1、2022-12-261第二章 初级传感器（Primary sensor）本章目的：本章目的：l掌握温度测量有关概念及初级温度传感器一般原理；l掌握压力有关概念及初级压力传感器一般原理；l掌握流体有关概念及流量传感器一般原理。本章重点：本章重点：l有关温度、压力、流量的基本概念。2022-12-2621.温度温度2.1.12.1.1温度及温标（温度及温标（Temperature and scale）2.温标温标：华氏温标、摄氏温标、热力学温标、国际温标。华氏温标、摄氏温标、热力学温标、国际温标。华氏温标（华氏温标（Fahrenheit）：）：单位为单位为“o oF”F”。摄氏温标（摄氏温标（Ce
2、lsius）：）：单位为单位为“o oC”C”2.1 温度传感器温度传感器（Temperature）华氏温标与摄氏温标的关系：华氏温标与摄氏温标的关系：9325oot Ft C热力学温标（热力学温标（Kelvin）：）：绝对温标，单位为绝对温标，单位为“K”规定分子运动停止时的温度为规定分子运动停止时的温度为绝对零度绝对零度；水的三相点水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为为273.16K；2022-12-263 定义国际开尔文温度（定义国际开尔文温度（T90）和国际摄氏温度（）和国际摄氏温度（t90）水的三相点热力学温度为水的三相点
3、热力学温度为273.16K；摄氏温标与开氏温标之间简单关系式为：摄氏温标与开氏温标之间简单关系式为：国际计量委员会在国际计量委员会在1989年年7月批准新的国际温标月批准新的国际温标ITS-90，我国，我国1994年开始全面推行年开始全面推行ITS-90新温标。新温标。内容：内容：国际温标：国际温标：指导思想指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便。高，制作较容易，性能稳定，使用方便。CTto15.2739090 整个温标分成四个温区，都有其相应的标准仪器。整个温标分成四个温区，都有其相应的标准仪器。1)0.65-5.0
4、K1)0.65-5.0K，用，用3 3HeHe和和4 4HeHe蒸汽温度计；蒸汽温度计；2)3.0-24.5561K2)3.0-24.5561K（氦三相点），用氦气体温度计；（氦三相点），用氦气体温度计；3)13.803K-961.783)13.803K-961.78，用基准铂电阻温度计；，用基准铂电阻温度计；4)961.784)961.78以上，用单色辐射或光电高温计。以上，用单色辐射或光电高温计。2022-12-264作业作业1：常用温度单位换算：常用温度单位换算：l人体温度36.5摄氏度，相当于多少华氏度？相当于多少开式温度？2022-12-2652.1.2 测温方法及测温仪表(Temp
5、erature measurement method and instrument)测测温温方方式式温度计种类温度计种类常用测温常用测温范围（范围（）优点优点缺点缺点非非接接触触式式测测温温仪仪表表辐射辐射式式辐射式辐射式400-2000400-2000 测温时，不测温时，不破坏被测温破坏被测温度场度场 低温段测量低温段测量不准，环境不准，环境条件会影响条件会影响测温准确度测温准确度光学式光学式700-3200700-3200比色式比色式900-1700900-1700红外红外线线热敏探测热敏探测-50-3200-50-3200测温时，不测温时，不能破坏被测能破坏被测温度场，响温度场，响应快，
6、测温应快，测温范围大，适范围大，适于测温度分于测温度分布布易受外界干易受外界干扰，标定困扰，标定困难难光电探测光电探测0-35000-3500热电探测热电探测200-2000200-20002022-12-266测测温温方方式式温度计种类温度计种类测温范测温范围（围（）优点优点缺点缺点接接触触式式测测温温仪仪表表膨膨胀胀式式玻璃液体玻璃液体-50-600-50-600结构简单，使结构简单，使用方便，测量用方便，测量准确，价格低准确，价格低廉廉量上限和精度量上限和精度受玻璃质量的受玻璃质量的限制，易碎，限制，易碎，不能记录和远不能记录和远传传双金属双金属-80-600-80-600结构紧凑，牢结
7、构紧凑，牢固固精度低，量程精度低，量程和使用有限和使用有限压压力力式式液体液体-30-600-30-600 耐震，坚固，耐震，坚固，防爆，价格低防爆，价格低廉廉精度低，测温精度低，测温距离短，滞后距离短，滞后大大气体气体-20-350-20-350蒸汽蒸汽0-2500-250 2022-12-267测测温温方方式式温度计种类温度计种类测温范测温范围（围（）优点优点缺点缺点接接触触式式测测温温仪仪表表热热电电偶偶铂铑铂铑-铂铂0-16000-1600测温范围广，测温范围广，精度高，便于精度高，便于远距离、多点、远距离、多点、集中测量和自集中测量和自动控制动控制需冷端温度补需冷端温度补偿偿,在低温
