第三章 检测仪表与传感器 第一节 自动检测仪表的原理性组成 第二节 仪表的性能指标 第三节 压力检测及仪表 第四节 流量检测及仪表

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1 第三章 检测仪表与传感器 第一节 自动检测仪表的原理性组成 第二节 仪表的性能指标 第三节 压力检测及仪表 第四节 流量检测及仪表
第三章 检测仪表与传感器 第一节 自动检测仪表的原理性组成 第二节 仪表的性能指标 第三节 压力检测及仪表 第四节 流量检测及仪表 第五节 物位检测及仪表 第六节 温度检测及仪表

2 第三章 检测仪表与传感器 第一节 自动检测仪表的原理性组成
第三章 检测仪表与传感器 第一节 自动检测仪表的原理性组成 从其各部分作用入手来剖析仪表的原理性组成，仪表大多由三个部分组成，即传感器、中间部件、显示器。 中间部件 显示器 被测参数 参数显示 传感器 一、传感器 它的作用是感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号，有时也称为“感受件”，“一次仪表”，“敏感元件”。

3 在选择传感器时，一般有如下三个要求： （一）高准确性（二）高稳定性（三）高灵敏性 二、显示器 它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观察者反映被测参数的数量变化，它的形式有： （一）指示式仪表 （二）记录式仪表 （三）积算式仪表 （四）信号式仪表 （五）调节式仪表 三、中间部件 中间部件按其作用的不同，分为如下三种： （一）单纯的传递作用 （二）按比例传递 （三）信号形式的转换

4 1、传感器 2、中间件 3、显示器 玻璃液体温度计 管道介质压力测量系统 3.显示器 2.中间件 1.传感器 3.显示器 压力表 2.中间件
60 50 40 30 20 10 压力表 测压孔 3.显示器 2.中间件 1、传感器 2、中间件 3、显示器 2.中间件 1.传感器 1.传感器 玻璃液体温度计 管道介质压力测量系统

5 第二节 仪表的性能指标 一、测量误差 二、仪表的性能指标 （一）读数误差
仪表读数误差只能是读数与标准测量值之差，即: △ = M-A（式中△为读数绝对误差，M为仪表读数,A为读数的标准值）。 ﹪ 读数的相对误差 （二）仪表误差 在测量标尺范围内，各测点读数误差的最大值，定义为仪表的绝对误差。如例1， 读数（℃） 误差值（℃） 0 ± ±

6 ﹪ 仪表的相对误差或折合误差，即 例2 一只测量范围为0～600℃的温度计，其绝对误差为±6℃，则 ；另一只测量范围为20～100℃的温度计，其绝对误差为±6℃, 显然，仪表绝对误差相同时，量程较大的仪表质量优于量程较小的仪表。 δ=±7.5﹪。 例3 有一只仪表参数如下，刻度范围为-50～ 450℃，测量读数为190℃，读数标准值200℃，则 　　△=190℃-200℃= -10℃，h = δ 可见h﹥δ。 -5﹪, =-2﹪,

7 　一般仪表量程的上限值应为被测工艺变量最大值的4/3倍或3/2倍，若工艺变量波动较大，如泵的出口压力的测量，则取为3/2倍或2倍；为保证测量值的准确度，一般被测工艺变量最小值以不低于仪表全量程的1/3为宜。 （三）基本误差、允许误差和精度等级 　　1、仪表的基本误差：指在仪表制造厂保证的条件 下，仪表的相对误差。 2、允许误差：是国家标准规定的，即指在标准条件下使用时，仪表所应满足的相对误差。 　　注意：基本误差必须与允许误差相一致。 3、仪表精度等级：是按国家统一规定的允许误差的大小划分成的等级。

8 例4、某台测温仪表的测温范围为200～700℃，校验该表时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的精度等级。
　解：仪表相对误差为　　　　　　　　　　 精度等级为1.0级。 　　例5、某台测温仪表的测温范围为0～1000℃，根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±7℃，试问如何选择其精度等级才能满足以上要求？ 　　解：根据工艺要求，仪表的允许误差为： ﹪ =±0.8％ ﹪ ﹪=±0.7﹪ 选择0.5级仪表。 可见，根据仪表校验数据和工艺要求来选择仪表精度等级情况不一样。

9 仪表指针的线位移或角位移△α与引起此位移的被测参数的变化△X之比即为仪表灵敏度，即 。
（四）仪表的灵敏度与刻度分格标准 　　仪表指针的线位移或角位移△α与引起此位移的被测参数的变化△X之比即为仪表灵敏度，即　　　。 仪表的最小分格值应是仪表有意义的最小读数，即 Ф=（0.5～1）△m （Ф为仪表最小分格值） 则仪表面板上最多的分格数只能是：n=N/Ф或　　　　（n为最多分格数，q为仪表精度等级） （五）指示变差： 被测变量 仪表输出 下行程 ﹪ 最大绝对差值 仪表的变差不应超过仪表的允许误差。 上行程 （六）线性度(非线性误差)

10 （七）反应时间：它反应了仪表动态特性的好坏。
被测变量 仪表输出 理论 实际 （七）反应时间：它反应了仪表动态特性的好坏。 三、工业仪表的分类 1、按仪表使用的能源来分：气动仪表、电动 仪表、液动仪表。 　　2、按信息的获取、传递、反映和处理的过程来分类。

11 3、按仪表的组成形式来分：基地式仪表、单元组合式仪表。
集中控制装置 显示仪表 生产过程 检测仪表 执行器 控制仪表 各类仪表在信息传播过程中的关系 　　3、按仪表的组成形式来分：基地式仪表、单元组合式仪表。

