第三章工业过程参数检测技术

第3章工业过程参数检测技术3.1温度检测3.2流量检测3.3压力检测3.4物位检测3.1.1概述A温度的基本概念和测量方法

温度是一个基本物理量。

温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说互为热平衡的两物体，其温度相等。

温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。3.1温度检测自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标.3.1温度检测B温标经验温标利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标。3.1温度检测摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“oC“华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。分成180份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。摄氏温度和华氏温度的关系为3.1温度检测

热力学温标热力学温标又称开尔文温标或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.16K，水的凝固点，即相当摄氏温标0℃，相当华氏温标32℉的开氏温标为273.15K。热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。3.1温度检测C测温方法与测温仪器的分类方法:接触式、非接触式。接触式测温测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：感温元件影响被测温度场(负载效应)，接触不良等会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。3.1温度检测非接触式测温

感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。3.1温度检测测温仪器

分为接触式和非接触式两大类。接触式仪器又可分为:

膨胀式温度计(液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)

电阻式温度计(金属热电阻温度计、半导体热敏电阻温度计)

热电式温度计(热电偶和P-N结温度计及其它原理温度计)。

非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计、比色温度计，它们都以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。3.1温度检测温度测量范围划分 超低温：0～10K 低温：10～800K 中温：800～1900K 高温：1900～2800K 超高温：2800K以上3.1温度检测液体膨胀式温度计：-200~750℃

应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制。为了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。3.1温度检测33.1温度检测

液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。前者把液柱部分全部浸入被测介质中。后者把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。全浸式测量精确度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。

3.1温度检测33.1温度检测固体膨胀式温度计：-80~600℃利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为杆式和双金属式两大类。图3—3所示为杆式温度计的原理图。由于芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。

3.1温度检测3.1温度检测3双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状，如图3—4所示。3.1温度检测3.1温度检测3.1温度检测压力式温度计：-100~600℃

利用在密封容器中的物质（液体或气体）的压力随温度升高而升高原理，用弹簧管或者膜盒测压力。(周杏鹏P171图6-1)

结构简单，可靠，无需特殊维护，抗震。

热电偶式温度计：-180~2800℃

热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应。

热电效应及基本定律：两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。3.1温度检测均质导体定律由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。3.1温度检测中间导体定律如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。标准电极定律两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶。如果A、C和B、C热电偶的热电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式求得3.1温度检测热电阻温度计：利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高1C时电阻将增加0.4％～0.6％。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1C，电阻约减小2％～6％。纯金属热电阻的主要材料是铂（-200~850℃初始电阻100或50）、铜（-50~180℃）和镍（-60~180℃）。测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。3.1温度检测非接触温度计利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。温度测量中主要用可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。3.1温度检测

(一)基尔霍夫定律

(二)斯忒潘—玻耳兹曼定律（三）普朗克定律（四）维恩位移定律3.1温度检测

(一)基尔霍夫定律

照射到物体表面的辐射，分为三部分：一部分被物体吸收一部分被物体反射一部分透过物体3.1温度检测式中，为照射到物体单位面积上的辐通量(包括有不同波长的辐射)；为被物体吸收的辐通量。基尔霍夫证明了：物体的光谱出射度与光谱吸收比是一个普适函数，与温度和波长有关

光谱吸收比3.1温度检测在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率，就是温度T时绝对黑体的光谱辐射出射度3.1温度检测光谱发射率等于它的光谱吸收率。3.1温度检测斯忒潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比。3.1温度检测也可用亮度表示：式中，为波长；c1、c2为普朗克第一、第二辐射常数，h为普朗克常数；c为光速；k为玻耳兹曼常数3.1温度检测维恩位移定律：热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成以下关系3.1温度检测K)3.1温度检测（一）全辐射温度计全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。3.1温度检测

应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。我们一般把这个温度称为“辐射温度”。式中，T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；T为温度T时物体全辐射的黑度系数3.1温度检测3.1温度检测(二)部分辐射温度计为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池、光敏电阻以及其它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。因此它们对测量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。3.1温度检测部分辐射温度计的光路系统如图所示，一般由主镜和次镜一组发射系统来完成焦距的调整，使成像集中在热敏元件表面。而目镜系统主要用于对目标的瞄准、热敏元件的输出信号通过测量电路来完成信号的放大和整流。测量电路包括测量桥路、前置放大、选频、移相放大以及相敏整流等部分。3.1温度检测3.1温度检测灯丝隐灭式光学温度计（光学高温计）

