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第三章 检测仪表与传感器 第四节 物位检测及仪表 一、概论 几个概念 液位 料位 界面 液位计 料位计 界面计 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 表 3-5 各种物位测量仪表的特性（ P66） 二、差压式液位变送器 1.工作原理 图 3-37 差压液位变送器原理图 图 3-38 压力表式液位计 pp gHpp 2 1 将差压变送器的一端接液相，另一端接气相 因此 gHppp 21 敞口容器 gHp 01211 pgHghp 0222 pghp 2.零点迁移问题 ghghgHpp 2221121 ghhgHp 2121 图 3-39 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 迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始点 (可能为零，也可 能不为零 )相对应。 迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量范围的平移，它不改 变量程的大小。 图 3-40 正负迁移示意图 图 3-41 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，如图 3-40中曲线 a 所示。负迁移如曲线 b所示，正迁移如曲线 c所示。 3.用法兰式差压变送器测量液位 图 3-42 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 按其结构形式分 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。 三、电容式物位传感器 d D LC ln 2 1.测量原理 图 3-43 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 的 乘积成比例。 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。 d D LC ln 2 0 0 d D HL d D HC ln 2 ln 2 0 2.液位的检测 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 HK d D HCCC iX ln 2 0 0 非导电介质液位测量 当液位上升为 H时，电容量变为 电容量的变化为 导电液体液位测量 1-内电极； 2-绝缘套管； 3-容器 内电极为直径 为 d的不锈钢或紫铜 棒。 外套聚四氟乙 烯塑料绝缘管或涂 以搪瓷绝缘层。 当被测液体的 液面上升时，引起 棒状电极与导电液 体之间的电容变大。 导电介质液位测量 当液位高 H=0时，传感 器的起始电容为 C0： )d/Dl n ( L2C 0 0 0 0 等效介电系数。 0 绝缘导管或陶瓷涂层的介电系数 当液位高为 H 时，电容传感 器的电容量 C为： )/l n ( )(2 )/l n ( 2 0 0 dD HL dD HC 上两式相减，便得液位高为 H 的 电容变化量 Cx： )/l n ( 2 )/l n ( 2 0 0 0 dD H dD H CCC x 3.料位检测 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。 d D HC X ln 2 0 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 图 3-47 料位检测 优点 电容物位计的传 感部分结构简单、 使用方便。 缺点 需借助较复杂的电子线路。 应注意介质浓度、温度变化时，其 介电系数也要发生变化这种情况。 四、核辐射物位计 HeII 0 射线的透射强度随着 通过介质层厚度的增加而减弱 ， 具体关系式如下： 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。 五、磁致伸缩式液位计 六、光线液位计 七、称重式液罐计量仪 八、投入式液位计 投入式液位计的突出优点是安装 使用方便，只需将量程合适的投入式液 位计从敞口容器顶部投入到液体中，并 经零点调整、量程调整和电缆固定即可， 一般不存在零点迁移问题。 不适合含泥沙等杂质较多的液体液位测量。 九、磁翻转式液位计 磁翻转式液位计可替代玻璃式液位计，用于测量敞口容器或密闭 容器内的液位。 UNS(UGS)系列彩色石英管液位计： 十、浮球式液位开关 十一、超声波物位计 超声波物位计是采用压电晶体换能器（也叫超声波换能器）来发射和接收 超声波，根据回声测距原理，利用超声波从发射到接收的时间间隔与物位高度 成比例的关系来求得物位高度。 气介式超声波物位计 单探头气介式 超声波物位计如右 图。用计时器测出 超声波来回所经历 的时间 t，即可求得 物位高度为： 液介式超声波液位计 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 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 -20 350 0 250 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 2000 700 3200 900 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 3500 200 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 3-7 常用温度检测仪表 1.