第三章 过程检测仪表 华东理工大学信息学院自动化系

简单控制系统构成回顾： 简单控制系统的方块图

本章主要内容： 3.1 概述 3.2 温度检测 3.3 流量检测 3.4 压力检测 3.5 物位检测 3.8 变送器 3.1 概述 3.2 温度检测 3.3 流量检测 3.4 压力检测 3.5 物位检测 3.8 变送器 3.9 现代传感器技术的发展

3.1 概 述 3.1.0 检测变送的重要性 3.1.1 测量误差 3.1.2 仪表性能指标

3.1.0 检测变送的重要性 在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变量，最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率、气压等。

由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易察觉，一般都需要将其经过变送器处理，转换成标准统一的电气信号（如4～20mA 或 0～10mA直流电流信号 ,20～100KPa气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行控制。有时将检测元件、变送器及显示装置统称为检测仪表, 或者将检测元件称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。

检测——实施正确控制的第一步 变送——将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一(标准)的电气信号。 过程控制对检测仪表要求： 静态：正确——y(t)正确反映c(t)的值 可靠——长期工作 动态：迅速——y(t)迅速反映c(t)的变化

3.1.1 测量误差 测量误差：检测仪表获得的被测值与实际被测变量真实值之间的差距。 (1) 绝对误差：仪表的指示值与被测量的真值之间的差值。 理论上： 实际上： (2) 相对误差（仪表引用误差） 绝对误差与仪表的量程之比。

(3) 允许误差 (4) 附加误差 ——由于外界环境条件变化以及仪表波动等外界因素引起的误差。

3.1.2 仪表性能指标 精确度（精度） ——表示仪表测量结果的可靠程度。 仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越小，说明仪表测量准确度越高。 精度等级：允许误差去掉“±”号及“%”后，系列化圆整后的数值。

目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等 仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上，如1.0外加一个圆圈或三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许误差为1.0%。 1.0 1.0

[例1] 某台测温仪表的量程是600--1100℃，其最大绝对误差为±4 ℃，试确定该仪表的精度等级。 解 仪表的允许误差为 目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等 这台仪表的精度等级应定为1.0级。

[例2] 某台测温仪表的量程是600--1100℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±4 ℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求。 解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差为 所以只能选择一台允许误差为±0.5%，即精确度等级为0.5级的仪表，才能满足工艺要求。

结论：校表： 选表： 仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差，提高测量准确性。 仪表量程的上限：Ymax: 4/3~3/2倍（被测变量） 波动较大时：3/2~2倍（被测变量） 下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的1/3。

——在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。 (2) 变差 ——在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值所得的仪表读数之间的差异。 注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。 (3) 线性度 ——衡量仪表实际特性偏离线性程度的指标。 线性度差就要降低仪表精度。 图3.1 线性度

(4) 灵敏度和分辨率 灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变化量的比值，即 灵敏度=△Y/△X

分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨和响应的最小输入变化量。 分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式仪表而言，分辨率就是数字显示器最末位数字间隔代表被测量的变化量。

(5) 动态误差 由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示出来，这样造成的误差。 注：在工业生产中被测量变化较快是不能忽略动态误差。

3.2 温度检测 3.2.1 温度检测方法 3.2.2 热电偶 3.2.3 热电阻 3.2.4 热电偶、热电阻的选用

3.2.1 温度检测方法 按测温元件是否与被测对象接触分为： 接触式： 非接触式：

接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。 优点：结构简单、可靠，测温精度较高。 缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。 不适于直接对腐蚀性介质测量。

非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。 优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。 缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。

3.2.2 热电偶 (1) 测温原理——热电效应 将两种不同材料的导体或半导体A和B连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度θ≠θo,则回路内将有电流产生，电流大小正比于接点温度θ和θo的函数之差，而其极性则取决于A和B的材料。 （参比端、冷端、固定端） （工作端、热端、自由端） 图3.2 热电偶的热电效应

热电偶的“中间导体定律” 根据热电偶的“中间导体定律”可知：热电偶回路中接入第三种导体后，只要该导体两端温度相同，热电偶回路中所产生的总热电势与没有接入第三种导体时热电偶所产生的总热电势相同；同理，如果回路中接入更多种导体时，只要同一导体两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势值。因此热电偶回路可以接入各种显示仪表、变送器、连接导线等。

常用工业热电偶比较

分度表：当θ0=0℃时， 与温度θ对应的数值表。（非线性） 分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。

常用热电偶类型： 普通型热电偶：(热电偶结构类型见P27) 热电极、绝缘管、接线盒等 铠装热电偶 多点式热点偶 防爆型热点偶 表面型热点偶

铠装热电偶的特点 ·热响应时间少，减小动态误差； ·可弯曲安装使用； ·测量范围大； ·机械强度高，耐压性能好；

图3.3 扁接插式铠装热电偶 补偿导线式铠装热电偶 防喷式铠装热电偶 防水式铠装热电偶 手柄式铠装热电偶 圆接插式铠装热电偶

多点热电偶 适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合成塔、存储罐等装置中。 图3.4 多点热电偶

