传感器在工程检测中的应用.ppt

《传感器在工程检测中的应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器在工程检测中的应用.ppt（180页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第15章 传感器在工程检测中的应用,15.1 温度测量15.2 压力测量15.3 流量测量15.4 物位测量,15.1 温度测量,15.1.1 温度概述 1.温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。为了定量地描述温度的高低，必须建立温度标尺(温标)，温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。历史上提出过多种温标，如早期的经验温标（摄氏温标和华氏温标），理论上的热力学温标，当前世界通用的是国际温标。热力学温标是以热力学第二定律为基础的一种理论温标，

2、热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T），单位为开尔文（符号为K）。,国际温标是一个国际协议性温标，是既能体现热力学温标（即保证较高的准确度），使用方便，又容易实现的温标。国际温标自1927年拟定以来几经修改而不断完善，目前实行的是1990年国际温标（ITS90），取代了早先推行的IPTS68。国际温标规定仍以热力学温度作为基本温度，1 K等于水三相点热力学温度的1/273.16。它同时定义国际开尔文温度（符号T90）和国际摄氏温度（符号t90），T90和t90之间的关系为,t90/=T90/K-273.16,(15-1),2.温度测量的主要方法和分类(1)温度传感器的组成 在工程中无

3、论是简单的还是复杂的测温传感器，就测量系统的功能而言，通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成，如图15-1所示。简单的温度传感器往往是把温度传感器和显示器组成一体的，对这样一种传感器一般在现场使用。,图15 1 温度传感器组成框图,(2)温度测量方法及分类 测量方法按感温元件是否与被测介质接触，可以分成接触式测温与非接触式测温两大类。接触式测温是使温度敏感元件和被测介质相接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。,非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的

4、变化而变化的原理。众所周知，物体辐射能的大小与温度有关，并且以电磁波形式向四周辐射，当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。,表15 1 温度测量方法及其传感器,表15 1 温度测量方法及其传感器,15.1.2 膨胀式温度传感器 根据液体、固体、气体受热时产生热膨胀的原理,这类温度传感器有液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式。1.液体膨胀式液体膨胀式是利用

5、液体受热后体积膨胀的原理来测量温度的。在有刻度的细玻璃管里充入液体（称为工作液，如水银、酒精等）就构成了液体膨胀式温度计（又称玻璃管液体温度计），如图15-2所示。玻璃管液体温度计结构简单，使用方便，精确度高，价格低廉。这种温度计远不能算传感器，它只能就地指示温度。,图15 2 玻璃管液体温度计(a)外标尺式；(b)内标尺式,图15 3 工业用玻璃管液体温度计(a)外标尺式；(b)内标尺式,图15 4 电接点式温度计结构示意图,2.固体膨胀式 固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片，为提高灵敏度常作成螺旋形。图15-

6、5 为双金属温度计的结构示意图，螺旋形双金属片一端固定，另一端连接指针轴，当温度变化时，双金属片弯曲变形，通过指针轴带动指针偏转显示温度。它常用于测量-80600范围的温度，抗震性能好，读数方便，但精度不太高，用于工业过程测温、上下限报警和控制。,图15 5 双金属温度计结构示意图,3.气体膨胀式 气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的，利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计，如图15-6 所示。温包、毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器，其中充满工作物质（如气体常为氮气），工作物质的压力经毛细管传给弹簧管，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针，指示出被测

7、温度的数值。温包内的工作物质也可以是液体（如甲醇、二甲苯、甘油等）或低沸点液体的饱和蒸气（如乙醚、氯乙烷、丙酮等），温度变化时，温包内液体受热膨胀使液体或饱和蒸气压力发生变化，属液体膨胀式的压力温度计。压力温度计结构简单，抗振及耐腐蚀性能好，与微动开关组合可作温度控制器用，但它的测量距离受毛细管长度限制，一般充液体可达20m，充气体或蒸气可达60m。,图15 6 压力式温度计结构示意图,15.1.3 热电偶传感器 1.热电偶测温原理 两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路(如图15-7 所示)，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应,该电动势称为热

