第03章 检测变送仪表

3.1概述3.2差压变送器3.3温度变送器3.4流量变送器3.5液位变送器3.6成分分析仪3.7智能变送器第3章检测变送仪表3.1概述过程控制系统由检测变送器、调节器、执行器和被控过程组成。检测变送器将被控参数如温度、压力、流量、液位、PH值以及成分量、状态量等检测出来，并变换成相应的统一标准信号，供系统显示、记录或进行下一步的调整控制作用。在任何系统的自动控制中变送器都是首要环节和重要组成部分，只有获得精确和可靠的被控参数，才能进行准确的数据处理，进而才能获得高质量的控制效果。测量误差与真值

测量误差：测量值与真实值之间存在的差别，反映了测量结果的可靠程度。

真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。

为了能在过程控制中正确选用合适的检测仪表，下面我们对检测的一些基本概念作简单介绍.约定真值与相对真值

约定真值：一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。相对真值：指当高一级标准器的误差仅为低一级的1/3以下时，可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。

在相同的测量条件下的测量值序列中数值、符号保持不变或按某确定规律变化的测量误差测量误差及其表示方法

一、测量误差的分类

测量误差分类系统误差基本误差：由仪表结构造成的误差附加误差：偏离规定的工作条件造成的误差随机误差：偶发原因引起大小方向都不确定的误差疏忽误差：测量人员疏忽造成

仪表基本误差和附加误差

基本误差：是指在仪表制造厂保证的条件下仪表的相对误差值，即规定使用条件下仪器仪表的示值误差。规定使用条件：包括温度、相对湿度、电源电压、安装方式等。附加误差：仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。如：电源波动附加误差，温度附加误差等。二、测量误差的表示方法

1.绝对误差

用测量值与被测量真值之间的差值所表示的误差称为绝对误差。

⊿

2.相对误差

绝对误差⊿与被测量真值之比，称为相对误差。

3.引用误差

以绝对误差Δ与仪表上量限的比值所表示的误差称为引用误差，其中绝对误差若取可能出现的最大值则称为最大引用误差，可以用来评价仪表性能,即仪表的准确度等级。

仪表精度等级

又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。使用仪表前首先必须知道仪表的精度等级，以便估计测量结果与真实值的差距。

我国仪表精度等级有：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。 级数越小，精度（准确度）就越高。

科学实验用的仪表精度等级在0.05级以上；工业检测用仪表多在0.1～4.0级，其中校验用的标准表多为0.1或0.2级，现场用多为0.5～4.0级。

1.51.5精度等级符号在选用仪表的精度等级时，应根据实际需要求定，不能只追求高精度等级。例：一台测温仪的工作范围为50～550℃，工艺要求测量时绝对误差不超过6℃，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？选精度等级1.0级仪表的灵敏度

仪表的灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化△α与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量△x之比，用S表示灵敏度

仪表的灵敏限

能够引起仪表指示值（输出信号）发生变化（动作）的被测参数（输入信号）的最小（极限）变化量。 与灵敏度是不同的概念，通常灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。测量变送中的几个主要问题

纯滞后问题

由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等容易引入纯滞后。

测量滞后问题

主要由测量元件本身的特性造成。在系统设计中可选用快速测量元件。信号传送滞后问题

主要是指QDZ仪表气压信号在管路传送过程中所造成的滞后。

仪表的选用实现生产过程的自动化，不但需要有正确的控制方案，而且还需要正确合理地选用自动化仪表。仪表的选用应该从生产实际出发，结合过程的特点，根据工艺过程的实际需要来考虑。要综合考虑精度、功能、测量范围、适用场合、经济性等诸多因素。注意：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0-100℃和100-300℃，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2℃，试确定这两台仪表的精度等级。解这两台仪表的最大引用误差分别为一台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级为1级。一.过程控制仪表过程控制仪表---在过程控制系统中，过程检测仪表将被控变量转换成电信号或气压信号后，除了送至显示仪表进行指示和记录外，还需送到控制仪表进行自动控制，从而实现生产过程的自动化，使被控变量达到预期的要求。二.过程控制仪表的分类通常，控制仪表与装置可按能源形式、信号类型、和结构形式来分类。（一）.按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等几类。工业上普遍使用电动控制仪表和气动控制仪表，两者之间的比较如下页表所示。电动控制仪表和气动控制仪表的比较电动控制仪表

气动控制仪表

能源传输信号构成接线电源（220VAC）（24VDC）电信号（电流、电压或数字）电子元器件（电阻、电容、电子放大器、集成电路、微处理器等）导线，印刷电路板气源（140kPa）气压信号气动元件（气阻、气容、气动放大器等）导管，管路板

气动控制仪表具有结构简单、性能稳定、可靠性高、易于维护、安全防爆等特点。特别适用于石油、化工等具有爆炸危险的场合。

电动控制仪表具有能源获取方便，信号传输和处理容易，便于实现集中显示和操作等特点。目前在工业上电动控制仪表得到了最为广泛的应用。模拟式控制仪表：由模拟元器件构成，传送信号为连续变化的模拟量。特点：线路相对简单，操作方便，使用灵活，价格较低。数字式控制仪表：以微处理器微控制器为核心，传送的信号为数字信号。特点：可进行各种数字运算与逻辑判断，功能完善，性能优越。（二）按信号类型分类（三）按结构形式分类基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表、集散控制装置等

基地式气动液位指示调节仪1.基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体，附加某些控制机构而组成。特点：—般结构比较简单、价格便宜．它不仅能对某些工艺变量进行指示或记录，而且还具有控制功能，因此它比较适用于单变量的就地控制系统。单元组合仪表2.单元组合式控制仪表：将整套仪表划分成能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间采用统一信号进行联系。使用时可根据控制系统的需要，对各单元进行选择和组合，从而构成多种多样的、复杂程度各异的自动检测和控制系统。特点：使用灵活，通用性强，同时，使用、维护更换也很方便。广泛使用的单元组合式控制仪表有:DDZ:电动单元组合仪表QDZ:气动单元组合仪表3.组件组装式控制仪表：是一种功能分离、结构组件化的成套仪表(或装置)。它以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表(或装置)在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。这种控制仪表(或装置)特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的自动控制系统。4.集散控制系统（DCS系统）

DCS系统是一种以微型计算机为核心的计算机控制装置。其基本特点是分散控制、集中管理。5.现场总线控制系统（FCS系统）

FCS系统是基于现场总线技术的一种新型计算机控制装置。其特点是现场控制和双向数字通信。

模拟直流电流信号序号电流信号124－20mADC1-5VDC三.信号制信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。气动信号的下限值和上限值下限上限20kPa(0.2kgf/c㎡)

