簡單控制系統構成回顧：簡單控制系統的方塊圖目前一頁\總數一百四十九頁\編于十二點

本章主要內容：3.1概述3.2溫度檢測3.3流量檢測3.4壓力檢測3.5物位檢測3.8變送器3.9現代傳感器技術的發展目前二頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.1概述3.1.0檢測變送的重要性3.1.1測量誤差3.1.2儀表性能指標目前三頁\總數一百四十九頁\編于十二點

在過程自動化中要通過檢測元件獲取生產工藝變量，最常見變量是溫度、壓力、流量、物位（四大參數）。檢測元件又稱為敏感元件、傳感器，它直接響應工藝變量，并轉化成一個與之成對應關系的輸出信號。這些輸出信號包括位移、電壓、電流、電阻、頻率、氣壓等。3.1.0檢測變送的重要性目前四頁\總數一百四十九頁\編于十二點由于檢測元件的輸出信號種類繁多，且信號較弱不易察覺，一般都需要將其經過變送器處理，轉換成標準統一的電氣信號（如4～20mA或0～10mA直流電流信號,20～100KPa氣壓信號）送往顯示儀表，指示或記錄工藝變量，或同時送往控制器對被控變量進行控制。有時將檢測元件、變送器及顯示裝置統稱為檢測儀表,或者將檢測元件稱為一次儀表，將變送器和顯示裝置稱為二次儀表。目前五頁\總數一百四十九頁\編于十二點檢測——實施正確控制的第一步變送——將檢測元件輸出的各種信號、微弱信號轉化成統一(標準)的電氣信號。靜態：正確——y(t)正確反映c(t)的值可靠——長期工作動態：迅速——y(t)迅速反映c(t)的變化過程控制對檢測儀表要求：目前六頁\總數一百四十九頁\編于十二點

測量誤差(1)絕對誤差：儀表的指示值與被測量的真值之間的差值。(2)相對誤差（儀表引用誤差）測量誤差：檢測儀表獲得的被測值與實際被測變量真實值之間的差距。理論上：實際上：絕對誤差與儀表的量程之比。目前七頁\總數一百四十九頁\編于十二點(3)允許誤差(4)附加誤差——由于外界環境條件變化以及儀表波動等外界因素引起的誤差。目前八頁\總數一百四十九頁\編于十二點

儀表性能指標精確度（精度）——表示儀表測量結果的可靠程度。

儀表的精度等級是按國家統一規定的允許誤差大小來劃分成若干等級的。儀表精度等級數值越小，說明儀表測量準確度越高。精度等級：允許誤差去掉“±”號及“%”后，系列化圓整后的數值。目前九頁\總數一百四十九頁\編于十二點

儀表的精度等級以一定的符號形式表示在儀表標尺板上，如1.0外加一個圓圈或三角形。精度等級1.0，說明該儀表允許誤差為1.0%。目前我國生產的儀表的精度等級有：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等1.01.0目前十頁\總數一百四十九頁\編于十二點[例1]某臺測溫儀表的量程是600--1100℃，其最大絕對誤差為±4℃，試確定該儀表的精度等級。

由于國家規定的精度等級中沒有0.8級儀表，而該儀表的最大引用誤差超過了0.5級儀表的允許誤差，所以這臺儀表的精度等級應定為1.0級。解儀表的最大允許誤差為目前十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點[例2]某臺測溫儀表的量程是600--1100℃，工藝要求該儀表指示值的誤差不得超過±4℃，應選精度等級為多少的儀表才能滿足工藝要求。±0.8%介于允許誤差±0.5%與±1.0%之間，如果選擇允許誤差為±1.0%,則其精度等級應為1.0級。量程為600～1100℃，精確度為1.0級的儀表，可能產生的最大絕對誤差為±5℃，超過了工藝的要求。所以只能選擇一臺允許誤差為±0.5%，即精確度等級為0.5級的儀表，才能滿足工藝要求。解根據工藝要求，儀表的最大允許誤差為目前十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點結論：校表：選表：儀表量程的上限：Ymax:4/3~3/2倍（被測變量）波動較大時：3/2~2倍（被測變量）下限：一般地，被測變量的值不低于全量程的1/3。

儀表精度與量程有關，量程是根據所要測量的工藝變量來確定的。在儀表精度等級一定的前提下適當縮小量程，可以減小測量誤差，提高測量準確性。目前十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點(2)變差——在外界條件不變的情況下，使用同一臺儀表對某一變量進行正反行程測量時對應于同一測量值所得的儀表讀數之間的差異。注意：儀表的變差不能超出儀表的允許誤差。(3)線性度

——衡量儀表實際特性偏離線性程度的指標。線性度差就要降低儀表精度。圖3.1線性度目前十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點(4)靈敏度和分辨率靈敏度：儀表的輸出變化量與引起此變化的輸入變化量的比值，即靈敏度=△Y/△X對于模擬式儀表而言，ΔY是儀表指針的角位移或線位移。靈敏度反映了儀表對被測量變化的靈敏程度。目前十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點分辨率（儀表靈敏限）：儀表輸出能分辨和響應的最小輸入變化量。分辨率是靈敏度的一種反映。對于數字式儀表而言，分辨率就是數字顯示器最末位數字間隔代表被測量的變化與量程的比值。目前十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點(5)動態誤差

