过程参数检测中的常用传感技术

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7 过程参数检测中的常用传感技术

7．1 概述

7．1．1 过程参数检测的意义

7．1．2 参数检测应考虑的问题

7．2 温度检测

7．2．1 温度和温标 7．2．2 测温方法分类

7．2．3 典型测温方法和传感器

7．3 压力检测

7．3．1 压力的概念和表示方法

7．3．3 常用压力传感器和压力检测仪表 7．3．4 压力检测仪表的校准

7．4 流量检测

7．4．1 流量的概念

7．4．2 流量计与流量检测方法分类 7．4．3 典型流量计

7．5 物位检测

7．5．1 液位检测 7．5．2 料位检测 7．5．3 相界面检测 思考题

第七章 过程参数检测中的常用传感技术

7．1 概述

7．1．1 过程参数检测的意义

检测是意义更为广泛的测量，包括对被测参数的定性检查和定量测量。定性检查指的是分辨出被测参数所属的范围，以此判别参数合格与否或现象有无等；而定性测量指的是通过与作为单位的标准量进行比较而获得被测参数的量值。

现代化生产过程是高效连续的生产过程，为确保生产安全、保证产品的产量和质量，减少能源消耗、降低成本等等，必须对反映生产过程状态、进行情况等的诸参数如温度、压力、流量、物位、成分等进行自动检测和控制。因此过程检测就是对生产过程和运动对象实施自动的定性检查和定量测量的技术，它是实现自动控制的前提和依据。

一个完整的检测过程一般应包括信息提取、信号的放大、转换与传输、信号的显示与记录、信号的分析与处理。本章的重点是从被测参数的角度讨论传感技术与检测方法。

7．1．2 参数检测应考虑的问题

1、正确选定被测参数和检测点

在工业过程检测中，被测参数有时并不是所要求的直接参数，而是需要用间接方法确定一个或几个中间参数。对于一些复杂或特殊的检测过程，还需要选择多个检测参数并进行多次检测。因此在选择被测参数和检测点时，应考虑被测对象的状态和特征，所选参数和检测点应具有典型性和代表性。

2、恰当选取检测方法与传感方式

随着传感技术的发展和信息技术的发展，过程参数的检测，除传统方法外，还有许多新的手段和方法可以使用。但是先进的不一定总是可行的，需要根据检测的条件、特点和要求，恰当选取检测方法、选择或设计合适的传感器。这是正确实现过程参数检测的关键所在。

3、检测系统的引入，不能对被测对象的状态产生干扰。

4、检测系统要具备一定抗机械振动、电磁场、环境温度、腐蚀等各种干扰的能力。 5、检测系统要具有良好的数据传输和处理能力，保证检测信号的信噪比满足要求，做到无延迟、不失真。

6、检测系统的安装维护要方便。

7．1．3 过程检测技术的分类

过程检测技术从不同的角度出发，有不同的分类方法。按传感原理可分为电磁法、光

学法、热学法、超声法、微波法等等。按敏感元件是否与被测介质接触可分为接触式测量和非接触式测量。按获得检测结果的方法可分为直接测量、间接测量、组合测量。按被测参数类型可分为电量：电压、电流、功率、磁场强度等；机械量：尺寸、形状、位移、速度、加速度、力、质量、重量、振动等；热工量：温度、压力(压差、真空度)、流量(流速、风速)、物位（液位、料位、界面）等；物性和成分量：酸碱度、盐度、浓度、粘度、密度、比重、粒度、纯度、离子浓度、湿度、水份等。状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹，缺陷、泄漏、表面质量(光洁度、白度灰度等)等。

本章将选择部分典型的热工参数检测进行介绍。

7．2 温度检测

7．2．1 温度和温标

1、温度

温度是国际单位制中七个基本物理量之一。温度用来表征物体的冷热程度，从微观角度，它表征组成该物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即该物体分子平均动能的大小。从宏观角度，温度概念建立在热平衡基础之上，两个温度不同的物体接触，温度必然从高温处向低温处传递，经过足够长时间，最终达到温度相同，即热平衡状态。热平衡理论、以及物体的许多物理化学性质与温度相关这一特性，确定了温度的各种检测方法。

2、温标

温标是为温度测量的准确统一而建立起来的一个标准尺度，它给出了温度量值化的一套规则和方法。温度计在使用前必须先经过分度，或称标定。基准点温度值是以一些物质的相平衡点作为固定点，固定点之间的温度值则是利用一定的函数关系来描述，称为内插函数或内插方程。通常把温度计、固定点和内插方程称为温标三要素。

由于温度概念较为抽象，因此温标建立经历了一个较为漫长的过程。常用温标包括：经验温标、热力学温标、理想气体温标、国际实用温标等。

国际统一的温度标准要传递到各国，各国要按照规定进行国际比对，建立本国的国家温度基准，以此类推，全国各个地区再建立次级标准，并定期由国家基准检定。

测温仪表按准确度可分为基准、工作基准、一定基准、二等基准以及工业用仪表。任何等级的仪表都要定期到上一级计量部门进行鉴定，确保准确可靠。

7．2．2 测温方法分类

温度表征物体分子热运动的剧烈程度，难以直接测量，因此均是根据物体物的理性质随温度变化这一特征进行间接测量。归结起来温度测量方法分为接触式测量和非接触式测量两类。

1、接触式测量

接触式测量依据的是物体的热平衡原理，优点是直观、可靠、系统结构简单。缺点是时间滞后，对于较小的物体，可能因测温元件引入影响温度场分布而造成测量误差，难以测量运动物体温度，另外受温度计材质限制一般只适合于中低温测量。

常用的接触式测温仪表有：基于热膨胀原理的膨胀式温度仪表、基于密闭容积内介质随温度升高而压力升高的压力式测温仪表、基于金属导体电阻温度效应的热电阻测温仪表、基于PN结电压随温度变化的晶体二极管、三极管和集成电路式测温仪表、以及基于热电效应的热电偶测温仪表等。

2、非接触式测量

非接触式测量是基于物体辐射特性与温度之间的关系设计的。优点是测温范围广、理论上无温度上限限制、测温响应快、测温过程不影响温度场分布、能够测量运动物体的温

度等。缺点是所测温度与被测物体发射率等本身性质的影响，一般需要对测量结果进行修正。

常用非接触式测温仪表有：辐射温度计、光学高温计、光电高温计、比色温度计等。 随着测量要求的提高和传感技术的发展，在一些特殊领域中，除了传统测温方法，还逐渐开发出一些特殊的或专用的测温技术，如石英温度计、、声学温度计、集成温度传感器、光纤测温技术等。

7．2．3 典型测温方法和传感器

1、金属热电阻测温 （1）测温原理及特点

热电阻温度计是利用导体电阻值随温度变化的性质测量温度的。虽然电阻温度特性是导体半导体所具有的普遍特性，但要用作测温热电阻需要具备以下条件：1）尽可能大而且稳定的的电阻温度系数；2）电阻随温度变化呈单值函数关系，且线性良好；3）电阻率大，以便同样灵敏度情况下元件尺寸小；4）具有较高的性能价格比。

热电阻的测温范围可以达到-260?C?900?C，对大量的工业用测温来说，热电阻性价比高，中低温区稳定性好、准确度高、灵敏度大，信号易于测量、便于远传。但热电阻体积较大、热惯性大，不适于测量高温物体、体积狭小物体和温度快速变化的物体，另外抗振动冲击能力差。

（2）热电阻分类

热电阻按材料分，有铂、铜、镍、铁、铑铁、铂钴合金等；按精度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻；按结构分为线绕型、薄膜型和厚膜型。

