1、7 过程参数检测中的常用传感技术过程参数检测中的常用传感技术 71 概述概述 72 温度检测温度检测 73 压力检测压力检测 74 流量检测流量检测 75 物位检测物位检测2022年7月26日星期二7时12分15秒171 概述概述711 过程参数检测的意义过程参数检测的意义检测是意义更为广泛的测量，包括对被测参数的定性检查和定量测量。定性检查指的是分辨出被测参数所属的范围，以此判别参数合格与否或现象有无等；而定性测量指的是通过与作为单位的标准量进行比较而获得被测参数的量值。现代化生产过程是高效连续的生产过程，为确保生产安全、保证产品的产量和质量，减少能源消耗、降低成本等等，必须对反映生产过程状
2、态、进行情况等的诸参数如温度、压力、流量、物位、成分等进行自动检测和控制。因此过程检测就是对生产过程和运动对象实施自动的定性检查和定量测量的技术，它是实现自动控制的前提和依据。一个完整的检测过程一般应包括信息提取、信号的放大、转换与传输、信号的显示与记录、信号的分析与处理。本章的重点是从被测参数的角度讨论传感技术与检测方法。2022年7月26日星期二7时12分16秒2712 参数检测应考虑的问题参数检测应考虑的问题 1、正确选定被测参数和检测点、正确选定被测参数和检测点 在工业过程检测中，被测参数有时并不是所要求的直接参数，而是需要用间接方法确定一个或几个中间参数。对于一些复杂或特殊的检测过程
3、，还需要选择多个检测参数并进行多次检测。因此在选择被测参数和检测点时，应考虑被测对象的状态和特征，所选参数和检测点应具有典型性和代表性。2、恰当选取检测方法与传感方式、恰当选取检测方法与传感方式 随着传感技术的发展和信息技术的发展，过程参数的检测，除传统方法外，还有许多新的手段和方法可以使用。但是先进的不一定总是可行的，需要根据检测的条件、特点和要求，恰当选取检测方法、选择或设计合适的传感器。这是正确实现过程参数检测的关键所在。3、检测系统的引入，不能对被测对象的状态产生干扰。、检测系统的引入，不能对被测对象的状态产生干扰。4、检测系统要具备一定抗机械振动、电磁场、环境温度、腐蚀等各种干扰、检
4、测系统要具备一定抗机械振动、电磁场、环境温度、腐蚀等各种干扰的能力。的能力。5、检测系统要具有良好的数据传输和处理能力，保证检测信号的信噪比满、检测系统要具有良好的数据传输和处理能力，保证检测信号的信噪比满足要求，做到无延迟、不失真。足要求，做到无延迟、不失真。6、检测系统的安装维护要方便。、检测系统的安装维护要方便。2022年7月26日星期二7时12分16秒3713 过程检测技术的分类过程检测技术的分类过程检测技术从不同的角度出发，有不同的分类方法。按传感原理可分为电磁法、光学法、热学法、超声法、微波法等等。按敏感元件是否与被测介质接触可分为接触式测量和非接触式测量。按获得检测结果的方法可分
5、为直接测量、间接测量、组合测量。按被测参数类型可分为电量：电压、电流、功率、磁场强度等；机械量：尺寸、形状、位移、速度、加速度、力、质量、重量、振动等；热工量：温度、压力(压差、真空度)、流量(流速、风速)、物位（液位、料位、界面）等；物性和成分量：酸碱度、盐度、浓度、粘度、密度、比重、粒度、纯度、离子浓度、湿度、水份等。状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹，缺陷、泄漏、表面质量(光洁度、白度灰度等)等。本章将选择部分典型的热工参数检测进行介绍。2022年7月26日星期二7时12分16秒472 温度检测温度检测 721 温度和温标温度和温标1、温度、温度 温度是国际单位制中七个基本物理量之一。温
6、度用来表征物体的冷热程度，从微观角度，它表征组成该物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即该物体分子平均动能的大小。从宏观角度，温度概念建立在热平衡基础上，两个温度不同的物体接触，温度必然从高温处向低温处传递，经过足够长时间，最终达到温度相同，即热平衡状态。热平衡理论，以及物体的许多物理化学性质都与温度有关这一特性，确定了温度的各种检测方法。2、温标、温标 温标是为温度测量的准确统一而建立起来的一个标准尺度，它给出了温度量值化的一套规则和方法。温度计在使用前必须先经过分度，或称标定。基准点温度值是以一些物质的相平衡点作为固定点，固定点之间的温度值则是利用一定的函数关系来描述，称为内插函数或内插方
