1、正版可修改PPT課件（中職）化工儀表及自動化第一章03、04、05節教學課件第三節 流量測量本節知識要點：流量檢測的主要方法和分類 節流式流量計 轉子流量計 電磁流量計 渦輪流量計 漩渦流量計 容積式流量計 其它流量檢測方法 超聲波式流量檢測 質量流量檢測方法 第一章 測量儀表本節主要問題：解釋節流原理，常用的節流裝置有哪些？ 標準節流裝置應滿足哪些使用條件？ 轉子流量計為什么要進行修正？怎樣修正？一、概述 流量通常是指單位時間內流經管道某截面的流體的數量，也就是所謂的瞬時流量；在某一段時間內流過流體的總和，稱為總量或累積流量。 體積流量以體積表示的瞬時流量用 qv 表示，單位為 m3/s 以

2、體積表示的累積流量用 Qv 表示，單位為 m3質量流量以質量表示的瞬時流量用 qm 表示，單位為 kg/s以質量表示的累積流量用 Qm 表示，單位為 kg 標態下的體積流量由于氣體是可壓縮的，流體的體積會受工況的影響，為了便于比較，工程上通常把工作狀態下測得的體積流量換算成標準狀態（溫度為20，壓力為一個標準大氣壓）下的體積流量。標準狀態下的體積流量用qvn表示，單位為Nm3/s。 第一章 測量儀表 流量檢測的主要方法和分類 流量檢測方法有很多，就測量原理而言，可以分為直接測量法和間接測量法兩類。直接測量法可以直接測量出管道中的體積流量或質量流量間接測量法則是通過測量出流體的(平均)流速，結合

3、管道的截面積、流體的密度及工作狀態等參數計算得出。 除了橢圓齒輪流量計直接測量體積流量、科里奧利力質量流量計之外，其它均基于間接法來流量測量第一章 測量儀表二、 節流式流量計 節流式流量計也稱為差壓式流量計，它是目前工業生產過程中流量測量最成熟、最常用的方法之一。 如果在管道中安置一個固定的阻力件，它的中間開一個比管道截面小的孔，當流體流過該阻力件時，由于流體流束的收縮而使流速加快、靜壓力降低，其結果是在阻力件前后產生一個較大的壓差。 壓差的大小與流體流速的大小有關，流速愈大，差壓也愈大，因此只要測出差壓就可以推算出流速，進而可以計算出流體的流量。 第一章 測量儀表(a) 標準孔板(b) 噴嘴

4、(c) 文丘里管 把流體流過阻力件使流束收縮造成壓力變化的過程稱節流過程，其中的阻力件稱為節流元件。 作為流量檢測用的節流元件有標準的和特殊的兩種。 標準節流元件包括標準孔板、標準噴嘴和標準文丘里管。 對于標準化的節流元件，在設計計算時都有統一標準的規定、要求和計算所需的有關數據及程序，可直接按照標準制造；安裝和使用時不必進行標定。 特殊節流元件主要用于特殊介質或特殊工況條件的流量檢測，它必須用實驗方法單獨標定。 相比而言，標準孔板制作最簡單，使用也最以泛，以下只介紹標準孔板。 第一章 測量儀表1231、節流原理 流動流體的能量有兩種形式：靜壓能和動能。流體由于有壓力而具有靜壓能，又由于有流動

5、速度而具有動能，這兩種形式的能量在一定條件下是可以相互轉化的。 流速靜壓第一章 測量儀表2、流量方程 123流速靜壓根據流體力學中的伯努利方程，可以推導得出節流式流量計的流量方程，也就是差壓和流量之間的定量關系式： 為流量系數 為可膨脹性系數A0為節流元件的開孔面積 為節流裝置前的流體密度P節流裝置前后實際測得的壓差 主要與節流裝置的型式、取壓方式、流體的流動狀態（如雷諾數）和管道條件等因素有關。因此，是一個影響因素復雜的綜合性參數，也是節流式流量計能否準確測量流量的關鍵所在，雷諾數大于某一數值（界限雷諾數）時，值可認為是一常數。對于標準節流裝置，可以從有關手冊中查出；對于非標準節流裝置，其值

6、要由實驗方法確定。可膨脹性系數用來校正流體的可壓縮性，它與節流元件前后壓力的相對變化量、流體的等熵指數等因素有關，其取值范圍小于等于1。對于不可壓縮性流體，1；對于可壓縮性流體，則1。應用時可以查閱有關手冊而得3、標準節流元件(孔板) 節流裝置包括節流元件、取壓裝置和符合要求的前后直管段標準節流裝置是指節流元件、取壓裝置都標準化，前后直管段符合規定要求，可以直接投入使用 標準孔板，要求： d/D 應在0.20.75之間 d不小于12.5mm 直孔厚度h應在0.005D到0.02D之間 孔板的總厚度H應在h和0.05D之間 圓錐面的斜角應在3045之間 標準噴嘴和標準文丘里管的結構參數的規定也可

