自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制：第一章 檢測(cè)儀表

第1章檢測(cè)儀表各種不同的部門(mén)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化時(shí)需要檢測(cè)的工藝參數(shù)種類很多。熱工過(guò)程中，溫度、壓力、流量、物位化工過(guò)程中，除四大參數(shù)外，還有成分分析、密度、粘度、酸度等冶金、鋼鐵、機(jī)械工業(yè)中則又需對(duì)某些機(jī)械參數(shù)如重量、力、加速度、位移、厚度等電廠中則還有頻率、相位、功率因數(shù)等檢測(cè)儀表:用來(lái)檢測(cè)這些參數(shù)的技術(shù)工具稱為檢測(cè)儀表。傳感器:將檢測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為一定的便于傳送的信號(hào)（例電信號(hào)或氣壓信號(hào)）的儀表通常稱為傳感器。變送器：傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，通常稱為變送器。本章將只對(duì)幾種比較有普遍性的工藝參數(shù)進(jìn)行示例性的討論。

1.1溫度檢測(cè)儀表1.1.1測(cè)量溫度的主要方法（1）接觸式測(cè)溫——通過(guò)測(cè)溫元件與被測(cè)物體的接觸而感知物體的溫度

①

膨脹式溫度計(jì)利用固體或液體熱脹冷縮的特性測(cè)量溫度。例如，常見(jiàn)的體溫計(jì)。

②

壓力式溫度計(jì)密封在固定容器內(nèi)的液體或氣體，據(jù)溫度變化時(shí)壓力發(fā)生變化特性，將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)化為壓力測(cè)量。③熱電偶溫度計(jì)根據(jù)熱電效應(yīng)，將兩種不同的導(dǎo)體接觸并構(gòu)成回路時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同，回路中便出現(xiàn)毫伏級(jí)的熱電勢(shì)，這一電勢(shì)可準(zhǔn)確反映溫度。④電阻式溫度計(jì)利用金屬或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性測(cè)量溫度。（2）非接觸式測(cè)溫——通過(guò)接受被測(cè)物體發(fā)出的熱輻射熱來(lái)判斷溫度①光學(xué)高溫計(jì)利用物體在高溫時(shí)發(fā)光亮度來(lái)測(cè)溫。光學(xué)高溫計(jì)③紅外線測(cè)溫計(jì)②輻射溫度計(jì)將熱輻射能聚焦于感溫元件上，據(jù)全頻段輻射能的強(qiáng)弱來(lái)測(cè)溫。1．1．2熱電偶（1）熱電偶的工作原理當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路時(shí)，若兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同，回路中會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)（溫差電勢(shì)、接觸電勢(shì)）。輻射溫度計(jì)紅外線測(cè)溫計(jì)紅外線測(cè)溫計(jì)A

BTT0TT0E（T，T0）=e

AB（T）-e

AB（T0）（1-1）

圖1-1

熱電偶的工作原理當(dāng)不同導(dǎo)體A、B接觸時(shí)，兩邊的自由電子密度不同，在交界面上產(chǎn)生電子的相互擴(kuò)散，致使在接觸處產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)，其大小取決定于兩種材料的種類和接觸點(diǎn)的溫度。T0端稱為自由端或冷端。T端與被測(cè)溫物體接觸，稱為工作端或熱端。在實(shí)際使用時(shí)，總要在熱電偶回路中插入測(cè)量?jī)x表和使用導(dǎo)線進(jìn)行連接，也就是說(shuō)總要在熱電偶回路中插入第三種導(dǎo)體，如圖1-2所示。

ABTCT0T0圖1-2熱電偶回路中插入第三種導(dǎo)體E（T，T0）=eAB（T）+eBC（T0）+eCA（T0）（1-2）但eAB（T0）+eBC（T0）+eCA（T0）=0（1-3）即eBC（T0）+eCA（T0）=-eAB（T0）（1-4）則E（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）由此可知，只要接入第三種導(dǎo)體的兩個(gè)連接點(diǎn)溫度相等，它的接入對(duì)回路電勢(shì)毫無(wú)影響。這一結(jié)論在使用上有著重要的意義。據(jù)此，我們可放心地在回路中插入各種儀表和導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于同一金屬A（或B），其兩端溫度不同，自由電子所具有的動(dòng)能不同，也會(huì)長(zhǎng)生相應(yīng)的電勢(shì)，稱為溫差電勢(shì)，其遠(yuǎn)小于接觸電勢(shì)，常忽略不計(jì)。（2）

熱電偶的材料選取原則：必須在測(cè)溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)及物理性質(zhì)，熱電勢(shì)要大，且與溫度接近線性關(guān)系。熱電偶外形表1-1列出了我國(guó)目前常用的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的材料和特性。

