傳感器原理及工程應(yīng)用(第三版)第15章傳感器在工程檢測

圖15-36彈性元件表示圖圖15-37彈性元件測壓原理圖c——彈簧的剛度系數(shù)；A——活塞的有效面積圖15-37為利用彈性形變測壓原理圖?；钊椎幕钊撞考佑兄鶢盥菪龔椈桑瑥椈梢欢斯潭?，當(dāng)通入被測壓力p時，彈簧被緊縮并產(chǎn)生一彈性力與被測壓力平衡，在彈性形變的限制內(nèi)，彈簧被緊縮后產(chǎn)生的彈性位移量Δx與被測壓力p的關(guān)系符合胡克定律，表示為〔15-32〕式中:c——彈簧的剛度系數(shù)；A——活塞的有效面積。當(dāng)c、A為定值時，丈量壓力就變?yōu)檎闪繌椥栽奈灰屏喀。金屬彈性元件都具有不完全彈性，即在所加作用力去除后，彈性元件會表現(xiàn)剩余變形、彈性后效和彈性滯后等景象，這將會呵斥丈量誤差。彈性元件特性與選用的資料和負(fù)載的最大值有關(guān)。假設(shè)要減小這方面的誤差，那么應(yīng)留意選用適宜的資料，加工成形后進(jìn)展適當(dāng)?shù)臒崽幹茫\用時應(yīng)選擇適宜的丈量范圍等。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，運用廣泛。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15-38所示。管子的一端為封鎖，作為位移輸出端，另一端為開口，為被測壓力輸入端。圖15-38單圈彈簧管構(gòu)造當(dāng)開口端通入被測壓力后，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而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自在端由B移至B′而產(chǎn)生位移，彈簧管的中心角減小Δθ，如圖15-38中虛線所示。中心角的相對變化量Δθ/θ與被測壓力p有如下的函數(shù)關(guān)系：〔15-26〕管壁厚度式中:θ——彈簧管中心角的初始角；Δθ——受壓后中心角的改動量；R——彈簧管彎曲圓弧的外半徑；h——管壁厚度；a,b——彈簧管橢圓形截面的長、短半軸；k——幾何常數(shù)〔k=Rh/a2〕；α、β——與比值a/b有關(guān)的參數(shù)；μ——彈簧管資料的泊松系數(shù)；E——彈性模數(shù)?？芍?，假設(shè)a=b，那么Δθ=0，這闡明具有均勻壁厚的圓形彈簧管不能用作測壓敏感元件。對于單圈彈簧管，中心角變化量Δθ比較小，要提高Δθ，可采用多圈彈簧管。

彈簧管壓力表構(gòu)造如圖15-39所示。由式圖15-39彈簧管壓力表被測壓力由接頭9通入，迫使彈簧管1的自在端產(chǎn)生位移，經(jīng)過拉桿2使扇形齒輪3作逆時針偏轉(zhuǎn)，于是指針5經(jīng)過同軸的中心齒輪4的帶動而作順時針偏轉(zhuǎn)，在面板6的刻度標(biāo)尺上顯示出被測壓力的數(shù)值。游絲7是用來抑制扇形齒輪和中心齒輪所產(chǎn)生的儀表變差。改動調(diào)理螺釘8的位置〔即改動機(jī)械傳動的放大倍數(shù)〕，可以實現(xiàn)壓力表量程的調(diào)整。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)任務(wù)的。所謂壓阻元件實踐上就是指在半導(dǎo)體資料的基片上用集成電路工藝制成的分散電阻，當(dāng)它受外力作用時，其阻值由于電阻率的變化而改動。分散電阻正常任務(wù)時需依靠于彈性元件，常用的是單晶硅膜片。圖15-40是壓阻式壓力傳感器的構(gòu)造表示圖。壓阻芯片采用周邊固定的硅杯構(gòu)造，封裝在外殼內(nèi)。。圖15-40壓阻式壓力傳感器的構(gòu)造表示圖(a)內(nèi)部構(gòu)造；(b)硅膜片表示圖在一塊圓形的單晶硅膜片上，布置四個分散電阻，兩片位于受壓應(yīng)力區(qū)，另外兩片位于受拉應(yīng)力區(qū)，它們組成一個全橋丈量電路。硅膜片用一個圓形硅杯固定，兩邊有兩個壓力腔，一個和被測壓力相銜接的高壓腔，另一個是低壓腔，接參考壓力，通常和大氣相通。當(dāng)存在壓差時，膜片產(chǎn)生變形，使兩對電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出電壓反映膜片兩邊接受的壓差大小低壓腔，接參考壓力高壓腔，連被測壓力壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點是體積小，構(gòu)造比較簡單，動態(tài)呼應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕斯卡的微壓，它是一種比較理想，目前開展較為迅速和運用較為廣泛的一種壓力傳感器。這種傳感器丈量準(zhǔn)確度遭到非線性和溫度的影響，從而影響壓阻系數(shù)的大小。如今出現(xiàn)的智能壓阻壓力傳感器利用微處置器對非線性和溫度進(jìn)展補償，它利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將傳感器與微處置器集成在同一塊硅片上，兼有信號檢測、處置、記憶等功能，從而大大提高了傳感器的穩(wěn)定性和丈量準(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)消費中，對壓力傳感器進(jìn)展選型，確定檢測點與安裝等是非常重要的，傳感器選用的根本原那么是根據(jù)實踐工藝消費過程對壓力丈量所要求的工藝目的、測壓范圍、允許誤差、介質(zhì)特性及消費平安等要素，要經(jīng)濟(jì)合理，運用方便。對彈性式壓力傳感器要保證彈性元件在彈性變形的平安范圍內(nèi)可靠的任務(wù)，在選擇傳感器量程時必需留有足夠的余地。普通在被測壓力較穩(wěn)定的情況下，最大壓力值應(yīng)不超越滿量程的3/4；在被測壓力動搖較大的情況下，最大壓力值應(yīng)不超越滿量程的2/3。為了保證丈量精度，被測壓力最小值應(yīng)不低于全量程的1/3。如要丈量高壓蒸氣的壓力，知蒸氣壓力為〔2～4〕×105Pa，消費中允許最大丈量誤差為104Pa，且要求就地顯示。如何選擇壓力表呢？根據(jù)知條件及彈性式壓力傳感器的性質(zhì)決議選Y-100型單圈彈簧管壓力表，其丈量范圍為(0～6)×105Pa〔當(dāng)壓力從2×105Pa變化到4×105Pa時，正益處于量程的1/3～2/3〕。要求最大丈量誤差小于104Pa，即要求傳感器的相對誤差所以應(yīng)選精度為1.5級的表。〔2〕壓力傳感器的安裝傳感器丈量結(jié)果的準(zhǔn)確性，不僅與傳感器本身的精度等級有關(guān)，而且還與傳感器的安裝、運用能否正確有關(guān)。壓力檢測點應(yīng)選在能準(zhǔn)確及時地反映被測壓力的真實情況處。因此，取壓點不能處于流束紊亂的地方，即要選在管道的直線部分，離部分阻力較遠(yuǎn)的地方。丈量高溫蒸氣壓力時，應(yīng)裝回形冷凝液管或冷凝器，以防止高溫蒸氣與測壓元件直接接觸。如圖15-41〔a〕所示。圖15-41丈量高溫、腐蝕介質(zhì)壓力表安裝表示圖(a)丈量蒸氣；(b)丈量有腐蝕性介質(zhì)丈量腐蝕、高粘度、有結(jié)晶等介質(zhì)時，應(yīng)加裝充有中性介質(zhì)的隔離罐，如圖15-41〔b〕所示。隔離罐內(nèi)的隔離液應(yīng)選擇沸點高、凝固點低、化學(xué)與物理性能穩(wěn)定的液體，如甘油、乙醇等。

