三章檢測變送課件知識分享

化工過程自動化西北民族大學(xué)化工學(xué)院3檢測變送3.1概述3.2溫度檢測3.3流量檢測3.4壓力檢測3.5物位檢測3.6變送器3.1概述3.1.1檢測變送的重要性3.1.2測量誤差3.1.3儀表性能指標(biāo)3.1.1檢測變送的重要性在過程自動化中要通過檢測元件獲取生產(chǎn)工藝變量，最常見變量是溫度、壓力、流量、物位（四大參數(shù)）。檢測元件又稱為敏感元件、傳感器，它直接響應(yīng)工藝變量，并轉(zhuǎn)化成一個與之成對應(yīng)關(guān)系的輸出信號。這些輸出信號包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓等。檢測變送檢測——實施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一(標(biāo)準(zhǔn))的電氣信號。過程控制對檢測儀表要求：靜態(tài)：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長期工作動態(tài)：迅速——y(t)迅速反映c(t)的變化3.1.2測量誤差測量誤差：檢測儀表獲得的被測值與實際被測變量真實值之間的差距。(1)絕對誤差：儀表的指示值與被測量的真值之間的差值。

理論上：實際上：(2)相對誤差（儀表引用誤差）

絕對誤差與儀表的量程之比。測量誤差（2）(3)允許誤差(4)附加誤差——由于外界環(huán)境條件變化以及儀表波動等外界因素引起的誤差。3.1.3儀表性能指標(biāo)(1)精確度（精度）(2)變差(3)線性度(4)靈敏度和分辨率(5)動態(tài)誤差(1)精確度（精度）精度——表示儀表測量結(jié)果的可靠程度。精度等級：允許誤差去掉“±”號及“%”后，系列化圓整后的數(shù)值。儀表的精度等級是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小來劃分成若干等級的。儀表精度等級數(shù)值越小，說明儀表測量準(zhǔn)確度越高。儀表的精度等級以一定的符號形式表示在儀表標(biāo)尺板上，如1.0外加一個圓圈或三角形。精度等級1.0，說明該儀表允許誤差為1.0%。目前我國生產(chǎn)的儀表的精度等級有：