金属热电阻主要参数有分度号、标称电阻值、测温范围、允许偏差、电阻比W（温度为100?C和0?C时的电阻值之比）、热响应时间和额定电流等。应用热电阻测温，要根据测量要求、热电阻基本参数进行恰当选择。表7-1为几种常用金属热电阻的分度号、测量范围。

表7-1 金属热电阻分度及主要参数 0?C时电阻值R0（?） 热电阻名称 代号 分度号 标称值 Pt10 Pt100 Cu50 Cu100 Ni100 镍热电阻 WZN Ni300 Ni500 10 100 50 100 100 300 500 允许误差 A级±0.006 B级±0.012 A级±0.06 B级±0.12 ±0.05 ±0.10 ±0.18 ±0.54 ±0.90 -60?180 1.617 ±0.003 温度测量范围（?C） 电阻比W 标称值 允许误差 铂热电阻 IEC (WZP) 0?850 1.3850 -200?850 -50?150 1.428 ±0.002 ±0.001 铜热电阻 WZC （3）热电阻引线方式

工业用热电阻由感温元件、引线和保护管组成。其中引线是感温元件测量线路连接的引线，通常置于保护管内。热电阻引线对测量结果有较大影响，常用引线方式有两线制、三线制和四线制三种。两线制在感温元件两端各引出一根引线，这种引线简单、便宜，但引线电阻及引线电阻变化会引入附加误差，因此适用于引线不长、测温精度要求不高的场

（a） （b）

图7-1 热电阻引线方式

（a）两线制 （b）三线制 （c）四线制

（c）

合。三线制在感温元件一端引出一条引线，另一端引出两条引线。这种引线可以较好地消除引线电阻影响，测量精度有所提高，因此是工业用热电阻通常使用的引线方式，在导线长、测温范围窄、导线所处环境温度变化较大的场合，必须使用三线制。四线制是在感温元件两端各引出两根引线，通过其中两根引线构成校正线路，能够完全消除引线电阻的影响。图7-1为三种引线方式及其测量电路的示意图。

2、半导体热敏电阻测温

（1）半导体的热点特性及分类

半导体的电阻与温度之间的关系呈指数关系，可表示为：

RT?AeB/T （7－3）

式中A、B为常数，与半导体的材料、结构有关，量纲分别为电阻和温度。对（7-3）式微

分可得热敏电阻温度系数为

?＝1dRTB??2 （7-4）

RTdTT由式（7-4）可以看出，电阻温度系数随着温度变化而变化，即灵敏度随着温度的升高

而降低，因此限制了热敏电阻只能在低温下使用。根据电阻温度系数可以将热敏电阻分为NTC热敏电阻、PTC热敏电阻、CTR热敏电阻三类。NTC热敏电阻适用范围宽，从1mK?100K的超低温到1300?2000?C的高温，之间的各温度段都可测量；NTC测量范围为-50 ?150?C；CTR测温范围为0 ?150?C。

（２）半导体热敏电阻的特点

热敏电阻灵敏度高，一般是金属热电阻的10多倍，电阻值高，通常在千欧以上，引线电阻对测温几乎没有影响，不必使用三线制，响应时间快，可用于动态测量，结构简单，价格便宜，化学稳定性好，可用于恶劣环境。但其缺点是电阻温度系数的非线性严重，而且一般仅适用于350?C以下的温度检测。图7-2为常见热敏电阻结构形式。

（a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h） （i）

图7-2 热敏电阻结构形式

（a）圆片形 （b）薄膜形 （c）杆形 （d）管形 （e）平板形 （f）珠形

（g）扁圆形 （h）垫圈形 （i）金属帽引出的杆形

使用半导体热敏电阻应注意：防止过电流使用以防电阻烧坏；开始测量读数的时间常数应大于时间常数5?7倍，以保证读书稳定准确；避免在温度急骤变化的场合使用；注意防水耐寒等。

3、热电偶测温 （1）热电偶选型

热电偶是利用金属的热电效应进行温度测量的。热电偶种类有几百种，应用较广的几十种，分为标准化和非标准化两大类。标准化热电偶八种，分度号分别为S、R、B、K、N、T、E、J，前三种由铂和铂铑合金制成，属于贵金属热电偶，其余五种由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属合金制成，属于贱金属热电偶。标准化工业热电偶在使用时按照允差分为三个等级。表7－2、7－3分别为标准化和非标准化热电偶的主要性能。

表7－2 标准化热电偶的主要性能

名 称 分度号 稳定性 铂铑10－铂 铂铑13－铂 S，R <1500?C，优 >1500?C，良 0 ?1100 铂铑30 －铂铑6 B <1400?C，优 >1400?C，良 镍铬 －镍硅 K 中等 镍铬 －康铜 E 中等 铁－康铜 J <500?C，良 >500?C，差 铜－康铜 T -170 ?200?C，优 镍铬硅 －镍硅 N 良 一级 ?1 1100?1600 ?[1+0.003 (t-1100)] 0 ?600 － -40?1100 ?1.5或 ?0.4%t -40?800 ?1.5或 ?0.4%t -40?750 ?1.5或 ?0.4%t -40?350 ?1.5或 ?0.4%t -40 ?1100 ?1.5或?0.4%t 允 差 /?C 二级 ?1.5 600?1600 ?0.25%t 600?1700 ?0.25%t 600?800 -40?1300 ?2.5或 ?0.75%t -40?900 ?2.5或 ?0.75%t -40?750 ?2.5或 ?0.75%t -40?750 ?1或 ?0.75%t -200?40 -40?1300 ?2.5或 ?0.75%t -200?40 ?2.5或 ?1. 5%t ?0.3 三级 － ?4 800?1700 ?0. 5%t ?0.3 -200?40 ?2.5或?1. 5%t － ?1或 ?1. 5%t 700?800 ?0.5 最高使用温度/?C（长期?短期） ?0.5 1300?1600 ?0.5 1600?1800 800?900 ?0.8，1.0 900?1000 ?1.2，1.6 1000?1100 ?2.0，2.5 1100?1200 ?3.2 1200?1300 贱金属中高温稳定性最高温抗氧化性强，稳定性特点 好，适用于中性和氧化性气氛的高温测量 高温抗氧化性强，稳定性好，适用于中性和氧化性气氛的高温测量 好、测温范围宽，价格较同样测温范围的其他热电偶低，高温抗氧化性强适用于中性、氧化性和还原性气氛

?0.3，0.5 350?450 ?0.8，1.0，1.2 450?550 ?1.6，2.0 550?650 ?2.5 650?750 ?3.2 750?900 ?0.3，0.5 300?400 ?0.8，1.0，1.2 400?500 ?1.6，2.0 500?600 ?2.5，?3.2 600?750 700?800 ?0.2 150?200 ?0.3，0.5 200?250 ?1.0 250?300 ?1.6 350?400 ?0.5 800?900 ?0.8，1.0 900?1000 ?1.2，1.6 1000?1100 ?2.0，2.5 1100?1200 ?3.2 1200?1300 贱金属中 贱金属中热电势率最大，灵敏度最高，抗氧化性强，适用于中性和氧化性气氛 适用于氧化性、还原性、中性气氛及真空测温 精度最高，在温度不高的场合，适用于氧化性、还原性、中性气氛及真空测温 测温范围宽，高温康氧化性强，适用于氧化性、中性和还原性气氛 表7－3 标准化热电偶的主要性能