7、以查閱相關的設計手冊。 有手冊可查，不要求記第一章 測量儀表4、標準取壓方式 國家規定標準的取壓方式有角接取壓、法蘭取壓和DD/2取壓。 角接取壓環隙取壓單獨鉆孔取壓夾持環流體角接取壓的兩個取壓口分別位于孔板上下端面與管壁的夾角處取壓口可以是環隙取壓口和單獨鉆孔取壓口環隙取壓利用左右對稱的兩個環室把孔板夾在中間，通常要求環隙在整個圓周上穿通管道，或者每個夾持環應至少有四個開孔與管道內部連通，每個開孔的中心線彼此互成等角度，再利用導壓管把孔板上下游的壓力分別引出當采用單獨鉆孔取壓時，取壓口的軸線應盡可能以90與管道軸線相交環隙寬度和單獨鉆孔取壓口的直徑 a 通常在410mm之間 顯然，環隙取壓由

8、于環室的均壓作用，便于測出孔板兩端的平穩差壓，能得到較好的測量精度，但是夾持環的加工制造和安裝要求嚴格。當管徑D500mm時，一般采用單獨鉆孔取壓。 化工儀表及自動化法蘭取壓和DD/2取壓 法蘭取壓裝置是由一對帶有取壓口的法蘭組成取壓口軸線距離孔板上、下端面均為25.4mm（1英寸）l1l2法蘭取壓DD/2取壓裝置是設有取壓口的管段，上、下游取壓口軸線與孔板上游端面的距離分為D和D/2（D為管道的直徑） l1(D)l2(D/2)DD/2取壓第一章 測量儀表5、節流式流量計的安裝 原理總結：節流裝置引壓管差壓變送器顯示儀表/控制器在各種標準的節流裝置中以標準孔板的應用最為廣泛，它具有結構簡單、安

9、裝使用方便的特點，適用于大流量的測量。孔板的最大缺點是流體流經節流元件后壓力損失較大，當工藝管路不允許有較大的壓力損失時，一般不宜選用孔板流量計。標準噴嘴和標準文丘里管的壓力損失較小，但結構比較復雜，不易加工。雖然節流式流量計的應用非常廣泛，但是如果使用不當往往會出現很大的測量誤差，有時甚至高達1020。下面列舉一些造成測量誤差的原因，以便在安裝使用過程中得到充分的注意，并予以適當的解決。 差壓變送器的安裝如前所述 流體在管道中正常流動（v、p）節流元件使流體收束，流速增大，壓力降低節流元件前后出現“壓差”“壓差”與流量有關再采用差壓變送器，將差壓信號轉換為統一的標準信號，便于顯示及控制 第一

10、章 測量儀表6、節流式流量計的使用特點和要求標準孔板應用廣泛，它具有結構簡單、安裝方便的特點，適用于大流量的測量。孔板測量的壓損大，當不允許有較大的管道壓損時，便不宜采用。在一般場合下，仍采用孔板為多。標準噴嘴和標準文丘里管的壓力損失較孔板為小，但結構比較復雜，不易加工。標準節流裝置僅適用于測量管道直徑大于50mm，雷諾數在104105以上的流體；流體應當清潔，充滿全部管道，不發生相變；為保證流體在節流裝置前后為穩定的流動狀態，在節流裝置的上、下游必須配置一定長度的直管段（與管徑、節流元件的開孔面積以及管路上的彎頭數都有關系）節流裝置經過長時間的使用，會因物理磨損或者化學腐蝕，造成幾何形狀和尺

11、寸的變化，從而引起測量誤差，因此需要及時檢查和維修，必要時更換新的節流裝置 第一章 測量儀表7、節流式流量計誤差產生的原因實際工況與設計要求不符，如：溫度、壓力、濕度以及相應的流體重度、粘度、雷諾數等參數數值發生變化，則會造成較大的誤差。為了消除這種誤差，必須按新工藝重新設計計算，或加以必要的修正。節流裝置安裝不正確節流裝置安裝不正確，在安裝時，特別要注意節流裝置的安裝方向。在使用中，要保持節流裝置的清潔。如在節流裝置處防止有沉淀、結焦、堵塞等現象。節流裝置的磨損，應注意日常檢查、維修，必要時應換用新的孔板。導壓管安裝不正確，或有諸塞、滲漏現象，第一章 測量儀表三、 轉子流量計 在工業生產中經

12、常遇到小流量的測量，因其流體的流速低，這就要求測量儀表有較高的靈敏度，才能保證一定的精度。轉子流量計特別適宜于測量管徑50mm以下管道的流量，測量的流量可小到每小時幾升。 h孔板流量計：節流面積不變流量變化壓差發生變化轉子流量計：壓差不變流量變化節流面積發生變化轉子流量計主要由兩個部分組成： 一是由下往上逐漸擴大的錐形管（通常用透明玻璃制成） 二是放在錐形管內可自由運動的轉子。被測流體由錐形管下端進入，流經轉子與錐形管之間的環隙，再從上端流出。 當流體流過的時候，位于錐形管中的轉子受到向上的一個力，使其浮起。當這個力正好等于轉子重量減去流體對轉子的浮力，此時轉子就停浮在一定的高度上。 若流體流

