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1、化工仪表及自动化 第三章 检测仪表与传感器 内容提要 n 物位检测及仪表 n概述 n差压式液位变速器 n电容式物位传感器 n核辐射物位计 n称重式液罐计量仪 n 温度检测及仪表 n温度检测方法 n热电偶温度计 n热电阻温度计 n电动温度变送器 1 内容提要 n一体化温度变送器 n智能式温度变送器 n测温元件的安装 n 现代检测技术与传感器的发展 n软测量技术的发展 n现代传感器技术的发展 2 第四节 物位检测及仪表 n 一、概论 3 几个概念几个概念液位 料位 液位计 界位计 测量物位的两个目的测量物位的两个目的 按其工作原理分为按其工作原理分为 直读式物位仪表 差压式物位仪表 浮力式物位仪表
2、 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 第四节 物位检测及仪表 n 二、差压式液位变送器 4 1.1.工作原理工作原理 图3-39 差压液位变送器 原理图 图3-40 压力表式液位计 第四节 物位检测及仪表 将差压变送器的一端接液相，另一端接气相 因此 当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需 将差压变送器的负压室通大气即可。若不需要远传信号 ，也可以在容器底部安装压力表，如图3-40所示。 5 第四节 物位检测及仪表 6 2.2.零点迁移问题零点迁移问题 图3-41 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
3、则 第四节 物位检测及仪表 迁移弹簧的作用迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。 迁移和调零迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始 点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移 量则比较大。 迁移迁移 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。 7 第四节 物位检测及仪表 图3-42 正负迁移示意图 图3-43 正迁移示意图 举例举例 某差压变送器的测量范 围为05000Pa，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，如左 图中曲线a所示。负迁移如 曲线b所示，正迁移如曲线c 所示。 8 第四节 物位检
4、测及仪表 3.3.用法兰式差压变送器测量液位用法兰式差压变送器测量液位 图3-44 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 法兰式差压变送器法兰式差压变送器 按其结构形式按其结构形式 9 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。 第四节 物位检测及仪表 n 三、电容式物位传感器 1.1.测量原理测量原理 图3-45 电容器的组成 1内电极；2外电极 两圆筒间的电容量两圆筒间的电容量C C 当当 D D 和和 d d 一定时，
5、电容量一定时，电容量 C C 的大小与的大小与 极板的长度极板的长度 L L 和介质的介电常数和介质的介电常数 的乘积的乘积 成比例。成比例。 10 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。 第四节 物位检测及仪表 2.2.液位的检测液位的检测 3-46 非导电介质 的液位测量 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 对非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理如下图所示。 当液位上升为H时，电容量变为 电容量的变化为 11 第四节 物位检测及仪表 电容量的变化与液位高度H成正比。该法是利用被 测介质的介电系数与空气
6、介电系数0不等的原理进 行工作，（-0）值越大，仪表越灵敏。电容器两 极间的距离越小，仪表越灵敏。 结论结论 12 第四节 物位检测及仪表 3.3.料位的检测料位的检测 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。 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 13 图3-47 料位检测 第四节 物位检测及仪表 优点优点 电容物位计的传感部分结构简单、使用方便。 缺点缺点 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
7、发 生变化这种情况。 14 第四节 物位检测及仪表 n 四、核辐射物位计 射线的透射强度随着通过介质层厚度的增加而减弱通过介质层厚度的增加而减弱，具 体关系见式（3-63）。 （3-63） 图3-48 核辐射物位计示意图 1辐射源；2接受器 特点特点 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。 15 第四节 物位检测及仪表 n 五、称重式液罐计量仪 该计量仪既能将液位测得很准液位测得很准，又能反映出罐中真实的质量真实的质量 储量储量。
8、 称重仪根据称重仪根据天平原理天平原理设计。设计。 杠杆平衡时 由于 （3-64） 代入（3-64） （3-65） 如果液罐是均匀截面（3-66） （3-67） 16 第四节 物位检测及仪表 图3-49 称重式液罐计量仪 1下波纹管；2上波纹管；3 液相引压管；4气相引压管； 5砝码；6丝杠；7可逆电 机；8编码盘；9发讯器 式中 如果液罐的横截面积A为常数，得 将式（3-67）代入式（3-65），得 （3-68） 17 第五节 温度检测及仪表 n 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。 分分
9、 类类 按测量范围按测量范围 按用途按用途 高温计、温度计 标准仪表、实用仪表 按工作原理按工作原理 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 按测量方式按测量方式 接触式与非接触式 18 第五节 温度检测及仪表 测温方式测温方式温度计种类温度计种类 测温范围测温范围 优点优点 缺点缺点 接 触 式 测 温 仪 表 膨 胀 式 玻璃液体 -50600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 3
10、50 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
11、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 表表3-3 3-3 常用温度计的种类及优缺点常用温度计的种类及优缺点 19 第五节 温度检测及仪表 1.1.膨胀式温度计膨胀式温度计 图3-50 双金属片 图3-51 双金属温度信号器 20 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。 第五节 温度检测及仪表 21 2.2.压力式温度计压力式温度计 它是根据在封闭系统 中的液体、气体或低沸点 液体的饱和蒸汽受热后体 积膨胀或压力变化
12、这一原 理而制成的，并用压力表 来测量这种变化，从而测 得温度。图3-52 压力式温度计结构原理图 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压力式温度计。 第五节 温度检测及仪表 3.3.辐射式温度计辐射式温度计 辐射式高温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。 压力式温度计的压力式温度计的构造构造由以下三部分组成由以下三部分组成 温包 毛细管 弹簧管（或盘簧管） 22 第五节 温度检测及仪表 n 二、热电偶温度计 23 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-
13、53 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 热电偶温度计热电偶温度计由三部分组成：热电偶；测量仪表；连接热 电偶和测量仪表的导线。 1.1.热电偶热电偶 图3-54 热电偶示意图 第五节 温度检测及仪表 24 （1 1）热电现象及测温原理）热电现象及测温原理 图3-55 热电现象 图3-56 接触电势形成的过程 图3-57 热电偶原理及电路图 左图闭合回路中总的热电势 或 第五节 温度检测及仪表 注意注意 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
14、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。 25 第五节 温度检测及仪表 26 （2 2）插入第三种导线的问题）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。 图3-58 热电偶测温系统连接图 图（a）总的热电势 （3-72） 由于 （3-75） （3-74） 将式（3-73）、式（3-74）代入式（3-72） （3-73） 第五节 温度检测及仪表 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
15、。 故 得 （3-76） 图（b）总的热电势 27 第五节 温度检测及仪表 28 （3）常用热电偶的种类 工业上对热电极材料的要求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。 第五节 温度检测及仪表 29 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 3001600 -201300 -501000 -40800 -40700 -400300 1800 1600 1200 900 750 350 表表3-4 3-4 工业用热电偶工业用热电偶 第五节 温度检测及仪表 30 （4）热电偶的结构 普通型热电偶 图3-59 热电偶的结构 热电极 绝缘管 保护套管 接线盒