名称 材料 （正极-负极） 铂铑13-铂铑1 测温上限/?C （长期?短期） 1450?1600 1500?1700 1600?1850 1900?2000 2000?2100 允差/?C 特点 高温下机械性能和抗玷污性能好，寿命长 用途 测量钴合金溶液温度 铂贵金属 铱铑系 难熔金属 钨铼系 钨铼5－钨铼20 27 2400 2000 1700 铱铑60-铱 钨铼3－钨铼25 2000?2800 铑系 铂铑40-铂铑20 铱铑40-铱 铂铑20-铂铑5 ?600 ?3.0 >600 ?0.5%t 高温下机械强度高，抗氧化性强，化学稳定性好，50?C以下热电势小，参考段不需温度补偿 各种高温测量 ?1000 ?10 >1000 ?1.0%t 测量线性度好，抗氧化性强，适用于真空、惰性气氛 航空、宇航温度测量，实验室内高温测量 ?1000 ?10 >1000 ?1.0%t 测量线性度好，热电势较大且稳定，价格低，适用于干燥氢气、真空和惰性气氛 低温下热电势稳定，热电势率较大 各种高温测量，高温钢水测量 镍铬－金铁 碳－石墨 －270?0 ?1 深低温测量 非金属 碳化锆－碳化锆 二硅化钨 －二硅化钼 铁－考铜 铁－康铜 镍钴－镍铝 热电势大，熔点高，价格低，耐火材料温度但机械强度和复现性差 测量 600?700 800?1000 ?400 ?4 >400 ?1.0%t 热电势大，灵敏度高，价格低，但铁易被氧化 300?C时热电势小，参考端可不必温度补偿 100?C时热电势小，参考端可不必温度补偿 ?10适用于真空测量，不能用于氧化气氛 石油、化工部门的温度测量 航空发动机排气温度测量 飞机火警信号系统 贱金属 镍铁－硅考铜 600?900 1200 镍－镍钼 在实际测温时，一般应在了解热电偶基本特性的前提下，根据被测对象、测量气氛、测温范围等正确选择热电偶。

按使用温度考虑：1000?C之内一般选用贱金属热电偶，如-200?300?C可选用T型或E型。1300?C之内可选用N型或K型，1000?1400?C可选用R、S型，1400?1800?C可选用B型，高于1800?C就要采用非标准的无赖钨铼系列热电偶。

按环境气氛考虑：当环境气氛有氧化性，温度低于1300?C可选用K型或N型，高于1300?C应选用铂铑系列。若环境气氛为真空或有还原性，温度低于950?C可选用J型，高于1600?C应选用钨铼系列。

参考端温度影响除用冷端补偿措施外，也可通过适当选型解决。当温度低于1000?C时，可选用K型热电偶，冷端温度在0?30?C对测量的影响可忽略不计，温度高于1000?C选用B型热电偶，可忽略冷端温度影响。

热电偶偶丝直径选择与温度有关，也影响动态特性和精度。直径大响应时间长，直径小则使电阻增大，影响与测量电路的阻抗匹配，使精度下降。

（2）热电偶的冷端处理

根据热电偶测温原理，热电势是测量端与参考端温度t、t0的函数差，只有参考端温度

恒定，才能得到热电势与测量端温度之间的关系。实际上我们通常使用的热电偶分度表是以参考端为0?C制作的。但在工业检测现场，参考端温度则难以保持恒定不变，更难以维持在0?C，因此冷端处理是热电偶在实际使用时必须面对的问题。

冷端处理方法可以概括为冷端恒温、冷端温度校正、冷端温度自动补偿、补偿导线。 1）冷端恒温

在条件许可的情况下，通过人为方法创造0?C或t0（非0?C）的恒温环境，如保温瓶、恒温槽、恒温箱等，将冷端置于其中。对于恒温在的情况，可以再通过温度校正的方法进行校正。

2）冷端温度校正

根据热电效应的中间温度定则可以对冷端恒定在tn的热电势值进行修正：

E (t, 0)= E (t, tn)+ E (tn, 0) （7－6）

其中E (tn,0)即为修正量，可以通过查分度表得出。

但是由于热电特性的非线性，将分度表上由E (t,0)查得的温度t1直接加tn作为检测结果是错误的，工业检测中经常使用经验公式校正：

t=t1+K(tn-0) （7－7）

式中t、t1、tn分别为测点实际温度、由E (t, tn)值查分度表得到的温度、冷端恒定温度，K为经验系数。不同热电偶在不同温度下具有不同的K值，可由相关资料给出。

3）冷端温度自动补偿

A C 其基本思想是在热电偶测量电路中加入一个

mV补偿环节，感受冷端温度变化，产生一个补偿电

tn t0 t tn

势，以使仪表检测到的电动势不受冷端温度变化

B D 影响。

例如在测量电路中串一个与测量用热电偶图7-3 串接补偿热电偶回路 A-B热电特性相同的电偶C-D，如图7－3所示。根据中间温度定则，无论补偿电偶正串还是反串，

R1 R2 均可将参考端温度变化补偿掉。补偿电偶最好与

a b 测量电偶具有相同的热电特性并且价格便宜。

Rt R3 也可在热电偶测量电路中加一个直流不平衡mVR 电桥，如图7－4所示。该补偿电桥由直流电源供? + 电，输出端串接在热电偶回路中。桥臂电阻R1、R2、R3和限流电阻R选用锰铜电阻，阻值受温度

E + ? 影响很小，桥臂电阻Rt为铜电阻，阻值随温度升

图7-4 带补偿电桥的热电偶测量电路 高而增大，将其置于与热电偶冷端同样的温度场中。

由于电桥不平衡输出Uab随Rt变化是非线性的，补偿热电势E (tn, 0）随tn变化也是非线性的，但两者变化情况很难一致，设计时一般要求在两个温度点上符合即可，也可采用使供桥电源E随tn变化的方式。

补偿电桥与热电偶应配套使用。同类型补偿电桥外形与内部设计都是一样的，只要配上合适的限流电阻R即可与热电偶相配套，R决定了补偿量Uab的大小。

4) 补偿导线

补偿导线是在一定温度范围内与某种热电偶具有相同热电特性的一对带有绝缘层的导线或电缆。恰当选用补偿导线可将热电偶的参考端延伸到远离热源或环境温度相对恒定的地方。为降低成本，补偿导线一般选用贱金属材料。如果热电偶为贵金属材料，称为补偿型（C型），如果热电偶本身就是贱金属材料，则称为延伸型（X型）。

补偿导线一般只在较低的温度范围内（通常在0?100℃之间）与热电偶热点特性一致，因此使用温度必须符合要求，而且各种补偿导线必须与相应型号的热电偶匹配使用，见表7-4。连接时注意不能将补偿导线极性接反。对于补偿型导线（C型），还要求于热电偶的两个连接点温度相同。

表7-4 常用补偿导线与热电偶配用关系

热电偶 分度号 S（铂铑10-铂） K（镍铬-镍硅） K（镍铬-镍硅） E（镍铬-铜镍） J（铁-钼镍） T（钼-钼镍） 型号 SC KC KX EX JX TX 代号 SPC KPC KPX EPX JPX TPX 补偿导线 正极 材料 铜 铜 镍铬 镍铬 铁 铜 绝缘层颜色 红 红 红 红 红 红 代号 SNC KNC KNX ENX JNX TNX 负极 材料 铜镍 铜镍 铜硅 钼镍 钼镍 铜镍 绝缘层颜色 绿 兰 黑 棕 紫 白

在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值，以保证测量精度。 补偿导线使用方便，是热电偶测量电路中经常采用的方法，也是各种冷短端温度补偿方法中最基本的一种。