12 小结 第一节 自动检测仪表的原理性组成 一、传感器 它的作用是感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号。
第一节 自动检测仪表的原理性组成 小结 中间部件 显示器 被测参数 参数显示 传感器 一、传感器 它的作用是感受被测参数的变化并发出与之相适应的信号。 在选择传感器时，一般有如下三个要求 ：（一）高准确性（二）高稳定性（三）高灵敏性 二、显示器 它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观察者反映被测参数的数量变化。 它的形式有：（一）指示式仪表（二）记录式仪表 （三）积算式仪表（四）信号式仪表（五）调节式仪表 三、中间部件 它的作用是直接将传感器（一次仪表）发出的信号，按规定的规范要求传输给显示器（二次仪表）。

13 第二节 仪表的性能指标 中间部件按其作用的不同，分为三种：（一）单纯的传递作用（二）按比例传递（三）信号形式的转换 一、测量误差
测量值与真实值之间总是存在着一定的差别，这个差别就是测量误差。测量仪表品质的好坏可用测量误差的大小来表示。 二、仪表的性能指标 （一）读数误差 △ = M-A（式中△为读数绝对误差，M为仪表读数,A为读数的标准值）。 ﹪ （h为读数的相对误差） （二）仪表误差 在测量标尺范围内，各测点读数误差 的最大值△m ，定义为仪表的绝对误差。

14 ﹪ 仪表相对误差 （N为仪表的量程） （三）基本误差、允许误差和精度等级 　　1、仪表的基本误差：指在仪表制造厂保证的条件 下，仪表的相对误差。 2、允许误差：是国家标准规定的，即指在标准条件下使用时，仪表所应满足的相对误差。 　　注意：基本误差必须与允许误差相一致。 3、仪表精度等级：是按国家统一规定的允许误差的大小划分成的等级。 　　仪表的精度等级在数值上为仪表的允许误差去掉“±”号及“％”号后的数值。 （四）仪表的灵敏度与刻度分格标准 　　仪表指针的线位移或角位移△α与引起此位移的被测参数的变化△X之比即为仪表灵敏度，即　　　。

15 ﹪ （五）指示变差 （用在同一被测参数值下，正、反行程时仪表指示值的绝对误差的最大值与仪表量程之比的百分数表示）　　　　　　　　　 仪表的变差不应超过仪表的允许误差。 （六）线性度(非线性误差) （即用实际测得的输入－输出特性曲线与理论直线之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示） （七）反应时间　它反应了仪表动态特性的好坏。 三、工业仪表的分类

16 第三节 压力检测及仪表 一、压力单位及测压仪表 压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，可用下式表示： P=F/S
　　在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分，其关系见下图 P绝 大气压力线 绝对压力的零线 P表 P真 　　p表压=p绝对压力-p大气压力 p真空度=p大气压力-p绝对压力

17 测量压力或真空度的仪表很多，按照其转换原理的不同，大致可分为四大类。 1、液柱式压力计
　　1、液柱式压力计 　　它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。一般用来测量较低压力、真空度或压力差。 单管压力计 U型管压力计 斜管压力计

18 　 2、弹性式压力计 　　它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。 　　3、电气式压力计 　　它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表，例如各种压力传感器和压力变送器。 　　4、活塞式压力计 它是根据水压机液体传送压力的原理，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。

19 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。
二、弹性式压力计 　　弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 1.弹性元件 　　弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。 （1）弹簧管式弹性元件 可测量高达1000MPa的压力。 常用的几种弹性元件的结构如下图所示。 p (a) 自由端 p (b)

20 （2）薄膜式弹性元件 薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。
（2）薄膜式弹性元件 薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。 p (e) p (d) p (c) （3）波纹管式弹性元件 这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量（一般不超过1MPa）。 　

21 2.弹簧管压力表P42 图3-6 弹簧管压力表 1－弹簧管 2－拉杆 3－扇形齿轮 4－中心齿轮 5－指针 6－面板
1－弹簧管 2－拉杆 3－扇形齿轮 4－中心齿轮 5－指针 6－面板 7－游丝 8－调节螺钉 9－接头 图3-6 弹簧管压力表 P

22 电气式压力计是一种能将被测压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。
三、电气式压力计 　　电气式压力计是一种能将被测压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。 1.霍尔片式压力传感器 　　霍尔片式压力传感器利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，实现压力测量。 霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压即霍尔电势： N S 霍尔效应 　　 UH=RHBI 式中 UH——霍尔电势； RH——霍尔常数，与 霍尔片材料、几何形状有关；

23 应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。
2.应变片式压力传感器 　　应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。 r1 r2 r3 r4 输出信号 电源 恒压直流 a b ＋ － C d r1 r2 外壳 1 弹性筒 2 P 膜片 3 (b)测量桥路 (a)传感筒

24 压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成的。
3.压阻式压力传感器 　　压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成的。 基座 单晶硅片 导环 螺母 密封垫圈 负压室 正压室 Ri1 Ri2 Ri3 Ri4 (a)单晶硅片 (b)结构 4.力矩平衡式压力变送器 　　力矩平衡式压力变送器是根据力矩平衡原理工作的，有电动和气动两种。它们都由测量部分和转换部分组成。