圖15-42壓力表位于消費設(shè)備下安裝表示圖壓力傳感器安裝高度應(yīng)與取壓點一樣或相近。對于圖15-42所示情況，壓力表的指示值要比管道內(nèi)的實踐壓力高，應(yīng)對取壓管道的液柱附加的壓力誤差進(jìn)展修正。15.3流量丈量15.3.1流量概述流量是工業(yè)消費中一個重要參數(shù)。工業(yè)消費過程中，很多原料、半廢品、廢品都是以流體形狀出現(xiàn)的。流體的流量就成為決議產(chǎn)品成分和質(zhì)量的關(guān)鍵，也是消費本錢核算和合理運用能源的重要根據(jù)。因此流量的丈量和控制是消費過程自動化的重要環(huán)節(jié)。單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量，稱為瞬時流量。瞬時流量有體積流量和質(zhì)量流量之分。而在某一段時間間隔內(nèi)流過管道某一截面的流體量的總和，即瞬時流量在某一段時間內(nèi)的累積值，稱為總量或累積流量?！?〕體積流量qv單位時間內(nèi)經(jīng)過某截面的流體的體積，單位為m3/s。根據(jù)定義，體積流量可用下式表示：〔15-34〕式中，v為截面A中某一面積元dA上的流速。假設(shè)流體在該截面上的流速處處相等，那么體積流量可寫成qv=vA〔15-35〕〔2〕質(zhì)量流量qm單位時間內(nèi)經(jīng)過某截面的流體的質(zhì)量，單位為kg/s。根據(jù)定義，質(zhì)量流量可用下式表示：〔15-36〕由式〔15-35〕可寫成qm=ρqv=ρvA〔15-37〕流體的密度受流體的任務(wù)形狀〔如溫度、壓力〕影響。對于液體，壓力變化對密度的影響非常小，普通可以忽略不計。溫度對密度的影響要大一些，普通溫度每變化10℃時，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，丈量準(zhǔn)確度要求不是很高的情況下，往往也可以忽略不計。對于氣體，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%。因此在丈量氣體流量時，必需同時丈量流體的溫度和壓力。為了便于比較，常將在任務(wù)形狀下測得的體積流量換算成規(guī)范形狀下〔溫度為20℃，壓力為101325Pa〕的體積流量，用符號qVN表示，單位符號為Nm3/s。消費過程中各種流體的性質(zhì)各不一樣，流體的任務(wù)形狀及流體的粘度、腐蝕性、導(dǎo)電性也不同，很難用一種原理或方法丈量不同流體的流量。尤其工業(yè)消費過程，其情況復(fù)雜，某些場所的流體是高溫、高壓，有時是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量丈量的方法很多，丈量原理和流量傳感器〔或稱流量計〕也各不一樣，從丈量方法上普通可分為以下三大類。①速度式:速度式流量傳感器大多是經(jīng)過丈量流體在管路內(nèi)知截面流過的流速大小來實現(xiàn)流量丈量的。它是利用管道中流量敏感元件〔如孔板、轉(zhuǎn)子、渦輪、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、頻率等對應(yīng)的信號來間接丈量流量的。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:容積式流量傳感器是根據(jù)知容積的容室在單位時間內(nèi)所排出流體的次數(shù)來丈量流體的瞬時流量和總量的。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，測出體積流量再乘被測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、壓力自動補償?shù)难a償式質(zhì)量流量傳感器。另一種是直接丈量流體質(zhì)量流量的直接式質(zhì)量流量傳感器，如熱式、慣性力式、動量矩式等質(zhì)量流量傳感器。直接法丈量具有不受流體的壓力、溫度、粘度等變化影響的優(yōu)點，是一種正在開展中的質(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)流安裝，將管道中流體的瞬時流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流安裝前后的壓力差的原理來實現(xiàn)的。差壓式流量傳感器流量丈量系統(tǒng)主要由節(jié)流安裝和差壓計〔或差壓變送器〕組成，如圖15-43所示。節(jié)流安裝的作用是把被測流體的流量轉(zhuǎn)換成壓差信號，差壓計那么對壓差信號進(jìn)展丈量并顯示丈量值，差壓變送器能把差壓信號轉(zhuǎn)換為與流量對應(yīng)的規(guī)范電信號或氣信號，以供顯示、記錄或控制。差壓式流量傳感器開展較早，技術(shù)成熟而較完善，而且構(gòu)造簡單，對流體的種類、溫度、壓力限制較少，因此運用廣泛。圖15-43差壓式流量傳感器流量丈量系統(tǒng)p2P1Δp=p1-p21.節(jié)流安裝節(jié)流安裝是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動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。它們的構(gòu)造方式、相對尺寸、技術(shù)要求、管道條件和安裝要求等均已規(guī)范化，故又稱規(guī)范節(jié)流元件，如圖15-44所示。其中孔板最簡單又最為典型，加工制造方便，在工業(yè)消費過程中常被采用。規(guī)范節(jié)流安裝按照規(guī)定的技術(shù)要求和實驗數(shù)據(jù)來設(shè)計、加工、安裝，無需檢測和標(biāo)定，可以直接投產(chǎn)運用，并可保證流量丈量的精度。圖15-44規(guī)范節(jié)流元件(a)孔板；(b)噴嘴；(c)文丘里管2.丈量原理與流量方程式〔1〕丈量原理在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種方式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但參與轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件丈量流量時，流體流過節(jié)流安裝前后產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過的流量越大，節(jié)流安裝前后的壓差也越大，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丈量原理。圖15－45節(jié)流件前后流速和壓力分布情況流束流過孔板前曾經(jīng)開場收縮，流體隨著流束的減少，流速增大，而流體壓力減小I-II段Ⅱ處到達(dá)最小流束截面，這時流體的平均流速到達(dá)最大值，流體壓力隨著流束的減少及流速的添加而降低，直到到達(dá)最小值Ⅱ－III而后流束逐漸擴(kuò)展，在管道Ⅲ－Ⅲ處又充溢整個管道，流體的速度也恢復(fù)到孔板前的流速，流體的壓力又隨流束的擴(kuò)張而升高，最后恢復(fù)到一個稍低于原管中的壓力虛線表示管道軸線上流體靜壓沿軸線方向的分布曲線實線表示管壁上的靜壓沿軸線方向的變化曲線呵斥流體壓力損失的緣由是由于孔板前后渦流的構(gòu)成以及流體的沿程摩擦，使得流體的一部分機(jī)械能不可逆地變成了熱能，散失在流體內(nèi)。