7、程。通常把温度计、固定点和内插方程称为温标三要素。由于温度概念较为抽象，因此温标建立经历了一个较为漫长的过程。常用温标包括：经验温标、热力学温标、理想气体温标、国际实用温标等。国际统一的温度标准要传递到各国，各国要按照规定进行国际比对，建立本国的国家温度基准，以此类推，全国各个地区再建立次级标准，并定期由国家基准检定。测温仪表按准确度可分为基准、工作基准、一定基准、二等基准以及工业用仪表。任何等级的仪表都要定期到上一级计量部门进行鉴定，确保准确可靠。2022年7月26日星期二7时12分16秒5722 测温方法分类测温方法分类 温度表征物体分子热运动的剧烈程度，难以直接测量，因此均是根据物体物理
8、性质随温度变化的特征进行间接测量。归结起来温度测量方法分为接触式测量和非接触式测量两类。1、接触式测量、接触式测量接触式测量依据的是物体的热平衡原理，优点是直观、可靠、体统结构简单。缺点是时间滞后，对于较小的物体，可能因测温元件引入影响温度场分布而造成测量误差，难以测量运动物体温度，另外受温度计材质限制一般只适合于中低温测量。常用的接触式测温仪表有：基于热膨胀原理的膨胀式温度仪表、基于密闭容积内介质随温度升高而压力升高的压力式测温仪表、基于金属导体电阻温度效应的热电阻测温仪表、基于PN结电压随温度变化的晶体二极管、三极管和集成电路式测温仪表、以及基于热电效应的热电偶测温仪表等。2、非接触式测量
9、、非接触式测量非接触式测量是基于物体辐射特性与温度之间的关系设计的。优点是测温范围广、理论上无温度上限限制、测温响应快、测温过程不影响温度场分布、能够检测运动物体温度等。缺点是所测温度与被测物体发射率等本身性质的影响，一般需要对测量结果进行修正。常用非接触式测温仪表有：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。随着测量要求的提高和传感技术的发展，在一些特殊领域中，除了传统测温方法，还逐渐开发出一些特殊的或专用的测温技术，如石英温度计、声学温度计、集成温度传感器、光纤测温技术等。2022年7月26日星期二7时12分16秒6723 典型测温方法和传感器典型测温方法和传感器1、金属热电阻测温
10、、金属热电阻测温（1）测温原理及特点）测温原理及特点热电阻温度计是利用导体电阻值随温度变化的性质测量温度的。虽然电阻温度特性是导体半导体所具有的普遍特性，但要用作测温热电阻需要具备以下条件：1）尽可能大而且稳定的的电阻温度系数；2）电阻随温度变化呈单值函数关系，且线性良好；3）电阻率大，以便同样灵敏度情况下元件尺寸小；4）具有较高的性能价格比。热电阻的测温范围可以达到-260C900C，对大量的工业用测温来说，热电阻性价比高，中低温区稳定性好、准确度高、灵敏度大，信号易于测量、便于远传。但热电阻体积较大、热惯性大，不适于测量高温物体、体积狭小物体和温度快速变化的物体，另外抗振动冲击能力差。（2
11、）热电阻分类）热电阻分类热电阻按材料分，有铂、铜、镍、铁、铑铁、铂钴合金等；按精度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻；按结构分为线绕型、薄膜型和厚膜型。金属热电阻主要参数有分度号、标称电阻值、测温范围、允许偏差、电阻比W（温度为100C和0C时的电阻值之比）、热响应时间和额定电流等。应用热电阻测温，要根据测量要求、热电阻基本参数进行恰当选择。表7-1为几种常用金属热电阻的分度号、测量范围。2022年7月26日星期二7时12分16秒7表表7-1 金属热电阻分度及主要参数金属热电阻分度及主要参数 2022年7月26日星期二7时12分16秒8（3）热电阻引线方式）热电阻引线方式 工业用热电阻由感温元
12、件、引线和保护管组成。其中引线是感温元件测量线路连接的引线，通常置于保护管内。热电阻引线对测量结果有较大影响，常用引线方式有两线制、三线制和四线制三种。两线制在感温元件两端各引出一根引线，这种引线简单、便宜，但引线电阻及引线电阻变化会引入附加误差，因此适用于引线不长、测温精度要求不高的场合。三线制在感温元件一端引出一条引线，另一端引出两条引线。这种引线可以较好地消除引线电阻影响，测量精度有所提高，因此是工业用热电阻通常使用的引线方式，在导线长、测温范围窄、导线所处环境温度变化较大的场合，必须使用三线制。四线制是在感温元件两端各引出两根引线，通过其中两根引线构成校正线路，能够完全消除引线电阻的影
13、响。图7-1为三种引线方式及其测量电路的示意图 图图7-1 热电阻引线方式热电阻引线方式（a）两线制）两线制 （b）三线制）三线制 （c）四）四线制线制（a）（b）（c）2022年7月26日星期二7时12分16秒92、半导体热敏电阻测温、半导体热敏电阻测温 （1）半导体的热点特性及分类）半导体的热点特性及分类半导体的电阻与温度之间的关系呈指数关系，可表示为：（7-3）式中A、B为常数，与半导体的材料、结构有关，量纲分别为电阻和温度。对（7-3）式微分可得热敏电阻温度系数为 （7-4）由式（7-4）可以看出，电阻温度系数随着温度变化而变化，即灵敏度随着温度的升高而降低，因此限制了热敏电阻只能在低
