器、核磁共振分析儀等：(4)射線式，如X射線分忻儀、γ射線分析儀、同位素分析儀、微波分析儀等；(5)光學(xué)式，如紅外、紫外等吸收式光學(xué)分析儀，光散射、光干涉式光學(xué)分析儀等；(6)電子光學(xué)式和離子光學(xué)式，如電子探針、離子探針、質(zhì)譜儀等(7)色譜式，如氣相色譜儀、液相色諾儀等；(8)物性測量儀表，如水分計、粘度計、密度計、濕度計、塵量計(9)其他，如晶體振蕩式分析儀、半導(dǎo)體氣敏傳感器等。33二、氣體成分檢測是使用最早的一種物理式氣體分析器，通過檢測混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)變化得知待測組分含量。被測氣體組分含量變化時，將引起導(dǎo)熱系數(shù)變化，從而間接得知待測組分含量。設(shè)待測組分的濃度為C1，相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1混合氣體中其他組分的導(dǎo)熱系數(shù)近似相等，λ2＝λ3＝…＝λn，則1、熱導(dǎo)式氣體分析器測量多組分某一氣體組分的含量必須滿足兩個條件：▲混合氣體中除待測組分外，其余各組分的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)相同或十分接近?！郎y組分的的導(dǎo)熱系數(shù)與其余組分的導(dǎo)熱系數(shù)要有顯著的差別，差別越大，靈敏度越高，即待測組分濃度變化引起混合氣體的λ變化就越大。34熱導(dǎo)池是用導(dǎo)熱良好的金屬制成的長圓柱形小室，室內(nèi)裝有一根細(xì)的鉑或鎢電阻絲,電阻絲與腔體有良好的絕緣。電源供給熱絲恒定電流，使之維持一定的溫度tn，tn高于室壁溫度tc，被測氣體從小室下部引入,從小室上部排出,熱絲的熱量通過混合氣體向室壁傳遞。熱導(dǎo)池一般放在恒溫裝置中，故室壁溫度恒定，熱絲的熱平衡溫度將隨被測氣體的熱導(dǎo)率變化而改變。熱絲溫度的變化使其電阻值亦發(fā)生變化，通過電阻變化的可得知?dú)怏w組分的變化。352、熱磁式氣體分析器是利用被測氣體混合物待測組分比其他氣體有高得多的磁化率，以及磁化率隨溫度的升高而降低等熱磁效應(yīng)來檢測待測氣體組分含量的原理制成的。它主要用來檢測混合氣體的氧含量，測量范圍為百分之百，具有反應(yīng)快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)?！鵁岽攀窖鯕怏w分析儀主要是利用氧的磁特性工作的，如氧氣比其他組分的磁化率大得多，并且其他組分的磁化率近似相等，隨著溫度的升高。氣體的磁化率迅速下降?！趸喪窖趿矿w分析儀屬于電化學(xué)分析方法．這種分析器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、測量范圍寬(從10－6到百分含量)，而且不需要復(fù)雜的采樣和預(yù)處理系統(tǒng)，它的探頭可以直接插入煙道中連續(xù)地分析煙氣中的氧含量。36濃差電池的左側(cè)為被測氣體．右側(cè)為參比氣體，參比氣體一般為空氣。當(dāng)兩側(cè)氣體的氧分壓不同時，吸附在電極上的氧分子離解得到4個電子，形成兩個O2－，進(jìn)入固體電解質(zhì)中，在高溫下，氧離子從高濃度向低濃度轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電勢。氧化鋯分析器正常工作的必要條件：(1)工作溫度要恒定，傳感器要有溫度調(diào)節(jié)控制的環(huán)節(jié)，一般工作溫度保持在T＝850℃，此時儀表靈敏度最高。工作溫度T的變化直接影響氧濃差電勢E的大小，傳感器還應(yīng)有溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。(2)必須要有參比氣體，參比氣體的氧含量要穩(wěn)定不變。二者氧含量差別越大，儀表靈敏度越高。例如用氧化鋯分析器分析煙氣的氧含量時，以空氣為參比氣體時，被測氣體氧含量為3％～4％，傳感器可以有幾十毫伏的輸出。(3)參比氣體與被測氣體壓力應(yīng)該相等，儀表可以直接以氧濃度刻度。37屬于光學(xué)分析儀表中的一種。它是利用不同氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性來進(jìn)行分析的。這類儀表的特點(diǎn)是測量范圍寬；靈敏度高，能分析的氣體體積分?jǐn)?shù)可到10－6(ppm級)；反應(yīng)速度快、選擇性好。紅外線氣體分析器常用于連續(xù)分析混合氣體中CO、CO2、CH4、NH3等氣體的濃度。大部分有機(jī)和無機(jī)氣體在紅外波段內(nèi)有其特征的吸收峰，下圖為一些氣體的吸收光譜，紅外線氣體分析器主要利用2～25μm之間的一段紅外光譜。3、紅外線氣體分析器5半導(dǎo)體體分析器4質(zhì)譜分析儀38三、濕度和含水量檢測◆電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小?！籼沾尚停阂话阋越饘傺趸餅樵?，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成?！舾叻肿有停合仍诓ＡУ冉^緣基板上蒸發(fā)梳狀電極，通過浸漬或涂覆，使其在基板上附著一層有機(jī)高分子感濕膜。有機(jī)高分子的材料種類也很多，工作原理也各不相同?！魡尉О雽?dǎo)體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導(dǎo)體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點(diǎn)是易于和半導(dǎo)體電路集成在一起。