（3）热电偶的断偶检查

在热电偶自动测温电路中如果发生断偶现象，输出热电势为0，就会得出t=t0的错误结果。为此，检测电路中应增加一个断偶判断的环节。如图7-5所示，M—N为热电偶输出端，经R1、R2、CF构成的滤波网络送入量程放大器A，再经A/D转换后将测量结果送计算机处理。此电路中有一个UB和RB构成的断偶判断环节，RB为兆欧级大电阻。热电偶正常工作时该环节相当于开路；当发生断偶时，M－N处电压为UB，UB选择为经放大后使A/D转换器溢出，从而使计算机能够判断出断偶发生。

图7－5 热电偶断偶检查

4、辐射测温

（1）幅射测温的基本原理

任何物体，只要温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量，称为热辐射。热辐射能量与物体自身性质和温度有关。这种通过接收物体的辐射能量来确定温度的方法称为辐射测温，利用这种原理测温的仪表和传感器通称为辐射式温度计。

热辐射波长涉及紫外、可见光、红外光区。可见光波长范围仅为0.3?0.72μm，红外光波长范围较大，为O.72?l000μm。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围一般为0.3?40μm。

根据斯蒂藩一玻耳兹曼定律，若黑体在单位时间单位面积上辐射出的能量为M0（T），则辐出能量与绝对温度间的关系满足：

M(T)??T （7－8）

04式中?为玻尔兹曼常数。黑体的光谱辐射亮度L0是一个与波长和绝对温度均有关物理量，式（7-8）用辐射亮度表示，则有：

L(T)?T4 （7-9） 0?理想的绝对黑体在自然界中是不存在的。一般物体的辐射出射度小于绝对黑体。在某一温

度T，某物体在全波长范围内的积分辐射出射度M(T)与绝对黑体在全波长范围内的积分辐射出射度M0(T)之比称为该物体的全辐射率(或全辐射系数)，用ε(T)表示, 0<ε(T)<1。类似地，在任一温度T和某个波长?下，物体在此波长的光谱幅射出射度M(?,T)与与黑体在此波长的光谱幅射出射度M0(?,T)之比称为光谱(单色)幅射度，用ε? (T)表示。因此，对于一般物体，光谱辐射亮度与绝对温度的关系为：

?L??(T)?4T (7-10) ?通过测量物体的辐射亮度就可得到该物体的温度，这就是辐射测量的基本原理。

（2）光谱辐射式温度计

光谱辐射温度计是根据热辐射效应进行测量的。通常由辐射敏感元件、光学系统、测量仪表及辅助装置等几部分组成。

辐射敏感元件分为光电型和热敏性两大类。光电型常用的有光电倍增管、硅光电池、锗光电池等。特点是响应快，但同类元件光电特性曲线一致性不好，互换性差。热敏型常用的有热敏电阻、热电堆等。特点是同类元件热电特性曲线一致性好、灵敏度高、对响应波长无选择，但响应时间常数较大，通常为0.01s～1s。

光学系统的作用是聚集被测物的辐射能。其形式有反射型和透射型两类。

测量仪表包括测量电路、显示驱动电路、显示装置等。数字式仪表还包含模数转换电路，自动平衡式仪表需有平衡驱动装置，如小型步进电机。

辅助装置包括冷却和防尘防护装置。

光谱辐射温度计是按绝对黑体进行温度分度的，测量非黑体时，仪表示值称为该物体的辐射温度。由于0＜ε（T）＜1，辐射温度总是低于物体的真实温度。物体的辐射温度TF与真实温度T之间的关系为：

T?T1/?(T) （7-11）

4F使用光谱辐射式高温计需注意以下几点：

1）距离系数 被测物与感温器之间的距离L与被测物有效直径D之比称为距离系数。为保证感温器全部接收到被测物的辐射能量，被测物大小应受距离系数约束。

2）中间介质 空气对辐射能吸收较少，但水蒸气、CO2对辐射的吸收能力则较强。测量中应尽量减少中间介质的影响。

3）环境温度 被测物的高温使环境温度升高，影响检测元件的正常工作。一般需要冷却或温度补偿措施。

4）杂光干扰 被测物反射的外界辐射和自身辐射一起投向感温元件，为此应加装屏蔽罩。

与其他类型的高温计相比，辐射温度计是最古老、最简单的一种测量仪器，灵敏度与精度都不太高，因此使用面远不及光学高温计广泛。

（3）光学高温计

光学高温计通过将辐射体在单一波长（通常采用0.66μm）下的亮度与高温计灯泡亮度比较来确定物体温度。光学高温计有三种形式：灯丝隐灭式、恒定亮度式和光电亮度式。

图7-6是灯丝隐灭式高温计工作原理图。调节物镜使被测物的像落在灯泡的灯丝平面

上，灯泡温度低时，从目镜中看到被测物像上的暗丝，接通电源并调节可变电阻，使灯泡变亮，当灯丝两度与被测物亮度相同时，灯丝隐灭在被测物的像中。

（a）结构原理 （b）灯丝隐灭成像

图7-6 灯丝隐灭式高温计工作原理

1-物镜； 2-灰色吸收玻璃； 3-灯泡； 4-目镜； 5-红色滤光片

光学高温计的示值也是按照黑体分度的，仪表示值称为被测物的亮度温度，根据发射率，可求出真实温度：

T?CT (7-12)?Tln?(T)?C2LL?2式中，TL、T分别为物体的亮度温度、真实温度；??(T)为物体的光谱发射率，0

使用光学高温计也应注意中间介质、测量距离、环境温度等因素对测量精度的影响。 光电高温计采用硅光电池作为光敏元件，并将亮度转换成电信号，再经滤波放大显示出物体的亮度温度。与光学高温计相比，光电高温计避免了用人眼感受信号变化，精度与灵敏度较高，使用波长可以不受限制，时间相应时间短，便于自动测量于控制。

(4) 比色高温计

根据维恩位移定律，当温度变化时，黑体能量的光谱分布会发生变化，两个波长λ1和λ2的光谱辐出度之比R会不同，R 可表示为：

LR?0?1L0?2经过整理，有：

??2? TB2(?2??1) （7-13） ???e??1?5C1111??TTBlnC(2?(T)?(T)?1?21??1 （7－14）

1?)2式中，TB、T分别为物体的比色温度、真实温度；??1(T)、??2(T)为物体在?1、?2时的光谱发射率。通常?1、?2是由高温计制造厂家选定的。对于灰体，??1(T)＝??2(T)，也有很多金属??1(T)与??2(T)近似相等，故这类物体比色温度与真实温度基本一致。

比色高温计准确度通常较高，对环境气氛要求也不高，可适用于烟雾、粉尘等工作环境；但要求被测物表面温度场均匀，还要避免散射杂光的引入，否则容易引起示值误差。

(5)红外辐射测温

红外线是物体热辐射光谱中位于可见光红光以外的光谱，波长范围大致在0.75～1000?m。与各种单色光相比，红外光的热效应是最大的。

红外辐射测温仪的工作波段一般在0.75～14?m。通常由光学系统、红外探测器、信号

放大器及信号处理、指示器等部分组成，如图7-7所示。

图7-7 红外辐射测温仪工作原理

光学系统汇聚被测物的红外辐射能量，分投射式和反射式。投射式光学系统部件用红外光学材料制成，且根据测温范围不同选择不同的光学材料；反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，表面镀金、铝或镍铬等高反射率材料。

红外探测器接收目标辐射并转换为电信号，再经转换处理成为被测物的温度值。可采用光电管、光电池、光敏电阻、热电元件等作为光敏元件，具体选用哪种要根据目标辐射的波段与能量等实际情况确定。

