化工仪表及自动化第3章2

化工仪表及自动化第三章检测仪表与传感器

内容提要物位检测及仪表概述差压式液位变速器电容式物位传感器核辐射物位计称重式液罐计量仪温度检测及仪表温度检测方法热电偶温度计热电阻温度计电动温度变送器1内容提要一体化温度变送器智能式温度变送器测温元件的安装现代检测技术与传感器的发展软测量技术的发展现代传感器技术的发展显示仪表数字式显示仪表无笔、无纸记录仪虚拟显示仪表2第四节物位检测及仪表一、概论3几个概念液位料位液位计界位计测量物位的两个目的按其工作原理分为直读式物位仪表差压式物位仪表浮力式物位仪表电磁式物位仪表核辐射式物位仪表声波式物位仪表光学式物位仪表第四节物位检测及仪表二、差压式液位变送器41.工作原理图3-39差压液位变送器原理图图3-40压力表式液位计第四节物位检测及仪表将差压变送器的一端接液相，另一端接气相因此

当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号，也可以在容器底部安装压力表，如图3-40所示。5第四节物位检测及仪表62.零点迁移问题图3-41负迁移示意图在使用差压变送器测量液位时，一般来说实际应用中，正、负室压力p1、p2分别为则第四节物位检测及仪表迁移弹簧的作用

改变变送器的零点。迁移和调零

都是使变送器输出的起始值与被测量起始点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移量则比较大。迁移

同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改变量程的大小。7第四节物位检测及仪表图3-42正负迁移示意图图3-43正迁移示意图举例

某差压变送器的测量范围为0～5000Pa，当压差由0变化到5000Pa时，变送器的输出将由4mA变化到20mA，这是无迁移的情况，如左图中曲线a所示。负迁移如曲线b所示，正迁移如曲线c所示。

8第四节物位检测及仪表3.用法兰式差压变送器测量液位图3-44法兰式差压变送器测量液位示意图1—法兰式测量头；2—毛细管；3—变送器

单法兰式

双法兰式

法兰式差压变送器按其结构形式9

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，应使用在导压管入口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器，如下图所示。第四节物位检测及仪表三、电容式物位传感器1.测量原理图3-45电容器的组成1—内电极；2—外电极两圆筒间的电容量C当D和d一定时，电容量C的大小与极板的长度L和介质的介电常数ε的乘积成比例。10通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同液体的分界面。

第四节物位检测及仪表2.液位的检测3-46非导电介质的液位测量1—内电极；2—外电极；3—绝缘套；4—流通小孔当液位为零时，仪表调整零点，其零点的电容为

对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。当液位上升为H时，电容量变为电容量的变化为11第四节物位检测及仪表

电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被测介质的介电系数ε与空气介电系数ε0不等的原理进行工作，（ε-ε0）值越大，仪表越灵敏。电容器两极间的距离越小，仪表越灵敏。结论12第四节物位检测及仪表3.料位的检测

用电容法可以测量固体块状颗粒体及粉料的料位。由于固体间磨损较大，容易“滞留”，可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体料位。1—金属电极棒；2—容器壁左图所示为用金属电极棒插入容器来测量料位的示意图。

电容量变化与料位升降的关系为13图3-47料位检测第四节物位检测及仪表优点

电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。

缺点

需借助较复杂的电子线路。

应注意介质浓度、温度变化时，其介电系数也要发生变化这种情况。14第四节物位检测及仪表四、核辐射物位计射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱，具体关系见式（3-63）。（3-63）图3-48核辐射物位计示意图1—辐射源；2—接受器特点

适用于高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质的物位测量，还可以测量高温融熔金属的液位。可在高温、烟雾等环境下工作。但由于放射线对人体有害，使用范围受到一些限制。15第四节物位检测及仪表五、称重式液罐计量仪该计量仪既能将液位测得很准，又能反映出罐中真实的质量储量。称重仪根据天平原理设计。杠杆平衡时由于（3-64）代入（3-64）（3-65）如果液罐是均匀截面（3-66）（3-67）16第四节物位检测及仪表图3-49称重式液罐计量仪1—下波纹管；2—上波纹管；3—液相引压管；4—气相引压管；5—砝码；6—丝杠；7—可逆电机；8—编码盘；9—发讯器式中如果液罐的横截面积A为常数，得将式（3-67）代入式（3-65），得（3-68）17第五节温度检测及仪表一、温度检测方法