14、温下使用。根据电阻温度系数可以将热敏电阻分为NTC热敏电阻、PTC热敏电阻、CTR热敏电阻三类。NTC热敏电阻适用范围宽，从1mK100K的超低温到1300 2000C的高温，之间的各温度段都可测量；NTC测量范围为-50 150C；CTR测温范围为0 150C。/TBTAeR21TBdTdRRTT2022年7月26日星期二7时12分16秒10（）半导体热敏电阻的特点（）半导体热敏电阻的特点 热敏电阻灵敏度高，一般是金属热电阻的10多倍，电阻值高，通常在千欧以上，引线电阻对测温几乎没有影响，不必使用三线制，响应时间快，可用于动态测量，结构简单，价格便宜，化学稳定性好，可用于恶劣环境。但其缺点是
15、电阻温度系数的非线性严重，而且一般仅适用于350C以下的温度检测。图7-2为常见热敏电阻结构形式。使用半导体热敏电阻应注意：防止过电流使用以防电阻烧坏；开始测量读数的时间常数应大于时间常数57倍，以保证读书稳定准确；避免在温度急骤变化的场合使用；注意防水耐寒等。图图7-2 热敏电阻结构形式热敏电阻结构形式图7-2 热敏电阻结构形式（a）圆片形）圆片形 （b）薄膜形）薄膜形 （c）杆形）杆形 （d）管形）管形 （e）平板形）平板形 （f）珠形珠形（g）扁圆形）扁圆形 （h）垫圈形）垫圈形 （i）金属帽引出的杆形）金属帽引出的杆形（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）2022年7月
16、26日星期二7时12分16秒113、热电偶测温 （1）热电偶选型）热电偶选型热电偶是利用金属的热电效应进行温度测量的。热电偶种类有几百种，应用较广的几十种，分为标准化和非标准化两大类。标准化热电偶八种，分度号分别为S、R、B、K、N、T、E、J，前三种由铂和铂铑合金制成，属于贵金属热电偶，其余五种由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属合金制成，属于贱金属热电偶。标准化工业热电偶在使用时按照允差分为三个等级。表72、73分别为标准化和非标准化热电偶的主要性能。表表72 标准化热电偶的主要性能标准化热电偶的主要性能 2022年7月26日星期二7时12分16秒122022年7月26日星期二7时12分
17、16秒13表表73 标准化热电偶的主要性能标准化热电偶的主要性能2022年7月26日星期二7时12分16秒142022年7月26日星期二7时12分16秒15 在实际测温时，一般应在了解热电偶基本特性的前提下，根据被 测对象、测量气氛、测温范围等正确选择热电偶。按使用温度考虑：1000C之内一般选用贱金属热电偶，如-200300C可选用T型或E型。1300C之内可选用N型或K型，10001400C可选用R、S型，14001800C可选用B型，高于1800C就要采用非标准的无赖钨铼系列热电偶。按环境气氛考虑：当环境气氛有氧化性，温度低于1300C可选用K型或N型，高于1300C应选用铂铑系列。若环
18、境气氛为真空或有还原性，温度低于950C可选用J型，高于1600C应选用钨铼系列。参考端温度影响除用冷端补偿措施外，也可通过适当选型解决。当温度低于1000C时，可选用K型热电偶，冷端温度在030C对测量的影响可忽略不计，温度高于1000C选用B型热电偶，可忽略冷端温度影响。热电偶偶丝直径选择与温度有关，也影响动态特性和精度。直径大响应时间长，直径小则使电阻增大，影响与测量电路的阻抗匹配，使精度下降。（2）热电偶的冷端处理）热电偶的冷端处理根据热电偶测温原理，热电势是测量端与参考端温度t、t0的函数差，只有参考端温度恒定，才能得到热电势与测量端温度之间的关系。实际上我们通常使用的热电偶分度表是
19、以参考端为0C制作的。但在工业检测现场，参考端温度则难以保持恒定不变，更难以维持在0C，因此冷端处理是热电偶在实际使用时必须面对的问题。2022年7月26日星期二7时12分16秒16 冷端处理方法可以概括为冷端恒温、冷端温度校正、冷端温度自动补偿、补偿导线。1）冷端恒温在条件许可的情况下，通过人为方法创造0C或t0（非0C）的恒温环境，如保温瓶、恒温槽、恒温箱等，将冷端置于其中。对于恒温在的情况，可以再通过温度校正的方法进行校正。2）冷端温度校正根据热电效应的中间温度定则可以对冷端恒定在tn的热电势值进行修正：E(t,0)=E(t,tn)+E(tn,0)（76）其中E(tn,0)即为修正量，可