膨胀式温度计 图 3-52 双金属片 图 3-53 双金属温度信号器 1 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。 2.压力式温度计 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 。 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。 红外线辐射温度计 用于食品温度测量 红外线辐射温度计在非接触测温中的应用 耳温仪 红外线辐射温度计用于人体额温测量 红外线辐射温度计在非接触温 度测量中的应用 集成 IC 温度测量 利用红色激光瞄准被 测物（冷藏牛奶和面食） 利用红 色激光瞄准 被测物（电 控柜、天花 板内的布线 层） 温度 采集系统 钢铁工业解决方案 汽车检测与维护 供热、通风及制冷行业应用 水泥回转窑筒体扫描温度测量系统 玻璃加工制造 电气系统故障诊断 便携式产品 在线式产品 空调制冷、火灾安全和保护，以及工业维护和质量控制等，可作为故障诊断工具 二、热电偶温度计 热电偶温度计 是以热电效应为基础的测温仪表。 图 3-55 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 1.热电偶 图 3-56 热电偶示意图 先看一个实验 热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极 A 右端称为： 自由端 （参考 端、冷 端） 左端称为： 测量端 （工作 端、热 端） 热电极 B 热电势 A B （ 1）热电现象及测温原理 图 3-57 热电现象 图 3-58 接触电势形成的过程 图 3-59 热电偶原理及电路图 00 00 , , tetettE tetettE BAAB ABAB 左图闭合回路中总的热电势 或 注意 如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无 论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果 热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合 回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与 两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也 就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产 生的热电势是不同的。 011 teteteteE BACBBCABt 00 11 tete tete ABBA CBBC （ 2）插入第三种导线的问题 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。 0teteE ABABt 图（ a）总的热电势 由于 将上式合并可得 0teteE ABABt 000000 0 tetetetetete CABCABCABCAB 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 00 teteteE CABCABt 图（ b）总的热电势 （ 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 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。 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 WRR WRP WRN WRE WRF WRC B S K E J T LL-2 LB-3 EU-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 -400 300 1800 1600 1200 900 750 350 表 3-4 工业用热电偶 几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析 为什么所有的曲线均过原点（零度点）？ 热电偶的分度表 （ 4）热电偶的结构 普通型热电偶 热电极 绝缘管 保护套管 接线盒 材 料 工作温度 / 橡皮、绝缘漆 珐琅 玻璃管 石英管 瓷管 纯氧化铝管 80 150 500 1200 1400 1700 表 3-8 常用绝缘材料 表 3-9 常用保护套管 材 料 工作温度 / 无缝钢管 不锈钢管 石英管 瓷管 Al2O3陶瓷管 600 1000 1200 1400 1900以上 铠装热电偶 由金属套管、绝缘材料（氧化镁 粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型， 然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。 优点：反应速度快、使用方便、可弯 曲、气密性好、不怕振、耐高压等。 表面型热电偶 专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶。 优点：反应速度极快、热惯性极小。 快速热电偶 测量高温熔融物体一种专用热电偶。 补偿导线的选用 图 3-62 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。 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 0.037 4.095 0.105 6.317 0.170 4.277 0.047 表 3-10 常用热电偶的补偿导线 补偿导线外形 A B 屏蔽层 保护层 .