温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。分类按测量范围

按用途

高温计、温度计标准仪表、实用仪表

按工作原理

膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计

按测量方式

接触式与非接触式

18第五节温度检测及仪表测温方式温度计种类测温范围／℃优点缺点接触式测温仪表膨胀式玻璃液体-50～600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传双金属-80～600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体气体蒸汽-30～600-20～3500～250结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉精度低，测温距离短，滞后大热电偶铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-考铜0～1600-50～1000-50～600测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低热电阻铂铜-200～600-50～150测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测高温，需注意环境温度的影响非接触式测温仪表辐射式辐射式光学式比色式400～2000700～3200900～1700测温时，不破坏被测温度场低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度红外线光电探测热电探测0～3500200～2000测温范围大，适于测温度分布，不破坏被测温度场，响应快易受外界干扰，标定困难表3-7常用温度计的种类及优缺点19第五节温度检测及仪表1.膨胀式温度计图3-52双金属片

图3-53

双金属温度信号器201—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—信号灯膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。第五节温度检测及仪表212.压力式温度计

它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。图3-54压力式温度计结构原理图

1—传动机构；2—刻度盘；3—指针；4—弹簧管；5—连杆；6—接头；7—毛细管；8—温包；9—工作物质

应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。

第五节温度检测及仪表3.辐射式温度计辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。压力式温度计的构造由以下三部分组成

温包毛细管弹簧管（或盘簧管）

22第五节温度检测及仪表二、热电偶温度计23热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。图3-55热电偶温度计测温系统示意图1—热电偶；2—导线；3—测量仪表热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热电偶和测量仪表的导线。1.热电偶图3-56热电偶示意图第五节温度检测及仪表24（1）热电现象及测温原理

图3-57热电现象图3-58接触电势形成的过程图3-59热电偶原理及电路图左图闭合回路中总的热电势或第五节温度检测及仪表注意

如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。25第五节温度检测及仪表26（2）插入第三种导线的问题利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值，见下图。

图3-60热电偶测温系统连接图图（a）总的热电势（3-72）由于（3-75）（3-74）将式（3-73）、式（3-74）代入式（3-72）（3-73）第五节温度检测及仪表说明：在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。

故得（3-76）图（b）总的热电势27第五节温度检测及仪表28（3）常用热电偶的种类工业上对热电极材料的要求温度每增加１℃时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能成线性关系；物理稳定性要高；化学稳定性要高；材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。第五节温度检测及仪表29热电偶名称代号分度号热电极材料测温范围/℃新旧正热电极负热电极长期使用短期使用铂铑30-铂铑6铂铑10-铂镍铬-镍硅镍铬-铜镍铁-铜镍铜-铜镍WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK铂铑30合金铂铑10合金镍铬合金镍铬合金铁铜铂铑6合金纯铂镍硅合金铜镍合金铜镍合金铜镍合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350表3-4工业用热电偶第五节温度检测及仪表30（4）热电偶的结构①普通型热电偶图3-61热电偶的结构热电极绝缘管保护套管接线盒第五节温度检测及仪表材料工作温度/℃橡皮、绝缘漆珐琅玻璃管石英管瓷管纯氧化铝管80150500120014001700表3-8常用绝缘子材料表3-9常用保护套管材料工作温度/℃无缝钢管不锈钢管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上31第五节温度检测及仪表32②铠装热电偶

由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型，然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。优点反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕振、耐高压等。③表面型热电偶

专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶。优点反应速度极快、热惯性极小。

第五节温度检测及仪表④快速热电偶

测量高温熔融物体一种专用热电偶。

热电偶的结构形式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电偶选型时，要注意三个方面：热电极的材料；保护套管的结构，材料及耐压强度；保护套管的插入深度。33第五节温度检测及仪表34２补偿导线的选用图3-62补偿导线接线图

采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，这既能保证热电偶冷端温度保持不变，又经济。

它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。见左图。第五节温度检测及仪表在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配。热电偶名称补偿导线工作端为100℃，冷端为0℃时的标准热电势/mV正极负极材料颜色材料颜色铂铑10-铂镍铬-镍硅（镍铝）镍铬-铜镍铜-铜镍铜铜镍铬铜红红红红铜镍铜镍铜镍铜镍绿蓝棕白0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047表3-10常用热电偶的补偿导线35第五节温度检测及仪表３.冷端温度的补偿