20、以通过查分度表得出。但是由于热电特性的非线性，将分度表上由E(t,0)查得的温度t1直接加tn作为检测结果是错误的，工业检测中经常使用经验公式校正：t=t1+K(tn-0)（77）式中t、t1、tn分别为测点实际温度、由E(t,tn)值查分度表得到的温度、冷端恒定温度，K为经验系数。不同热电偶在不同温度下具有不同的K值，可由相关资料给出。3）冷端温度自动补偿tBAtnDCtnt0mVv图7-3 串接补偿热电偶回路其基本思想是在热电偶测量电路中加入一个补偿环节，感受冷端温度变化，产生一个补偿电势，以使仪表检测到的电动势不受冷端温度变化影响。2022年7月26日星期二7时12分16秒17 baRt
21、R3R2R1+mVVV+ER图7-4 带补偿电桥的热电偶测量电路例如在测量电路中串一个与测量用热电偶A-B热电特性相同的电偶C-D，如图73所示。根据中间温度定则，无论补偿电偶正串还是反串，均可将参考端温度变化补偿掉。补偿电偶最好与测量电偶具有相同的热电特性并且价格便宜。也可在热电偶测量电路中加一个直流不平衡电桥，如图74所示。该补偿电桥由直流电源供电，输出端串接在热电偶回路中。桥臂电阻R1、R2、R3和限流电阻R选用锰铜电阻，阻值受温度影响很小，桥臂电阻Rt为铜电阻，阻值随温度升高而增大，将其置于与热电偶冷端同样的温度场中。由于电桥不平衡输出Uab随Rt变化是非线性的，补偿热电势E(tn,0
22、）随tn变化也是非线性的，但两者变化情况很难一致，设计时一般要求在两个温度点上符合即可，也可采用使供桥电源E随tn变化的方式。补偿电桥与热电偶应配套使用。同类型补偿电桥外形与内部设计都是一样的，只要配上合适的限流电阻R即可与热电偶相配套，R决定了补偿量Uab的大小。tBAtnDCtnt0m Vv图图7-3 串接补偿热电偶回串接补偿热电偶回路路baRtR3R2R1+mVVV+ER图图7-4 带补偿电桥的热电偶测量电路带补偿电桥的热电偶测量电路2022年7月26日星期二7时12分16秒18 4)补偿导线 补偿导线是在一定温度范围内与某种热电偶具有相同热电特性的一对带有绝缘层的导线或电缆。恰当选用补
23、偿导线可将热电偶的参考端延伸到远离热源或环境温度相对恒定的地方。为降低成本，补偿导线一般选用贱金属材料。如果热电偶为贵金属材料，称为补偿型（C型），如果热电偶本身就是贱金属材料，则称为延伸型（X型）。补偿导线一般只在较低的温度范围内（通常在0100之间）与热电偶热点特性一致，因此使用温度必须符合要求，而且各种补偿导线必须与相应型号的热电偶匹配使用，见表7-4。连接时注意不能将补偿导线极性接反。对于补偿型导线（C型），还要求于热电偶的两个连接点温度相同。在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值，以保证测量精度。补偿导线使用方便，是热电偶测量电路中经常采用的方法，也是各种冷短端温度
24、补偿方法中最基本的一种。表表7-4 常用补偿导线与热电偶配用关系常用补偿导线与热电偶配用关系2022年7月26日星期二7时12分17秒19（3）热电偶的断偶检查）热电偶的断偶检查在热电偶自动测温电路中如果发生断偶现象，输出热电势为0，就会得出t=t0的错误结果。为此，检测电路中应增加一个断偶判断的环节。如图7-5所示，MN为热电偶输出端，经R1、R2、CF构成的滤波网络送入量程放大器A，再经A/D转换后将测量结果送计算机处理。此电路中有一个UB和RB构成的断偶判断环节，RB为兆欧级大电阻。热电偶正常工作时该环节相当于开路；当发生断偶时，MN处电压为UB，UB选择为经放大后使A/D转换器溢出，从
25、而使计算机能够判断出断偶发生。图图75 热电偶断偶检查热电偶断偶检查2022年7月26日星期二7时12分17秒204、辐射测温、辐射测温（1）幅射测温的基本原理）幅射测温的基本原理任何物体，只要温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量，称为热辐射。热辐射能量与物体自身性质和温度有关。这种通过接收物体的辐射能量来确定温度的方法称为辐射测温，利用这种原理测温的仪表和传感器通称为辐射式温度计。热辐射波长涉及紫外、可见光、红外光区。可见光波长范围仅为0.30.72m，红外光波长范围较大，为O.72l000m。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围一般为 0.340m。根据斯蒂藩一玻耳兹曼定律，
