第三章-參數檢測一般原理和方法

1、火電廠參數檢測劉林仙2016年04月15日內容內容溫度、壓力溫度、壓力過程檢測技術基礎過程檢測技術基礎測量誤差和不確定度測量誤差和不確定度 參數檢測技術參數檢測技術流量、物位檢測流量、物位檢測第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法u 熱工生產的五大參數：溫度、壓力、流量、物位、成分。 這些參數在生產過程檢測任務中占有重要地位，本章主要著重介紹這些參數的檢測原理及方法。首先，介紹檢測工作所遵循的自然規(guī)律和常用的檢測方法。 3.1 參數檢測的一般原理和方法一、自然規(guī)律和檢測方法 與檢測技術有關的自然規(guī)律：守恒定律、場定律、物質定律以、統(tǒng)計法則。p守恒定律（能量守恒 動量守恒 電

2、荷守恒等） 流量測量中，守恒定律的應用較為典型。例：1）節(jié)流式流量計 節(jié)流變壓降流量計工作原理：基于節(jié)流效應，即在充滿流體的管道內固定放置一個流通面積小于管道截面積的節(jié)流件，當流體流經節(jié)流件時由于流束收縮，在收縮處， 流速增加，靜壓力降低，則在節(jié)流件的前后產生靜壓力差，利用壓差與流速的關系可進一步測出流量。第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法流量公式： 流體連續(xù)性方程-質量守恒 伯努利方程-能量守恒2124mABqqqdP2222AABBPP2244ABDd第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法例：2）皮托管測流速 工作原理：皮托管正對流動方向，1點處

3、流速為1，靜壓為P1,皮托管的阻流作用，使得2=0，靜壓為P2，（能量守恒，動能轉換為靜壓能 P2 P1 ）伯努利方程 21122PP2112 PP第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法p場的定律 場的定律是物質作用的定律，如運動場的運動定律，電磁場的感應定律，光電的干涉等。例：1）電容位移（物位）傳感器靜電場有關定律（回憶電容傳感器）S,一定，d變化 C變化，C反應d; d一定，S,變化 C變化，C反應物位高低，填充物的混合比例。例：2）電磁流量計電磁感應定律，運動定律 法拉第電磁感應定律：長度為l的導體以速度v作垂直于磁場運動時，運動道題產生的感應電動勢為 SCdeBl

4、v 第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法p物質定律 物質定律是關于物質本身內在的性質、法則和規(guī)律，物質的內在屬性通?？梢酝ㄟ^其特有的物理量進行描述，如電阻，電勢。如壓阻式傳感器。p統(tǒng)計法則 利用統(tǒng)計方法把圍觀系統(tǒng)和宏觀系統(tǒng)聯系起來。例：電阻兩端熱噪聲電壓均方值的計算。第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法二、基礎效應與檢測方法 檢測過程的第一步即將被測量轉換成為另一種可以進一步進行處理和表示的信息（傳感元件，一次敏感元件），這一轉換過程是物理效應、化學效應、生物效應和許多物理現象的外在表現，這些效應和現象的發(fā)現是開發(fā)轉型元件，發(fā)展檢測技術的重要途徑。下

5、面介紹檢測中所用到的基礎效應。p光電效應光電效應：光照射在物體上可看成是一連串具有能量為E的光子轟擊物體,如果光子的能量足夠大，物質內部電子在吸收光子后就會擺脫內部力的束縛，成為自由電子，自由電子可能從物質表面逸出，也可能參與物質內部的導電過程，這種現象稱為光電效應。 即：物質在光的作用下釋放電子的現象，被釋放的電子在外電場中運動形成光電流，光通量（或光強）與光電流之間的關系稱為光電特性。主要取決于入射光的強度，波長及所使用的光電材料光信號電信號，檢測光信號。第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法光電效應的種類：（1）外光電效應：在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外

6、發(fā)射的現象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子。 常見元件：光電管、光電倍增管等。 結構示例：真空光電管 在一個抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內裝有兩個電極：光電陰極2和光電陽極1。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料（如銫）涂敷在玻璃泡內壁上做成，其感光面對準光的照射孔。當光線照射到光敏材料上，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當電子獲得的能量足夠大時，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（逸出功）而逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。當光電管陽極加上適當電壓時，從陰極表面逸出的電子被具有正電壓的陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流，在外電路產生電流。如果在外電路中串入一只適當阻

7、值的電阻，則電路中的電流便轉換為電阻上的電壓。這電流或電壓的變化與光強成一定函數關系，從而實現了光電轉換。第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法特性： 光電管的光電特性取決于光電陰極材料，不同的陰極材料對同一波長的光有不同的靈敏度；同一陰極材料對不同波長的光有不同的靈敏度，光電流的大小除了與光通量有關，還與光電管上的電壓，入射光譜有關。 （2）內光電效應：當光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類。 1）光電導效應：半導體在光線作用下，其電阻值往往變小，導

8、電性增強，這種現象稱為光電導效應。高電阻率半導體材料都具有光導效應。 常用元件：光敏電阻。 常用材料：硫化鉛、硫化鎘等 2）光生伏特效應：半導體器件受到光照射時會產生一定方向的電動勢，而不需要外部電源。光電伏特型光電器件能將入射光能量轉換成電壓和電流。 常用元件：硅光電池、硒光電池。 特性：光電動勢與光照強度對數稱正比，光電流與入社光強度成正比，光電池在無外接電源下工作時，光敏管在反向偏壓下工作。第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法p熱電效應熱電效應：將兩根不同材料的導體或半導體（A和B）聯接起來構成一個回路，如果兩個接合點處的溫度不同（T0T1），則在兩導體向產生熱電勢