8、段测在低温段测量精度较低量精度较低镍铬镍铬-镍镍铝铝0-9000-900镍铬镍铬-考考铜铜0-6000-600 热热电电阻阻铂铂-200-200-500500测温精度高，测温精度高，便于远距离、便于远距离、多点、集中测多点、集中测量和自动控制量和自动控制不能测高温不能测高温,须须注意环境温度注意环境温度的影响的影响铜铜-50-150-50-150热敏热敏-50-300-50-3002022-12-268温度测量仪表的精度等级 仪表名称精度等级双金属温度计1，1.5，2.5压力式温度计1，1.5，2.5玻璃液体温度计0.5-2.5热电阻0.5-3热电偶0.5-1光学高温计1-1.5辐射温度计（热
9、电堆）1.5部分辐射温度计1-1.5比色温度计1-1.52022-12-2692.1.4 膨胀式温度计（Dilator-thermometer）气体膨胀式、液体膨胀式和固体膨胀式三类 固体膨胀式温度计（双金属温度计）:热膨胀系数大的材料为主动层，热膨胀系数小的为被动层。一 原理:固体受热膨胀原理2123()()ABtrTTt金属片的曲率半径 t是双金属片的总厚度2022-12-2610二 材料:膨胀系数不同的金属材料双金属敏感元件材料(1)高锰合金锰、镍、铜的合金(含Mn 72，Ni 10，Cu 18)，材料受热膨胀十分明显，在2 51 5 0间,线膨胀系数约为2 7.51 0-6/，即温度每
10、上升1将伸长原尺寸的百万分之2 7.5。(2)殷钢铁和镍的合金(含Fe 64，Ni 3 6%)，合金线膨胀系数极小，在01 00间约为(13)1 0-6/，在同样温度变化幅度之下其膨胀程度仅为高锰合金的二十分之一左右。2022-12-2611为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状。螺旋卷的一端固定而另一端与自由转动的指针相连，指针可在一圆形分度标尺上指示温度。三 结构特点:2022-12-2612使用特点：普通双金属的厚度范围从10微米到3毫米，测温范围零下75摄氏度至零上540度，大多数用于零至300度温度范围。抗震性好，牢固，读数方便，轴向型、径向型、135型、万向型等品种齐全，适应
11、于各种现场安装的需要。但精度不高（精度级），测温范围小。形状可以制成螺旋线、膜片等。用途：广泛应用于石油、化工、冶金、纺织、食品等工业。温度指示，也可用于直接断开或闭合触点（恒温器、荧光灯启动器），电路中过流保护的执行器等。四 应用特点:2022-12-2613电熨斗原理图五 双金属温度传感器的典型应用:2022-12-26142.2 压力传感器压力传感器（Pressure sensor）2.2.1基本概念压力(pressure):单位面积上的力（压强）aPbPdPgPvPv压差绝对压力大气压力负压力表压力真空度大气压力线绝对压力线压力关系示意图（Differential pressure）（
12、Absolute pressure）（Atmospheric pressure）（gauge pressure）（Negative pressure）（vacuum）2022-12-2615各种压力单位换算表 单位牛顿/米2(帕斯卡)巴毫米水柱 4oC 公斤力/米2 牛顿/米2(帕斯卡)1110-50.1019720.101972巴1105110.197210310197.2毫米水柱4oC0.1019729.8066510-51110-8公斤力/米29.806659.8066510-5110-81公斤力/厘米298.06651030.980665101031104标准大气压1.01325105
13、1.0132510.332310310332.3毫米水银柱0oC 133.3220.0013332213.595113.5951磅/英寸6.894761030.0689476703.072703.0722022-12-2616作业作业2：常用压力单位换算：常用压力单位换算：l1工程大气压=千克力/平方厘米=帕l1标准大气压=毫米水银柱=帕l1毫米水银柱=毫米水柱=帕l1毫米水柱=千克力/平方米=帕2022-12-2617一 压力测量范围l超高压(super-high pressure)：压力高于6108Pa；l高压(high-pressure)：压力在107至6108Pa；l低压(low-pr
14、essure)：压力在105至107Pa；l微压(micro-pressure)：压力在0至105Pa；l真空(vacuum)：760托(1托=1毫米汞柱=133.32帕斯卡)以下。2.2.2 压力测量仪表（Pressure gauge）2022-12-2618二 压力测量仪表类别子类别工作原理用途 液柱式压力计U型管压力计 流体静力学(hydrostatics)原理低微压测量，高精度者可用作压力基准器。常用于静态压力测量。单管压力计斜管微压计补偿微压计自动液柱式压力计 弹性压力表弹簧管压力表胡克定律(Hooke law)（弹性元件受力变形）测量范围宽、精度差别大、品种多、是最常见的工业用压力
