第10章熱工量的電測法

第十章熱工量的電測法本章目錄10.1壓力與差壓的電測法

10.2溫度的電測法10.3流量的電測法填空題：四大熱工量溫度、壓力、流量、物位、（成分）10.1壓力與差壓的電測法

本節(jié)內(nèi)容10.1.1壓力的概念、單位和測量方法10.1.2壓力敏感器10.1.3壓力的電測法10.1.4差壓的電測法10.1.1壓力的概念、單位和測量方法10.1.1.1壓力的概念和術(shù)語壓力是指流體介質(zhì)作用于單位面積上的力，物理學(xué)稱為壓強(qiáng)。與拉力等進(jìn)行區(qū)別。壓力檢測中的常用術(shù)語1）絕對壓力（簡稱絕壓）2）表壓力（簡稱表壓）3）負(fù)壓與真空度4）差壓在工程上除非特殊指明，一般所指壓力即為壓力表測得的壓力。因此通常把表壓力簡稱為壓力。圖10-1-1壓力術(shù)語間的關(guān)系注意：壓力測量儀表一般都在大氣環(huán)境中工作，所以它測得的壓力實際上是其壓力敏感元件內(nèi)部流體介質(zhì)壓力（絕對壓力）與外部大氣壓力之差，很顯然，不同地區(qū)測得大氣壓力是不同的，表壓力是不同的。在工程中，除非特別指明，一般所指壓力即為壓力表測得的壓力。通常把表壓力簡稱為壓力。10.1.1.2壓力計量單位由于習(xí)慣原因，國內(nèi)外還在使用著多種壓力單位，如1帕=1牛頓/米1工程大氣壓千克力/厘米1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760毫米水銀柱=1013251毫米水銀柱=133.3221毫米水柱=9.80665“帕”的量值最小，它約等于0.1毫米水柱。真空度測量中，常以“托”(Torr)為單位。1托=1毫米水銀柱10.1.1.3壓力測量方法壓力測量方法壓力平衡法彈性變形法電測法砝碼壓力平衡式液體壓力平衡式1）以壓力敏感型彈性元件作為敏感器配接應(yīng)變式傳感器、位移式傳感器，分別構(gòu)成應(yīng)變式壓力傳感器、位移式壓力傳感器。其中，位移式傳感器最多，有：電位器式、電感式、電容式、霍爾式、光電式壓力傳感器等。2）利用壓電效應(yīng)直接將壓力量轉(zhuǎn)換為電荷量，構(gòu)成壓電式壓力傳感器。3）利用壓阻效應(yīng)直接將壓力量轉(zhuǎn)換為電阻變化，構(gòu)成壓阻式壓力傳感器。直接測量方式直接測量方式間接測量方式（本章重點(diǎn)內(nèi)容）常用來做基準(zhǔn)，對其他表做校驗10.1.2壓力敏感器壓力敏感器是能夠?qū)毫Φ淖兓D(zhuǎn)換為應(yīng)變和位移的彈性敏感元件。種類繁多，僅介紹幾種：彈簧管波紋管膜片與膜盒薄壁圓筒10.1.2.1彈簧管（波登管）圖10-1-2

C型彈簧管

該表不是電測法彈性變形法10.1.2.2波紋管圖10-1-3波紋管

10.1.2.3膜片與膜盒圖10-1-4膜片和膜盒

平膜片比波紋膜片具有較高的抗振、抗沖擊的能力，在壓力測量中用的最多。在壓力作用下，圓形膜片的應(yīng)變與壓力成正比，即在壓力作用下，各膜片膜盒的中心位移也均與壓力近似成正比。膜片壓力表

適用于測量具有一定腐蝕性、非凝固或非結(jié)晶的各種流體介質(zhì)的壓力或負(fù)壓。耐腐蝕性能取決于膜片材料。

膜片壓力表[1]?結(jié)構(gòu)原理：儀表由測量系統(tǒng)(包括法蘭接頭、波紋膜片)、傳動指示機(jī)構(gòu)(包括連桿、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、指針和度盤)和外殼(包括表殼和罩圈)等組成。儀表外殼為防濺結(jié)構(gòu)，具有較好的密性，故能保護(hù)其內(nèi)部機(jī)構(gòu)免受污穢浸入。儀表的作用原理是基于彈性元件(測量系統(tǒng)上的膜片)變形。在被測介質(zhì)的壓力作用下，迫使膜片產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形——位移，借助連桿組經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)的傳動并予放大，由固定于齒輪上的指針逐將被測值在度盤上指示出來。10.1.2.4薄壁圓筒圖10-1-5薄壁圓筒