8、电势。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。两个接点，一个称热端，又称测量端或工作端，测温时将它置于被测介质中;另一个称冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表相连。,图15 7 热电偶回路,图15 8 热电偶测温系统简图,接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处失去电子一侧带正电，得到电子一侧带负电，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势eAB(T)和eAB（T0）可表示为,(1

9、5-2),(15-3),式中：K波尔兹曼常数；e单位电荷电量；NAT、NBT和NAT0、NBT0温度分别为T和T0时，A、B两种材料的电子密度。,温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成接触电势，其大小由下面公式给出：,(15-4),(15-5),式中,NAt和NBt分别为A导体和B导体的电子密度，是温度的函数。,在图15-7所示的热电偶回路中产生的总热电势为,eAB(T,

10、T0)=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)(15-6),在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为,eAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0),（15-7）,对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即,eAB(T,T0)=eAB(T)-c=f(T),（15-8）,这一关系式在实际测量中是很有用的，即只要测出eAB（T，T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,2.热电偶基本定律 均质导体定律:由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的

11、大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即如材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。这条定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。中间导体定律：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。,图15-9为接入第三种导体热电偶回路的两种形式。在图15-9（a）所示的回路中，由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即,eABC(t,t0)=

12、eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0),(15-9),当t=t0时，有,eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0),(15-10),将（15-10）式代入（15-9）式中得,eABC(t,t0)+eAB(t0)-eAB(t0)=eAB(t,t0),(15-11),图15-9 具有三种导体的热电偶回路,中间温度定律：在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和（见图15-10），即,eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+

13、eAB(tc,t0),(15-12),该定律是参考端温度计算修正法的理论依据，在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0的热电势进行修正。另外根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A和B(见图15-10)，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。,图 15-10 中间温度定律,3.热电偶类型 理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复

14、现性好，便于成批生产，有良好的互换性。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电偶的材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶。所谓标准化热电偶，就是它已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。表15-2 为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点。,表15-2 标准化热电偶的主要性能和特点,表15-2 标准化热电偶的主要性能和特点,表15-3 S型(铂铑10-铂)热电偶分度表,表 15-4 B型(铂铑30铂铑6)热电偶分度表,表15-5 K型(镍铬镍硅)热电偶分度表,另外还有一

15、些特殊用途的热电偶，以满足特殊测温的需要。如用于测量3800超高温的钨镍系列热电偶，用于测量2273K的超低温的镍铬-金铁热电偶等。,表 15-6 E型(镍铬铜镍)热电偶分度表,4.热电偶的结构形式 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。(1)普通型热电偶#普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，其结构如图15-11 所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。,图15-11 普通型热电偶结构,(2)铠装型热电偶 铠装热电偶又称套管热

16、电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图15-12所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。,图15-12 铠装型热电偶,(3)薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，如图15-13 所示。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.010.1m），具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。,图

17、15-13 薄膜热电偶,5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法 当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度才有单值的函数关系。此外热电偶的分度表是以冷端温度0作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0，所以必须对冷端温度进行处理，消除冷端温度的影响。那么热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：,eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0),由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度

18、进行处理。,(1)热电偶补偿导线 在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样,冷端温度t0比较稳定。热电偶一般做得较短，一般为3502000mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。,表15-7 常用补偿导线,(2)冷端温度修正法 采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地方，但只要冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表所对应的热电势e

19、AB(t,0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：,eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0),（15-14）,由此可见，测量电势值eAB(t,t0)的修正值为eAB(t0,0)。eAB(t0，0)是参考端温度t0的函数，经修正后的热电势为eAB（t，0），可由分度表中查出被测实际温度值t。例如，用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV,求加热炉温度。解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。由式（15-13）可得,eAB（t，0）=eAB(t,t0)

20、+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV,由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.5。,(3)冷端0恒温法 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0，这种方法又称冰浴法。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。,(4)冷端温度自动补偿法（补偿电桥法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压Uab作为补偿信号，来自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。补偿电桥如图15-14所示，它由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻r1、r2、r3及电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻rcu和稳压电源组成。补