防爆型热电偶的原理 防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，设计具有足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花，电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进行隔爆。 特点 ·多种防爆形式，防爆性能好； ·压簧式感温元件，抗振性能好； ·测温范围大； ·机械强度高，耐压性能好；

固定法兰式 无固定装置 固定螺纹式 图3.5 防爆型热电偶 一览图 活络管接头式 直型管接头式

吹气型热电偶 通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出保护管外，从而提高热电偶寿命。是30万吨合成氨装置中不可缺少的测温装置。 另外，压簧固定热电偶、直角弯头热电偶、耐磨阻漏热电偶等等 图3.6 吹气型热电偶

(2) 补偿导线 解决参比端温度的恒定问题。 补偿导线要求：价格便宜，0~100℃范围内的热电性质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样 图3.7 补偿导线连接图

(3) 热电偶参比端温度补偿（测量的准确性） 补偿原理：工作端温度θ，参比端θ0，热电势为 因此 参比端温度补偿方法： ①计算法 ②冰浴法 ③机械调零法（动圈表调零法），等级1.0以上 ④补偿电桥法：利用参比端温度补偿器

计算法举例： 例如：用镍铬-镍硅（K）热电偶测温，热电偶参比端温度θo =20℃，测得的热电势E（θ，θo）=32.479mV。由K分度表中查得E（20，0）=0.798mV, 则 E（θ，0）= E（θ，20）+ E（20，0） =32.479 + 0.798=33.277 mV 再反查K分度表，得实际温度是800℃。

3.2.3 热电阻 ⑴金属热电阻——测温原理是基于导体的电阻会随温度的变化而变化的特性。    热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。 常用热电阻： 铜电阻和铂电阻 热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型 热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的-200°C～500°C范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。

图3.8   无固定装置热电阻   固定螺纹式热电阻    活动法兰式热电阻   固定螺纹锥式热电阻   固定螺纹管接头式热电阻   活络管接头式热电阻

图3.9 装配式热电阻

防喷式铠装热电阻 扁接插式铠装热电阻 防水式铠装热电阻 图 3.10 补偿导线式铠装热电阻 圆接插式铠装热电阻

端面热电阻——适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其它机体表面温度。 图3.11 端面热电阻 防腐热电阻——采用新型防腐材料，外包覆聚四氟乙烯F46，适合于石油化工各种腐蚀性介质中测温。是氯碱行业的专用测温仪表。 图3.12 防腐热电阻

——适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业不可缺少的温度测量装置。 特殊热电偶/热电阻   微型热电偶/热电阻   ——适用于狭小场所的温度测量与控制。是纺织、绦纶等行业不可缺少的温度测量装置。 炉壁热电偶/热电阻   适合于电厂锅炉炉壁，管壁及其它圆柱体表面测量。 微型热电偶/热电阻   炉壁热电偶/热电阻   图3.13

⑵半导体热敏电阻——测温原理是基于某些半导体材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。 NTC型：负温度系数热敏电阻，多数是此类 PTC型：正温度系数热敏电阻，用于位式温度检测 特点： 结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。 缺点： 非线性严重、互换性差、测温范围窄

3.2.4 热电偶、热电阻的选用 (1)选用原则：较高温度——热电偶 中低温区——热电阻 一般以500℃为分界，但不绝对 原因有两点： (1)在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和抗干扰要求很高。 (2)由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温度区内引起的相对误差就很突出。 另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质（氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当的保护套管、连接导线等。

(1)选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深度 (2)安装 图3.14 热电偶安装 (1)选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的插入深度 (2)热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。 (3)检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装孔，避免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。

(3)使用 热电偶： ——参比端温度补偿 ——补偿导线的极性不能接反 ——分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致 ——在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表（如电子电位差计、温度变送器等）配套测温时，热电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。

热电阻： ——分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致 ——采用三线制接法

热电阻温度变送器输入热电阻信号给输入回路。输入回路是一个不平衡电桥，热电阻即为桥路的一个桥臂。如果是金属热电阻，由于连接热电阻的导线存在电阻，且导线电阻值随环境温度的变化而变化，从而造成测量误差，因此实际测量时采用三线制接法。所谓三线制接法，就是从现场的金属热电阻两端引出三根材质、长短、粗细均相同的连接导线，其中两根导线被接入相邻两对抗桥臂中，另一根与测量桥路电源负极相连。见下图。由于流过两桥臂的电流相等，因此当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，不影响测量桥路输出电压的大小。 图3.15