原理：被测物体辐射的单色亮度与仪表内部高温计灯泡丝的单色亮度相比较，当两亮度相同时，灯丝温度与被测温度一致，可通过灯丝电流大小确定温度。

特点：方便、灵敏、测量范围广、不能自动测量。下图是光学高温计示意图3.1温度检测3.1温度检测光电亮度温度计实现自动化的光学高温计颜色温度计通过两个光谱能量比的方法来测量温度的，所以也称为比色温度计。用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温度”和真实温度有差异。我们将颜色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长和的亮度比等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的颜色温度。3.1温度检测颜色温度计和光电亮度温度计相似，也包含有光路系统、调制系统、单色器、光敏元件、放大器、显示仪表等。它一般用一个开孔的旋转调制盘进行调制。在开孔上附有两种颜色的滤光片，多选用红色和蓝色。经调制后的单色红光、蓝光交替照在光敏元件上，使光敏元件输出相应的红光和蓝光的信号、再放大并经过运算后送到显示仪表。如图所示。3.1温度检测3.1温度检测光电比色温度计（教材图4.99）对象透镜光敏元件放大电路显示仪表步进电机调制盘滤光片滤光片3.1温度检测常用温度仪表的测量范围膨胀式温度计-200~600双金属温度计-100~600压力式温度计-100~500玻璃液体温度计-200~600热电阻-258~900铂热电阻-258~900铜热电阻-200~150镍热电阻-150~300热敏电阻-50~300低温热电阻-272~03.1温度检测常用温度仪表的测量范围热电偶-269~2800铂铑30-铂铑60~1800镍铬-镍硅0~1300镍铬-考铜-200~800铜-康铜-200~400金铁-镍铬铜-269~0铂铑10-铂0~1600钨-铼1000~28003.1温度检测常用温度仪表的测量范围光学高温计700~3200辐射温度计（热电堆）100~3200部分辐射温度计~3200比色温度计~32003.1温度检测常用温度仪表的应用范围玻璃液体温度计类别应用范围实验室、工业上单点测量双金属温度计飞机、轮船、机车等大振动场合压力式温度计就地指示或几十米远点的测量热电偶测量气、液、固温度，广泛应用热电阻集中控制和计量，广泛应用光学高温计浇铸、轧钢、锻压、热处理、熔玻璃全辐射温度计熔炉、高温窑、盐浴炉部分辐射温度计静止、运动的灼热表面温度比色温度计热的轧钢板、水泥窑、熔炉坩埚壁3.2流量检测3.2.1流量检测概述3.2.2流量仪表的分类3.2.3总量测量仪表3.2.5流体阻力式流量计3.2.4差压式流量计3.2.6测速式流量计3.2.7振动式流量计3.2.8质量流量计A流量的概念

流体在单位时间内流经某一有效截面的体积或质量，前者称体积流量（m3/s)，后者称质量流量(kg/s)。如果在截面上速度分布是均匀的，则：3.2流量检测3.2.1流量检测概述流过管道某截面的流体的速度在截面上各处不可能是均匀的，假定在这个截面上某一微小单元面积上dAF速度是均匀的，流过该单元面积上的体积流量为整个截面上的流量qv为3.2流量检测测量某一段时间内流过的流体量，即瞬时流量对时间的积分，称之流体总量。

用来测量流量的仪表统称为流量计。测量总量的仪表称为流体计量表或总量计。3.2流量检测B流体的几个概念粘性与粘度在流体的内部相互接触的部分在其切线方向的速度有差别时会产生减小其速度差的作用。这是因为流速快的部分要加速与其相接触的流速慢的部分，而流速慢的部分要减小与其相接触的流速快的部分，流体的这种性质，称为粘性。

衡量流体粘性大小的物理量称为粘度。

3.2流量检测例如：两块面积很大距离很近的平板，中间是流体。下面的平板不动，力F使上面平板以速度v沿x方向移动。由于流体粘性，上板底面的一薄层液体以速度v随上板运动，而下板不动故附在上面流体不动。两板间的液体就分成无数薄层而运动，如图所示。作用力F与受力面平行，称为剪力，剪力与板的速度v、板的面积S成正比，而与两板间的距离y成反比3.2流量检测称为粘度(动力粘度)，单位是：泊（P）(Pa.s)γ=/ρ，称为运动粘度，单位：m2/s3.2流量检测层流和紊流