由于儀表動作的慣性延遲和測量傳遞滯后，當被測量突然變化后必須經過一段時間才能準確顯示出來，這樣造成的誤差。注：在工業生產中被測量變化較快是不能忽略動態誤差。目前十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.2溫度檢測3.2.1溫度檢測方法3.2.2熱電偶3.2.3熱電阻3.2.4熱電偶、熱電阻的選用目前十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.2.1溫度檢測方法按測溫元件是否與被測對象接觸分為：

接觸式：非接觸式：目前十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點接觸式：測溫元件與被測對象接觸，依靠傳熱和對流進行熱交換。優點：結構簡單、可靠，測溫精度較高。缺點：由于測溫元件與被測對象必須經過充分的熱交換且達到平衡后才能測量，這樣容易破壞被測對象的溫度場，同時帶來測溫過程的延遲現象，不適于測量熱容量小的對象、極高溫的對象、處于運動中的對象。不適于直接對腐蝕性介質測量。目前二十頁\總數一百四十九頁\編于十二點非接觸式：測溫元件不與被測對象接觸，而是通過熱輻射進行熱交換，或測溫元件接收被測對象的部分熱輻射能，由熱輻射能大小推出被測對象的溫度。優點：從原理上講測量范圍從超低溫到極高溫，不破壞被測對象溫度場。非接觸式測溫響應快，對被測對象干擾小，可用于測量運動的被測對象和有強電磁干擾、強腐蝕的場合。缺點：容易受到外界因素的干擾，測量誤差較大，且結構復雜，價格比較昂貴。

目前二十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.2.2熱電偶(1)測溫原理——熱電效應圖3.2熱電偶的熱電效應（參比端、冷端、固定端）（工作端、熱端、自由端）將兩種不同材料的導體或半導體A和B連在一起組成一個閉合回路，而且兩個接點的溫度θ≠θo,則回路內將有電流產生，電流大小正比于接點溫度θ和θo的函數之差，而其極性則取決于A和B的材料。目前二十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點根據熱電偶的“中間導體定律”可知：熱電偶回路中接入第三種導體后，只要該導體兩端溫度相同，熱電偶回路中所產生的總熱電勢與沒有接入第三種導體時熱電偶所產生的總熱電勢相同；同理，如果回路中接入更多種導體時，只要同一導體兩端溫度相同，也不影響熱電偶所產生的熱電勢值。因此熱電偶回路可以接入各種顯示儀表、變送器、連接導線等。熱電偶的“中間導體定律”目前二十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點分度表：當θ0=0℃時，與溫度θ對應的數值表。（非線性）分度號：與分度表所對應的熱電偶的代號。目前二十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點常用工業熱電偶比較目前二十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點常用熱電偶類型：普通型熱電偶：(熱電偶結構類型見P27)熱電極、絕緣管、接線盒等鎧裝熱電偶多點式熱點偶防爆型熱點偶表面型熱點偶目前二十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點鎧裝熱電偶的特點·熱響應時間少，減小動態誤差；·可彎曲安裝使用；·測量范圍大；·機械強度高，耐壓性能好；目前二十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點扁接插式鎧裝熱電偶補償導線式鎧裝熱電偶防噴式鎧裝熱電偶防水式鎧裝熱電偶手柄式鎧裝熱電偶圓接插式鎧裝熱電偶圖3.3目前二十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點多點熱電偶適用于生產現場存在溫度梯度不顯著，須同時測量多個位置或位置的多處測量。廣泛應用于大化肥合成塔、存儲罐等裝置中。圖3.4多點熱電偶

目前二十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點防爆型熱電偶的原理防爆熱電偶是利用間隙隔爆原理，設計具有足夠強度的接線盒等部件，將所有會產生火花，電弧和危險溫度的零部件都密封在接線盒腔內，當腔內發生爆炸時，能通過接合面間隙熄火和冷卻，使爆炸后的火焰和溫度傳不到腔外，從而進行隔爆。

特點

·多種防爆形式，防爆性能好；

·壓簧式感溫元件，抗振性能好；

·測溫范圍大；

·機械強度高，耐壓性能好；

目前三十頁\總數一百四十九頁\編于十二點無固定裝置固定法蘭式固定螺紋式活絡管接頭式直型管接頭式圖3.5防爆型熱電偶一覽圖目前三十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點吹氣型熱電偶通過吹進氮氣或其它氣體，將有害氣體送出保護管外，從而提高熱電偶壽命。是30萬噸合成氨裝置中不可缺少的測溫裝置。另外，壓簧固定熱電偶、直角彎頭熱電偶、耐磨阻漏熱電偶等等圖3.6吹氣型熱電偶目前三十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點(2)補償導線解決參比端溫度的恒定問題。補償導線要求：價格便宜，0~100℃范圍內的熱電性質與要補償的熱電偶的熱電性質幾乎完全一樣圖3.7補償導線連接圖目前三十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點(3)熱電偶參比端溫度補償（測量的準確性）補償原理：工作端溫度θ，參比端θ0，熱電勢為因此參比端溫度補償方法：

①計算法②冰浴法③機械調零法（動圈表調零法），等級1.0以上④補償電橋法：利用參比端溫度補償器目前三十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點例如：用鎳鉻-鎳硅（K）熱電偶測溫，熱電偶參比端溫度θo=20℃，測得的熱電勢E（θ，θo）=32.479mV。由K分度表中查得E（20，0）=0.798mV,則E（θ，0）=E（θ，20）+E（20，0）