這種彈性元件的壁厚一般都小于圓筒直徑的1/20，圓筒的一端開口，一端不通，內(nèi)腔與被測壓力相通時，內(nèi)壁均勻受壓，均勻的向外擴(kuò)張。筒壁在圓周方向和軸向上的應(yīng)變均與壓力成正比。10.1.3壓力的電測法應(yīng)變式壓力傳感器位移式壓力傳感器諧振式壓力傳感器壓阻式和壓電式壓力傳感器10.1.3.1應(yīng)變式壓力傳感器這種壓力傳感器是將應(yīng)變片粘貼到壓力敏感型彈性元件上或粘貼到與壓力敏感型彈性元件相銜接的力敏感型彈性元件上，由彈性元件或彈性元件組合將壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，再由應(yīng)變電橋?qū)?yīng)變轉(zhuǎn)換為電壓輸出。膜片式壓力傳感器筒式壓力傳感器組合式壓力傳感器1）膜片式壓力傳感器圖10-1-6膜片式壓力傳感器2）

筒式壓力傳感器圖10-1-7筒式壓力傳感器3）組合式壓力傳感器圖10-1-8組合式壓力傳感器

這種傳感器中的應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上，而采用某種傳遞機(jī)構(gòu)將感壓元件的位移傳遞到貼有應(yīng)變片的其他彈性元件上。10.1.3.2位移式壓力傳感器電容式壓力傳感器電感式壓力傳感器電位器式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器光電式壓力傳感器這種壓力傳感器是將位移傳感器的可動部分與壓力敏感型彈性元件的自由端連在一起，將壓力轉(zhuǎn)換為位移，再由位移傳感器將位移轉(zhuǎn)換為電量，常見有以下幾種：1）電容式壓力傳感器圖10-1-9電容式壓力傳感器膜片的拉伸張力膜片直徑無壓力時電容極距2）電感式壓力傳感器圖10-1-10電感式壓力傳感器

3）電位器式壓力傳感器圖10-1-11電位器式壓力傳感器

4）霍爾式壓力傳感器圖10-1-12霍爾式微壓和壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖5）光電式壓力傳感器圖10-1-13光電測壓原理圖

10.1.3.3振弦式壓力傳感器10.1.3.4壓阻式和壓電式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器壓電式壓電傳感器1）壓阻式壓力傳感器

圖10-1-15壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)1—低壓腔；2—高壓腔；3—硅杯；4—引線；5—硅膜片2）壓電式壓力傳感器圖10-1-16壓電式壓力傳感器10.1.4差壓的電測法前面所介紹的各種壓力傳感器，實際上也是差壓傳感器。只是相對于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓而言。目前常用的差壓傳感器有：電容式差壓傳感器電阻式差壓傳感器電感式差壓傳感器振弦式差壓傳感器10.1.4.1電容式差壓傳感器圖10－1－17電容式差壓傳感器的兩種結(jié)構(gòu)圖（a）1.2－測量膜片（或隔離膜片）；3－感壓膜片；4.5－差動電容；6－絕緣體。圖（b）1.2－測量膜片；3－可動平板電極；4－中心軸；5－片簧；6－絕緣體；7.8-固定電極；9－節(jié)流孔。10.1.4.2電阻式差壓傳感器在兩側(cè)分別承受高壓和低壓的測量膜片上粘貼應(yīng)變片或制作應(yīng)變電阻電橋，則差壓引起的測量膜片的變形變轉(zhuǎn)換成電橋電壓輸出，目前市面銷售產(chǎn)品有以下三種：1）應(yīng)變型2）硅膜型3）金屬薄膜型10.1.4.3電感式差壓傳感器10.1.4.4振弦式差壓傳感器10.2溫度的電測法

本節(jié)目錄10.2.1溫度的概念、單位和測量方法10.2.2接觸式測溫法10.2.3溫度和溫度差的電測法10.2.4非接觸式測溫法10.2.1溫度的概念、單位和測量方法10.2.1.1溫度的概念溫度：表征物體冷熱程度的一種物理量。所謂物體的冷熱是人們感覺到的一種宏觀現(xiàn)象，從微觀上看，溫度是物體內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動劇烈程度的標(biāo)志。10.2.1.2溫度的單位溫標(biāo)：量度溫度的標(biāo)尺。是為定量的表示溫度高低而對溫度零點(diǎn)和分度方法所做的一種規(guī)定。早期的，