25 A 测量部分 其作用是将被测压力信号转换成测量力的形成。 ①测量低压（0～2.5MPA） 的敏感元件一般采用
3.推杆 P 1.测量波纹管 2.测量室 4.螺帽 5.主杠杆 6.出轴膜片 黄铜或不锈钢制成的波纹管， 如右图。 　　②测量中、高压（2.5～10MPA，10～60MPA）的敏感元件一般采用铬钒钢制成的弹簧管。如右图。 P １.弹簧管 ２.推杆 ３.主杠杆

26 ③绝对压力变送器测量部分的结构原理如下图，主要由两个不锈钢波纹管组成，波纹管2轴成真空,两个波纹管的有效面积相等即A1=A2。
3.推杆 P1 2．补偿波纹管 4.主杠杆 1．测量波纹管 A2 波纹管1底部产生一个推力 F1=P1A1-P2A1；波纹管2底部 产生的压缩力F2=P2A2 ，则作用在主杆上的合力为：F=F1+F2=P1A1-P2A1+P2A2= P1A1。 A P1 P2 正压室 负压室 B 　　如右图，我们可以模仿天平称重物的方法，通过所加砝码的质量测得F的大小。

27 电容式压力变送器是利用中心感应膜片和两边弧形固定电极形成的二个电容器，将压力的变化转换成电容量的变化，然后进行测量的。
　　5.电容式压力变送器 　　电容式压力变送器是利用中心感应膜片和两边弧形固定电极形成的二个电容器，将压力的变化转换成电容量的变化，然后进行测量的。 3 2 1 4 电容式传感器原理图 如图 1.中心感应膜片 2.固定电极 3.隔离膜片 4.填充液（硅油）

28 四、压力计的选用及安装 　　１.压力计的选用 （1）仪表类型的选用； 仪表类型的选用必须满足工艺生产要求。 （2）仪表测量范围的确定； 仪表量程的上限值应为被测工艺变量最大值的3/2倍；若工艺变量波动较大，则取为2倍；为保证测量值的准确度，一般被测工艺变量最小值以不低于仪表全量程的1/3为宜。 （3）仪表精度等级的选取 在满足工艺要求的前提下，应尽量选用精度较低、价廉耐用的仪表。 2.压力计的安装 P50

29 小结 第三节 压力检测及仪表 p真空度=p大气压力-p绝对压力 一、压力单位及测压仪表
P=F/S,压力的单位帕（Pa）,1Pa=1N/m2,1MPa=1× Pa 　p表压=p绝对压力-p大气压力 , p真空度=p大气压力-p绝对压力 按照其转换原理的不同，测压仪表大致可分为四大类。 　　1、液柱式压力计 　　它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。一般用来测量较低压力、真空度或压力差。 　 2、弹性式压力计 　　它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。 　　3、电气式压力计 4、活塞式压力计

30 二、弹性式压力计 弹性式压力计可以用来测量几百帕到数千兆帕范围的压力，因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。 1.弹性元件 （1）弹簧管式弹性元件 可测量高达1000MPa的压力。 （2）薄膜式弹性元件 可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。 （3）波纹管式弹性元件 这种弹性元件易于变形，常用于微压与低压的测量（一般不超过1MPa）。 　 2.弹簧管压力表P42 三、电气式压力计 　　电气式压力计是一种能将被测压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。　

31 　　 UH=RHBI 1.霍尔片式压力传感器 　　霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。 2.应变片式压力传感器 　　应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。 3.压阻式压力传感器 　　压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成的。 4.力矩平衡式压力变送器 　　力矩平衡式压力变送器是根据力矩平衡原理工作的，有电、气动两种，都由测量和转换部分组成。

32 5.电容式压力变送器 　　电容式压力变送器是利用中心感应膜片和两边弧形固定电极形成的二个电容器，将压力的变化转换成电容量的变化，然后进行测量的。 四、压力计的选用及安装 　　１.压力计的选用 （1）仪表类型的选用； 仪表类型的选用必须满足工艺生产要求。 （2）仪表测量范围的确定； （3）仪表精度等级的选取 在满足工艺要求的前提下，应尽量选用精度较低、价廉耐用的仪表。 2.压力计的安装 P50

33 第四节 流量检测及仪表 自学

34 第五节 物位检测及仪表 一、 概述 物位测量指对液体液位的测量，固体或颗粒状物质料位的测量及对两种密度不同液体介质的分界面的测量。
第五节 物位检测及仪表 一、 概述 　　物位测量指对液体液位的测量，固体或颗粒状物质料位的测量及对两种密度不同液体介质的分界面的测量。 　　 测量物位的仪表种类很多，按工作原理主要有： 　　 １.直读式物位仪表:如玻璃管（板）液位计。 用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以直接显示容器内液位的高低。

35 ２.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。
液体密闭容器 液体敞开容器 固体称重仓 ３.浮力式物位仪表 恒浮力原理：浮置于液面上的浮球随液位高低而发生位移。 变浮力原理：液位变化引起作用在沉筒上的浮力变化。

36 恒浮力式 内置式 外置式 静井 浮 筒 G F弹 F浮 浮筒 弹簧 磁钢室 输出指示器 变浮力式

37 ４. 电磁式物位仪表：使物位的变化转化为电量的变化，如电容式、电阻式(电极式) 、电感式。
辐射源 接收器 辐射源 接收器 利用物料的导电性能测量高低液位。 也可以用于导电性较弱的液体和潮湿固体。 电极式物位仪表 核辐射式物位仪表 ５. 核辐射式物位仪表：利用核辐射射线透过物料时,其强度随物质层厚度而变化的原理工作。

38 利用声波在空气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。
6. 声波式物位仪表 利用声波在空气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）。 声波式物位仪表 7. 光学式物位仪表:利用物位对光波的遮断和反射 原理工作。