100kPa(1kgf/c㎡)（2）电动仪表的信号标准

（1）气动仪表的信号标准（1）现场与控制室之间采用直流电流信号采用直流电流信号具有以下优点。①

直流信号比交流信号干扰少;②

直流信号对负载的要求简单;③

电流比电压更利于远传信息。（2）控制室内部仪表之间采用直流电压信号它可以采用并联连接方式，使同一个电压信号为多个仪表所接收。而且任何一个仪表拆离信号回路都不会影响其他仪表的运行。（3）控制系统仪表之间典型连接方式综上所述，电流传送适合于远距离对单个仪表传送信息，电压传送适合于把同一信息传送到并联的多个仪表，两者结合，取长补短。控制系统仪表之间典型连接方式如右图所示：(3)电动仪表信号标准的使用通常，变送器安装在现场，它的气源或电源从控制室送来，而输出信号传送到控制室。气动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号。电动模拟式变送器采用二线制或四线制传送电源或输出信号。变送器信号传输方式变送器电源装置接收仪表现场控制室二线制传输变送器与控制室中的仪表之间只有两根传输导线，既是电源线，又是信号线。要采用这种传输方式，电流信号的下限不能为零，否则在电流下限时，变送器无法正常工作。DDZ-III仪表的变送器可以用二线制传输，而DDZ-II仪表则不能。UII0作业：二线制仪表的连接变送器电源装置接收仪表现场控制室四线制传输供电电源和输出信号各用两根导线传输这种方式由于电源与信号分别传送，因此对电流信号的零点及元器件的功耗无严格要求DDZ-II仪表只能采用该种传输方式I0检测变送单元实际上包括两部分内容，首先是将被控参数检测出来，然后变送器将其变换成统一标准信号。利用单元组合仪表能组成各种难易程度的过程控制系统，在过程控制系统中应用极为广泛。单元组合仪表有气动单元组合(QDZ型)仪表和电动单元组合(DDZ型)仪表两大系列。QDZ主要用于特殊场合，其普及范围比DDZ小，几乎被DDZ-Ⅲ型仪表替代。DDZ系列仪表又分DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型，Ⅱ型性能比Ⅲ型差很多，已停产。DDZ-Ⅲ型性能优越，又能用于易燃易爆场所，应用相当广泛。系列DDZ-ⅡDDZ-Ⅲ信号、传输方式、供电信号DC0～10mADC4～20mA、DC1～5V传输方式串联制(电流传送电流接收)并联制(电流传送电压接收)现场变送器连接方式四线制二线制供电AC220V单独供电DC24V集中供电并有断电备用电源防爆型式和电气元件开关

防爆型式防爆型安全火花型安全栅无有电气元件分立元件集成组件结构、线路设计和功能差压变送器双杠杆机构①矢量机构温度变送器无线性化电路有线性化电路调节器偏差指示硬手动手动－自动切换需先平衡无保持电路功能一般全刻度指示和偏差指示硬手动和软手动软手动－自动切换可直接切换有保持电路功能多样系统构成一般灵活多样与计算机联用兼容性差兼容性好表3-1DDZ-Ⅱ型与DDZ-Ⅲ型仪表的性能比较3.1概述本章主要介绍DDZ-Ⅲ型变送器及各种微型化、智能化变送器的原理及主要工作特性。从使用的角度来说，变送器量程调整、零点调整和零点迁移的概念是很重要的。变送器在使用之前，须进行量程调整和零点调整。（一）量程调整（满度调整）

量程调整的目的：是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应。下图为变送器量程调整前后的输入输出特性。（二）零点调整和零点迁移目的：是使变送器的输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应。

Xmin=0时称零点调整，xmin≠0时成为零点迁移。零点调整目的：使变送器的测量起点为零零点迁移目的：是把测量的起始点由零迁移到某一数值（正值或负值）。测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移。下图为变送器零点迁移前后的输入输出特性。由该图可见，量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数，相当于改变变送器的灵敏度。

yx0量程调整前后

进行零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的灵敏度。

各种变送器对其零点迁移的范围都有明确规定。

零点调整和零点迁移的方法，对于模拟式变送器，是通过改变加在放大器输入端上的调零信号Z0的大小来实现。x0(a)未迁移yx0(b)正迁移y变送器零点迁移前后的输入输出特性x0(c)负迁移y由上图可以看出，零点迁移以后，变送器的输入输出特性沿x坐标向右或向左平移了一段距离，其斜率并没有改变，即变送器的量程不变。总结.仪表的零点调整与迁移扩大了仪表的使用范围，增加了仪表通用性和灵活性。.各种变送器根据自身的构造对其零点迁移的范围都有明确的规定，在使用说明书上有详细注明其调节方法，调整都不是任意的，而且也是反复进行的。(2)先进行量程调整（0-0.6MPa）2，再进行零点迁移（1-1.6）3

斜率改变，灵敏度提高！

例：某变送器的量程为0—1MPa，输出信号为4-20mA。欲把该变送器用于测量1—1.6MPa的信号，试问：该变送器应作何调整？量程够用，直接零点迁移2，

再调整量程3x（MPa）0（2）y（mA）4201.010（1）y（mA）4201.01x（MPa）2.0220.631.61.633.2差压（压力）变送器差压（压力）变送器作为过程控制系统的检测变送部分，将液体、气体或蒸汽的差压（压力）、流量、液位等工艺参数，转换成统一标准信号，作为显示记录仪、运算器和调节器的输入信号，以实现生产过程的连续的检测和自动控制。3.2.1DDZ-Ⅲ差压变送器图3-3DDZ-Ⅲ型差压（压力）变送器工作原理示意图1-高压室