26、若黑体在单位时间单位面积上辐射出的能量为M0（T），则辐出能量与绝对温度间的关系满足：（7-8）式中为玻尔兹曼常数。黑体的光谱辐射亮度L0是一个与波长和绝对温度均有关物理量，式（7-8）用辐射亮度表示，则有：（7-9）4)(0TTM 4)(0TTL2022年7月26日星期二7时12分17秒21 理想的绝对黑体在自然界中是不存在的。一般物体的辐射出射度小于绝对黑体。在某一温度T，某物体在全波长范围内的积分辐射出射度M(T)与绝对黑体在全波长范围内的积分辐射出射度M0(T)之比称为该物体的全辐射率(或全辐射系数)，用(T)表示,0(T)1。类似地，在任一温度和某个波长下，物体在此波长的光谱幅射出射
27、度M(,T)与与黑体在此波长的光谱幅射出射度M0(,T)之比称为光谱(单色)幅射度，用(T)表示。因此，对于一般物体，光谱辐射亮度与绝对温度的关系为：通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度，这就是辐射测量基本原理。（2）光谱辐射式温度计）光谱辐射式温度计 光谱辐射温度计是根据热辐射效应进行测量的。通常由辐射敏感元件、光学系统、测量仪表及辅助装置等几部分组成。辐射敏感元件分为光电型和热敏性两大类。光电型常用的有光电倍增管、硅光电池、锗光电池等。特点是响应快，但同类元件光电特性曲线一致性不好，互换性差。热敏型常用的有热敏电阻、热电堆等。特点是同类元件热电特性曲线一致性好、灵敏度高、对响应波长无
28、选择，但响应时间常数较大，通常为0.01s1s。10)-(7 )(4TTL2022年7月26日星期二7时12分17秒22 光学系统的作用是聚集被测物的辐射能。其形式有反射型和透射型两类。测量仪表包括测量电路、显示驱动电路、显示装置等。数字式仪表还包含模数转换电路，自动平衡式仪表需有平衡驱动装置，如小型步进电机。辅助装置包括冷却和防尘防护装置。光谱辐射温度计是按绝对黑体进行温度分度的，测量非黑体时，仪表示值称为该物体的辐射温度。由于0（T）1，辐射温度总是低于物体的真实温度。物体的辐射温度TF与真实温度T之间的关系为：（7-11）使用光谱辐射式高温计需注意以下几点：1）距离系数距离系数 被测物与
29、感温器之间的距离L与被测物有效直径D之比称为距离系数。为保证感温器全部接收到被测物的辐射能量，被测物大小应受距离系数约束。2）中间介质中间介质 空气对辐射能吸收较少，但水蒸气、CO2对辐射的吸收能力则较强。测量中应尽量减少中间介质的影响。3）环境温度环境温度 被测物的高温使环境温度升高，影响检测元件的正常工作。一般需要冷却或温度补偿措施。4）杂光干扰杂光干扰 被测物反射的外界辐射和自身辐射一起投向感温元件，为此应加装屏蔽罩。与其他类型的高温计相比，辐射温度计是最古老、最简单的一种测量仪器，灵敏度与精度都不太高，因此使用面远不及光学高温计广泛。4)(/1TTTF2022年7月26日星期二7时12
30、分17秒23 （3）光学高温计）光学高温计 光学高温计通过将辐射体在单一波长（通常采用0.66m）下的亮度与高温计灯泡亮度比较来确定物体温度。光学高温计有三种形式：灯丝隐灭式、恒定亮度式和光电亮度式。图7-6是灯丝隐灭式高温计工作原理图。调节物镜使被测物的像落在灯泡的灯丝平面上，灯泡温度低时，从目镜中看到被测物像上的暗丝，接通电源并调节可变电阻，使灯泡变亮，当灯丝两度与被测物亮度相同时，灯丝隐灭在被测物的像中。光学高温计的示值也是按照黑体分度的，仪表示值称为被测物的亮度温度，根据发射率，可求出真实温度：式中，TL、T分别为物体的亮度温度、真实温度；(T)为物体的光谱发射率，0(T)UCU，可忽
31、略，故时差，可忽略，故时差则流体流速则流体流速 在实际的工业测量中，时差在实际的工业测量中，时差 t t非常小，若流速测量要达到非常小，若流速测量要达到1 1准确准确度，则时差测量要达到度，则时差测量要达到0.010.01的准确度，因此难以实现。的准确度，因此难以实现。ucLtucLt212122cLuttttLcu222022年7月26日星期二7时12分19秒72超声波流量计 相差法相差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。设发相差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。设发射器向流体连续发射频率为射器向流体连续发射频率为f f的正弦波超声波脉冲，则逆流和顺流的正弦波超声波