流体在细管中的流动形式分为层流和紊流两种。所谓层流就是流体在细管中流动的流线平行于管轴时的流动。所谓紊流就是流体在细管中流动的流线相对混乱的流动。利用雷诺数可以判断流动的形式。如果雷诺数小于某一值时，可判断为层流，而大于此值时则判断为紊流。3.2流量检测管内流体流动时存在着两种状态：层流状态：流量与压力降成正比紊流状态：流量与压力降的平方根成正比两种不同的流动状态，管内的速度分布也大不相同。这对于采用测流速法测流量很重要。3.2流量检测在层流流动状态下，流速分布是以管轴为中心线的轴对称抛物线分布。在紊流流动状态下，管内流速同样是以管中心线轴对称的分布，但是其分布呈指数曲线形式。3.2流量检测雷诺数流体流动时惯性力与粘性力之比

利用细管直径d，可求出雷诺数Rd：

ρvdvdRd==

ηγv为细管中的平均流速；γ为流体的运动粘度,d为管径。Rd＜2320时为层流，Rd＞2320时为紊流；平均流速：指流过管路的体积流量除以管路截面积3.2流量检测流体流动的连续性方程即：不可压缩流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积为常量。因此利用上式，很方便的求出流体流过管道不同截面时的流速。3.2流量检测33.2.2流量仪表的分类A计量表容积式计量表(流量计)

用一个固定容量的容积连续地测量被测介质，根据定量容积称量的次数来决定流过的总量。

这类仪表主要有：

椭圆齿轮流量计腰轮流量汁活塞式流量计等3.2流量检测3.2流量检测速度式计量表

原理:

在仪表中装一旋转叶轮，流体流过时，推动叶轮旋转，叶轮的转动正比于流过介质的总量，叶轮转动带动计数器的齿轮机构，计数器即显示读数。

特点:

机构简单，但精度低,一般在2％左右，大多的水表采用此结构。3.2流量检测B流量计3.2流量检测3.2.3总量测量仪表A椭圆齿轮流量计每转一周，两个齿轮共送出四个标准体积的流体。3.2流量检测3B腰轮流量计（罗茨流量计）可测液体、气体，精度可达0.1％，并可做标准表使用；最大流量可达1000m3/h。腰轮上没有齿，通过安装在体外的传动齿轮组进行传动。3.2流量检测仪表输出由指针指示，指示值I:流量较小时，误差为负值，在流量增大时、误差为正值、且基本保持不变(曲线1)。这种现象主要是由于在运动件的间隙中泄漏所引起的。这个泄漏量与间隙、粘度、前后压差有关，另外也和流过体积V所需的时间有关。C容积式流量计的误差3.2流量检测容积式流量计的测量误差值E，可由指示值与真值之差与指示值之比表示。设：V为通过流量计的流体体积真值；I为流量计指示值，则误差值E可表示为3.2流量检测3.2流量检测减小误差：伺服式容积流量计（周杏鹏，P264）上述两种转子型式的容积流量计，可用于各种液体流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量，在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用。由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质流过流量计。3.2流量检测当充满圆管的流体流经在管道内部安装的节流装置时，流束将在节流件处形成局部收缩，使流速增大，静压力降低，于是在节流件前后产生压力差。该压力差通过差压计检出。流体的体积流量或质量流量与差压计所测得的差压值有确定的数值关系。3.2.4差压式流量计（节流式流量计）3.2流量检测3.2流量检测流过截面II—II的体积流量为3.2流量检测ξ实际的流速修正系数称为流束的收缩系数S0节流装置开孔的截面积节流式流量计主要由两部分组成：节流装置和测量静压差的差压计。节流装置是安装在流体管道中，使流体的流通截面发生变化，引起流体静压变化的一种装置。常用的节流装置有文丘利管、喷嘴和孔板，如图所示。

3.2流量检测常用的节流装置文丘利管压力损失最小，而孔板压力损失最大。文丘利管孔板喷嘴3.2流量检测3.2流量检测3.2流量检测标准孔板是用不锈钢或其它金属材料制造的薄板，它具有圆形开孔并与管道同心，其直角入口边缘非常锐利，且相对于开孔轴线是旋转对称的。标准孔板的形状如图所示。3.2流量检测

标准喷嘴即ISAl932喷嘴．它是一个以管道喉部开孔轴线为中心线的旋转对称体，由两个圆弧曲面构成的入口收缩部分及与之相接的圆筒形喉部所组成．其结构如图所示3.2流量检测标准文丘利喷嘴是标准文丘利管的一种型式，如图下所示．它由廓形修圆的收敛部分，圆筒形喉部和扩散段组成。喉部取压平面之前上游平面A、入口圆弧B、C和喉部的圆筒E部分与标准喷嘴完全相同．3.2流量检测3.2流量检测