39 二、差压式物位计：基于静力学原理，利用液位变化引起压差变化的原理而工作。
+ - PA ρ PB h qi q0 1、液位测量 　　如右图，差压变送器的一端接液相，另一端接气相. 正压室压力：P+=PB=PA+ρgh， 负压室压力：P-=PA 则 △P=P+-P-= ρgh 通常ρ为已知，这样测的压差与液位高度h成正比，就把测量液位高度问题转化为测量压差问题。当用电动差压变送器测量时，输出信号为4～20mA，即当h=0时，输出为4mA;当h=hmax时，输出为20mA，这是液位测量中最简单的情况，称为“无迁移”情况。

40 有时因为某种原因不能将变送器的测压室与贮槽底 部安装在同一水平面上，而是底于贮槽的低部，如下图
此时有： 　P+=PB+ρgh0=PA+ρgh+ρgh0 　P-=PA 　则 △P=P+-P-=ρgh+ρgh0 与无迁移的情况比较，△P多出一项pgh0;h=0时,△P=ρgh0,输出﹥ 4mA ，可见 h0 + - PA ρ PB h qi q0 测量起始点由0变为某一正值称为正迁移,为迁移掉ρgh0即在h=0时使输出为4mA ，可调整仪表的正迁移弹簧张力。 P67

41 负迁移如右图。对于腐蚀性流体，在变送器正、负压室与取压点之间应分别装有隔离罐并充以隔离液，以防液体或气体进入变送器造成对仪表的腐蚀。此时有：
　　负迁移如右图。对于腐蚀性流体，在变送器正、负压室与取压点之间应分别装有隔离罐并充以隔离液，以防液体或气体进入变送器造成对仪表的腐蚀。此时有： h2 ρ2 H ρ1 P0 h1 - + P+=P0+ρ1gH+ρ2gh1 , P-= P0+ρ2gh2 则 △P=P+-P- = ρ1gH+ ρ2gh1-ρ2gh2 = ρ1gH-ρ2g(h2-h1) 与无迁移的情况比较，△P减少了ρ2g(h2-h1) ;h=0时， △P= -ρ2g(h2-h1),输出〈 4mA ，可见测量起始点由0变为某一负值称为负迁移,这时调整负迁移弹簧的张力。

42 有 P+=ρ2gh0+ρ1g(h1+h2) P-=(h0+h1+h2)ρ1g 则△P=（ρ２-ρ1）gh0
2. 液体分界面的测量 如右图 h2 h0 - + ρ1 ρ2 P- P+ h h1 最高分界层 通常分界层 最低分界层 有 P+=ρ2gh0+ρ1g(h1+h2) 　　　　　　　　　　　 P-=(h0+h1+h2)ρ1g　　　　　 则△P=（ρ２-ρ1）gh0 式中，通常ρ１，ρ２为已知， 所以压差与分界面高度h0成一一对应关系。 三、电容式物位计 １.测量原理：在电容器的极板间充以不同介质 时，电容量的大小也有所不同，因此可通过测量电 容量的变化来检测液位、料位等。

43 由两个同轴圆柱极板组成的电容器，当两极板之间填充介电常数为ε1的介质时，两极板间的电容量为：
d D L D d L H 当极板之间一部分介质被介电常数为ε2的另一种介质填充时，可推导出电容变化量： ２.液位的检测。p69 ３.料位的检测。

44 四、核辐射物位计 利用核辐射射线的透射强度随介质层厚度的变化而变化的原理进行测量，即射线的透射强度随着介质层厚度增加呈指数规律衰减，关系为穿过介质后的射线强度I=入射强度I0 * (u为介质对放射线的吸收系数，H为介质层厚度)，当放射源已定，被测介质不变时，即I0，u为常数时， 由式可知只要测定I，介质的厚度即液位或料位的高度H就可知道，如图3-48P７0，辐射源I射出强度为I0的射线，接受器2用来检测透过介质后的射线强度I，再配以显示仪表就可指出物位的高低。 五、称重式液罐计量仪P71

45 第六节 温度检测及仪表 一、测温仪表的分类 按测量方式不同,分为接触式与非接触式两类。接触式测温利用热交换原理,非接触式测温利用热辐射原理。
第六节 温度检测及仪表 一、测温仪表的分类 　　按测量方式不同,分为接触式与非接触式两类。接触式测温利用热交换原理,非接触式测温利用热辐射原理。 测温方式 测温仪表 测温范围℃ 主要特点 接 触 式 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，不能远传 双金属 －80～600 结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限 热电效应 热电偶 －50～1800 测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低 热阻效应 铂电阻 －200～600 测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应用广泛；不能测高温 铜电阻 －50～150 半导体热敏电阻 灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制 非接触式 辐射式 0～3500 不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难

46 1.膨胀式温度计： 基于物体受热体积膨胀原理制成。 2.压力式温度计 ：利用液体的蒸发或气体 的膨胀而引起的压力变化进行测量。
t = t0 t  t0 玻璃液体温度计 利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度 双金属温度计 不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度 2.压力式温度计 ：利用液体的蒸发或气体 的膨胀而引起的压力变化进行测量。 3 1.温包：传热、容纳膨胀介质； 2.毛细管：传递压力； 3.弹簧管：显示压力（温度）。 2 1

47 二、温度测量的基本原理 　　温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，来实现间接测量。温度测量的基本原理与这些特性值的选择密切相关。 三、热电偶温度计 　　热电偶温度计是基于热电效应原理来测量温度的。 它的测温范围广，可测量生产过程中-50℃～1800℃范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度，这类仪表结构简单，使用方便，测温准确可靠，便于远传，自动记录和集中控制。