0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等[例1]某臺測溫儀表的量程是600--1100℃，其最大絕對誤差為±4℃，試確定該儀表的精度等級。解儀表的最大允許誤差為由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，而該儀表的最大引用誤差超過了0.5級儀表的允許誤差，所以這臺儀表的精度等級應(yīng)定為1.0級。[例2]某臺測溫儀表的量程是600--1100℃，工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±4℃，應(yīng)選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求。解根據(jù)工藝要求，儀表的最大允許誤差為±0.8%介于允許誤差±0.5%與±1.0%之間，如果選擇允許誤差為±1.0%,則其精度等級應(yīng)為1.0級。量程為600～1100℃，精確度為1.0級的儀表，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差為±5℃，超過了工藝的要求。所以只能選擇一臺允許誤差為±0.5%，即精確度等級為0.5級的儀表，才能滿足工藝要求。關(guān)于精度結(jié)論：校表：選表：儀表精度與量程有關(guān)，量程是根據(jù)所要測量的工藝變量來確定的。在儀表精度等級一定的前提下適當(dāng)縮小量程，可以減小測量誤差，提高測量準(zhǔn)確性。儀表量程的上限：Ymax:4/3~3/2倍（被測變量）波動較大時：3/2~2倍（被測變量）下限：一般地，被測變量的值不低于全量程的1/3。(2)變差變差——在外界條件不變的情況下，使用同一臺儀表對某一變量進行正反行程測量時對應(yīng)于同一測量值所得的儀表讀數(shù)之間的差異。注意：儀表的變差不能超出儀表的允許誤差。(3)線性度線性度——衡量儀表實際特性偏離線性程度的指標(biāo)。線性度差就要降低儀表精度。(4)靈敏度和分辨率靈敏度：儀表的輸出變化量與引起此變化的輸入變化量的比值，即靈敏度=△Y/△X對于模擬式儀表而言，ΔY是儀表指針的角位移或線位移。靈敏度反映了儀表對被測量變化的靈敏程度。分辨率（儀表靈敏限）：儀表輸出能分辨和響應(yīng)的最小輸入變化量。分辨率是靈敏度的一種反映。對于數(shù)字式儀表而言，分辨率就是數(shù)字顯示器最末位數(shù)字間隔代表被測量的變化與量程的比值。(5)動態(tài)誤差動態(tài)誤差——由于儀表動作的慣性延遲和測量傳遞滯后，當(dāng)被測量突然變化后必須經(jīng)過一段時間才能準(zhǔn)確顯示出來，這樣造成的誤差。注：在工業(yè)生產(chǎn)中被測量變化較快是不能忽略動態(tài)誤差。3.2溫度檢測3.2.1溫度檢測方法3.2.2熱電偶3.2.3熱電阻3.2.4熱電偶、熱電阻的選用3.2.1溫度檢測方法溫度不能直接測量，只能借助于冷熱不同物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質(zhì)隨溫度冷熱程度不同來加以間接測量。常用的測溫儀表按測量方式可分為：接觸式測溫元件非接觸式測溫元件接觸式測溫元件接觸式：測溫元件與被測對象接觸，依靠傳熱和對流進行熱交換。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測溫精度較高。缺點：由于測溫元件與被測對象必須經(jīng)過充分的熱交換且達到平衡后才能測量，這樣容易破壞被測對象的溫度場，同時帶來測溫過程的延遲現(xiàn)象，不適于測量熱容量小的對象、極高溫的對象、處于運動中的對象。不適于直接對腐蝕性介質(zhì)測量。非接觸式測溫元件非接觸式：測溫元件不與被測對象接觸，而是通過熱輻射進行熱交換，或測溫元件接收被測對象的部分熱輻射能，由熱輻射能大小推出被測對象的溫度。優(yōu)點：從原理上講測量范圍從超低溫到極高溫，不破壞被測對象溫度場。非接觸式測溫響應(yīng)快，對被測對象干擾小，可用于測量運動的被測對象和有強電磁干擾、強腐蝕的場合。缺點：容易受到外界因素的干擾，測量誤差較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格比較昂貴。3.2.2熱電偶(1)測溫原理——熱電效應(yīng)(2)補償導(dǎo)線(3)熱電偶參比端溫度補償（測量的準(zhǔn)確性）(1)測溫原理將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B連在一起組成一個閉合回路，而且兩個接點的溫度θ≠θ0,則回路內(nèi)將有電流產(chǎn)生，電流大小正比于接點溫度θ和θ0的函數(shù)之差，而其極性則取決于A和B的材料。（參比端、冷端、固定端）（工作端、熱端、自由端）熱電偶的測溫回路根據(jù)熱電偶的“中間導(dǎo)體定律”可知：熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體后，只要該導(dǎo)體兩端溫度相同，熱電偶回路中所產(chǎn)生的總熱電勢與沒有接入第三種導(dǎo)體時熱電偶所產(chǎn)生的總熱電勢相同；同理，如果回路中接入更多種導(dǎo)體時，只要同一導(dǎo)體兩端溫度相同，也不影響熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢值。因此熱電偶回路可以接入各種顯示儀表、變送器、連接導(dǎo)線等。熱電偶的分度表、分度號分度表：當(dāng)θ0=0℃時，與溫度θ對應(yīng)的數(shù)值表。（非線性）分度號：與分度表所對應(yīng)的熱電偶的代號。常用工業(yè)熱電偶比較常用熱電偶類型：普通型熱電偶鎧裝熱電偶多點式熱電偶防爆型熱電偶吹氣型熱電偶普通熱電偶（1）無固定裝置固定法蘭式固定螺紋式普通熱電偶（2）活絡(luò)管接頭式直型管接頭式鎧裝熱電偶的特點熱響應(yīng)時間少，減小動態(tài)誤差；可彎曲安裝使用；測量范圍大；機械強度高，耐壓性能好。鎧裝熱電偶（1）扁接插式鎧裝熱電偶補償導(dǎo)線式鎧裝熱電偶防噴式鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶（2）防水式鎧裝熱電偶手柄式鎧裝熱電偶圓接插式鎧裝熱電偶多點熱電偶適用于生產(chǎn)現(xiàn)場存在溫度梯度不顯著，須同時測量多個位置或位置的多處測量。廣泛應(yīng)用于大化肥合成塔、存儲罐等裝置中。防爆型熱電偶防爆熱電偶是利用間隙隔爆原理，設(shè)計具有足夠強度的接線盒等部件，將所有會產(chǎn)生火花，電弧和危險溫度的零部件都密封在接線盒腔內(nèi)，當(dāng)腔內(nèi)發(fā)生爆炸時，能通過接合面間隙熄火和冷卻，使爆炸后的火焰和溫度傳不到腔外，從而進行隔爆。特點多種防爆形式，防爆性能好；壓簧式感溫元件，抗振性能好；測溫范圍大；機械強度高，耐壓性能好；吹氣型熱電偶通過吹進氮氣或其它氣體，將有害氣體送出保護管外，從而提高熱電偶壽命。是30萬噸合成氨裝置中不可缺少的測溫裝置。另外，還有壓簧固定熱電偶、直角彎頭熱電偶、耐磨阻漏熱電偶等等(2)補償導(dǎo)線解決參比端溫度的恒定問題。補償導(dǎo)線要求：價格便宜，0~100℃范圍內(nèi)的熱電性質(zhì)與要補償?shù)臒犭娕嫉臒犭娦再|(zhì)幾乎完全一樣。圖3.7補償導(dǎo)線連接圖(3)熱電偶參比端溫度補償補償原理：工作端溫度θ，參比端θ0，熱電勢為因此參比端溫度補償方法：

①計算法②冰浴法③機械調(diào)零法（動圈表調(diào)零法），等級1.0以上④補償電橋法：利用參比端溫度補償器⑤補償熱電偶法計算法舉例例如：用鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度θ0=20℃，測得的熱電勢E（θ，θ0）=32.479mV。由K分度表中查得E（20，0）=0.798mV,則E（θ，0）=E（θ，20）+E（20，0）