圖1-3為幾種熱電偶的特性。鉑及其合金（B、S）屬于貴重金屬，價(jià)格很貴，但其熱電勢(shì)非常穩(wěn)定，故主要用做標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及測(cè)量1100℃以上的高溫。鎳鉻-鎳硅（K）的電勢(shì)溫度關(guān)系線性度最好鎳鉻-康銅（E）的靈敏度最高銅-康銅（T）的價(jià)格最便宜熱電偶熱電勢(shì)大小不僅與測(cè)量端溫度有關(guān)，還決定于自由端（冷端）的溫度。所以，使用熱電偶時(shí)常需保持冷端溫度恒定，如將冷端置于冰瓶?jī)?nèi)。在工業(yè)測(cè)量中引入一個(gè)附加電勢(shì)，自動(dòng)補(bǔ)償冷端溫度變化。為了節(jié)約，工業(yè)上選用在較低溫度下與所用熱電偶的熱電特性相近的廉價(jià)金屬，作為熱偶絲在低溫區(qū)的替代品，稱為補(bǔ)償導(dǎo)線，其接法如圖1-4所示。其余的長(zhǎng)度可用廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線來(lái)延伸。1.1.3熱電阻測(cè)量低于150℃的溫度時(shí)，由于熱電偶的電勢(shì)較小，常使用金屬電阻感溫元件（簡(jiǎn)稱熱電阻）測(cè)量溫度。熱電阻測(cè)溫儀表是根據(jù)金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性進(jìn)行測(cè)溫的。適合作電阻感溫元件的材料應(yīng)滿足如下要求：電阻溫度系數(shù)大電阻與溫度的關(guān)系線性度好在測(cè)溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定目前用得最多的是鉑和銅兩種材料，在低溫及超低溫測(cè)量中則使用銦電阻、錳電阻及碳電阻。結(jié)構(gòu)圖示為熱電阻的結(jié)構(gòu)。圖1-5為鉑電阻、銅電阻的特性。鉑電阻的精度高，性能穩(wěn)定，因而，被國(guó)際組織規(guī)定為-259~+630℃間的基準(zhǔn)器，但線性度稍差，用于-200~+500℃溫度測(cè)量。銅電阻價(jià)格便宜，線性度好，但溫度稍高易氧化，常用于-50~+100℃溫度測(cè)量。（1）兩線制測(cè)溫原理RtR1rrR2R3檢流計(jì)圖1-6（a）熱電阻二線制測(cè)溫問(wèn)題：Rt的連線很長(zhǎng)且其電阻隨溫度變化，使Rt的值偏大，產(chǎn)生測(cè)量誤差。（Rt+2r）

R2=R1R3?Rt=（R1/R2）R3

-2r

如圖1-6（a）所示，Rt為熱電阻，溫度變化時(shí)，Rt變化，調(diào)R3使電橋平衡

Rt

R2=R1R3?Rt=（R1/R2）R3式中，R1

、R2已知，Rt

與R3成正比。讀R3旁的標(biāo)尺，可知Rt的阻值或被測(cè)溫度值。（2）三線制測(cè)溫原理（Rt+r）

R2=（R1+r）

R3

?Rt=（R1/R2）R3–[1-（R3/R2）]

rr的影響可大部分抵消。

為了克服連接導(dǎo)線電阻的影響，測(cè)溫電橋采用三線制接法，如圖1-6（b）所示，電橋平衡時(shí)RtR1rrR2R3檢流計(jì)圖1-6（b）熱電阻三線制測(cè)溫r1.1.4半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬電阻不同，它的電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的。溫度系數(shù)α與溫度T平方成反比，如圖1-7所示，其阻值為

式中，B為常數(shù)，與材料成分及制造方法有關(guān)。

1.1.5熱電偶溫度變送器的基本結(jié)構(gòu)在單元組合式儀表中，熱電偶、熱電阻等敏感元件輸出的信號(hào)，需經(jīng)過(guò)一定的變換裝置，轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)。如在電動(dòng)單元組合儀表中應(yīng)變換為0～10mA或4～20mA直流電流信號(hào)，以使與調(diào)節(jié)器等單元配合工作。這種信號(hào)的變換裝置稱為變送單元或變送器。溫度變送器的原理框圖1-8如圖所示。

（1）輸入電路輸入電橋，如圖1-9。Ei

=Et+VRCU+VR4橋路的左半邊產(chǎn)生冷端溫度補(bǔ)償電勢(shì)。右半邊是零點(diǎn)遷移電路。T↑Et↓VRCU↑EtEi（2）放大電路①