9、，并在回路中有一定大小的電流，這種現象稱為熱電效應。熱電偶，溫度測量 熱電動勢有兩部分組成： （1）接觸電動勢： 由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上就會發(fā)生電子擴散，自由電子密度大的一側向密度小的一側擴散，直至動態(tài)平衡。設導體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NANB，電子擴散的結果使導體A失去電子而帶正電，導體B則因獲得電子而帶負電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子繼續(xù)擴散，達到動態(tài)平衡時，在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差，即接觸電動勢。大小：方向：密度小一側指向密度大一側T0TBA( )AABBNKTTlneNK波爾茲曼常數 e 電子電荷

10、量 第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法（2）溫差電動勢 同一導體中的，如果兩端溫度不同，在兩端間會產生電動勢，即產生單一導體的溫差電動勢，這是由于導體內自由電子在高溫端具有較大的動能，因而向低溫端擴散的結果。高溫端因失去電子而帶正電，低溫端由于獲得電子而帶負電，在高低溫端之間形成一個電位差，該電場阻止電子從高溫端跑向低溫端，最后達到動態(tài)平衡，動態(tài)平衡時導體兩端產生的電位差稱之為溫差電動勢。溫差電動勢的大小與導體的性質和兩端的溫差有關，表示為： A A材料的湯姆遜系數。 （表示導體A兩端的溫度差為1時所產生的溫差電動勢） 方向：低溫端指向高溫端00( ,)TAATe T

11、TdT第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法p電磁效應置于磁場中的通電導體或半導體所產生的各種物理現象。 主要包括：霍爾效應，洛倫茲力 （1）霍爾效應： 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流與磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。所產生的電動勢稱為霍爾電勢。 半導體材料的霍爾系數遠大于金屬的，一般用硅、鍺，砷化錮等半導體材料制作霍爾片。IBkdIBRnedIBUHHHRH霍爾系數，RH = 1/ (ne)，由載流材料物理性質所決定；kH靈敏度系數，kH = RH /d，它與載流材料的物理性質和幾何尺寸有關，表示在單位磁感應強度和單位控制電流

12、時的霍爾電勢的大小。第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法p壓電效應 壓電效應：某些材料受力發(fā)生機械變形（壓縮或伸長時），在兩個相對面上產生異號電荷的現象。測力，壓力 常見材料：石英、鈮酸鋰等單晶，鈦酸鋇等多晶壓電陶瓷，聚氯二氟乙烯高分子壓電薄膜。 第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法p應變效應與壓阻效應力、壓力、應變、加速度等測量 應變效應：金屬導體的電阻隨著機械變形（伸長或縮短）的大小發(fā)生變化的現象稱為金屬的電阻應變效應。 壓阻效應：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱為壓阻效應。 llrrFFlRS第三章第三章 參數檢測一般原理和方法

13、參數檢測一般原理和方法 llRR21llRR21llEell對半導體材料電阻率變化引起電阻變化-壓阻效應對金屬材料尺寸引起電阻變化-應變效應 電阻相對變化量式中 l沿某晶向的壓阻系數； Ee半導體材料的彈性模量； 應力； 泊松比。第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法三、參數檢測的一般方法 參數檢測一般分為：光學法、力學法、熱學法、電學法、聲學法、磁學法、射線法。p光學法 利用光學原理：光的發(fā)射、透射、折射、反射等特性，用光的強度等參數表示被測量的大小，通過光電轉換接收信號。例：輻射式溫度計，紅外氣體分析儀p力學法把被測量變?yōu)闄C械位移、形變等。例：壓力、例彈性元件的形變、位

14、移。p熱學法根據被測介質的熱物理量（參數）的差異及熱平衡原理進行參數檢測。例：熱線風速儀，提供恒定電流，測熱線溫度；保證熱線恒溫，測供電電流。第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法p電學法 將被測變量轉換成電壓、電流、電容等電量。例：熱電阻測溫，熱電偶測溫p聲學法利用超聲波在介質中傳播以及在介質間界面的反射等性質進行參數測量。例：順逆流速度差測流體流速，測物位p磁學法 被測介質有關磁性參數的差異及被測介質或敏感元件在磁場中表現出的特性檢測。例：電磁流量計，霍爾壓力變送器p射線法 放射線（射線）穿過介質時部分能量被物質吸收，吸收程度與射線所穿過的物質層厚度，物質的密度有關。例：輻射物位計，混合物組分含量第三章第三章 參數檢測一般原理和方法參數檢測一般原理和方法 選擇參數測量方法時可利用所述的物理、化學、生物效應和物理現象，方法很多，不同的方法用不同的敏感元件。下面給出選擇敏感元件時的考慮因素。將被測變量轉換成電壓、電流、電容等電量。 （1）適用范圍：環(huán)境溫度、壓力、濕度、外加電源電壓（電流），保證元件正常工作和信息的轉換； （2）參數測量范圍：被測量不超過敏感元件的測量范圍； （3）敏感元件的輸入輸出