如采用噴嘴或文丘里管等節(jié)流件可大大減小流體的壓力損失?！?〕流量方程式節(jié)流安裝的流量公式是在假定所研討的流體是定常流動的理想流體的條件下，根據(jù)伯努利方程和延續(xù)性方程推導(dǎo)出來的，而對不符合假設(shè)條件的影響要素，那么需進(jìn)展修正。圖15－45中，當(dāng)延續(xù)流動的流體流經(jīng)Ⅰ－Ⅰ截面時，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,管中心的流速為v20,靜壓為p20，密度為ρ2。對于不可緊縮理想流體，流體流過節(jié)流件時，流體不對外作功，和外界沒有熱交換，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〔15-38〕思索流速分布的不均勻，及實踐流體有粘性，在流動時會產(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?！?5-39〕由于流體流動的延續(xù)性，那么A1v1ρ=A2v2ρ這樣我們可得式中：m——開口截面比，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。(15-40)(15-41)另外實踐取壓是在管壁取的，所測得的壓力是管壁處的靜壓力，設(shè)實踐獲得的壓力為p1和p2，需引入一個取壓系數(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〔15-43〕〔15-42〕質(zhì)量流量〔15-44〕式中，α為流量系數(shù)，對于可緊縮流體，例如各種氣體及蒸氣經(jīng)過節(jié)流元件時，由于壓力變化必然會引起密度ρ的改動，即ρ1≠ρ2，這時在公式中應(yīng)引入流束膨脹系數(shù)ε，可緊縮性流體流束膨脹系數(shù)ε小于1，假設(shè)是不可緊縮性流體，那么ε=1。并規(guī)定流體密度用節(jié)流件前的流體密度ρ1，那么可緊縮性流體的流量方程式變?yōu)椤?5-45〕〔15-46〕上述流量方程式中，流量—壓差關(guān)系雖然比較簡單，但流量系數(shù)α卻是一個影響要素復(fù)雜、變化范圍較大的重要參數(shù)，也是節(jié)流式流量計能否準(zhǔn)確丈量流量的關(guān)鍵所在。流量系數(shù)α與節(jié)流安裝的構(gòu)造方式、取壓方式、節(jié)流安裝開孔直徑、流體流動形狀〔雷諾數(shù)〕及管道條件等要素有關(guān)。對于規(guī)范節(jié)流安裝，查閱有關(guān)手冊便可計算出流量系數(shù)α值。3.差壓式流量檢測系統(tǒng)差壓流量檢測系統(tǒng)由節(jié)流安裝、差壓引壓導(dǎo)管及差壓計或差壓變送器等組成。圖所示為一個差壓式流量檢測系統(tǒng)的構(gòu)造表示圖。節(jié)流安裝流量值變換成差壓信號Δp壓力信號管路差壓變送器4～20mA的規(guī)范電流信號處理非線性在流量檢測系統(tǒng)中添加一個非線性補償環(huán)節(jié)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)定律來丈量導(dǎo)電性液體的體積流量的。如圖15-47所示，在磁場中安頓一段不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電的管道，管道外面安裝一對磁極，當(dāng)有一定電導(dǎo)率的流體在管道中流動時就切割磁力線。與金屬導(dǎo)體在磁場中的運動一樣，在導(dǎo)體〔流動介質(zhì)〕的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由設(shè)置在管道上的電極導(dǎo)出。該感應(yīng)電勢大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度、管徑大小、流體流速大小有關(guān)。即〔15-47〕式中：φ——磁通；B——磁感應(yīng)強(qiáng)度〔T〕；D——管道內(nèi)徑，相當(dāng)于垂直切割磁力線的導(dǎo)體長度〔m〕；v——導(dǎo)體的運動速度，即流體的流速〔m/s〕；Ex——感應(yīng)電動勢〔V〕。圖15-47電磁流量傳感器原理磁感應(yīng)強(qiáng)度B及管道內(nèi)徑D固定不變，那么K為常數(shù)，兩電極間的感應(yīng)電動勢Ex與流量qv成線性關(guān)系，便可經(jīng)過丈量感應(yīng)電動勢Ex來間接丈量被測流體的流量qv值。體積流量qv與流體流速v的關(guān)系為

電磁流量傳感器的磁場有三種勵磁方式：直流勵磁、交流正弦波勵磁和低頻方波勵磁。直流勵磁的優(yōu)點是受交流磁場干擾小，因此液體中的自感景象可以忽略不計，缺陷是在電極上產(chǎn)生的直流電勢引起管內(nèi)被測液體的電解，產(chǎn)生極化景象，破壞了原來的丈量條件。交流正弦波勵磁普通采用工頻〔50Hz〕交變電流產(chǎn)生的交變磁場。交流勵磁的優(yōu)點是能消除極化景象，輸出信號是交流信號，放大和轉(zhuǎn)換比較容易，但也會帶來一系列的干擾，如90°干擾、同相關(guān)擾等。低頻方波勵磁交流干擾影響小，又能抑制極化景象，是一種比較好的勵磁方式。電磁流量傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號是很微小的，需經(jīng)過電磁流量轉(zhuǎn)換器來顯示流量。常用的電磁流量轉(zhuǎn)換器能把傳感器的輸出感應(yīng)電動勢信號放大并轉(zhuǎn)換成規(guī)范電流〔0～10mA或4～20mA〕信號或一定頻率的脈沖信號，配合單元組合儀表或計算機(jī)對流量進(jìn)展顯示、記錄、運算、報警和控制等。電磁流量傳感器只能丈量導(dǎo)電介質(zhì)的流體流量。它適用于丈量各種腐蝕性酸、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、食品等部門的流量丈量〔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置廠流量丈量以及脈動流量丈量等。15.3.4渦輪番量傳感器渦輪番量傳感器類似于葉輪式水表，是一種速度式流量傳感器。圖15-48為渦輪番量傳感器的構(gòu)造表示圖。它是在管道中安裝一個可自在轉(zhuǎn)動的葉輪，流體流過葉輪使葉輪旋轉(zhuǎn)，流量越大，流速越高，那么動能越大，葉輪轉(zhuǎn)速也越高。丈量出葉輪的轉(zhuǎn)速或頻率，就可確定流過管道的流體流量和總量。圖15-48渦輪番量傳感器構(gòu)造表示圖流量渦輪旋轉(zhuǎn)渦輪葉片周期性地改動磁電系統(tǒng)的磁阻值，使經(jīng)過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢放大和整形方波脈沖計數(shù)器累積總量在渦輪葉片的平均半徑rc處取斷面，并將圓周展開成直線，便可畫出圖15-49。設(shè)流體速度v平行于軸向，葉片的切線速度u垂直于v，假設(shè)葉片的傾斜角為α，便可寫出u=ωrc=vtanα或〔15-50〕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，那么瞬時體積流量為〔15-51〕如渦輪上葉片總數(shù)為z，那么線圈輸出脈沖頻率f就是nzHz，代入式〔15-43〕可得〔15-52〕式中,ξ為儀表常數(shù)，渦輪番量傳感器具有安裝方便、精度高〔可達(dá)0.1級〕、反響快、刻度線性及量程寬等特點，此外還具有信號易遠(yuǎn)傳、便于數(shù)字顯示、可直接與計算機(jī)配合進(jìn)展流量計算和控制等優(yōu)點。