選用高增益和低漂移的直流放大器IC②須有較強(qiáng)的共模抑制能力采取“浮空”和“隔離”措施。Z1、

Z2、

Z3、

Z4組成的電橋不可能完全平衡，使共模信號(hào)ecm轉(zhuǎn)換為差模信號(hào)eAB。“浮空”—儀表不接地Z5→∞?eAB

→0“隔離”—隔斷電路聯(lián)系如圖1-12所示，采用變壓器隔離。輸入輸出隔離——BO反饋電路隔離——Bf電源隔離——Bs為了克服放大電路的非線性及增益、負(fù)載變化等引起的誤差，溫度變送器都采用閉環(huán)方式構(gòu)成。采取非線性反饋電路，可使輸入的非線性得以補(bǔ)償。（3）反饋電路Et1.1.6DDZ-Ⅲ型熱電偶溫度變送器線路反饋反饋放大電路

電源輸入電路輸出電路RP1為零點(diǎn)遷移電位器，RP2為量程遷移電位器，改變RP2，可改變反饋電壓Vf的分壓比，即改變反饋強(qiáng)度，因而改變整個(gè)變送器的量程。差動(dòng)輸入（1）輸入電路Et+VRCU→

IC2+

VRP’1

+VRP’2→

IC2-調(diào)RP1、RP1互相影響。上海橫河YT200溫度變送器Et西儀444系列溫度變送器（2）放大電路高增益、低漂移的IC2

，構(gòu)成差動(dòng)放大器復(fù)合管Ta1、Ta2構(gòu)成射極輸出器，實(shí)現(xiàn)了V-I的轉(zhuǎn)換T0副邊電流經(jīng)整流，RC濾波，輸出IO輸出端有兩路輸出：4～20mA電流輸出；1～5V電壓輸出穩(wěn)壓管VD0的作用是在電流輸出回路斷線時(shí)，電壓輸出信號(hào)不受影響（3）反饋電路反饋回路是由電流互感器Tf整流濾波電路以及由運(yùn)算放大器IC1構(gòu)成的非線性函數(shù)電路組成V’f經(jīng)IC1和多段二極管折線逼近電路組成的非線性變換電路轉(zhuǎn)換為電壓Vf，后，反饋IC2的反相輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶特性的線性化修正采用Tf隔離，經(jīng)整流、濾波，在Rf、Cf

上得到與IO成正比的直流反饋電壓V’f（4）電源圖1-14變送器的電源是由+24V直流電源供給的。為了提高變送器的抗共模干擾能力和有利于安全防爆，放大器需要在電路上與電源隔離。為此，24V直流電源經(jīng)直流-交流-直流變換，即經(jīng)調(diào)制解調(diào)后，獲得±9V的直流電壓供給運(yùn)算放大器。（5）安全防爆措施實(shí)驗(yàn)證明，在30V的電壓下，對(duì)純電阻性電路，電流只要小于70mA，便不會(huì)發(fā)生爆炸，稱為“安全”火花電路。在熱電偶輸入端設(shè)限壓二極管VDi1、VDi2及限流電阻Ri1、Ri2。以防止儀表的高能量傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)同理,電流端與輸出端，用VDs1～VDs6限壓，用快速熔斷器FO、FS限流采用變壓器隔離輸入端與輸出端、反饋端和電源端，同時(shí)，在各變壓器的原副邊繞組間都設(shè)有接地的隔離層1．2壓力檢測(cè)儀表壓力：工程上習(xí)慣把“壓力”理解為單位面積上所受的作用力。1工程大氣壓=1kg/cm2=9.80665×104Pa≈0.1MPa（1）測(cè)量某一點(diǎn)壓力與大氣壓力之差當(dāng)這點(diǎn)壓力高于大氣壓力時(shí)，此差值稱為表壓；這種壓力計(jì)的讀數(shù)為零時(shí)，該點(diǎn)壓力即為大氣壓力；當(dāng)該點(diǎn)壓力低于大氣壓時(shí)，此差值稱為負(fù)壓或真空度。（2）測(cè)定某一點(diǎn)的絕對(duì)壓力（3）測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的壓力差，這種測(cè)量?jī)x表稱為差壓計(jì)。1.2.1彈性式壓力測(cè)量元件利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以測(cè)量壓力。由于其產(chǎn)生的位移或力易轉(zhuǎn)化為電量，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，測(cè)壓范圍寬，測(cè)量精度也比較高故在目前測(cè)壓儀表中占有統(tǒng)治地位。（1）彈簧管（波登管），如圖1-16（a）所示（2）波紋管，圖1-16（b）所示（3）膜片，圖1-16（c）所示

（4）膜盒，圖1-18所示彈性元件1．2．2力平衡式壓力（差壓）變送器（1）壓力（差壓）變送器

各種彈性元件輸出的位移或力必須經(jīng)過(guò)變送器才能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。P（P1-P2）Fi