2-低压室

3-膜片或膜盒

4-密封膜片

5-主杠杆

6-过载保护簧片

7-静压调整螺钉

8-矢量机构

9-零点迁移弹簧

10-平衡锤

11-量程调整螺钉12-检测片

13-差动变压器

14-副杠杆

15-放大器

16-反馈线圈

17-永久磁钢

18-调零弹簧3.2.1DDZ-Ⅲ差压变送器图3-4杠杆、矢量机构受力图差动变压器副杠杆的位移检测片的微小位移，利用低频位移检测放大器检测，并转换成DC4～20mA输出。低频位移检测放大器的组成框图见图3-5。图3-5位移检测放大器组成框图3.2.1DDZ-Ⅲ差压变送器图3-6Ⅲ型变送器二线制示意图其次是尽可能少用L、C储能元件，如确实需要采用储能元件，断电时给储能元件一个放电的通路，并限制储能元件两端的电压；第三，采取限压限流措施，以限制打火能量，以免超过安全火花的能量。因此，DDZ-Ⅲ变送器与安全栅配合，可用于任何易燃易爆场所，扩大了变送器的适用范围。二线制系统见图3-6。安全火花防爆也是DDZ-Ⅲ变送器的主要特点之一。实现安全火花性能主要是采取了如下措施，首先是采用低压24V直流集中供电，限制了打火能量；3.2.2差动电容差压变送器图3-7差动电容结构示意图图3-7示出了差动电容差压变送器差动电容结构示意图。基于力矩平衡原理的差压（压力）变送器，由于有力矩传动机构，其体积和重量均较大，且零点和量程调整相互干扰。而基于差动电容式差压（压力）变送器，由于没有机械传动机构，仅由差动电容和电子放大电路两部分组成，因此其体积小，重量轻，零点和量程调整互不干扰，其性能较为优越，应用广泛。动极板处于中间位置若若取差动电容的电容之比3.2.2差动电容差压变送器图3-8转换电路原理框图差动电容差压变送器的转换放大电路的作用就是将电容比提取出来，并转变成DC4～20mA输出。1151型电容式差压变送器是该类变送器的典型产品，转换电路的方框图见图3-8。3.2.3微型化压力变送器

1．扩散硅差压变送器

硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时，其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化。用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯凳电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一切硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。给传感器匹配一放大电路及相关部件，使之输出一个标准信号，就组成了一台完整的压力变送器。微型化变送器多采用刻蚀工艺、扩散硅技术或机械微加工技术，在一片硅片上制作检测元件和信号调理电路而成。3.2.3微型化压力变送器

图3-9扩散硅压力变送器结构图1．扩散硅差压变送器

检测元件由两片研磨后胶合成的硅片组成。在硅杯4上制作压阻元件，用金属丝5将压阻元件引接到印制电路板上，再穿过玻璃密封引出6。硅杯两面浸在硅油3中，硅油与被测介质之间有金属隔离膜片2分开。被测差压引入测量元件后，通过金属膜片和硅油传递到硅杯上，压阻元件的电压值发生变化。图3-10扩散硅压力变送器电原理图RA、RB、RC、RD利用压阻效应制成的压敏应变电阻。被测压力作用于测量室内，使金属膜片产生弹性变形，其变形通过硅油传递到应变电阻上。适当调整应变电阻的位置，可使得差压增加时，RA和RD的阻值增加，而RB和RC阻值减小。将RA、RB、RC、RD接成桥路，转换成桥路的不平衡电压输出，然后经运放进行电压放大、调制和转换成与差压成正比的DC4~20mA信号。RE和RF为精密零点调整电阻3.2.3微型化压力变送器

图3-13数字式变送器结构框图3．数字式变送器图3-14变送器内部组成原理框图3.3温度变送器温度、温标及换算关系接触式、非接触式测温热电偶及其冷端补偿热电阻RTD半导体温度检测AD590接触测温元件的安装原则测温元件的选型原则

温标及换算关系

温度：表征物体冷热程度的一个物理量。温标：将温度数值化的一套规则和方法，温标有起点、单位和方向。 温标有华氏、摄氏及开氏温标（热力学温标）。华氏与摄氏温标换算公式开氏与摄氏温标换算公式

接触式测温

优点：接触测量，简单、可靠、精度高；局限性:(1)测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；(2)因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。非接触式测温

优点：（1）通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场，误差小，反应速度快；（2）测温上限原则上不受限制；局限性：易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响。热电偶的基本原理热电效应两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。

测温时：

T0端恒温——参考端、冷端

T端测温——工作端、热端热电偶原理图TT0AB冷端热端（1）温差电势

汤姆逊效应

同一金属两端温度不同时，高温区电子向低温区漂移，低温区积累负电荷，高温区积累正电荷，当电场达到一定度时,自由电子停止漂移，两端积累稳定的电荷，高温端成为电源正极，低温端成为电源负极。σA、σB材料的汤姆逊系数与导体性质有关；表示温度差为1℃时产生的温差电动势。总温差电势eA(T,To)ToTBAT0T（2）接触电势珀尔帖效应

两种不同的金属相互接触，由于金属内自由电子浓度不同，自由电子发生扩散,在分界面上积累电荷，当电场达到一定强度时,扩散停止积累稳定的电荷。电荷密度大的材料成为电源正极;电荷密度小的材料成为电源负极;接触电势原理图+ABTeAB(T)-BAT0TnA、nB材料的电子密度e电子的电荷量：1.6×10-19Ck玻尔兹曼常数1.38×10-23J/KT、T0两节点处的温度总接触电势热电偶的总电动势＝总接触电势＋总温差电势热电势与节点温度、材料电子浓度、汤姆逊系数有关热电偶特点

热电动势与温度在小范围内基本上呈单值、线性关系；稳定性和复现性较好；响应时间较快；测温范围宽，高温热电偶测温上限可达2800℃，低温热电偶可达1K；测温精度高；使用范围广。工业常用热电偶

标准型热电偶：按国家规定定型生产、有标准化分度表的热电偶。主要有： 铂铑30-铂铑6热电偶（也称双铂铑热电偶，分度号B）； 铂铑10-铂电偶（分度号S）； 镍铬-镍硅（镍铬-镍铝，分度号K）热电偶； 镍铬-康铜（镍铬-铜镍，分度号E）热电偶。铠装热电偶

将热电极、绝缘材料和金属保护套管加工成一个坚实的整体，经复合拉伸后形成的热电偶；细：一般直径为1～8mm；长：长度一般为1～20m；具有体积小、精度高、动态响应快、可靠性高、可挠性好、通常不用补偿导线等特点，特别适合于温度控制系统。热电偶冷端温度补偿

由热电偶测温原理可知，热电偶的输出电动势是热电偶两端温度t和t0差值的函数，当冷端温度t0不变时，热电动势与工作端温度t成单值函数关系。各种热电偶温度与热电动势关系的分度表都是在冷端温度为零时作出的，因此，用热电偶测温时，若要直接应用热电偶的分度表，就必须满足t0=0℃的条件。这样，t0不但不是0℃，而且也不恒定，因此将引入误差。能够消除或补偿这个误差的方法，常用的有以下几种：

零度恒温法、热电势修正法、温度系数法、冷端补偿器法、Pn结补偿法、冷端延长线法。（1）零度恒温法

冷端恒温法是将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0℃不变。此方法也称冰浴法，它消除了不等于0℃而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室或研究室中。mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线冰点槽冰水溶液T00℃（2）热电势修正法

