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1、第8章 压力、流量和物位检测技术 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1 压力检测技术压力检测技术 8.2 流量丈量技术流量丈量技术 8.3 物位检测与控制物位检测与控制 思索与练习思索与练习 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1 压力检测技术压力检测技术 8.1.1 8.1.1 压力的根本概念及单位压力的根本概念及单位1. 1. 压力的根本概念压力的根本概念压压力力是是垂垂直直而而均均匀匀地地作作用用在在单单位位面面积积上上的的力力。 它它的的大大小小由由两两个个要要素素所所决决议议， 即即受受力力面面积积和和垂垂直直作作用用力力的的大大小小， 用用数数学学式表示为式表示为 (8-1)
2、 式中，P为压力；F为垂直作用力；S为受力面积。 第8章 压力、流量和物位检测技术 压力也可以用相当的液柱高度来表示，如图8-1所示。根据压力的概念， 有 8-2 式中，为压力计中液体的重度；h为液柱的高度。可见压力等于液柱高度与液体重度的乘积。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-1 液柱压力表示图 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 2. 压力的单位压力的单位在在国国际际单单位位制制中中， 压压力力的的单单位位是是帕帕斯斯卡卡， 简简称称帕帕， 代代号号为为PaPa。 它它的的定定义义是是在在每每平平方方米米面面积积上上垂垂直直作作用用1 1牛牛顿顿的的力力， 即即 帕斯卡与其它压
3、力单位的换算关系见表8-1。 8-3 第8章 压力、流量和物位检测技术 表表8-1 8-1 常用压力单位的换算表常用压力单位的换算表 第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 3. 大气压力、绝对压力、表压力与真空度大气压力、绝对压力、表压力与真空度1 1 大大气气压压力力：指指由由于于空空气气的的分分量量垂垂直直作作用用在在单单位位面面积上所产生的压力。积上所产生的压力。 2 2 绝绝对对压压力力：它它是是指指流流体体的的实实践践压压力力，它它以以绝绝对对真真空为零压力。空为零压力。 3 3 相相对对压压力力： 它它是是指指流流体体的的绝绝对对压压力力与与当当时时当当地地的的大大气气压压力力之
4、之差差。 当当绝绝对对压压力力大大于于大大气气压压力力时时， 其其相相对对压压力力称称为为表表压压力力； 当当绝绝对对压压力力小小于于大大气气压压力力时时， 其其相相对对压压力力称称为真空度或负压力。为真空度或负压力。 因此，因此， 有有 式中，P表为表压力；P绝为绝对压力；P气为大气压力。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1.2 8.1.2 压力传感器及其类别压力传感器及其类别1. 1. 压力传感器类别压力传感器类别压压力力传传感感器器的的主主要要类类别别有有电电位位器器式式、应应变变式式、霍霍尔尔式式、电电感感式式、压压电电式式、压压阻阻式式、电电容容式式及及振振弦弦式式等等，丈丈量
5、量范范围围为为710-5710-55108 5108 PaPa；信信号号输输出出有有电电阻阻、电电流流、电电压压、频频率率等等方方式式。 压压力力丈丈量量系系统统普普通通由由传传感感器器、丈丈量量线线路路和和丈丈量量安安装装以以及及辅辅助助电电源源所所组组成成。常常见见的的信信号号丈丈量量安安装装有有电电流流表表、 电电压压表表、 应应变变仪仪以以及及计计算机等。算机等。 目目前前，利利用用压压阻阻效效应应、压压电电效效应应或或其其他他固固体体物物理理特特性性的的压压力力传传感感器器已已实实现现小小型型化化、数数字字化化、集集成成化化和和智智能能化化，直直接接把把压压力力转转换换为为数数字字信
6、信号号输输出出，并并可可与与计计算算机机衔衔接接，从从而而实实现现工工业业过过程程的的现现场控制。场控制。 第8章 压力、流量和物位检测技术 表表8-2 8-2 几种常见的压力传感器性能比较表几种常见的压力传感器性能比较表 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 常用压力传感器1 单圈弹簧管压力表1 构造： 弹簧管压力表的构造如图8-2所示。它主要由弹簧管和一组传动放大机构简称机芯， 其中包括拉杆、扇形齿轮、 中心齿轮及指示机构(包括指针、面板上的分度标尺)所组成。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-2 弹簧管压力表 第8章 压力、流量和物位检测技术 3被测压力由接头9通入，迫使弹簧管1
7、的自在端B向右上方扩张。自在端B的弹性变形位移经过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，进而带动中心齿轮4作顺时针偏转，使与中心齿轮同轴的指针5也作顺时针偏转，从而在面板6的刻度标尺上显示出被测压力P的数值。由于自在端的位移与被测压力之间具有比例关系，因此弹簧管压力表的刻度标尺是线性的。 游丝7用来抑制因扇形齿轮和中心齿轮间的间隙而产生的仪表变差。 改动调整螺钉8的位置(即改动机械传动的放大系数)， 可以实现压力表量程的调整。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 资料：弹簧管的资料因被测介质的性质和被测压力的高低而不同，普通当P20 MPa(约200 kgf/cm2)时，采用磷铜；当P20 MPa
8、时， 那么采用不锈钢或合金钢。但是，在选用压力表时，必需留意被测介质的化学性质。例如，丈量氨气压力必需采用不锈钢弹簧管，而不能采用易被腐蚀的铜质资料；丈量氧气压力时，那么严禁沾有油脂，以免着火甚至爆炸。 目前， 我国出厂的弹簧管压力表量程有0.1， 0.16， 0.25， 0.4， 0.6， 1， 1.6， 2.5， 4， 6， 10， 16， 25， 40，60(MPa)等。 第8章 压力、流量和物位检测技术 3 信号远传式压力表： 利用变频控制进展恒压供水曾经广泛运用。 在弹簧管压力表中装入电触点， 可构成具有上、 下限指示与控制的电接点信号压力表； 与电位器配合， 可构成电位器式远传压力
9、表， 如YCD-150型压力传感器， 它构造简单， 价钱廉价。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 应变式压力传感器1 板式压力传感器： 该类传感器分为薄板式、 膜片式和组合式。 丈量气体或液体压力的薄板式压力传感器如图8-3a所示。 圆薄板直径为10 mm， 厚度为1 mm，和壳体衔接在一同，引线自上端引出。任务时将传感器的下端旋入引压管， 压力均匀地作用在薄板的下外表。薄板受压变形后外表上应变分布如图8-3b所示。 在薄板周边上， 其切向应变为零， 径向应变为负应变， 且绝对值最大， 而在中心处其切向应变与径向应变相等且最大。因此，在贴片时，普通在薄板中心处沿切向贴两片R2和R3，在边缘
10、处沿径向贴两片R1和R4。将应变片按R1、R2、R4、R3的顺序接成闭合回路，便构成差动电桥， 可以提高灵敏度和进展温度补偿。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-3板式压力传感器第8章 压力、流量和物位检测技术 2 筒式压力传感器：当被测压力较大时，多采用筒式压力传感器，如图8-4所示。图中任务应变片R1贴在空芯的筒臂外感受应变，补偿应变片R2贴在不发生变形的实芯部位作为温度补偿用。 这种传感器可用来丈量机床液压系统的压力(几十公斤/厘米2几百公斤/厘米2)和枪、 炮筒腔内的压力(几千公斤/厘米2)(1 kgf/cm2 =0.098 MPa)。 3 分散硅固体压力传感器： 如图8-5所示