3.3 流量检测 主要研究内容： 3.3.0 基本概念 3.3.1 流量检测的主要方法 3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器） 3.3 流量检测 主要研究内容： 3.3.0 基本概念 3.3.1 流量检测的主要方法 3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器） 3.3.3 容积式流量计 3.3.4 质量流量计 3.3.5 流量仪表的选用

3.3.0 基本概念 流量（瞬时流量）：单位时间内流过管道某一截面的流体的数量。 累积流量（总流量）：某一时段内流过的流体的总合。瞬时流量在某一时段的累积量。

流量的表示方法： 质量流量(qm)：单位时间内流过某截面的流体的质量。 单位：(kg/s) 体积流量(qv)：单位时间内流过某截面的流体的体积。(工作状态下) 单位: (m3/s ) qm=qvρ 体积流量(qvn)：折算到标准的压力和温度下的体积流量。（标准状态下） qvn=qm/ρn qvn=qvρ/ρn

流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响: 对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。 温度对密度的影响要大一些，一般温度每变化10℃时，液体密度的变化约在1%以内，所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高的情况下，往往也可以忽略不计。

对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化10℃，密度变化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。 因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量换算成标准状态下（温度为20℃，压力为101 325 Pa）的体积流量，用符号qVN表示，单位符号为Nm3/s。

生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生产过程，其情况复杂，某些场合的流体是高温、高压，有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为以下几大类。

如：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等 3.3.1 流量检测的主要方法 (1) 测体积流量 容积法：在单位时间内以标准固定体积对流动介质连续不断地进行度量，以排出流体的固定容积数来计算流量。容积法受流体流动状态影响较小，适用于测量高粘度、低雷诺数的流体。雷诺数是流体流动中惯性力与粘性力比值的量度,依据雷诺数的大小可以判别流动特征 如：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等 图3.16 LC椭圆齿轮流量计

速度法：平均流速乘以管道截面积求得流体的体积流量。 测量平均流速的方法有：差压式、电磁式、漩涡式、声学式、热学式、涡轮式 差压式 又称节流式，利用节流件前后的差压和流速关系，通过差压值获得流体的流速； 电磁式 导电流体在磁场中运动产生感应电势，感应电势大小与流体的平均流速成正比；

旋涡式 流体在流动中遇到一定形状的物体会在其周围产生有规则的旋涡，旋涡释放的频率与流速成正比； 涡轮式 流体作用在置于管道内部的涡轮上使涡轮转动，其转动速度在一定流速范围内与管道内流体的流速成正比； 声学式 根据声波在流体中传播速度的变化得到流体的流速； 热学式 利用加热体被流体的冷却程度与流速的关系来检测流速。

基于速度法的流量检测仪表有: 节流式流量计、靶式流量计、弯管流量计、转子流量计、电磁流量计、旋涡流量计、涡轮流量计、超声流量计等。

YJLB型一体化节流式流量计将节流装置和差压变送器做成一体，继承了节流装置的优点，结构紧凑，成套性好，故障率低，使用安装方便，动态特性好，提高了测量精度，可满足各种流量测量的需要 图3.17 YJLB型一体化节流式流量计

图3.18 靶式流量计

图3.19 90度弯管流量计

测质量流量 间接法：测出体积流量和密度，经过计算得到。主要有压力温度补偿式质量流量计。 直接法：直接测量质量流量。科里奥利力式流量计、量热式流量计、角动量式流量计等。

质量流量计是直接测量流体流过的质量。具有精度不受流体的温度、压力、密度、粘度等变化影响的优点 图3.20 SITRANS F C 科里奥利力质量流量计

3.3.2 速度式流量计（差压式流量传感器）  差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。

差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成，如下图所示。 图3.21 差压式流量传感器流量测量系统

节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号，差压计则对压差信号进行测量并显示测量值，差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号，以供显示、记录或控制。  差压式流量传感器发展较早，技术成熟而较完善，而且结构简单，对流体的种类、温度、压力限制较少，因而应用广泛。

(1) 节流装置 节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管。 它们的结构形式、相对尺寸、技术要求、管道条件和安装要求等均已标准化，故又称标准节流元件，如下页图所示。

图3-22 标准节流元件 (a) 孔板； (b) 喷嘴； (c) 文丘里管

其中孔板最简单又最为典型，加工制造方便，在工业生产过程中常被采用。  标准节流装置按照规定的技术要求和试验数据来设计、加工、安装，无需检测和标定，可以直接投产使用，并可保证流量测量的精度。

(2) 测量原理 测量原理 在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量时，流体流过节流装置前后产生压力差Δp(Δp=p1-p2)，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器测量原理。 