若冷端温度恒定，但并非0℃，要使测出的热电动势只反映热端的实际温度，则必须对温度进行修正。修正公式如下：热电偶工作温度(T,Tn);输出热电势EAB(T,Tn);EAB(Tn,0)由Tn和分度号查分度表确定；EAB(T,0)反查分度表得到温度T。（3）温度系数法根据仪器温度示值T’和冷端温度T0直接给出实际温度值；k为修正系数，与测温范围和热电偶类型有关（4）冷端补偿器法（电桥补偿法）全臂电桥R1,R2,R3---固定电阻R4---热敏电阻R---限流电阻E---电桥电源冷端0℃(平衡点温度)时，使电桥平衡，电桥

输出Uab=0；补偿电桥对热电偶回路热电势无影响；冷端温度增为T0时，热电势输出E(T,T0)，减小E(T0,0)；R4因温度变化不平衡输出增加Uab；电桥输出U0选取R4，使Uab＝E(T0,0)，则：输出不受冷端温度影响。冷端温度↑热电偶输出热电势E(T,T0)↓R4↑→失衡→Uab↑若E(T,T0)↓=Uab↑→输出不变（5）冷端延长线法

利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)。

根据中间温度定律，只要热电偶的两个热电极分别与两补偿导线的接点温度一致，就不会影响热电动势的输出。热电阻

在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高。 利用金属导体随温度变化的阻值来进行测温，与热电阻匹配的温度显示二次仪表原理一般为电桥。热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-200～850℃范围内使用。接收由变送器、转换器、传感器(包括热电偶、热电阻)等送来的电或气信号，并指示所检测的过程工艺参数量值的仪表。热电阻的材料要求一般要求工业热电阻的材料应具有：电阻温度系数α大；电阻率大；热容量小；在测温范围内具有稳定的物理和化学性能；良好的复制性；电阻随温度的变化呈线性关系等。常用热电阻材料 目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍；我国镍储量较少，故只采用铂、铜两种金属热电阻。

接触测温元件的安装原则

测量流动介质（管道内）温度时，应保证传感器与介质充分接触，与被测介质成逆流状态（至少呈正交式）安装。

感温点应处于管道中流速最大的地方。

尽可能增大传感器的插入深度，温度计应斜插或在管道弯头处插入。

当测温管道过细（直径小于80㎜）时，安装测温元件需加装扩充管。

接触测温元件的安装原则热电偶及热电阻在安装时，应使其接线盒的面盖向下，以免雨水或其他污物渗漏。

安装在负压管道上的温度计，必须要保证良好的密封性，以防外界冷空气进入。

用热电偶测量炉膛温度时，应避免与火焰直接接触；避免把热电偶安装在炉门旁或与热物体距离过近之处。接线盒不应碰到被测介质的器壁，以免热电偶冷端温度过高。

测温元件的选型原则

仪表的精度等级应根据生产工艺对参数允许偏差的大小确定。

仪表选型应力求操作方便、运行可靠、经济、合理等。在同一工程中，应尽量减小仪表的品种和规格。

一般取实测最高温度为仪表上限值的90%，而30%以下的刻度原则上最好不用。测温元件的选型原则热电偶测温反应速度快、适于远距离传送、便于与计算机联用、价廉，故只在测量范围低于150℃时才选用热电阻。热电偶、补偿导线及显示仪表的分度号要一致。

保护套管的耐压等级应不低于所在管线或设备的耐压等级。材料应根据最高使用温度及被测介质的特性来选择。

例题用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷端温度为60℃。试问：实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20℃，此时显示仪表的指示值应为多少？

例题显示仪表指示值为500时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20.64mV，由于这个电势是由热电偶产生的，即

同样，查表可得：

=20.64+2.463=23.076mV由23.076mV查表可得：t=557℃。即实际温度为557℃。

例题当热端为557℃，冷端为20℃时，由于E（20，0）=0.798mV,故有：

E(t,t0)=E(t,0)-E(t0,0)

=23.076-0.798=22.278mV

由此电势，查表可得显示仪表指示值应为538.4℃。

3.2温度变送器温度变送器将温度、温差以及与温度有关的工艺参数和直流毫伏信号变换成DC4～20mA或DC1～5V的统一标准信号。3.2.1DDZ-Ⅲ温度变送器DDZ-Ⅲ温度变送器主要将温度、温差、压力以及与温度有关的工艺参数变换成DC4～20mA或DC1~5V的统一标准信号。具有如下主要特点：采用低漂移、高增益的运放作为主要放大器，线路简单，具有良好的可靠性、稳定性；在配热电偶和热电阻的变送器中采用线性化电路，使输出电流I0与被测温度呈线性关系，测量精度高；线路中采用安全火花防爆技术措施，可用于易燃易爆场合；采用24V集中供电，实现二线制接线方式。图3-17Ⅲ型温度变送器原理框图表示供电回路表示信号回路3.3温度变送器DDZ-Ⅲ变送器有三种品种：1）直流毫伏变送器其输入信号是直流毫伏信号。2）热电偶温度变送器。3）热电阻温度变送器。3.3.1DDZ-Ⅲ温度变送器三种变送器在线路结构上都由量程单元和放大单元两部分组成。其中放大单元是通用的，而量程单元则随品种、测量范围的不同而异。冷端补偿零点调整稳压源DC/AC/DC24VDC前置运放功率放大输出回路反馈量程单元放大单元（a）DDZ－Ⅲ型温度变送器构成方框图直流毫伏变送器零点调整稳压源放大单元非线性校正热电偶（b）热电偶温度变送器量程单元零点调整稳压源放大单元线性化器热电阻量程单元反馈（c）热电阻温度变送器3.3温度变送器3.3.1.1直流毫伏变送器的量程单元直流毫伏变送器的量程单元由信号输入电路，零点调整桥路和反馈电路等部分组成。3.3.1DDZ-Ⅲ温度变送器图3-18直流毫伏变送器量程单元放大单元的反馈隔离部分限流限压滤波，滤去交流分量恒流源式中，为变送器的调零信号，α>γ时，得正向调零信号，实现负迁移，α<γ时，实现正迁移。更换Ri3可大幅度改变零点迁移量。调整RPi可小范围调零。5β为输入输出的比例系数，调整RPf微调量程，改变Rf2可大范围调整量程。由于Vo=1~5V,β越大，Vi越小。即量程范围越小。改变比例系数β，调整了量程，也影响了零点，调整时，需反复调整才能满足精度要求。3.3温度变送器3.3.1.2