=32.479+0.798=33.277mV再反查K分度表，得實際溫度是800℃。3.2.3熱電阻⑴金屬熱電阻⑵半導(dǎo)體熱敏電阻⑴金屬熱電阻金屬熱電阻——測溫原理是基于導(dǎo)體的電阻會隨溫度的變化而變化的特性。熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時，其電阻也隨著發(fā)生變化的特征來測量溫度的。當(dāng)阻值變化時，工作儀表便顯示出阻值所對應(yīng)的溫度值。常用熱電阻：銅電阻和鉑電阻熱電阻的結(jié)構(gòu)形式：普通型、鎧裝型、專用型熱電阻通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計算機等配套使用，可直接測量各種生產(chǎn)過程中的-200℃～500℃范圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體表面溫度。普通熱電阻（1）

無固定裝置熱電阻

固定螺紋式熱電阻

活動法蘭式熱電阻普通熱電阻（2）

固定螺紋錐式熱電阻

固定螺紋管接頭式熱電阻

活絡(luò)管接頭式熱電阻普通熱電阻（3）裝配式熱電阻鎧裝熱電阻（1）防噴式鎧裝熱電阻扁接插式鎧裝熱電阻防水式鎧裝熱電阻鎧裝熱電阻（2）圓接插式鎧裝熱電阻補償導(dǎo)線式鎧裝熱電阻專用熱電阻（1）端面熱電阻——適合于測量電廠汽輪機及電機軸瓦或其它機體表面溫度。專用熱電阻（2）防腐熱電阻——采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46，適合于石油化工各種腐蝕性介質(zhì)中測溫。是氯堿行業(yè)的專用測溫儀表。專用熱電阻（3）微型熱電偶/熱電阻——適用于狹小場所的溫度測量與控制。是紡織、絳綸等行業(yè)業(yè)不可缺少的溫度測量裝置。專用熱電阻（4）爐壁熱電偶/熱電阻——適合于電廠鍋爐爐壁，管壁及其它圓柱體表面測量。⑵半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻——測溫原理是基于某些半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性。NTC型：負溫度系數(shù)熱敏電阻PTC型：正溫度系數(shù)熱敏電阻

特點：

結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、體積小、熱慣性小。缺點：

非線性嚴(yán)重、互換性差、測溫范圍窄3.2.4熱電偶、熱電阻的選用(1)選用原則(2)安裝(3)使用(1)選用原則選用原則：較高溫度——熱電偶中低溫區(qū)——熱電阻

一般以500℃為分界，但不絕對原因有兩點：

①在中低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電勢很小，對測量儀表放大器和抗干擾要求很高。

②由于參比端溫度變化不易得到完全補償，在較低溫度區(qū)內(nèi)引起的相對誤差就很突出。另外，還應(yīng)注意工作環(huán)境，如環(huán)境溫度、介質(zhì)性質(zhì)（氧化性、還原性、腐蝕性）等，選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo套管、連接導(dǎo)線等。(2)安裝①選擇有代表性的測溫點位置，測溫元件有足夠的插入深度②熱電偶或熱電阻的接線盒的出線孔應(yīng)朝下，以免積水及灰塵等造成接觸不良，防止引入干擾信號。③檢測元件應(yīng)避開熱輻射強烈影響處。要密封安裝孔，避免被測介質(zhì)溢出或冷空氣吸入而引入誤差。(3)使用熱電偶：——參比端溫度補償——補償導(dǎo)線的極性不能接反——分度號應(yīng)與配接的變送、顯示儀表分度號一致——在與采用補償電橋法進行參比端溫度補償?shù)膬x表（如電子電位差計、溫度變送器等）配套測溫時，熱電偶的參比端要與補償電阻感受相同溫度。

熱電阻的使用熱電阻：——分度號應(yīng)與配接的變送、顯示儀表分度號一致——采用三線制接法熱電阻溫度變送器輸入熱電阻信號給輸入回路。輸入回路是一個不平衡電橋，熱電阻即為橋路的一個橋臂。如果是金屬熱電阻，由于連接熱電阻的導(dǎo)線存在電阻，且導(dǎo)線電阻值隨環(huán)境溫度的變化而變化，從而造成測量誤差，因此實際測量時采用三線制接法。三線制接法所謂三線制接法，就是從現(xiàn)場的金屬熱電阻兩端引出三根材質(zhì)、長短、粗細均相同的連接導(dǎo)線，其中兩根導(dǎo)線被接入相鄰兩對抗橋臂中，另一根與測量橋路電源負極相連。如圖所示。由于流過兩橋臂的電流相等，因此當(dāng)環(huán)境溫度變化時，兩根連接導(dǎo)線因阻值變化而引起的壓降變化相互抵消，不影響測量橋路輸出電壓的大小。3.3流量檢測3.3.1基本概念3.3.2流量檢測的主要方法3.3.3速度式流量計（差壓式流量計）3.3.4容積式流量計3.3.5質(zhì)量流量計3.3.6流量儀表的選用3.3.1基本概念流量（瞬時流量）：單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體的數(shù)量。累積流量（總流量）：某一時段內(nèi)流過的流體的總合。瞬時流量在某一時段的累積量。流量的表示方法：質(zhì)量流量、體積流量、標(biāo)準(zhǔn)體積流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量(qm)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的質(zhì)量。單位：(kg/s)體積流量體積流量(qv)：單位時間內(nèi)流過某截面的流體的體積。(工作狀態(tài)下)單位:(m3/s)qm=qvρ標(biāo)準(zhǔn)體積流量標(biāo)準(zhǔn)體積流量(qvn)：折算到標(biāo)準(zhǔn)的壓力和溫度下的體積流量。（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）qvn=qm/ρn