=32.479+0.798=33.277mV再反查K分度表，得實際溫度是800℃。計算法舉例：目前三十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.2.3熱電阻⑴金屬熱電阻——測溫原理是基于導體的電阻會隨溫度的變化而變化的特性。

熱電阻是利用物質在溫度變化時，其電阻也隨著發生變化的特征來測量溫度的。當阻值變化時，工作儀表便顯示出阻值所對應的溫度值。

常用熱電阻：銅電阻和鉑電阻熱電阻的結構形式：普通型、鎧裝型、專用型熱電阻通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計算機等配套使用。直接測量各種生產過程中的-200°C～500°C范圍內液體、蒸汽和氣體介質以及固體表面溫度。目前三十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點

無固定裝置熱電阻

固定螺紋式熱電阻

活動法蘭式熱電阻

固定螺紋錐式熱電阻

固定螺紋管接頭式熱電阻

活絡管接頭式熱電阻圖3.8目前三十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3.9裝配式熱電阻目前三十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點防噴式鎧裝熱電阻扁接插式鎧裝熱電阻防水式鎧裝熱電阻圓接插式鎧裝熱電阻補償導線式鎧裝熱電阻圖3.10目前三十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點端面熱電阻——適合于測量電廠汽輪機及電機軸瓦或其它機體表面溫度。防腐熱電阻——采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46，適合于石油化工各種腐蝕性介質中測溫。是氯堿行業的專用測溫儀表。圖3.11

端面熱電阻圖3.12防腐熱電阻目前四十頁\總數一百四十九頁\編于十二點微型熱電偶/熱電阻

——適用于狹小場所的溫度測量與控制。是紡織、絳綸等行業業不可缺少的溫度測量裝置。爐壁熱電偶/熱電阻

適合于電廠鍋爐爐壁，管壁及其它圓柱體表面測量。微型熱電偶/熱電阻

特殊熱電偶/熱電阻

爐壁熱電偶/熱電阻

圖3.13目前四十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點⑵半導體熱敏電阻——測溫原理是基于某些半導體材料的電阻值隨溫度的變化而變化的特性。NTC型：負溫度系數熱敏電阻，多數是此類

PTC型：正溫度系數熱敏電阻，用于位式溫度檢測

特點：結構簡單、靈敏度高、體積小、熱慣性小。缺點：非線性嚴重、互換性差、測溫范圍窄目前四十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.2.4熱電偶、熱電阻的選用(1)選用原則：較高溫度——熱電偶中低溫區——熱電阻一般以500℃為分界，但不絕對原因有兩點：(1)在中低溫區，熱電偶輸出的熱電勢很小，對測量儀表放大器和抗干擾要求很高。(2)由于參比端溫度變化不易得到完全補償，在較低溫度區內引起的相對誤差就很突出。另外，還應注意工作環境，如環境溫度、介質性質（氧化性、還原性、腐蝕性）等，選擇適當的保護套管、連接導線等。目前四十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點(2)安裝(1)選擇有代表性的測溫點位置，測溫元件有足夠的插入深度(2)熱電偶或熱電阻的接線盒的出線孔應朝下，以免積水及灰塵等造成接觸不良，防止引入干擾信號。(3)檢測元件應避開熱輻射強烈影響處。要密封安裝孔，避免被測介質溢出或冷空氣吸入而引入誤差。圖3.14熱電偶安裝目前四十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點(3)使用熱電偶：——參比端溫度補償——補償導線的極性不能接反——分度號應與配接的變送、顯示儀表分度號一致——在與采用補償電橋法進行參比端溫度補償的儀表（如電子電位差計、溫度變送器等）配套測溫時，熱電偶的參比端要與補償電阻感受相同溫度。目前四十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點熱電阻：——分度號應與配接的變送、顯示儀表分度號一致——采用三線制接法目前四十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點熱電阻溫度變送器輸入熱電阻信號給輸入回路。輸入回路是一個不平衡電橋，熱電阻即為橋路的一個橋臂。如果是金屬熱電阻，由于連接熱電阻的導線存在電阻，且導線電阻值隨環境溫度的變化而變化，從而造成測量誤差，因此實際測量時采用三線制接法。所謂三線制接法，就是從現場的金屬熱電阻兩端引出三根材質、長短、粗細均相同的連接導線，其中兩根導線被接入相鄰兩對抗橋臂中，另一根與測量橋路電源負極相連。見下圖。由于流過兩橋臂的電流相等，因此當環境溫度變化時，兩根連接導線因阻值變化而引起的壓降變化相互抵消，不影響測量橋路輸出電壓的大小。圖3.15目前四十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.3流量檢測3.3.0基本概念主要研究內容：3.3.1流量檢測的主要方法3.3.2速度式流量計（差壓式流量傳感器）3.3.3容積式流量計3.3.4質量流量計3.3.5流量儀表的選用目前四十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.3.0基本概念流量（瞬時流量）：單位時間內流過管道某一截面的流體的數量。累積流量（總流量）：某一時段內流過的流體的總合。瞬時流量在某一時段的累積量。目前四十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點流量的表示方法：質量流量(qm)：單位時間內流過某截面的流體的質量。單位：(kg/s)體積流量(qv)：單位時間內流過某截面的流體的體積。(工作狀態下)單位:(m3/s)