热电偶温度变送器的量程单元3.3.1DDZ-Ⅲ温度变送器图3-19热电偶温度变送器量程单元原理图热电偶冷端温度自动补偿3.3温度变送器3.3.1.2

热电偶温度变送器的量程单元3.3.1DDZ-Ⅲ温度变送器图3-20折线逼近法线性化原理a)折线逼近原理b)电路原理图线性化原理3.3温度变送器3.3.1.3热电阻温度变送器的量程单元3.3.1DDZ-Ⅲ温度变送器图3-21热电阻温度变送器量程单元原理图3.3温度变送器3.3.1.3热电阻温度变送器的量程单元3.3.1DDZ-Ⅲ温度变送器图3-22热电阻的特性及其线性化曲线a)热电阻的特性b)线性化曲线3.3温度变送器3.3.1.4温度变送器的放大单元3.3.1DDZ-Ⅲ温度变送器图3-23电压放大器图3-24功率放大器调制式放大器3.3温度变送器3.3.1.4温度变送器的放大单元3.3.1DDZ-Ⅲ温度变送器图3-25隔离输出与隔离反馈电路3.3温度变送器1.AD590构成的温度变送器

3.3.2微型化温度变送器

图3-26微型温度变送器原理图a)温度检测元件b)变送器原理电路3.3温度变送器2.TMP17构成温度变送器

3.3.2微型化温度变送器

图3-27TMP17构成微型温度变送器a)TMP17引脚功能b)原理电路3.3温度变送器3.TMP35系列构成微型温度变送器

3.3.2微型化温度变送器

图3-28TMP35构成微型温度变送器a)TO-92封装b)原理电路3.3温度变送器3.TMP35系列构成微型温度变送器

3.3.2微型化温度变送器

图3-29频率输出型微型温度变送器3.3温度变送器4．TMP01系列构成温度变送器3.3.2微型化温度变送器

图3-30TMP01构成温度变送器a)引脚功能b)原理电路3.4流量检测与变送3.4.1概述流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量，也就是所谓的瞬时流量；在某一段时间内流过流体的总和，称为流体总量或累积流量。

体积流量以体积表示的瞬时流量用qv表示，单位为m3/s以体积表示的累积流量用Qv表示，单位为m3质量流量以质量表示的瞬时流量用qm表示，单位为kg/s以质量表示的累积流量用Qm表示，单位为kg标态下的体积流量由于气体是可压缩的，流体的体积会受工况的影响，为了便于比较，工程上通常把工作状态下测得的体积流量换算成标准状态（温度为20℃，压力为一个标准大气压）下的体积流量。标准状态下的体积流量用qvn表示，单位为Nm3/s。

3.4流量检测与变送3.4.1概述表3-2流量仪表的分类类别仪表名称体积流量计容积式流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等差压式流量计节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计等速度式流量计涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等质量流量计推导式质量流量计体积流量经密度补偿或温度、压力补偿求得质量流量等直接式质量流量计科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计等流量测量仪表也称为流量计。它通常由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表亦称为传感器，二次仪表称为显示装置或变送器。流量测量仪表的种类繁多，各适用于不同场合，其分类见表3-2。3.4流量检测与变送3.4.2差压式流量计

图3-31节流式流量计的组成差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生差压，此差压与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量差压值便可求得流体流量，并转换成电信号输出，因此，差压式流量计由产生差压的装置和差压计两部分组成，其结构简单，可靠。见图3-31。

3.4.2节流式流量计 节流式流量计也称为差压式流量计，它是目前工业生产过程中流量测量最成熟、最常用的方法之一。 如果在管道中安置一个固定的阻力件，它的中间开一个比管道截面小的孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差。 压差的大小与流体流速的大小有关，流速愈大，差压也愈大，因此只要测出差压就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。

把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程，其中的阻力件称为节流元件或节流装置。作为流量检测用的节流元件有标准的和特殊的两种。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。对于标准化的节流件，在设计计算时都有统一标准的规定、要求和计算所需的有关数据及程序，可直接按照标准制造；安装和使用时不必进行标定。特殊节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测，它必须用实验方法单独标定。相比而言，标准孔板制作最简单，使用也最广泛，以下只介绍标准孔板。(a)标准孔板(b)喷嘴(c)文丘里管123——节流原理

流动流体的能量有两种形式：静压能和动能。流体由于有压力而具有静压能，又由于有流动速度而具有动能，这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的。

流速静压——流量方程

123流速静压根据流体力学中的伯努利方程，可以推导得出节流式流量计的流量方程，也就是差压和流量之间的定量关系式：α为流量系数ε为可膨胀性系数A0为节流件的开孔面积ρ为节流装置前的流体密度ΔP节流装置前后实际测得的压差

α主要与节流装置的型式、取压方式、流体的流动状态（如雷诺数）和管道条件等因素有关。因此，是一个影响因素复杂的综合性参数，也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在，雷诺数大于某一数值（界限雷诺数）时，α值可认为是一常数。对于标准节流装置，可以从有关手册中查出；对于非标准节流装置，其值要由实验方法确定。ε可膨胀性系数用来校正流体的可压缩性，它与节流件前后压力的相对变化量、流体的熵指数等因素有关，其取值范围小于等于1。对于不可压缩性流体，ε＝1；对于可压缩性流体，则ε＜1。应用时可以查阅有关手册而得——标准节流件(孔板)

节流装置包括节流件、取压装置和符合要求的前后直管段标准节流装置是指节流件、取压装置都标准化，前后直管段符合规定要求，可以直接投入使用

标准孔板，要求：

d/D应在0.2～0.75之间

d不小于12.5mm

直孔厚度h应在0.005D到0.02D之间孔板的总厚度H应在h和0.05D之间圆锥面的斜角α应在30～45°之间

…………

标准喷嘴和标准文丘里管的结构参数的规定也可以查阅相关的设计手册。有手册可查，不要求记——标准取压方式

国家规定标准的取压方式有角接取压、法兰取压和D－D/2取压。角接取压环隙取压单独钻孔取压夹持环流体角接取压的两个取压口分别位于孔板上下端面与管壁的夹角处取压口可以是环隙取压口和单独钻孔取压口环隙取压利用左右对称的两个环室把孔板夹在中间，通常要求环隙在整个圆周上穿通管道，或者每个夹持环应至少有四个开孔与管道内部连通，每个开孔的中心线彼此互成等角度，再利用导压管把孔板上下游的压力分别引出当采用单独钻孔取压时，取压口的轴线应尽可能以90°与管道轴线相交环隙宽度和单独钻孔取压口的直径a通常在4～10mm之间显然，环隙取压由于环室的均压作用，便于测出孔板两端的平稳差压，能得到较好的测量精度，但是夹持环的加工制造和安装要求严格。当管径D＞500mm时，一般采用单独钻孔取压。法兰取压和D－D/2取压法兰取压装置是由一对带有取压口的法兰组成取压口轴线距离孔板上、下端面均为25.4mm（1英寸）l1l2法兰取压D－D/2取压装置是设有取压口的管段，上、下游取压口轴线与孔板上游端面的距离分为D和D/2（D为管道的直径）l1(D)l2(D/2)D－D/2取压——节流式流量计的安装