它廣泛運用于石油、化工、電力等工業(yè)，氣候儀器和水文儀器中也常用渦輪測風(fēng)速和水速。圖15-49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任務(wù)的。目前運用的有兩種：一種是運用自然振蕩的卡曼漩渦列原理；另一種是運用強(qiáng)迫振蕩的漩渦旋進(jìn)原理。運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。渦街流量傳感器運用相對較多，這里只引見這種流量傳感器。在流體的流動方向上放置一個非流線型的物體〔如圓柱體等〕，物體的下游兩側(cè)有時會交替出現(xiàn)漩渦〔見圖15-50〕。在物體后面兩排平行但不對稱的漩渦列稱為卡曼渦列〔也稱為渦街〕。漩渦的頻率普通是不穩(wěn)定的，實驗闡明，只需當(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〔對于圓柱體〕條件時，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)，是一個無量綱的系數(shù)?！?5-53〕圖15-50卡曼漩渦St主要與漩渦發(fā)生體的外形和雷諾數(shù)有關(guān)。在雷諾數(shù)為500～150000的區(qū)域內(nèi)，根本上是一個常數(shù)，如圖15-51所示。對于圓柱體St=0.20，三角柱體St=0.16。工業(yè)上丈量的流速實踐上幾乎不超越這個范圍，所以可以以為頻率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。測得漩渦的頻率流體的流速v流體的體積流量qv圖15-51斯特羅哈爾系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖15-52圓柱體漩渦檢測原理圖把鉑熱電阻絲用電流加熱到比流體溫度高出某個溫度，流體經(jīng)過鉑熱電阻絲時，帶走它的熱量，從而改動它的電阻值，此電阻值的變化與發(fā)出漩渦的頻率相對應(yīng)，即由此便可檢測出與流速成比例的頻率。

漩渦式流量傳感器在管道內(nèi)沒有可動部件，運用壽命長，線性丈量范圍寬，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，這種傳感器對氣體、液體均適用。圖15-53三角柱體漩渦檢測原理圖三角柱漩渦發(fā)生體的漩渦頻率檢測原理圖如下圖。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，阻值改動，電橋輸出信號。隨著漩渦交替產(chǎn)生，電橋輸出一系列與漩渦發(fā)生頻率相對應(yīng)的電壓脈沖。15.3.6質(zhì)量流量傳感器在工業(yè)消費和產(chǎn)品買賣中，由于物料平衡，熱平衡以及儲存、經(jīng)濟(jì)核算等人們經(jīng)常需求的是質(zhì)量流量,因此在丈量任務(wù)中，經(jīng)常將已測出的體積流量乘以密度換算成質(zhì)量流量。而對于一樣體積的流體，在不同溫度、壓力下，其密度是不同的，尤其對于氣體流體，這就給質(zhì)量流量的丈量帶來了費事，有時甚至難以到達(dá)丈量的要求。這樣便希望直接用質(zhì)量流量傳感器來丈量質(zhì)量流量，無需進(jìn)展換算，這將有利于提高流量丈量的準(zhǔn)確度。質(zhì)量流量傳感器大致分為兩類：①直接式:即傳感器直接反映出質(zhì)量流量。②推導(dǎo)式:即基于質(zhì)量流量的方程式，經(jīng)過運算得出與質(zhì)量流量有關(guān)的輸出信號。用體積流量傳感器和其它傳感器及運算器的組合來丈量質(zhì)量流量。1.直接式質(zhì)量流量傳感器——科里奧利質(zhì)量流量傳感器科里奧利質(zhì)量流量傳感器是利用流體在直線運動的同時，處于一個旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力而制成的一種直接式質(zhì)量流量傳感器。當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點在對P軸作角速度為ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)挪動時，如圖15-54所示，質(zhì)點具有兩個分量的加速度及相應(yīng)的加速度力：①法向加速度:即向心加速度ar，其量值為ω2r，方向朝向P軸。②切向加速度:即科里奧利加速度at,其量值為2ωv，方向與ar垂直。由于復(fù)合運動，在質(zhì)點的at方向上作用著科里奧利力為2ωvm，而管道對質(zhì)點作用著一個反向力，其值為-2ωvm。圖15-54科里奧利力分析圖當(dāng)密度為ρ的流體以恒定速度v在管道內(nèi)流動時，任何一段長度為Δx的管道都遭到一個大小為ΔFc的切向科里奧利力，即ΔFc=2ωvρAΔx〔15-54〕式中,A為管道的流通內(nèi)截面積。由于質(zhì)量流量qm=ρvA，所以ΔFc=2ωqmΔx〔15-55〕基于上式，如直接或間接丈量在旋轉(zhuǎn)管道中流動流體所產(chǎn)生的科里奧利力就可以測得質(zhì)量流量，這就是科里奧利質(zhì)量流量傳感器的任務(wù)原理。然而，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生科里奧利力實現(xiàn)起來比較困難，目前的傳感器均采用振動的方式來產(chǎn)生，圖15-55是科里奧利質(zhì)量流量傳感器構(gòu)造原理圖。流量傳感器的丈量管道是兩根兩端固定平行的U形管，在兩個固定點的中間位置由驅(qū)動器施加產(chǎn)生振動的鼓勵能量，在管內(nèi)流動的流體產(chǎn)生科里奧利力，使丈量管兩側(cè)產(chǎn)生方向相反的撓曲。位于U形管的兩個直管管端的兩個檢測器用光學(xué)或電磁學(xué)方法檢測撓曲量以求得質(zhì)量流量。圖15-55科里奧利質(zhì)量流量傳感器構(gòu)造原理圖當(dāng)管道充溢流體時，流體也成為轉(zhuǎn)動系的組成部分，流體密度不同，管道的振動頻率會因此而有所改動，而密度與頻率有一個固定的非線性關(guān)系，因此科里奧利質(zhì)量流量傳感器也可丈量流體密度。2.推導(dǎo)式質(zhì)量流量傳感器推導(dǎo)式質(zhì)量流量傳感器實踐上是由多個傳感器組合而成的質(zhì)量流量丈量系統(tǒng)，根據(jù)傳感器的輸出信號間接推導(dǎo)出流體的質(zhì)量流量。組合方式主要有以下幾種?！?〕差壓式流量傳感器與密度傳感器組合方式差壓式流量傳感器的輸出信號是差壓信號，它正比于ρq2v，假設(shè)與密度傳感器的輸出信號進(jìn)展乘法運算后再開方即可得到質(zhì)量流量。即〔15-56〕〔2〕體積流量傳感器與密度流量傳感器組合方式能直接用來丈量管道中的體積流量qv的傳感器有電磁流量傳感器、渦輪番量傳感器、超聲波流量傳感器等，利用這些傳感器的輸出信號與密度傳感器的輸出信號進(jìn)展乘法運算即可得到質(zhì)量流量。