在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为０℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。（1）冷端温度保持为０℃的方法图3-63

热电偶冷端温度保持０℃的方法（2）冷端温度修正方法

在实际生产中，冷端温度往往不是0℃，而是某一温度t1，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。36第五节温度检测及仪表举例某一设备的实际温度为t，其冷端温度为t1，这时测得的热电势为E（t，t1）。为求得实际t

的温度，可利用下式进行修正，即因为由此可知，冷端温度的修正方法是把测得的热电势E（t，t1），加上热端为室温t１，冷端为0℃时的热电偶的热电势E（t1，0），才能得到实际温度下的热电势E（t，0）。37第五节温度检测及仪表

用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临时测温，在连续测量中显然是不实用的。注意38第五节温度检测及仪表举例例6用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t1）＝66982μV，而自由端的温度t1＝30℃，求被测的实际温度。解

由附录三可以查得

则再查附录三可以查得68783μV对应的温度为900℃。39第五节温度检测及仪表

由于热电偶所产生的热电势与温度之间的关系都是非线性的（当然各种热电偶的非线性程度不同），因此在自由端的温度不为零时，将所测得热电势对应的温度值加上自由端的温度，并不等于实际的被测温度。譬如在上例中，测得的热电势为66982μV，由附录三可查得对应温度为876.6℃，如果再加上自由端温度30℃，则为906.6℃，这与实际被测温度有一定误差。其实际热电势与温度之间的非线性程度越严重，则误差就越大。40第五节温度检测及仪表（3）校正仪表零点法

若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上。注意：只能在测温要求不太高的场合下应用。（4）补偿电桥法

利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值。

41第五节温度检测及仪表

由于电桥是在20℃时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20℃处。如果补偿电桥是在0℃时平衡设计的（DDZ-Ⅱ型温度变送器中的补偿电桥），则仪表零位应调在0℃处。注意！图3-64具有补偿电桥的热电偶测温线路42第五节温度检测及仪表43（5）补偿热电偶法

图3-65补偿热电偶连接线路

在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，常用多支热电偶而配用一台测温仪表。第五节温度检测及仪表三、热电阻温度计44

在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。

热电阻温度计是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。图3-66热电阻温度计第五节温度检测及仪表

对于呈线性特性的电阻来说，其电阻值与温度关系如下式

热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。1.测温原理

利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性（电阻温度效应）来进行温度测量的。

45第五节温度检测及仪表2.工业常用热电阻作为热电阻的材料一般要求是：

电阻温度系数、电阻率要大；热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性；电阻值随温度的变化关系，最好呈线性。46第五节温度检测及仪表47（1）铂电阻

在0～650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为由实验求得

工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝10Ω，对应分度号为Pt10。另一种是R0＝100Ω，对应分度号为Pt100。第五节温度检测及仪表48（2）铜电阻

金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50～+150℃内，具有很好的稳定性。

在-50～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即

工业上常用的铂电阻有两种，一种是R0＝50Ω，对应的分度号为Cu10。另一种是R0＝100Ω，对应的分度号为Cu100。第五节温度检测及仪表49３.热电阻的结构（1）普通型热电阻

主要由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。图3-65热电阻的支架形状(已绕电阻丝)（2）铠装热电阻

将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体。

（3）薄膜热电阻

将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到绝缘基底上。第五节温度检测及仪表四、光纤温度传感器1.液晶光纤测温2.荧光光纤测温3.半导体光纤测温4.光纤辐射测温第五节温度检测及仪表五、电动温度变送器

DBW型温度（温差）变送器是DDZ-Ⅲ系列电动单元组合式检测调节仪表中的一个主要单元。它既可与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，又可与具有毫伏输出的各种变送器配合，然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对温度或温差及其他各种参数进行显示、控制。50第五节温度检测及仪表DDZ-Ⅲ型的温度变送器与DDZ-Ⅱ型的温度变送器进行比较，它有以下主要特点。

线路上采用了安全火花型防爆措施。在热电偶和热电阻的温度变送器中采用了线性化机构。在线路中，由于使用了集成电路，这样使该变送器具有良好的可靠性、稳定性等各种技术性能。51第五节温度检测及仪表52温度变送器有三种类型：