原理总结：节流装置引压管差压变送器显示仪表/控制器在各种标准的节流装置中以标准孔板的应用最为广泛，它具有结构简单、安装使用方便的特点，适用于大流量的测量。孔板的最大缺点是流体流经节流件后压力损失较大，当工艺管路不允许有较大的压力损失时，一般不宜选用孔板流量计。标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较小，但结构比较复杂，不易加工。虽然节流式流量计的应用非常广泛，但是如果使用不当往往会出现很大的测量误差，有时甚至高达10～20％。下面列举一些造成测量误差的原因，以便在安装使用过程中得到充分的注意，并予以适当的解决。《差压变送器的安装如前所述》流体在管道中正常流动（v、p）节流件使流体收束，流速增大，压力降低节流件前后出现“压差”“压差”与流量有关再采用差压变送器，将差压信号转换为统一的标准信号，便于显示及控制——节流式流量计的使用特点和要求标准孔板应用广泛，它具有结构简单、安装方便的特点，适用于大流量的测量。孔板测量的压损大，当不允许有较大的管道压损时，便不宜采用。在一般场合下，仍采用孔板为多。标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小，但结构比较复杂，不易加工。标准节流装置仅适用于测量管道直径大于50mm，雷诺数在104～105以上的流体；流体应当清洁，充满全部管道，不发生相变；为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段（与管径、节流件的开孔面积以及管路上的弯头数都有关系）节流装置经过长时间的使用，会因物理磨损或者化学腐蚀，造成几何形状和尺寸的变化，从而引起测量误差，因此需要及时检查和维修，必要时更换新的节流装置——节流式流量计误差产生的原因实际工况与设计要求不符，如：温度、压力、湿度以及相应的流体重度、粘度、雷诺数等参数数值发生变化，则会造成较大的误差。为了消除这种误差，必须按新工艺重新设计计算，或加以必要的修正。节流装置安装不正确节流装置安装不正确，在安装时，特别要注意节流装置的安装方向。在使用中，要保持节流装置的清洁。如在节流装置处防止有沉淀、结焦、堵塞等现象。节流装置的磨损，应注意日常检查、维修，必要时应换用新的孔板。导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏现象，——节流式流量计误差产生的原因孔板本身原因：直角边缘不锐利

测量值偏小

d太大

测量值偏小

h太大

测量值偏大

安装不好，孔板弯曲

可大可小

3.4流量检测与变送3.4.3靶式流量计

图3-35靶式流量计结构原理在管道中垂直于流动方向安装一圆盘形阻挡件，称之为“靶”。(标号4)流体流经靶时，由于受阻将对靶产生作用力F，F与流体流动速度的关系为式中，K为阻力系数；为垂直于流速的靶面积；r为流体重度；v为通过环形面积的流速；g为重力加速度。

3.4.4转子流量计在工业生产中经常遇到小流量的测量，因其流体的流速低，这就要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。h孔板流量计：节流面积不变流量变化压差发生变化转子流量计：压差不变流量变化节流面积发生变化转子流量计主要由两个部分组成：一是由下往上逐渐扩大的锥形管（通常用透明玻璃制成）二是放在锥形管内可自由运动的转子。被测流体由锥形管下端进入，流经转子与锥形管之间的环隙，再从上端流出。当流体流过的时候，位于锥形管中的转子受到向上的一个力，使其浮起。当这个力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力，此时转子就停浮在一定的高度上。若流体流量突然由小变大时，作用在转子上的向上的力就加大，转子上升，环隙增大，即流通面积增大。随着环隙的增大，使流体流速变慢，流体作用在转子上的向上力也就变小。这样，转子在一个新的高度上重新平衡。这样，转子在锥形管中平衡位置的高低h与被测介质的流量大小相对应。——流量方程转子的平衡关系：V为转子的体积；ρt和ρf分别为转子和流体的密度；g为重力加速度；ΔP为转子前后的压差；A为转子的最大截面积转子和锥形管间的环隙面积相当于节流式流量计的节流孔面积，但它是变化的，并与转子高度h成近似的线性关系，因此，转子流量计的流量公式可以表示为：

式中：φ为仪表常数；h为转子浮起的高度。流量与转子高度h成线性关系式中的其它参数为常数转子流量计的锥形管一般采用透明材料制成，在锥形管上刻有流量读数，用户只要根据转子高度来读取读数。转子流量计一般只适用于就地指示。对配有电远传装置的转子流量计，也可以把反应流量大小的转子高度h转换为电信号，传送到其它仪表进行显示、记录或控制。——流量修正由于转子流量计在生产的时候，是在工业基准状态（20℃，9.8X104pa）下用水或空气进行刻度的。如果工作状态不同，必须对流量指示值按照实际被测介质的密度、温度、压力等参数的具体情况进行修正。液体流量测量时的修正如果某转子流量计的转子高度为h，如果介质为20的℃水，则流量qv0与h的关系满足：式中：qv0为用水标定时的流量刻度

ρw为水的密度如果介质不是20的℃水，则流量qvf与h的关系满足：qvf和ρf分别为被测介质的实际流量和密度如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大，可以近似认为φ是常数，则有刻度流量实际流量修正系数例现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量，已知转子的材料为不锈钢（密度7.9g/cm3），苯的密度为0.83g/cm3