11、， 分散硅固体压力传感器是在一块圆形膜片上集成四个等值电阻并串接成电桥， 膜片周围用硅杯固定， 高压腔与被测压力相接， 低压腔与大气相通， 经过应变丈量压力。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-4 筒式压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-5 分散硅压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 4 硅X型压力传感器： 利用半导体资料的压阻效应， 在硅膜片外表用离子注入制造一个X形的四端元件， 一只X形压敏电阻器被置于硅膜边缘， 其原理如图8-6a所示。 其中， 1脚接地， 3脚加电源电压， 鼓励电流流过3脚和1脚。 加在硅膜上的压力与电流垂直， 该压力在电阻器上建立了一个横
12、向电场， 该电场穿过中点，所产生的电压差由2脚和4脚引出。 图8-6中b为MPZ10、 MPX12系列器件外封装方式， 其量程为010 kPa，线性度为1.0%。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-6 硅压力传感器a 任务原理图； b 外形图 第8章 压力、流量和物位检测技术 3 电感式压力传感器 电感式压力传感器是用变换压力的弹性敏感元件将压力变换成位移，再由电感式位移传感器转换成电信号。在压力丈量中，差动变压器式传感器运用的比较广泛。 1 CPC型差压计： 图8-7是CPC型差压计的构造与电路图。 当所测的P1与P2之间的差压变化时， 差压计内的膜片产生位移， 从而带动固定在膜片上的
13、差动变压器的衔铁移位， 使差动变压器二次侧输出电压发生变化， 输出电压的大小与衔铁位移成正比， 从而也与所测差压成正比。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-7 CPC型差压计 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 微压力变送器： 图8-8是微压力变送器的构造表示图。 由膜盒将压力变换成位移， 再由差动变压器转换成输出电压。 内装电路， 可输出规范信号， 故称变送器。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-8 微压力变送器构造表示图 第8章 压力、流量和物位检测技术 4 电容式压力传感器电容式压力传感器是将压力的变化转换成电容量变化的一种传感器。目前，从工业消费过程自动化运用来说， 有压
14、力、 差压、 绝对压力、带开方的差压(用于测流量)等种类及高差压、 微差压、 高静压等规格。 第8章 压力、流量和物位检测技术 1 电容式差压传感器： 电容式差压传感器的中心部分如图8-9所示。 它主要由丈量膜片金属弹性膜片、镀金属的凹形玻璃球面及基座组成。丈量膜片左右空间被分隔成两个室。 在两室中充溢硅油，当左右两室分别接受高压PH和低压PL时，硅油的不可紧缩性和流动性，便能将差压PPHPL传送到丈量膜片的左右面上。 由于丈量膜片在焊接前加有预张力， 所以当P =0时处于中间平衡位置并非常平整， 此时定极板左右两电容的电容值完全相等， 即CH=CL，电容量的差值C=0。 当有差压作用时， 丈
15、量膜片发生变形， 也就是动极板向低压侧定极板接近， 同时远离高压侧定极板， 使得电容CHCL。经过引出线将这个电容变化保送到电子转换电路，可实现对压力或差压的丈量。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-9 电容式差压传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 变面积式电容压力传感器： 这种传感器的构造原理图如图8-10a所示。 被测压力作用在金属膜片1上， 经过中心柱2、 支撑簧片3使可动电极4随膜片中心位移而动作。可动电极4与固定电极5都是由金属材质切削成的同心环形槽构成的， 有套筒状突起， 断面呈梳齿形， 在两电极交错重叠部分的面积决议电容量。 固定电极的中心柱6与外壳间有绝缘支架7
16、， 可动电极那么与外壳连通。 压力引起的极间电容变化由中心柱引至电子线路， 变为直流信号420 mA输出。 电子线路与上述可变电容安装在同一外壳中， 整体小巧紧凑。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-10 变面积电容式压力传感器a 构造图； b 悬挂在介质中； c 安装在容器壁上 第8章 压力、流量和物位检测技术 5 压电式压力传感器压电式压力传感器可以丈量各种压力， 如车轮经过枕木时的强压力， 继电器接点压力和人体脉搏的微小压力等。用得最多的是在汽车上丈量气压、 发动机内部熄灭压力和真空度。 如图8-11所示的膜片式压电压力传感器目前较常用。 图中， 膜片起密封、 预压和传送压力的作用
17、。 由于膜片的质量很小， 而压电晶体的刚度很大， 所以传感器具有很高的固有频率(高达100 kHz以上)， 尤其适用于动态压力丈量。 常用的压电元件是石英晶体。 为了提高灵敏度， 可采用多片压电元件层叠构造。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-11 膜片式压电压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 这种压力传感器可丈量102108 Pa的压力， 且外型尺寸可做得很小， 其下限频率由电荷放大器决议。 传感器中， 常设置的一个附加质量块和一组极性相反的补偿压电晶体， 以补偿丈量时因振动呵斥的丈量误差。 第8章 压力、流量和物位检测技术 6 振弦式压力传感器如图8-12所示是振弦式压力传
18、感器的原理构造图。 在圆形压力膜片1的上、下两侧安装了两根长度一样的振弦3、4， 它们被固紧在支座2上，并加上一定的预应力。 当它们遭到鼓励而振动时， 产生的振动频率信号分别经放大、振荡电路10、 11后到混频器12进展混频， 所得差频信号经滤波、整形电路输出。 如无外力作用时，压力膜片上、下两根振弦所受张力一样， 受鼓励后产生一样的振动频率，由混频器所得差频信号的频率为零。 假设有外力F垂直作用于柱体9上时，压力膜片受压弯曲， 使上侧振弦3的张力减小， 振动频率减低，而下侧振弦4的张力增大， 振动频率增高。由混频器输出两者振动频率的差频信号， 其频率随外力增大而升高。 第8章 压力、流量和物
19、位检测技术 图8-12 振弦式压力传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 7 霍尔压力传感器1 霍尔式压力计：它是利用霍尔元件丈量弹性元件变形的一种电测压力计。 它构造简单、体积小、频率呼应宽、 动态范围(输出电势的变化)大、可靠性高、易于微型化和集成电路化。 但其信号转换频率低、 温度影响大，运用于要求转换精度高的场所时必需进展温度补偿。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 霍尔式微压力传感器：它的原理如图8-13所示。 当被测压力为零时，霍尔元件的上半部分感受的磁力线方向为从左至右，而下部分感受的磁力线方向从右至左，它们的方向相反，而大小相等，相互抵消，霍尔电动势为零。当被测微压力从进
20、气口进入弹性波纹膜盒时，膜盒膨胀，带动杠杆起位移放大作用的末端向下挪动，从而使霍尔器件在磁路系统中感遭到的磁场方向以从右至左为主，产生的霍尔电动势为正值。 假设被测压力为负压， 杠杆端部上移，霍尔电动势为负值。 由于波纹膜盒的灵敏度很高，又有杠杆的位移放大的作用， 所以可用来丈量微小压力的变化。 霍尔压力传感器也可由弹簧管与霍尔式位移传感器构成。 霍尔式位移传感器是将霍尔元件放置在由磁钢产生的恒定梯度磁场中构成的。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-13 霍尔式微压力传感器原理表示图a 构造； b 磁场与压力的关系曲线 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1.3 8.1.3 集成压力传