13、量突然由小變大時，作用在轉子上的向上的力就加大，轉子上升，環隙增大，即流通面積增大。隨著環隙的增大，使流體流速變慢，流體作用在轉子上的向上力也就變小。這樣，轉子在一個新的高度上重新平衡。這樣，轉子在錐形管中平衡位置的高低h與被測介質的流量大小相對應。 第一章 測量儀表流量方程轉子的平衡關系： V為轉子的體積；t和f分別為轉子和流體的密度；g為重力加速度；P為轉子前后的壓差；A為轉子的最大截面積 轉子和錐形管間的環隙面積相當于節流式流量計的節流孔面積，但它是變化的，并與轉子高度h成近似的線性關系，因此，轉子流量計的流量公式可以表示為： 式中：為儀表常數；h為轉子浮起的高度。 流量與轉子高度h成線

14、性關系式中的其它參數為常數轉子流量計的錐形管一般采用透明材料制成，在錐形管上刻有流量讀數，用戶只要根據轉子高度來讀取讀數。轉子流量計一般只適用于就地指示。對配有電遠傳裝置的轉子流量計，也可以把反應流量大小的轉子高度h轉換為電信號，傳送到其它儀表進行顯示、記錄或控制。 第一章 測量儀表流量修正 由于轉子流量計在生產的時候，是在工業基準狀態（20，0.10133Mpa）下用水或空氣進行刻度的。如果工作狀態不同，必須對流量指示值按照實際被測介質的密度、溫度、壓力等參數的具體情況進行修正。 液體流量測量時的修正 如果某轉子流量計的轉子高度為h，如果介質為20的水，則流量qv0與h的關系滿足：式中：qv

15、0為用水標定時的流量刻度 w為水的密度 如果介質不是20的水，則流量qvf與h的關系滿足：qvf和f分別為被測介質的實際流量和密度 如果被測介質的粘度和水的粘度相差不大，可以近似認為是常數，則有 刻度流量實際流量修正系數第一章 測量儀表例 3.1現有一只以水標定的轉子流量計用來測量苯的流量，已知轉子的材料為不銹鋼（密度7.9g/cm3），苯的密度為0.83g/cm3 ，請問流量計讀數為3.6L/s時，苯的實際流量是多少？解：修正公式因此質量流量的修正公式第一章 測量儀表氣體流量測量時的修正 假設實際被測氣體的密度為f，因此被測流體流量Qf與指示值Q0的關系是： 通常，氣體流量需要把它轉化成工業

16、基準狀態（T020293K，P01.0133105Pa） 記被測時的壓力和溫度分別為：Pf、Tf，所以被測流體對應標準狀態的體積流量為： 此時的密度f還是實際密度，由于測量的困難，也需要把它轉化成標態下的密度更為方便： 于是有修正公式 溫度單位是絕對溫標，壓力為絕對壓力。（P0=1.0133*105Pa，T0=293K）0 空氣標準狀態密度（1.293kg/m3）f0 被測介質標準狀態密度 Q0 顯示流量 Qf0 實際流量（標準狀態） 第一章 測量儀表轉子流量計的特點 轉子流量計主要適合于檢測中小管徑、較低雷諾數的中小流量； 流量計結構簡單，使用方便，工作可靠，儀表前直管段長度要求不高； 流量

17、計的基本誤差約為儀表量程的土2，量程比可達10：1 流量計的測量精度易受被測介質密度、粘度、溫度、壓力、純凈度、安裝質量等的影響。第一章 測量儀表四、 電磁流量計 基本工作原理 導體切割磁力線，會產生電動勢 適用場合 可以檢測具有一定電導率的酸、堿、鹽溶液，腐蝕性液體以及含有固體顆粒的的液體測量，但不能檢測氣體、蒸汽和非導電液體的流量。 流量公式 當導電的流體在磁場中以垂直方向流動而切割磁力線時，就會在管道兩邊的電極上產生感應電勢，感應電勢的大小與磁場的強度、流體的速度和流體垂直切割磁力線的有效長度成正比： 式中：Ex為感應電勢；K為比例系數；B為磁場強度；D為管道直徑；v為垂直于磁力線的流體

18、流動速度。 在管道直徑D已經確定，磁場強度B維持不變時，流體的體積流量與磁感應電勢成線性關系。利用上述原理制成的流量檢測儀表稱為電磁流量計。 第一章 測量儀表電磁流量計的特點測量導管內無可動或突出于管道內部的部件，因而壓力損失極小；只要是導電的，被測流體可以是含有顆粒、懸浮物等，也可以是酸、堿、鹽等腐蝕性物質；流量計的輸出電流與體積流量成線性關系，并且不受液體的溫度、壓力、密度、粘度等參數的影響；電磁流量計的量程比一般為10:1，精度較高的量程比可達100:1；測量口徑范圍大，可以從lmm到2m以上，特別適用于lm以上口徑的水流量測量；測量精度一般優于0.5級；電磁流量計反應迅速，可以測量脈動

