第10章热工量的电测法

第十章热工量的电测法本章目录10.1压力与差压的电测法

10.2温度的电测法10.3流量的电测法填空题：四大热工量温度、压力、流量、物位、（成分）10.1压力与差压的电测法

本节内容10.1.1压力的概念、单位和测量方法10.1.2压力敏感器10.1.3压力的电测法10.1.4差压的电测法10.1.1压力的概念、单位和测量方法10.1.1.1压力的概念和术语压力是指流体介质作用于单位面积上的力，物理学称为压强。与拉力等进行区别。压力检测中的常用术语1）绝对压力（简称绝压）2）表压力（简称表压）3）负压与真空度4）差压在工程上除非特殊指明，一般所指压力即为压力表测得的压力。因此通常把表压力简称为压力。图10-1-1压力术语间的关系注意：压力测量仪表一般都在大气环境中工作，所以它测得的压力实际上是其压力敏感元件内部流体介质压力（绝对压力）与外部大气压力之差，很显然，不同地区测得大气压力是不同的，表压力是不同的。在工程中，除非特别指明，一般所指压力即为压力表测得的压力。通常把表压力简称为压力。10.1.1.2压力计量单位由于习惯原因，国内外还在使用着多种压力单位，如1帕=1牛顿/米1工程大气压千克力/厘米1标准大气压=760毫米水银柱=1013251毫米水银柱=133.3221毫米水柱=9.80665“帕”的量值最小，它约等于0.1毫米水柱。真空度测量中，常以“托”(Torr)为单位。1托=1毫米水银柱10.1.1.3压力测量方法压力测量方法压力平衡法弹性变形法电测法砝码压力平衡式液体压力平衡式1）以压力敏感型弹性元件作为敏感器配接应变式传感器、位移式传感器，分别构成应变式压力传感器、位移式压力传感器。其中，位移式传感器最多，有：电位器式、电感式、电容式、霍尔式、光电式压力传感器等。2）利用压电效应直接将压力量转换为电荷量，构成压电式压力传感器。3）利用压阻效应直接将压力量转换为电阻变化，构成压阻式压力传感器。直接测量方式直接测量方式间接测量方式（本章重点内容）常用来做基准，对其他表做校验10.1.2压力敏感器压力敏感器是能够将压力的变化转换为应变和位移的弹性敏感元件。种类繁多，仅介绍几种：弹簧管波纹管膜片与膜盒薄壁圆筒10.1.2.1弹簧管（波登管）图10-1-2

C型弹簧管

该表不是电测法弹性变形法10.1.2.2波纹管图10-1-3波纹管

10.1.2.3膜片与膜盒图10-1-4膜片和膜盒

平膜片比波纹膜片具有较高的抗振、抗冲击的能力，在压力测量中用的最多。在压力作用下，圆形膜片的应变与压力成正比，即在压力作用下，各膜片膜盒的中心位移也均与压力近似成正比。膜片压力表

适用于测量具有一定腐蚀性、非凝固或非结晶的各种流体介质的压力或负压。耐腐蚀性能取决于膜片材料。

膜片压力表[1]结构原理：仪表由测量系统(包括法兰接头、波纹膜片)、传动指示机构(包括连杆、齿轮传动机构、指针和度盘)和外壳(包括表壳和罩圈)等组成。仪表外壳为防溅结构，具有较好的密性，故能保护其内部机构免受污秽浸入。仪表的作用原理是基于弹性元件(测量系统上的膜片)变形。在被测介质的压力作用下，迫使膜片产生相应的弹性变形——位移，借助连杆组经传动机构的传动并予放大，由固定于齿轮上的指针逐将被测值在度盘上指示出来。10.1.2.4薄壁圆筒图10-1-5薄壁圆筒

这种弹性元件的壁厚一般都小于圆筒直径的1/20，圆筒的一端开口，一端不通，内腔与被测压力相通时，内壁均匀受压，均匀的向外扩张。筒壁在圆周方向和轴向上的应变均与压力成正比。10.1.3压力的电测法应变式压力传感器位移式压力传感器谐振式压力传感器压阻式和压电式压力传感器10.1.3.1应变式压力传感器这种压力传感器是将应变片粘贴到压力敏感型弹性元件上或粘贴到与压力敏感型弹性元件相衔接的力敏感型弹性元件上，由弹性元件或弹性元件组合将压力转换为应变，再由应变电桥将应变转换为电压输出。膜片式压力传感器筒式压力传感器组合式压力传感器1）膜片式压力传感器图10-1-6膜片式压力传感器2）