杠桿A位移檢測(cè)元件放大IO反饋力Ff杠桿B當(dāng)杠桿處于平衡狀態(tài)時(shí)，IO∝P。IOCPi→Fi

：

Fi

=

s

PiFi→Mi：

Mi

=

lOAFiMi→

ΔM：ΔM

=Mi

–Mfθ∝ΔM：θ=ΔM/τC點(diǎn)位移：d=

lOCθd→Io：Io=

KdIo→

Ff：Ff=

CIoFf→

Mf：

Mf

=

lOB

Ff當(dāng)開(kāi)環(huán)增益?1時(shí)，可簡(jiǎn)化為其閉環(huán)傳遞函數(shù)為C開(kāi)環(huán)增益足夠大時(shí)，輸入、輸出量之間的關(guān)系只取決于輸入環(huán)節(jié)及反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，而與正向通道的傳遞函數(shù)無(wú)關(guān)。只要s、C、lOA、lOB保持恒定，便可得到較好的變換精度。C彈性材料的彈性模數(shù)，溫度系數(shù)，在閉環(huán)系統(tǒng)中，影響不大。但對(duì)杠桿系統(tǒng)的摩擦力卻是十分敏感，摩擦力矩的引人相當(dāng)于在比較點(diǎn)引入干擾，會(huì)直接引起誤差，造成死區(qū)和變差。為此，支承點(diǎn)都使用彈簧鋼片做成彈性支承，以避免摩擦力的引入。C（2）差壓變送器

差壓（P1-P2）作用于主杠桿F1矢量機(jī)構(gòu)F2副杠桿差動(dòng)變壓器位移檢測(cè)放大器I0電磁鐵副杠桿—平衡①矢量機(jī)構(gòu)F2=F1tgθ改變傾角θ，便可改變傳遞函數(shù)tgθF2比例系數(shù)量程遷移。②差動(dòng)變壓器

兩個(gè)罐形磁芯疊合在一起，兩個(gè)原邊線圈同相地分別繞在上下芯柱上，副邊線圈反相串聯(lián)后引出。在下磁芯的中心柱上先磨出一個(gè)δ=0.76mm的氣隙，上磁芯的銜鐵裝在副杠桿上，距離隨輸入壓力信號(hào)而改變。原邊電壓VAB，副邊感應(yīng)電壓VCD=e’2-e”2。若磁環(huán)中心柱面積等于其外環(huán)的截面積，銜鐵與上磁芯的間隙d=δ/2時(shí)，e’2=e”2，VCD=0當(dāng)d<δ/2時(shí)，e’2>e”2，VCD與VAB同相當(dāng)d>δ/2時(shí)，e’2<e”2，VCD與VAB反相其輸出特性如圖VCDdoδ/2VAB恒定差動(dòng)變壓器的輸出特性③可控振蕩器

差動(dòng)變壓器的原邊AB，相當(dāng)于等效電感LAB與電容C4構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)接在VT1的集電極電路里差動(dòng)變壓器的副邊CD接在VT1的基極電路里，接成正反饋形式，構(gòu)成振蕩器電阻R4和二極管VD1、VD2構(gòu)成分壓式偏置電路，且VD1、VD2還起溫度補(bǔ)償作用C2為射極交流旁路電容選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率若反饋信號(hào)VCD能滿足相位條件和振幅條件，則出現(xiàn)自激振蕩。當(dāng)d<δ/2時(shí)，為正反饋，滿足相位條件；當(dāng)βK≥1時(shí)，滿足起振條件。這里β為反饋系數(shù)β=VCD/VAB，K為電壓放大倍數(shù)。只要電路參數(shù)設(shè)計(jì)得當(dāng)，容易滿足。

④功放電路由于振蕩級(jí)輸出信號(hào)的電平很高，用PNP和NPN構(gòu)成互補(bǔ)型復(fù)合管，以利匹配。R3為穩(wěn)定工作點(diǎn)的反饋電阻，同時(shí)提高了功放級(jí)的輸入阻抗。VD4為檢波二極管R8、C5為濾波電路R4為C5提供放電回路，并有利于穩(wěn)幅功放由VT2、VT3及R3、R4、R5構(gòu)成

⑤本安防爆措施盡量少用貯能元件LAB兼作諧振電感振蕩級(jí)和功放級(jí)采用直接耦合限制貯能元件的能量VD10～VD13限制C5VD3限制C2貯能過(guò)多貯能元件應(yīng)有放電回路VD5、VD6為冗余備用，提供放電回路

⑥典型兩線制變送器圖1-24是典型的兩線式變送器，從現(xiàn)場(chǎng)的變送器到控制室之間，只需兩根導(dǎo)線互相聯(lián)系。既是電源的供電線，又是信號(hào)的傳輸線。兩線制變送器由于布線方便，有利于采取安全火花防爆措施；活零點(diǎn)的信號(hào)制更便于發(fā)現(xiàn)斷電、斷線等故障，提高運(yùn)行的可靠性。在差壓P的作用下，測(cè)量膜片產(chǎn)生的位移Δd。Δd=K