32、脉冲，则逆流和顺流时两束波的相位差时两束波的相位差 与前述时间差与前述时间差 t t之间的关系为之间的关系为 则流体的流速则流体的流速 相差比时差有了一个相差比时差有了一个2 2 f f放大系数，对仪器灵敏度的要求不必象时放大系数，对仪器灵敏度的要求不必象时差法那样严格，因此提高了测量精度。差法那样严格，因此提高了测量精度。但在时差法和相位差法中，流速测量均与声速有关，而声速是温但在时差法和相位差法中，流速测量均与声速有关，而声速是温度的函数，当环境温度变化时会影响到测量精度。度的函数，当环境温度变化时会影响到测量精度。tft212fLcu422022年7月26日星期二7时12分19秒73超声
33、波流量计 频差法频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率差来测量流频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率差来测量流量的。超声波发射器向被测流体发射超声脉冲，接收器收到声脉量的。超声波发射器向被测流体发射超声脉冲，接收器收到声脉冲并将其转换成电信号，经放大后再用此电信号去触发发射电路冲并将其转换成电信号，经放大后再用此电信号去触发发射电路发射下一个声脉冲，因此任何一个声脉冲都是由前一个接收信号发射下一个声脉冲，因此任何一个声脉冲都是由前一个接收信号脉冲所触发。脉冲信号发射体、流体、接收器、放大电路内循环，脉冲所触发。脉冲信号发射体、流体、接收器、放大电路内循环，故称声循环法。脉冲循
34、环周期的倒数称为声循环频率故称声循环法。脉冲循环周期的倒数称为声循环频率(即重复频即重复频率率)，它由脉冲在流体中的传播时间有关。因此顺流、逆流时的生，它由脉冲在流体中的传播时间有关。因此顺流、逆流时的生循环频率循环频率f f1 1、f f2 2分别为：分别为：声脉冲循环频差：声脉冲循环频差：流体流速：流体流速：Luctf111Luctf221Lufff221fLu22022年7月26日星期二7时12分19秒74超声波流量计 流体流速和频差成正比，且与声速无关，精度与稳定性都有提高，这是频差法的显著优点。循环频差很小，直接测量的误差大，为了提高测量精度，一般需采用倍频技术。由于顺、逆流两个声循
35、环回路在测循环频率时会相互干扰，工作难以稳定，而且要保持两个声循环回路的特性一致也是非常困难的。因此实际应用频差法测量时，仅用一对换能器按时间交替转换作为接收器和发射器使用。图7.27 换能器在管道上的配置方式 图7.27是超声换能器在管道上的配置方式，其中Z式为单声道方式，是最常用的方式，装置简单，适用于有足够长的直管段、流速分布为管道轴对称的场合；V式适用于流速不对称的流动流体的测量；当安装距离受到限制时，可采用X式。换能器一般均交替转换作为发射和接收器使用。2022年7月26日星期二7时12分19秒75超声波流量计图图7.27 换能器在管道上的配换能器在管道上的配置方式置方式2022年7
36、月26日星期二7时12分19秒76超声波流量计 超声波流量计测量时，超声波换能器可以置于管道外，不与流体直接接触，不破环流场，没有压力损失,测量范围宽，可用于各种液体的流量测量，包括测量腐蚀性液体、高粘度液体和非导电液体的流量，尤其适于测量大口径管道的水流量或各种水渠、河流、海水的流速和流量，在医学上还用于测量血液流量等。但超声波流量计结构较为复杂，价格昂贵，一般用在特殊场合或有特殊要求的流量测量。超声波流量计前需要一定长度的直管段。一般直管段长度在上游侧需要10D以上，而在下游侧则需要5D左右。2022年7月26日星期二7时12分19秒7775 物位检测 物位包括液位、料位和相界面。液位指各
37、种储液器（油罐、水塔、水箱锅炉、炼钢炉等）、河道、水库中的液面位置；料位指储料容器、堆场、仓库等存储的固体颗粒或粉料的堆积高度，即堆积顶面的位置；相界面指两种密度不同且互不相容的液体之间或液体与固体之间的分界面位置，包括液液相界面和液固相界面。液位检测的难点在于有些情况下液体表面有沸腾或起泡；料位检测要注意一般固体物料在自然堆积时料面是不平的；相界面检测的难点在于界面分界不明显或存在混浊段。物位检测方法由于被测对象不同，介质状态、特性不同以及检测环境条件不同而多种多样，表7-6是工业上各种常用液位、料位检测方法及相应测量仪器的主要性能特点汇总表。由于液位检测需求最多，技术也相对简单，因此重点介
38、绍常用的液位检测方法和液位计。2022年7月26日星期二7时12分19秒787.5.1 液位检测 液位检测方法包括直接测量、压力法测量、浮力法测量、电学法测量、超声波测量、辐射法测量、激光测量、微波测量等多种方法。2022年7月26日星期二7时12分19秒79直接测量 直接测量利用连通器原理将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。这类液位计统称玻璃管式液位计，尽管在实际应用中观察管并不一定都是玻璃。这种测量方法简单直观、安全可靠、价格低廉，在电厂及化工领域的连续生产过程中仍有广泛应用；但它的缺点是不易实现信号远传，被测液体温度压力不能太高，不宜测量粘稠和深色的液体。2022