19、流量；主要缺點： 被測流體必須是導電的，不能小于水的電導率 不能測量氣體、蒸汽和石油制品等的流量 由于襯里材料的限制，一般使用溫度為0200； 因電極嵌裝在測量導管上的，使工作壓力限制(一般0.25MPa）第一章 測量儀表電磁流量計的安裝可以水平安裝，也可以垂直安裝，但要求液體充滿管道；直管段要求：前10D，后5D以上；遠離磁場；變送器前后管道有時帶有較大的雜散電流，一般要把變送器前后11.5m出和變送器外殼連接在一起，共同接地。 第一章 測量儀表五、 渦輪流量計 基本工作原理 流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉，渦輪的旋轉速度隨流量的變化而變化，通過渦輪外的磁電轉換裝置可將渦輪的旋轉轉換成電脈沖

20、SN流量方程 qv特點和要求 流量與渦輪轉速之間成線性關系，量程比一般為1O：1；渦輪流量計的測量精度較高，可達到0.5級以上；反應迅速，可測脈動流量；主要用于中小口徑的流量檢測；僅適用潔凈的被測介質，通常在渦輪前要安裝過濾裝置；流量計水平安裝，前后需一定長度的直管段，一般上游側和下游側的直管段長度要求在10D和5D以上；常溫下用水標定，當介質的密度和粘度發生變化時需重新標定或進行補償第一章 測量儀表六、 漩渦流量計 基本工作原理 把一個漩渦發生體（非流線型對稱物體）垂直插在管道中，當流體繞過漩渦發生體時會在其左右兩側后方交替產生旋轉方向相反的漩渦，形成渦列，該漩渦列就稱為卡門渦街只有當兩列漩

21、渦的間距h與同列中相鄰漩渦的間距l滿足為hl0.281條件時，卡門渦列才是穩定的。且單列漩渦產生的頻率f與流體流速v成正比，與柱體的特征尺寸d（漩渦發生體的迎面最大寬度）成反比，即： 流量方程 St稱為斯特勞哈爾數（無因次數），St主要與漩渦發生體的形狀和雷諾數有關。在雷諾數為5000150000的范圍內，St基本上為一常數。 特點和要求 渦街流量計輸出信號（頻率）不受流體物性和組分變化的影響，在一定的雷諾數范圍內，幾乎不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等變化的影響，故用水或空氣標定的漩渦流量計可用于其他液體和氣體的流量測量而不需標定；管道內無可動部件，使用壽命長，壓力損失小；測量精度高（約為士

22、0.51），量程比20:1；尤其適用于大口徑管道的流量測量。但是流量計安裝時要求有足夠的直管段長度，上游和下游的直管段分別要求不少于2OD和5D，漩渦發生體的軸線應與管路軸線垂直。 第一章 測量儀表七、 橢圓齒輪流量計直接測量基本工作原理 “一碗一碗”計量V轉子每旋轉一周，就排出四個由橢圓齒輪與外殼圍成的半月形空腔的流體體積(4V)。在V一定的情況下，只要測出流量計的轉速n就可以計算出被測流體的流量 流量方程 特點和要求 計量精度高，一般可達0.20.5級，有的甚至能達到0.1級安裝直管段對計量精度影響不大，量程比一般為10:1一般只適用于10150mm的中小口徑。容積式流量計對被測流體的粘度

23、變化不敏感，特別適合于測量高粘度的流體（例如重油、樹脂等）甚至糊狀物的流量，但要求被測介質干凈，不含固體顆粒，所以一般情況下，流量計前要裝過濾器。由于受零件變形的影響，容積式流量計一般不宜在高溫或低溫下使用。 第一章 測量儀表八、 其它科里奧利力質量流量計基本工作原理 （實驗） 將充水軟管（水不流動）兩端懸掛，使其中段下垂成U形，靜止時，U形的兩管處于同一平面，并垂直于地面，左右擺時，兩管同時彎曲，仍然保持在同一曲面 若將軟管與水源相接，使水由一端流入，從另一端流出（如圖b和c）。當U形管受外力作用向右左擺動時，它將發生扭曲。扭曲的方向總是出水側的擺動要早于人水側； 隨著質量流量的增加，這種現

24、象變得更加明顯，出水側擺動相位超前于入水側更多。 這就是科氏力質量流量的檢測原理，它利用兩管的振動（擺動）相位差來反映流經該U形管的質量流量第一章 測量儀表利用科氏力構成的質量流量計有直管、彎管、單管、雙管等多種形式雙彎管型是最常見它由兩根金屬U形管組成，其端部連通并與被測管路相連。這樣流體可以同時在兩個U形管內流動在兩管的中間A、B、C三處各裝有一組壓電換能器換能器A在外加交變電壓作用下產生交變力，使兩根U形管彼此一開一合地振動，相當于兩根軟管按相反方向不斷擺動換能器B和C用來檢測兩管的振動情況由于B處于進口側，C處于出口側，則根據出口側振動相位超前于進口側的規律，C輸出的交變信號的相位將超

