1、1 第四章第四章 流体参数的测量流体参数的测量 24.1压力与压差的测量4.2流速和流量的测量4.3液位的测量 主要内容主要内容34.1 压力与压差的测量压力与压差的测量 SFp/4国际单位制(SI)中定义1N的力垂直而均匀地作用在1m2面积上所形成的压力为一个帕斯卡，简称帕，符号为Pa。目前，工程技术界广泛使用的压力单位主要有工程大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱等。工程大气压工程大气压 即1kg力垂直而均匀地作用在1cm2面积上所产生的压力，用千克力平方厘米表示，常记作千克力平方厘米,kgfcm2,符号为 at。标准大气压标准大气压 是指在纬度为45的海平面上，温度为0时的平均大气压力
2、。1atm=101325Pa，符号为 atm。毫米汞柱毫米汞柱 即在标准重力加速度下，温度为0时1mm高的水银柱所产生的压力，符号为mmHg mmHg。毫米水柱毫米水柱 即在标准重力加速度下，温度为4时1mm高的水柱所产生的压力，符号为mmH2O。54.1 压力与压差的测量压力与压差的测量 常用的几种压力单位与帕之间的换算关系为：1kgfcm2=9.807104Pa1atm=1.013105Pa1mmHg=1.332102Pa1mmH2O=9.807Pa1MPa=106Pa 6J地面上的一切物体无不处在环境大气压力的作用下，只有绝对真空状态才能使F真正等于0，以绝对真空为计值零点的压力称为绝对
3、压力。J设计容器或管道的耐压强度时，主要根据内部流体压力和外界环境大气压力之差而定，一般的压力表监视生产过程，也只检测容器或设备内外压力之差，这个压力差是相对值，是以环境大气压力为计值零点所得的压力值，称为相对压力。各种普通压力表的指示值都是相对压力，所以相对压力也称为表压力，简称表压。J环境大气压力完全由当时当地空气柱的重力所产生，与海拔高度和气象条件有关，可以用专门的大气压力表测得，它的数值是以绝对真空为计值零点得到的。因此，是绝对压力。J如果容器或管道里的流体压力比外界环境大气压力低，表压就为负值，这种情况下的表压称为真空度，亦即接近真空的程度。72、压力测量方法 平衡法 按照压力的定义
4、，通过直接测量单位面积所承受的垂直方向上的力的大小来检测压力。如液柱式压力计和活塞式压力计。弹性法 弹性元件感受压力后会产生弹性变形,形成弹性力,当弹性力与被测压力相平衡时,弹性元件变形的大小反映了被测压力的大小。物理性质法 一些物质受压后,它的某些物理性质会发生变化,通过测量这种变化就能测量出压力.据此原理制造出的各种压力传感器往往具有精度高、体积小、动态特性好等优点,成为近年来压力测量的一个主要发展方向.其中,半导体压阻式传感器和压电式传感器发展得更为迅速。8二、平衡式压力计 液柱式压力计 弹性式压力计 电气式压力计 压力仪表的选用与校正 9液柱式压力计测压原理 液柱式压力计是利用液柱所产
5、生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用液体叫做封液，常用的封液有水、酒精、水银等。常用的液柱式压力计有U型管压力计、单管压力计和斜管微压计。它们的结构形式如图所示。U型管压力计两侧压力p1、p2与封液液柱高度之间h有如下关系：)()(12121gHghpp液柱式压力计液柱式压力计10J当1=2时，上式可简化为：J若1=2，且12，则有：J J单管压力计两侧压力p1、p2 与封液液柱高度h2之间的关系为：J J 若F1F2，且1，则：J斜管微压计两侧压力p1、p2和液柱长度L的关系可表示为)(121ghppghpp21212121)/1()(hFFgpp221hg