调制器把红外辐射调制成交变辐射，因为系统对交变信号处理比较容易，能取得较高的信噪比。一般是用微电机带动一个齿轮盘或等距离孔盘，通过齿轮盘或带孔盘旋转，切割入射辐射而使投射到红外传感器上的辐射信号成为交变的。

红外辐射测温的优点是：反应速度快，反映时间一般都在毫秒级甚至微秒级；灵敏度高，物体温度的微小变化就会引起辐射能量较大变化；测温范围广，测量准确度高，可测温度范围可以从零下几十度到零上几千度；适用范围广，几乎适用于所有温度测量场合，尤其适合于较远距离的高速物体、带电体、高温高压等物体的温度测量。

使用红外辐射测温应注意：被测物尺寸应大于测温仪视场，最好大过50%；被测物和测温仪之间避免有水蒸气、粉尘、烟雾等，这类物质对红外线有较强吸收能力；工作环境的温度不应有剧烈变化。

7．3 压力检测

7．3．1 压力的概念和表示方法

压力是工业生产过程中常见和重要的参数之一，在许多热工过程中，压力的检测控制对保证工业过程正常进行、达到高产优质低耗以及安全生产有着至关重要的意义。

1. 压力的概念

工程中所说的压力，是指垂直均匀作用在单位面积上的力，即物理学中所称的压强。因此压力可表示为：

p=F/S (7-15)

式中，p为压力； F为垂直作用在受力面上的力；S为受力面积。

2. 压力的表示方法

（1）绝对压力 作用于物体表面上的全部压力称为绝对压力，用符号p表示。

（2）大气压力 由地球表面空气质量所形成的压力，称为大气压力。它随地理纬度、海拔高度及气象条件而变化，用符号p0表示。

（3）表压力 绝对压力与当地大气压之差称表压力，用符号pg表示，pg=pi-p0。通常压力测量仪表总是处于大气之中，其测得的压力值均是表压力。

(4)真空度(负压) 当绝对压力小于大气压力时，表压力为负值(负压力)，其绝对值称为真空度，用符号pv表示，pv=|pg|。

（5）差压(压差) 任意两个压力p1、p2之差称为差压?p，?p =p1-p2。 除此之外，工程上还有静态压力(不随时间变化或变化缓慢的压力)和动态压力(随时间作快速变化的压力)之分。

3. 压力的计量单位

压力的国际单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa。根据压力导出公式，1帕=1牛顿/米2或1Pa＝1 N/m2。帕单位较小，工程上也常用kPa(103Pa)和MPa(106Pa)为单位。除国际单位外，工程上也使用其他压力单位，包括工程大气压、物理大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。

7．3．2 常用压力检测方法

根据压力检测的工作原理，压力检测的几种基本方法包括： 1、重力平衡法

利用一定高度的工作液体产生的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。典型检测仪表有液柱式压力计和活塞式压力计等。

2、弹性力平衡法

利用弹性元件受压力作用发生弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理，将压力转换成位移，通过测量弹性元件变形或位移的大小测出被测压力。此类压力计种类很多，可以测量压力、负压、绝对压力和压差等，而且通常可以变换为电信号，便于远传和实现自动检测，故应用最为广泛。

3、机械力平衡法

将被测压力转换成力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被测压力。力平衡式压力计可以达到较高精度，但结构较为复杂。

4、物性测量法

利用敏感元件在压力的作用下，某些物理特性发生的变化与压力相关的原理进行测量，通常可将被测压力直接转换为各种电量来测量。如压电式、电容式压力传感器等等。

7．3．3 常用压力传感器和压力检测仪表

1、远传式弹性压力计及压力传感器

这类压力计或传感器以弹性元件作为压力的敏感元件，根据受压产生的弹性变形（位移）可测知压力。通过一定的转换机构还可构成就地式或远传式压力计，图7-8为远传式弹性压力计的结构框图。

压力 弹性元件 机电转换装置 测量放大装置 显示输出 图7-8 远传式弹性压力计组成原理框图

常用弹性元件有弹簧管（又称波登管）、弹性膜、波纹管等。图7-9为各种常用弹性元件示意图。

（a）单圈弹簧管（b）多圈弹簧管（c）膜片 （d）膜盒 （e）波纹管

图7-9 常用弹性元件

弹簧管一端受压时，另一个自由端将产生弹性位移。其结构分单圈式和多圈式两种，如图中(a)和(b)。单圈位移量大、灵敏度高。单圈式测量范围通常在0?10MPa，多圈式测量范围通常为10?60MPa。

弹性膜分膜片和膜盒，如图中（c）和(d)。膜片四周固定，当一侧受压或两侧有压差时，膜片向压力小的一侧弯曲。将两个膜片焊接在一起，成为膜盒。膜盒可以增大膜中心的位移，提高灵敏度。这类弹性元件多用于真空度、微压、低压检测。

波纹管是表面同心环状皱纹的薄壁筒体。如图中（e）。主要用于微压、低压检测。 弹性元件的常用材料有铜合金、弹性合金、不锈钢、橡皮等，各适用于不同的测压范围和被测介质，现在半导体硅材料也得到了更多应用。

机电转换装置通常将弹性元件的位移或变形转换成为电信号。常见转换方式有应变电阻式、霍尔式、电感式、差动变压器式等。

（1）应变式压力传感器

应变式压力传感器是基于导体和半导体的应变效应。由导体或半导体材料制成的弹性元件在受到压力作用时发生机械变形，其电阻值也将发生变化，根据阻值变化间接测出压力，阻值相对变化与应变有以下关系：

?R?K? (7-16) R式中?为材料的应变，K为材料的电阻应变系数，即单位应变引起的电阻相对变化量。金属材料的K值约为2～6，半导体材料的K值可达60～180。

常用的应变片结构形式为箔式应变片。通常将1片或多片（2片或4片）应变片粘贴在弹性元件适当位置上来感受变形，同时将应变片接入电桥桥臂，则电桥输出电压即可反映被测压力大小。为提高检测精度和灵敏度，通常采用两对应变片组成全桥电路，并使相对桥臂的应变片分别受拉和受压。

应变式压力传感器弹性元件的结构形式可根据被介质计测量范围进行选择或设计，常见的结构形式有园膜片、弹性梁、应变筒等，如图7-10所示。

图7-10 压力传感器弹性体结构形式及贴片方式

(2) 电容式差压传感器

弹簧管 电容式差压传感器是一组差动电容。电容差动连接有利于提高灵敏度、减小介电常数

受温度影响带来的不稳定性。如图7-11所示，差动电容的两个定极板为两个尺寸形状相同、内侧镀金属膜的凹面体，动极板为金属圆形膜片处于两个定极板中间位置，凹面体中间充

满硅油。当传感器两侧压力相等时，膜片位于中间位置，C1=C2。两侧有压差时，膜片位置发生偏移，两侧电容因极板距离变化而产生电容差值。若通过检测电路将电容变化量转化为4?20mA标准信号，则输出电流与被测压差有关，可达到间接检测压力的目的。

除变极距型电容式差压传感器外，工业中还有变面积型电容式压力传感器，这里不再

磁钢 霍尔片 弹簧管

图7-11 电容式差压传感器

图7－12 霍尔式压力传感器

详细介绍。

电容式压力传感器精度高、稳定性强、抗震性好、安装使用方便，在工业中应用广泛。 （3）霍尔式压力传感器

霍尔式压力传感器是基于半导体霍尔效应。片状霍尔元件与弹簧管自由端相连，置于线性非均匀磁场中，弹簧管另一端受压力作用使得弹簧管产生位移，带动霍尔元件在磁场中运动。若给霍尔元件两端通恒定直流电，则在垂直于磁场和电流的方向上将会产生霍尔电势，该电势大小与霍尔元件变形位移量成线性关系。图7－12为霍尔式压力传感器结构原理。