qvn=qvρ/ρn3.3.2流量檢測的主要方法生產(chǎn)過程中各種流體的性質(zhì)各不相同，流體的工作狀態(tài)及流體的粘度、腐蝕性、導(dǎo)電性也不同，很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。尤其工業(yè)生產(chǎn)過程，其情況復(fù)雜，某些場合的流體是高溫、高壓，有時是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測量的方法很多，測量原理和流量傳感器（或稱流量計）也各不相同，從測量方法上一般可分為以下兩大類。（1）測體積流量（2）測質(zhì)量流量(1)測體積流量容積法速度法容積法在單位時間內(nèi)以標(biāo)準(zhǔn)固定體積對流動介質(zhì)連續(xù)不斷地進行度量，以排出流體的固定容積數(shù)來計算流量。容積法受流體流動狀態(tài)影響較小，適用于測量高粘度、低雷諾數(shù)的流體?；谌莘e法的流量計有：橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、皮膜式流量計等LC橢圓齒輪流量計

速度法以測量流體在管道內(nèi)的流速（通常是平均流速）作為測量依據(jù)進行測量。平均流速乘以管道截面積求得流體的體積流量。測量平均流速的方法有：差壓式、電磁式、漩渦式、聲學(xué)式、熱學(xué)式、渦輪式基于速度法的流量檢測儀表有節(jié)流式流量計、靶式流量計、彎管流量計、轉(zhuǎn)子流量計、電磁流量計、旋渦流量計、渦輪流量計、超聲流量計等。測量平均流速的方法差壓式又稱節(jié)流式，利用節(jié)流件前后的差壓和流速關(guān)系，通過差壓值獲得流體的流速；電磁式導(dǎo)電流體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢大小與流體的平均流速成正比；旋渦式流體在流動中遇到一定形狀的物體會在其周圍產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，旋渦釋放的頻率與流速成正比；渦輪式流體作用在置于管道內(nèi)部的渦輪上使渦輪轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動速度在一定流速范圍內(nèi)與管道內(nèi)流體的流速成正比；聲學(xué)式根據(jù)聲波在流體中傳播速度的變化得到流體的流速；熱學(xué)式利用加熱體被流體的冷卻程度與流速的關(guān)系來檢測流速。（2）測質(zhì)量流量質(zhì)量流量計是直接測量流體流過的質(zhì)量。具有精度不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等變化影響的優(yōu)點

直接法：直接測量質(zhì)量流量。科里奧利力式流量計、量熱式流量計、角動量式流量計等。間接法：測出體積流量和密度，經(jīng)過計算得到。主要有壓力溫度補償式質(zhì)量流量計。SITRANSFC科里奧利力質(zhì)量流量計3.3.3速度式流量計（1）差壓式流量計（2）靶式流量計（3）旋渦流量計（4）其它形式的速度式流量計（1）差壓式流量計差壓式流量計又稱節(jié)流式流量計，它是利用管路內(nèi)的節(jié)流裝置，將管道中流體的瞬時流量轉(zhuǎn)換成節(jié)流裝置前后的壓力差的原理來實現(xiàn)的。差壓式流量計流量測量系統(tǒng)主要由節(jié)流裝置和差壓計（或差壓變送器）組成，如圖所示。節(jié)流裝置的作用是把被測流體的流量轉(zhuǎn)換成壓差信號，差壓計則對壓差信號進行測量并顯示測量值，差壓變送器能把差壓信號轉(zhuǎn)換為與流量對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電信號或氣信號，以供顯示、記錄或控制。差壓式流量計發(fā)展較早，技術(shù)成熟而較完善，而且結(jié)構(gòu)簡單，對流體的種類、溫度、壓力限制較少，因而應(yīng)用廣泛。節(jié)流式流量計舉例YJLB型一體化節(jié)流式流量計將節(jié)流裝置和差壓變送器做成一體，繼承了節(jié)流裝置的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)緊湊，成套性好，故障率低，使用安裝方便，動態(tài)特性好，提高了測量精度，可滿足各種流量測量的需要YJLB型一體化節(jié)流式流量計差壓式流量計流量測量系統(tǒng)差壓式流量計流量測量系統(tǒng)節(jié)流裝置節(jié)流裝置是差壓式流量計的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動的管道中的阻力元件。常用的節(jié)流元件有孔板、噴嘴、文丘里管。它們的結(jié)構(gòu)形式、相對尺寸、技術(shù)要求、管道條件和安裝要求等均已標(biāo)準(zhǔn)化，故又稱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件，如下頁圖所示。其中孔板最簡單又最為典型，加工制造方便，在工業(yè)生產(chǎn)過程中常被采用。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置按照規(guī)定的技術(shù)要求和試驗數(shù)據(jù)來設(shè)計、加工、安裝，無需檢測和標(biāo)定，可以直接投產(chǎn)使用，并可保證流量測量的精度。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件圖3-22標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件(a)孔板；(b)噴嘴；(c)文丘里管