图3-23 节流件前后流速和压力分布情况

图3-23为节流件前后流速和压力分布情况，图中充分地反映了能量形式的转换。由于流动是稳定不变的，即流体在同一时间内通过管道截面I和节流件开孔截面II的流体量应相同，这样通过截面II的流速必然比通过截面I时快。在流速变化的同时，流体的动压能和静压能也发生变化，根据能量守恒定律，因而在孔板前后出现了静压差。通过测量此静压差便可以求出流速和流量。

流量方程式为(差压与流量的关系) 对于可压缩流体，例如各种气体及蒸气通过节流元件时，由于压力变化必然会引起密度ρ的改变，即ρ1≠ρ2，这时在公式中应引入体积膨胀系数ε，可压缩性流体体积膨胀系数ε小于1，如果是不可压缩性流体，则ε=1。

流量公式中的流量系数α与节流装置的结构形式、取压方式、节流装置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）及管道条件等因素有关。对于标准节流装置，α值可直接从有关手册中查出。

(3) 差压式流量检测系统 图3-24 差压式流量检测系统结构示意图

节流装置是将被测流体的流量值变换成差压信号Δp，节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压变送器（或差压计）。由流量基本方程式可以看出，被测流量与差压Δp成平方根关系，对于直接配用差压计显示流量时，流量标尺是非线性的，为了得到线性刻度，可加开方运算电路或加开方器。如差压流量变送器带有开方运算，变送器的输出电流就与流量成线性关系。显示仪表则显示流量的大小。

（1）差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺有若干种规格，选择时应与节流装置孔径匹配。 要使仪表的指示值与通过管道的实际流量相符，必须做到以下几点： （1）差压变送器的压差和显示仪表的流量标尺有若干种规格，选择时应与节流装置孔径匹配。 （2）在测量蒸汽和气体流量时，常遇到工作条件的密度ρ与设计时的密度ρc不相同，这时必须对示数进行修正。

（3）显示仪表刻度通常是线性的，测量值（差压信号）要经过开方运算进行线性化处理后再送显示仪表。 （4）节流装置应正确安装。 （5）接至差压变送器的压差应该与节流装置前后压差相一致，这就需要正确安装差压信号管路。

介质为液体时： 差压变送器应装在节流装置下面，取压点应在工艺管道的中心线以下引出（下倾45°左右），导压管最好垂直安装，否则也应有一定斜度。当差压变送器放在节流装置之上时，要装置贮气罐。 图3. 25

差压变送器应装在节流装置的上面, 防止导压管内积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。 介质为气体时： 差压变送器应装在节流装置的上面, 防止导压管内积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。 图3. 26

介质为蒸汽时： 应使导压管内充满冷凝液，因此在取压点的出口处要装设凝液罐，其它安装同液体。 图3. 27

介质具有腐蚀性时： 可在节流装置和差压变送器之间装设隔离罐，内放不与介质有互溶的隔离液来传递压力，或采用喷吹法等。 图3. 28

（2）靶式流量计 在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，经杠杆系统产生力矩。力矩与流量的平方近似成正比。靶式流量计适用于测量粘稠性及含少量悬浮固体的液体。 图3. 29

（3）旋涡流量计 旋涡流量计又称涡街流量计，其测量方法基于流体力学中的卡门涡街原理。把一个旋涡发生体（如圆柱体、三角柱体等非流线型对称物体）垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋涡，形成涡列，且左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种涡列就称为卡门涡街。 在一定的雷诺数Re范围内，体积流量qv与旋涡的频率f成线性关系。只要测出旋涡的频率f就能求得流过流量计管道流体的体积流量qv 。

旋涡流量计的输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号或标准电流信号，可以远距离传输，而且输出信号与流体的温度、压力、密度、成分、粘度等参数无关。该流量计量程比宽，结构简单，无运动件，具有测量精度高、应用范围广、使用寿命长等特点。

另外，转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计

3.3.3 容积式流量计 该流量计系直读累积式流体流量计，是由装有一对椭圆齿轮转子的计量室、密封联轴器（小口径流量计采用灵敏度高的磁性联轴器）和计数机构组成。 测得旋转频率就可求得体积流量。 图3. 30椭圆齿轮流量测量示意图

3.3.4 质量流量计 (1)直接式质量流量传感器——科里奥利质量流量传感器  科里奥利质量流量传感器是利用流体在直线运动的同时， 处于一个旋转系中，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传感器。 

当质量为m的质点在对P轴作角速度为ω旋转的管道内移动时，如图3-31所示，质点具有两个分量的加速度及相应的加速度力：  图3-31 科里奥利力分析图

① 法向加速度: 即向心加速度ar， 其量值为ω2r， 方向朝向P轴。  ② 切向加速度: 即科里奥利加速度at, 其量值为2ωv，方向与ar垂直。由于复合运动，在质点的at方向上作用着科里奥利力为2ωvm，而管道对质点作用着一个反向力，其值为-2ωvm。

