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直读式物位仪表：玻璃管液位计、玻璃板液位计等。差压式物位仪表：利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作。浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作。电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化，如电容核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化就可测知物位。根据工作原理分为声波遮断式、反射式和阻尼式。光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作……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利用声波在介质中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时间间隔可以计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。注意事项：确保反射波能回到探头；防止物料对声波的吸收（如表面泡沫漂浮）。五、超声波物位计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3-3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3-50双金属片

图3-51

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3-52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3-53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3-54热电偶示意图将热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，如果它们的两个接点分别置于温度各为t及t0的热源中，则在该回路内就会产生热电势。ABBA图3-37热电偶示意图ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)图3-38热电现象

t端称为工作端(假定该端置于热源中)，又称测量端或热端

t0端称为自由瑞，又称参考端或冷端这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶每根单独的导体或半导体称为热电极

（1）热电现象及测温原理

第五节温度检测及仪表第五节温度检测及仪表24（1）热电现象及测温原理

图3-55热电现象图3-56接触电势形成的过程图3-57热电偶原理及电路图左图闭合回路中总的热电势或ABeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成：

下标A表示正电极，B表示负电极，由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，这样热电偶的电势可表示为：注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相应改变，即式(i)就是热电偶测温的基本公式。当冷端温度t0一定时，对于确定的热电偶来说，eAB(t0)为常数，因此，其总热电势EAB(t,t0)就与温度t成单值函数对应关系，和热电偶的长短、直径无关。只要测量出热电势大小，就能判断被测温度的高低，这就是热电偶的温度测量原理。重要结论：

1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零；

2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零

3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。

第五节温度检测及仪表26（2）中间导体定律和热电势的测量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。对热电偶回路产生影响呢？

图3-58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34２等值替代定律和补偿导线图3-61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。如果热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶CD在同一温度范围内所产生的热电势相等，即，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。t0tAAABBBDCtt0tctc某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？DC补偿导线冷端的延伸ttcAB热电偶被测设备生产现场t0毫伏计恒温环境AB可以把热电偶做得很长，一直到控制室。把冷端温度延伸到控制室，变为t0，恒定t0比较容易此时，测得的热电势为但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。如果选用一组较廉价的材料（C、D），且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CD来替代AB的延伸段。CD即为热电偶AB的补偿导线，通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一般在0～100℃范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度一般不能高于100℃。

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3-7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4种方法。（1）水浴法图3-61

热电偶冷端温度保持０℃的方法

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（2）计算修正方法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电桥补偿法t+－RcuER1R2R3+ab－+－是仪表中最常用的一种处理方法，它利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶因冷端温度的变化而引起热电势的变化如图，电桥由R1、R2、R3（均为锰铜电阻）和RCu（热敏铜电阻）组成。在设计的冷端温度（例如t0＝0℃）时，满足R1＝R2，R3＝RCu，这时电桥平衡，无电压输出，即Uab=0，回路中的输出电势就是热电偶产生的热电势当冷端温度由t0变化到t’0时，不妨设t’0>t0，热电偶输出的热电势减小，但电桥中RCu随温度的上升而增大，于是电桥两端会产生一个不平衡电压Uab(t’0)此时回路中输出的热电势为:经过设计，可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化，即于是实现了冷端温度的自动补偿。实际的补偿电桥一般是按t0＝20℃设计的，即t0＝20℃时，补偿电桥平衡无电压输出。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。

500℃及以下。

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3-64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半导体热敏电阻：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：

式中，为温度t时对应的电阻值

A、B是取决于半导体材料和结构的常数金属热电阻和半导体热敏电阻的比较：热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有－50～300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于测量－200～500℃范围内的温度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中的应用极其广泛。√第五节温度检测及仪表2.工业常用热电