qm=qvρ體積流量(qvn)：折算到標準的壓力和溫度下的體積流量。（標準狀態下）

qvn=qm/ρn

qvn=qvρ/ρn目前五十頁\總數一百四十九頁\編于十二點流體的密度受流體的工作狀態（如溫度、壓力）影響。對于液體，壓力變化對密度的影響非常小，一般可以忽略不計。溫度對密度的影響要大一些，一般溫度每變化10℃時，液體密度的變化約在1%以內，所以當溫度變化不是很大，測量準確度要求不是很高的情況下，往往也可以忽略不計。目前五十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點對于氣體，密度受溫度、壓力變化影響較大，如在常溫常壓附近，溫度每變化10℃，密度變化約為3%；壓力每變化10kPa，密度約變化3%。因此在測量氣體流量時，必須同時測量流體的溫度和壓力。為了便于比較，常將在工作狀態下測得的體積流量換算成標準狀態下（溫度為20℃，壓力為101325Pa）的體積流量，用符號qVN表示，單位符號為Nm3/s。目前五十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點

生產過程中各種流體的性質各不相同，流體的工作狀態及流體的粘度、腐蝕性、導電性也不同，很難用一種原理或方法測量不同流體的流量。尤其工業生產過程，其情況復雜，某些場合的流體是高溫、高壓，有時是氣液兩相或液固兩相的混合流體。所以目前流量測量的方法很多，測量原理和流量傳感器（或稱流量計）也各不相同，從測量方法上一般可分為以下幾大類。目前五十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.3.1流量檢測的主要方法(1)測體積流量容積法：在單位時間內以標準固定體積對流動介質連續不斷地進行度量，以排出流體的固定容積數來計算流量。容積法受流體流動狀態影響較小，適用于測量高粘度、低雷諾數的流體。雷諾數是流體流動中慣性力與粘性力比值的量度,依據雷諾數的大小可以判別流動特征

如：橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、皮膜式流量計等圖3.16

LC橢圓齒輪流量計

目前五十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點速度法：平均流速乘以管道截面積求得流體的體積流量。測量平均流速的方法有：差壓式、電磁式、漩渦式、聲學式、熱學式、渦輪式差壓式

又稱節流式，利用節流件前后的差壓和流速關系，通過差壓值獲得流體的流速；電磁式導電流體在磁場中運動產生感應電勢，感應電勢大小與流體的平均流速成正比；目前五十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點旋渦式流體在流動中遇到一定形狀的物體會在其周圍產生有規則的旋渦，旋渦釋放的頻率與流速成正比；渦輪式流體作用在置于管道內部的渦輪上使渦輪轉動，其轉動速度在一定流速范圍內與管道內流體的流速成正比；

聲學式根據聲波在流體中傳播速度的變化得到流體的流速；熱學式利用加熱體被流體的冷卻程度與流速的關系來檢測流速。目前五十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點基于速度法的流量檢測儀表有:節流式流量計、靶式流量計、彎管流量計、轉子流量計、電磁流量計、旋渦流量計、渦輪流量計、超聲流量計等。目前五十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點YJLB型一體化節流式流量計YJLB型一體化節流式流量計將節流裝置和差壓變送器做成一體，繼承了節流裝置的優點，結構緊湊，成套性好，故障率低，使用安裝方便，動態特性好，提高了測量精度，可滿足各種流量測量的需要

圖3.17目前五十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3.18靶式流量計目前五十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3.1990度彎管流量計目前六十頁\總數一百四十九頁\編于十二點測質量流量直接法：直接測量質量流量。科里奧利力式流量計、量熱式流量計、角動量式流量計等。

間接法：測出體積流量和密度，經過計算得到。主要有壓力溫度補償式質量流量計。

目前六十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點質量流量計是直接測量流體流過的質量。具有精度不受流體的溫度、壓力、密度、粘度等變化影響的優點圖3.20

SITRANSFC科里奧利力質量流量計目前六十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.3.2速度式流量計（差壓式流量傳感器）

差壓式流量傳感器又稱節流式流量傳感器，它是利用管路內的節流裝置，將管道中流體的瞬時流量轉換成節流裝置前后的壓力差的原理來實現的。目前六十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3.21差壓式流量傳感器流量測量系統差壓式流量傳感器流量測量系統主要由節流裝置和差壓計（或差壓變送器）組成，如下圖所示。目前六十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點節流裝置的作用是把被測流體的流量轉換成壓差信號，差壓計則對壓差信號進行測量并顯示測量值，差壓變送器能把差壓信號轉換為與流量對應的標準電信號或氣信號，以供顯示、記錄或控制。差壓式流量傳感器發展較早，技術成熟而較完善，而且結構簡單，對流體的種類、溫度、壓力限制較少，因而應用廣泛。目前六十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點(1)節流裝置

節流裝置是差壓式流量傳感器的流量敏感檢測元件，是安裝在流體流動的管道中的阻力元件。常用的節流元件有孔板、噴嘴、文丘里管。它們的結構形式、相對尺寸、技術要求、管道條件和安裝要求等均已標準化，故又稱標準節流元件，如下頁圖所示。目前六十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3-22標準節流元件(a)孔板；(b)噴嘴；(c)文丘里管

目前六十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點其中孔板最簡單又最為典型，加工制造方便，在工業生產過程中常被采用。標準節流裝置按照規定的技術要求和試驗數據來設計、加工、安裝，無需檢測和標定，可以直接投產使用，并可保證流量測量的精度。目前六十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點