6、ppsin21lgpp液柱式压力计液柱式压力计11液柱式压力计液柱式压力计12液柱式压力计的测量误差及其修正 环境温度变化的影响 当环境温度偏离规定温度时，封液密度、标尺长度都会发生变化。由于封液的体膨胀系数比标尺的线膨胀系数大12个数量级，因此对于一般的工业测量，主要考虑温度变化引起的封液密度变化对压力测量的影响，而精密测量时还需要对标尺长度变化的影响进行修正。环境温度偏离规定温度（例如20）后，封液密度改变对压力计读数影响的修正公式为：)20(1 20thh液柱式压力计液柱式压力计13 毛细管现象造成的误差 毛细管现象使封液表面形成弯月面，这不仅会引起读数误差，而且会引起液柱的升高或降低。
7、这种误差与封液的表面张力、管径、管内壁的洁净度等因素有关，一般难以精确得到。在实际应用时，常常通过加大管径来减少毛细管现象的影响。一般要求：封液为酒精时管子内径d3mm，封液为水或水银时d8mm。液柱式压力计还存在刻度、读数、安装等方面的误差。读数时，眼睛应与封液弯月面的最高点或最低点持平，并沿切线方向读数。U型管压力计和单管压力计都要求垂直安装，否则也将会带来较大误差。液柱式压力计液柱式压力计14弹簧管压力计膜片式压力计与膜盒式压力计 波纹管式压差计 弹性压力计的误差及改善途径 弹性式压力计弹性式压力计15弹簧管压力计 单圈弹簧管压力计，由弹簧管、齿轮传动机构、指针、刻度盘等部分组成 弹簧管
8、是弹簧管压力计的主要元件。弯曲的弹簧管是一根空心管，其自由端封闭，固定端与仪表的外壳固定连接，并与管接头相通。弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形。当它的内腔通入被测压力后，在压力作用下发生变形。由于短轴方向与弹簧管圆弧形的径向一致，变形使自由端向管子伸直的方向移动，产生管端位移量，通过拉杆带动齿轮传动机构，使指针相对于刻度盘转动。当变形引起的弹性力与被测压力产生的作用力平衡时，变形停止，指针指示出被测压力值。16(a)(b)(c)(d)弹簧管及其横截面弹簧管及其横截面(a)单圈弹簧管；(b)盘旋多圈弹簧管；(c)S形弹簧管；(d)螺旋多圈弹簧管17单圈弹簧管自由端的位移量不能太大，一般不超过25m
9、m。为了提高弹簧管的灵敏度，增加自由端的位移量，可采用S形弹簧管或螺旋形弹簧管。齿轮传动机构的作用是把自由端的线位移转换成指针的角位移，使指针能明显地指示出被测值。它上面还有可调螺钉，用以改变连杆和扇形齿轮的铰合点，从而改变指针的指示范围。转动轴处装着一根游丝，用来消除齿轮啮合处的间隙。传动机构的传动阻力要尽可能小，以免影响仪器的精度。单圈弹簧管压力表的精度，普通的是14级，精密的是0.10.5级。测量范围0109Pa。为了保证弹簧管压力表的正确指示和能长期使用，应使仪表工作在正常允许的压力范围内。对于波动较大的压力，仪表的示值应经常处于量程范围的1/2附近；被测压力波动小，仪表示值可在量程范
10、围的2/3左右，但被测压力值一般不应低于量程范围的1/3。另外，还要注意仪表的防振、防爆、防腐等问题，并应定期校验。18三、电气式压力计三、电气式压力计压阻式压力传感器 电容式压力传感器 霍尔压力变送器 19压阻式压力传感器压阻式压力传感器电阻丝在外力作用下发生机械变形，它的几何尺寸和电阻率都会发生变化，从而引起电阻值变化。若电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为，电阻值为R，则有：，设在外力作用下，电阻丝各参数的变化相应为dl，dA，d ，dR，对上式求微分并除以R，可得电阻的相对变化：对于金属材料，电阻率的相对变化d/较小。影响电阻相对变化的主要因素是几何尺寸的相对变化dL/L和dA/A。