25、前于B某個相位此相位差的大小與質量流量成正比 科里奧利力質量流量計若將這兩個交流信號相位差經過電路進一步轉換成直流420mA等標準信號，就成為質量流量變送器。 特點和要求 科氏力質量流量計的測量精度較高，主要用于粘度和密度相對較大的單相和混相流體的流量測量由于結構等原因，這種流量計適用于中小尺寸的管道的流量檢測。 第一章 測量儀表間接式質量流量測量（其它略）第一章 測量儀表第四節 物位測量第一章 測量儀表本節知識要點：差壓式物位儀表 浮力式物位儀表 電容式物位儀表 輻射式物位儀表 本節主要問題：測量物位有哪些方法？ 什么是零點遷移？如何解決？一、 概述 幾個概念在容器中液體介質的高低叫液位，容

26、器中固體或顆粒狀物質的堆積高度叫料位測量液位的儀表叫液位計，測量料位的儀表叫料位計測量兩種密度不同液體介質的分界面的儀表叫界面計在物位檢測中，有時需要對物位進行連續檢測，有時只需要測量物位是否達到某一特定位置，用于定點物位測量的儀表稱為物位開關 物位檢測的作用控制、計量、報警等。 檢測方法分類直讀式物位儀表：玻璃管液位計、玻璃板液位計等。差壓式物位儀表：利用液柱或物料堆積對某定點產生壓力的原理而工作。浮力式物位儀表：利用浮子高度或浮力隨液位高度而變化的原理工作。電磁式物位儀表：使物位的變化轉換為一些電量的變化，如電容核輻射物位儀表：利用射線透過物料時其強度隨物質層的厚度而變化的原理聲波式物位儀

27、表：由于物位的變化引起聲阻抗的變化、聲波的遮斷和聲波反射距離的不同，測出這些變化就可測知物位。根據工作原理分為聲波遮斷式、反射式和阻尼式。光學式物位儀表：利用物位對光波的遮斷和反射原理工作第一章 測量儀表二、 差壓式液位計 基本工作原理 如圖（a）所示 P=gH 測出差壓P的大小，便知液位H的高低。零點遷移 P=1gH P=1gH -2g（h2-h1） P=1gH +1gh1 零點遷移的目的：使H0時，變送器輸出為Iomin為零（如電動儀表中4mA）無遷移 負遷移 遷移量： -2g（h2-h1） 正遷移 遷移量： 1gh1 第一章 測量儀表由于安裝的位置不同會造成液位為零差壓不為零的問題。例

28、3.2 已知1=1200kg/m3，2=950kg/m3，h1=1m，h2=5m，液位變化范圍02.5米，求：變送器的量程和遷移量。解 Hmax1g=2.5*1200*9.8=29400Pa變送器量程可選為：40kPa當H=0時，-2g（h2-h1）=-4*950*9.8=-37.24 kPa變送器需要進行負遷移，遷移量為37.24 kPa 結論：差壓式液位變送器，事實上就是一個差壓變送器，無非液位變送器的輸出與液位高度H成線性關系因此，差壓式液位變送器的安裝與前面所述的差壓變送器的安裝是完全相同的。為了解決測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及粘度大、易凝固等液體液位時，引壓管線容易出現被腐蝕、被

29、堵塞的問題，應使用在導壓管人口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器（壓力信號的遠傳裝置），分單法蘭式及雙法蘭式兩種。 第一章 測量儀表三、 浮筒式液位計 基本工作原理 浮筒GF彈F浮浮筒彈簧磁鋼室輸出指示器主要由四個基本部分組成：浮筒、彈簧、磁鋼室和輸出指示器當浮筒沉浸在液體中時，浮筒將受到向下的重力G、向上的浮力F浮和彈簧彈力F彈的復合作用彈簧的伸縮使其與剛性連接的磁鋼產生位移，再通過輸出指示器內磁感應元件和傳動裝置或變換輸出裝置，使其指示出液位或輸出與液位對應的電信號。 內置式外置式靜井特點和要求 浮筒式液位計通常有內置式和側裝外置式兩種安裝方式，測量原理完全相同，但外置式安裝更適用于溫度較高的

30、場合。 第一章 測量儀表四、 電容式物位計 基本工作原理 dDLDdLH由兩個同軸圓柱極板組成的電容器，當兩極板之間填充介電常數為1的介質時，兩極板間的電容量為： 當極板之間一部分介質被介電常數為2的另一種介質填充時，可推導出電容變化量 當電容器的幾何尺寸和介電常數保持不變時，電容變化量就與物位高度H成正比。特點和要求 電容式物位計可以用于液位的測量，也可以用于料位的測量，但要求介質的介電常數保持穩定。在實際使用過程中，當現場溫度、被測液體的濃度、固體介質的濕度或成分等發生變化時，介質的介電常數也會發生變化，應及時對儀表進行調整才能達到預想的測量精度。 說明：電容式液位計一般都是基于差壓原理測

31、量的。第一章 測量儀表五、 核輻射式物位計 基本工作原理 核輻射線（通常為射線）穿過一定厚度的被測介質時，射線的投射強度將隨介質厚度的增加而呈指數規律衰減的原理來測量物位的 輻射源接收器I0表示進入物料之間的射線強度；表示物料的吸收系數；H為物料的厚度；I為穿過介質后的射線強度。 特點和要求 核輻射式物位計屬于非接觸式物位測量儀表適用于高溫、高壓、強腐蝕、劇毒等條件苛刻的場合核射線還能夠直接穿透鋼板等介質，可用于高溫熔融金屬的液位測量使用時幾乎不受溫度、壓力、電磁場的影響。但由于射線對人體有害，因此射線的劑量應嚴加控制，且須切實加強安全防護措施 (工業現場一般不優先考慮使用核輻射式物位計)第一