21、感器的运用电路集成压力传感器的运用电路1. 1. 压力丈量电路压力丈量电路由由压压力力传传感感器器及及运运算算放放大大器器组组成成的的压压力力丈丈量量电电路路如如图图8-148-14所所示示。 图图中中， 压压力力传传感感器器采采用用4343系系列列。 4343系系列列是是一一种种小小型型压压阻阻式式压压力力传传感感器器， 有有绝绝对对压压力力和和表表压压力力两两大大类类。 规规范范量量程程系系列列有有0 05 5 PsiPsi和和0 0250 250 PsiPsi，共共分分7 7挡挡， 每每挡挡有有A A、B B、C C三三种等级。种等级。1 Psi=6.895103 Pa1 Psi=6.8
22、95103 Pa，PsiPsi是磅是磅/ /英寸英寸2(bf/in2)2(bf/in2)单位。单位。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-14 压力丈量电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 供应传感器的恒流源电流I0=Uz/R2可经过R2来调整，从而调理传感器的灵敏度。该电路的电流为0.996 mA。43系列满量程输出为100 mV， 经A2、A3和A4放大后，要求相应的输出为05 V，以此来决议放大器的放大倍数。 调理调零电位器RP1， 使在零压力时输出为0 V。调理电位器RP2，使在满量程时， 输出为5 V。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 便携式压力计电路图8-15为用MP
23、X2050硅压力传感器组成的便携式压力计电路。 它利用数字电压表(DVM)作为指示或显示安装，电源为9 V电池。 MPX2050硅压力传感器的压力丈量范围为050 kPa，满量程输出为40 mV。 数字电压表的满量程选为200 mV。 所以， 可调理增益电阻RP， 使传感器满量程输出时，A1、A2差动输出电压为200 mV。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-15便携式压力计电路第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 压力变送器电路图8-16为一个用集成变送器XTR101将传感器输出电压转为420 mA电流的二线制变送器电路。 二线制即信号、负载和电源串联， 信号需求远间隔传送能够达几百
24、米，该系统采用直流24 V电源。负载可以用串联电流表来指示，也可以用如下图的RL=240 转换为0.964.8 V的电压输出来指示。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-16 420 mA压力变送器电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 4. 固态压力开关电路图8-17是一个低本钱定点的压力开关电路，它可用来对电动机M实现控制。 图8-17 固态压力开关电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 5. 压力/频率变换电路压力/频率变换电路如图8-18所示。它利用四个运放U2AU2D，将压力传感器MPX2100输出的差模电信号转换成单端输出的电信号，然后直接和AD654电压频率变换器相接。AD6
25、54输出的频率信号经场效应管V和R10组成的缓冲器输出。该电路标称零压力输出频率为1 kHz， 满量程为100 kPa， 输出频率为10 kHz。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-18 压力/频率变换电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-18中， B+为外界电源输入端，要求最小值为10 V，最大值为30 V，经U1集成稳压块输出8 V电压供MPX2100； 经U4集成稳压块输出5 V电压供场效应管V。U2A主要完成差模信号的放大； U2B用来防止运放的反响电流流入传感器的负端； U2C和U2D，使在零压力和满量程压力100 kPa)时， U2D输出0.54.5 V的电压。 AD
26、654中的电容C3决议额定输出频率。调理R3， 使在零压力0.5 V时输出频率为1 kHz。 调理R12，使在满量程压力4.5 V时输出频率为10 kHz。 输出频率信号的逻辑电平为5 V。 场效应管V和R1构成的缓冲器， 用来改善脉冲边沿和电平移位， 使最后输出频率信号幅度为5 V， 占空比为50%的方波信号。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.1.4 8.1.4 压力计的选择和运用压力计的选择和运用1. 1. 压力计的选择压力计的选择压压力力计计的的选选择择应应根根据据详详细细情情况况作作详详细细分分析析， 在在符符合合工工艺艺过过程程、 热热工工过过程程所所提提出出的的技技术术要要求
27、求， 顺顺应应被被测测介介质质的的性性质质和和现现场场环环境境的的条条件件下下，本本着着节节约约的的原原那那么么，合合理理地地选选择择压压力力计计的的种种类类、 仪仪表表型型号号、量量程程和和准准确确度度等等级级等等，以以及及能能否否要要带带报报警警、 远远传传、 变变送送等等附附加加安安装装。对对于于弹弹性性式式压压力力计计，为为了了保保证证弹弹性性元元件件能能在在弹弹性性变变形形的的平平安安范范围围内内可可靠靠地地任任务务， 在在选选择择量量程程时时必必需需留留有有足足够够的的余余地地， 普普通通在在被被测测压压力力较较稳稳定定的的情情况况下下， 最最大大压压力力值值应应不不超超越越满满量
28、量程程的的3/43/4，在在被被测测压压力力动动摇摇较较大大的的情情况况下下，最最大大压压力力值值应应不不超超越越满满量量程程的的2/32/3。为为保保证证丈丈量量准准确确度度，被被测测压压力力最小值应不低于全量程的最小值应不低于全量程的1/31/3。 第8章 压力、流量和物位检测技术 例如，要丈量高压油喷嘴雾化剂(蒸汽)的压力， 知蒸汽压力为(24)105 Pa，要求最大丈量误差小于104 Pa， 如何选择压力表呢?根据知条件及弹性式压力计的性质， 决议选用Y-100型单圈管弹簧压力计， 其丈量范围为06105 Pa(当压力从2104 Pa变化到4105 Pa时， 正益处于量程的1/32/3
29、)。 要求最大丈量误差小于104 Pa， 即要求仪表的相对误差为 所以应选1.5级表。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 2. 压力计的运用压力计的运用 1 1 丈量点的选择丈量点的选择丈丈量量点点的的选选择择应应能能代代表表被被测测压压力力的的真真实实情情况况。因因此此，取取压压点点不不能能处处于于流流束束紊紊乱乱的的地地方方，应应选选在在管管道道的的直直线线部部分分，也也就就是是离离部部分分阻阻力力较较远远的的地地方方。导导压压管管最最好好不不要要伸伸入入被被测测对对象象内内部部， 而而在在管管壁壁上上开开一一外外形形规规整整的的取取压压孔孔，再再接接上上导导压压管管，如如图图8-1
30、98-19所所示示。当当一一定定要要插插入入对对象象内内部部时时，其其管管口口平平面面应应严严厉厉与与流流体体流流动动方方向向平平行行，如如图图8-198-19所所示示。如如图图8-198-19或或那那样样放放置置就就会会得得出出错错误误的的丈丈量量结结果果。 此此外外，导导压压管管端端部部要要光光滑滑，不不应应有有突突出出物物或或毛毛刺刺。 为为防防止止导导压压管管堵堵塞塞，取取压压点点普普通通要要求求在在程程度度管管道道上上。 在在丈丈量量液液体体压压力力时时，取取压压点点应应在在管管道道下下部部， 使使导导压压管管内内不不积积存存气气体体； 丈丈量气体压力时，取压点应在管道上部，量气体压