即K1qvK2ρ=Kqm〔15-57〕〔3〕差壓式流量傳感器與體積式流量傳感器組合方式差壓式流量傳感器的輸出差壓信號Δp與ρq2v成正比，而體積流量傳感器輸出信號與qv成正比，將這兩個傳感器的輸出信號進(jìn)展除法運算也可得到質(zhì)量流量。即〔15-58〕15.4物位丈量15.4.1物位概述物位是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低、兩種不溶液體介質(zhì)的分界面的高低和固體粉末狀顆粒物料的堆積高度等的總稱。根據(jù)詳細(xì)用途它可分為液位、界位、料位等傳感器。工業(yè)上經(jīng)過物位丈量能正確獲取各種容器和設(shè)備中所儲物質(zhì)的體積量和質(zhì)量，能迅速正確反映某一特定基準(zhǔn)面上物料的相對變化，監(jiān)視或延續(xù)控制容器設(shè)備中的介質(zhì)物位，或?qū)ξ镂簧舷聵O限位置進(jìn)展報警。物位傳感器種類較多，按其任務(wù)原理可分為以下幾種類型：(1)直讀式它根據(jù)流體的連通性原理來丈量液位。(2)浮力式它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改動或液體對浸沉在液體中的浮筒〔或稱沉筒〕的浮力隨液位高度變化而變化的原理來丈量液位。前者稱為恒浮力式，后者稱為變浮力式。(3)差壓式它根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點上產(chǎn)生的靜〔差〕壓力的變化的原理丈量物位。(4)電學(xué)式它根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來丈量物位。(5)核輻射式它根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時，其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來丈量液位。(6)聲學(xué)式它根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射間隔變化來丈量物位。(7)其他方式如微波式、激光式、射流式、光纖維式傳感器等等。15.4.2浮力式液位傳感器1.恒浮力式液位傳感器最原始的恒浮力式液位傳感器，是將一個浮子置于液體中，它遭到浮力的作用漂浮在液面上，當(dāng)液面變化時，浮子隨之同步挪動，其位置就反映了液面的高低。水塔里的水位常用這種方法指示，圖15-56是水塔水位丈量表示圖。液面上的浮子由繩索經(jīng)滑輪與塔外的重錘相連，重錘上的指針位置便可反映水位。但與直觀印象相反，標(biāo)尺下端代表水位高，假設(shè)使指針動作方向與水位變化方向一致，應(yīng)添加滑輪數(shù)目，但引起摩擦阻力添加，誤差也會增大。圖15-56水塔水位丈量表示圖圖15-57外浮球式液位傳感器把浮子換成浮球，丈量從容器內(nèi)移到容器外，浮球用杠桿直接銜接浮球，可直接顯示罐內(nèi)液位的變化。圖15-58浮球式液位控制器在該液位傳感器的根底上添加機(jī)電信號變換安裝，當(dāng)液位變化時，浮球的上下挪動經(jīng)過磁鋼變換成電觸點的上下位移。當(dāng)液位高于〔或低于〕極限位置時，電觸點4與報警電路的上下限靜觸點接通，報警電路發(fā)出液位報警信號。假設(shè)將浮球控制器輸出與容器進(jìn)料或出料的電磁閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合，可實現(xiàn)閥門的自動啟停，進(jìn)展液位的自動控制。2.變浮力式液位傳感器沉筒式液位傳感器是利用變浮力的原理來丈量液位的。它利用浮筒在被測液體中浸沒高度不同以致所受的浮力不同來檢測液位的變化。

圖15-59變浮力式液位=傳感器原理圖圖是液位檢測原理圖。將一橫截面積為A，質(zhì)量為m的空心金屬圓筒〔浮筒〕懸掛在彈簧上，彈簧的下端被固定，當(dāng)浮筒的重力與彈簧力到達(dá)平衡時，那么有mg=Cx0〔15-59〕式中：C——彈簧的剛度；x0——彈簧由于浮筒重力產(chǎn)生的位移。當(dāng)液位高度為H時，浮筒遭到液體對它的浮力作用而向上挪動，設(shè)浮筒實踐浸沒在液體中的長度為h，浮筒挪動的距離即彈簧的位移變化量為Δx，即H=h+Δx。當(dāng)浮筒遭到的浮力與彈簧力和浮筒的重力平衡時，有mg-Ahρg=C(x0-Δx)〔15-60〕式中,ρ為浸沒浮筒的液體密度。將式〔15-59〕代入上式，整理后便得Ahρg=CΔx〔15-61〕由式〔15-62〕可知，當(dāng)液位變化時，浮筒產(chǎn)生的位移變化量Δx與液位高度H成正比關(guān)系。從以上分析闡明，變浮力式液位傳感器實踐上是將液位轉(zhuǎn)化成敏感元件〔浮筒〕的位移。如在浮筒的連桿上安裝一鐵芯，可隨浮筒一同上下挪動，經(jīng)過差動變壓器使輸出電壓與位移成正比關(guān)系。普通情況下，h>>Δx，所以H≈h，從而被測液位H可表示為〔15－62〕沉筒式液位傳感器順應(yīng)性能好，對粘度較高的介質(zhì)、高壓介質(zhì)及溫度較高的敞口或密閉容器的液位等都能丈量。對液位信號可遠(yuǎn)傳顯示，與單元組合儀表配套，可實現(xiàn)液位的報警和自動控制。15.4.3靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器是基于液位高度變化時，由液柱產(chǎn)生的靜壓也隨之變化的原理來檢測液位的。利用壓力或差壓傳感器丈量靜壓的大小，可以很方便地丈量液位，而且能輸出規(guī)范電流信號，這種傳感器習(xí)慣上稱為變送器，這里主要討論液位丈量原理。對于上端與大氣相通的敞口容器，利用壓力傳感器〔或壓力表〕直接丈量底部某點壓力，如圖15-60所示。經(jīng)過引壓導(dǎo)管把容器底部靜壓與測壓傳感器銜接，當(dāng)壓力傳感器與容器底部處在同一程度線時，由壓力表的壓力指示值可直接顯示出液位的高度。壓力與液位的關(guān)系為〔15-63〕圖15-60壓力傳感器丈量液位〔靜壓〕原理圖式中：H——液位高度〔m〕；ρ——液體的密度〔kg/m3〕；g——重力加速度〔m/s2〕；p——容器底部的壓力〔Pa〕。假設(shè)壓力傳感器與容器底部不在一樣高度處，導(dǎo)壓管內(nèi)的液柱壓力必需用零點遷移方法處理。對于上端與大氣隔絕的閉口容器，容器上部空間與大氣壓力大多不等，所以在工業(yè)消費中普遍采用差壓傳感器來丈量液位，如圖15-61所示。圖15-61差壓傳感器丈量液位原理圖設(shè)容器上部空間的壓力為p0，那么p+=ρgH+p0〔15-64〕p-=p0〔15-65〕因此可得正負(fù)室壓差為Δp=p+-p-=ρgH〔15-66〕由式〔15－66〕可知，被測液位H與差壓Δp成正比。但這種情況只限于上部空間為枯燥氣體，而且壓力傳感器與容器底部在同一高度時。假設(shè)上部為蒸汽或其他可冷凝成液態(tài)的氣體，那么p-的導(dǎo)壓管里必然會構(gòu)成液柱，這部分的液柱壓力也必需求進(jìn)展零點遷移。15.5氣體成分丈量15.5.1熱導(dǎo)式氣體傳感器1.熱導(dǎo)檢測原理熱傳導(dǎo)是同一物體各部分之間或相互接觸的兩物體之間傳熱的一種方式，表征物質(zhì)導(dǎo)熱才干的強(qiáng)弱用導(dǎo)熱系數(shù)表示。不同物質(zhì)其導(dǎo)熱才干是不一樣的，普通來說，固體和液體的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比較小。