，请问流量计读数为3.6L/s时，苯的实际流量是多少？解：修正公式因此质量流量的修正公式气体流量测量时的修正假设实际被测气体的密度为ρf，因此被测流体流量Qf与指示值Q0的关系是：量程修改采用不同材料的同形转子。增加密度扩大量程，相反缩小量程。——转子流量计的特点①转子流量计主要适合于检测中小管径、较低雷诺数的中小流量，配管直径一般小于50mm；②流量计结构简单，使用方便，工作可靠，仪表前直管段长度要求不高；③流量计的基本误差约为仪表量程的土2％，量程比可达10：1④流量计的测量精度易受被测介质密度、粘度、温度、压力、纯净度、安装质量等的影响。3.4.5容积式流量计——直接测量基本工作原理“一碗一碗”计量V转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。在V一定的情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量流量方程特点和要求计量精度高，一般可达0.2～0.5级，有的甚至能达到0.1级安装直管段对计量精度影响不大，量程比一般为10:1一般只适用于10～150mm的中小口径。容积式流量计对被测流体的粘度变化不敏感，特别适合于测量高粘度的流体（例如重油、树脂等）甚至糊状物的流量，但要求被测介质干净，不含固体颗粒，所以一般情况下，流量计前要装过滤器。由于受零件变形的影响，容积式流量计一般不宜在高温或低温下使用。3.4.6涡轮流量计基本工作原理流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲流量方程ωqv特点和要求流量与涡轮转速之间成线性关系，量程比一般为1O：1；涡轮流量计的测量精度较高，可达到0.5级以上；反应迅速，可测脉动流量；主要用于中小口径的流量检测；仅适用洁净的被测介质，通常在涡轮前要安装过滤装置；流量计水平安装，前后需一定长度的直管段，一般上游侧和下游侧的直管段长度要求在10D和5D以上；常温下用水标定，当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿3.4.7涡街流量计基本工作原理把一个漩涡发生体（非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡，形成涡列，该漩涡列就称为卡门涡街。当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足为h／l＝0.281条件时，卡门涡列才是稳定的。且单列漩涡产生的频率f与流体流速v成正比，与柱体的特征尺寸d（漩涡发生体的迎面最大宽度）成反比，即：

流量方程St称为斯特劳哈尔数，St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数有关。在雷诺数为5000～150000的范围内，St基本上为一常数。

当漩涡发生体的形状和尺寸确定后，通过测量漩涡产生的频率f，便能确定流体的体积流量Q:Q=f/KK为仪表系数，一般通过实验确定。频率f的检测方式有一体式和分体式两种。利用漩涡产生时引起的波动进行测量。一体式将检测元件放在漩涡发生体内，如热丝式、膜片式和热敏电阻式等分体式将检测元件安装在漩涡发生体的下游，如压电式和超生式等。可用于测量气体、液体和蒸汽的流量。特点和要求涡街流量计输出信号（频率）不受流体物性和组分变化的影响，在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定；管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小；测量精度高（约为士0.5％～1％），量程比30:1；尤其适用于大口径管道的流量测量。但是流量计安装时要求有足够的直管段长度，上游和下游的直管段分别要求不少于15D和5D，漩涡发生体的轴线应与管路轴线垂直。

3.4.8电磁流量计基本工作原理导体切割磁力线，会产生电动势适用场合可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量，但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。流量公式当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁力线时，就会在管道两边的电极上产生感应电势，感应电势的大小与磁场的强度、流体的速度和流体垂直切割磁力线的有效长度成正比：式中：Ex为感应电势；K为比例系数；B为磁场强度；D为管道直径；v为垂直于磁力线的流体流动速度。在管道直径D已经确定，磁场强度B维持不变时，流体的体积流量与磁感应电势成线性关系。利用上述原理制成的流量检测仪表称为电磁流量计。——电磁流量计的特点测量导管内无可动或突出于管道内部的部件，因而压力损失极小；只要是导电的，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，也可以是酸、碱、盐等腐蚀性物质；流量计的输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响；电磁流量计的量程比一般为10:1，精度较高的量程比可达100:1；测量口径范围大，可以从lmm到2m以上，特别适用于lm以上口径的水流量测量；测量精度一般优于0.5级；电磁流量计反应迅速，可以测量脉动流量；主要缺点：被测流体必须是导电的，不能小于水的电导率不能测量气体、蒸汽和石油制品等的流量由于衬里材料的限制，一般使用温度为0～200℃；因电极嵌装在测量导管上的，使工作压力限制(一般≤0.25MPa）——电磁流量计的安装可以水平安装，也可以垂直安装，但要求液体充满管道；直管段要求：前10D，后5D以上；远离磁场；变送器前后管道有时带有较大的杂散电流，一般要把变送器前后1～1.5m处和变送器外壳连接在一起，共同接地。

3.5液位变送器液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器内的原料，半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料平衡，从而保证生产过程顺利进行。此外，通过液位测量可对生产过程中各环节所耗物料进行统计和经济核算。液位测量由于受到被测介质的物理性质，化学性质以及工作条件的影响，再加上以往未得到足够重视，因此，目前仍然是一个比较薄弱的环节。3.5液位变送器浮力式液位变送器是根据阿基米德原理工作的，即液体对一个物体浮力的大小，等于该物体所排出的液体的重量。浮力式液位变送器可分为恒浮力式和变浮力式两种。3.5.1浮力式液位变送器

1．恒浮力式液位变送器

图3-42恒浮力式液位计原理3.5液位变送器3.5.1浮力式液位变送器

2．变浮力式液位变送器

图3-43浮筒式液位计原理图3-43为浮筒式变浮力液位计原理图。圆柱形浮筒部分沉浸于液体中，当浮筒被液体浸没的高度变化时，其所受浮力F也变化，F的变化压缩弹簧，弹簧的弹性力与浮筒的重力相平衡时，浮筒便处于某一平衡位置，测量弹簧的压缩位移，并转换成统一标准信号，便可得知液位高度。浮筒GF弹F浮3.5.1浮力式液位计基本工作原理浮筒GF弹F浮浮筒弹簧磁钢室输出指示器主要由四个基本部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和输出指示器当浮筒沉浸在液体中时，浮筒将受到向下的重力G、向上的浮力F浮和弹簧弹力F­弹的复合作用弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移，再通过输出指示器内磁感应元件和传动装置或变换输出装置，使其指示出液位或输出与液位对应的电信号。

内置式外置式静井特点和要求浮筒式液位计通常有内置式和侧装外置式两种安装方式，测量原理完全相同，但外置式安装更适用于温度较高的场合。

3.5.2静压力式液位变送器静压力式液位变送器原理利用差压变送器将△p或压力变送器将pB转换成统一标准信号，便可得被测液位H。

为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及黏度大、易凝固等液体液位时引压管线被腐蚀、被堵塞的问题，应使用法兰式差压变送器，如下图所示。图3-46法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰；2—毛细管；3—差压计差压（压力）液位变送器

基本工作原理ΔP=ρgH零点迁移ΔP=ρ1gHΔP=ρ1gH-ρ2g（h2-h1）ΔP=ρ1gH+ρ1gh1零点迁移的目的：使H＝0时，变送器输出为Iomin（如4mA）无迁移

负迁移

迁移量：

-ρ2g（h2-h1）正迁移

迁移量：

ρ1gh1例已知ρ1=1200kg/m3，ρ2=950kg/m3，h1=1m，h2=5m，液位变化范围0—2.5米，求：变送器的量程和迁移量。解Hmaxρ1g=2.5*1200*9.8=29400Pa变送器量程可选为：40kPa当H=0时，-ρ2g（h2-h1）=-4*950*9.8=-37.24kPa变送器需要进行负迁移，迁移量为－37.24kPa