32、章 測量儀表第五節 溫度測量第一章 測量儀表本節知識要點：溫度檢測的主要方法和分類 熱電偶及其測溫原理 熱電阻及其測溫原理 溫度變送器簡介 其它溫度檢測儀表簡介 溫度檢測儀表的選用和安裝本節主要問題：熱電偶與顯示儀表連接時，為什么要用補償導線？使用補償導線應注意什么？什么叫冷端溫度補償？冷端溫度補償有哪幾種補償方法？試述電子自動平衡電橋的工作原理，比較與電子自動電位差計的異同點？測量物位有哪些方法？測溫方式 測溫儀表 測溫范圍 主要特點 接觸式 膨脹式 玻璃液體 100600 結構簡單、使用方便、測量準確、價格低廉；測量上限和精度受玻璃質量的限制，易碎，不能遠傳 雙金屬 80600 結構緊湊、

33、可靠；測量精度低、量程和使用范圍有限 熱電效應 熱電偶 2001800 測溫范圍廣、測量精度高、便于遠距離、多點、集中檢測和自動控制，應用廣泛；需自由瑞溫度補償，在低溫段測量精度較低 熱阻效應 鉑電阻 200600 測量精度高，便于遠距離、多點、集中檢測和自動控制，應用廣泛；不能測高溫 銅電阻 50150 半導體熱敏電阻 50150 靈敏度高、體積小、結構簡單、使用方便；互換性較差，測量范圍有一定限制 非接觸式 非接觸式 輻射式 03500 不破壞溫度場，測溫范圍大，響應塊，可測運動物體的溫度；易受外界環境的影響，標定較困難 一、 溫度檢測方法和分類第一章 測量儀表二、 熱電偶及其測溫原理熱電

34、效應和熱電偶 熱電偶中間導體定律 與 熱電勢的檢測 熱電偶的等值替代定律 和 補償導線 標準化熱電偶和分度表 熱電偶冷端溫度的處理 熱電偶的結構型式 第一章 測量儀表1、熱電效應和熱電偶 熱電效應（熱電偶測溫的基本原理）：任何兩種不同的導體或半導體組成的閉合回路，如果將它們的兩個接點分別置于溫度各為 t 及 t0 的熱源中，則在該回路內就會產生熱電勢。ABBA圖3-37 熱電偶示意圖A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)圖3-38 熱電現象 t 端稱為工作端(假定該端置于熱源中)，又稱測量端或熱端 t0端稱為自由瑞，又稱參考端或冷端這兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電

35、偶每根單獨的導體或半導體稱為熱電極 第一章 測量儀表A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)閉合回路中所產生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成： 下標A表示正電極，B表示負電極，由于溫差電勢比接觸電勢小很多，常常把它忽略不計，這樣熱電偶的電勢可表示為： 注意：如果下標次序改為eBA，則熱電勢e前面的符號也應相應改變，即式(i)就是熱電偶測溫的基本公式。當冷端溫度t0一定時，對于確定的熱電偶來說，eAB(t0)為常數，因此，其總熱電勢EAB(t,t0)就與溫度t成單值函數對應關系，和熱電偶的長短、直徑無關。只要測量出熱電勢大小，就能判斷被測溫度的高低，這就是熱電偶的溫

36、度測量原理。 重要結論： 1.如果組成熱電偶的兩種電極材料相同，則無論熱電偶冷、熱兩端的溫度如何，閉合回路中的總熱電勢為零； 2.如果熱電偶冷、熱兩端的溫度相同，則無論兩電極材料如何，閉合回路中的總熱電勢也為零 3.熱電偶產生的熱電勢除了冷、熱兩端的溫度有關之外，還與電極材料有關，也就是說由不同電極材料制成的熱電偶在相同的溫度下產生的熱電勢是不同的。 第一章 測量儀表2、中間導體定律和熱電勢的測量 熱電偶的輸出信號是毫伏信號，毫伏信號的大小不僅與冷、熱兩端的溫度有關，還和熱電偶的電極材料有關，理論上任何兩種不同導體都可以組成熱電偶，都會產生熱電勢。但如何來檢測熱電偶產生的毫伏信號呢？ 因為要測

37、量毫伏信號，必須在熱電偶回路中串接毫伏信號的檢測儀表，那串接的檢測儀表是否會產生額外的熱電勢，對熱電偶回路產生影響呢？答：不會產生影響的。tt0ABCC毫伏計第一章 測量儀表如果斷開冷端，接入第三種導體C，并保持A和C、B和C接觸處的溫度均為t0，則回路中的總熱電勢等于各接點處的接觸電勢之和: 中間導體定律tABCt0t0ABtt0當tt0時，有于是可得： 同理還可以證明，在熱電偶中接入第四種、第五種導體以后，只要接入導體的兩端溫度相同，接入的導體對原熱電偶回路中的熱電勢均沒有影響。 根據這一性質，可以在熱電偶回路中接入各種儀表和連接導線，只要保證兩個接點的溫度相同就可以對熱電勢進行測量而不影