筒式压力传感器图10-1-7筒式压力传感器3）组合式压力传感器图10-1-8组合式压力传感器

这种传感器中的应变片不直接粘贴在压力感受元件上，而采用某种传递机构将感压元件的位移传递到贴有应变片的其他弹性元件上。10.1.3.2位移式压力传感器电容式压力传感器电感式压力传感器电位器式压力传感器霍尔式压力传感器光电式压力传感器这种压力传感器是将位移传感器的可动部分与压力敏感型弹性元件的自由端连在一起，将压力转换为位移，再由位移传感器将位移转换为电量，常见有以下几种：1）电容式压力传感器图10-1-9电容式压力传感器膜片的拉伸张力膜片直径无压力时电容极距2）电感式压力传感器图10-1-10电感式压力传感器

3）电位器式压力传感器图10-1-11电位器式压力传感器

4）霍尔式压力传感器图10-1-12霍尔式微压和压力传感器结构原理图5）光电式压力传感器图10-1-13光电测压原理图

10.1.3.3振弦式压力传感器10.1.3.4压阻式和压电式压力传感器压阻式压力传感器压电式压电传感器1）压阻式压力传感器

图10-1-15压阻式压力传感器结构1—低压腔；2—高压腔；3—硅杯；4—引线；5—硅膜片2）压电式压力传感器图10-1-16压电式压力传感器10.1.4差压的电测法前面所介绍的各种压力传感器，实际上也是差压传感器。只是相对于标准大气压而言。目前常用的差压传感器有：电容式差压传感器电阻式差压传感器电感式差压传感器振弦式差压传感器10.1.4.1电容式差压传感器图10－1－17电容式差压传感器的两种结构图（a）1.2－测量膜片（或隔离膜片）；3－感压膜片；4.5－差动电容；6－绝缘体。图（b）1.2－测量膜片；3－可动平板电极；4－中心轴；5－片簧；6－绝缘体；7.8-固定电极；9－节流孔。10.1.4.2电阻式差压传感器在两侧分别承受高压和低压的测量膜片上粘贴应变片或制作应变电阻电桥，则差压引起的测量膜片的变形变转换成电桥电压输出，目前市面销售产品有以下三种：1）应变型2）硅膜型3）金属薄膜型10.1.4.3电感式差压传感器10.1.4.4振弦式差压传感器10.2温度的电测法

本节目录10.2.1温度的概念、单位和测量方法10.2.2接触式测温法10.2.3温度和温度差的电测法10.2.4非接触式测温法10.2.1温度的概念、单位和测量方法10.2.1.1温度的概念温度：表征物体冷热程度的一种物理量。所谓物体的冷热是人们感觉到的一种宏观现象，从微观上看，温度是物体内部分子无规则运动剧烈程度的标志。10.2.1.2温度的单位温标：量度温度的标尺。是为定量的表示温度高低而对温度零点和分度方法所做的一种规定。早期的，

经验温标摄氏温标华氏温标现在国际上，国际温标，国际开尔文温度摄氏温标10.2.1.3温度测量方法测温方法分类接触式：基于物体的热交换现象。选定某一测温器，与被测物体相接触，进行充分热交换，待两者温度一致时，测温器输出大小即反映被测温度的高低。非接触式：温度传感器与被测物体不发生接触，只保持一定距离。本书把输出量为电量的测温器称为温度传感器，如热电偶、热电阻等。把输出为非电量的测温器称为温度敏感器，如各种热膨胀式温度计。接触式测温的优点：

简单、可靠、测量精度高；

缺点：测温时有较大的滞后，对运动物体的测温较困难，测温器易影响被测对象的温度场分布，测温上限受到测温材料性质的限制，故所测温度不能太高。非接触式测温的优点：

缺点：所测温度受物体辐射率的影响，

测量距离和中间介质对测温结果也有影响。测温范围广（理论上没有上限限制），测温过程中不破坏原温度场，测温响应速度快。10.2.2接触式测温法10.2.2.1将温度转换为非电量——温度敏感器热膨胀式液体膨胀式：固体膨胀式：热敏双金属元酒精温度计、水银温度计优点：结构简单，尺寸小，既可用于测温和控制，又可用于温度补偿元件。缺点：精度不高，性能的分散性大，但在家电及其他对测温精度要求不高的场合，仍可构成很有应用价值的开关式传感器。热敏双金属元特点图10-2-1热敏双金属元件对一端固定的平直双金属片，其自由端的弯曲挠度为两金属片的厚度两金属片的线膨胀系数双金属片的长度直片位移较小，U型或双U型位移较大，盘簧或螺旋式位移最大。用途：工业上常用热敏双金属片制成温度继电器和双金属温度计。10.2.2.2将温度转换为电量——温度传感器常用的温度传感器有：金属热电阻和半导体热敏电阻热电偶PN结型温度传感器和集成温度传感器石英晶体温度传感器电涡流式温度传感器10.2.3.1单点温度的电测法1）采用热电阻或热敏电阻图10－2－2电桥式电阻温度计的原理图图10－2－3热敏电阻测温电路图10－2－4电热阻测温电桥的三线连接法图10－2－5热电阻测温电桥的四线连接法2）采用热电偶图5-3-7热电偶冷端的延伸图10－2－6热电偶串联测温线路串联电路的相对误差为串联线路的相对误差为单只热电偶相对误差的串联线路的主要优点是热电动势大，精度比单只热电偶高。因此可感受较小的信号，或者配用灵敏度较低的仪表。缺点是，只要有一只热电偶断路，整个电路就不能工作，个别热电偶短路，将会引起仪表指示值显著偏低。10.2.3.2平均温度的电测法图10－2－9热电偶测量平均温度2）采用热电偶10.2.3.3温度差的电测法图10－2－10双桥温度测量电路图10－2－11热电偶测温差电路10.2.3非接触式测温法10.3流量的电测法