(2)測量原理測量原理在管道中流動的流體具有動壓能和靜壓能，在一定條件下這兩種形式的能量可以相互轉換，但參加轉換的能量總和不變。用節流元件測量流量時，流體流過節流裝置前后產生壓力差Δp(Δp=p1-p2)，且流過的流量越大，節流裝置前后的壓差也越大，流量與壓差之間存在一定關系，這就是差壓式流量傳感器測量原理。目前六十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3-23節流件前后流速和壓力分布情況目前七十頁\總數一百四十九頁\編于十二點

圖3-23為節流件前后流速和壓力分布情況，圖中充分地反映了能量形式的轉換。由于流動是穩定不變的，即流體在同一時間內通過管道截面A和節流件開孔截面A0的流體量應相同，這樣通過截面A0的流速必然比通過截面A時快。在流速變化的同時，流體的動壓能和靜壓能也發生變化，根據能量守恒定律，因而在孔板前后出現了靜壓差。通過測量此靜壓差便可以求出流速和流量。

目前七十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點流量方程式為

對于可壓縮流體，例如各種氣體及蒸氣通過節流元件時，由于壓力變化必然會引起密度ρ的改變，即ρ1≠ρ2，這時在公式中應引入體積膨脹系數ε，可壓縮性流體體積膨脹系數ε小于1，如果是不可壓縮性流體，則ε=1。目前七十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點

流量公式中的流量系數α與節流裝置的結構形式、取壓方式、節流裝置開孔直徑、流體流動狀態（雷諾數）及管道條件等因素有關。對于標準節流裝置，α值可直接從有關手冊中查出。目前七十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點(3)差壓式流量檢測系統

圖3-24差壓式流量檢測系統結構示意圖

目前七十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點

節流裝置是將被測流體的流量值變換成差壓信號Δp，節流裝置輸出的差壓信號由壓力信號管路輸送到差壓變送器（或差壓計）。由流量基本方程式可以看出，被測流量與差壓Δp成平方根關系，對于直接配用差壓計顯示流量時，流量標尺是非線性的，為了得到線性刻度，可加開方運算電路或加開方器。如差壓流量變送器帶有開方運算，變送器的輸出電流就與流量成線性關系。顯示儀表則顯示流量的大小。

目前七十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點

要使儀表的指示值與通過管道的實際流量相符，必須做到以下幾點：

（1）差壓變送器的壓差和顯示儀表的流量標尺有若干種規格，選擇時應與節流裝置孔徑匹配。（2）在測量蒸汽和氣體流量時，常遇到工作條件的密度ρ與設計時的密度ρc不相同，這時必須對示數進行修正。目前七十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點（3）顯示儀表刻度通常是線性的，測量值（差壓信號）要經過開方運算進行線性化處理后再送顯示儀表。（4）節流裝置應正確安裝。（5）接至差壓變送器的壓差應該與節流裝置前后壓差相一致，這就需要正確安裝差壓信號管路。目前七十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點介質為液體時：

差壓變送器應裝在節流裝置下面，取壓點應在工藝管道的中心線以下引出（下傾45°左右），導壓管最好垂直安裝，否則也應有一定斜度。當差壓變送器放在節流裝置之上時，要裝置貯氣罐。

圖3.25目前七十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點介質為氣體時：差壓變送器應裝在節流裝置的上面,防止導壓管內積聚液滴，取壓點應在工藝管道的上半部引出。圖3.26目前七十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點介質為蒸汽時：

應使導壓管內充滿冷凝液，因此在取壓點的出口處要裝設凝液罐，其它安裝同液體。圖3.27目前八十頁\總數一百四十九頁\編于十二點介質具有腐蝕性時：

可在節流裝置和差壓變送器之間裝設隔離罐，內放不與介質有互溶的隔離液來傳遞壓力，或采用噴吹法等。圖3.28目前八十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點（2）靶式流量計

在流體通過的管道中，垂直于流動方向插上一塊圓盤形的靶。流體通過時對靶片產生推力，經杠桿系統產生力矩。力矩與流量的平方近似成正比。靶式流量計適用于測量粘稠性及含少量懸浮固體的液體。

圖3.29目前八十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點（3）旋渦流量計

旋渦流量計又稱渦街流量計，其測量方法基于流體力學中的卡門渦街原理。把一個旋渦發生體（如圓柱體、三角柱體等非流線型對稱物體）垂直插在管道中，當流體繞過旋渦發生體時會在其左右兩側后方交替產生旋渦，形成渦列，且左右兩側旋渦的旋轉方向相反。這種渦列就稱為卡門渦街。

在一定的雷諾數Re范圍內，體積流量qv與旋渦的頻率f成線性關系。只要測出旋渦的頻率f就能求得流過流量計管道流體的體積流量qv。目前八十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點

旋渦流量計的輸出信號是與流量成正比的脈沖頻率信號或標準電流信號，可以遠距離傳輸，而且輸出信號與流體的溫度、壓力、密度、成分、粘度等參數無關。該流量計量程比寬，結構簡單，無運動件，具有測量精度高、應用范圍廣、使用壽命長等特點。目前八十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點另外，轉子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計目前八十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.3.3容積式流量計該流量計系直讀累積式流體流量計，是由裝有一對橢圓齒輪轉子的計量室、密封聯軸器（小口徑流量計采用靈敏度高的磁性聯軸器）和計數機構組成。測得旋轉頻率就可求得體積流量。圖3.30橢圓齒輪流量測量示意圖目前八十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.3.4質量流量計