ΔFc=2ωvρAΔx 式中, A为管道的流通内截面积。  当密度为ρ的流体以恒定速度v在管道内流动时，任何一段长度为Δx的管道都受到一个大小为ΔFc的切向科里奥利力， 即 ΔFc=2ωvρAΔx 式中, A为管道的流通内截面积。  2ωvm

ΔFc=2ωvρAΔx 因为质量流量qm=ρvA，所以 ΔFc=2ωqmΔx 基于上式，如直接或间接测量在旋转管道中流动流体所产生的科里奥利力就可以测得质量流量，这就是科里奥利质量流量传感器的工作原理。

然而，通过旋转运动产生科里奥利力实现起来比较困难，目前的传感器均采用振动的方式来产生，图3-32是科里奥利质量流量传感器结构原理图。 图3-32 科里奥利质量流量传感器结构原理图

流量传感器的测量管道是两根两端固定平行的U形管，在两个固定点的中间位置由驱动器施加产生振动的激励能量，在管内流动的流体产生科里奥利力，使测量管两侧产生方向相反的扭曲。位于U形管的两个直管管端的两个检测器用光学或电磁学方法检测扭曲量以求得质量流量。

当管道充满流体时，流体也成为转动系的组成部分，流体密度不同，管道的振动频率会因此而有所改变，而密度与频率有一个固定的非线性关系，因此科里奥利质量流量传感器也可测量流体密度。

推导式质量流量传感器 推导式质量流量传感器实际上是由多个传感器组合而成的质量流量测量系统，根据传感器的输出信号间接推导出流体的质量流量。 组合方式主要有以下几种。 

（1）差压式流量传感器与密度传感器组合方式 差压式流量传感器的输出信号是差压信号，它正比于ρq2v，若与密度传感器的输出信号进行乘法运算后再开方即可得到质量流量。 即

（2） 体积流量传感器与密度流量传感器组合方式 能直接用来测量管道中的体积流量qv的传感器有电磁流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器等，利用这些传感器的输出信号与密度传感器的输出信号进行乘法运算即可得到质量流量。 即 K1qvK2ρ=Kqm

（3）差压式流量传感器与体积式流量传感器组合方式 差压式流量传感器的输出差压信号Δp与ρq2v成正比，而体积流量传感器输出信号与qv成正比，将这两个传感器的输出信号进行除法运算也可得到质量流量。 即

3.3.5 流量仪表的选用 选择流量仪表要考虑的主要因素： 流体特性（物性参数和流动参数）、化学性质、脏污结垢 影响最大的是：密度和粘度 使用环境：是否会腐蚀 安装条件：直管段，差压式、旋涡式直管段要求较长，容积式无此要求。质量流量计也要求。

3.4 压力检测 压力是重要的工业参数之一，正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中。 

3.4 压力检测 主要研究内容： 3.4.1 压力单位及压力检测方法 3.4.2 常用压力检测仪表 3.4.3 压力表的选用

3.4.1 压力单位及压力检测方法 (1) 压力单位 工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”，定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。其表达式为 式中: P——压力； F——作用力； A——作用面积。

国际单位制（SI）中定义：1牛顿力垂直均匀地作用在1平方米面积上形成的压力为1“帕斯卡”。帕斯卡简称“帕”，单位符号为Pa。  其他的压力单位“工程大气压”（即kgf/cm2）、 “毫米汞柱”（即mmHg）、 “毫米水柱”（即mmH2O）、物理大气压（即atm）等还在应用，换算关系见p40表3-6。

(2) 压力的表示方法 绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力，一般用大写符号P表示 图3. 33 绝对压力、表压力、负压之间的关系

表压力 这是指绝对压力与大气压力之差，一般用p表示。测压仪表一般指示的压力都是表压力，表压力又称相对压力。 当绝对压力小于大气压力时，则表压力为负压，负压又可用真空度表示，负压的绝对值称为真空度。如测炉膛和烟道气的压力均是负压。  差压 任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小来测得液位和流体流量的大小的。

(3) 压力的检测方法 弹性力平衡方法：基于弹性元件的弹性变形特性。 弹性元件受到被测压力作用而产生变形，而因弹性变形产生的弹性力与被测压力相平衡。测出弹性元件变形的位移就可测出弹性力。此类压力计有弹簧管压力计、波纹管压力计、膜式压力计等。

重力平衡方法： 主要有活塞式和液柱式。 活塞式压力计将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的，测量精度高，测量范围宽，性能稳定可靠，一般作为标准型压力检测仪表来校验其他类型的测压仪表。 液柱式压力计是根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量的，最典型的是U型管压力计，结构简单且读数直观。

机械力平衡方法：其原理是将被测压力变换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力来得到被测压力。 机械力平衡方法较多用于压力或差压变送器中，精度较高，但结构复杂。