1P兩個(gè)電容的電容為：

1.2.3電容式差壓（壓力）變送器K2為極板面積和介電常數(shù)決定的常數(shù)。解得電容式差壓變送器的任務(wù)是將轉(zhuǎn)換為電壓或電流。圖1-26表示的是一種測(cè)充放電電流的方法，正弦波電壓E1加于差動(dòng)電容，C1、C2上，R1～R4的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，可得令R1=R2=R4，則可得令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的壓降在實(shí)際變送器中，用負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)改變輸入電壓E1的幅度，使差動(dòng)電容Cl、C2變化時(shí)，流過(guò)它們的電流之和恒定，即保持上式中V4恒定，這樣差壓P便正比于（V2-V1），測(cè)量Rl、R2上電壓差即可測(cè)知P。這種變送器的原理線路如圖1-27所示。

A1振蕩器電源供給者；通過(guò)負(fù)反饋保證R4兩端的電壓恒定A2將Rl，R2兩端的電壓相減RP1引入電流負(fù)反饋，為量程遷移電位器電容式壓力變送器電容式差壓變送器

智能差壓變送器電容式差壓（遠(yuǎn)傳）變送器

1.2.4固態(tài)測(cè)壓儀表利用某些元件固有的物理特性，直接將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。壓電效應(yīng)——受壓時(shí)表面出現(xiàn)電荷，如，壓電晶體或壓電陶瓷；壓磁效應(yīng)——受壓時(shí)各方導(dǎo)磁率發(fā)生變化；壓阻效應(yīng)——受壓時(shí)各方電阻率發(fā)生變化。1霍爾片式壓力傳感器

將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量?；魻柶瑸橐话雽?dǎo)體（如鍺）材料制成的薄片。如圖所示。在霍爾片的Z軸方向加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的恒定磁場(chǎng)在Y軸方向加一外電場(chǎng)（接入直流穩(wěn)壓電源），便有恒定電流沿y軸方向通過(guò)電子在霍爾片中運(yùn)動(dòng)（電子逆Y軸方向運(yùn)動(dòng)）時(shí)，由于受電磁力的作用，而使電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生偏移造成霍爾片的一個(gè)端面上有電子積累，另一個(gè)端面上正電荷過(guò)剩于是在霍爾片的X軸方向上出現(xiàn)電位差，這一電位差稱為霍爾電勢(shì)這樣一種物理現(xiàn)象就稱為“霍爾效應(yīng)”霍爾電勢(shì)的大小與半導(dǎo)體材料、所通過(guò)的電流（一般稱為控制電流）、磁感應(yīng)強(qiáng)度以及霍爾片的幾何尺寸等因素有關(guān)，可用下式表示：

UH＝RHBI式中UH

——霍爾電勢(shì)；

RH

——霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

I——通過(guò)電流。由UH＝RHBI可知，霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢(shì)，UH但兩者都有一定限度，一般I為3～20mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢(shì)UH約為幾十毫伏數(shù)量級(jí)。導(dǎo)體的霍爾效應(yīng):