48 　　如左图可知，热电偶温度计是由三部分组成的：1是热电偶，它是系统中的感（测）温元件；2是导线（补偿导线、铜导线）；3是测量仪表，用来测量热电偶产生的热电动势信号，可采用动圈仪表或电位差计。
3.测量仪表 热电偶温度计 测量系统原理图 1.热电偶 2.导线 t0 A t B E 1、热电偶 它是由两种不同材料的导体A和B焊接而成。焊接的一端插入被测介质中，感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端，另一端与导线连接，称为冷端或自由端，导体A、B称为热电极。

49 电势大小，在热电偶材料确定后仅和温度有关，故称为热电势。记作eAB(t) 。
(1)热电现象及测温原理 1 2 t0 A B t 3 A B 2 4 1 t t1 t0 3 eAB(t0) 2 A B 1 eAB(t) 热电现象 为什么会产生热电势? e(AB) + _ A B (b) B A (a) 电势大小，在热电偶材料确定后仅和温度有关，故称为热电势。记作eAB(t) 。 接触电势的形成过程

50 或E（t,t0）=eAB(t)+eBA(t0)
_ + (a) eAB(t) A B R1 R2 I (b) 热电偶原理 　　如上图，若把导体的另一端也闭合，形成闭合电路，则在两接点处就形成两个方向相反的热电势。图（a）的等效电路可表示成图（b），R1 、R2为热偶丝等效电阻。 则此闭合回路的总热电势E（t,t0）为： E（t,t0）= eAB(t)- eAB(t0) 或E（t,t0）=eAB(t)+eBA(t0) 如t0不变，则热电势E（t,t0）为t的单值函数，这样，只要测得热电势的大小，就能判断出测温点温度的高低，这就是利用热电现象来测温的原理。

51 eBC(t1)=-eCB(t1), eAB(t0)=-eBA(t0)
注意：热电偶的构成 （2）插入第三种导线的问题 1 2 t0 A B t 3 C （b） C （a） A B 2 4 1 t t1 t0 3 　　在图（a）中，3、4点温度均为t1，则总的热电势Et为：Et=eAB(t)+eBC(t1)+eCB(t1)+eBA(t0) 因为 eBC(t1)=-eCB(t1), eAB(t0)=-eBA(t0) 则 　　　Et= eAB(t)- eAB(t0)

52 在图（b）中，Et=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0) ①
　　根据能量守恒定律，多种金属组成的闭合回路，尽管它们的材料不同，只要温度相同，则此闭合回路的总电势为零，若将A、B、C三种金属组成一个闭合回路，各接点温度均为t0，则有 　　eAB(t0)+ eBC(t0)+ eCA(t0)=0 ② 由①,②可得 E(t)= eAB(t)- eAB(t0) 　　这表明在热电偶回路中接入第三种导线对原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。 （3）常用热电偶的种类P77

53 保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。
（4）热电偶的结构 接线盒 保护套管 绝缘管 热电偶 安装法兰 引线口 普通型热电偶 由热电极，绝缘管， 保护套管，接线盒 等主要部分组成。 绝缘管用于防止两根电极短路。 保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。 铠装型热电偶 热电极 绝缘材料 金属套管 热电极 绝缘材料 铠装型热电偶断面结构 由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的

54 由于不同热电偶所用补偿导线不同，在使用补偿导 线时，注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导 线连接端所处的温度不应超过100℃。
　　2、补偿导线的选用 　　采用一种专用导线， 将热电偶的冷端延伸出来， 此导线为“补偿导线”，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，其材料又廉价。　　 E（t,t0）= eAB(t)- eAB(t0) t t0 康铜 t1 镍 铬 _ 硅 A B + 热电偶 铜 补偿导线 铜导线 测温毫伏表 由于不同热电偶所用补偿导线不同，在使用补偿导 线时，注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导 线连接端所处的温度不应超过100℃。

55 E（t,t0）= eAB(t)- eAB(t0)

56 把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中，然后放入装有冷水混合物的容器中，此法多在实验室中用。
3、冷端温度补偿 铜导线 _ 测温毫伏计 冰水混合物 + t 补偿导线 油 　　（1）冷端温度保持为0℃的方法 　　把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中，然后放入装有冷水混合物的容器中，此法多在实验室中用。 　　（2）冷端温度修正的方法 　　如某一设备的实际温度为t，热电偶冷端为t1，这时用热电偶测得的热电势为E(t,t1)，为求其真实温度，用下式进行修正： E(t,t1)=E(t)-E(t1)=E(t,0)-E(t1,0) 　即 E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0)

57 例：用镍铬-铜镍热电偶测量某炉温，测得的热电势E(t,t1)=66.982mV，而冷端温度 t1 =30 ℃,求被测实际温度。
解：由附录396查得E(t1,0)= E(30,0)=1.801mV，则 E(t,0)= E(t,t1)+ E(t1,0) = E(t,30)+E(30,0)= =68.783mV, 再查附录3可得68.783mV对应的温度为900 ℃。 　　（3）校正仪表机械零点法 （4）补偿电桥法 　　补偿电桥法是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。