說明節(jié)流裝置是將被測流體的流量值變換成差壓信號Δp，節(jié)流裝置輸出的差壓信號由壓力信號管路輸送到差壓變送器（或差壓計）。由流量基本方程式可以看出，被測流量與差壓Δp成平方根關(guān)系，對于直接配用差壓計顯示流量時，流量標(biāo)尺是非線性的，為了得到線性刻度，可加開方運算電路或加開方器。如差壓流量變送器帶有開方運算，變送器的輸出電流就與流量成線性關(guān)系。顯示儀表則顯示流量的大小。差壓式流量計的測量原理在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)換，但參加轉(zhuǎn)換的能量總和不變。用節(jié)流元件測量流量時，流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過的流量越大，節(jié)流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關(guān)系，這就是差壓式流量計的測量原理。流量方程對于不同流體的形式對于可壓縮流體，例如各種氣體及蒸氣通過節(jié)流元件時，由于壓力變化必然會引起密度ρ的改變，即ρ1≠ρ2，這時在公式中應(yīng)引入體積膨脹系數(shù)ε，可壓縮性流體體積膨脹系數(shù)ε小于1，如果是不可壓縮性流體，則ε=1。流量方程式變?yōu)?/p>

流量公式中的流量系數(shù)α與節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)形式、取壓方式、節(jié)流裝置開孔直徑、流體流動狀態(tài)（雷諾數(shù)）及管道條件等因素有關(guān)。對于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，α值可直接從有關(guān)手冊中查出。（2）靶式流量計在流體通過的管道中，垂直于流動方向插上一塊圓盤形的靶。流體通過時對靶片產(chǎn)生推力，經(jīng)杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生力矩。力矩與流量的平方近似成正比。靶式流量計適用于測量粘稠性及含少量懸浮固體的液體。靶式流量計靶式流量計（3）旋渦流量計旋渦流量計又稱渦街流量計，其測量方法基于流體力學(xué)中的卡門渦街原理。把一個旋渦發(fā)生體（如圓柱體、三角柱體等非流線型對稱物體）垂直插在管道中，當(dāng)流體繞過旋渦發(fā)生體時會在其左右兩側(cè)后方交替產(chǎn)生旋渦，形成渦列，且左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種渦列就稱為卡門渦街。旋渦流量計在一定的雷諾數(shù)Re范圍內(nèi)，體積流量qv與旋渦的頻率f成線性關(guān)系。只要測出旋渦的頻率f就能求得流過流量計管道流體的體積流量qv

。旋渦流量計的輸出信號是與流量成正比的脈沖頻率信號或標(biāo)準(zhǔn)電流信號，可以遠距離傳輸，而且輸出信號與流體的溫度、壓力、密度、成分、粘度等參數(shù)無關(guān)。該流量計量程比寬，結(jié)構(gòu)簡單，無運動件，具有測量精度高、應(yīng)用范圍廣、使用壽命長等特點。（4）其它的速度式流量計另外，還有彎管流量計、轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。90度彎管流量計3.3.4容積式流量計該流量計系直讀累積式流體流量計，是由裝有一對橢圓齒輪轉(zhuǎn)子的計量室、密封聯(lián)軸器（小口徑流量計采用靈敏度高的磁性聯(lián)軸器）和計數(shù)機構(gòu)組成。測得旋轉(zhuǎn)頻率就可求得體積流量。圖3.30橢圓齒輪流量測量示意圖3.3.5質(zhì)量流量計1）直接式質(zhì)量流量傳感器——科里奧利質(zhì)量流量傳感器2）推導(dǎo)式質(zhì)量流量傳感器1）直接式質(zhì)量流量計——科里奧利質(zhì)量流量傳感器科里奧利質(zhì)量流量計是利用流體在直線運動的同時，處于一個旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力而制成的一種直接式質(zhì)量流量傳感器。當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點在對P軸作角速度為ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動時，如圖3-31所示，質(zhì)點具有兩個分量的加速度及相應(yīng)的加速度力：①法向加速度:即向心加速度ar，其量值為ω2r，方向朝向P軸。②切向加速度:即科里奧利加速度at,其量值為2ωv，方向與ar垂直。由于復(fù)合運動，在質(zhì)點的at方向上作用著科里奧利力為2ωvm，而管道對質(zhì)點作用著一個反向力，其值為-2ωvm?？评飱W利質(zhì)量流量計的工作原理當(dāng)密度為ρ的流體以恒定速度v在管道內(nèi)流動時，任何一段長度為Δx的管道都受到一個大小為ΔFc的切向科里奧利力，即式中,A為管道的流通內(nèi)截面積。因為質(zhì)量流量qm=ρvA，所以基于上式，如直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管道中流動流體所產(chǎn)生的科里奧利力就可以測得質(zhì)量流量，這就是科里奧利質(zhì)量流量計的工作原理。ΔFc=2ωvρAΔx