11、对半导体材料，dL/L和dA/A两项的值很小，d/为主要的影响因素。AlRAdAldldRdR20物质受外力作用，其电阻率发生变化的现象叫压阻效应。利用压阻效应测量压力的传感器叫压阻式压力传感器。自然界中很多物质都具有压阻效应，但以半导体晶体的压阻效应较明显，常用的压阻材料是硅和锗。一般意义上说的压阻式压力传感器可分两种类型 一类是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片，作为测量中的变换元件，与弹性敏感元件一起组成粘贴型压阻式压力传感器，或叫应变式压力传感器；另一类是在单晶硅基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，此基片既是压力敏感元件，又是变换元件，这类传感器叫做扩散型压阻式压力传感器，通常也简
12、称作压阻式压力传感器或固态压力传感器。21电容式压力传感器电容式压力传感器 电容器的电容量由它的两个极板的大小、形状、相对位置和电介质的介电常数决定。当一个极板固定不动，另一个极板感受压力，并随着压力的变化而改变极板间的相对位置，电容量的变化就反映了被测压力的变化。这是电容式压力传感器的工作原理。平板电容器的电容量为：若电容的动极板感受压力产生位移d，则电容量将随之改变，其变化量为:当.A确定之后,可以通过测量电容量的变化得到动极板的位移量,进而求得被测压力的变化。电容式压力传感器的工作原理正是基于上述关系。当d/d0，f,所以修正系数简化为：01QKQ 02K02QKQ 96（七）超声波流量
13、计（七）超声波流量计 超声波流量计的测量原理它利用超声波在流体中的传播特性来测量流体的流速和流量，最常用的方法是测量超声波在顺流与逆流中的传播速度差。两个超声换能器P1和P2分别安装在管道外壁两侧，以一定的倾角对称布置。超声波换能器通常采用锆钛酸铅陶瓷制成。在电路的激励下，换能器产生超声波以一定的入射角射入管壁，在管壁内以横波形式传播，然后折射入流体，并以纵波的形式在流体内传播，最后透过介质，穿过管壁为另一换能器所接收。两个换能器是相同的，通过电子开关控制，可交替作为发射器和接收器。97超声波流量计方框图超声波流量计方框图98（七）超声波流量计（七）超声波流量计设流体的流速为v，管道内径为D，
14、超声波束与管道轴线的夹角为，超声波在静止的流体中传播速度为v0，则超声波在顺流方向传播频率f1为：超声波在逆流方向传播频率f2为 DvvDvvfsin)cos(sin/cos001DvvDvvfsin)cos(sin/cos00299（七）超声波流量计（七）超声波流量计故顺流与逆流传播频率差为：由此得流体的体积流量Q为：对于一个具体的流量计，、D是常数，而qv与f成正比，故测量频率差f可算出流体流量。2sin21Dvfff2sin42sin44322fDfDDvDQ100（七）超声波流量计（七）超声波流量计.超声波流量计的使用超声波流量计可用来测量液体和气体的流量，比较广泛地用于测量大管道液体
15、的流量或流速。它没有插入被测流体管道的部件，故没有压头损失，可以节约能源。超声波流量计的换能器与流体不接触，对腐蚀很强的流体也同样可准确测量。而且换能器在管外壁安装，故安装和检修时对流体流动和管道都毫无影响。超声波流量计的测量准确度一般为12，测量管道液体流速范围一般为0.5ms5ms。101（八）光纤流量计（八）光纤流量计1.光纤差压式流量计 光纤差压式流量计也是一种利用流体流动的节流现象进行流量测量的仪表，光纤传感技术用来检测节流元件前后的差压p。工作原理：在节流元件前后分别安装了一组敏感膜片和Y形光导，膜片受到流体压力的作用而产生位移，Y形光导则是一种光纤位移传感器，它根据输入输出光强的
16、相对变化测量膜片位移的大小。在这种传感器布置方式中，每一膜片的位移与其所受的流体压力成正比，亦即膜片1与膜片2的相对位移与节流元件前后的差压p成正比。因此，通过测量两膜片的相对位移可以得到节流差压p。测得p后，就可以利用流量方程式(4-21)求出被测流量。102光纤差压式流量计光纤差压式流量计103（八）光纤流量计（八）光纤流量计2.光纤膜片式流量计 工作原理：直接把流量信号转变为膜片上的位移信号，即流量越大，膜片受力而产生的向内挠曲变形位移越大，通过膜片位移量的测量就可以确定被测流量的大小。这种流量计中膜片位移的测量同样采用Y形光纤传感器。一般膜片可采用钢或铜等材料，为增加反射光强度，膜片内