(1)直接式質量流量傳感器——科里奧利質量流量傳感器科里奧利質量流量傳感器是利用流體在直線運動的同時，處于一個旋轉系中，產生與質量流量成正比的科里奧利力而制成的一種直接式質量流量傳感器。目前八十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3-31科里奧利力分析圖

當質量為m的質點在對P軸作角速度為ω旋轉的管道內移動時，如圖3-31所示，質點具有兩個分量的加速度及相應的加速度力：目前八十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點

①法向加速度:即向心加速度ar，其量值為ω2r，方向朝向P軸。②切向加速度:即科里奧利加速度at,

其量值為2ωv，方向與ar垂直。由于復合運動，在質點的at方向上作用著科里奧利力為2ωvm，而管道對質點作用著一個反向力，其值為-2ωvm。目前八十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點

當密度為ρ的流體以恒定速度v在管道內流動時，任何一段長度為Δx的管道都受到一個大小為ΔFc的切向科里奧利力，即ΔFc=2ωvρAΔx

式中,A為管道的流通內截面積。目前九十頁\總數一百四十九頁\編于十二點因為質量流量qm=ρvA，所以

ΔFc=2ωqmΔx

基于上式，如直接或間接測量在旋轉管道中流動流體所產生的科里奧利力就可以測得質量流量，這就是科里奧利質量流量傳感器的工作原理。目前九十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3-32科里奧利質量流量傳感器結構原理圖

然而，通過旋轉運動產生科里奧利力實現起來比較困難，目前的傳感器均采用振動的方式來產生，圖3-32是科里奧利質量流量傳感器結構原理圖。目前九十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點流量傳感器的測量管道是兩根兩端固定平行的U形管，在兩個固定點的中間位置由驅動器施加產生振動的激勵能量，在管內流動的流體產生科里奧利力，使測量管兩側產生方向相反的扭曲。位于U形管的兩個直管管端的兩個檢測器用光學或電磁學方法檢測扭曲量以求得質量流量。

目前九十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點

當管道充滿流體時，流體也成為轉動系的組成部分，流體密度不同，管道的振動頻率會因此而有所改變，而密度與頻率有一個固定的非線性關系，因此科里奧利質量流量傳感器也可測量流體密度。

目前九十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點推導式質量流量傳感器

推導式質量流量傳感器實際上是由多個傳感器組合而成的質量流量測量系統，根據傳感器的輸出信號間接推導出流體的質量流量。組合方式主要有以下幾種。目前九十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點

（1）差壓式流量傳感器與密度傳感器組合方式差壓式流量傳感器的輸出信號是差壓信號，它正比于ρq2v，若與密度傳感器的輸出信號進行乘法運算后再開方即可得到質量流量。即目前九十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點

（2）體積流量傳感器與密度流量傳感器組合方式能直接用來測量管道中的體積流量qv的傳感器有電磁流量傳感器、渦輪流量傳感器、超聲波流量傳感器等，利用這些傳感器的輸出信號與密度傳感器的輸出信號進行乘法運算即可得到質量流量。即K1qvK2ρ=Kqm

目前九十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點（3）差壓式流量傳感器與體積式流量傳感器組合方式差壓式流量傳感器的輸出差壓信號Δp與ρq2v成正比，而體積流量傳感器輸出信號與qv成正比，將這兩個傳感器的輸出信號進行除法運算也可得到質量流量。即

目前九十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.3.5流量儀表的選用選擇流量儀表要考慮的主要因素：流體特性（物性參數和流動參數）、化學性質、臟污結垢影響最大的是：密度和粘度使用環境：是否會腐蝕安裝條件：目前九十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.4壓力檢測

壓力是重要的工業參數之一，正確測量和控制壓力對保證生產工藝過程的安全性和經濟性有重要意義。壓力及差壓的測量還廣泛地應用在流量和液位的測量中。目前一百頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.4壓力檢測3.4.1壓力單位及壓力檢測方法主要研究內容：3.4.2常用壓力檢測儀表3.4.3壓力表的選用目前一百零一頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.4.1壓力單位及壓力檢測方法(1)壓力單位工程技術上所稱的“壓力”實質上就是物理學里的“壓強”，定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力。其表達式為

式中:P——壓力；F——作用力；A——作用面積。

目前一百零二頁\總數一百四十九頁\編于十二點

國際單位制（SI）中定義：1牛頓力垂直均勻地作用在1平方米面積上形成的壓力為1“帕斯卡”。帕斯卡簡稱“帕”，單位符號為Pa。

其他的壓力單位“工程大氣壓”（即kgf/cm2）、“毫米汞柱”（即mmHg）、“毫米水柱”（即mmH2O）、物理大氣壓（即atm）等還在應用，換算關系見p40表3-6。目前一百零三頁\總數一百四十九頁\編于十二點(2)壓力的表示方法絕對壓力指作用于物體表面積上的全部壓力，其零點以絕對真空為基準，又稱總壓力或全壓力，一般用大寫符號P表示大氣壓力是指地球表面上的空氣柱重量所產生的壓力，以P0表示。圖3.33絕對壓力、表壓力、負壓之間的關系目前一百零四頁\總數一百四十九頁\編于十二點表壓力這是指絕對壓力與大氣壓力之差，一般用p表示。測壓儀表一般指示的壓力都是表壓力，表壓力又稱相對壓力。

當絕對壓力小于大氣壓力時，則表壓力為負壓，負壓又可用真空度表示，負壓的絕對值稱為真空度。如測爐膛和煙道氣的壓力均是負壓。差壓任意兩個壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計和差壓式流量計就是利用測量差壓的大小來知道液位和流體流量的大小的。