21、偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电势eAB(t,t0)变化时，由于rcu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度t0变化引起的热电势变化量，从而达到自动补偿的目的。,图15-14 补偿电桥,6.热电偶测温线路 热电偶测温时，它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、数字表等）配套使用，也可与温度变送器配套，转换成标准电流信号，图15-15 为典型的热电偶测温线路。如用一台显示仪表显示多点温度时，可按图15-16连接，这样可节约显示仪表和补偿导线。,图15-15 热电偶典型测温线路普通测温线路；(b)带有补偿

22、器的测温线路；(c)具有温度变送器的测温线路；(d)具有一体化温度变送器的测温线路,图15-16 多点测温线路,特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图15-17 所示。,图15-17 热电偶串、并联线路(a)正向串联；(b)反向串联；(c)并联,15.1.4 热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，一般把金

23、属热电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，如图15-18所示。热电阻也可与温度变送器连接，转换为标准电流信号输出。,图15-18 热电阻传感器,1.常用热电阻 用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，R-t关系最好成线性，物理化学性能稳定，复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。(1)铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到

24、了广泛应用。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂热电阻的特性方程为 在-2000的温度范围内,Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),(15-15),在0850的温度范围内,Rt=R0(1+At+Bt2),(15-16),式中：Rt和R0铂热电阻分别在t和0时的电阻值；A、B和C常数。在ITS90 中，这些常数规定为,A=3.908310-13/B=-5.77510-7/2 C=-4.18310-12/4,从上式看出，热电阻在温度t时的电阻值与0时的电阻值R0有关。目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和R0=100两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其

25、中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表，这样在实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。Pt100的分度表见表15-8。,表 15-8 铂电阻分度表,铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比W（100）表示，即,式中：R100铂热电阻在100时的电阻值；R0铂热电阻在0时的电阻值。电阻比W（100）越大，其纯度越高。按IEC标准，工业使用的铂热电阻的W1001.3850。目前技术水平可达到W（100）=1.3930，其对应铂的纯度为99.9995%。,(2)铜热电阻 由于铂是贵重金属，因此，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电

26、阻进行测温，它的测量范围为-50150。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为 Rt=R0（1+t）（15-18）式中,为铜热电阻的电阻温度系数，取=4.2810-3/。铜热电阻有两种分度号，分别为Cu50(R0=50)和Cu100（R100=100）。铜热电阻线性好，价格便宜，但它测量范围窄，易氧化，不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。,2.热电阻的结构,图15-19 热电阻结构,电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用，引出线通常采用直径1 mm的银丝或镀银铜丝，它与接线盒柱相接，以便

27、与外接线路相连而测量及显示温度。用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种，如图15-20 所示。二线制中引线电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。,图15-20 内部引线方式,15.1.5 集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流、电压特性与温度的关系，把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化

28、、一体化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点。由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，它只能用来测150以下的温度。,1.基本工作原理 目前在集成温度传感器中，都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件。图15-21 是集成温度传感器基本原理图。其中V1和V2是互相匹配的晶体管，I1和I2分别是V1和V2管的集电极电流，由恒流源提供。V1和V2管的两个发射极和基极电压之差Ube可用下式表示：,（15-19）,式中：K波尔兹曼常数；q电子电荷量；T绝对温度；V1和V2管发射结的面积之比。从式中看出，如果保证I1/I2恒定，则Ube就与温度T成单值线性函数关系。

29、这就是集成温度传感器的基本工作原理，在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器。,图15-21 集成温度传感器基本原理图,2.集成温度传感器的信号输出方式(1)电压输出型 电压输出型集成温度传感器原理电路如图15-22 所示。当电流I1恒定时，通过改变R1的阻值，可实现I1=I2，当晶体管的1时，电路的输出电压可由下式确定：,（15-20）,若取R1=940，R2=30 k，=37，则电路输出的温度系数为,图15-22 电压输出型原理电路图,（2）电流输出型 图15-23 为电流输出型集成温度传感器的原理电路图。V1和V2是结构对称的两个晶体管，作为恒流源负载，V3和V4管