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 ，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 。一般采用下述几种方法。 （ 1）冷端温度保持为 的方法 0,0, 11 tEttEtE 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 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 t 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） 。 （ 2）冷端温度修正方法 VE 1 8 0 10,30 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） 66982V，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 VEtEtE 6 8 7 8 31 8 0 16 6 9 8 20,3030,0, 则 再查附录三可以查得 68783V 对应的温度为 900 。 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 66982 V，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。 （ 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。 （ 5）补偿热电偶法 在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，常 用多支热电偶而配用一台测温仪表。 三、热电阻温度计 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。 图 3-66 热电阻温度计 010 ttRR tt 对于呈线性特性的电阻来说，其电阻值与温度关 系如下式 tRRRR tttt 00 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。 2.工业常用热电阻 作为热电阻的材料一般要求是： 电阻温度系数、电阻率要大； 热容量要小； 在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性； 电阻值随温度的变化关系，最好呈线性 。 320 1 CtBtAtRR t （ 1）铂电阻 在 0 650 的温度范围内，铂电阻与温度的关系为 工业上常用的铂电阻有两种，一种是 R0 10，对应分 度号为 Pt10。另一种是 R0 100，对应分度号为 Pt100。 在 200 0 范围内 ， 铂的电阻温度关系为 Rt = R0 1 + At + Bt2 + C( t 100 )t3 附表 Pt100热电阻分度表 （ 2）铜电阻 金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数 很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为 -50 +150 内，具有很好的稳定性。 CttRR t /1025.41 300 在 -50 +150 的范围内，铜电阻与温度的关系是线性 的。即 工业上常用的铂电阻有两种，一种是 R0 50，对应的 分度号为 Cu10。另一种是 R0 100，对应的分度号为 Cu100。 附表 Cu50和 Cu100分度表 .热电阻的结构 （ 1）普通型热电阻 主要由电阻体、保护套管和 接线盒等主要部件所组成。 图 3-65 热电阻的支架形状 (已绕电阻丝 ) （ 2）铠装热电阻 将电阻体预先拉制成型并与 绝缘材料和保护套管连成一体。 （ 3）薄膜热电阻 将热电阻材料通过真空镀膜 法，直接蒸镀到绝缘基底上。 双线无感绕法 4 热电阻的应用 热电阻测温电桥的三线制接法 热电阻与测量电桥连接有二线制、三线制和四线制三种。 热电阻测温电桥的二线制接法 在使用热电阻测温时，应注意如下问题： 应根据测温范围及被测温度场气氛等因素选择热电阻的类型和规格 参数； 安装地点应避开加热源和炉门； 热电阻最好垂直安装； 热电阻的插入深度应大于其保护套管外径的 8 10倍； 使用中应保持电阻丝与保护套管之间具有良好的绝缘。 热电阻测温电桥的四线制接法 四、温度变送器 作用 :将来自热电 偶 或热电阻的温度信号转换为统 一标准的信号 (420mADC或 15VDC)， 以实 现对温度的显示、记录或自动控制 。 分类： 变送器 有 两线制 和 四线制 之分 ， 主要讨论 四线制 变送器 。 有 两 个品种： 直流毫伏变送器、热电偶 温度变送器、热电阻温度变送器 。 温度变送器 显示、记录或控制 电源 热电阻 热电偶 毫伏信号 420mADC或 15VDC 电阻或 mV 24VDC 1.热电偶温度变送器 结构分为输入桥路、放大电路及反馈电路。 图 3-69 热电偶温度变送器的结构方框图 电动温度变送器 （ 1）输入电桥 作用 ： 冷端温度补偿、调整零点。 （ 2）反馈电路 在 DDZ- 型的温度变送器中，在温度变送器中的反馈回路加入线 性化电路。 （ 3）放大电路 2.热电阻温度变送器 结构分为输入电桥、 放大电路及反馈电路。 Ir 五、一体化温度变送器 它是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专 用接线盒内的一种温度变送器。 结构 测温元件和变送器模块 常用的变送器芯片 ： AD693、 XTR101、 XTR103、 IXR100等 变送器模块的正常工作温度 -20 +80 AD693构成的热电偶温度变送器的电路原理图 输出 /输入关系 110 WCuti RRKIKEKUI 六、智能式温度变送器 以 SMART公司的 TT302温度变送器为例加以介绍。 