A取压方式

差压式流量计是通过测量节流件前后压力差p来实现流量测量的，p与取压孔位置和取压方式紧密相关。节流装置的取压方式有以下5种，各种取压方式及取压孔位置如图所示。

(1)角接取压:

上下游取压管位于孔板(或喷嘴)的前后端面处。角接取压包括单独钻孔和环室取压。(2)法兰取压：上下游侧取压孔的轴线至孔板上、下游侧端面之间的距离均为25.4±0.8mm（1inch)。取压孔开在孔板上下游侧的法兰上。3.2流量检测（3)径距取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为1Dm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔极下游端面的距离为0.5Dm。（Dm管道直径）。

(4)理论取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为lDm±0.1Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离因值不同而异。该距离理论上就是流束收缩到最小截面的距离。

(5)管接取压：上游侧取压孔的轴线至孔板上游端面的距离为2.5Dm，下游侧取压孔的轴线至孔板下游端面的距离为8Dm，该方法使用很少。3.2流量检测3.2流量检测B标准取压方式是国家标形中规定的两种取压装置，即角接取压装置和法兰取压装置。其中角接取压适用于孔板和喷嘴，而法兰取压仅用于孔板。(1)角接取压装置角接取压装置可以采用环室或夹紧环(单独钻孔)取得节流件前后的差压。（2）法兰取压装置法兰取压装置由两个带取压孔的取压法兰组成。3.2流量检测3.2流量检测3.2流量检测A浮子流量计（转子流量计、面积流量计）特点：结构简单，使用维护方便，对仪表前后直管段长度要求不高，压力损失小且恒定，测量范围比较宽，工作可靠且线性刻度，可测气体、蒸汽(电、气远传金属浮子流量计)和液体的流量，适用性广。结构：由一根自下向上扩大的垂直锥管和一只可以沿着锥管的轴向自由移动的浮子组成。3.2流量检测3.2.5流体阻力式流量计原理：当被测流体自锥管下端流入流量计时，浮子上升，浮子与锥管之间的环形面积逐渐增大，流体的流速则相应下降，作用在浮子上的上升力逐渐减小，直至上升力等于浸在流体中的浮子的重量时，浮子便稳定在某一高度上。这时浮子在锥管中的高度与所通过的流量有对应的关系。3.2流量检测作用在浮子上的力有：流体自下而上运动时，作用在浮子上的阻力F;浮子本身的垂直向下的重力W；流体对浮子所产生的垂直向上的浮力B。当浮子处于平衡状态时，可列出平衡方程式转子流量计的测量原理式中，cd为浮子的阻力系数；o为流体密度；v为环形流通面积的平均流速：Af为浮子的最大迎流面积。3.2流量检测3.2流量检测3.2流量检测只要保持流量系数α为常数，则流量与浮子高度h之间就存在一一对应的近似线性关系。将这种对应关系直接刻度在流量计的锥管上。显然，对于不同的流体，由于密度发生变化，所以qv与h之间的对应关系也将发生变化，原来的流量刻度将不再适。所以原则上，转子流量计应该用实际介质进行标定。注意：3.2流量检测

B靶式流量计结构：由靶式流量变送器和显示仪表两部分组成，其测量元件是一个在测量管中心并垂直于流向的被称为“靶”的圆板。通过测量流体作用在靶上的力而实现流量测量。特点：用于高粘度、低雷诺数、含固体颗粒的浆液及腐蚀介质流量测量。3.2流量检测原理：在被测管道中心迎着流速方向安装一个靶，当介质流过时，靶受到流体的作用力。这个力由两部分组成，一部分是流体和靶表面的摩擦力，另一部分是由于流束在靶后分离，产生压差阻力，阻力为式中，F为靶受到流体的阻力；为阻力系数；A1为靶迎流面积d为靶直径；v为靶和管壁间环面积中的平均流速；为介质密度。3.2流量检测流量与靶输出力F的平方根成正比。测量靶所受的力F，就可以测定被测介质的流量。3.2流量检测