經(jīng)驗溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)現(xiàn)在國際上，國際溫標(biāo)，國際開爾文溫度攝氏溫標(biāo)10.2.1.3溫度測量方法測溫方法分類接觸式：基于物體的熱交換現(xiàn)象。選定某一測溫器，與被測物體相接觸，進(jìn)行充分熱交換，待兩者溫度一致時，測溫器輸出大小即反映被測溫度的高低。非接觸式：溫度傳感器與被測物體不發(fā)生接觸，只保持一定距離。本書把輸出量為電量的測溫器稱為溫度傳感器，如熱電偶、熱電阻等。把輸出為非電量的測溫器稱為溫度敏感器，如各種熱膨脹式溫度計。接觸式測溫的優(yōu)點(diǎn)：

簡單、可靠、測量精度高；

缺點(diǎn)：測溫時有較大的滯后，對運(yùn)動物體的測溫較困難，測溫器易影響被測對象的溫度場分布，測溫上限受到測溫材料性質(zhì)的限制，故所測溫度不能太高。非接觸式測溫的優(yōu)點(diǎn)：

缺點(diǎn)：所測溫度受物體輻射率的影響，

測量距離和中間介質(zhì)對測溫結(jié)果也有影響。測溫范圍廣（理論上沒有上限限制），測溫過程中不破壞原溫度場，測溫響應(yīng)速度快。10.2.2接觸式測溫法10.2.2.1將溫度轉(zhuǎn)換為非電量——溫度敏感器熱膨脹式液體膨脹式：固體膨脹式：熱敏雙金屬元酒精溫度計、水銀溫度計優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，既可用于測溫和控制，又可用于溫度補(bǔ)償元件。缺點(diǎn)：精度不高，性能的分散性大，但在家電及其他對測溫精度要求不高的場合，仍可構(gòu)成很有應(yīng)用價值的開關(guān)式傳感器。熱敏雙金屬元特點(diǎn)圖10-2-1熱敏雙金屬元件對一端固定的平直雙金屬片，其自由端的彎曲撓度為兩金屬片的厚度兩金屬片的線膨脹系數(shù)雙金屬片的長度直片位移較小，U型或雙U型位移較大，盤簧或螺旋式位移最大。用途：工業(yè)上常用熱敏雙金屬片制成溫度繼電器和雙金屬溫度計。10.2.2.2將溫度轉(zhuǎn)換為電量——溫度傳感器常用的溫度傳感器有：金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻熱電偶PN結(jié)型溫度傳感器和集成溫度傳感器石英晶體溫度傳感器電渦流式溫度傳感器10.2.3.1單點(diǎn)溫度的電測法1）采用熱電阻或熱敏電阻圖10－2－2電橋式電阻溫度計的原理圖圖10－2－3熱敏電阻測溫電路圖10－2－4電熱阻測溫電橋的三線連接法圖10－2－5熱電阻測溫電橋的四線連接法2）采用熱電偶圖5-3-7熱電偶冷端的延伸圖10－2－6熱電偶串聯(lián)測溫線路串聯(lián)電路的相對誤差為串聯(lián)線路的相對誤差為單只熱電偶相對誤差的串聯(lián)線路的主要優(yōu)點(diǎn)是熱電動勢大，精度比單只熱電偶高。因此可感受較小的信號，或者配用靈敏度較低的儀表。缺點(diǎn)是，只要有一只熱電偶斷路，整個電路就不能工作，個別熱電偶短路，將會引起儀表指示值顯著偏低。10.2.3.2平均溫度的電測法圖10－2－9熱電偶測量平均溫度2）采用熱電偶10.2.3.3溫度差的電測法圖10－2－10雙橋溫度測量電路圖10－2－11熱電偶測溫差電路10.2.3非接觸式測溫法10.3流量的電測法