30、是测温用的晶体管，其中V3管的发射结面积是V4管的8倍，即=8。流过电路的总电流IT为,（15-21）,上式表明，当R和一定时，电路的输出电流与温度有良好的线性关系。,图15-23 电流输出型原理电路图,若取R为358，则电路输出的温度系数为,电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司生产的AD590。我国生产的SG590也属于同类型产品，其基本电路与图15-23一样，只是增加了一些启动电路，防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路，以进一步提高性能。AD590的电源电压为430 V，可测温度范围为-50150。,3.AD590集成温度传感器应用实例 AD590是应用广泛的一种集成温度传感

31、器，由于它内部有放大电路，再配上相应外电路，就可方便地构成各种应用电路。下面介绍AD590几种简单的应用线路。(1)温度测量电路 图15-24是一个简单的测温电路。AD590在25（298.2K）时，理想输出电流为298.2A，但实际上存在一定误差，可以在外电路中进行修正。将AD590串联一个可调电阻，在已知温度下调整电阻值，使输出电压Uo满足1 mV/K的关系（如25时，Uo应为298.2 mV）。调整好以后，固定可调电阻，即可由输出电压Uo读出AD590所处的热力学温度。,图15-24 简单的测温电路,(2)控温电路 简单的控温电路如图15-25 所示。AD311为比较器，它的输出控制加热

32、器电流，调节RT可改变比较电压，从而改变了控制温度。AD581是稳压器，为AD590提供一个合理的稳定电压。,图15-25 简单的控温电路,(3)热电偶冷端补偿电路 该种补偿电路如图15-26 所示。AD590应与热电偶冷端处于同一温度下。AD580是一个三端稳压器，其输出电压为2.5 V。电路工作时，调整电阻R2,使得,I1=t010-3(mA),这样在电阻R1上产生一个随冷端温度t0变化的补偿电压U1=I1R1。,图15-26 热电偶参考端补偿电路,当热电偶冷端温度为t0，其热电势eAB(t0，0)St0，S为塞贝克系数（V/）。补偿时应使U1与eAB(t0，0)近似相等，即R1与塞贝克系

33、数相等。对于不同分度号的热电偶，R1的阻值亦不同。这种补偿电路灵敏、准确、可靠、调整方便，温度变化在1535范围内，可获得0.5的补偿精度。,15.2 压力测量,压力是重要的工业参数之一，正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”，定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。其表达式为,（15-22）,式中:P压力；F作用力；A作用面积。,国际单位制（SI）中定义：1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上形成的压力为1“帕斯卡”。帕斯卡简称“帕”，单位符号为Pa。过去采用的压力单

34、位“工程大气压”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、物理大气压（即atm）等均应改为法定计量单位帕，其换算关系如下：,1kgf/cm2=0.9807105 Pa1 mmH2O=0.980710 Pa1 mmHg=1.333102 Pa1 atm=1.013 25105 Pa,压力有以下几种不同表示方法：(1)绝对压力 这是指作用于物体表面积上的全部压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力，一般用大写符号P表示。(2)大气压力 这是指地球表面上的空气柱重量所产生的压力，以P0表示。(3)表压力 这是指绝对压力与大气压力之差，一般用p表示。测压仪

35、表一般指示的压力都是表压力，表压力又称相对压力。当绝对压力小于大气压力时，则表压力为负压，负压又可用真空度表示，负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。(4)差压任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小来知道液位和流体流量的大小的。,15.2.2 液柱式压力计 液柱式压力计是根据流体静力学原理来测量压力的。它们一般采用水银或水为工作液，用U形管或单管进行测量，常用于低压、负压或压力差的测量。图15-27所示的U形管内装有一定数量的液体，U形管一侧通压力p1，另一侧通压力p2。当p1=p2时，左右两管的液体高度相等。当p1p2时，两边管内液面便