17、侧可镀铬或银。膜片的厚度根据流量的测量范围设计，一般在0.05mm0.2mm之间。104光纤膜片式流量计光纤膜片式流量计1-膜片；2-引线孔；3-光电元件；4-光源；5-Y形光导105涡街发生原理图涡街发生原理图(a)圆柱形涡街发生体；(b)三棱柱形涡街发生体1064.3 液位的测量液位的测量液位是指开口容器或密封容器中液体介质液面位置的高低，用来测量液位的仪表称为液位计。液位测量在现代工业生产过程中具有重要地位。通过液位测量可确定容器里的液体的数量，连续监视或调节容器内流入和流出物料的平衡，使之保持在一定的高度，以保证生产的质量、产量、经济、安全和环保。目前常用的测量方法有，直读法、浮力法、
18、差压法、电容法、核辐射法、超声波法以及激光法、微波法等。这里只介绍应用较为广泛的浮力式、差压式、电气式液位计的结构、原理及应用。1074.3 液位的测量液位的测量浮力法液位测量浮子式液位计 浮筒式液位计 差压法液位测量电气法液位测量 电容式液位计电接点液位计 声学法液位测量108一、浮力法液位测量一、浮力法液位测量 浮力式物位检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液体面上的浮子(也称浮标)随液面变化而产生的位移检测液位；或利用沉浸在被测液体中的浮筒(也称沉筒)所受的浮力与液位的关系检测液位。前者为恒浮力式检测，一般称浮子式液位计。后者为变浮力式检测，一般称浮筒式液位计。1091、浮子式液位计、浮子
19、式液位计 浮子式液位计测量原理：将液面上的浮子用绳索连接并悬挂在滑轮上，绳索的另一端挂有平衡重锤，利用浮子所受重力和浮力之差与平衡重锤的重力相平衡的原理，使浮子漂浮在液面上。其平衡关系为：W1浮子的重力；F 浮力；W2重锤的重力。21WFW110浮子式液位计测量原理浮子式液位计测量原理1-浮子；2-绳索；3-重锤；4-刻度尺1111 1、浮子式液位计、浮子式液位计当液位上升时，浮子所受浮力F增加，则W1-Fx，H=h，从而被测液位可表示为：由上式可知，当液位变化时，使浮筒产生位移，其位移量x与液位高度成正比关系。因此变浮力物位检测方法实质上就是将液位转换成敏感元件浮筒的位移变化。可应用信号变换
20、技术进一步将位移转换成电信号，配上显示仪表在现场或控制室进行液位指示和控制。是在浮筒的连杆上安装一铁芯，可随浮筒一起上下移动，通过差动变压器使输出电压与位移成正比关系，从而检测液位。常用的浮筒式液位计有的还将浮筒所受的浮力通过扭力管变换成扭力管的角位移，由变送器把角位移转换为电信号，指示液位。AXKH116二、差压法液位测量二、差压法液位测量 1、利用静压差测量液位的原理 静压式液位检测方法是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的。其原理如图4-31所示，根据流体静力学原理可得，式中：PA容器中液体表面的静压；PB容器中液体底部的静压；H 液柱的高度；液体的密度。g重力加速度 当容器为敞口
21、时，则为大气压，上式变为:gHppp0gHpppAB117二、差压法液位测量二、差压法液位测量 在测量过程中，如果液体密度为常数，则在密闭容器中两点的压差p与液面高度H成正比；而在敞口容器中则P与H成正比，也就是说测出P和p就可以知道敞口容器或密闭容器中的液位高度。HpApB静压式液位计原理静压式液位计原理118二、差压法液位测量二、差压法液位测量(1)压力表测量液位计 压力计式液位计用来测量敞口容器中的液位高度，原理为：测压仪表通过取压导管与容器底部相连，由测压仪表的指示值便可知道液位的高度。用此法进行测量时，要求液体密度为常数，否则将引起误差。另外，压力仪表实际指示的压力是液面至压力仪表入