物性平衡方法：基于在压力作用下测压元件的某些物性发生变化的原理。 如电气式压力计、振频式压力计、光纤压力计、集成式压力计等。

3.4.2 常用压力检测仪表 (1)弹性式压力表 弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的。它结构简单，价格低廉，现场使用和维修都很方便，又有较宽的压力测量范围，因此在工程中获得了非常广泛的应用。 

弹性元件 采用不同材料、不同形状的弹性元件作为感压元件，可以适用于不同场合、不同范围的压力测量。目前广泛使用的弹性元件有弹簧管、波纹管和膜片等。

图3-34给出了一些常用弹性元件的示意图。其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。 图3-34 弹性元件示意图

弹簧管压力表 弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史悠久，应用广泛。 弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非圆形（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图15-35所示。 管子的一端为封闭，作为位移输出端，另一端为开口，为被测压力输入端。当开口端通入被测压力后，非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端由B移至B′而产生位移，

图3-35 单圈弹簧管结构

图3-36 弹簧管压力表

(2)压力传感器 ——是能够检测压力并提供远传信号的装置。能够满足自动化系统集中检测显示和控制的要求。当压力传感器输出的电信号进一步变换成标准统一信号时，又将它称为压力变送器。 应变片式： 压电式： 压阻式： 电容式： 集成式：

应变片式压力传感器 基于金属导体或半导体材料的应变效应而工作。 将应变片粘贴在弹性元件上，在弹性元件受压变形的同时应变片也发生应变，即电阻值发生变化

压电式压力传感器 当某些材料受到某一方向的压力作用而发生变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上就产生符号相反的电荷；当压力去掉后，又重新恢复不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料种类较多，有石英晶体、人工制造的压电陶瓷，还有高分子压电薄膜等。 1-绝缘体 2-压电元件 3-壳体 4-膜片

压阻式压力传感器 压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。它是基于压阻效应工作的，即当它受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。常用的压阻元件有单晶硅膜片以及在N型单晶硅膜片上扩散P型杂质的扩散硅等，也是依附于弹性元件而工作。

电容式压力传感器 其测量原理是将弹性元件的位移转换为电容量的变化。将测压膜片作为电容器的可动极板，它与固定极板组成可变电容器。当被测压力变化时，由于测压膜片的弹性变形产生位移改变了两块极板之间的距离，造成电容量发生变化。

集成式压力传感器 它是将微机械加工技术和微电子集成工艺相结合的一类新型传感器，有压阻式、微电容式、微谐振式等形式。 将差压、静压和温度同时测出，再送入微机系统经过运算处理后就可以得到修正后的被测差压值、静压值和温度值。

3.4.3 压力表的选用 压力表的选用主要包括仪表型式、量程范围、精度和灵敏度、外形尺寸以及是否还需要远传和其他功能，如指示、记录、报警、控制等。 选用的依据如下： (1) 必须满足工艺生产过程的要求，包括量程和精度； (2) 考虑被测介质的性质，如温度、压力、粘度、腐蚀性、易燃易爆程度等； (3) 注意仪表安装使用时所处的现场环境条件，如环境温度、电磁场、振动等。

3.5 物位检测 研究内容： 3.5.0 基本概念 3.5.1 物位检测的主要方法和分类 3.5.2 常用物位检测仪表——差压式液位计 3.5.0 基本概念 3.5.1 物位检测的主要方法和分类 3.5.2 常用物位检测仪表——差压式液位计 3.5.3 物位检测仪表的选用

3.5.0 基本概念 在容器中液体介质的高低叫液位，容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫料位。测量液位的仪表叫液位计，测量料位的仪表叫料位计，测量两种密度不同的液体介质分界面的高低（界位）的仪表叫界面计。上述三种仪表统称为物位计。 物位开关：在物位检测中，有时不需要对物位进行连续测量，只需要测量物位是否达到上线、下限或某个特定的位置，这种定点测量用的仪表被称为物位开关。一般用来监视、报警、输出控制信号。

3.5.1 物位检测的主要方法和分类 按工作原理主要有以下几种类型： 直读式：根据流体的连通性原理来测量液位。 3.5.1 物位检测的主要方法和分类 按工作原理主要有以下几种类型： 直读式：根据流体的连通性原理来测量液位。 静压式：压力式和差压式。根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位。 浮力式：它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式，后者称为变浮力式。 电气式：根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位。  辐射式：根据同位素射线的核辐射透过物料时，其强度随物质层的厚度变化而变化的原理来测量液位。 另外还有：声学式、光学式、射线式微波式、 激光式、 射流式、 光纤维式等等