目前一百零五頁\總數一百四十九頁\編于十二點(3)壓力的檢測方法彈性力平衡方法：基于彈性元件的彈性變形特性。彈性元件受到被測壓力作用而產生變形，而因彈性變形產生的彈性力與被測壓力相平衡。測出彈性元件變形的位移就可測出彈性力。此類壓力計有彈簧管壓力計、波紋管壓力計、膜式壓力計等。

目前一百零六頁\總數一百四十九頁\編于十二點重力平衡方法：主要有活塞式和液柱式。活塞式壓力計將被測壓力轉換成活塞上所加平衡砝碼的質量來進行測量的，測量精度高，測量范圍寬，性能穩定可靠，一般作為標準型壓力檢測儀表來校驗其他類型的測壓儀表。液柱式壓力計是根據流體靜力學原理，將被測壓力轉換成液柱高度進行測量的，最典型的是U型管壓力計，結構簡單且讀數直觀。目前一百零七頁\總數一百四十九頁\編于十二點機械力平衡方法：其原理是將被測壓力變換成一個集中力，用外力與之平衡，通過測量平衡時的外力來得到被測壓力。機械力平衡方法較多用于壓力或差壓變送器中，精度較高，但結構復雜。目前一百零八頁\總數一百四十九頁\編于十二點物性平衡方法：基于在壓力作用下測壓元件的某些物性發生變化的原理。如電氣式壓力計、振頻式壓力計、光纖壓力計、集成式壓力計等。目前一百零九頁\總數一百四十九頁\編于十二點(1)彈性式壓力表彈性式壓力表是以彈性元件受壓后所產生的彈性變形作為測量基礎的。它結構簡單，價格低廉，現場使用和維修都很方便，又有較寬的壓力測量范圍，因此在工程中獲得了非常廣泛的應用。3.4.2常用壓力檢測儀表目前一百一十頁\總數一百四十九頁\編于十二點彈性元件采用不同材料、不同形狀的彈性元件作為感壓元件，可以適用于不同場合、不同范圍的壓力測量。目前廣泛使用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等。目前一百一十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3-34彈性元件示意圖

圖3-34給出了一些常用彈性元件的示意圖。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓和真空度的測量。目前一百一十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點彈簧管壓力表彈簧管壓力表在彈性式壓力表中更是歷史悠久，應用廣泛。彈簧管壓力表中壓力敏感元件是彈簧管。彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，如圖15-35所示。管子的一端為封閉，作為位移輸出端，另一端為開口，為被測壓力輸入端。當開口端通入被測壓力后，非圓橫截面在壓力p作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢而產生力矩，其結果使彈簧管的自由端由B移至B′而產生位移，目前一百一十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3-35單圈彈簧管結構目前一百一十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3-36彈簧管壓力表

目前一百一十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點(2)壓力傳感器——是能夠檢測壓力并提供遠傳信號的裝置。能夠滿足自動化系統集中檢測顯示和控制的要求。當壓力傳感器輸出的電信號進一步變換成標準統一信號時，又將它稱為壓力變送器。應變片式：壓電式：壓阻式：電容式：集成式：目前一百一十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點應變片式壓力傳感器

應變效應目前一百一十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點當某些材料受到某一方向的壓力作用而發生變形時，內部就產生極化現象，同時在它的兩個表面上就產生符號相反的電荷；當壓力去掉后，又重新恢復不帶電狀態。這種現象稱為壓電效應。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。壓電材料種類較多，有石英晶體、人工制造的壓電陶瓷，還有高分子壓電薄膜等。

壓電式壓力傳感器

1-絕緣體2-壓電元件3-殼體4-膜片目前一百一十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點

壓阻元件是指在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻。它是基于壓阻效應工作的，即當它受壓時，其電阻值隨電阻率的改變而變化。常用的壓阻元件有單晶硅膜片以及在N型單晶硅膜片上擴散P型雜質的擴散硅等，也是依附于彈性元件而工作。壓阻式壓力傳感器目前一百一十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點其測量原理是將彈性元件的位移轉換為電容量的變化。將測壓膜片作為電容器的可動極板，它與固定極板組成可變電容器。當被測壓力變化時，由于測壓膜片的彈性變形產生位移改變了兩塊極板之間的距離，造成電容量發生變化。

電容式壓力傳感器目前一百二十頁\總數一百四十九頁\編于十二點它是將微機械加工技術和微電子集成工藝相結合的一類新型傳感器，有壓阻式、微電容式、微諧振式等形式。

將差壓、靜壓和溫度同時測出，再送入微機系統經過運算處理后就可以得到修正后的被測差壓值、靜壓值和溫度值。集成式壓力傳感器目前一百二十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點壓力表的選用主要包括儀表型式、量程范圍、精度和靈敏度、外形尺寸以及是否還需要遠傳和其他功能，如指示、記錄、報警、控制等。選用的依據如下：(1)必須滿足工藝生產過程的要求，包括量程和精度；(2)考慮被測介質的性質，如溫度、壓力、粘度、腐蝕性、易燃易爆程度等；(3)注意儀表安裝使用時所處的現場環境條件，如環境溫度、電磁場、振動等。

3.4.3壓力表的選用目前一百二十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.5物位檢測3.5.0基本概念研究內容：3.5.1物位檢測的主要方法和分類3.5.2常用物位檢測儀表——差壓式液位計3.5.3物位檢測儀表的選用目前一百二十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.5.0基本概念