ΔFc=2ωqmΔx

科里奧利力作用分析圖圖3-31科里奧利力作用分析圖

2）推導(dǎo)式質(zhì)量流量傳感器推導(dǎo)式質(zhì)量流量傳感器實際上是由多個傳感器組合而成的質(zhì)量流量測量系統(tǒng)，根據(jù)傳感器的輸出信號間接推導(dǎo)出流體的質(zhì)量流量。組合方式主要有以下幾種。（1）差壓式流量傳感器與密度傳感器組合方式（2）體積流量傳感器與密度流量傳感器組合方式（3）差壓式流量傳感器與體積式流量傳感器組合方式（1）差壓式流量傳感器與密度傳感器組合方式差壓式流量傳感器的輸出信號是差壓信號，它正比于ρqv2，若與密度傳感器的輸出信號進行乘法運算后再開方即可得到質(zhì)量流量。即（2）體積流量傳感器與密度流量傳感器組合方式能直接用來測量管道中的體積流量qv的傳感器有電磁流量傳感器、渦輪流量傳感器、超聲波流量傳感器等，利用這些傳感器的輸出信號與密度傳感器的輸出信號進行乘法運算即可得到質(zhì)量流量。即K1qvK2ρ=Kqm

（3）差壓式流量傳感器與體積式流量傳感器組合方式差壓式流量傳感器的輸出差壓信號Δp與ρqv2成正比，而體積流量傳感器輸出信號與qv成正比，將這兩個傳感器的輸出信號進行除法運算也可得到質(zhì)量流量。即3.3.6流量儀表的選用選擇流量儀表要考慮的主要因素：流體特性（物性參數(shù)和流動參數(shù)）、化學(xué)性質(zhì)、臟污結(jié)垢影響最大的是：密度和粘度使用環(huán)境：是否會腐蝕安裝條件：1）注意事項2）不同介質(zhì)情況的安裝注意事項要使儀表的指示值與通過管道的實際流量相符，必須做到以下幾點：

（1）差壓變送器的壓差和顯示儀表的流量標(biāo)尺有若干種規(guī)格，選擇時應(yīng)與節(jié)流裝置孔徑匹配。（2）在測量蒸汽和氣體流量時，常遇到工作條件的密度ρ與設(shè)計時的密度ρc不相同，這時必須對示數(shù)進行修正。（3）顯示儀表刻度通常是線性的，測量值（差壓信號）要經(jīng)過開方運算進行線性化處理后再送顯示儀表。（4）節(jié)流裝置應(yīng)正確安裝。（5）接至差壓變送器的壓差應(yīng)該與節(jié)流裝置前后壓差相一致，這就需要正確安裝差壓信號管路。介質(zhì)為液體時差壓變送器應(yīng)裝在節(jié)流裝置下面，取壓點應(yīng)在工藝管道的中心線以下引出（下傾45°左右），導(dǎo)壓管最好垂直安裝，否則也應(yīng)有一定斜度。當(dāng)差壓變送器放在節(jié)流裝置之上時，要裝置貯氣罐。介質(zhì)為氣體時差壓變送器應(yīng)裝在節(jié)流裝置的上面,防止導(dǎo)壓管內(nèi)積聚液滴，取壓點應(yīng)在工藝管道的上半部引出。介質(zhì)為蒸汽時應(yīng)使導(dǎo)壓管內(nèi)充滿冷凝液，因此在取壓點的出口處要裝設(shè)凝液罐，其它安裝同液體。介質(zhì)具有腐蝕性時可在節(jié)流裝置和差壓變送器之間裝設(shè)隔離罐，內(nèi)放不與介質(zhì)有互溶的隔離液來傳遞壓力，或采用噴吹法等。3.4壓力檢測壓力是重要的工業(yè)參數(shù)之一，正確測量和控制壓力對保證生產(chǎn)工藝過程的安全性和經(jīng)濟性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應(yīng)用在流量和液位的測量中。3.4.1壓力單位及壓力檢測方法3.4.2常用壓力檢測儀表3.4.3壓力表的選用3.4.1壓力單位及壓力檢測方法(1)壓力單位(2)壓力的表示方法(3)壓力的檢測方法(1)壓力單位工程技術(shù)上所稱的“壓力”實質(zhì)上就是物理學(xué)里的“壓強”，定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。其表達式為

式中:P——壓力；F——作用力；A——作用面積。國際單位制（SI）中定義：1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上形成的壓力為1“帕斯卡”。帕斯卡簡稱“帕”，單位符號為Pa。其他的壓力單位“工程大氣壓”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、物理大氣壓（即atm）等還在應(yīng)用。(2)壓力的表示方法絕對壓力

指作用于物體表面積上的全部壓力，其零點以絕對真空為基準(zhǔn)，又稱總壓力或全壓力，一般用大寫符號P表示大氣壓力

是指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以P0表示。

表壓力

這是指絕對壓力與大氣壓力之差，一般用p表示。測壓儀表一般指示的壓力都是表壓力，表壓力又稱相對壓力。當(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時，則表壓力為負壓，負壓又可用真空度表示，負壓的絕對值稱為真空度。如測爐膛和煙道氣的壓力均是負壓。