22、口之间的静压力，当压力仪表与取压点(零液位)不在同一水平位置时，应对其位置高度差而引起的固定压力进行修正。119压力式液位计压力式液位计(a)压力表测液位；(b)法兰式压力变送器测液位1-容器；2-压力表；3-法兰；4-变送器120二、差压法液位测量二、差压法液位测量(2)法兰式压力变送器液位计 图(b)是用法兰式压力变送器测量液位的原理图，由于容器与压力表之间用法兰将管路连接，故称“法兰液位计”。对于粘稠液体或有凝结性的液体，为避免导压管堵塞，可采用法兰式压力变送器和容器直接相连。其在导压管处加有隔离膜片，导压管内充入硅油，借助硅油传递压力。121二、差压法液位测量二、差压法液位测量(3)压
23、差式液位计 在对密闭容器液位进行测量时，容器下部的液体压力除与液位高度有关外，还与液面上部介质压力有关。在这种情况下，可以用测量差压的方法来获得液位，如图示。差压液位计指示值除与液位高度有关外，还与液体密度和差压仪表的安装位置有关。无论是压力检测法还是差压检测法都要求取压口(零液位)与检测仪表的入口在同一水平高度，否则会产生附加静压误差。但是，在实际安装时不一定能满足这个要求。如地下储槽，为了读数和维护的方便，压力检测仪表不能安装在所谓零液位处的地方；采用法兰式差压变送器时，由于在从膜盒至变送器的毛细管中充以硅油，无论差压变送器在什么高度，一般均会产生附加静压。在这种情况下，可通过计算进行校正
24、，更多的是对压力(差压)变送器进行零点调整，使它在只受附加静压（静压差）作用时输出为“0”，这种方法称为“量程零点迁移”。122压差式液位计原理压差式液位计原理(a)无迁移；(b)负迁移；(c)正迁移123二、差压法液位测量二、差压法液位测量无迁移 无迁移差压变送器测量液位原理如图(a)所示，将差压变送器的正、负压室分别与容器下部和上部的取压点相连通，被测液体的密度为1，则作用于变送器正、负压室的差压为p=H1g。当液位H在范围0Hmax内变化时，对应的p在范围0pmax内变化，变送器输出Ip在量程上下限间相应变化.124二、差压法液位测量二、差压法液位测量负迁移 如图(b)所示,在实际应用中
25、，为防止容器内液体和气体进入变送器取压室造成管线堵塞或腐蚀，以及保持负压室液柱高度恒定，在变送器正、负压室与取压点之间分别装有隔离罐，并充以密度为2的隔离液，(通常2 1)，这时正、负压室的压差为：)()(022012121pghpgHghpppghhgH2121)(125二、差压法液位测量二、差压法液位测量J当H=0时，P=-(h2-h1)2 g，输出压力为负值，而且实际工作中，往往22，所以当最高液位时，负压室的压力也要大于正压室的压力，使变送器的输出为负值，这样就破坏了变送器输出IP与液位之间的正常关系。J在变送器量程符合要求的条件下，调整变送器上的迁移弹簧，使变送器在H=0，P=-(h
26、2-h1)2 g时，变送器输出IP为量程下限；在H=Hmax，最大差压为Pmax=Hmax1g-(h2-h1)2 g时，变送器输出IP为量程上限，这样就实现了变送器输出与液位之间的正常关系。称为负迁移量。126正迁移 图(c)所示的测量装置中，变送器的安装位置与最低液位不在同一水平面上，变送器的位置比最低液位低h，这时液位高度H与压差之间的关系为 可见，当H=0时，P=h1 g，变送器输出IP大于量程下限；当H=Hmax时，对应的差压Pmax=(Hmax+h)1 g，变送器输出IP大于仪表量程上限。在变送器量程符合要求的条件下，调整变送器迁移弹簧，使变送器在H=0，P=h1 g时，变送器输出I