39、年7月26日星期二7时12分19秒80压力法测量 压力法依据液体重量所产生的压力进行测量。液体对容器底面产生的静压力与液位高度成正比，因此通过测量容器中液体的压力来测算液位高度。图7-28为用于测量开口容器液位高度的三种压力式液位计。（a）压力式液位计）压力式液位计（b）法兰式液位变送）法兰式液位变送器器（c）吹气式液位）吹气式液位计计图图7-28 压力式液位计压力式液位计1-旋塞阀；旋塞阀；2-引压管；引压管；3-压力表；压力表；4-法兰；法兰；5-压力变送压力变送器器2022年7月26日星期二7时12分19秒81压力法测量（a）为压力表式液位计，利用引压管将压力变化值引入高灵敏度压力表进行
40、测量。压力表安装位置若与容器底等高，则读数直接反映液位高度；若不等高，则须先标定出液位为零时的读数，称为零点迁移量。压力表式液位计使用范围较广，但要求介质洁净，粘度不能太高，以免阻塞引压管。（b）为法兰式压力变送器，变送器安装在容器底部的法兰上，敏感元件为金属膜盒，经导压管与变送器的测量室相连，导压管内封入沸点高、膨胀系数小的硅油，使被测介质与测量系统隔离。它可以将与液位有关的压力信号变成电信号或气动信号。这种方式检测信号可以远传控制，而且可以检测有腐蚀性、易结晶、粘度大或有色的介质。（c）为吹气式液位计，通过旋塞阀调节进入液体的压缩空气量，使液体静压与压缩空气压力平衡，此时大约每分钟150个
41、左右气泡从液体中逸出。当液位高度变化时，逸出气泡量变化。调节阀门使气泡量恢复原状态，从压力表的调节量即可反映液位变化。这种液位计结构简单，使用方便，可用于测量有悬浮物及高粘度液体。对于蜜蜂容器则要求容器上部有通气孔。它的缺点是需要气源，而且只能适用于静压不高、精度要求不高的场合。2022年7月26日星期二7时12分20秒82压力法测量 图7-29是用于密闭容器测量的差压式液位计，它采用差压式变送器，反映液位高度的压力P1和容器上部的气体压力P2分别引入压力变送器的正压室和负压室，通过测量差压获得液面高度。这种液位计测量信号便于进行远传控制。安装时通常低压引压管中充满隔离液，以防气体凝结成液体，
42、且隔离液密度小于被测液体密度。正压室引压方式应根据液体性质选取，对于粘度大、易沉淀或易结晶的液体应采用法兰式安装。2022年7月26日星期二7时12分20秒83压力法测量图图729 差压式液位计原理差压式液位计原理2022年7月26日星期二7时12分20秒84浮力法 浮力法测液位是依据力平衡原理，使浮子一类的物体平衡时能够浮于液面。当液位高度发生变化时，浮子就会跟随液面上下移动，测出浮子的位移就可知液位变化量。浮子式液位计按浮子形状不同，可分为浮子式、浮筒式等等；按机构不同可分为钢带式、杠杆式等。图730为浮筒式液位计原理图。平衡时压缩弹簧的弹力与浮筒浮力及重力平衡，即：式中，k、x为弹簧刚度
43、和压缩量；G、A、H为浮筒的重量、截面积和浸入深度；为被测液体密度。假设液位升高H，弹簧被压缩x，则力平衡关系为：两式相减得：液位测量可转化为位移量检测，可用变换器(如差动变压器)将其变换成电信号进行测量和远传控制。GgAHkxGxHHgAxxkxgAkH12022年7月26日星期二7时12分20秒85电学法电学法 电学法按工作原理不同又分为电阻式、电感式和电容式。电学法测量无摩擦件和可动部件，信号转换、传送方便，便于远传，且输出可转换为统一的电信号，与电动单元组合仪表配合使甩，可方便地实现液位的自动检测和自动控制。2022年7月26日星期二7时12分20秒86电学法 电阻式液位计 电阻式液位
44、计的原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。电阻式液位计既可进行定点液位控制，即在液位到达上限或下限时触发报警，也可进行连续测量。图7-32为连续测量电阻式液位计原理图。液位计的两根电极是由两根材料、截面积相同的具有大电阻率的电阻棒组成，电阻棒两端固定并与容器绝缘。整个传感器电阻为：式中，、A、h为电阻棒得电阻率、截面积和全长；H为液面高度。电阻的测量可用图中的电桥电路完成。电阻式液位计的特点是结构和线路简单、测量准确，通过在与测量臂相邻的桥臂中串接温度补偿电阻可以消除温度变化对测量的影响。但其缺点是极棒表面容易产生生锈、极化、被介质腐蚀等。HKKHAhAHhAR2122