31、力时，取压点应在管道上部， 使导压管内不积存液体。使导压管内不积存液体。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-19 导压管与管道的衔接 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 导压管的铺设(包括各种阀)铺设导压管时， 应坚持对程度有110120的倾斜度， 以利于导压管内流体的排出。 导压管中的介质为气体时， 在导压管最低处需装排水阀； 为液体时， 那么在导压管最高处需装排气阀； 假设被测液体易冷凝或冻结， 必需加装管道保温设备。 在接近取压口的地方应装切断阀， 以备检修压力计时运用。 在需求进展现场校验和经常冲洗导压管的情况下， 应装三通开关。 导压管内径普通为610 mm，长度小于等于50
32、 m(以减少滞后)， 否那么要装变送器。 第8章 压力、流量和物位检测技术 3 压力计的安装丈量蒸汽压力或压差时， 应装冷凝管或冷凝器。 冷凝器的作用是使导压管中被丈量的蒸汽冷凝， 并使正负导压管中冷凝液具有一样的高度且坚持恒定。 冷凝器的容积应大于全量程内差压计或差压变送器任务空间的最大容积变化的三倍。 当被测流体有腐蚀性， 且易冻结、 易析出固体或是高粘度时， 应采用隔离器和隔离液，以免破坏差压计或差压变送器的任务性能。 隔离液应选择沸点高，凝固点低，化学与物理性能稳定的液体，如甘油、乙醇等。 第8章 压力、流量和物位检测技术 被测压力动摇频繁和猛烈时(如紧缩机出口)可用阻尼安装。 安装压
33、力计时应防止温度的影响， 如远离高温热源， 特别是弹性式压力计普通应在低于50的环境下任务。 安装时还应防止振动的影响。 压力计安装例如如图8-20所示。 在图c所示的情况下， 压力计上的指示值比管道内的实践压力高。 这时， 应减去从压力计到管道取压口之间一段液柱的压力， 即 P=P表-h 8-5 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-20 压力计安装例如图a 丈量蒸汽； b 丈量腐蚀性介质；c 压力计安装在管道下方 第8章 压力、流量和物位检测技术 4 压力计的维护为防止脏污液体或灰尘积存在导压管和差压计中， 应定期进展清洗。 其方法是被测流体为气体或液体时， 可用干净的空气将其吹入主管道
34、； 假设被测流体是液体时， 可用清洁的液体将其通入主管道。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.2 流量丈量技术流量丈量技术 8.2.1 8.2.1 流量及其丈量方法流量及其丈量方法1. 1. 流量的概念流量的概念单单位位时时间间内内流流过过管管道道内内某某一一截截面面的的流流体体数数量量， 称称为为瞬瞬时时流流量量。 而而在在某某一一段段时时间间间间隔隔内内流流过过管管道道某某一一截截面面的的流流体体量量的的总总和和， 即即瞬瞬时时流流量量在在某某一一段段时时间间内内的的累累积积值值， 称称为为总总量量或或累累积积流流量量， 如如用用户户的的水水表表、 气气表表等等。 工工程程上上讲讲的的
35、流流量量常常指指瞬瞬时时流流量量，下下面面假假设设无无特特别别阐阐明明均均指指瞬瞬时时流流量量。 瞬瞬时时流流量量有有体体积流量和质量流量之分。积流量和质量流量之分。 第8章 压力、流量和物位检测技术 1 体积流量qv 体积流量qv是指单位时间内经过某截面的流体的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可表示为 (8-6) 式中, S为管道截面面积m2；v为管道内平均流速(m/s)； V为流体体积m3；t为时间(s)。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 质量流量qm 质量流量qm是指单位时间内经过某截面的流体的质量。根据定义，质量流量可表示为 (8-7) 式中, 为流体的密度(kg/m3)
36、; m为流体的质量kg。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 流量的丈量方法消费过程中各种流体的性质各不一样， 流体的任务形状如介质的温度、 压力等及流体的粘度、 腐蚀性、 导电性也不同， 很难用一种原理或方法丈量不同流体的流量。 尤其工业消费过程的情况复杂， 某些场所的流体是高温、 高压， 有时是气液两相或液固两相的混合流体。 所以目前流量丈量的方法很多， 丈量原理和流量传感器或称流量计也各不一样， 从丈量方法上普通可分为速度式、 容积式和质量式三大类。 第8章 压力、流量和物位检测技术 1 速度式流量丈量原理 速度式流量传感器大多是经过丈量流体在管路内知截面流过的流速大小实现流量丈量的
37、。 它是利用管道中流量敏感元件如孔板、 转子、 涡轮、 靶子、 非线性物体等把流体的流速变换成压差、 位移、 转速、 冲力、 频率等对应的信号来间接丈量流量的。 差压式、 转子、 涡轮、 电磁、 旋涡和超声波等流量传感器都属于此类。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 容积式流量丈量原理 容积式流量传感器是根据知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来丈量流体的瞬时流量和总量的。 常用的容积式流量传感器有椭圆齿轮式、 旋转活塞式和刮板式等。 3 质量式流量丈量原理 质量式流量传感器有两种，一种是根据质量流量与体积流量的关系， 测出体积流量再乘以被测流体的密度的间接质量流量传感器， 如工程上常
38、用的补偿式质量流量传感器， 它采取温度、 压力自动补偿； 另一种是直接式质量流量传感器， 如热电式、 惯性力式、 动量矩式质量流量传感器等。 直接法丈量具有不受流体的压力、 温度、 粘度等变化影响的优点， 是一种正在开展中的质量流量传感器。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.2.2 8.2.2 几种速度式流量传感器几种速度式流量传感器1. 1. 差压式流量传感器差压式流量传感器1 1 差压式流量传感器及其原理差压式流量传感器及其原理差差压压式式流流量量传传感感器器又又称称节节流流式式流流量量传传感感器器， 主主要要由由节节流流安安装装和和差差压压传传感感器器 ( (或或差差压压变变送送器器
39、) )组组成成， 如如图图8-218-21所所示示。 它它是是利利用用管管路路内内的的节节流流安安装装， 将将管管道道中中流流体体的的瞬瞬时时流流量量转转换换成成节节流流安安装装前前后后的的压压力力差差， 然然后后用用差差压压传传感感器器将将差差压压信信号号转转换换成成电电信信号号， 或或直直接接用用差差压压变变送送器器把把差差压压信信号号转转换换为为与与流流量量对对应应的的规规范范电电流流信信号号或或电电压压信信号号， 以以供供丈丈量量、 显显示示、 记记录录或或控控制制。 在在气气动动控控制制中中， 还还可可以以转转换换成成气气动动信信号号， 然然后后用用于于显显示示、 记记录录或控制。或
40、控制。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-21 差压式流量传感器 第8章 压力、流量和物位检测技术 差压式流量传感器节流安装的作用是把被测流体的流量转换成压差信号。 当被测流体流过节流元件时，流体遭到部分阻力， 在节流元件前后产生压力差， 就像电流流过电阻元件产生电压差那样，节流元件上游压力P1高于下游压力P2。 流量与压差P= P1 - P2的关系为 8-8 8-9 第8章 压力、流量和物位检测技术 式8-8、 (8-9)为不可紧缩流体的流量根本方程式。 对于可紧缩的流体如气体或蒸气， 必需思索流体密度变化和膨胀的影响。 为此， 还需引入流体膨胀校正系数， 那么可紧缩流体的流量根本方程
41、式为 8-10 8-11 式中，为流量系数，是用实验方法求出的，它与节流安装的构造方式、取压方式、孔口截面积与管道截面积之比m、雷诺数Re、 孔口边缘锋利度、管壁粗糙度等要素有关， 运用时可从有关手册直接查出；为膨胀校正系数， 它与孔板前后压力的相对变化量、介质的绝热指数、 孔口截面积与管道截面积之比等要素有关，运用时也可查阅有关手册而得；S0为节流元件的开孔截面积。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 差压式流量传感器的投运差压式流量传感器投运时， 要特别留意其弹性元件不能突受压力冲击， 更不要处于单向受压形状。 开表前， 必需使引压管内充溢液体或隔离液， 引压管中的空气要经过排气阀和仪表