速度式流量计是从直接测量管道内流体流速v作为流量测量依据的。若测得的是平均流速v，则体积流量qv＝Av；(A为测量管道横截面积)。若测得的是管道横截面上的某一点流速v，则体积流量qv＝KAv(K为截面上的平均流速与被测点流速的比值，它与管道内流速分布有关)。3.2流量检测3.2.6测速式流量计A电磁流量计电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。特点：可测各种腐蚀性介质（酸、碱、盐溶液、悬浮颗粒的浆液），无机械惯性，灵敏，可测脉冲流量，线性较好，可直接进行等分刻度。只能测导电液体，不能测气体、蒸气以及含大量气泡的液体，或者电导率很低的液体。由于测量管内衬材料一般不宜在高温下工作，一般的电磁流量计还不能用于测量高温介质。3.2流量检测3.2流量检测原理:如图，直径为D的不导磁管道垂直于磁感应强度为B的均匀磁场方向。平均流速为v的导电液体切割磁力线，产生与流速成比例感应电动势，由一对电极得到电位差。

励磁方式:

直流励磁用直流电产生磁场或采用永久磁铁，只用于测量非电解质液体，如液态金属等。否则,通过测量管道的电解质液体被极化，即电解质在电场中被电解，产生正负离子，在电场力的作用下，负离子跑向正极，正离子跑向负极。导致正负电极分别被相反极性的离子所包围，严重影响仪表的正常工作。3.2流量检测3.2流量检测交流励磁工业上电磁流量计，大都采用工频(50Hz)产生交变磁场。消除了电极表面的极化干扰。输出信号也是交变信号。3.2流量检测低频方波励磁直流励磁和交流励磁各有优缺点，为了充分发挥它们的优点，尽量避免它们的缺点，人们开始采用低频方波励磁方式。它的励磁电流波形如图所示，其频率通常为工频的1／4一l／10。在半个周期内，磁场是恒稳的直流磁场，它具有直流励磁的特点，受电磁干扰影响很小。从整个时间过程看，方波信号又是一个交变的信号，所以它能克服直流励磁易产生的极化现象。低频方波励磁是一种比较好的励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛的应用。3.2流量检测3.2流量检测B超声波流量计流体流速会影响超声波在流体中传播，根据对接收到的超声波信号进行分析计算，可以检测到流体的流速，进而可以得到流量值。超声波流量测量方法有很多，主要介绍传播速度差方法和多普勒方法的基本原理与流量方程。3.2流量检测传播速度差法的基本原理为：测量超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中的速度之差来得到到被测流体的流速。根据测量的物理量的不同，可以分为时差法(测量顺、逆流传播时由于超声波传播速度不同而引起的时间差)、相差法(测量超声波在顺、逆流中传播的相位差)、频差法(测量顺、逆流情况下超声脉冲的循环频率差)。频差法是目前常用的测量方法，它是在前两种测量方法的基础上发展起来的。3.2流量检测管道中装两个超声波发射换能器F1和F2以及两个接收换能器J1和J2，F1J1和F2J2与管道轴线夹角为α，管径为D，流体由左向右流动，速度为v，此时由F1到J1超声波传播速度为F2到J2超声波传播速度为：3.2流量检测测量速度差的方法时差法超声波发生器发射一短小脉冲，顺、逆流传播时间为3.2流量检测相差法测量超声波在顺、逆流时传播的相位差来得到流速3.2流量检测3.2流量检测频差法测量顺、逆流时超声脉冲的重复频率差去测量流速。在单通道法中脉冲重复频率是在一个发射脉冲被接收器接收之后，立即发射出一个脉冲，这样以一定频率重复发射，对于顺流和逆流重复发射频率为3.2流量检测C多普勒法