这种压力计结构简单、灵敏度高，但对外部磁场敏感、耐震性差。 2、基于半导体物性的压力传感器

根据半导体材料的某些物理特性因受压力产生变化而将压力变换为电信号进行检测，常见的有压阻式、压电式、光电式、光纤式、超声式等等。

（1）压阻式压力传感器

半导体材料受压后电阻率发生变化的效应称为压阻效应。图7－13(a)为硅半导体压阻式传感器结构原理图。压力敏感元件为半导体硅圆片（膜片），通常做成膜盒，一侧接入参考压力，另一侧接受被测压力。膜盒的电阻扩散等效为如图所示，其中R1和R3、R2和R4分别组成一对，感受相同的应力状态。当两侧压力平衡时，膜盒无变形，R1=R3=R2=R4，当被测压力大于参考压力时，R1和R3受拉应力，R2和R4受压应力。若将四个电阻值接入测量电桥，一对电阻作为相对桥臂，则电桥会输出一个不平衡电压，图7-13(b)为测量原理。

压阻式压力传感器具有精度高、频响高、测量范围宽、温度稳定性好、抗干扰能力强、安装维修方便等优点， 在工业中得到广泛应用。

（a）硅半导体压力变送器敏感部件原理 （b）硅半导体压力变送器测量电路

图7-13 硅半导体压力变送器测量原理

（2）压电式压力传感器

有些半导体材料沿着某一个方向受力而发生机械变形时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上产生电荷。当外力撤除时，又回到不带电状态，这一现象称为压电效应。利用压电材料的压电效应，可以将被测压力转换为电信号进行测量。

图7-14为压电式压力传感器结构图。压电元件置于两个弹性膜片之间，受压后将产生电荷。其一侧与膜片接触并接地，另一侧将电荷量引出，通过电荷量放大器或电压量放大器输出与压力值对应的电流或电压。为提高测量灵敏度，使用电荷放大器时可采用多个压电元件并联的方式，使用电压放大器时可采用多

图7-14 压电式压力传感器结构 个压电元件串联的方式。

常用压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和

压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，但都具有较好特性，是较理想的压电材料。

压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠，测量范围宽，适合于100MPa以下的压力测量。测量精度较高，频率响应高，可达30kHz，常用于动态压力检测，但由于压电元件存在电荷泄漏，不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。

3、力平衡式压力计

力平衡式压力计利用力平衡原理进行检测，图7-15为力平衡式压力计基本组成框图。用于与被测压力相平衡的可以是弹性力或电磁力等等。被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，被转换成为位移或力，并作用于力平衡系统，使得力平衡系统偏离原有的平衡状态；

图7-15 力平衡式压力计组成框图

由偏差检测器输出偏差值送至放大器，经放大并输出为电流或电压信号，并控制反馈力或力矩机构，产生反馈力。当反馈力与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态，通过显示机构显示出与被测压力或压差相对应的压力信号。

图7-16为一种弹性力平衡式压力检测系统示意图。它由波纹管、杠杆、差动电容变换器C、伺服放大器A、伺服电机M、减速器和反馈弹簧等部件组成。

波纹管将p1、p2压力差转换为Fp使杠杆转动，差动电容变换器的动极片偏离零位，电

uC

图7-16 弹性力平衡式压力检测系统

桥输出电压uC，其幅值与杠杆的转角成比例，而相位与杠杆偏转的方向(即压力差的方向)相对应。电压uC经伺服放大器放大后，驱动伺服电机转动，经减速器后，一方面带动输出轴转动指示杠杆转角的大小；另一方面使螺栓转动，改变反馈弹簧施加在杠杆上的力Fxs。当Fp的力矩与Fxs的力矩相平衡时，系统重新处于平衡状态。输出轴转角?与压力差?p成比例。

4、真空检测

-3

有些压力传感器和检测方法也可检测负压，但只能检测粗真空（10Pa以上），下面介绍两种测量高度真空的真空计。

（1) 热电偶式真空计

热电偶式真空计是利用气体导热率与真空度之间的关系进行测量。真空计结构原理如图7-17。玻璃壳与被测真空连通，玻璃壳中封装了一组金属加热丝和一组热电偶。加热丝被通以恒定电流，热电偶工作端焊接在加热丝上，用以测量加热丝温度。当真空度增大时，气体分子自由成加大，热导率变小，使加热丝散热减少，温度升高。热电偶测出的温度变化即可反映真空度变化。

-2

热电偶式真空计测量真空度一般不能超过10Pa。

图7-17 热电偶式真空计

（2）电离式真空计

1－热电偶； 2－加热丝； 3－调节电阻

电离式真空计的测量原理是，带电粒子通过稀薄气体时使气体电离，测量离子电流即可知真空度大小。图7-18为热阴极式电离真空计的结构原理。真空管与被测真空连通，加热金属丝作为阴极发射电子，加速后形成发射电流ie,穿过真空使空气分子电离，收集极处的离

+

子电流i与被测真空度相关。

-6

热阴极式真空计在不超过10Pa的高度真空测量中能够达到较高精度。

图7-18 电离式真空计

1－收集极； 2－加速极； 3－灯丝； 4－阴极

1－

7．3．4 压力检测仪表的校准

压力检测仪表的校准是保证测量结果安全可靠的重要环节。

压力检测仪表在出厂前均需经过校准，使之符合精度等级要求。但由于安装运输，在使用前仍需进行校准，同时使用中因部件疲劳、磨损、老化等原因，也必须定期进行校准。校准分为静态校准、动态校准两个方面。

1、静态校准

静态校准指的是在静态标准条件下(温度20±5℃，湿度≤80％，大气压力为(1.013±

5

0.106) ×10Pa，且无振动冲击的环境)，采用一定标准等级(其精度需为被校仪表的3～5倍)的校准设备，对仪表重复(不少于3次)进行全量程逐级加载和卸载测试，获得各次校准数据，以确定仪表的静态基本性能指标和精度的过程。

校准方法通常有两种。一种是将被校表与标准表的示值在相同条件下进行比较；另一种是将被校表的示值与标准压力比较。标准表的允许绝对误差应小于被校表的允许绝对误差的1/3～1/5。常用的压力校准仪器有液柱式压力计、活塞式压力计或配有高精度标准表的压力校验泵等。

这种校准方法方便，在实际校验中应用较多。将被校表示值与标准压力比较的方法主要用于校验0.25级以上的精密压力表，亦可用于校验各种工业用压力表。

2、动态校准

有些仪表用来测量动态压力，如火箭发动机的燃烧室压力在启动点火后的瞬间，压力变化频率从几赫到数千赫。这时要求压力传感器的频率响应特性要好，它决定了该传感器对动态压力测量的适用范围和测量精度。因此必须进行动态校准，以确定其动态特性参数，如频率响应函数、固有频率、阻尼比等。

根据校准时压力源不同，动态校准分为稳态校准和非稳态校准两类。

稳态校准采用稳态周期性压力作为压力信号源，如机械正弦压力发生器、凸轮控制喷嘴、电磁谐振器等；另一类是非稳态压力信号源，如激波管、闭式爆炸器、快速卸载阀及落锤液压动校装置等。这类方法结构简单、易于实现。但由于信号频率振幅的限制，仅适用于低压和低频的压力校准中。