差壓任意兩個壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計和差壓式流量計就是利用測量差壓的大小來知道液位和流體流量的大小的。絕對壓力、表壓力、負壓之間的關(guān)系

絕對壓力、表壓力、負壓之間的關(guān)系(3)壓力的檢測方法彈性力平衡方法重力平衡方法機械力平衡方法物性平衡方法彈性力平衡方法基于彈性元件的彈性變形特性。彈性元件受到被測壓力作用而產(chǎn)生變形，而因彈性變形產(chǎn)生的彈性力與被測壓力相平衡。測出彈性元件變形的位移就可測出彈性力。此類壓力計有彈簧管壓力計、波紋管壓力計、膜式壓力計等。重力平衡方法主要有活塞式和液柱式?；钊綁毫τ媽⒈粶y壓力轉(zhuǎn)換成活塞上所加平衡砝碼的質(zhì)量來進行測量的，測量精度高，測量范圍寬，性能穩(wěn)定可靠，一般作為標(biāo)準(zhǔn)型壓力檢測儀表來校驗其他類型的測壓儀表。液柱式壓力計是根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量的，最典型的是U型管壓力計，結(jié)構(gòu)簡單且讀數(shù)直觀。機械力平衡方法其原理是將被測壓力變換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時的外力來得到被測壓力。機械力平衡方法較多用于壓力或差壓變送器中，精度較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。物性平衡方法基于在壓力作用下測壓元件的某些物性發(fā)生變化的原理。如電氣式壓力計、振頻式壓力計、光纖壓力計、集成式壓力計等。3.4.2常用壓力檢測儀表(1)彈性式壓力表彈性式壓力表是以彈性元件受壓后所產(chǎn)生的彈性變形作為測量基礎(chǔ)的。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，現(xiàn)場使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測量范圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。彈性元件采用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件，可以適用于不同場合、不同范圍的壓力測量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。下圖給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測量。彈性元件示意圖

彈簧管壓力表彈簧管壓力表在彈性式壓力表中更是歷史悠久，應(yīng)用廣泛。彈簧管壓力表中壓力敏感元件是彈簧管。彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，如圖3-35所示。管子的一端為封閉，作為位移輸出端，另一端為開口，為被測壓力輸入端。當(dāng)開口端通入被測壓力后，非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端由B移至B′而產(chǎn)生位移。輸入壓力越大，產(chǎn)生的形變也越大。由于輸入壓力p與彈簧管自由端B的位移成正比，所以只要測得B點的位移量，就能反映壓力p的大小，這就是彈簧管壓力表的基本測量原理。單圈彈簧管結(jié)構(gòu)圖3-35單圈彈簧管結(jié)構(gòu)彈簧管壓力表彈簧管壓力表

(2)壓力傳感器壓力傳感器——是能夠檢測壓力并提供遠傳信號的裝置。能夠滿足自動化系統(tǒng)集中檢測顯示和控制的要求。當(dāng)壓力傳感器輸出的電信號進一部變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號時，又將它稱為壓力變送器。常用的壓力傳感器有以下幾類：