多普勒法是利用声学多普勒原理确定流体流量的．多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动，会引起声波在频率上的变化，这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。3.2流量检测超声换能器安装在管外，从T1发射的超声波束被流体中运动着的颗粒或气泡反射回来，被R1接收。发射信号与接收信号的多普勒频率偏移与流体流速成正比。如忽略管壁影响，并假设流体没有速度梯度，以及粒子是均匀分布的，可得方程3.2流量检测3.2流量检测于60年代末期发展起来，受到人们的重视。特点：可得到与流量成正比的频率输出信号；被测流体本身就是振动体，无机械可动部件，几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响。涡街流量计：是利用流体流过阻碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生频率而实现流量计量的。涡街流量计由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成。3.2流量检测3.2.7振动式流量计涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中著名的“卡门涡街”原理。在流动的流体中放置一根其轴线与流向垂直的非流线性柱形体(加三角柱、圆柱等)，称之为漩涡发生体，见图。当流体沿漩涡发生体绕流时，会在漩涡发生体下游产生如图所示不对称但有规律的交替漩涡列，这就是所谓的卡门涡街。3.2流量检测漩涡之间的相互影响，通常是不稳定的。只有当两漩涡列之间的距离h和同列的两漩涡之间的距离L之比满足时，所产生的涡街才是稳定的3.2流量检测圆柱体后漩涡的频率为：3.2流量检测3.2流量检测3.2流量检测圆柱体表面开有导压孔，与圆柱体内部空腔相通，空腔由隔板分成两部分，在隔板的中央部分有—小孔，小孔中装有检测流体流动的铂电阻丝．当旋涡在圆柱体下游侧产生时，出于升力的作用，使得圆柱体下方的压力比上方高一些，圆柱体下方的流体在上下压力差的作用下，从圆柱体下方导压孔进入空腔，通过隔板中央部分的小孔，流过铂电阻丝，从上方导压孔流出。如果将铂电阻丝加热到高于流体温度的某温度值，则当流体流过铂电阻丝时，就会带走热量，改变其温度，也即改变其电阻值。当圆柱体上方产生一个旋涡时，则流体从上导压孔进入，由下导压孔流出，又一次通过铂电阻丝，又改变一次它的电阻值。由此可知：电阻值变化与流动变化相对应，即与旋涡的频率相对应。所以，可由检测铂电阻丝电阻变化频率得到涡频率，进而得到流量值。3.2流量检测3.2流量检测在工业生产中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等所需要的都是质量，并非体积，所以在测量工作中，常需将测出的体积流量，乘以密度换算成质量流量。但由于密度随温度、压力而变化，所以在测量流体体积流量时，要同时测量流体的压力和密度，进而求出质量流量。在温度、压力变化比较频繁的情况下，难以达到测量的目的。这样便希望用质量流量计来测量质量流量，而无需再人工进行上述换算。

3.2流量检测3.2.8质量流量计3、补偿式：同时检测流体的体积流量和流体的温度、压力值，再根据流体密度与温度、压力的关系，由计算单元计算得到该状态下流体的密度值，最后再计算得到流体的质量流量值。补偿式质量流量则量方法，是目前工业上普遍应用的一种测量方法。质量流量计大致分为三大类：1．直接式：即直接检测与质量流量成比例的量，检测元件直接反映出质量流量。2．推导式：即用体积流量计和密度计组合的仪表来测量质量流量，同时检测出体积流量和流体密度，通过运算得出与质量流量有关的输出信号。3.2流量检测A直接式质量流量计——科里奥利质量流量计科里奥利质量流量计(简称CMF)是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量仪表。3.2流量检测如图所示，当质量m的质点以速度v在对P轴作角速度为旋转的管道内移动时，质点具有两个分量的加速度及相应的加速度力：1.法向加速度，即向心加速度ar，其量值为2r，方向朝向P轴。切向加速度at，即科里奥利加速度，其量值为2v

，方向与ar垂直。由理论力学可知，当某一质量为m的物体在旋转参考系中以速度v运动时，将受到一个力的作用，其值为当密度为的流体在选择管道中以恒定速度v流动时，任何一段长度x的管道都受到一个Fc的切向科里奥利力3.2流量检测3.2流量检测B3.2流量检测3.2流量检测3.2流量检测3.2流量检测电磁流量计涡街流量计3.2流量检测电磁流量计涡街流量计3.2流量检测3.2流量检测仪表类别节流式（差压）流量计孔板型喷嘴型文丘利管型被测介质液、气、蒸汽管径/mm50~100050~400150~400量程/m3/h液、气1.5~90005~250030~180050~1000050~26000240~18000工作压力/KPa19600196002450节流式体积流量仪表的性能比较3.2流量检测仪表类别节流式（差压）流量计孔板型喷嘴型文丘利管型工作温度/˚C可达500可达500可达500准确度/%±（1~2）±（1~2）±（1~2）最低雷诺数>5000>20000>80000体积重量小中等大（重）价格低较低中等节流式体积流量仪表的性能比较（续）3.2流量检测仪表类别容积式流量计椭圆齿轮型腰轮型活塞型被测介质液液液管径/mm10~25015~30015~100量程/m3/h液、气0.005~5000.4~1000.2~90工作压力/KPa6272~980062726272容积式流量仪表的性能比较3.2流量检测仪表类别容积式流量计椭圆齿轮型腰轮型活塞型工作温度/˚C可达120可达120可达120准确度/%±（0.2~0.5）±（0.5~1）±（0.5~1）粘度界限/10-6m2/s500500500体积重量重重小价格中等低低容积式流量仪表的性能比较（续）3.2流量检测仪表类别转子流量计靶式流量计玻璃管金属管被测介质液、气液、气液管径/mm4~10015~15015~200量程/m3/h液、气0.001~400.012~1000.8~40000.016~10000.4~3000工作压力/KPa156862726272体积流量仪表的性能比较3.2流量检测仪表类别转子流量计靶式流量计玻璃管金属管工作温度/˚C可达120可达150可达200准确度/%±（1~2.5）±2±（0.5~1）最低雷诺数10001002000体积重量重重小价格低中等较低体积流量仪表的性能比较（续）3.2流量检测仪表类别电磁流量计涡街流量计超声流量计被测介质导电液体气液（气）管径/mm6~120050~100010~5000量程/m3/h液、气0.1~2000010~5000工作压力/KPa15681568~62726800体积流量仪表的性能比较3.2流量检测仪表类别电磁流量计涡街流量计超声流量计工作温度/˚C10060150准确度/%±（1~1.5）±1最低雷诺数无限制体积重量大中等轻价格高中等中等体积流量仪表的性能比较（续）3.3.1概述压力的概念：