激波管是测定压力传感器频率响应特性的最常用的方便而简单的设备,已成为国际计量部门用来校准压力传感器动态性能的标准装置。

激波管校准传感器动态特性的基本原理是：用激波管产生的阶跃压力来激励被校压力传感器，并用适当的设备记录在这一阶跃压力激励下被校传感器所产生的瞬时响应，根据其过渡过程曲线，运用适当的计算方法，求得被校压力传感器的频率响应特性。

7．4 流量检测

在石油、化工、水利等领域的过程检测中，流量是一个重要的参数，在管理、仓储、贸易等行业中，也需要检测和计算物料总量。

7．4．1 流量的概念

流量指流体(气体、液体、粉末或固体颗粒等)单位时间流过管道截面的数量，也称瞬

33

时流量。如果用体积表示流体数量，则称为体积流量，单位为米/秒（m/s）,如果用质量表示，则称为质量流量，单位为千克/秒（kg/s）。在管理，仓储等行业中，更为关心一段

3

时间内的累积流量值，称为累计流量，单位为米或千克。

7．4．2 流量计与流量检测方法分类

用于测量流量的器具、仪表通称流量计，通常由一次装置和二次仪表组成。一次装置又称流量传感器，安装于流体导管内部或外部，用于产生与流量有确定关系的信号；二次仪表对检测出的信号进行处理，转换成流量显示信号或输出信号。

由于流体流动状体复杂，介质特性差异大，测量对象广泛，因此流量检测方法和流量计种类较多，常用检测方法和流量计包括：

1、节流差压法

在流体管路中安装截流元件，根据流动动力学原理，节流元件处将产生压力。根据压力差和流量的关系进行流量测量。常用节流元件包括孔板、喷嘴和文丘里管等。

2、容积法

让流体流经已标定容积的计量室，流体流动的压力推动测量室内类似齿轮的机构转动，每转一周排出固定体积的流体。用这种方法测量流量的仪表称为容积式流量计，按计量室结构分为椭圆齿轮式、腰轮式（罗茨式）、刮板式、旋转活塞式、圆盘式、膜式煤气表、旋转叶轮式水表等。

3、阻力法

流体会对管道内的阻力体产生作用力，作用力大小与流量大小有关。常用的流量计有转子流量计、靶式流量计等。

4、速度法

测出管道内流体的平均流速，乘以管道截面积即可得到流量。根据测流速的方法不同，有涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声流量计、相关流量计等。

流量检测方法及常用流量计性能对比见表7－5。

7．4．3 典型流量计

1、容积式流量计

以椭圆齿轮流量计为例说明容积式流量计的工作原理及特点。图7.19为椭圆齿轮流量计结构原理，一对相互啮合的椭圆齿轮和和与之配合紧密的壳体组成测量室。流体流动的压力产生的力矩会推动齿轮转动，连续不断地将充满在齿轮与壳体之间的固定容积内的流体排出，当椭圆齿轮旋转一周时，将排出4个半月形(测量室)体积的流体。假设一个半月测量室的容积为V，齿轮转数为n，单位时间内体积流量为qv，则

qv=4nV (7-19)

齿轮转数可通过机械的或其他的方式测出

图7.19 椭圆齿轮结构原理

椭圆齿轮流量计适用于高粘度液体的测量。

流量计基本误差为±0.2％～±0.5％，量程比为10:1。椭圆齿轮流量计的测量元件是齿轮啮合传动，

容积式流量计的优点是测量精度高、量程比宽，流体黏度变化对测量影响小，安装方便，对流量计前后的直管段的要求不高。但其缺点是制造装配要求高，传动机构复杂，成本较高，对流体清洁度要求高，通常要求上游加装过滤器。

表7－5 流量检测方法和常见流量计的性能 测量方法 流量计名称 容 积 法 椭圆齿轮流量计 液 体 腰 轮 流量计 液 体 气 体 0.4?1000 — 孔 板 式 液 体 气 体 蒸 汽 1.5?9000 1.0?100000 — 500?1000 截 流 差 压 法 喷 嘴 式 液 体 气 体 蒸 汽 5?2500 50?2600 — 50?400 文丘里管 液 体 气 体 蒸 汽 30?1800 240?8000 — 150?400 阻 力 法 金属管转子流量计 液 体 气 体 0.012?100 0.4?3000 靶 式 流量计 液 体 气 体 蒸 汽 0.8?1400 — — 15?200 技 术 参 数 工作压力（Pa） 工作温度（?C） 精度（％） 量 程 比 压力损失（Pa） 最低雷诺数或黏度界限 安装要求 体积重量 价 格 6.4×10 120 ±0.2 ?±0.5 10：1 <20000 500Cst 装过滤器 重 中等 6速 度 法 涡 轮 流量计 液 体 气 体 0.04?6000 1.5?200 4?500 10?50 6 涡街流量计 液 体 气 体 电磁流量计 被测介质 导电液体 测量范围 （m/h） 30.005?500 1?30m/s 0.1?12500 口径（mm） 10?250 15?300 6.4×10— 120 — ±0.2 ?±0.5 10：1 <20000 500Cst 装过滤器 重 高 6 15?150 — — 150?1000 6?1200 2×10 500 ±1?±2 3：1 <20000 >5×10 ?8×10 装在直管段 小 低 3372×10 500 ±1?±2 3：1 <20000 >2×10 装在直管段 中等 较低 472.5×10 500 ±1?±2 3：1 <5000 >8×10 装在直管段 重 中等 466.4×10 150 ±2 10：1 3000?6000 >100 垂直安装 中等 中等 66.4×10200 6.4×10 120 ±0.5?±1 6：1?10：1 <25000 20Cst 有直管段且装过滤器 小 中等 66.4×10 150 ±1 30：1?100：1 极小 — 有直管段且不能倾斜 小 中等 61.6×10 100 ±1?±1.5 10：1 极小 无限制 对直管段 要求不高 大 高 6±1?±4 3：1 <25000 >2000 装在直管段 中等 较低

超声波在由液体传播到空气或由空气传播到液体时，几乎发生全反射。在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。

超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。图7-37为单探头超声波液位计示意图，其中(a)为气介式，(b)为液介式，(c)为固介式。

（a）气介式 （b）液介式

图7-37 单探头超声波液位计示意图

（c）固介式

假设超声波传播距离为L，波的传播速度为C，传播时间为?t，则

1C?t (7-42) 2式中，L是与被测液位相关的量，故测出?t便可知液位。?t的测量一般是用接收到的信号

L?触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。

实际测量中，如果液面有气泡、悬浮物、波浪或沸腾，容易引起反射混乱，产生测量误差，此时宜采用固介式液位计。

超声波液位测量换能器与介质不接触，无可动部件，不受光线、介质粘度、湿度、介电常数、电导率、热导率等因素的影响，适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量，且仪器寿命长；还能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位；可进行液位定点控制和连续测量，便于实现信号远传控制。

但超声波仪器结构复杂，价格相对昂贵；而且声速会受传播介质温度或密度的影响，一般需要有相应的补偿措施，否则严重影响测量精度；不适于测量队超声波有强烈吸收作用的介质。

7、核幅射法

同位素射线穿过厚度为H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线强度I与入射强度I0之间有如下关系：

I?I0e??H (7-43)

式中，?是吸收系数。因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。

核幅射式液位计由辐射源、接收器和测量仪表组成。

辐射源一般用钴60或铯，放在专门的铅室中，只能允许?射线经铅室的一个小孔或窄缝透出。幅射源安装在被测容器的一侧

接收器与前置放大器装在一起，安装在被测容器另一侧，?射线由盖革计数管吸收，每接收到一个?粒子，就输出一个脉冲电流。经过积分电路变成与脉冲数成正比的积分电压，再经电流放大和电桥电路，最终得到与液位相关的电流输出。