表15－9為一些常見氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。表15－9常見氣體的導(dǎo)熱系數(shù)對于多組分組成的混合氣體，隨著組分含量的不同，其導(dǎo)熱才干將會發(fā)生變化。如混合氣體中各組分彼此之間無相互作用，實驗證明混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)λ可近似用下式表示：〔15－67〕式中：λi——混合氣體中第i組分的導(dǎo)熱系數(shù)；Ci——混合氣體中第i組分的體積百分含量。假設(shè)混合氣體中只需兩個組分，那么待測組分的含量與混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系可寫為〔15－68〕上式闡明兩種氣體組分的導(dǎo)熱系數(shù)差別越大，丈量的靈敏度越高。但對于多組分〔i>2〕的混合氣體，由于各組分的含量都是未知的，因此運用式〔15－68〕時，還應(yīng)滿足兩個條件：除待測組分外，其他組分的導(dǎo)熱系數(shù)相等或接近；待測組分的導(dǎo)熱系數(shù)與其他組分的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)有顯著的差別。在實踐丈量中，對于不能滿足以上條件的多組分混合氣體，可以采取預(yù)處置方法。如分析煙氣中的CO2含量，知煙氣的組分有CO2、N2、CO、SO2、H2、O2及水蒸氣等。其中SO2、H2的熱導(dǎo)系數(shù)與其他背景組分的導(dǎo)熱系數(shù)相差太大，其存在會嚴(yán)重影響丈量結(jié)果，普通我們稱之為干擾氣體，應(yīng)在預(yù)處置時去除干擾組分，那么剩余的背景氣體導(dǎo)熱系數(shù)相近，并與被測氣體CO2的導(dǎo)熱系數(shù)有顯著差別，這樣就可用熱導(dǎo)法分析煙氣中的CO2含量。該當(dāng)指出，即使是同一種氣體導(dǎo)熱系數(shù)也不是固定不變的，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大。2.熱導(dǎo)檢測器熱導(dǎo)檢測器是把混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化的部件，它是熱導(dǎo)傳感器的中心部件，又稱為熱導(dǎo)池。熱導(dǎo)池是金屬制成的圓柱形氣室，氣室的側(cè)壁上開有分析氣體的進(jìn)出口，氣室中央裝有一根細(xì)的鉑或鎢熱電阻絲。根據(jù)分析氣體流過檢測器的方式不同，熱導(dǎo)檢測器的構(gòu)造可以分為直通式、分散式和對流分散式。圖15－62熱導(dǎo)池的構(gòu)造表示圖熱絲通以電流后產(chǎn)生熱量，并向周圍散熱，當(dāng)熱導(dǎo)池內(nèi)通入待分析氣體時，電阻絲上產(chǎn)生的熱量主要經(jīng)過氣體進(jìn)展傳導(dǎo)，熱平衡時，即電阻絲所產(chǎn)生的熱量與經(jīng)過氣體熱傳導(dǎo)散失的熱量相等時，熱絲的電阻值也維持在某一值。電阻的大小與所分析混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)λ存在對應(yīng)關(guān)系。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，闡明導(dǎo)熱散熱條件愈好。熱平衡時熱電阻絲的溫度愈低，電阻值也愈小。這就實現(xiàn)了把氣體的導(dǎo)熱系數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成熱絲電阻值的變化。圖15－63熱導(dǎo)檢測器的構(gòu)造(a)分散式；(b)對流分散式特點是反響緩慢，滯后較大，但受氣體流量動搖影響較小目前常用的對流分散式構(gòu)造，氣體由主氣路分散到氣室中，然后由支氣路排出，這種結(jié)構(gòu)可以使氣流具有一定速度，并且氣體不產(chǎn)生倒流3.丈量電路熱導(dǎo)式氣體傳感器采用不平衡電橋電路丈量電阻的變化。電橋電路有單電橋電路和雙電橋電路之分。圖15－64為熱導(dǎo)氣體傳感器中常用的單電橋電路。。圖15－64單電橋丈量電路電橋由四個熱導(dǎo)池組成，每個熱導(dǎo)池的電阻絲作為電橋的一個橋臂電阻。R1、R3的熱導(dǎo)池稱為測量熱導(dǎo)池，通以被測氣體；R2、R4的熱導(dǎo)池稱為參比熱導(dǎo)池，氣室內(nèi)充以丈量的下限氣體。當(dāng)通過丈量熱導(dǎo)池的被測組分含量為下限時，由于四個熱導(dǎo)池的散熱條件一樣，四個橋臂電阻相等，因此電橋輸出為零。當(dāng)經(jīng)過丈量熱導(dǎo)池的被測組分含量發(fā)生變化時，R1、R3電阻值將發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出信號的大小反映了被測組分的含量。單電橋的輸出對電源電壓以及環(huán)境溫度的動搖比較敏感。采用雙電橋電路可以較好地處理電橋的輸出對電源電壓以及環(huán)境溫度的動搖比較敏感問題。圖15-65是熱導(dǎo)式氣體傳感器中運用的雙電橋原理電路圖。Ⅰ為丈量電橋，它與單電橋電路一樣，其輸出的不平衡電壓的大小反映了被測組分的含量。Ⅱ為參比電橋，R5、R7的熱導(dǎo)池中密封著丈量上限的氣體，R6、R8的熱導(dǎo)池中密封著丈量下限的氣體，其輸出的電壓是一固定值。電橋采用交流供電電源，變壓器的副邊供兩個電橋的電壓是相等的。與滑線電阻A、C間的電壓之差加在放大器輸入端，信號經(jīng)放大后驅(qū)動可逆電機(jī)，帶動滑線電阻滑觸點C向平衡點方向挪動，當(dāng)時，系統(tǒng)到達(dá)平衡，平衡點C的位置反映了混合氣體中被測組分的含量。圖15－65雙電橋丈量電路15.5.2接觸熄滅式氣體傳感器1.概述接觸熄滅式氣體傳感器是煤礦瓦斯檢測的主要傳感器，這種傳感器的運用對減少和防止礦井瓦斯爆炸事故，保證煤礦平安消費發(fā)揚了重要的作用。接觸熄滅式氣體傳感器的特點如下：①對于可燃性氣體爆炸下限以下濃度的氣體含量，其輸出信號接近線性；②每個氣體成分的相對靈敏度與相對分子質(zhì)量或分子熄滅熱成正比；③對不可燃?xì)怏w沒有反響，只對可燃性氣體有反響；④不受水蒸氣的影響；⑤儀器任務(wù)溫度較高，外表溫度普通在300～400℃之間，而在內(nèi)部可到達(dá)700～800℃；⑥對氫氣有引爆性；⑦元件易受硫化物，鹵化物及砷、氯、鉛、硒等化合物的中毒影響；⑧易受高濃度可燃性氣體的破壞。其中，⑤~⑧條特點為其缺陷。2.根本任務(wù)原理當(dāng)易燃?xì)怏w〔低于LEL——下限爆炸濃度〕接觸這種被催化物覆蓋的傳感器外表時會發(fā)生氧化反響而熄滅，故得名接觸熄滅式傳感器，也可稱為催化熄滅式傳感器。傳感器任務(wù)溫度在高溫區(qū)，目的是使氧化作用加強(qiáng)。氣體熄滅時釋放出熱量，導(dǎo)致鉑絲溫度升高，使鉑絲的電阻阻值發(fā)生變化。將鉑絲電阻放在一個電橋電路中，丈量電橋的輸出電壓即可反響出氣體的濃度。接觸熄滅式傳感器由加熱器、催化劑和熱量感受器三要素組成。它有兩種方式：一種是用裸鉑金絲作氣體成分傳感器件，催化劑涂在鉑絲外表，鉑絲線圈本身既是加熱器，又是催化劑，同時又是熱量感受器；另一種是載體作為氣體成分傳感器，催化劑涂于載體上，鉑絲線圈不起催化作用，而僅起加熱和熱量感受器的作用。