介质（气、体）垂直作用在单位面积上的力，它是工业过程控制中的重要参数之一两种表示方法：

绝对压力（从真空算起）

表压力（超出大气压部分，工程常用）压力单位：帕斯卡(Pa)

1Pa=1N/m2地面大气压力约为100KPa，也常称为1bar3.3压力检测压力仪表的分类（按作用原理）：

液柱平衡式压力计：U型管压力计、单管压力计、倾斜管式压力计，活塞式压力计

机械力平衡式压力计：余成波163页，图4.13

弹性力平衡式压力计：膜片式、弹簧管式、波纹管式电气式压力计：电阻式、电容式、压电式……3.3压力检测压力标准的传递（余成波教材160页）基准器±2.1×10-5Pa工作基准器±5×10-5Pa一等标准器±2×10-4Pa二等标准器±5×10-4Pa三等标准器±2×10-3Pa工作用器3.3压力检测3.3.2液柱式压力计

工作液体：水银、水、酒精、甲苯等压力大小：p=Hρg误差因素：读数、温度、加速度、安装角度三种类型：U型管压力计、单管压力计、倾斜管式压力计3.3压力检测H3.3.3活塞式压力计精确度高：±5×10-5Pa测量范围：0.25×105~109Pa作用原理（余成波162页图4.11）基本参数：活塞下降速度、活塞旋转运动、活塞有效面积修正：被测压力对有效面积的影响（高压下可达0.5%）、温度对活塞有效面积的影响、附加摩擦误差修正、重力加速度修正、空气浮力修正3.3压力检测3.3.4机械弹性式压力计精确度：0.16，0.25，0.4，…，2.5级测量范围：10~100MPa作用原理

弹性元件变形与压力之间存在确定关系分类：膜片式、膜盒式、波纹管式、弹簧管式（余成波教材161页图4.10）、螺旋管式压力变送器：力平衡式压力变送器（余成波教材163页图4.13）3.3压力检测3.3压力检测3.3压力检测3.3.5电气式压力计电子（数字）技术发展，采用嵌入式系统的压力仪表逐渐取代机械式、模拟式压力仪表功能特点单位选择、绝对压力、高低压设定、压力跟踪、温度自动补偿、误差修正作用原理压力转换为电信号（力敏、压力位移）分类：应变式、压阻式、电位器式、电感式（差动变压器式、涡流式、气隙式）、电容式、压电式、振频式（振弦、振筒）、霍尔式3.3压力检测3.3压力检测电气式压力计特点类型精确度%特点应变式±0.5~0.1体积小，重量轻，测量范围广，可测100Hz动态压力，信号弱。压阻式±0.02~0.2集成工艺，灵敏度高，动态性能好，可做成超小元件，温度误差大，需要补偿。电位器式±1~1.5结构简单，成本低，稳定，输出信号大，不需放大电感式±0.5~1结构简单，寿命长，可靠，灵敏度高，输出信号大，线性范围小3.3压力检测电气式压力计特点（续）类型精确度%特点电容式优于±1灵敏度高，可测微小压力，体积小，可测500Hz动态压力，寄生电容影响大，非线性严重。压电式灵敏度高，可测30KHz动态压力，温度超500度时需要补偿。振频式±0.1频率输出，抗干扰，可远距离传输，易于数字化。霍尔式±1.5灵敏度高，结构简单，输出信号大mV，温度影响大。3.3压力检测电位器式：压力位移转换电感式3.3压力检测磁阻式弹性压力计变气隙式压力计3.3压力检测电容式参见教材162页，图4.12真空划分(10-12~105)粗真空103～105Pa低真空103～10-1Pa高真空10-1～10-6Pa超高真空10-6～10-12Pa极高真空<10-12Pa真空测量特点：测量范围达17个数量级测量误差大±10~20%3.3压力检测3.3.6真空测量