導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng)，不過(guò)它們的霍爾電勢(shì)遠(yuǎn)比半導(dǎo)體的霍爾電勢(shì)小得多。位移-電勢(shì)的轉(zhuǎn)換：在選定了霍爾元件，并使電流保持恒定的情況下，則在非均勻磁場(chǎng)中，霍爾元件所處的位置不同，所受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也將不同，這樣就可得到與位移成比例的霍爾電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)位移-電勢(shì)的線性轉(zhuǎn)換。將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖所示。被測(cè)壓力由彈簧管1的固定端引入彈簧管的自由端與霍爾片3相連接在霍爾片的上、下方垂直安放兩對(duì)磁極，使霍爾片處于兩對(duì)磁極形成的非均勻磁場(chǎng)中霍爾片的四個(gè)端面引出四根導(dǎo)線，其中與磁鋼2相平行的兩根導(dǎo)線和直流穩(wěn)壓電源相連接，另兩根導(dǎo)線用來(lái)輸出信號(hào)當(dāng)被測(cè)壓力引入后，在被測(cè)壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場(chǎng)中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與被測(cè)壓力成比例利用這一電勢(shì)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和自動(dòng)控制1壓敏電阻傳感器（1）制造工藝圖1-28是一種根據(jù)壓阻效應(yīng)工作的半導(dǎo)體壓力測(cè)量元件的示意圖。在杯狀單晶硅膜片的表面上，沿一定的晶軸方向擴(kuò)散著一些長(zhǎng)條形電阻。（2）工作原理當(dāng)硅膜片上下兩側(cè)出現(xiàn)壓差時(shí)，膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻在受應(yīng)力作用時(shí)，材料內(nèi)部晶格之間的距離發(fā)生變化，使禁帶寬度以及載流子濃度和遷移率改變，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料電阻率ρ發(fā)生強(qiáng)烈的變化，其靈敏度約比金屬應(yīng)變電阻高100倍左右。（3）溫度補(bǔ)償硅杯被燒結(jié)在膨脹系數(shù)和自己相同的玻璃臺(tái)座上，以保證溫度變化時(shí)硅膜片不受附加應(yīng)力。由于半導(dǎo)體材料對(duì)溫度的敏感性，溫度漂移始終是這類傳感器的主要問(wèn)題。常在硅膜片上同時(shí)擴(kuò)散專用的溫度測(cè)量電阻，在寬范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償。為了減小半導(dǎo)體電阻隨溫度變化引起的誤差，在硅膜片上常擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的電阻，以便接成橋式輸出電路獲得溫度補(bǔ)償，如圖1-29所示。力學(xué)分析告訴我們，平面式的彈性膜片受壓變形時(shí)，中心區(qū)與四周的應(yīng)力方向是不同的。例如當(dāng)中心區(qū)受拉應(yīng)力時(shí)，周圍區(qū)域?qū)⑹軌簯?yīng)力，離中心為半徑60％左右的地方，應(yīng)力為零。根據(jù)這樣的分析，有膜片上用擴(kuò)散方法制造電阻時(shí)，將四個(gè)橋臂電阻中的兩個(gè)置于受拉區(qū)，兩個(gè)置于受壓區(qū)，這樣，按圖1-29（a）接成推挽電路測(cè)量壓力時(shí)，電阻溫度漂移可以得到很好的補(bǔ)償，而輸出電壓加倍。在使用幾伏的電源電壓時(shí)，橋路輸出信號(hào)幅度可達(dá)幾百毫伏。這樣，后面只要用一個(gè)不太復(fù)雜的電路，便可將它轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出了。擴(kuò)散硅壓力變送器1．2壓力檢測(cè)儀表壓力：工程上習(xí)慣把“壓力”理解為單位面積上所受的作用力。1工程大氣壓=1kg/cm2=9.80665×104Pa≈0.1MPa（1）測(cè)量某一點(diǎn)壓力與大氣壓力之差當(dāng)這點(diǎn)壓力高于大氣壓力時(shí)，此差值稱為表壓；這種壓力計(jì)的讀數(shù)為零時(shí)，該點(diǎn)壓力即為大氣壓力；當(dāng)該點(diǎn)壓力低于大氣壓時(shí)，此差值稱為負(fù)壓或真空度。（2）測(cè)定某一點(diǎn)的絕對(duì)壓力（3）測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的壓力差，這種測(cè)量?jī)x表稱為差壓計(jì)。1.2.1彈性式壓力測(cè)量元件利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以測(cè)量壓力。由于其產(chǎn)生的位移或力易轉(zhuǎn)化為電量，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，測(cè)壓范圍寬，測(cè)量精度也比較高故在目前測(cè)壓儀表中占有統(tǒng)治地位。（1）彈簧管（波登管），如圖1-16（a）所示（2）波紋管，圖1-16（b）所示（3）膜片，圖1-16（c）所示

（4）膜盒，圖1-18所示彈性元件1．2．2力平衡式壓力（差壓）變送器（1）壓力（差壓）變送器

各種彈性元件輸出的位移或力必須經(jīng)過(guò)變送器才能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。P（P1-P2）Fi

杠桿A位移檢測(cè)元件放大IO反饋力Ff杠桿B當(dāng)杠桿處于平衡狀態(tài)時(shí)，IO∝P。IOCPi→Fi

：

Fi

=

s

PiFi→Mi：

Mi

=

lOAFiMi→

ΔM：ΔM

=Mi

–Mfθ∝ΔM：θ=ΔM/τC點(diǎn)位移：d=

lOCθd→Io：Io=

KdIo→

Ff：Ff=

CIoFf→

Mf：

Mf

=

lOB

Ff當(dāng)開(kāi)環(huán)增益?1時(shí)，可簡(jiǎn)化為其閉環(huán)傳遞函數(shù)為C開(kāi)環(huán)增益足夠大時(shí)，輸入、輸出量之間的關(guān)系只取決于輸入環(huán)節(jié)及反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，而與正向通道的傳遞函數(shù)無(wú)關(guān)。只要s、C、lOA、lOB保持恒定，便可得到較好的變換精度。C彈性材料的彈性模數(shù)，溫度系數(shù)，在閉環(huán)系統(tǒng)中，影響不大。但對(duì)杠桿系統(tǒng)的摩擦力卻是十分敏感，摩擦力矩的引人相當(dāng)于在比較點(diǎn)引入干擾，會(huì)直接引起誤差，造成死區(qū)和變差。為此，支承點(diǎn)都使用彈簧鋼片做成彈性支承，以避免摩擦力的引入。C（2）差壓變送器