在容器中液體介質的高低叫液位，容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，測量兩種密度不同的液體介質分界面的高低（界位）的儀表叫界面計。上述三種儀表統稱為物位計。物位開關：在物位檢測中，有時不需要對物位進行連續測量，只需要測量物位是否達到上線、下限或某個特定的位置，這種定點測量用的儀表被稱為物位開關。一般用來監視、報警、輸出控制信號。目前一百二十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.5.1物位檢測的主要方法和分類按工作原理主要有以下幾種類型：直讀式：根據流體的連通性原理來測量液位。

靜壓式：壓力式和差壓式。根據液柱或物料堆積高度變化對某點上產生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位。

浮力式：它根據浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。前者稱為恒浮力式，后者稱為變浮力式。電氣式：根據把物位變化轉換成各種電量變化的原理來測量物位。輻射式：根據同位素射線的核輻射透過物料時，其強度隨物質層的厚度變化而變化的原理來測量液位。另外還有：聲學式、光學式、射線式微波式、激光式、射流式、光纖維式等等目前一百二十五頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.5.2常用物位檢測儀表——差壓式液位計圖3-41差壓傳感器測量液位原理圖

設被測介質的密度為ρ，容器頂部為氣相介質，氣相壓力為pA，pB是液位零面的壓力，p1是取壓口的壓力，根據靜力學原理可得因此，差壓變送器正負壓室的壓力差為液位測量問題就轉化為差壓測量問題了。但是，當液位零面與檢測儀表的取壓口不在同一水平高度時，會產生附加的靜壓誤差。就需要進行量程遷移和零點遷移。(1)取壓點與液位零面在同一水平面目前一百二十六頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3.42液位測量的正遷移如圖所示，當差壓變送器的取壓口低于容器底部的時候，差壓變送器上測得的差壓為為了使液位的滿量程和起始值仍能與差壓變送器的輸出上限和下限相對應，就必須克服固定差壓ρgh0的影響，采用零點遷移就可實現。(2)取壓口低于容器底部因為：所以：目前一百二十七頁\總數一百四十九頁\編于十二點

在無遷移情況下，實際測量范圍是0～（h0ρg+hmaxρg），原因是這種安裝方法時ΔP多出一項h0ρg。當h=0時，ΔP=h0ρg，因此P0＞20KPa。為了遷移掉h0ρg，即在h=0時仍然使P0=20KPa，可以調整儀表的遷移彈簧張力。由于h0ρg作用在正壓室上，稱之為正遷移量。遷移彈簧張力抵消了h0ρg在正壓室內產生的力，達到正遷移的目的。

由于ρgh0〉0，所以稱為正遷移。量程遷移后，測量范圍為0～hmaxρg，再通過零點遷移，使差壓式液位計的測量范圍調整為h0ρg～（h0ρg+hmaxρg）。

目前一百二十八頁\總數一百四十九頁\編于十二點圖3.43液位測量的負遷移當被測介質有腐蝕性時，差壓變送器的正、負壓室之間就需要裝隔離罐，如果隔離液的密度為ρ1(ρ1

>ρ)，則(3)介質有腐蝕性時因為：所以：目前一百二十九頁\總數一百四十九頁\編于十二點對比無遷移情況，ΔP多了一項壓力-（h1-h0）ρ1g，它作用在負壓室上，稱之為負遷移量。當h=0時，ΔP=-(h1-h0)ρ1g，因此P0<20KPa。為了遷移掉-(h1-h0)ρ1g的影響，可以調整負遷移彈簧的張力來進行負遷移以抵消掉-(h1-h0)ρ1g在負壓室內產生的力，以達到負遷移的目的。遷移調整后，差壓式液位計的測量范圍調整為

-(h1-h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1-h0)ρ1g]將上式變為：由于所以稱為負遷移。目前一百三十頁\總數一百四十九頁\編于十二點利用差壓式液位計還可以測量液體的分界面，如下圖所示。液位計正、負壓室受力情況如下：

P1=h0ρ2g+（h1+h2）ρ1gP2=（h2+h1+h0）ρ1gΔP=P1

–P2=h0g（ρ2-ρ1）由于（ρ2-ρ1）是已知的，所以壓差ΔP與分界面高度h0成一一對應關系。(4)測量分界面界面測量目前一百三十一頁\總數一百四十九頁\編于十二點電容式物位計超聲波物位計核輻射式物位計磁翻轉式物位計(5)其它物位計目前一百三十二頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.5.3物位檢測儀表的選用必須考慮測量范圍、測量精度、被測介質的物理化學性質、環境操作條件、容器結構形狀等因素。在液位檢測中最為常用的就是靜壓式和浮力式測量方法，但必須在容器上開孔安裝引壓管或在介質中插入浮筒，因此在介質為高粘度或者易燃易爆場合不能使用這些方法。在料位檢測中可以采用電容式、超聲波式、射線式等測量方法。目前一百三十三頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.8變送器3.8.0概述3.8.1變送器的量程、零點遷移3.8.2溫度變送器3.8.3差壓變送器3.8.4智能變送器目前一百三十四頁\總數一百四十九頁\編于十二點3.8變送器作用：將檢測元件的輸出信號轉換成標準統一信號送往顯示儀表或控制儀表進行顯示、記錄或控制。

溫度變送器、差壓變送器、流量變送器、液位