图7-38为辐射源与接收器均是为固定安装方式的核幅射液位计。其中 (a)为长辐（a）长辐射源长接收器 （b）点辐射源点接收器 射源和长接收器形式，输出线性度好； (b)

图7-38 固定安装的核辐射式液位计

为点辐射源和点接收器形式，输出线性度较1-辐射源； 2-接收器 差。

辐射式液位计通常用于特殊场合或恶劣环境下不常有人之处的液位测量，如高温、高压、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、易结晶、沸腾状态介质、高温熔融体等的液位测量；既可进行连续测量，也可进行定点发送信号和进行控制；射线不受温度、压力、湿度、电磁场的影响，而且可以穿透各种介质，包括固体，因此能实现完全非接触测量。

但在使用时仍要注意控制剂量，作好防护。 8、微波法

在电磁波谱中将波长为1～1000mm的电磁波称为微波。利用介质对微波的反射或吸收特性，使得微波检测技术在运动目标检测、含水率检测、物位检测等方面逐渐得到广泛应用。

图7-39为反射式微波液位计原理图，假设微波发射功率为Pi，发射天线和接收天线的增益系数分别为Gi和Gr，微波波长?，发射天线和接接收天线之间距离d，反映液位的参数为H，则吸收功率Pr为：

Pr?(4??)2PiGiGrd2?4H2 (7-44)

故通过测量接收功率即可得知液位高低。微波功率的测量可用热电或热阻等元件，也可用专门的微波检波管（如2DV检波二极管）检波成直流电流。

利用微波反射的原理制作的液位计，可实现连续检测与液位定点控制。

为保证发射与接收天线良好的方向性，一般制作成扇形、角锥形或圆锥喇叭筒形式，张角最佳值在40?～60?之间；还有一种介质天线，方向性更好。

图7－39 反射式微波液位计 微波在具有良好的反射和定向辐射性能；在传

输过程中受粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具

有很强的环境适应能力，尤其适用于炼焦、冶金等恶劣环境。水（蒸汽）会对微波产生强烈吸收，因此要对测量精度的影响。

7．5．2 料位检测

许多液位检测方法均可类似地用来测量料位或相接面，但是由于固体物料的状态特性与液体有些差别，因此也有一些特殊方法。

在实际应用中，料位检测包括重锤探测法、称重、电磁法、声学法等。 1、电容式料位计

电容式料位计属于电磁检测方法中应用较为广泛的一种，图7－40为电容式料位计的测量原理图。

电容式料位计在测量固体颗粒时，由于固体摩擦力大，容易“滞留”，产生虚假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极。另外为了消除物料的温度、湿度、密度、杂质等导致介电常数变化而产生的测量误差，通常在容器底部引入一根辅助电极，它与主电极可以同轴也可不同轴。设辅助电极长L0，它相对于料位为零时的电容变化量CL0为：

CL02?????0??L0Dlnd??图7－40 电容式料位计 1-金属容器； 2-测量电极；

3-辅助电极； 4—绝缘套

(7-45)

而主电极的电容变化量为Cx，式(7-41)与上式相比得：

CxH (7-46) ?CL0L0用此方法消除了介电常数的影响，由于L0 和CL0都是常数，因此主电极相对于辅助电极的电容变化取决于料位高低。

2、其他形式的料位计

利用声振动法可进行料位定点控制，图7-41为音叉式料位信号器原理图，它是由音叉、

压电元件及电子线路等组成。音叉由压电元件激振，以一定频率振动，当料位上升至触及音叉时，音叉振幅及频率急剧衰减甚至停振，电子线路检测到信号变化后向报警器及控制器发出信号。

这种料位控制器灵敏度高，从密度很小的微小粉体到颗粒体一般都能测量，但不适于测量高粘度和有长纤维的物质。

微波也可用来进行料位检测，图7－42为一种遮断式微波料位控制器原理图。当料位较低时，定向发射的微波无衰减的直接为接收天线接收，经前置放大器放大到适当的电平后馈送到电子放大器，经检波、放大后，与定电压比较，发出正常工作的信号。当料位升高到遮断微波束时，微图7-41 音叉式料位控制器 波一部分被物料反射回去，一部分被物料吸收。

接收器接收到的微波功率急遽下降，经放大电路和比较电路给出料位高的信号。

类似地，光学法也可以遮断式工作方式进行料位定点控制。与普通光相比，激光光束散射小，方向性好，定点控制精度高，通常被选用作光源。

图7－42 遮断式微波料位控制器

7．5．3 相界面检测

相界面的检测包括液一液相界面、液一固相界面的检测。液一液相界面检测与液位检测相似，因此各种液位检测方法及液位计都可用来进行液一液相界面的检测。而液—固相界面的检测与料位检测相似，因此料位检测方法和料位计也同样可用于液一固相界面的检测控制。在具体进行相界面检测时，虽然各种方法和物位计的原理与前面介绍的相同或相似，但仍需根据被测介质物理性质的差别和其他具体测量情况进行分析、选择或设计。

思考题

温度测量：

１、温度测量方法分为那两大类？研究它们各自具有的特点，分别举出几个使用两类测量方法的例子。

２、除教材介绍的内容之外，试再列出三种接触式测量的温度计及其在工作生活中的应用。 ３、思考调研钢水测温会遇到哪些问题，提出你的解决办法。

４、总结一下如果选用热电偶测温，工作温度在300?600?C，应考虑哪些问题？试做调研对比。

５、在各种非接触测温的温度计中，比色温度计通常能够获得更高的精度，为什么？ ６、红外非接触测温会遇到被测物体表面辐射率问题，如何解决？

７、研究列举与温度相关的物理效应，你认为哪些可以发展为温度传感器。

压力测量：

８、研究列举与压力相关的物理效应，你认为哪些可以发展为压力传感器。

９、为什么在工业中常采用压力变送器和差压变送器力平衡传感器测量压强或压强差？ １０、工业测量中真空度的含义是什么？文中介绍的两种真空计，测量原理有什么相似之处？与常压检测方法有何不同？

１１、力平衡传感器的设计思想提高了传感器的精度和测量范围，但可能存在的不足是什么？

流量检测：

１２、试举几个日常生活中流量或流速测量的例子，说明所采用的测量方法和流量计工作原理。 １３、你能提出几种水库或河流流量的测量方法？如何解决河道、洋流断面流速分布测量问题？是做调研对比。

１４、为什么超声流量计多采用频差法测量？

１５、根据本教材关于电磁流量计的介绍，试做深入研究，说明为什么交流励磁更常用，以及采用交流励磁如何减小干扰。

１６、查阅资料，了解“相关检测”的概念，以及相关检测在流量检测中的应用。 １７、查阅资料，了解“两相流”、“多项流”的概念及常用检测方法。 １８、查阅资料，提出一种管道煤粉流量测量的方法。

物位检测：

１９、试举出几个日常生活中液位测量控制的例子。 ２０、压力法测量液位通常使用于何种场合？如果被测液体粘稠且有腐蚀性，应如何解决？ ２１、用电容式液位计测量液位时，对于导电性液体和非导电性液体，液位计结构和测量方法有何不同？电容式料位计测料位时，辅助电极的作用是什么？ ２２、提出几种高炉熔融金属液位测量的方法，试做调研对比。

２３、化工厂中有大量的罐群，罐中装有腐蚀性液体，罐区的空气往往含有酸雾，如何解决罐内液面长期可靠测量问题？查阅资料给出你的设想。

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