應(yīng)變片式、壓電式、壓阻式、電容式、集成式。應(yīng)變片式壓力傳感器壓電式壓力傳感器當(dāng)某些材料受到某一方向的壓力作用而發(fā)生變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上就產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)壓力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料種類較多，有石英晶體、人工制造的壓電陶瓷，還有高分子壓電薄膜等。壓阻式壓力傳感器壓阻元件是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻。它是基于壓阻效應(yīng)工作的，即當(dāng)它受壓時，其電阻值隨電阻率的改變而變化。常用的壓阻元件有單晶硅膜片以及在N型單晶硅膜片上擴散P型雜質(zhì)的擴散硅等，也是依附于彈性元件而工作。電容式壓力傳感器其測量原理是將彈性元件的位移轉(zhuǎn)換為電容量的變化。將測壓膜片作為電容器的可動極板，它與固定極板組成可變電容器。當(dāng)被測壓力變化時，由于測壓膜片的彈性變形產(chǎn)生位移改變了兩塊極板之間的距離，造成電容量發(fā)生變化。集成式壓力傳感器它是將微機械加工技術(shù)和微電子集成工藝相結(jié)合的一類新型傳感器，有壓阻式、微電容式、微諧振式等形式。將差壓、靜壓和溫度同時測出，再送入微機系統(tǒng)經(jīng)過運算處理后就可以得到修正后的被測差壓值、靜壓值和溫度值。3.4.3壓力表的選用壓力表的選用主要包括儀表型式、量程范圍、精度和靈敏度、外形尺寸以及是否還需要遠傳和其他功能，如指示、記錄、報警、控制等。選用的依據(jù)如下：(1)必須滿足工藝生產(chǎn)過程的要求，包括量程和精度；(2)考慮被測介質(zhì)的性質(zhì)，如溫度、壓力、粘度、腐蝕性、易燃易爆程度等；(3)注意儀表安裝使用時所處的現(xiàn)場環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、電磁場、振動等。3.5物位檢測3.5.1基本概念3.5.2物位檢測的主要方法和分類3.5.3常用物位檢測儀表——差壓式液位計3.5.4物位檢測儀表的選用3.5.1基本概念在容器中液體介質(zhì)的高低叫液位，容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度叫料位。測量液位的儀表叫液位計，測量料位的儀表叫料位計，測量兩種密度不同的液體介質(zhì)分界面的高低（界位）的儀表叫界面計。上述三種儀表統(tǒng)稱為物位計。物位開關(guān)：在物位檢測中，有時不需要對物位進行連續(xù)測量，只需要測量物位是否達到上線、下限或某個特定的位置，這種定點測量用的儀表被稱為物位開關(guān)。一般用來監(jiān)視、報警、輸出控制信號。3.5.2物位檢測的主要方法和分類按工作原理主要有以下幾種類型：直讀式：根據(jù)流體的連通性原理來測量液位。靜壓式：壓力式和差壓式。根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位。浮力式：它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。前者稱為恒浮力式，后者稱為變浮力式。電氣式：根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來測量物位。輻射式：根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時，其強度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來測量液位。另外還有：聲學(xué)式、光學(xué)式、射線式微波式、激光式、射流式、光纖維式等等3.5.3常用物位檢測儀表——差壓式液位計(1)取壓點與液位零面在同一水平面(2)取壓口低于容器底部(3)介質(zhì)有腐蝕性時(4)測量分界面(5)其它物位計(1)取壓點與液位零面在同一水平面設(shè)被測介質(zhì)的密度為ρ，容器頂部為氣相介質(zhì)，氣相壓力為pA，pB是液位零面的壓力，p1是取壓口的壓力，根據(jù)靜力學(xué)原理可得因此，差壓變送器正負壓室的壓力差為液位測量問題就轉(zhuǎn)化為差壓測量問題了。但是，當(dāng)液位零面與檢測儀表的取壓口不在同一水平高度時，會產(chǎn)生附加的靜壓誤差。就需要進行量程遷移和零點遷移。圖3-41差壓傳感器測量液位原理圖

(2)取壓口低于容器底部如圖所示，當(dāng)差壓變送器的取壓口低于容器底部的時候，差壓變送器上測得的差壓為為了使液位的滿量程和起始值仍能與差壓變送器的輸出上限和下限相對應(yīng)，就必須克服固定差壓ρgh0的影響，采用零點遷移就可實現(xiàn)。圖3.42液位測量的正遷移關(guān)于正遷移在無遷移情況下，實際測量范圍是0～（h0ρg+hmaxρg），原因是這種安裝方法使ΔP多出一項h0ρg。當(dāng)h=0時，ΔP=h0ρg，因此P0＞20KPa。為了遷移掉h0ρg，即在h=0時仍然使P0=20KPa，可以調(diào)整儀表的遷移彈簧張力。由于h0ρg作用在正壓室上，稱之為正遷移量。由于ρgh0>0，所以稱為正遷移。

量程遷移后，測量范圍為0～hmaxρg，再通過零點遷移，使差壓式液位計的測量范圍調(diào)整為h0ρg～（h0ρg+hmaxρg）。

(3)介質(zhì)有腐蝕性時當(dāng)被測介質(zhì)有腐蝕性時，差壓變送器的正、負壓室之間就需要裝隔離罐，如果隔離液的密度為ρ1(ρ1>ρ)，則圖3.43液位測量的負遷移關(guān)于負遷移對比無遷移情況，ΔP多了一項壓力-(h1-h0)ρ1g，它作用在負壓室上，稱之為負遷移量。當(dāng)h=0時，ΔP=-(h1-h0)ρ1g，因此P0<20KPa。為了遷移掉-(h1-h0)ρ1g的影響，可以調(diào)整負遷移彈簧的張力來進行。遷移調(diào)整后，差壓式液位計的測量范圍調(diào)整為

-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]由于所以稱為負遷移。(4)測量分界面利用差壓式液位計還可以測量液體的分界面，如圖所示。液位計正、負壓室受力情況如下：P1=h0ρ2g+（h1+h2）ρ1gP2=（h2+h1+h0）ρ1gΔP=P1

–P2=h0g（ρ2-ρ1）由于（ρ2-ρ1）是已知的，所以壓差ΔP與分界面高度h0成一一對應(yīng)關(guān)系。測量分界面(5)其它物位計電容式物位計超聲波物位計核輻射式物位計磁翻轉(zhuǎn)式物位計3.5.4物位檢測儀表的選用必須考慮測量范圍、測量精度、被測介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境操作條件、容器結(jié)構(gòu)形狀等因素。在液位檢測中最為常用的就是靜壓式和浮力式測量方法，但必須在容器上開孔安裝引壓管或在介質(zhì)中插入浮筒，因此在介質(zhì)為高粘度或者易燃易爆場合不能使用這些方法。在料位檢測中可以采用電容式、超聲波式、射線式等測量方法。3.6變送器3.6.1概述3.6.2變送器的量程、零點遷移3.6.3溫度變送器3.6.4差壓變送器3.6.5智能變送器3.6.6現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展3.6.1概述作用：將檢測元件的輸出