圖15－66接觸熄滅式傳感器氣敏元件構(gòu)造表示圖目前廣泛運用的接觸熄滅式氣體傳感器是第二種構(gòu)造方式，氣敏元件主要由鉑絲、載體和催化劑組成，如以下圖。鉑絲螺旋線圈是用純度99.999%的鉑絲繞成的，線圈直徑為0.007～0.25mm，20℃時的阻值約為5～8Ω。鉑絲螺旋線圈的作用是通以任務(wù)電流后，將傳感器的任務(wù)溫度加熱到瓦斯氧化的起始溫度〔450℃左右〕。對溫度敏感的鉑絲，當(dāng)瓦斯氧化反響放熱使溫度升高時，其阻值增大，以此檢測瓦斯的濃度。載體是用氧化鋁燒結(jié)而成的多孔晶狀體，用來掩蓋鉑絲線圈，承載催化劑。載體本身沒有活性，對檢測輸出信號沒有影響，其作用是維護(hù)鉑絲線圈，消除鉑絲的升華，保證鉑絲的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。承載催化劑，使催化劑構(gòu)成高度分散的外表，提高催化劑的成效。催化劑多采用鉑、鈀或其他過渡金屬氧化物，其作用是促使接觸元件外表的瓦斯氣體發(fā)生氧化反響。在催化劑的作用下，瓦斯中的主要成分沼氣與氧氣在較低的溫度下發(fā)生劇烈的氧化反響〔無焰熄滅〕，反響化學(xué)式為CH4+2O2=CO2+2H2O+Q〔15－69〕在實踐運用中，往往將催化傳感元件和物理構(gòu)造完全一樣的補償元件放入隔爆罩內(nèi)，如圖15-67所示。隔爆罩由銅粉燒結(jié)而成，其作用是隔爆，限制分散氣流，以減弱氣體對流熱效應(yīng)。催化傳感器任務(wù)時，在隔爆罩內(nèi)的熄滅室與外界大氣中的CH4、CO2、O2、H2O〔水蒸氣〕等四種氣體存在濃度差，因此產(chǎn)生分散運動。外界大氣中的沼氣分子〔CH4〕和氧氣分子〔O2〕一同經(jīng)隔爆冶金罩分散進(jìn)入熄滅室，氧化反響的生成物CO2和H2O〔水蒸氣〕經(jīng)隔爆冶金罩分散溢出熄滅室。熱反響生成的高溫氣體CO2和H2O經(jīng)過銅粉末冶金隔爆罩傳送出較多的熱量，使得分散到大氣中的氣體溫度低于引燃瓦絲的最低溫度，確保傳感器的平安檢測。圖15－67接觸熄滅式傳感器的構(gòu)造圖假設(shè)氣體溫度低，而且是完全熄滅時，有這樣一個關(guān)系式：〔15－70〕式中：ΔR——氣體傳感器的阻值變化；α——氣體傳感器的電阻溫度系數(shù)；ΔT——氣體熄滅引起的溫度上升值；ΔH——氣體熄滅所產(chǎn)生的熱量；C——氣體傳感器的熱容量；m——氣體濃度；Q——氣體的分子熄滅熱；a——常數(shù)。氣體傳感器的資料、外形和構(gòu)造被決議以后，假設(shè)被測氣體的種類固定，那么傳感器的電阻變化與被測氣體濃度成正比，即ΔR=α·k·m。圖15－68接觸熄滅式傳感器丈量電路3.丈量電路接觸熄滅式氣體傳感器根本丈量電路如圖15－68所示，丈量電路是個電橋電路。氣體敏感元件被置于可通入被測氣體的氣室中，溫度補償元件的參數(shù)與催化敏感元件一樣，并與催化敏感元件堅持在同一溫度上，但不接觸被測氣體，放置在與催化敏感元件相鄰的橋臂上，以消除周圍環(huán)境溫度、電源電壓等變化帶來的影響。接觸熄滅式傳感器可產(chǎn)生正比于易燃?xì)怏w濃度的線性輸出，丈量范圍高達(dá)100%LEL。在丈量時，周圍的氧濃度要大于10%，以支持易燃?xì)怏w的敏感反響。這種傳感器可以檢測空氣中的許多種氣體或汽化物，包括甲烷、乙炔及氫氣等，但是它只能丈量一種易燃?xì)怏w總體或混合氣體的存在與否，而不能分辨其中單獨的化學(xué)成分。實踐中運用接觸熄滅式氣體傳感器時，人們感興趣的是易燃危險氣體能否存在，檢測能否可靠，而不論其氣體內(nèi)部成分如何。接觸熄滅式傳感器具有呼應(yīng)時間快、反復(fù)性好和精度高，并且不受周圍溫度和濕度變化的影響等優(yōu)點。接觸熄滅式傳感器不適宜高濃度〔>LEL〕易燃?xì)怏w的檢測，由于這類傳感器在高濃度下會呵斥過熱景象，使氧化作用效果變壞。另外，傳感器元件容易被硅化物、硫化物和氯化物所腐蝕，在氧化鋁外表呵斥不易消除的破壞。15.5.3氧化鋯氧氣傳感器1.檢測原理氧化鋯〔ZrO2〕是一種具有氧離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)。純真的氧化鋯普通是不導(dǎo)電的，但當(dāng)它摻入一定量〔通常為15%〕的氧化鈣CaO〔或氧化釔Y2O3〕作為氧化劑，并經(jīng)高溫焙燒后，就變?yōu)榉€(wěn)定的氧化鋯資料，這時被二價的鈣或三價的釔置換，同時產(chǎn)生氧離子空穴，空穴的多少與摻雜量有關(guān)，并在較高的溫度下，就變成了良好的氧離子導(dǎo)體。圖15－69氧化鋯氧氣傳感器原理表示圖氧化鋯氧氣傳感器丈量氧含量是基于固體電解質(zhì)產(chǎn)生的濃差電勢來丈量的，其根本構(gòu)造如圖15－69所示。在一塊摻雜ZrO2電解質(zhì)的兩側(cè)分別涂敷一層多孔性鉑電極，當(dāng)兩側(cè)氣體的氧分壓不同時，由于氧離子進(jìn)入固態(tài)電解質(zhì)，氧離子從氧分壓高的一側(cè)向氧分壓低的一側(cè)遷移，結(jié)果使得氧分壓高的一側(cè)鉑電極帶正電，而氧分壓低的一側(cè)鉑電極帶負(fù)電，因此在兩個鉑電極之間構(gòu)成了一個氧濃差電池，此濃差電池的氧濃差電勢在溫度一定時只與兩側(cè)氣體中的氧含量有關(guān)。在電極上發(fā)生的電化學(xué)反響如下：電池負(fù)極電池正極〔15－71〕〔15－72〕濃差電勢的大小可由能斯特方程表示，即〔15－73〕R——理想氣體常數(shù)；T——氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)溫度；n——參與反響的電子數(shù)〔n=4〕；F——法拉第常數(shù)；P0——參比氣體的氧分壓；P1——待測氣體的氧分壓。根據(jù)道爾頓分壓定律，有〔15－74〕式中:C0——參比氣體中的氧含量；C1——待測氣體中的氧含量。因此式(15－73)可寫為〔15－75〕由上式可知，假設(shè)溫度T堅持某一定值，并選定一種知氧濃度的氣體作參比氣體〔普通都選用空氣〕，即假設(shè)一側(cè)氣體的氧含量知〔如空氣中的氧含量為常數(shù)〕，那么另一側(cè)氣體的氧含量〔如鍋爐煙氣或汽車排氣中的氧含量〕就可以用氧濃差電勢表示，測出濃差電勢，便可知道被測氣體中的氧含量。如溫度改動，即使氣體中氧含量不變，輸出的氧濃差電勢也要改動，所以氧化鋯氧氣傳感器均設(shè)有恒溫安裝，以保證丈量的準(zhǔn)確度。2.氧化鋯氧氣傳感器的探頭圖15－70為檢測煙氣的氧化鋯氧氣傳感器探頭的構(gòu)造表示圖。氧化鋯探頭的主要部件是氧化鋯管，它是用氧化鋯固體電解質(zhì)資料做成一端封鎖的管狀構(gòu)造，內(nèi)、外電極采用多孔鉑，電極引線采用鉑絲制成的。被測氣體〔如煙氣〕經(jīng)陶瓷過濾器后流經(jīng)氧化鋯管的外部，參比氣體〔空氣〕從探頭的另一頭進(jìn)入氧化鋯管的內(nèi)部。氧化鋯管的任務(wù)溫度在650～850℃之間，并且丈量時溫度需恒定，所以在氧化鋯管的外圍裝有加熱電阻絲，管內(nèi)部還裝有熱電偶，用來檢測管內(nèi)溫度，并經(jīng)過溫度控制器調(diào)整加熱絲電流的大小，使氧化鋯的溫度恒定。圖15－70氧化鋯氧氣傳感器探頭的構(gòu)造表示圖15.5.4恒電位電解式氣體傳感器恒電位電解式氣體傳感器是一種濕式氣體傳感器，它經(jīng)過測定氣體在某個確定電位電解時所產(chǎn)生的電流來丈量氣體濃度。