热电偶温度变送器；热电阻温度变送器；直流毫伏变送器。1.热电偶温度变送器结构分为输入桥路、放大电路及反馈电路。

图3-69

热电偶温度变送器的结构方框图第五节温度检测及仪表53（1）输入电桥

作用：冷端温度补偿、调整零点。图3-70

输入电桥第五节温度检测及仪表（2）反馈电路

在DDZ-Ⅲ型的温度变送器中，在温度变送器中的反馈回路加入线性化电路。图3-71热电偶温度变送器的线性化方法方框图（3）放大电路54第五节温度检测及仪表552.热电阻温度变送器结构分为输入电桥、放大电路及反馈电路。

图3-72热电阻温度变送器的结构方框图第五节温度检测及仪表六、一体化温度变送器56

它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。

图3-73一体化温度变送器结构框图结构测温元件和变送器模块常用的变送器芯片：AD693、XTR101、XTR103、IXR100等变送器模块的正常工作温度-20～+80℃第五节温度检测及仪表图3-74一体化热电偶温度变送器电路原理AD693构成的热电偶温度变送器的电路原理图

可得变送器输出与输入之间的关系为57第五节温度检测及仪表①变送器的输出电流I0与热电偶的热电势Et成正比关系；②RCu阻值随温度而变，合理选择RCu的数值可使RCu随温度变化而引起的I1RCu变化量近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势Et的变化值，两者互相抵消。结论58第五节温度检测及仪表七、智能式温度变送器59以SMART公司的TT302温度变送器为例加以介绍。优点

可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度；具有量程范围宽、精度高；环境温度和振动影响小、抗干扰能力强；质量轻；安装维护方便。结构由硬件部分和软件部分两部分构成。第五节温度检测及仪表601.TT302温度变送器的硬件构成输入板主电路板液晶显示器图3-72TT302温度变送器硬件构成原理框图2.TT302温度变送器的软件构成系统程序功能模块第五节温度检测及仪表八、测温仪表的选用与安装1.温度测量仪表的选用（1）就地温度仪表的选择①精确度等级一般工业用温度计：选用1.5级或1级。精密测量用温度计：选用0.5级或0.25级。②测量范围最高测量值不大于仪表测量范围上限值90%，正常测量值在仪表测量范围上限值的1/2左右。压力式温度计测量值应在仪表测量范围上限值的1/2～1/3之间。61第五节温度检测及仪表③双金属温度计在满足测量范围、工作压力和精确度的要求时，应被优先选用于就地显示。④压力式温度计适用于-80℃以下低温、无法近距离观察、有振动及精确度要求不高的就地或就地盘显示。⑤玻璃温度计仅用于测量精确度较高、振动较小、无机械损伤、观察方便的特殊场合。不得使用玻璃水银温度计。62第五节温度检测及仪表（2）温度检测元件的选用①根据温度测量范围，参照表3-12选用相应分度号的热电偶、热电阻或热敏热电阻。②铠装式热电偶适用于一般场合；铠装式热电阻适用于无振动场合；热敏热电阻适用于测量反应速度快的场合。63第五节温度检测及仪表（3）在特殊场合适用的热电偶、热电阻：①温度高于870℃、氢含量大于5%的还原性气体、惰性气体及真空场合，选用钨铼热电偶或吹气热电偶；②设备、管道外壁和转体表面温度，选用端（表面）式、压簧固定式或铠装热电偶、热电阻；③含坚硬固体颗粒介质，选用耐磨热电偶；④在同一检出（测）元件保护管中，要求多点测量时，选用多点（支）热电偶；⑤为了节省特殊保护管材料（如钽），提高响应速度或要求检出（测）元件弯曲安装应选用或铠装热电偶、热电阻；⑥高炉、热风炉温度测量，可选用高炉、热风炉专用热电偶。

64第五节温度检测及仪表652.测温元件的安装①在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量误差。见图3-76。②测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。③测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。见图3-77。（1）测温元件的安装要求第五节温度检测及仪表图3-76测温元件安装示意图之一图3-77测温元件安装示意图之二66第五节温度检测及仪表67④若工艺管道过小（直径小于80mm），安装测温元件处应接装扩大管，如图3-78所示。⑤热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或其他液体、脏物进入接线盒中影响测量，如图3-79所示。⑥为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。⑦测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防外界冷空气进入，使读数降低。第五节温度检测及仪表图3-78小工艺管道上测温元件安装示意图图3-79热电偶或热电阻安装示意图68第五节温度检测及仪表69（2）布线要求①按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶的正、负极与补偿导线的正、负极相连接，不要接错。②热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求