42、的放气排除干净。 开表过程中， 先翻开平衡阀4， 并逐渐翻开正压侧切断阀5， 使正负压室接受同样的压力， 然后翻开负压侧切断阀6， 并逐渐封锁平衡阀4， 便可投入运转。 仪表在停运时与开表过程相反， 先翻开平衡阀， 然后封锁正、 负侧切断阀， 最后再封锁平衡阀。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 电磁流量传感器1 电磁流量传感器的任务原理 电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律丈量导电性液体的流量。 如图8-22所示， 在磁场中安顿一段不导磁、 不导电的管道， 管道外面安装励磁线圈或一对磁极， 在励磁线圈通电后， 当有一定电导率的流体在管道中流动时就切割磁力线。 与金属导体在磁场中的运动
43、一样， 在导体(流动介质)的两端也会产生感应电动势， 由设置在管道上的电极导出。 该感应电势大小与磁感应强度、 管径大小、 流体流速大小有关， 即 (8-12) 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-22 电磁式流量传感器a 任务原理图； b 电极部件剖面图 第8章 压力、流量和物位检测技术 由于体积流量与流体流速的关系为 (8-13) 式中，为仪表常数。当磁感应强度B及管道内径D固定不变时， 那么K为常数， 两电极间的感应电动势e与流量qv呈线性关系，便可经过丈量感应电动势来间接丈量被测流体的流量qv值。 第8章 压力、流量和物位检测技术 电磁流量传感器产生的感应电动势信号是很微小的， 常
44、与电磁流量转换器组成变送器， 输出010 mA或420 mA的规范电流信号或一定频率的脉冲信号， 配合单元组合仪表或计算机对流量进展显示、 记录、运算、 报警和控制等。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 电磁流量传感器的特点 电磁流量传感器只能丈量导电介质的流体流量。 电磁流量传感器适用于丈量各种腐蚀性酸、 碱、 盐溶液， 固体颗粒悬浮物， 粘性介质(如泥浆、 纸浆、 化学纤维、 矿浆)等溶液； 也可用于各种有卫生要求的医药、 食品等部门的流量丈量(如血浆、 牛奶、 果汁、 卤水、 酒类等)； 还可用于大型管道自来水和污水处置厂流量丈量等。 电磁流量传感器反响迅速， 可以丈量脉动流量。 电
45、磁流量传感器的丈量范围很广， 对于同一台电磁流量传感器， 量程比可达1100。 它的口径可以从直径1 mm做到2 m以上。 第8章 压力、流量和物位检测技术 当然，电磁流量传感器也有其局限性和缺乏之处。 运用温度和压力不能太高，运用温度普通低于120， 最高任务压力普通不得超越1.6 MPa。 为了减小导管内引起的涡流损耗， 故丈量导管不宜采用厚壁导管， 普通管壁厚度不超越8 mm。 电磁流量传感器不能用来丈量气体、 蒸汽和石油制品等非导电流体的流量。 对于导电液体， 其电导率的下限值普通也不得小于210-3510-3S/m(西门子/米)。 假设采用特殊的电子线路， 有能够将电导率下限扩展至1
46、10-4S/m。 流速和速度分布必需符合设定条件， 否那么将会产生较大的丈量误差。 因此， 在电磁流量传感器的前后， 必需有足够的直管段长度， 以消除各种部分阻力对流速分布对称性的影响。 感应电势与流速有关， 电磁流量传感器的满量程流速下限普通不得低于0.3 m/s。 第8章 压力、流量和物位检测技术 3 运用电磁流量传感器应留意的问题1 安装要求： 变送器安装位置， 应选择在任何时候丈量导管内都能充溢液体的地方， 以防止由于丈量导管内没有液体而指针不在零位所呵斥的错觉。 最好是垂直安装， 使被测液体自下向上流经仪表， 这样可以防止在导管中有沉淀物或在介质中有气泡而呵斥的丈量误差。 如不能垂直
47、安装时， 也可程度安装， 但要使两电极在同一程度面上。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 接地要求：电磁流量计的信号比较弱，在满量程时只需2.58 mV，流量很小时，输出只需几微伏，外界略有干扰就能影响丈量的精度。因此变送器的外壳、屏蔽线、 丈量导管以及变送器两端的管道都要接地，并且要求单独设置接地点，绝对不要衔接在电机、电器等的公用地线或上下水管道上。转换部分已经过电缆线接地，故勿再行接地。 3 安装地点：变送器的安装地点要远离一切磁源例如大功率电机、 变压器等，不能有振动。 第8章 压力、流量和物位检测技术 4 电源要求： 传感器和变换器必需运用同一相电源， 否那么由于检测信号和反响信
48、号相差-120的相位， 使仪表不能正常任务。 仪表的运转阅历阐明， 即使变送器接地良好， 当变送器附近的电力设备有较强的漏地电流， 或在安装变送器的管道上存在较大的杂散电流， 或进展电焊时， 都将引起干扰电势的添加， 影响仪表正常运转。 第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 超声波丈量流速和流量超声波流量计是一种新型的流量计，它们按作用原理可分为三类： 时间差法、相位差法和频率差法； 声束偏移法； 多普勒效应法。 频率差法的最大优点是不受声速的影响，即不用对流体温度改动而引起声波的变化进展补偿，因此是常用的方法。下面只引见频率差法。 如图8-23所示是超声波频差法流量计原理图， 它是利用液体
49、的运动对超声波在液体中传播速度的影响而测出液体流速的。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-23 超声波频率差法流量计原理图 第8章 压力、流量和物位检测技术 在管道壁上设置两个相对的超声波探头，它们的连线与管道轴线之垂直线的交角为。由探头TR1发射超声波顺流而下， 传到探头TR2， TR2收到超声脉冲后， 经电路而触发发射探头TR1再次发射脉冲。 同理，探头TR2发射超声波逆流而上，传到探头TR1，TR1收到超声脉冲后，经电路而触发发射探头TR2再次发射脉冲。由于顺流而下的超声波比波逆流而上的超声波传播速度多了流速分速度的2倍，因此两个超声波频率不同， 其频率差为 8-14 第8章 压力
50、、流量和物位检测技术 式8-14阐明f与流速v成正比, 而与声速无关，从而消除了声速随介质温度变化而呵斥的丈量误差。同时，可得体积流量QV丈量公式为 8-15 所以只需测得f就可以得出QV。 第8章 压力、流量和物位检测技术 用计数器将依次测得的f进展积算，就可以得到累计流量。 如图8-23所示， 经过切换开关和接纳机就可以将信号引入丈量电路。丈量电路由倍频器、可逆计数器和累计器，A/D转换和瞬时指示所组成。 倍频器可提高丈量准确度， 可逆计数器测出f，累计器得到累计流量，可逆计数器的输出信号送到累计器的同时送入A/D转换和瞬时指示， 后者将数字信号变为模拟信号后显示出来， 此信号05 V也可
51、供应遥测系统。 第8章 压力、流量和物位检测技术 超声波流量计可测任何液体的流量，特别是腐蚀性、高粘度、非导电液体的流量。也可丈量大口径管路水流量以及海水流速等等。从原理上讲，也能丈量气体流量和含有固体微粒的液体流量。但是，流体中含有的粒子过大、过多，将会使超声波大大地衰减，从而影响丈量准确度。超声波流量计的量程比普通为201，误差约为2%3%。假设超声波探头安装在管外，那么压力损失小，对流体扰动小，安装方便。思索到管子截面的流速分布对丈量准确度的影响，变送器上、下游应具有一定长度的直管段。 第8章 压力、流量和物位检测技术 4. 激光流速传感器激光流速传感器的任务原理基于大家熟知的多普勒效应