1、濕度檢測392、含水量檢測◆電導(dǎo)法固體物質(zhì)的含水量與其導(dǎo)電性存在一定的關(guān)系，含水量高，導(dǎo)電性好。通常采用不平衡電橋方法測量?！舴Q重法采用紅外線燈為加熱源，照射被測物質(zhì)使其水分完全蒸發(fā)，即烘干。用電子稱稱出烘干前后的重量W1和W2，則得到含水量◆紅外吸收法是根據(jù)水分對1.94μm波長的紅外線具有較強(qiáng)的吸收，而水分對1.81μm波長的紅外線幾乎不吸收的特性進(jìn)行測量的方法。用這兩種波長的濾光片對紅外光進(jìn)行輪流切換，根據(jù)被測物對這兩種波長的能量的吸收比值，判斷含水量。403、pH值檢測pH值表示水的酸堿性的強(qiáng)弱，而酸度或堿度是水中所含酸性或堿性物質(zhì)的含量。測定水的pH值采用玻璃電極法，它是以pH玻璃電極為指示電極，飽和甘汞電極為參比電極，將二者與被測極組成原電池，其電動勢為：E電池=φ甘汞－φ玻璃式中E電池為飽和甘汞電極的電極電位，不隨被測溶液中氫離子濃度變化，可視為定值；φ甘汞為玻璃電極電位，隨被測溶液中氫離子濃度變化而變化。用能斯特方程式表示為（25℃時）E電池＝φ甘汞－（φ0＋0.059lg）=K+0.059pH可見，只要測得E電池，即得到溶液的pH值。pH＝7為中性溶液；pH>7為堿性溶液；pH<7為酸性溶液。41四、成分檢測實(shí)例酒精測試儀42防酒后駕車汽車點(diǎn)火電路43顆粒產(chǎn)品處理易潮材料對空氣質(zhì)量的要求更高紙品紡織品能源耗費(fèi)高最佳產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生靜電RH高RH低噴漆生產(chǎn)線漆面過濕最佳產(chǎn)品質(zhì)量漆面過干確定油漆中的水份含量需要非常精確的RH值!最新濕度測量應(yīng)用領(lǐng)域 生產(chǎn)過程的空氣質(zhì)量

44相對濕度溫度持續(xù)時間...表面張力起始:90%rH結(jié)束:40%rH

1噸橡木含有:500公升水份90°C=恒溫.>20天精確的烘干工藝......應(yīng)用