58 不平衡电桥由R1、R2、R3（锰铜丝绕）制和Rt（铜丝）四个桥臂和稳压电源组成，串联在热
+ _ Rt a R1 R2 R3 b 电偶测量回路中，为使冷端与Rt感受相同的温度，所以必须把Rt与冷端放在一起，电桥常取20℃（0℃）时处于平衡，即R1=R2=R3=Rt,此时a,b两点电位相等，即Uab=0，电桥对仪表的读数无影响，当环境温度高于20℃时，热电势减弱，电桥则由于Rt的增加而不平衡，此时Uab>0，Uab与热电势叠加送入测量仪表，如选择电阻、电流适当，可使Uab正好补偿热电势的变化值，仪表可指示出正确的温度。 Uab = E(t0,0) t 仪表 A B t1 t0 （5）补偿热电偶法P81

59 热电阻温度计由热电阻、显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线组成，其连接导线采用三线制接法。
四、热电阻温度计 　　热电阻温度计由热电阻、显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线组成，其连接导线采用三线制接法。 仪表 热电阻 Rt 　1、热电阻 是测温（感温）元件。 （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来进行温度测量。 　　阻值与温度关系为：Rt=Rt0〔1+α(t-t0)〕（α为电阻温度系数） 即△Rt=αRt0 *△t （2）常用热电阻

60 ①铂热电阻 在0℃～650℃范围内，铂电阻与温度的关系为： （Rt0为0℃时电阻值）（A、B、C为常数，由实验求得A=3
　　①铂热电阻 在0℃～650℃范围内，铂电阻与温度的关系为： （Rt0为0℃时电阻值）（A、B、C为常数，由实验求得A=3.950× /℃,B=-5.850×10-7/℃2,C=-4.22×10-22/℃3） 工业上常用的铂热电阻有R0＝10Ω、R0＝100Ω和R0＝1000Ω等几种， 它们的分度号分别为Pt10、Pt100 和 Pt1000。 　 ②铜热电阻 在-50℃～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的，即Rt=Rt0〔1+α(t-t0)〕(α=4.25×10-3/℃) 工业上常用的铜热电阻有R0＝50Ω和R0＝100Ω两种，分度号分别为 Cu50和 Cu100。

61 （3）热电阻结构 结构型式有：普通型，铠装型，薄膜型。 五、（DBW）电动温度变送器 　　DBW是DDZ—Ⅱ型系列电动单元组合仪表中的一个主要单元，它与各种类型的热电偶、热电阻配合使用，可把温度信号转换成0～10mA的直流电流统一信号，同时它又是一个低电压直流毫伏转换器，可与具有毫伏输出的各种变送器配合，使其转换成0～10mA直流电流统一信号输出，作为显示记录仪表、控制器等的输入信号，以实现对温度或其他变量的记录、显示和自动控制。 　　DBW主要由输入回路（输入桥路）和电压—电流转换器两部分组成。输入回路将热电偶产生的电势或热电阻的阻值转换成相应的电压信号，电压—电流转换器又将

62 此电压信号转换成一一对应的0—10mA的直流电流信号。
输入 回路 电压—电流转换器 Et(或Rt) U I 下面将分别介绍这两部分的结构及工作原理 （一）输入回路 　　DBW的输入回路实际上是一个直流不平衡桥路，按测温元件的不同可分为热电偶、热电阻、热电偶温差、热电阻温差桥路和直流毫伏测量桥路五种（只要改变接线端子的连接方式就能组成各种测量桥路）。

63 U=UAL=ET+UBL=ET+RCuI1-Rw2I2
_ L - B A + 输出U K 工作 ET T + RCu E R21 R20 W3 I2 I W2 R18 I1 检查 1、热电偶温度测量 桥路 如右图，四个桥臂 电阻分别是R18、R21、 Rw2、RCu，B、L为桥 路的输出端，桥路的直流 电源E=6V，总工作电流I可通过调节电位器W3来调整，使I=1mA，因R18=R21=10KΩ（比其他电阻的阻值大得多），所以桥路中其它电阻阻值变化对左右两支路的电流影响极小。可认为I1=I2=I/2=0.5mA， 则热电偶输入回路的输出毫伏信号U为: U=UAL=ET+UBL=ET+RCuI1-Rw2I2 通过分析来看热电偶温度测量桥路的作用有三方面：

64 （1）自动补偿由于冷端温度变化而引起的测量误差
（2）实现零点调整和迁移 由零变为某一正值，称正向迁移，反之为负向迁移。。 （3）对仪表作定值检查 当开关拨向“检查”时，桥路输出为R20上的固定电压降，使仪表有一相应输出电流(4～6mA). 输出U _ + TL E R21 R20 C W3 I2 I W2 R18 B R I1 TH 检查 工作 K A + L- 2、热电偶温差测量桥路 　利用TH，TL两个串联热电偶形成温差测量桥路。 在桥路中以固定R代替温度补偿RCu；W2同样可实现零点迁移和调整。

65 为满足零点迁移的需要，桥路CL之间的电阻值可以有 三种不同范围的变化：
B _ + T RCU R24 ① ④ E R21 R20 W3 I2 I W2 R18 I1 检查 ③ ② ⑤ ⑥ ⑦ 工作 K A + U L _ ET C 1)Rw2=0～100Ω，R24不接，即④与⑤ 短接。 2）Rw2//R24 =0～50Ω,Rw2 与 R24并联，即④与⑤短接,⑥与⑦短接。 3）Rw2+R24=100～200Ω，W2与R24串联，即④与⑥短接。 3、热电阻温度测量桥路 作用是：把热电阻的阻值变化转换成相应的毫伏电压信号，实现零点迁移并送出一个固定数值的电压来对仪表进行定值检查。