差壓（P1-P2）作用于主杠桿F1矢量機(jī)構(gòu)F2副杠桿差動(dòng)變壓器位移檢測(cè)放大器I0電磁鐵副杠桿—平衡①矢量機(jī)構(gòu)F2=F1tgθ改變傾角θ，便可改變傳遞函數(shù)tgθF2比例系數(shù)量程遷移。②差動(dòng)變壓器

兩個(gè)罐形磁芯疊合在一起，兩個(gè)原邊線圈同相地分別繞在上下芯柱上，副邊線圈反相串聯(lián)后引出。在下磁芯的中心柱上先磨出一個(gè)δ=0.76mm的氣隙，上磁芯的銜鐵裝在副杠桿上，距離隨輸入壓力信號(hào)而改變。原邊電壓VAB，副邊感應(yīng)電壓VCD=e’2-e”2。若磁環(huán)中心柱面積等于其外環(huán)的截面積，銜鐵與上磁芯的間隙d=δ/2時(shí)，e’2=e”2，VCD=0當(dāng)d<δ/2時(shí)，e’2>e”2，VCD與VAB同相當(dāng)d>δ/2時(shí)，e’2<e”2，VCD與VAB反相其輸出特性如圖VCDdoδ/2VAB恒定差動(dòng)變壓器的輸出特性③可控振蕩器

差動(dòng)變壓器的原邊AB，相當(dāng)于等效電感LAB與電容C4構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)接在VT1的集電極電路里差動(dòng)變壓器的副邊CD接在VT1的基極電路里，接成正反饋形式，構(gòu)成振蕩器電阻R4和二極管VD1、VD2構(gòu)成分壓式偏置電路，且VD1、VD2還起溫度補(bǔ)償作用C2為射極交流旁路電容選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率若反饋信號(hào)VCD能滿足相位條件和振幅條件，則出現(xiàn)自激振蕩。當(dāng)d<δ/2時(shí)，為正反饋，滿足相位條件；當(dāng)βK≥1時(shí)，滿足起振條件。這里β為反饋系數(shù)β=VCD/VAB，K為電壓放大倍數(shù)。只要電路參數(shù)設(shè)計(jì)得當(dāng)，容易滿足。

④功放電路由于振蕩級(jí)輸出信號(hào)的電平很高，用PNP和NPN構(gòu)成互補(bǔ)型復(fù)合管，以利匹配。R3為穩(wěn)定工作點(diǎn)的反饋電阻，同時(shí)提高了功放級(jí)的輸入阻抗。VD4為檢波二極管R8、C5為濾波電路R4為C5提供放電回路，并有利于穩(wěn)幅功放由VT2、VT3及R3、R4、R5構(gòu)成

⑤本安防爆措施盡量少用貯能元件LAB兼作諧振電感振蕩級(jí)和功放級(jí)采用直接耦合限制貯能元件的能量VD10～VD13限制C5VD3限制C2貯能過(guò)多貯能元件應(yīng)有放電回路VD5、VD6為冗余備用，提供放電回路

⑥典型兩線制變送器圖1-24是典型的兩線式變送器，從現(xiàn)場(chǎng)的變送器到控制室之間，只需兩根導(dǎo)線互相聯(lián)系。既是電源的供電線，又是信號(hào)的傳輸線。兩線制變送器由于布線方便，有利于采取安全火花防爆措施；活零點(diǎn)的信號(hào)制更便于發(fā)現(xiàn)斷電、斷線等故障，提高運(yùn)行的可靠性。在差壓P的作用下，測(cè)量膜片產(chǎn)生的位移Δd。Δd=K

1P兩個(gè)電容的電容為：

1.2.3電容式差壓（壓力）變送器K2為極板面積和介電常數(shù)決定的常數(shù)。解得電容式差壓變送器的任務(wù)是將轉(zhuǎn)換為電壓或電流。圖1-26表示的是一種測(cè)充放電電流的方法，正弦波電壓E1加于差動(dòng)電容，C1、C2上，R1～R4的阻抗都比C1、C2的阻抗小得多，可得令R1=R2=R4，則可得令V1、V2、V4表示R1、R2、R4的壓降在實(shí)際變送器中，用負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)改變輸入電壓E1的幅度，使差動(dòng)電容Cl、C2變化時(shí)，流過(guò)它們的電流之和恒定，即保持上式中V4恒定，這樣差壓P便正比于（V2-V1），測(cè)量Rl、R2上電壓差即可測(cè)知P。這種變送器的原理線路如圖1-27所示。

A1振蕩器電源供給者；通過(guò)負(fù)反饋保證R4兩端的電壓恒定A2將Rl，R2兩端的電壓相減RP1引入電流負(fù)反饋，為量程遷移電位器電容式壓力變送器電容式差壓變送器