52、： 当波源和观测者彼此接近时， 所接纳到的频率变高， 而当波源和观测者彼此分开时， 所接纳到的频率变低。 当激光照射到跟随流体一同运动的微粒上时， 激光被运动着的微粒(可看作波源)所散射， 散射光的频率与入射光的频率之差和流速成正比。 多普勒频率(或称多普勒频移)fD与运动粒子流速的关系为 (8-16 式中，为入射光波长; 为两束入射光夹角。 第8章 压力、流量和物位检测技术 如图8-24所示是激光流速传感器的构造表示图。 从激光源射出的激光束经过偏振面偏转器后， 由光束分解器将激光分为两束， 再由焦点透镜聚焦在焦点位置， 这个焦点便是测定点。 测定点的粒子引起的散射光由聚焦透镜导向光敏元件，
53、 光敏元件输出的电信号由电路处置后， 即可得到流速。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-24 激光流速传感器构造表示图 第8章 压力、流量和物位检测技术 5. 光纤流速传感器如图8-25所示是光纤流速传感器的构造表示图。 将多模光纤插入顺流放置的铜管中， 在其输入端射入激光。 当管道中的流体流动时， 流体的压力使光纤发活力械应变， 从而使光纤中传输的各方式的光的相位差发生变化， 光纤中射出的发射光强就会出现强弱的变化， 其振幅与流体的流速成正比。 因此可根据测出的振幅， 得知流体的流速。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-25 光纤流速传感器的构造表示图 第8章 压力、流量和物位检
54、测技术 6. 6. 多普勒血流计多普勒血流计多多普普勒勒血血流流计计的的任任务务原原理理图图，如如图图8-268-26所所示示。在在人人的的皮皮肤肤上上设设置置有有发发射射换换能能器器和和接接纳纳换换能能器器，发发射射换换能能器器经经过过压压电电元元件件将将电电磁磁振振荡荡转转换换为为超超声声波波向向血血管管发发射射，接接受受换换能能器器那那么么经经过过压压电电元元件件将将血血液液红红血血球球反反射射回回来来的的超超声声波波转转换换为为电电信信号号。 当当血血液液流动时，多普勒频率为流动时，多普勒频率为 8-17 式中，f0为发射超声波频率；c为超声波在血液中的速度，约为1500 m/s；v为
55、红血球运动的速度；为发射换能器与皮肤的夹角；为接纳换能器与皮肤的夹角。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-26 多普勒血流计任务原理图第8章 压力、流量和物位检测技术 7. 热导式流速传感器我们知道， 各种流体在管道中流动时， 恣意两点间传送的热量与单位时间内经过给定面积的运动流体的质量成正比， 根据这一原理可以制成流速传感器。 如图8-27所示是采用热导方法进展气体流速丈量的任务原理表示图。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-27 热导式流速丈量原理 第8章 压力、流量和物位检测技术 表表8-3 8-3 各种常见气体及溶剂蒸汽在各种常见气体及溶剂蒸汽在00时的相对导热系数时的相对
56、导热系数第8章 压力、流量和物位检测技术 根据上述原理，利用半导体技术可以制成热导式集成流速传感器，图8-28是这种传感器的芯片规划及内部电路图。 热导式集成流速传感器由三个半导体管等组成，其中V3为加热管，V1和V2为两个对称地分布在V3两侧的温度传感器。V1用来检测流体的温度T1，V2那么用来测定由于流体流动从加热管V3带走热量而构成的附加温度T2。当流体按图8-28(a)所示方向流动时，在芯片的两侧将构成温度差T2-T1，这个温差经过差分电路输出。 随着流体速度的添加，芯片两端的温差也增大，导致差分电路输出信号的添加。 因此检测到差分电路输出信号的大小，便可测得流体的流速。 第8章 压力
57、、流量和物位检测技术 图8-28 热导式集成流速传感器a 芯片分布图； b 芯片内部电路 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.2.3 8.2.3 流量丈量仪表的选用流量丈量仪表的选用1. 1. 流量丈量仪表的开展趋势流量丈量仪表的开展趋势近近年年来来，过过去去运运用用最最广广泛泛的的节节流流安安装装占占流流量量丈丈量量仪仪表表的的70%70%以以上上消消费费量量正正逐逐年年下下降降。例例如如，日日本本19811981年年节节流流安安装装只只占流量丈量仪表的占流量丈量仪表的38%38%。 仪仪表表丈丈量量准准确确度度有有所所提提高高。如如电电磁磁流流量量计计的的准准确确度度过过去去只只需需1.
58、51.5级，现已提高到级，现已提高到0.50.5级。级。 第8章 压力、流量和物位检测技术 微机用于丈量仪表，即仪表智能化。其优点为：使仪表性能稳定， 准确度提高，功能加强如用于数据处置，自动去掉疏失误差， 求平均值， 求均方差等，自动选择计量单位， 自动改动量程如有的可以改动四个量程，有的可以自动设定量程，进展各种修正运算如气体温度、压力变化对气体流量的修正，自诊断功能等等。现已消费的带微机的流量计有转子流量计、涡轮番量计、超声流量计、激光流速计等。 各种特殊情况下的流量丈量仪表开展很快， 如用于两相介质气固、 液固、 液气， 高温， 高压下的流量丈量仪表。 第8章 压力、流量和物位检测技术
59、 2. 流量丈量仪表的选择流量丈量仪表的选择 表表8-4 8-4 流量丈量仪表的参数流量丈量仪表的参数 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.3 物位检测与控制物位检测与控制 物位传感器种类较多，按其任务原理可分为以下几种类型： 1) 直读式：根据流体的连通性原理丈量液位。 2) 浮力式： 根据浮子高度随液位高低而改动或液体对浸沉在液体中的浮子(或称沉筒)的浮力随液位高度变化而变化的原理丈量液位。 3 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)压力的变化的原理丈量物位。 第8章 压力、流量和物位检测技术 4电学式：把物位变化转换成各种电量变化而丈量物位。 5核辐射式：根据同位素射
60、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丈量液位。 6 声学式：根据物位变化引起声阻抗和反射间隔变化而丈量物位。 7 其他方式：如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.3.2 8.3.2 静压式液位计静压式液位计1. 1. 压力式液位计压力式液位计 压压力力式式液液位位计计是是属属于于静静压压式式液液位位计计的的一一种种， 其其原原理理以以流流体体静静力力学学为为根根底底。 它它普普通通仅仅适适用用于于敞敞口口容容器器的的液液位位丈丈量量， 通通常常有有利利用用压压力力表表丈丈量量液液位位和和利利用用吹吹气气法法丈丈量量液液位位
61、两两种种方方式式。 在此仅引见利用压力表丈量液位的方法。在此仅引见利用压力表丈量液位的方法。 第8章 压力、流量和物位检测技术 利用压力表丈量液位的原理如图8-29所示。丈量仪表经过导压管与容器底部相连，由测压仪表的示值即可知道液位高度可以用液位高度标度，即 PHg=H 8-18 如需将信号远传，那么可采用气动或电动压力变送器进展检测发信。但是液体密度不是定值时，会引起一定的误差。 当压力表与其取压点和取压点与被测液位的零位不在同一程度位置时， 必需对位置高或低引起的压力差值进展修正， 否那么仪表示值与实践液位不相符。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-29 用压力表丈量液位原理图 第8
62、章 压力、流量和物位检测技术 2. 差压式液位计1 差压式液位计任务原理差压式液位计也属于静压式液位计的一种， 它广泛适用于密封容器的液位丈量。 由于在有压力的密闭容器中， 液面上部空间的气相压力不一定为定值， 所以用压力式液位计来丈量液位时， 其示值中就包含有气相压力值，即使在液位不变时， 压力表的示值也能够变化， 因此无法正确反映被测液位。为了消除气相压力变化的影响， 故需采用差压式液位计。 第8章 压力、流量和物位检测技术 差压式液位计是利用容器内的液位改动时，由液柱高度产生的静压也相应变化的原理而任务的， 如图8-30所示。设PA为密闭容器中的气相A点的静压(气相压力)，PB为密闭容器