10.3.1流量的概念流量：流体在单位时间内通过垂直于流速的横截面的数量。体积流量：流过的数量按体积计算。质量流量：流过的数量按质量计算。设垂直于流速的某一微小面积为，通过该微小面积流体流速为，则流过微小面积的体积流量为，根据此式可求出流过横截面的体积流量如果所取截面上各点流速相同，则事实上，流体在管道流动时，截面上各点速度并不相等，因此往往引入平均流速的概念这样，体积流量可表示为质量流量可用体积流量和流体的密度之乘积来表示在工业生产中，除了要测量单位时间内流体流过管道的体积流量和质量流量外，往往还要知道在某段时间内，流过管道的流体体积和流体质量如果流体的流速稳定且密度不变，则累积流量或总量瞬时流量或总量流量是人们生活和生产实践中需要经常测量的参数之一，目前已投入使用的流量测量仪表已超过百余种。在测量流量的流量计中，常将流量转换成其他非电量如：差压、位移、转速、频率，在自动化检测仪表中再将这些非电量转换为电量。之前，已经介绍了很多非电量转换为电量的方法，下面仅介绍各种流量计中将流量转换为可用非电量的方法。流量—转速转换法流量—差压、力、位移转换法流量—频率转换法流量—温度转换法图10-3-1椭圆齿轮流量计原理图

1—外壳;2—椭圆形转子(齿轮);3—测量室.10.3.2流量—转速转换法10.3.2.1椭圆齿轮流量计椭圆齿轮流量计是常见的一种容积式流量计。基本工作原理：让流量计入口流入的流体充满流量计内具有一定容积的空间，然后在流体推动下使容积内的流体从流量计出口流出。如此循环往复，若每个循环周期流量计送出的流体体积为，在时间内，流量计工作循环周期为，则总量为主要部分是计量箱和装在计量箱内的一对椭圆齿轮，它们与盖板构成一密封的初月形空腔，作为量具。流量计进出口处的压力差推动椭圆齿轮旋转。流体经初月形空腔计量后而排出，所以椭圆齿轮每旋转一周可输出4倍初月形空腔的容积。因此，椭圆齿轮转数与流体的流量成正比。椭圆齿轮的转数通过设在测量室外部的机械式齿轮减速机构及滚轮计数机构累计。椭圆齿轮流量计可看作是一个把流量转换为转速，把总量转换为转数的敏感器。椭圆齿轮流量计是一种测量流体总量（体积）的仪表。特别适合于测量粘度较大的纯净（无颗粒）液体的总量。主要优点式精度高，但加工复杂，成本高，而且齿轮容易磨损。旋翼式水表是速度式水表的一种，是世界上用得最多的水表品种。

在国家标准中，速度式水表的定义为“安装在封闭管道中，由一个动力元件组成，并由水流速直接使其获得运动的一种水表”。当水流通过水表时，驱动叶轮(旋翼或螺翼)旋转，而水流的流速与叶轮的转速成正比，因水流驱动叶轮处喷口的截面积为常数，故叶轮的转速与流量也成正比。通过叶轮轴上的联动部件与计数机构相连接，使计数机构累积叶轮(旋翼或螺翼)的转数，从而记下通过水表的水量。10.3.2.2涡轮式流量计图10-3-2磁电式涡轮流量计1－涡轮；2－前导流架；3－后导流架；4－壳体；5－磁钢；6－线圈。10.3.3流量—差压、力、位移转换法图10－3－3节流流量计示意图根据能量守恒定律，流体压力能和动能在一定条件下可以相互转换，流速加快必然导致静压力降低，于是在节流件前后产生静压差，流过的流体流量与静压力差的平方根成正比由测量管直径、节流件开孔直径、流体密度等决定的常数。10.3.3.1流量