38、響熱電偶的輸出。 tt0ABCC毫伏計第一章 測量儀表中間導體定律例3.3 求熱電偶回路的電勢。 已知：eAB(240)=9.747mV，eAB(50)=2.023mV，eAC(50)=3.048mV，eAC（l0）=0.591mV。 解一：E=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10)， 而 eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0 E= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV解二：利用中間導體定律 E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10) = eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-

39、eCA(50)=10.181 mV 。 第一章 測量儀表3、等值替代定律和補償導線如果熱電偶AB在某一溫度范圍內所產生的熱電勢與熱電偶CD在同一溫度范圍內所產生的熱電勢相等，即 ，則這兩支熱電偶在該溫度范圍內是可以相互替換的，這就是所謂的熱電偶等值替代定律。 t0tAAABBBDCtt0tctc例 如左圖，設 ，證明該回路的總熱電勢為 第一章 測量儀表某熱電偶，熱端溫度為t，冷端溫度為tc，顯然冷端溫度難以實現恒定，怎么辦？DC補償導線冷端的延伸ttcAB熱電偶被測設備生產現場t0毫伏計恒溫環境AB可以把熱電偶做得很長，一直到控制室。把冷端溫度延伸到控制室，變為t0，恒定t0比較容易此時，測得

40、的熱電勢為但熱電偶一般為（較）貴重的金屬，采用如圖所示的延伸方式將需要大量的貴金屬材料，不妥。如果選用一組較廉價的材料（C、D），且CD在一定溫度范圍內所產生的熱電勢與熱電偶AB在同一溫度范圍內所產生的熱電勢相等，就可以用CD來替代AB的延伸段。CD即為熱電偶AB的補償導線，通常CD采用比熱電偶電極材料更廉價的兩種金屬材料做成，一般在0100范圍內要求補償導線要與被補償的熱電偶具有幾乎完全相同的熱電性質。在選擇和使用補償導線時，要和熱電偶的型號相匹配，注意極性不能接錯，熱電偶與補償導線連接處的溫度一般不能高于100。 第一章 測量儀表4、標準化熱電偶和分度號 從理論上分析，似乎任何兩種不同的導

41、體都可以組成熱電偶，用來測量溫度。但實際情況并非如此，為了保證在工業現場應用可靠，并具有足夠的精度，熱電偶的電極材料在被測溫度范圍內應滿足： 熱電性質穩定、物理化學性能穩定、熱電勢隨溫度的變化率要大、熱電勢與溫度盡可能成線性對應關系、具有足夠的機械強度、復制性和互換性好等要求，目前在國際上被公認的熱電偶材料只有幾種。 附錄中列出了幾種常用的標準熱電偶分度表。根據標準規定，熱電偶的分度表是以t00為基準進行分度的。當t0時，所有型號熱電偶產生的熱電勢為0mV；當tt0，熱電偶輸出的熱電勢減小，但電橋中RCu隨溫度的上升而增大，于是電橋兩端會產生一個不平衡電壓Uab(t0 )此時回路中輸出的熱電勢

42、為:經過設計，可使電橋的不平衡電壓等于因冷端溫度變化引起的熱電勢變化，即于是實現了冷端溫度的自動補償。實際的補償電橋一般是按t020設計的，即t020時，補償電橋平衡無電壓輸出。 第一章 測量儀表第一章 測量儀表6、熱電偶的結構形式熱電偶廣泛應用于各種條件下的溫度測量，尤其適用于500以上較高溫度的測量，普通型熱電偶和鎧裝型熱電偶是實際應用最廣泛的兩種結構。 接線盒保護套管絕緣管熱電偶安裝法蘭引線口普通型熱電偶普通型熱電偶主要由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等主要部分組成。貴重金屬熱電極的直徑一般為0.30.65mm，普通金屬熱電極的直徑一般為0.53.2mm；熱電極的長度由安裝條件和插入深

43、入而定，一般為3502000mm。絕緣管用于防止兩根電極短路保護套管用于保護熱電極不受化學腐蝕和機械損傷材料的選擇因工作條件而定普通型熱電偶主要有法蘭式和螺紋式兩種安裝方式第一章 測量儀表鎧裝型熱電偶熱電極 絕緣材料 金屬套管熱電極絕緣材料鎧裝型熱電偶斷面結構鎧裝型熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者經過拉伸加工成型的金屬套管一般為銅、不銹鋼、鎳基高溫合金等保護套管和熱電極之間填充絕緣材料粉末，常用的絕緣材料有氧化鎂、氧化鋁等。鎧裝型熱電偶可以做得很細，一般為28mm，在使用中可以隨測量需要任意彎曲。鎧裝熱電偶具有動態響應快、機械強度高、抗震性好、可彎曲等優點，可安裝在結構較復雜的裝置上，