按测量方法的原理来分可以分为：基于力的作用原理：U形管，波登管式，波纹管式，膜片式；基于压缩作用原理：麦氏真空计；基于导热作用原理：电阻真空计，热电偶真空计；基于电离作用原理：热阴极式，冷阴极式，放射性真空计。3.3压力检测

U形管真空计结构原理如图所示。一根由玻璃管制成的U形管中盛上水银或油,U形管一端接到真空系统上，另一端为大气。随着系统中真空度的升高，U形管真空侧的液面在大气作用下随之上升。这样，依据两管中校面的高度差，就可以测得真空系统中的真空度，即p=pa-h3.3压力检测压缩真空计

利用波义耳定律，将被测真空系统中一定的残余气体加以压缩，比较压缩前后体积、压力的变化，即能算出真空度。玻义耳-马略特定律：

对于一定质量的气体，在其温度保持不变时，它的压强和体积成反比（其压强P与体积V的乘积为一常量）：PV=C（常数）（T不变时）或P1V1＝P2V2=…=PnVn实际气体只是在压强不太高、温度不太低的条件下才服从这一定律。3.3压力检测麦克劳真空计属绝对真空计，测量范围1.3xl03－1.3×10－8帕，精度较高：±5%，可作为其它真空计的标准。1874年由麦克劳研制，故得名，简称麦氏计。结构如图。主要由毛细管A、毛细管B、玻璃泡、导液管、水银瓶构成，P=Kh2，K=πd2/4V（由毛细管A直径和玻璃泡及毛细管A体积决定）。3.3压力检测毛细管A、玻璃泡及下面一段管子(到a-a面为止)体积为V。测量前将水银瓶抽真空，使水银面处于a-a位置。这时，玻璃泡与真空系统相通，二者压力相同，均为p。转动切换阀门，使水银瓶与干燥空气相通。此时，水银瓶中水银在干燥空气压力作用下，沿导液管上升，充满玻璃泡。然后沿毛细管A上升，使玻璃泡和毛细管A中气体被压缩到毛细管A的顶部，其体积为V2。因管A中压强高于管B中压强，使两个毛细管产生高度差h，这时，根据波义耳定律:pV=(p+h)V2其中p为真空系统中压强。3.3压力检测热导式真空计热导式真空计是根据在低压强下气体热导率与其压力之间关系制成的一种测量低真空的相对真空计。

原理：基于大气体压强低于某一定值时，气体的导热系数K与P成正比，

即：

K=bP

b：比例常数3.3压力检测热导真空计的工作原理是假设灯丝由导热损失的热量与加热电流I所产生的热量平衡时，灯丝温度不变。其平衡方程为其中R为灯丝电阻；E1为气体分子迁移热量；E2为辐射迁移热量；E3为引出导线的迁移热量。若由于压力减小而使E1减小，则当I不变时，平衡方程将失去平衡，使灯丝温度变化。由此可根据灯丝温度来衡量压力的变化。所以热导真空计是通过测量灯丝温度来决定压力大小的。3.3压力检测根据测定气体热传导方法的不同，热导式真空计可分为电阻真空计和热电偶真空计两种。电阻真空计又称皮喇尼真空计它主要由电阻式规管和测量电路两部分组成。电阻式规管如图所示。在电阻规管内封装一只电阻温度系数较大的电阻丝，常用的有钨丝和铂丝。测量时规管与被测真空计系统相连。在较低的压力(小于13.3Pa)时，热电阻丝的电阻值取决于周围气体的压强。3.3压力检测3.3压力检测电阻式规管热电偶真空计测量真空度的元件是热偶规管，结构如图。由玻璃壳、铂丝、热电偶构成。铂丝用于加热热电偶，通以恒定电流，其温度为100—200℃。热电偶是由镍铬—镍铝、或镍－康铜的丝制成的，它的加热端与冷端(非加热端）温度不同而产生温差电动势。利用真空度不同，气体传热性不同，温差电动势不同的特性来测量真空度的。热电偶真空计（相对真空计）

3.3压力检测通过测量温差电动势，就间接地测得了真空度。热偶计只能测量低的真空度，真空度再高时，压强变化与气体热传导无关，故此真空计不能用于高真空测量。3.3