63、中的液相B点的静压，H为液柱高度，为液体密度。根据流体静力学原理可知：A、B两点的压差为 8-19 假设为敞口容器，那么PA为大气压，公式(8-19)可变为 P=PB=Hg 8-20 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-30 用差压计丈量液位原理图 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 法兰式差压变送器原理为理处理丈量具有腐蚀性或含有结晶颗粒及粘度大、 易凝固等液体液位时， 引压管线被堵、 被腐蚀的问题， 需求用法兰式差压变送器, 如图8-31所示。 图中， 变送器的法兰直接与容器上的法兰相衔接， 作为敏感元件的金属膜盒经毛细管与变送器的丈量室相通。 在膜盒、 毛细管和丈量室所组成的封锁系
64、统内充入硅油， 作为传压介质。 为使毛细管经久耐用， 其外部均套有金属蛇皮维护管。 法兰式差压变送器的丈量部分及气动转换部分的动作原理与气动差压变送器的根本一样。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-31 法兰式差压变送器丈量液位原理图 第8章 压力、流量和物位检测技术 3 零点迁移 利用差压变送器丈量密闭容器液位时，由于现场的安装条件不同，存在零点无迁移、正迁移和负迁移三种情况。 当差压变送器的丈量室与容器最低液位安装在同一程度面上时，式8-19成立，无零点迁移。 如图8-32所示， 当差压变送器的丈量室的安装位置低于容器最低液位h高度时，不论实践液位如何变化，差压计变送器输出为P= H
65、g+ hg。即变送器的丈量室总是添加了一个固定的压差hg，需求抵消固定正值hg的作用，其方法叫做正迁移。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-32 正迁移 第8章 压力、流量和物位检测技术 如图8-33所示，当液位上的介质是可凝气体(如蒸汽)时， 负压侧连通管中充溢了介质的冷凝液。 为使连通管中液柱恒定， 正压室的压力只随液位的变化而变化，在图中虚线所示部分装有截面积较大的平衡容器(又称冷凝器)。假定连通管中充溢介质的冷凝液与容器中的液体密度一样，那么作用在变送器正、负压室的压差为P=P1-P2=Hg-H0-hg，其中，H0为通气连通管中冷凝液柱高度m。可见，无论实践液位如何变化，变送器丈
66、量室总是减少了一个固定的压差H0-hg， 抵消固定负值H0 -hg的方法叫做负迁移。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-33 负迁移 第8章 压力、流量和物位检测技术 零点迁移的方法是用调整变送器的零点迁移弹簧，使液位由零变化到最高液位时，P由零变化到最大差压Pmax， 变送器的输出从下限变化到上限。零点迁移弹簧的作用， 本质是改动丈量范围的上限值和下限值，相当于丈量范围的平移，它不改动量程的大小。在差压变送器规格中，普通都注有能否带正、负迁移安装。 型号后面加“A的为正迁移， 加“B的为负迁移， 必需根据现场要求正确运用。 第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 水深丈量仪水的深度不同
67、，其压力也不同，水的压力随水的深度以0.01 MPa/m呈线性变化。这样只需能测得水的压力，便可知水的深度。根据这一原理，利用CYG04型压阻式压力传感器制成水深丈量仪。 水深丈量仪的任务原理如图8-34所示。 CYG04型压阻式压力传感器设置在丈量探头的中央， 其感压膜正对进水压力通道。 运用时将探头投入水中， 传感器便可测得水的压力而输出电压， 经测试仪表的转换， 便可直接从显示器上读出水的深度。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-34 水深丈量仪的任务原理图 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.3.3 8.3.3 超声波物位检测超声波物位检测1. 1. 超声波物位传感器的类型与特
68、点超声波物位传感器的类型与特点1 1 超声波物位传感器的类型超声波物位传感器的类型超超声声波波物物位位传传感感器器根根据据运运用用特特点点可可分分为为定定点点式式物物位位计计和和延延续续式式物物位位计计两两大大类类； 根根据据传传感感器器放放置置位位置置的的介介质质不不同同， 超超声声波波物物位位传传感感器器可可分分为为气气介介式式、 液液介介式式和和固固介介式式三三类类； 超超声声波波传感器既可采用单探头，传感器既可采用单探头， 也可采用双探头。也可采用双探头。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 超声波物位传感器的特点 1 能定点及延续丈量物位，并提供遥控信号。 2 无机械可动部分，安装
69、维修方便。换能器压电体振动振幅很小，寿命长。 3 能实现非接触丈量，适用于有毒、高粘度及密封容器内的液位丈量。 4 能实现平安火花型防爆。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 超声波液位检测原理几种超声波物位丈量的构造原理如图8-35所示。 超声波发射和接纳换能器可设置在水中， 让超声波在液体中传播。 由于超声波在液体中的衰减比较小， 所以即使发出的超声波脉冲幅度较小也可以传播。 超声波发射和接纳换能器也可以安装在液面的上方， 让超声波在空气中进展传播， 这种方式虽然便于安装和维修， 但由于超声波在空气中的衰减比较厉害， 因此用于液位变化比较大的场所时， 必需采取相应措施。 第8章 压力、
70、流量和物位检测技术 图8-35 超声波物位丈量的构造原理图 第8章 压力、流量和物位检测技术 采用单探头时， 探头与液面的间隔为 8-21 采用双探头时， 探头与液面的间隔为 8-22 式中，h为探头与液面的间隔; t为超声波从发射到接纳的间隔时间;v为超声波在介质中的传播速度;a为两换能器间距的一半; s为超声波反射点到换能器的间隔。 超声物位传感器具有精度高和运用寿命长的特点， 但假设液体中有气泡或液面发生动摇时有较大的误差。 在普通运用条件下， 它的丈量误差为0.1%，检测物位的范围为10-2104 m。 第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 定点式超声物位计定点式超声物位计 1 声阻
71、式液位计声阻式液位计声阻式液位计是利用气体和液体对超声振动的阻尼有显著声阻式液位计是利用气体和液体对超声振动的阻尼有显著差别这一特性来实现液位检测的。差别这一特性来实现液位检测的。 如图如图8-36所示，在压电陶瓷所示，在压电陶瓷前面是不锈钢辐射面，由于气体对不锈钢辐射面振动的阻尼小，前面是不锈钢辐射面，由于气体对不锈钢辐射面振动的阻尼小， 压电陶瓷振幅较大，经过正反响使放大器处于振荡形状；当不压电陶瓷振幅较大，经过正反响使放大器处于振荡形状；当不锈钢辐射面和液体接触时，由于液体的阻尼较大，压电陶瓷锈钢辐射面和液体接触时，由于液体的阻尼较大，压电陶瓷Q值降低，正反响量减小，导致振荡停顿，耗费电
72、流增大。根据值降低，正反响量减小，导致振荡停顿，耗费电流增大。根据换能器耗费电流的大小，可判别被测液面能否上升到传感器辐换能器耗费电流的大小，可判别被测液面能否上升到传感器辐射面的位置。当液面到达传感器安装的位置，控制器内继电器射面的位置。当液面到达传感器安装的位置，控制器内继电器动作，发出相应控制信号。传感器的任务频率约为动作，发出相应控制信号。传感器的任务频率约为40 kHz。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-36 声阻式液位计原理第8章 压力、流量和物位检测技术 2 液介穿透式超声液位计它是利用超声换能器在液体中和气体中发射系数显著不同的特性， 来判别被测液面能否到达传感器的安装