27、P为量程下限；使变送器在H=Hmax，Pmax=(Hmax+h)1 g时，变送器输出IP为仪表量程上限，从而实现了变送器输出与液位之间的正常关系。Z+=h1 g称为正迁移量。ghHp1)(127cpIPZ-Z+差压变送器迁移示意图差压变送器迁移示意图(a)无迁移；(b)正迁移；(c)负迁移128二、差压法液位测量二、差压法液位测量正、负迁移实质上是通过迁移弹簧改变变送器的零点，即同时改变量程的上、下限，而量程的大小不变。129二、差压法液位测量二、差压法液位测量2、高位水箱的液位测量J在液位计系统中接入一个U形管压差计，便可将液位计接到比容器位置低得多的场所进行液位测量或监控。、J图中所示为锅
28、炉中测量锅筒水位的水位计工作原理图。这种水位计可以安装到位置比锅筒低得多的运行人员操作台上进行锅筒水位监控。J测量系统由凝结箱、膨胀室、低地位水位计和连接管等组成。低地位水位计及其旁边的连接管形成一形管压差计。在凝结箱中，由于蒸汽凝结，所以存在水位，但由于凝结水过多时能溢流到锅筒水容积中去，所以凝结箱中水位总保持恒定。凝结箱液面上压力相同，但管路中存在三种密度不同的液体，即炉水(密度1)、凝结水(密度2)及U形管；压差计中的重液(密度3)。凝结箱右边垂直管中的液体由于保温作用，其密度等于炉水密度 1130高位水箱水位测量原理图高位水箱水位测量原理图131二、差压法液位测量二、差压法液位测量在正
29、常工况下，低地位水位计中的流体是静止的，作用在A点左面和右面的压力应相等，据此可得：g重力加速度；R最高水位时，水位计中水位和膨胀室中的水位差。化简上式：gRHHgRgHgH203210)(02312HR132在上式中，炉水密度1可根据锅筒中压力确定，1等于相应于锅筒压力下的饱和水密度；2因管外无绝热材料，可取为室温下的水的密度；3为未知值，其值应保证使锅筒中水位降低值h等于低地位水位计中的液位降低值h。由于式(4-50)中值也为未知值，所以尚需列出一个方程式来求解和值。当锅筒水位降低值时，要求低地位水位计中的液位也降低值。此时，膨胀室中水位将从上升值(见图4-35)。凝结箱右面垂直管内的水位
30、由于和锅筒是一个连通器，也将降低h值。在锅筒水位降低h值条件下，再根据A点右面及左面压力相等可得下式：gHHRhghRhghHghHgh203121104)()()()(133二、差压法液位测量二、差压法液位测量设低地位水位计的横截面积为f1，膨胀室的横截面积为f2，则可列出下列几何关系式：(4-52)由式(4-50)、(4-51)、(4-52)可得：(4-53)上式表明，在设计低地位水位计时，U形管压差计中灌注的重液密度3，不是任意值，而应根据f1/f2、1、2、4及算出。当水位计系统确定后，f1/f2比值已确定，则3主要和1有关，亦即和锅筒压力有关。锅炉低地位水位计的重液可用三溴甲烷和苯配
31、制而成。hffh1121421213/1)/1(ffff134三、电气法液位测量三、电气法液位测量 1、电容式液位计 电容式液位传感器是利用被测物的介电常数与空气(或真空)不同的特点来进行检测的，电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的测量线路组成。、它适用于各种导电、非导电液体的液位或粉状料位的远距离连续测量和指示，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现液位的自动记录、控制和调节。由于它的传感器结构简单，没有可动部分，因此应用范围较广。135三、电气法液位测量三、电气法液位测量（1）测量导电液体的电容式液位传感器 测量导电液体的电容式液位传感器如图4-36所示，在液体中插入一根带聚四氟乙