45、22022年7月26日星期二7时12分20秒87电学法图图7-32 电阻式液位计电阻式液位计1-电阻棒；电阻棒；2-绝缘套；绝缘套；3-测量电桥测量电桥2022年7月26日星期二7时12分20秒88电学法 电感式液位计 电感式液位计利用电磁感应现象，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。电感式液位计既可进行连续测量，也可进行液位定点控制。图7-33为电感式液位控制器的原理图。传感器由不导磁管子、导磁性浮子及线圈组成。管子与被测容器相连通，管子内的导磁性浮子浮在液面上，并跟随液面移动。线圈固定在液位上下限控制点，当浮子随液面移动到控制位置时，引起线圈感应电势变化，以此信号控制继电器动作，
46、触发上下限报警。电感式液位计的浮子与介质接触，因此不宜于测量易结垢、腐蚀性强的液体及高粘度浆液。2022年7月26日星期二7时12分20秒89电学法图图733 电感式液位控制器电感式液位控制器1上下限线圈；上下限线圈；2浮子浮子2022年7月26日星期二7时12分20秒90电学法 电容式液位计 电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。其结构形式有平极板式、同心圆柱式等等。对于同心圆柱式电容器，其电容量为：式中，D、d为外电极内径和内电极外径；为两极板间介质的介电常数；L为两极板重叠长度。液位变化引起等效介电常数变化，从而使电容器的电容量变化，这就是电容式液位计的检测原理
47、。在具体测量时，电容式液位计的安装形式因被测介质的性质不同而稍有差别。dDLCln22022年7月26日星期二7时12分20秒91电学法图图7-34 单电极电容液位计单电极电容液位计1-内电极；内电极；2-外电极外电极图图7-35 同心圆柱电容器同心圆柱电容器 1-内电极；内电极；2-绝缘套绝缘套2022年7月26日星期二7时12分20秒92电学法 图7-34为测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，外套绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。容器内无液体时，内电极与容器壁组成电容器，介电层为绝缘套和空气；液面高度为H时，电容等效于无液部分电容和有液部分电容的并
48、联，两部分电容介电层不同，其中有液体部分介电层为绝缘套。总电容克表达为：式中，0、为空气与绝缘套组成的介电层的介电常数和绝缘套的介电常数，空气介电常数非常小，在这里可忽略；d、D、D0分别为内电极外径、绝缘套外径和容器的内径。L为电极与容器的覆盖长度(m)。相对于液位为零时的电容，液位为H时电容变化量为：dDHLdDHCCC0021ln2ln2HdDCxln22022年7月26日星期二7时12分20秒93电学法 图7-35为测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有流通孔使液体流入极板间。液面高度为H时，电容等效于有液体部分和无液体部分两
49、个电容的并联。有液体部分的介电层由液体和绝缘套组成，设其介电常数为；无液体部分的介电层由空气和绝缘套组成，设其介电常数为0，因此总电容为：相对与液位为零时的零点电容C0，液位为H时电容变化量为：式中，d、D为内电极外径和金属套内径。因此，只要测出电容变化量，即可推算液位高低。电容式液位计适用范围非常广泛，对介质本身性质的要求不象其它方法那样严格，对导电介质和非导电介质都能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。既可作液位控制器也可用于连续测量，因此在液位测量中占有重要地位。dDHLdDHCln2ln20HdDCCCxln2002022年7月26日星期二7时12分20秒94热学法 在
50、冶金行业中常遇到高温熔融金属液位的测量。由于测量条件的特殊性，目前除使用 核幅射法外，也常用热学方法进行检测。它利用空气和高温液体的分界面处温度场出现突变的特点，用测量温度的方法间接获得高温金属熔液液位。图7-36为热电偶测量高温金属熔液液位原理图。从温度-电势分布曲线上反映出第7个和第8个测点之间产生了温度突变，因此液面就在第7与第8测点之间。热电偶测液位只是一个较为粗略的测量方法，精度一般不高，但工作可靠；在连铸机结晶过程等应用场合中是一种很适用的液位检测控制方法。2022年7月26日星期二7时12分20秒95热学法b）温度电势分布）温度电势分布图图7-36 热电偶测高温金属熔液液位原热电