3.5.2 常用物位检测仪表——差压式液位计 (1)取压点与液位零面在同一水平面 3.5.2 常用物位检测仪表——差压式液位计 (1)取压点与液位零面在同一水平面 设被测介质的密度为ρ，容器顶部为气相介质，气相压力为pA，pB是液位零面的压力， p1是取压口的压力，根据静力学原理可得 图3-41 差压传感器测量液位原理图 因此，差压变送器正负压室的压力差为 液位测量问题就转化为差压测量问题了。 但是，当液位零面与检测仪表的取压口不在同一水平高度时，会产生附加的静压误差。就需要进行量程迁移和零点迁移。

如图所示，当差压变送器的取压口低于容器底部的时候，差压变送器上测得的差压为 (2)取压口低于容器底部 如图所示，当差压变送器的取压口低于容器底部的时候，差压变送器上测得的差压为 因为： 所以： 为了使液位的满量程和起始值仍能与差压变送器的输出上限和下限相对应，就必须克服固定差压ρgh0的影响，采用量程迁移就可实现。 图3.42 液位测量的正迁移

量程迁移后，测量范围为0～hmaxρg，再通过零点迁移，使差压式液位计的测量范围调整为h0ρg～（h0ρg +hmaxρg）。 在无迁移情况下，实际测量范围是0～（h0ρg +hmaxρg），原因是这种安装方法时ΔP多出一项 h0ρg。当h=0时，ΔP= h0ρg，因此P0＞20KPa 。为了迁移掉h0ρg，即在h=0时仍然使P0=20KPa ，可以调整仪表的迁移弹簧张力。由于h0ρg作用在正压室上，称之为正迁移量。迁移弹簧张力抵消了h0ρg在正压室内产生的力，达到正迁移的目的。 由于ρgh0〉0，所以称为正迁移。 量程迁移后，测量范围为0～hmaxρg，再通过零点迁移，使差压式液位计的测量范围调整为h0ρg～（h0ρg +hmaxρg）。

当被测介质有腐蚀性时，差压变送器的正、负压室之间就需要装隔离罐，如果隔离液的密度为ρ1 (ρ1 >ρ )，则 (3)介质有腐蚀性时 当被测介质有腐蚀性时，差压变送器的正、负压室之间就需要装隔离罐，如果隔离液的密度为ρ1 (ρ1 >ρ )，则 因为： 所以： 图3.43 液位测量的负迁移

将上式变为： 对比无迁移情况，ΔP多了一项压力-（h1- h0）ρ1g，它作用在负压室上，称之为负迁移量。当h=0时，ΔP= -(h1- h0)ρ1g ，因此P0<20KPa 。为了迁移掉-(h1- h0)ρ1g的影响，可以调整负迁移弹簧的张力来进行负迁移以抵消掉-(h1- h0)ρ1g在负压室内产生的力，以达到负迁移的目的。 迁移调整后，差压式液位计的测量范围调整为 -(h1- h0)ρ1g～[hmaxρg-(h1- h0)ρ1g] 由于 所以称为负迁移。

(4)测量分界面 利用差压式液位计还可以测量液体的分界面，如下图所示。 液位计正、负压室受力情况如下： P1 = h0ρ2g +（h1+h2）ρ1g P2=（h2+h1+h0）ρ1g ΔP= P1 – P2 = h0 g（ρ2 -ρ1） 由于（ρ2 -ρ1）是已知的，所以压差ΔP与分界面高度h0成一一对应关系。 界面测量

(5)其它物位计 电容式物位计 超声波物位计 核辐射式物位计 磁翻转式物位计

3.5.3 物位检测仪表的选用 必须考虑测量范围、测量精度、被测介质的物理化学性质、环境操作条件、容器结构形状等因素。 在液位检测中最为常用的就是静压式和浮力式测量方法，但必须在容器上开孔安装引压管或在介质中插入浮筒，因此在介质为高粘度或者易燃易爆场合不能使用这些方法。 在料位检测中可以采用电容式、超声波式、射线式等测量方法。

3.8 变送器 3.8.0 概述 3.8.1 变送器的量程、零点迁移 3.8.2 温度变送器 3.8.3 差压变送器 3.8.4 智能变送器

3.8 变送器 3.8.0 概述 作用：将检测元件的输出信号转换成标准统一信号送往显示仪表或控制仪表进行显示、记录或控制。 3.8 变送器 3.8.0 概述 作用：将检测元件的输出信号转换成标准统一信号送往显示仪表或控制仪表进行显示、记录或控制。 温度变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器等 分类： 根据驱动能源形式 电动变送器(电力) 气动变送器(压缩空气) 根据检测与变送分离与否 检测与变送分离：温度变送器 检测与变送一起：压力变送器