32、烯绝缘套管的不锈钢电极，由于液体是导电的，容器和液体可看作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管为中间介质，三者组成圆筒电容器。当液位高度为H=0，即容器内的实际液位低于非测量区h时，圆筒电容器的电容量C0为：)/ln(2000dDLC136三、电气法液位测量三、电气法液位测量导电液体的电容式液导电液体的电容式液位测量位测量1-导电液体；2-容器；3-不锈电极；4-绝缘套137三、电气法液位测量三、电气法液位测量当液位高度为H时，圆筒电容器的电容量C为：所以，当容器内液位高度由零变化到H时，圆筒电容器的电容变化量C为：)/ln()(2)/ln(200dDHLdDHC)/ln(
33、2)/ln(2000dDHdDHCCC138三、电气法液位测量三、电气法液位测量通常，D0D，0，上式中第二项比第一项小得多，可以忽略不计。则:当电极确定后，为定值，上式可写为:可见，当电极确定后，、D、d 为定值，传感器的电容变化量与液位的变化量呈线性关系。测出电容变化量就可求出被测液位。且绝缘套管的介电常数较大，D/d较小时，传感器的灵敏度较高。值得注意的是，如果液体是粘滞介质，当液位下降时，由于电极套管上仍粘附一层被测介质，会造成虚假的液位示值，使仪表所显示的液位比实际液位高。)/ln(2dDHCKHC)/ln(2dDK139三、电气法液位测量三、电气法液位测量(2)测量非导电液体的电容
34、式液位传感器 当测量非导电液体，如轻油、某些有机液体等的液位时，可采用两根同轴装配，彼此绝缘的不锈钢管构成同轴套管筒形电容器，两根不锈钢管分别作为圆筒形电容器的内外电极。液位的变化导致圆筒形电容器的内外电极间介质的变化，从而引起电容量的变化，利用这一特性可以测量液位变化。如图4-37所示，外套管上有孔，以便被测液体能自由地流进或流出。当被测液位H=0时，两电极间的介质是空气，电容器的电容量为：)/ln(200dDLC(4-58)(4-58)140图图4-37非导电液体非导电液体的电容式液位测量的电容式液位测量1-非导电液体；2-容器；3-不锈钢外管；4-不锈钢内管；5-绝缘套141三、电气法液
35、位测量三、电气法液位测量当液位高度为H时，两电极间上下部的介质分别是空气和被测液体，圆筒电容器的电容量C为：)/ln()(2)/ln(20dDHLdDHC(4-59)(4-59)所以，当容器内液位高度由零变化到H时，圆筒电容器的电容变化量C为：HdDCCC)/ln()(200(4-60)(4-60)可见，当电极确定后，、D、d、为定值，传感器的电容变化量与液位的变化量呈线性关系。测出电容变化量就可求出被测液位。142三、电气法液位测量三、电气法液位测量2、电接点液位计 由于密度和所含导电介质的数量不同，液体与其蒸汽在导电性能上往往存在较大的差别，电接点液位计正是利用这一差别进行液位检测的，通过
36、液体汽、液相电阻的不同来指示液位高低。电接点液位计的基本组成和工作原理如图4-38所示。为了便于测点的布置，被测液位通常由测量筒2引出，电接点则安装在测量筒上。电接点由两个电极组成，一个电极裸露在测量筒中，它与测量筒的筒壁之间用绝缘子隔开；另一个电极为所有电接点的公共接地极，它与金属测量筒的筒壁接通。143三、电气法液位测量三、电气法液位测量当液体浸没电接点时，由于液体的电阻率较低，电接点的两电极通过液体导通，相应的指示灯亮；而处在蒸汽中的电接点因蒸汽的电阻率很大而不能导通，相应的指示灯不亮。因此，液位的高低决定了亮灯数目的多少。或者反过来说，亮灯数目的多少反映了液位的高低。根据显示方式的不同
37、，相应地有电接点氖灯液位计、电接点双色液位计和数字式电接点液位计。但是，无论采用哪种显示方式，均无法准确指示位于两相邻电接点之间的液位，即存在指示信号的不连续性，这也就是电接点液位计固有的不灵敏区，或称作测量的固有误差。显然，这种误差的大小取决于电接点的安装间距。144145三、电气法液位测量三、电气法液位测量近年来，电接点液位计得到了较为广泛的应用，尤其是在锅炉汽包水位的测量中，由于其测量结果受汽包压力变化的影响很小，故适用于锅炉变参数工况下的水位测量。但是，这种液位计的液位指示信号具有非连续的阶跃性，因此不宜作为液位连续调节的信号传感器。用电接点液位计测量锅炉汽包水位时，除了上述误差外，最