36、会产生高度差。,图15-27 U形玻璃管压力测量原量图,根据液体静力学原理可知：,p=p2-p1=gh,（15-23）,式中,为U形管内液体的密度。如把压力p1一侧改为通大气P0，p2一侧通被测压力，则式（15-23）可改写为,p2=gh,如果把U形管的一个管换成大直径的杯，即可变成如图15-28所示的单管或斜管。测压原理与U形管相同，当大容器通入被测压力p，管中通入大气压P0，只是因为杯径比管径大得多，杯内液位变化可略去不计，使计算及读数更为简易，被测压力仍可写成,p=gh,图15-28 液柱式压力计(a)U形管压力计；（b）单管压力计;（c）倾斜式压力计,15.2.3 弹性式压力表 弹性式

37、压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。它结构简单，价格低廉，现场使用和维修都很方便，又有较宽的压力测量范围，因此在工程中获得了非常广泛的应用。1.弹性元件 采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件，可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。图15-29给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。,图15-29 弹性元件示意图,图15-30为利用弹性形变测压原理图。活塞缸的活塞底部加有柱状螺旋弹簧，弹簧一端固定，当通入被测压力p时，弹簧被压缩并产生一

38、弹性力与被测压力平衡，在弹性形变的限度内，弹簧被压缩后产生的弹性位移量x与被测压力p的关系符合胡克定律，表示为,（15-25）,式中:c弹簧的刚度系数；A活塞的有效面积。,图15-30 弹性元件测压原理图,当c、A为定值时，测量压力就变为测量弹性元件的位移量x。金属弹性元件都具有不完全弹性，即在所加作用力去除后，弹性元件会表现残余变形、弹性后效和弹性滞后等现象，这将会造成测量误差。弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关。若要减小这方面的误差，则应注意选用合适的材料，加工成形后进行适当的热处理等。,2.弹簧管压力表 弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史悠久，应用广泛。弹簧管压力表中压力敏感元

39、件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非圆形（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图15-31所示。管子的一端为封闭，作为位移输出端，另一端为开口，为被测压力输入端。当开口端通入被测压力后，非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端由B移至B而产生位移，弹簧管的中心角减小，如图15-31中虚线所示。中心角的相对变化量/与被测压力p有如下的函数关系：,（15-26）,式中:弹簧管中心角的初始角；受压后中心角的改变量；R弹簧管弯曲圆弧的外半径；h管壁厚度；a,b弹簧管椭圆形截面的长、短半轴；k几何常数（k=Rh/a2）；、与比值a/b有关的参数；弹簧管材

40、料的泊松系数；E弹性模数。,图15-31 单圈弹簧管结构,由式（15-26）可知，如果a=b，则=0，这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。对于单圈弹簧管，中心角变化量比较小，要提高，可采用多圈弹簧管。弹簧管压力表结构如图15-32所示。被测压力由接头9通入，迫使弹簧管1的自由端产生位移，通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转，在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮所产生的仪表变差。改变调节螺钉8的位置（即改变机械传动的放大倍数），可以实现压力表量程的调整。,图15-32 弹簧管压力表,3.压阻

41、式压力传感器 压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。所谓压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。图15-33是压阻式压力传感器的结构示意图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构，封装在外壳内。在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，它们组成一个全桥测量电路。硅膜片用一个圆形硅杯固定，两边有两个压力腔，一个和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，接参考压力，通常和大气相通。当存在压差时，膜片产

42、生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出电压反映膜片两边承受的压差大小。,图15-33 压阻式压力传感器的结构示意图(a)内部结构；(b)硅膜片示意图,压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕斯卡的微压，它是一种比较理想，目前发展较为迅速和应用较为广泛的一种压力传感器。这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响，从而影响压阻系数的大小。现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿，它利用大规模集成电路技术，将传感器与微处理器集成在同一块硅片上，兼有信号检测、处理、记忆等功能，从而大大提高了传感器的稳定性和测量准确度。

43、,4.压力传感器的选用与安装（1）压力传感器的选用 在工业生产中，对压力传感器进行选型，确定检测点与安装等是非常重要的，传感器选用的基本原则是依据实际工艺生产过程对压力测量所要求的工艺指标、测压范围、允许误差、介质特性及生产安全等因素，要经济合理，使用方便。对弹性式压力传感器要保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠的工作，在选择传感器量程时必须留有足够的余地。一般在被测压力较稳定的情况下，最大压力值应不超过满量程的3/4；在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2/3。为了保证测量精度，被测压力最小值应不低于全量程的1/3。,如要测量高压蒸气的压力，已知蒸气压力为（24）105