73、高度。 传感器的构造如图8-37所示。 两片相隔一定间隔(12 mm)平行放置的压电陶瓷分别构成超声波发射头和接纳头。它们被封装在不锈钢外壳中或用环氧树脂铸成一体。 控制器内有放大器及继电器驱动线路。 发射头和接纳头分别被接到放大器的输出端和输入端， 经过两片压电陶瓷间的间隙构成正反响环路。 当间隙内充溢液体时，由于固体与液体的声阻抗率接近， 超声波穿透界面时损耗较小，放大器任务在延续振荡形状。当间隙内是气体时，由于固体与气体声阻抗率差别极大，超声波穿透固、气界面时衰减极大，声反响中断， 振荡停顿。由此可判别液面能否到达预定高度，判别信号能否由继电器发出。该液位计构造简单，不受被测介质物理性质
74、的影响， 任务平安可靠。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-37 液介穿透式超声液位计 第8章 压力、流量和物位检测技术 3 气介穿透式超声物位计假设将两换能器相对安装在预定高度的不断线上， 使其声路经过空气坚持畅通。发射换能器和放大器接成正反响振荡回路，振荡在发射换能器的谐振频率上。当被测料位升高而遮断声路时，接纳换能器收不到超声波，控制器内继电器动作， 发出相应的控制信号。 由于超声波在空气中传播， 故频率选择得较低(2040 kHz)。 这种物位计适用于粉状、颗粒状、块状等固体料位的极限位置检测。 其构造简单、 平安可靠、且不受被测介质物理性质的影响， 所以适用范围广， 如可用于比
75、重小、介电率小、 电容式难以丈量的塑料粉末、 羽兽毛等的物位的丈量。 第8章 压力、流量和物位检测技术 4. 延续式超声物位计延续式超声物位计1 液介超声液位计液介超声液位计此此液液位位计计是是以以被被测测液液体体为为导导声声介介质质，利利用用回回波波测测距距方方法法来来丈丈量量液液面面高高度度的的。安安装装由由超超声声换换能能器器和和电电子子安安装装组组成成，用用高高频频电电缆缆衔衔接接如如图图8-38所所示示。时时钟钟定定时时触触发发发发射射电电路路发发出出电电脉脉冲冲， 鼓鼓励励换换能能器器发发射射超超声声脉脉冲冲。脉脉冲冲穿穿过过外外壳壳和和容容器器壁壁进进入入被被测测液液体体，在在被
76、被测测液液体体外外表表上上反反射射回回来来，再再由由换换能能器器转转换换成成为为电电信信号号送送回回电电子子安安装装。液液面面高高度度H与与液液体体中中声声速速v及及被被测测液液体体中中来来回回传传播时间播时间t成正比，见式成正比，见式8-22。 这这种种液液面面计计适适用用于于丈丈量量如如油油罐罐、液液化化石石油油气气罐罐之之类类容容器器的的液液位位，具具有有安安装装方方便便、可可多多点点检检测测、准准确确度度高高、直直接接用用数数字字显显示示液液面面高高度度等等优优点点。但但存存在在着着当当被被测测介介质质温温度度、成成分分经经常常变变动动时，由于声速随之变化，丈量精度较低的缺陷。时，由于
77、声速随之变化，丈量精度较低的缺陷。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-38 液介超声液位计第8章 压力、流量和物位检测技术 2 气介超声物位计它以被测介质上方的气体为导声介质，利用回波测距丈量物位。 其原理与液介超声液位计的类似，即利用被测介质上方的气体导声， 被测介质不受限制， 如悬浮物的液体、高粘度液体与粉体、 块体都可丈量， 运用维护方便。除了能丈量各种密封、 敞开容器中的液位外， 还可以用于丈量塑料粉粒、 砂子、 煤、 矿石、 岩石等固体料位， 以及沥青、 焦油等粘糊液体及纸浆等介质料位。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8.3.4 8.3.4 微波物位检测微波物位检测1. 1
78、. 微波的性质与特点微波的性质与特点微微波波是是波波长长为为1 1 mmmm1 1 m m的的电电磁磁波波， 它它具具有有电电磁磁波波的的性性质质， 又又不不同同于于普普通通无无线线电电波波和和光光波波。 微微波波相相对对于于波波长长较较长长的的电电磁磁波波具有以下特点：具有以下特点： 1 1 定向辐射的安装容易制造。定向辐射的安装容易制造。 2 2 遇到各种妨碍物易于反射。遇到各种妨碍物易于反射。3 3 绕射才干较差。绕射才干较差。4 4 传传输输特特性性良良好好，传传输输过过程程中中受受烟烟、火火焰焰、灰灰尘尘、强强光等影响较小。光等影响较小。5 5 介介质质对对微微波波的的吸吸收收与与介
79、介电电常常数数成成比比例例， 水水对对微微波波的的吸收作用最强，吸收作用最强， 这些特点构成了微波检测的根底。这些特点构成了微波检测的根底。 第8章 压力、流量和物位检测技术 2. 微波传感器微波传感器由振荡器与微波天线等构成。 微波振荡器是产生微波的安装。由于微波波长很短，频率很高 (300 MHz300 GHz)，要求振荡回路具有非常微小的电感与电容，故不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器。 构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。 微波信号需求用波导管波长在10 cm以上可用同轴线传输， 并经过天线发射出去。如图8-39所示，为了使发射的微波具有锋利的方向性， 天线具有特殊
80、的构造。常用的有图a、b所示的喇叭形天线和图c、d所示的抛物面天线，以及介质天线、 隙缝天线等。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-39 常用微波天线a、 b 喇叭形天线； c、 d 抛物面天线 第8章 压力、流量和物位检测技术 3. 微波传感器检测物位1 微波液位计 图8-40为微波液位计原理图。 由相互构成一定角度，相距为s的发射天线与接纳天线构成。 波长为的微波从被测液面反射后进入接纳天线。 接纳天线接纳到的功率将随被测液面的高低不同而异。 Pr为接纳天线接纳到的功率，即 8-23 第8章 压力、流量和物位检测技术 式中，d为两天线与被测液面间的垂直间隔；Pt为发射天线发射的功率；
81、Gt为发射天线的增益；Gr为接纳天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为 8-24 式中, K1为取决于波长、发射功率和天线增益的常数；K2为取决于天线安装方法和安装间隔的常数。可见，只需测得接纳到的功率Pr， 就可获得被测液面的高度。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-40 微波液位计原理图 第8章 压力、流量和物位检测技术 2 微波物位计如图8-41所示为开关式物位计表示图。 当被测物位较低时， 发射天线发出的微波束全部由接纳天线接纳， 经检波、 放大、 与电压比较器比较后， 发出正常任务信号。 当被测物位升高到天线所在高度时， 微波束部分被吸收， 部分被反射， 接纳
82、天线接纳到的功率相应减弱， 经检波、 放大后， 低于设定电压信号， 微波物位计就发出被测物位高出设定物位的信号。 第8章 压力、流量和物位检测技术 图8-41 开关式微波物位计表示图 第8章 压力、流量和物位检测技术 被测物位低于设定物位时， 接纳天线接纳到的功率为 8-25 被测物位升高到天线所在高度时， 接纳天线接纳的功率为 8-26 式中，为由被测物外形、资料性质、电磁性能等要素决议的系数。 第8章 压力、流量和物位检测技术 思思 考考 与与 练练 习习 8-1 什么是热工量？8-2 压力和力有什么区别？压力的单位是什么？什么是表压力？真空的压力如何表示？8-3 丈量压力的传感器有哪些类型？如何选择压力表？8-4 安装压力表时，引压管的安装应留意哪些事项？8-5 阐明流量的表示方法, 流量丈量有哪些方法？8-6 阐明节流式流量计的原理和投运方法。 第8章 压力、流量和物位检测技术 8-7 阐明电磁式流量计的原理和特点。 8-8 阐明超声波丈量流量的方法。 8-9 阐明运用多普勒效应丈量流量的方法。 8-10 如何选择流量丈量仪表？8-11 什么叫物位？物位丈量有哪些方法？阐明用压力式传感器丈量液位的原理。 8-12 什么叫零点迁移？运用中如何调整零点迁移？8-13 从超声波和微波物位丈量中任选一例， 阐明其任务原理。