15、仪表膜片压力表膜盒压力表波纹管压力表 负荷式压力计活塞式压力计单活塞式静力平衡（static equilibrium）原理（压力转换成砝码重量）用于静压测量，是精密压力测量基准器。双活塞式浮球式压力计钟罩式微压计2022-12-2619类别子类别工作原理用途 压力传感器电阻应变片压力传感器应变式应变效应 用于将压力转换成电号实现距离监测、控制。压阻式压阻效应压电式压力传感器压电效应电感式压力传感器压力引起磁路磁阻变化造成铁心线圈等效电感变化电容式压力传感受器极距变化式压力引起电容变化面积变化式介质变化式电位器式压力传感受器压力推动电位器滑头位移霍尔压力传感受器霍尔较应光纤压力传感器用光纤测量由
16、压力引起的位移变化谐振式压力传感受器振弦式压力改变振体的固有频率振筒式振膜式 压力开关位移式压力开关压力改变弹性元件位移，引起开动作位式报警力平衡式压力开关2022-12-26202.2.3 弹性式压力计（spring-tube pressure gauge）一 压力敏感元件1.压力弹簧管（Pressure bourdon spring）压力弹簧管又称为布尔顿管。它是一种管体呈圆弧形，螺旋形，涡线形，麻花形，且截面为椭圆形或扁圆形，用来测量流体压力的中空管。测量范围：0-109Pa 优点：灵敏度高、刚度大、过载能力强 2022-12-2621基本原理：均匀壁厚的圆形弹簧管不能作为测压元件。20
17、22-12-2622C型压力弹簧管 扭绞型压力弹簧管 压力弹簧管的实物图 压力弹簧管技术指标 材质铜合金、不锈钢结构形式椭圆管、圆管直径系列2080mm迟滞1%非线性2%2022-12-26232.膜片和膜盒（Diaphragm and bellows）膜片是一种可以在垂直于它的挠性面方向移动的力敏元件。它在仪表中的作用是将压力或压差转换成膜片的中心位移或中心集中力输出，传给指示器或执行机构。优点：具有重量轻、体积小、结构简单、性能可靠、输出位移范围大、价格低廉。测量范围：10-2-108Pa膜片 膜盒 2022-12-2624金属膜片技术指标 材质铜合金、不锈钢、恒弹合金、精密合金 结构形式
18、平面形、斜面形、圆弧形、梯形直径系列1580mm压力膜盒技术指标材质铜合金、不锈钢、恒弹合金、精密合金 结构形式平面形、斜面形、圆弧形、梯形工作压力2mmHg-16.0MPa直径系列1880mm迟滞1%非线性2%金属膜片和膜盒实物图 2022-12-26253.波纹管（Corrugated pipe）是一种具有一定波纹形状的薄壁弹性元件。它具有受轴向力、径向力（或弯矩）作用下，产生相应位移的特点。优点：线性好而且弹性位移大。测量范围：0-106Pa波纹管的纵断面 2022-12-2626波纹管技术指标材质铜合金、不锈钢、高弹合金、精密合金结构形式环形、螺旋形直径系列880mm迟滞1%非线性1.
19、5%金属波纹管实物图 2022-12-26271.弹簧管式压力计：弹簧管拉杆扇形齿轮游丝指针压力接头面板支座小齿轮二 弹性式压力计2022-12-26282.膜盒、膜片式压力计：2022-12-2629作业作业3：分析弹簧管式压力计的结构特点和工分析弹簧管式压力计的结构特点和工作原理。作原理。2022-12-26302.4 2.4 流量传感器（流量传感器（flow sensor）2.4.1 基本概念一 流体与流体计量（fluid and fluid measurement）1.流体的类型 液体和气体；固体流体；气体和固体的混合流体2.流体的流动性特征 受任何微小的剪切力后，连续变形直到外力消失
20、3.流量 在单位时间内通过管道或设备中某一截面的流动介质的数量2022-12-26314.流量的计量方式体积（容积）流量 ：（单位：）质量流量 ：（单位 ）重量流量 ：（单位 ）累计流量：一段时间内，通过通道横截面的流体的总量。标准容积流量：在标准状态（）下的容积流量的数值，单位：标准Q33/,/min,/cms LmsM/,/,/g s kg h t hG20,760tC PmmHg3/min,/Lmh2022-12-2632二 流体测量中常用的物理参数1.粘性（viscosity）在流体的内部流速快的部分要加速与其相接触的流速慢的部分，而流速慢的部分要减小与其相接触的流速快的部分，流体的这
21、种性质，称为粘性。粘度（degree of viscosity）用来衡量流体粘性大小的物理量。是温度和压力的函数。温度升高，液体粘度下降，气体粘度上升。工程上除水蒸气及气体的粘度与压力关系密切外，除非在高压下，一般只考虑温度对粘度的影响。2022-12-26332.流体的压缩性（Compressibility of fluid）：流体在流场中相对密度的变化。一般液体视为不可压缩流体，气体是可压缩的。3.雷诺数（Reynolds number）Re：是表征流体流动特性的一个重要参数，表示为：2/gempFvvlvlRpF v l流体的平均速度 流速的定型尺寸 流体的运动粘度 流体密度(fluid