优点 可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度； 具有量程范围宽、精度高； 环境温度和振动影响小、抗干扰能力强； 质量轻； 安装维护方便。 结构 由硬件部分和软件部分两部分构成。 TT302温度变送器的硬件构成 输入板、主电路板、液晶显示器 七、测温元件的安装 1.测温元件的安装要求 （ 1）在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量 误差。见图 3-76。 （ 2）测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。 （ 3）测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。见图 3-77。 图 3-76 测温元件安装示意图之一 图 3-77 测温元件安装示意图之二 （ 4）若工艺管道过小（直径小于 80mm），安装测温元件处应接 装扩大管，如图 3-78所示。 （ 5）热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或其他液体、脏 物进入接线盒中影响测量，如图 3-79所示。 （ 6）为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。 （ 7）测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防外界冷空 气进入，使读数降低。 图 3-78 小工艺管道上测温元件安装示意图 图 3-79 热电偶或热电阻安装示意图 温度检测元件安装图 铠装式热电偶 法兰式 2.布线要求 （ 1）按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注 意热电偶的正、负极与补偿导线的正、负极相连接， 不要接错。 （ 2）热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。 （ 3）为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤， 应把连接导线或补偿导线穿入钢管内或走槽板。 （ 6）补偿导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。另外， 最好与其他导线分开敷设。 （ 5）导线应尽量避开交流动力电线。 （ 4）导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交 流输电线合用一根穿线管，以免引起感应。 第六节 现代检测技术与传感器的发展 一、软测量技术的发展 解决工业过程的测量要求的两条途径： 沿袭传统的检测技术发展思路，通过研制新型的过程测量仪表，以 硬件形式实现过程参数的直接在线测量； 采用间接测量的思路，利用易于获取的其他测量信息，通过计算来 实现被检测量的估计。（ *） 定义： 依据易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量之间的数学关系， 通过各种数学计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量。 分类： 机理建模 、 回归分析 、 状态估计 、 模式识别 、 人工神经网络 、 模糊数 学 、过程层析成像、相关分析、现代非线性信息处理技术。 二、现代传感器技术的发展 1.新材料、新功能 的开发，新加工技 术的使用； 2.多维、多功能化 的传感器 ; 3.微型化、集成化、 数值化和智能化 ; 4.新型网络传感器 的发展。 图 3-80 网络传感器连接图 显示仪表： 能将生产过程中各种参数进行指示、记录或累 积的仪表。 显示仪表一般都装在控制室的仪表盘上 。 它和 各种测 量元件或变送单元 配套使用；又能与 控制单元 配套使用 ， 分类 模拟式显示仪表 数字显示仪表 屏幕显示仪表 第七节 显示仪表 模拟显示的 特点 ： 直观 光柱也属于模拟显示 光柱显示的特点： 一目了然 数字式仪表 数字式仪表 的特点： 准 确，但最后 一位经常跳 动不止。 热敏电阻 LED亮度高、耐振动； LCD耗电省、集成度高，但不利于夜间 观察。 LED、 LCD的特点： 图像显示 特点 :能显 示复杂的图 形和曲线， 但价格昂贵。 带 RS-232接口的万用表及图像显示 特点 :能在 计算机中 存储测量 到的波形 及数据， 可随时重 放，价格 适中。 有纸记录仪 主要用 来记录被检 测对象的动 态变化过程。 无纸记录仪 主要用来 记录和存储被 检测对象的动 态变化过程。 数据处理装置 数据处 理装置 主要 是指计算机， 将复杂的系 统用到频谱 分析仪。 数字式显示仪表分类图 一、数字式显示仪表 数字式显示仪表的基本组成 1.信号变换电路 2.前置放大电路 3.非线性校正或开方运算电路 4.模数转换电路 （ A D转换 ） 5.标度变换电路 6.数字显示电路及光柱电平驱动电路 7.V I转换电路和控制电路 二、无笔、无纸记录仪 以 CPU为核心采用液晶显示的记录仪 ， 直接把记录信号转化成数字信 号后 ， 送到随机存储器加以保存 ， 并在大屏液晶显示屏上加以显示 。 图 3-86 无笔、无纸记录仪的原理方框图 二、虚拟显示仪表 利用计算机强大的功能来完成显示仪表所有的工作 。 结构 比较简单 ， 仅由原有意义上的采样 、 模数转换电路 通过输入通道插卡插入计算机即可 。 特点 在计算机屏幕上完全模仿实际使用中的各种仪表 。
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