工作原理：负反馈原理 包括测量、放大和反馈三个部分 图3.44 变送器的原理框图

根据前图可得，变送器输入与输出的关系为： 输入输出特性： 根据前图可得，变送器输入与输出的关系为： 式中： K——放大器的放大系数 F——反馈部分的反馈系数 C——测量部分的转换系数 当KF>>1时， 图3.45 变送器的输入输出特性

量程迁移：目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。 3.8.1 变送器的量程、零点迁移 量程迁移：目的是使变送器输出信号的上限值与测量范围的上限值相对应。 改变反馈系数F的大小可以实现量程调整。 F大则量程大； F小则量程小。 图3.46 变送器量程调整前后的输入输出特性

零点迁移：目的是使变送器输出信号的下限值与测量范围的下限值相对应。 零点调整： xmin =0 零点迁移： xmin ≠0 xmin >0 正迁移 xmin <0 负迁移 图3.47 变送器零点迁移前后的输入输出特性

将仪表的量程迁移和零点迁移相结合可以提高仪表的测量精度和灵敏度，扩大仪表的适用范围，增加其通用性和灵活性。 图3.48 例：利用差压法测量液位，理想：0~500mm， 实际：250±50mm 调整方法：先量程迁移，再零点迁移

3.8.2 温度变送器 作用：是将热电偶、热电阻的检测信号转换成标准统一信号输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或自动控制。

分类： 连接方式： （见P64） 四线制：供电电源和输出信号分别用两根导线传输(被广泛采用)。电源与信号分离，对电流信号的零点和元器件的功耗无严格要求 两线制：变送器与控制室之间只用两根导线连接。既是电源线又是信号线，节省电缆，且利于安全防爆。 功能：热电偶温度变送器、热电阻温度变送器、 直流毫伏变送器

热电偶温度变送器量程单元 (1) 具有热电偶参比端温度补偿功能 (2) 具有零点迁移、调整及量程迁移功能 (3) 具有线性化功能 热电阻温度变送器量程单元 (1)三线制接法 (2)线性化功能 直流毫伏变送器量程单元 输入信号为直流毫伏

使用温度变送器时应注意的问题： (1) 使用前都要进行量程迁移和零点迁移 (2) 温度变送器要与输入信号类型相符，分度号的匹配、接线等 热电偶温度变送器： (1) 分度号一致 (2) 热电偶的参比端要与变送器上的补偿电阻感受相同温度 热电阻温度变送器： (1)分度号一致； (2)金属热电阻采用三线制接法，半导体热敏电阻不用

3.8.3 差压变送器 作用：将测量得到的差压、正压、负压、液位、密度等信号转换成标准统一信号，作为显示仪表、控制器或运算器的输入信号，以实现对上述参数的显示、记录或自动控制。 类型：力矩平衡式差压变送器、电容式差压变送器、扩散硅式差压变送器 力矩平衡式差压变送器： 工作原理：力矩平衡原理

3.8.4 智能变送器 现场总线控制系统的发展，计算机技术、网络技术等 智能变送器=微处理器+先进传感器技术 输出信号：模拟和数字两种信号 类型：智能温度变送器、智能压力变送器、智能差压变送器等。

特点： (1) 基本误差仅为±0.1%，测量精度高，性能稳定、可靠。 (2) 零点迁移范围较宽，量程比较大。 (3) 具有温度（热电偶变送器）、静压补偿功能（差压变送器）和非线性校正能力（温度变送器），以保证仪表精度。 (4) 输出方式有模拟、数字两种，能够实现双向数据通讯。 (5) 能对变送器进行远程组态调零、调量程和自诊断，以便使用和维护。

3.9 现代传感器技术的发展 发展特征：研究新材料、开发利用新功能，使传感器多功能化、微型化、集成化、数字化、智能化。 3.9 现代传感器技术的发展 发展特征：研究新材料、开发利用新功能，使传感器多功能化、微型化、集成化、数字化、智能化。 新材料、新功能的开发，新加工技术的使用 多维、多功能化的传感器 微型化、集成化、数字化和智能化

例一、热电偶配接温度变送器测温时，为什么除了要确定测量温度的范围外，还需确定分度号？ （1）若电动II型温度变送器量程为0--150℃，当介质为90 ℃时，该变送器的输出为多少mA? （2）若采用电动III型温度变送器，量程和介质温度同上，则变送器的输出又为多少mA?

例二、如果用K热电偶测量温度，其仪表指示值是600℃，而冷端温度是65℃，则实际温度是665℃，对不对？若不对，正确值应为多少，为什么？

例三、用差压变送器测量如图所示敞口储槽液位。已知被测介质密度ρ=900kg/m3，液位高度量程为0～1m，静液柱高度Ho=0.8m。 （1）应该采用正迁移还是负迁移？迁移量是多少？ （2）确定变送器量程及应调整的量程范围。 （3）当储槽液位h是0.5m时，变送器（气动）的输出为多少？

The End