结论：差压式液位变送器，事实上就是一个差压变送器，无非液位变送器的输出与液位高度H成线性关系，因此，差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的。为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体液位时，引压管线容易出现被腐蚀、被堵塞的问题，应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器（压力信号的远传装置）。

3.5.2静压力式液位变送器—吹气式液位变送器

将一根吹气管插入至被测液体的最低液位（零液位）处。压缩空气或惰性气体经恒压阀和流量计吹入贮液罐内，当吹气管的下端有微量气泡溢出时，导管内的压力几乎与液封压力相等。即p=Hρg利用压力变送器测量压力，并转换成统一标准信号。图3-48吹气式液位测量原理安装于贮液罐顶部，适合于地下贮液罐、深井等场合的液位测量、变送。

静压力式液位变送器测量液位的精度取决于差压（压力）变送器的精度以及液体温度对其密度的影响。 除上述方法外，还有电容式、应变式、超声波式、激光式、放射式等，可参考相关文献。小结3.6成分分析仪表成分分析仪表作用：对物质的成分及性质进行分析和测量。在现代工业生产过程中，必须对生产过程中的原料、成品、半成品的化学成分、化学性质、粘度、浓度、密度、重度、以及PH值等进行自动测量和自动控制，以达到优质高产、降低能源消耗和产品成本，保证安全生产和防止环境污染的目的。分类：按使用场合来分，成分分析仪表又分为实验室分析仪表和过程分析仪表，自动分析仪表或在线分析仪表。要求现场安装、自动取样和预处理、自动分析、信号处理和信号远传，以及工作可靠、性能稳定和连续运行等。3.6成分分析仪表表3-3分析仪表的分类

类别品种热学式热导式分析仪表，热化学式分析仪表，差热式分析仪表磁力式热磁式分析仪表，磁力机械式分析仪表光学式光电比色分析仪表，红外吸收式分析仪表，紫外吸收式分析仪表，光干涉式分析仪表，光散射式分析仪表，光度式分析仪表，分光光度分析仪表，激光分析仪表，化学发光式分析仪表射线式X射线分析仪表，电子光学式分析仪表，核辐射式分析仪表，微波式分析仪表电化学式电导式分析仪表，电量式分析仪表，电位式分析仪表，电解式分析仪表，极谱仪，酸度计，离子浓度计色谱仪气相色谱仪，液相色谱仪质谱仪静态质谱仪，动态质谱仪，其他质谱仪波谱仪核磁共振波谱仪，电子顺磁共振波谱仪，λ共振波谱仪物性仪温度计，水分计，粘度计，密度计，浓度计，尘量计其他晶体振荡分析仪表，蒸馏及分离分析仪表，气敏式分析仪表，化学变色式分析仪表3.6成分分析仪表3.6.1红外气体分析仪

红外气体分析仪是利用不同的气体对不同波长的红外线辐射能具有选择性吸收的特性来进行气体浓度分析的。它具有量程范围宽、灵敏度高、反应迅速、选择性强的特点。红外线的波长范围为0.75~1000μm，红外气体分析仪中利用的波长范围为2~25μm，可以用恒定电流加热镍铬丝到某一适当的温度而产生某一特定波长范围的红外线。

气体特征吸收峰波长/µm气体特征吸收峰波长/µmCOCO2CH4NH3SO24.652.7，4.26，14.52.4，3.3，7.652.3，2.8，6.1，97.3H2SHClC2H4H2O7.63.43.4，5.3，7，10.5在2.6～10之间都有相当的吸收表3-4部分气体特征吸收峰波长

3.6成分分析仪表3.6.1红外气体分析仪

某一气体对一定波长的红外线辐射能的吸收遵循贝尔（Bell）定律；其中，I为透射光强度；I0为入射光强度；k为吸收系数；c为气体浓度；l为气体吸收层厚度。当l和I0一定时，I是c的单值函数，并且按指数规律变化。图3-49I与c的关系曲线

若气体吸收层的厚度l很薄和待测气体浓度c很低，即kcl<<1时，可近似认为此时，I与c具有线性关系。3.6成分分析仪表3.6.1红外气体分析仪

在红外气体分析仪中，为使I与c具有线性关系，应使c、l值较小，因此，应根据被测气体的浓度c选择测量室的厚度l，使l较小，或很据l选择较低浓度的待测气体。 也可在电子线路中进行线性化处理，保证I与c具有线性特性。1-光源2-反射镜3-分析室4-参比气室5-切光片6-同步电机7、8-干扰滤光室9-接收室10-电容接收器11-放大器12-记录仪表图3-50红外气体分析仪原理框图

结论：被测气体百分浓度越大，到达接收室的两束红外线的强度差值愈大，电容的变化量ΔC越大，放大器的输出电压或电流也越大。3.6成分分析仪表3.6.2气相色谱分析仪

气相色谱分析仪的测量原理：基于不同物质在固定相和流动相所构成的体系，即色谱柱中具有不同的分配系数而将被测样气各组成分离开来，然后用检测器将各组成气体的色谱峰转变成电信号，经电子放大器转换成电压或电流输出。色谱柱有两大类：一是填充色谱柱，其内填充一定的固体吸附剂颗粒（如氧化铝、硅胶、活性炭等）或液体（固定液）而构成；另一种是空心色谱柱或空心毛细管，将固定液附着在毛细管内管壁上而构成。被分析样气气体很小，不能自流动，须有一定压力的载气带入色谱柱，并定向流过色谱柱。载气：在固定相上的吸附或溶解能力远比样气中各组分弱得多，如N2，H2，He，Ar等由于样气中各组分在上的吸附或溶解能力不同，因此各组分在流动相固定相中的分配系数Ki也不同Cn为组分i在固定相中的浓度；Cm为组分i在流动相中的浓度。3.6成分分析仪表3.6.2气相色谱分析仪

分配系数的特点： 分配系数Ki大的组分不容易被流动相带走，在固定相中停留时间较长；而Ki小的组分较容易被流动相带走，在固定相中停留时间较短。样气在载气的带动下反复多次通过色谱柱，便能使样气中的不同组分得到完全分离。 换言之，分配系数Ki最小的组分首先离开色谱柱到达检测器，而分配系数Ki最大的组分最后离开色谱柱到达检测器。3.6成分分析仪表3.6.2气相色谱分析仪

图3-51样气在色谱柱中的分离过程

热导式检测器热导式检测器：电阻丝绕成四只阻值相同的微型电阻。参比室和测量室各放2只，并接成桥路。3.6成分分析仪表3.6.2