22、 density)惯性力（inertia force）粘性力（viscosity force）2022-12-2634在层流流动状态下，流束分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。在紊流流动状态下，管内流束同样是以管中心线轴对称的分布，但是其分布呈指数曲线形式。Re 小：流体流动时各质点间粘性力占主要地位，流体各支点平行于管道内壁有规则流动，呈层流(laminar flow)流动状态；Re 大：流体流动时各质点间惯性力占主要地位，流体呈絮状(floccus flow)流动状态；2022-12-26352.4.2 流量计(flowmeter)分类一 按测量原理分类(1)力学原理：伯努利定理差压式
23、、转子式；动量定理冲量式、可动管式；牛顿第二定律直接质量式；流体动量原理靶式；角动量定理涡轮式等等。(2)电学原理：电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。(3)声学原理：超声波式、声学式(冲击波式)等。(4)热学原理：热量式、直接量热式、间接量热式等。(5)光学原理：激光式、光电式等。(6)物理原理：核磁共振式、核幅射式。2022-12-2636二 按流量计结构原理分类1容积式流量计(positive displacement flowmeter)：相当于一个标准容积的容器，接连不断地流动介质进行度量。适于测量高粘度、低雷诺数的流体。2叶轮式流量计（vane-wheel flowmeter
24、）：将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量大小。代表：水表。3差压式流量计（differential pressure flowmeter）：方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的70。4变面积式流量计（variable area flowmeter）：放在上大下小的锥形流道中的浮子受到自下而上流动的流体的作用力而移动。当此作用力与浮子的“显示重量”(浮子本身的重量减去它所受流体的浮力)相平衡时，浮子即静止。浮子静止的高度可作为流量大小的量度。2022-12-26375动量式流量计（momentum flowmeter
25、）：利用测量流体的动量来反映流量大小。6冲量式流量计（impulse flowmeter）：利用冲量定理测量流量，多用于测量颗粒状固体介质流量。7电磁流量计（electromagnetic flowmeter）：是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量。其测量精度和灵敏度都较高。8超声波流量计（ultrasonic flowmeter）：是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。是一种很有发展前途的流量计。2022-12-26389质量流量计（mass flowmeter）：分直接式和
26、间接式两种。直接式质量流量计利用与质量流量直接有关的原理进行测量。间接式质量流量计是用密度计与容积流量直接相乘求得质量流量的。2022-12-26392022-12-26402022-12-2641 文丘里管孔板 喷嘴2.4.3 节流式流量计（差压式流量计）一 基本构成一般由：节流件，取压装置，测量管组成。常用节流件有三种：孔板式，喷嘴式，文丘里管。节流元件 2-引压管路 3-三阀组 4-差压计Venturi tubeNozzle type,Hole plate,2022-12-2642二 节流装置测流原理：利用伯努利定理1.伯努利方程（Bernoullis equation）c为常量。伯努利
27、方程的含义:1.方程表述理想流体作定常流动时，流体中压强和流速的规律。2.在流动的流体中，流速大的地方压强小；流速小的地方压强大。2022-12-26432.流体连续性方程（Fluid continuity equation）设流体从截面1-1流入，从截面2-2流出。若在管道两截面之间无流体漏损，根据质量守恒定律，从截面1-1进入的流体质量流量应等于从截面2-2流出的流体质量流量，即1A1v12A2v2 结论：在连续稳定的不可压缩流体的流动中，流体流速与管道的截面积成反比。截面积愈大之处流速愈小，反之亦然。若液体不可压缩，常数，则上式可简化为 Av常数 2022-12-26443.孔板式节流装
28、置的工作原理 2022-12-26454.取压装置根据节流装置取压口位置可将取压方式分为理论取压、角接取压、法兰取压、径距取压与损失取压等五种：2022-12-2646作业作业4：1.举例说明伯努利方程的应用。举例说明伯努利方程的应用。2.为什么高楼拐角处风力特别大？为什么高楼拐角处风力特别大？3.分析孔板型节流式流量计工作原理。分析孔板型节流式流量计工作原理。2022-12-2647PPT作业作业1：l查询资料和书籍，分析超声波式流量计工作原理和过程,重点在超声波测量原理讲解上。要求：l中英文ppt至少5页，有原理图，有简单推导说明。l中英文讲解，给出关键专业词汇英语。l讲解时间10分钟以内。2022-12-2648本章结束了！你学会什么了？