66 热电阻Rt为桥路的一个臂,UBL即为整个输入回路的输出信号U，I=1mA仍由w3调节，固定电阻R18,R21比热电阻大很多，所以当被测温度变化引起Rt变化时，可认为I1,I2基本不变。这样，由U=I1Rt-I2Rw2知,U与Rt成线性关系，当电桥处于平衡状态时Rt=Rt0, U=0;W2仍为实现零点调整和迁移而设。 输出U E R21 R20 C W3 I2 I W2 R18 B I1 检查 工作 K A + L - Rt 为克服导线电阻的影响，热电阻采用三线制接法，即在W2桥路中也串入一条与Rt桥臂中相同粗细，相同长度，相同材料的连接线，且二桥臂电流相等，所以在二桥臂中两根连接导线上产生的压降相等，从而相互抵消,

67 因此环境温度的变化引起导线电阻值的变化，但不会影响桥路的输出电压。
4、热电阻温差测量桥路 输出U E R21 R20 W3 I2 I W2 R18 B I1 检查 工作 K A + L _ RtH C RtL 由于RtH与RtL分别为桥路中相邻的两桥臂，因此U与热电阻RtH与RtL上的压降之差有关，即U=I1 RtH -I2 RtL -I2RW2，由于RtH与RtL分别接在相邻的两个桥臂上，因而只要保证接线长度相等即可，无需采用三线制;同样，W2用来实现零点调整及迁移; RtH 、 RtL位置不能互换，否则U为负， 变送器无输出。

68 > （二）电压—电流转换器 ε 若I0不被放大器分流,则有输入端的信号电压： ( 设K为放大倍数 )
_ Uf Rf > + U I0 RL （Rf锰铜丝绕制，为减少温度变化的影响） 若I0不被放大器分流,则有输入端的信号电压： ( 设K为放大倍数 ) 因为 KRf>>1,则I0=U/Rf

69 可见温度变送器是一比例环节，动态响应快，当I0为10mA时，增大Rf值，U值也增大，即量程扩大，即Rf 起着改变量程和满度的作用。温度变送器的量程在5～50mV间可调，当量程固定后,Rf 也就固定。
六、测温元件的选用及安装 p86 工业上常见的温度检测仪表主要有: 双金属温度计 热电偶 热电阻 辐射式温度计等 就地指示 精度不高 适用于测量500～1800℃范围的中高温度 在线检测 适用于测量500℃以下的中低温度 一般用于2000℃以上的高温测量 使用热电阻、热电偶时还应根据相应要求确定合适的分度号。

70 小结 第三章 检测仪表与传感器 第一节 自动检测仪表的原理性组成 第二节 仪表的性能指标 第三节 压力检测及仪表 第四节 流量检测及仪表
第三章 检测仪表与传感器 第一节 自动检测仪表的原理性组成 第二节 仪表的性能指标 第三节 压力检测及仪表 第四节 流量检测及仪表 第五节 物位检测及仪表 第六节 温度检测及仪表

71 第一节 自动检测仪表的原理性组成 从其各部分作用入手来剖析仪表的原理性组成， 一、传感器 它的作用是感受被测参数的变化并发出
第一节 自动检测仪表的原理性组成 从其各部分作用入手来剖析仪表的原理性组成， 中间部件 显示器 被测参数 参数显示 传感器 一、传感器 它的作用是感受被测参数的变化并发出 与之相适应的信号 要求具有高准确性、高稳定性、高灵敏性 二、中间部件 它的作用是直接将传感器（一次仪表）发出的信号，按规定的规范要求传输给显示器（二次仪表）。按其作用的不同，分为三种：（一）单纯的传递作用（二）按比例传递（三）信号形式的转换 三、显示器

72 ﹪ 第二节 仪表的性能指标 它的功能是将来自传感器的信号，以所需形式向观察者反映被测参数的数量变化。它的形式有：
（一）指示式仪表（二）记录式仪表（三）积算式仪表 （四）信号式仪表（五）调节式仪表 第二节 仪表的性能指标 （一）读数误差 仪表读数误差是读数与标准测量值之差，即: △ = M-A ﹪ 读数的相对误差 （二）仪表误差 在测量标尺范围内，各读数误差的最大值，定义为仪表的绝对误差。 △m ﹪ 仪表的相对误差

73 （三）基本误差、允许误差和精度等级 　　1、仪表的基本误差：指在仪表制造厂保证的条件下，仪表的相对误差。 2、允许误差：是国家标准规定的，即指在标准条件下使用时，仪表所应满足的相对误差。 　　注意：基本误差必须与允许误差相一致。 3、仪表精度等级：是按国家统一规定的允许误差的大小划分成的等级。 　　仪表的精度等级在数值上为仪表的允许误差去掉“±”号及“％”号后的数值。 （四）仪表的灵敏度与刻度分格标准 仪表指针的线位移或角位移△α与引起此位移的被

74 测参数的变化△X之比即为仪表灵敏度，即　　　 （五）指示变差：指在外界条件不变时，使用同一仪表 对相同的被测参数值进行正、反行程测量时，其所得到 的仪表指示值是不相等的，两者之差称为仪表在此读数 点的指示变差。　　　　　　　　 ﹪ 仪表的变差不应超过仪表的允许误差。 （六）线性度(非线性误差) （即用实际测得的输入－输出特性曲线与理论直线之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示）

75 第三节 压力检测及仪表 （七）反应时间：它反应了仪表动态特性的好坏。 三、工业仪表的分类 1、按仪表使用的能源来分：气动仪表、电动
仪表、液动仪表。 　　2、按信息的获取、传递、反映和处理的过程来分类。 　　3、按仪表的组成形式来分：基地式仪表、单元组合式仪表。 第三节 压力检测及仪表 一、压力单位及测压仪表 按照转换原理的不同，大致可分为四大类:1.液柱式压力计 2.弹性式压力计 3.电气式压力计 4.活塞式压力计