38、主要的误差是测量筒内水柱温降所造成的测量筒水位与汽包重力水位之间的偏差，因而应该对测量筒采取保温措施。146四、声学法液位测量四、声学法液位测量 1、声学法液位计工作原理 声学法液位计利用声波传播过程中的一些物理特性如声速、声波反射或声波减弱等来测量液位的。声波式液位计是一种非接触式物位计，无可动部件，不受被测介质的导电率、导热系数或介电常数等的影响。因此应用面广，可用于有毒、有腐蚀性、高粘度液体的测量。但不宜用于含气泡、悬浮杂质和波浪较大的液体液位测量，否则会因乱反射而产生误差。此外，这种液位计因设备较复杂，价格较高。147四、声学法液位测量四、声学法液位测量图4-39所示为声波反射式液位计
39、的工作原理图。图中，由压电元件组成的声换能器通入交流电流后产生反压电效应，成为一个声波发射器。发射器周期地发出短暂的声波，经一段时间后声波从两相界面反射回来并为声波接收器接收。声波接收器也是一种由压电元件组成的声换能器，当收到声波振动力后能使压电元件发生正压电效应并产生交流电流。由于声波在一定介质中的传播速度是不变的，因此测定这段时间间隔值后，即可算出被测液位值。148149四、声学法液位测量四、声学法液位测量2、超声波液位计 超声波液位计由超声波换能器和测量电路组成。超声波换能器作为传感器检测液位的变化，并把液位变化转换为电信号。通过测量电路的放大处理，由显示装置指示液位。超声波换能器交替地
40、作为超声波发射器与接收器，也可以用两个换能器分别作发射器与接收器，它是液位检测传感器。超声波换能器是根据压电晶体的“压电效应”和“逆压电效应”原理实现电能一超声波能的相互转换，其原理如图4-40所示。150四、声学法液位测量四、声学法液位测量当外力作用于晶体端面时，在其相对的两个端面上有电荷出现，并且两端面上的电荷的极性相反。如果用导线将晶体两端面电极连接起来，就有电流流动，如图4-40(a)所示。当外力消失时，被中和的电荷又会立即分开，形成与原来方向相反的电流。如果用交变的外力作用于晶体端面上，则产生交变电场。这就是压电效应。反之，若将交变电压加在晶体两个端面的电极上，便会产生逆压电效应，即
41、沿着晶体厚度方向作伸长和压缩交替变化，产生与所加交变电压同频率的机械振动，而向周围介质发射超声波，如图4-40(b)所示。151152四、声学法液位测量四、声学法液位测量超声波液位计的测量电路由控制钟、可调振荡器、计数器、译码指示等部分组成。使用超声波液位计进行测量时，将超声波换能器置于容器的底部(或液体的上空)。当控制钟每发次方波信号时，就激励换能器发射声脉冲，并将计数器复零，还开始对时间脉冲进行计数，至接收到液面反射波信号后立即停止计数，最后将声脉冲从发射到返回的往返时间的计数换算成液位高度显示出来。153思考题思考题1.简述差压式流量计的基本构成及使用特点。2.差压式流量计有几种取压方式
42、，各有何特点?3.简述容积式流量计的工作原理及椭圆齿轮流量计的基本结构。4.简述电磁流量计的工作原理及使用特点。5.弹性式压力计常用弹性元件有哪几种？各适合什么压力范围？6.什么是霍尔效应？简述霍尔压力变送器的工作原理。154思考题思考题7.常用毕托管有哪几种类型？各适应什么工作条件？8.简述热线风速仪的工作原理。9.简述声学法液位测量的工作原理。声学法液位测量有何特点?10.差压式液位计按有无迁移量分为哪几种类型？155思考题思考题10.一个球缺体其底直径d和高度h已经测得如下：d=70.0260.016mm（置信度68.3%），h=20.0000.060mm（置信度99.7%）试计算球缺的体积和相对误差。11.试证明一列等精度测量的数据（只含有随机误差），它的剩余误差的代数和为零。