44、Pa，生产中允许最大测量误差为104 Pa，且要求就地显示。如何选择压力表呢？根据已知条件及弹性式压力传感器的性质决定选Y-100型单圈弹簧管压力表，其测量范围为(06)105Pa（当压力从2105 Pa变化到4105 Pa时，正好处于量程的1/32/3）。要求最大测量误差小于104 Pa，即要求传感器的相对误差,所以应选精度为1.5级的表。,（2）压力传感器的安装 传感器测量结果的准确性，不仅与传感器本身的精度等级有关，而且还与传感器的安装、使用是否正确有关。压力检测点应选在能准确及时地反映被测压力的真实情况处。因此，取压点不能处于流束紊乱的地方，即要选在管道的直线部分，离局部阻力较远的地方

45、。测量高温蒸气压力时，应装回形冷凝液管或冷凝器，以防止高温蒸气与测压元件直接接触。如图15-34（a）所示。,图15-34 测量高温、腐蚀介质压力表安装示意图(a)测量蒸气；(b)测量有腐蚀性介质,测量腐蚀、高粘度、有结晶等介质时，应加装充有中性介质的隔离罐，如图15-34（b）所示。隔离罐内的隔离液应选择沸点高、凝固点低、化学与物理性能稳定的液体，如甘油、乙醇等。压力传感器安装高度应与取压点相同或相近。对于图15-35所示情况，压力表的指示值要比管道内的实际压力高，应对取压管道的液柱附加的压力误差进行修正。,图15-35 压力表位于生产设备下安装示意图,15.3 流量测量,15.3.1 流量

46、概述 流量是工业生产中一个重要参数。工业生产过程中，很多原料、半成品、成品都是以流体状态出现的。流体的流量就成为决定产品成分和质量的关键，也是生产成本核算和合理使用能源的重要依据。因此流量的测量和控制是生产过程自动化的重要环节。单位时间内流过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。而在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为总量或累积流量。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。,（1）体积流量qv 单位时间内通过某截面的流体的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可用下式表示：,（15-27）,式中，v为截面A中某一面

47、积元dA上的流速。如果流体在该截面上的流速处处相等，则体积流量可写成,qv=vA,（15-28）,（2）质量流量qm 单位时间内通过某截面的流体的质量，单位为kg/s。根据定义，质量流量可用下式表示：,（15-29）,由式（15-28）可写成,qm=qv=vA,（15-30）,流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响。对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。温度对密度的影响要大一些，一般温度每变化10时，液体密度的变化约在1%以内，所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高的情况下，往往也可以忽略不计。对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变

48、化10，密度变化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量换算成标准状态下（温度为20，压力为101 325 Pa）的体积流量，用符号qVN表示，单位符号为Nm3/s。,生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生产过程，其情况复杂，某些场合的流体是高温、高压，有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为以下三大类。,

49、速度式:速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路内已知截面流过的流速大小来实现流量测量的。它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、转子、涡轮、靶子、非线性物体等）把流体的流速变换成压差、位移、转速、冲力、频率等对应的信号来间接测量流量的。差压式、转子、涡轮、电磁、旋涡和超声波等流量传感器都属于此类。容积式:容积式流量传感器是根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的瞬时流量和总量的。常用的有椭圆齿轮、旋转活塞式和刮板等流量传感器。,质量式：质量流量传感器有两种，一种是根据质量流量与体积流量的关系，测出体积流量再乘被测流体的密度的间接质量流量传感器，如工程上常用的采取温度、压力自动补

50、偿的补偿式质量流量传感器。另一种是直接测量流体质量流量的直接式质量流量传感器，如热式、惯性力式、动量矩式等质量流量传感器。直接法测量具有不受流体的压力、温度、粘度等变化影响的优点，是一种正在发展中的质量流量传感器。,15.3.2 差压式流量传感器 差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成，如图15-36所示。节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号，差压计则对压差信号进行测量并显示测量值，差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准