恒電位電解式氣體傳感器的原理是：使電極與電解質(zhì)溶液的界面堅持一定電位進(jìn)展電解，由于電解質(zhì)內(nèi)的任務(wù)電極與氣體進(jìn)展選擇性的氧化或復(fù)原反響時，在對比電極上發(fā)生復(fù)原或氧化反響，使電極的設(shè)定電位發(fā)生變化，從而能檢測氣體濃度，傳感器的輸出是一個正比于氣體濃度的線性電位差。對特定氣體來說，設(shè)定電位由其固有的氧化復(fù)原電位決議，同時還隨電解時作用電極的材質(zhì)、電解質(zhì)的種類不同而變化。電解電流和氣體濃度之間的關(guān)系如下式表示：〔15－76〕式中:I——電解電流；n——每1mol氣體產(chǎn)生的電子數(shù)；F——法拉第常數(shù)；A——氣體分散面積；D——分散系數(shù)；C——電解質(zhì)溶液中電解的氣體濃度；δ——分散層的厚度。圖15－71恒電位電解式氣體傳感器的根本構(gòu)造在容器內(nèi)的相對兩壁安頓作用電極和對比電極，其內(nèi)充溢電解質(zhì)溶液，容器構(gòu)成一密封構(gòu)造。再在作用電極和對比電極之間加以恒定電位差而構(gòu)成恒壓電路。透過隔膜〔多孔聚四氟乙烯膜〕的CO氣體，在作用電極上被氧化，而在對比電極上O2被復(fù)原，于是CO被氧化而構(gòu)成CO2。式〔15－77〕~式〔15－79〕為氣體與電極之間的氧化復(fù)原反響方程式。氧化反響復(fù)原反響〔15－77〕〔15－78〕總反響方程〔15－79〕在這種情況下，CO分子被電解，經(jīng)過丈量作用電極與對比電極之間流過的電流，即可得到CO的濃度。利用這種原理制造的傳感器體積小、分量輕且具有極高的靈敏度，在低濃度下線性度較好。恒電位電解式氣體傳感器可用于檢測各種可燃性氣體和有毒氣體，如H2S、NO、NO2、SO2、HCl、Cl2、PH3等。15.5.5伽伐尼電池式氣體傳感器伽伐尼電池式氣體傳感器與上述恒電位電解式傳感器一樣，經(jīng)過丈量電解電流來檢測氣體濃度，但由于傳感器本身就是電池，因此不需求由外界施加電壓。這種傳感器主要用于O2的檢測，檢測缺氧的儀器幾乎都運用這種傳感器，它還可以測定可燃性氣體和毒性氣體。伽伐尼電池式氣體傳感器的電解電流與氣體濃度的關(guān)系，與恒電位電解式氣體傳感器的計算公式〔15－76〕一樣。下面以O(shè)2檢測為例來闡明這種傳感器的構(gòu)造和原理，其根本構(gòu)造如圖15－72所示。圖15－72迦伐尼電池式氣體傳感器的構(gòu)造在塑料容器內(nèi)安頓厚10～30μm的透氧性好的PTFE〔聚四氟乙烯〕隔膜，接近該膜的內(nèi)面設(shè)置任務(wù)電極(鉑、金、銀等)，在容器中其他內(nèi)壁或容器內(nèi)空間設(shè)置對比電極(電極用鉛、鎘等離子化傾向大的賤金屬)，用KOH、KHCO3作為電解質(zhì)溶液。檢測較高濃度〔1～100%〕氣體時，隔膜運用普通的PTFE〔聚四氟乙烯〕膜；而檢測低濃度(數(shù)ppm～數(shù)百ppm)氣體時，那么用多孔質(zhì)聚四氟乙烯膜。氧氣經(jīng)過隔膜溶解于隔膜與任務(wù)電極之間的電解質(zhì)溶液的薄層中，當(dāng)此傳感器的輸出端接上具有一定電阻的負(fù)載電路時，在任務(wù)電極上發(fā)生氧氣的復(fù)原反響，在對比電極上進(jìn)展氧化反響，傳感器的反響方程式如式〔15－80〕~式〔15－83〕所示。復(fù)原反響〔15－80〕氧化反響〔15－81〕〔15－82〕總反響方程〔15－83〕對比電極的鉛被氧化成氫氧化鉛(一部分進(jìn)而被氧化成氧化鉛)而耗費，因此，負(fù)載電路中有電流流動，該電解電流與氧氣濃度成比例關(guān)系。此電流在負(fù)載電路的兩端產(chǎn)生電壓變化，將此電壓變化放大那么可表示濃度，可以使0~100%范圍內(nèi)氧氣濃度與端電壓成線性關(guān)系。15.6振動丈量15.6.1振動概述機(jī)械振動是自然界、工程技術(shù)和日常生活中普遍存在的物理景象，任何一臺運轉(zhuǎn)著的機(jī)器、儀器和設(shè)備都存在著振動景象。通常情況下，振動是有害的，它不僅影響機(jī)器、設(shè)備的正常任務(wù)，而且會降低設(shè)備的運用壽命，甚至導(dǎo)致機(jī)器破壞。劇烈的振動噪聲會對人的生理安康產(chǎn)生影響，甚至?xí)＜叭说纳Ｔ谝恍┣闆r下，振動也被作為有用的物理景象用在某些工程領(lǐng)域中，如鐘表、振動篩、振動攪拌器、保送物料的振動輸?shù)V槽、振動夯實機(jī)、超聲波清洗設(shè)備等。因此，除了有目的地利用振動原理任務(wù)的機(jī)器和設(shè)備外，對其他種類的機(jī)器設(shè)備均應(yīng)將它們的振動量控制在允許的范圍之內(nèi)。振動測試的目的如下：①檢查機(jī)器運轉(zhuǎn)時的振動特性，檢驗產(chǎn)質(zhì)量量，為設(shè)計提供根據(jù)；②考核機(jī)器設(shè)備接受振動和沖擊的才干，并對系統(tǒng)的動態(tài)呼應(yīng)特性(動剛度、機(jī)械阻抗等)進(jìn)展測試；③分析查明振動產(chǎn)生的緣由，尋覓振源，為減振和隔振措施提供資料；④對任務(wù)機(jī)器進(jìn)展缺點監(jiān)控，防止艱苦事故發(fā)生。表15－10振動丈量方法的比較圖15－73振動丈量系統(tǒng)構(gòu)造框圖(1)被測對象亦稱實驗?zāi)Ｐ?，它是接受動載荷和動力的構(gòu)造或機(jī)器。(2)鼓勵安裝由信號源、功放和激振器組成，用于對被測構(gòu)造或機(jī)器施加某種方式的鼓勵，以獲取被測構(gòu)造對鼓勵的呼應(yīng)。對于運轉(zhuǎn)中的機(jī)器設(shè)備的振動丈量來說，這一環(huán)節(jié)是沒有的，此時，機(jī)器設(shè)備直接從外部得到振動的鼓勵。(3)傳感與丈量安裝由測振傳感器及其關(guān)聯(lián)的丈量和中間變換電路組成，用于將被測振動信號轉(zhuǎn)換為電信號。(4)振動分析安裝它的作用是對振動信號作進(jìn)一步的分析與處置，以獲取所需的丈量結(jié)果。(5)顯示及記錄安裝用于將最終的振動測試結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖表的方式進(jìn)展記錄或顯示。這方面的儀器包括幅值相位檢測儀器、電子示波器、x－y函數(shù)記錄儀、數(shù)字繪圖儀、打印機(jī)以及計算機(jī)磁盤驅(qū)動器等。15.6.2測振傳感器1.磁致伸縮式振動傳感器當(dāng)一個鐵磁資料被磁化時，元磁體(分子磁體)極化方向的改動將會引起其外部尺寸的改動，這一景象稱磁致伸縮(Magnetostriction)。這種長度的相對變化dl/l在飽和磁化時其值約為10-6~10-5。假設(shè)施加的是一種交變的磁場，那么這種景象便會導(dǎo)致一種周期性的外形改動和機(jī)械振動。在變壓器中這一效應(yīng)會產(chǎn)生交流噪聲，而這一效應(yīng)也可被用來作為磁致伸縮轉(zhuǎn)換器，用以產(chǎn)生超聲波。磁致伸縮景象的逆效應(yīng)稱為磁彈性效應(yīng)，即鐵磁資料在受拉或壓應(yīng)力作用時會改動其磁化強(qiáng)度，利用此效應(yīng)可制造磁彈性振動傳感器。圖15－74所示為一種磁致伸縮式聲傳感器。其中探測器的芯是由一塊鐵氧體或由一疊鐵磁性鐵片組成，芯子中間繞制有一線圈，當(dāng)芯子上作用一交變壓力時，它的磁通密度改動，從而在其周圍的線圈中感應(yīng)出交變電壓來