44、應用十分廣泛。 第一章 測量儀表三、 熱電阻及其測溫原理熱電阻的測溫原理工業上常用的金屬熱電阻 熱電阻的信號連接方式 熱電阻的結構型式第一章 測量儀表1、熱電阻的測溫原理在工業應用中，熱電偶一般適用于測量500以上的較高溫度。對于500以下的中、低溫度，熱電偶輸出的熱電勢很小，這對二次儀表的放大器、抗干擾措施等的要求就很高，否則難以實現精確測量；而且，在較低的溫度區域，冷端溫度的變化所引起的相對誤差也非常突出。所以測量中、低溫度，一般使用熱電阻溫度測量儀表較為合適。熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出被

45、測溫度。目前，主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。 金屬熱電阻：金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示： 式中， 為溫度t時對應的電阻值 為溫度t0(通常t00)時對應的電阻值 為溫度系數。 第一章 測量儀表半導體熱敏電阻：半導體熱敏電阻的阻值和溫度的關系為： 式中， 為溫度t時對應的電阻值 A、B是取決于半導體材料和結構的常數 金屬熱電阻和半導體熱敏電阻的比較：熱敏電阻的溫度系數更大，常溫下的電阻值更高（通常在數千歐以上），但互換性較差，非線性嚴重，測溫范圍只有50300左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于測量200500范圍內的溫度測量，其特點測

46、量準確、穩定性好、性能可靠，在過程控制領域中的應用極其廣泛。 第一章 測量儀表工業上常用的金屬熱電阻 從電阻隨溫度的變化來看，大部分金屬導體都有這種性質，但并不是都能用作測溫熱電阻，作為熱電阻的金屬材料一般要求： 盡可能大而且穩定的溫度系數、電阻率要大、在使用的溫度范圍內具有穩定的化學和物理性能、材料的復制性好、電阻值隨溫度變化要有單值函數關系（最好呈線性關系）。 我國最常用的鉑熱電阻有R010、R0100和R01000等幾種， 它們的分度號分別為Pt10、 Pt100 和 Pt1000；銅熱電阻有R050和R0100兩種，分度號分別為Cu50和 Cu100其中 Pt100 和 Cu50 的應

47、用更為廣泛 第一章 測量儀表熱電阻的信號連接方式 熱電阻是把溫度變化轉換為電阻值變化的一次元件，通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它二次儀表上。常用的引線方式有三種：ER1R2R3二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號。這種引線方式最簡單但由于連接導線必然存在引線電阻r，r的大小與導線的材質和長度等因素有關很明顯，圖中的因此，這種引線方式只適用于測量精度要求較低的場合。 第一章 測量儀表ER1R2R3三線制：在熱電阻根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制 這種方式通常與電橋配套使用，可以較好地消除引線電阻的影響，是工業過程中最常用的引線方式。

48、IIABC事實上電橋上R1R2Rt、R3，經過設計可以使兩個橋臂上的電流相等，均為I，且I幾乎不受Rt的影響三線制的連接，每根線上同樣也存在導線電阻r此時，UiUAC？可以起到調零的作用四線制：在熱電阻根部兩端各連接兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流Is，把Rt轉換為電壓信號Ui，再通過另兩根引線把Ui引至二次儀表。可見這種引線方式可以完全消除引線電阻的影響，主要用于高精度的溫度檢測。 第一章 測量儀表四、 溫度變送器簡介 DDZ-III型溫度變送器 一體化溫度變送器智能式溫度變送器 第一章 測量儀表1、DDZIII型溫度變送器 分為熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器兩

49、種熱電偶溫度變送器：把mV信號轉換為標準電流輸出熱電阻溫度變送器：把信號轉換為標準電流輸出最終要求：變送器輸出電流Io應與被測溫度t成線性對應關系熱電偶溫度變送器應主要要解決：冷端溫度補償和線性化處理兩個內容熱電偶溫度變送器輸入熱電勢毫伏信號，輸入回路即是冷端溫度自動補償橋路，其產生的補償電勢與熱電勢相加后作為測量電勢，因此補償電橋上的參數與熱電偶分度號有關，熱電偶溫度變送器使用時要注意分度號的匹配。線性化處理電路熱電阻溫度變送器應主要要解決：克服引線電阻的影響和線性化處理兩個內容采用三線制輸入方式。線性化處理電路第一章 測量儀表2、一體化溫度變送器 分為一體化熱電偶溫度變送器和一體化熱電阻溫度變送器兩種熱電偶溫度變送器：把mV信號轉換為標準電流輸出熱電阻溫度變送器：把信號轉換為標準電流輸出所謂一體化溫度變送器，是指將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或專用接線盒內,變送器模塊和測溫元件形成一個整體，可直接安裝在被測設備上，輸出為統一標準信號420mA。這種變送器具有體積小、重量輕、現場安裝方便等優點，因而在工業生產中得到廣泛應用。 由于一體化溫度變送器直接安裝在現場，但由于變送器模塊內部的集成電路一般情況下工作溫度在20+80范圍內，超過這一范圍，電子器件的性能會發生變化，變送器將不能正常工作，因此在使用中應特別注意變送器模塊所處的環境溫度。 一體化溫度變送器品種較多，