76 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。
二、弹性式压力计 　　弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 1.弹性元件 （1）弹簧管式弹性元件 （2）薄膜式弹性元件 （3）波纹管式弹性元件 p (b) 2.弹簧管压力表 p (a) 自由端 p (c) 三、电气式压力计 1.霍尔片式压力传感器 　　霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。

77 第四节 流量检测及仪表 2.应变片式压力传感器：是利用电阻应变原理构成的。 3.压阻式压力传感器:是利用单晶硅的压阻效应而构成的。
4.力矩平衡式压力变送器：是根据力矩平衡原理工的。有电动和气动两种。它们都由测量部分和转换部分组成。 5.电容式压力变送器：是利用中心感应膜片和两边弧形固定电极形成的二个电容器，将压力的变化转换成电容量的变化，然后进行测量的。 3 2 1 4 四、压力计的选用 （1）仪表类型的选用； （2）仪表测量范围的确定； （3）仪表精度等级的选取; 第四节 流量检测及仪表

78 第五节 物位检测及仪表 一、 概述 物位测量指对液体液位的测量，固体或颗粒状物质料位的测量及对两种密度不同液体介质的分界面的测量。
第五节 物位检测及仪表 一、 概述 　　物位测量指对液体液位的测量，固体或颗粒状物质料位的测量及对两种密度不同液体介质的分界面的测量。 　　 测量物位的仪表种类很多，按工作原理主要有： １.直读式物位仪表２.差压式物位仪表３.浮力式物位仪表 ４. 电磁式物位仪表５. 核辐射式物位仪表６. 声波式物位仪表７. 光学式物位仪表 二、差压式物位计：基于静力学原理，利用液位变化引起压差变化的原理而工作。 + - PA ρ PB h qi q0 1、液位测量 2、液体分界面的测量 三、电容式物位计 电容器的极板间充以不同介质 时，电容量的大小也有所不同

79 四、核辐射物位计 利用核辐射射线的透射强度随介质层厚度的变化而变化的原理进行测量，即射线的透射强度随着介质层厚度增加呈指数规律衰减，关系为穿过介质后的射线强度I=入射强度I0 * ， 五、称重式液罐计量仪

80 小结 第六节 温度检测及仪表 一、测温仪表的分类
第六节 温度检测及仪表 一、测温仪表的分类 　　按测量方式不同,分为接触式与非接触式两类。接触式测温利用热交换原理,非接触式测温利用热辐射原理。 二、温度测量的基本原理 　　温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函数关系，来实现间接测量。温度测量的基本原理与这些特性值的选择密切相关。 三、热电偶温度计 　　热电偶温度计是基于热电效应原理来测量温度的。

81 E（t,t0）= eAB(t)- eAB(t0) 1、热电偶 它是由两种不同材料的导体A和B焊接而成。 (1)热电现象及测温原理
3.测量仪表 热电偶温度计 测量系统原理图 1.热电偶 2.导线 t0 A t B E (1)热电现象及测温原理 E（t,t0）= eAB(t)- eAB(t0) （2）插入第三种导线的问题 　　在热电偶回路中接入第三种导线对原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。 （3）常用热电偶的种类P81 （4）热电偶的结构 　　2、补偿导线的选用　 在使用补偿导线时，注意型号相配，极性不能接错， 热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100℃。

82 我们在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0℃或进行一定的修正才能得出准确的测量结果，此法称为热电偶的冷端温度补偿，采用方法如下：
3、冷端温度补偿 　　我们在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0℃或进行一定的修正才能得出准确的测量结果，此法称为热电偶的冷端温度补偿，采用方法如下： E（t,t0）= eAB(t)- eAB(t0) （1）冷端温度保持为0℃的方法 （2）冷端温度修正的方法 E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0) （3）校正仪表机械零点法 （4）补偿电桥法 是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。 （5）补偿热电偶法P81 仪表 热电阻 Rt 四、热电阻温度计 　1、热电阻 是测温（感温）元件。

83 （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来进行温度测量。
（2）常用热电阻 　　①铂热电阻 它们的分度号分别为Pt10、Pt100 。 　 ②铜热电阻 Rt=Rt0〔1+α(t-t0)〕 工业上常用的铜热电阻分度号分别为 Cu50和Cu100。 （3）热电阻结构

84 补充题3： 如图所示，q1为对象的流入量，q2为流出量，h 为液位高度，C1为容量系数;若q1为对象的输入量，h为输出量，设R1、R2均为线性液阻，求描述对象特性的数学表达式，且指出时间常数T与放大倍数K各为多少？ q1 q2 R2 R1 C1 h

85 补充题4： 如图所示为一液体储罐，其物料液位采用电容液位计测量。已知储罐内径为4.2m，金属内电极直径为3mm ，液位最低位置与最高位置相差H=20m，罐内空气含有一定量的瓦斯气，其介电系数为13.275×10 F/m，液体的介电系数为39.825×10 F/m，求液位计的零点迁移电容值和量程电容值。 —12 解：当液面最低时，即罐内H范围内全部为瓦斯气时，有 电容液面计 内电极 当液面最高时，即罐内H范围内全部为液体时，有 则 量程电容值C量=Cmax-Cmin= =460.5 PF 零点迁移电容值C迁=Cmin=230.3 PF