10.3.1流量的概念流量：流體在單位時間內(nèi)通過垂直于流速的橫截面的數(shù)量。體積流量：流過的數(shù)量按體積計算。質(zhì)量流量：流過的數(shù)量按質(zhì)量計算。設(shè)垂直于流速的某一微小面積為，通過該微小面積流體流速為，則流過微小面積的體積流量為，根據(jù)此式可求出流過橫截面的體積流量如果所取截面上各點(diǎn)流速相同，則事實上，流體在管道流動時，截面上各點(diǎn)速度并不相等，因此往往引入平均流速的概念這樣，體積流量可表示為質(zhì)量流量可用體積流量和流體的密度之乘積來表示在工業(yè)生產(chǎn)中，除了要測量單位時間內(nèi)流體流過管道的體積流量和質(zhì)量流量外，往往還要知道在某段時間內(nèi)，流過管道的流體體積和流體質(zhì)量如果流體的流速穩(wěn)定且密度不變，則累積流量或總量瞬時流量或總量流量是人們生活和生產(chǎn)實踐中需要經(jīng)常測量的參數(shù)之一，目前已投入使用的流量測量儀表已超過百余種。在測量流量的流量計中，常將流量轉(zhuǎn)換成其他非電量如：差壓、位移、轉(zhuǎn)速、頻率，在自動化檢測儀表中再將這些非電量轉(zhuǎn)換為電量。之前，已經(jīng)介紹了很多非電量轉(zhuǎn)換為電量的方法，下面僅介紹各種流量計中將流量轉(zhuǎn)換為可用非電量的方法。流量—轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換法流量—差壓、力、位移轉(zhuǎn)換法流量—頻率轉(zhuǎn)換法流量—溫度轉(zhuǎn)換法圖10-3-1橢圓齒輪流量計原理圖

1—外殼;2—橢圓形轉(zhuǎn)子(齒輪);3—測量室.10.3.2流量—轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換法10.3.2.1橢圓齒輪流量計橢圓齒輪流量計是常見的一種容積式流量計。基本工作原理：讓流量計入口流入的流體充滿流量計內(nèi)具有一定容積的空間，然后在流體推動下使容積內(nèi)的流體從流量計出口流出。如此循環(huán)往復(fù)，若每個循環(huán)周期流量計送出的流體體積為，在時間內(nèi)，流量計工作循環(huán)周期為，則總量為主要部分是計量箱和裝在計量箱內(nèi)的一對橢圓齒輪，它們與蓋板構(gòu)成一密封的初月形空腔，作為量具。流量計進(jìn)出口處的壓力差推動橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)。流體經(jīng)初月形空腔計量后而排出，所以橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周可輸出4倍初月形空腔的容積。因此，橢圓齒輪轉(zhuǎn)數(shù)與流體的流量成正比。橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)通過設(shè)在測量室外部的機(jī)械式齒輪減速機(jī)構(gòu)及滾輪計數(shù)機(jī)構(gòu)累計。橢圓齒輪流量計可看作是一個把流量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速，把總量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)數(shù)的敏感器。橢圓齒輪流量計是一種測量流體總量（體積）的儀表。特別適合于測量粘度較大的純凈（無顆粒）液體的總量。主要優(yōu)點(diǎn)式精度高，但加工復(fù)雜，成本高，而且齒輪容易磨損。旋翼式水表是速度式水表的一種，是世界上用得最多的水表品種。

在國家標(biāo)準(zhǔn)中，速度式水表的定義為“安裝在封閉管道中，由一個動力元件組成，并由水流速直接使其獲得運(yùn)動的一種水表”。當(dāng)水流通過水表時，驅(qū)動葉輪(旋翼或螺翼)旋轉(zhuǎn)，而水流的流速與葉輪的轉(zhuǎn)速成正比，因水流驅(qū)動葉輪處噴口的截面積為常數(shù)，故葉輪的轉(zhuǎn)速與流量也成正比。通過葉輪軸上的聯(lián)動部件與計數(shù)機(jī)構(gòu)相連接，使計數(shù)機(jī)構(gòu)累積葉輪(旋翼或螺翼)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而記下通過水表的水量。10.3.2.2渦輪式流量計圖10-3-2磁電式渦輪流量計1－渦輪；2－前導(dǎo)流架；3－后導(dǎo)流架；4－殼體；5－磁鋼；6－線圈。10.3.3流量—差壓、力、位移轉(zhuǎn)換法圖10－3－3節(jié)流流量計示意圖根據(jù)能量守恒定律，流體壓力能和動能在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，流速加快必然導(dǎo)致靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后產(chǎn)生靜壓差，流過的流體流量與靜壓力差的平方根成正比由測量管直徑、節(jié)流件開孔直徑、流體密度等決定的常數(shù)。10.3.3.1流量