智能差壓變送器電容式差壓（遠(yuǎn)傳）變送器

1.2.4固態(tài)測(cè)壓儀表利用某些元件固有的物理特性，直接將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。壓電效應(yīng)——受壓時(shí)表面出現(xiàn)電荷，如，壓電晶體或壓電陶瓷；壓磁效應(yīng)——受壓時(shí)各方導(dǎo)磁率發(fā)生變化；壓阻效應(yīng)——受壓時(shí)各方電阻率發(fā)生變化。1霍爾片式壓力傳感器

將由壓力所引起的彈性元件的位移轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。霍爾片為一半導(dǎo)體（如鍺）材料制成的薄片。如圖所示。在霍爾片的Z軸方向加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的恒定磁場(chǎng)在Y軸方向加一外電場(chǎng)（接入直流穩(wěn)壓電源），便有恒定電流沿y軸方向通過(guò)電子在霍爾片中運(yùn)動(dòng)（電子逆Y軸方向運(yùn)動(dòng)）時(shí)，由于受電磁力的作用，而使電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生偏移造成霍爾片的一個(gè)端面上有電子積累，另一個(gè)端面上正電荷過(guò)剩于是在霍爾片的X軸方向上出現(xiàn)電位差，這一電位差稱為霍爾電勢(shì)這樣一種物理現(xiàn)象就稱為“霍爾效應(yīng)”霍爾電勢(shì)的大小與半導(dǎo)體材料、所通過(guò)的電流（一般稱為控制電流）、磁感應(yīng)強(qiáng)度以及霍爾片的幾何尺寸等因素有關(guān)，可用下式表示：

UH＝RHBI式中UH

——霍爾電勢(shì)；

RH

——霍爾常數(shù)，與霍爾片材料、幾何形狀有關(guān)；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

I——通過(guò)電流。由UH＝RHBI可知，霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢(shì)，UH但兩者都有一定限度，一般I為3～20mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢(shì)UH約為幾十毫伏數(shù)量級(jí)。導(dǎo)體的霍爾效應(yīng):

導(dǎo)體也有霍爾效應(yīng)，不過(guò)它們的霍爾電勢(shì)遠(yuǎn)比半導(dǎo)體的霍爾電勢(shì)小得多。位移-電勢(shì)的轉(zhuǎn)換：在選定了霍爾元件，并使電流保持恒定的情況下，則在非均勻磁場(chǎng)中，霍爾元件所處的位置不同，所受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也將不同，這樣就可得到與位移成比例的霍爾電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)位移-電勢(shì)的線性轉(zhuǎn)換。將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖所示。被測(cè)壓力由彈簧管1的固定端引入彈簧管的自由端與霍爾片3相連接在霍爾片的上、下方垂直安放兩對(duì)磁極，使霍爾片處于兩對(duì)磁極形成的非均勻磁場(chǎng)中霍爾片的四個(gè)端面引出四根導(dǎo)線，其中與磁鋼2相平行的兩根導(dǎo)線和直流穩(wěn)壓電源相連接，另兩根導(dǎo)線用來(lái)輸出信號(hào)當(dāng)被測(cè)壓力引入后，在被測(cè)壓力作用下，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場(chǎng)中的位置，使所產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)與被測(cè)壓力成比例利用這一電勢(shì)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和自動(dòng)控制1壓敏電阻傳感器（1）制造工藝圖1-28是一種根據(jù)壓阻效應(yīng)工作的半導(dǎo)體壓力測(cè)量元件的示意圖。在杯狀單晶硅膜片的表面上，沿一定的晶軸方向擴(kuò)散著一些長(zhǎng)條形電阻。（2）工作原理當(dāng)硅膜片上下兩側(cè)出現(xiàn)壓差時(shí)，膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻在受應(yīng)力作用時(shí)，材料內(nèi)部晶格之間的距離發(fā)生變化，使禁帶寬度以及載流子濃度和遷移率改變，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料電阻率ρ發(fā)生強(qiáng)烈的變化，其靈敏度約比金屬應(yīng)變電阻高100倍左右。（3）溫度補(bǔ)償硅杯被燒結(jié)在膨脹系數(shù)和自己相同的玻璃臺(tái)座上，以保證溫度變化時(shí)硅膜片不受附加應(yīng)力。由于半導(dǎo)體材料對(duì)溫度的敏感性，溫度漂移始終是這類傳感器的主要問(wèn)題。常在硅膜片上同時(shí)擴(kuò)散專用的溫度測(cè)量電阻，在寬范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償。為了減小半導(dǎo)體電阻隨溫度變化引起的誤差，在硅膜片上常擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的電阻，以便接成橋式輸出電路獲得溫度補(bǔ)償，如圖1-29所示。力學(xué)分析告訴我們，平面式的彈性膜片受壓變形時(shí)，中心區(qū)與四周的應(yīng)力方向是不同的。例如當(dāng)中心區(qū)受拉應(yīng)力時(shí)，周圍區(qū)域?qū)⑹軌簯?yīng)力，離中心為半徑60％左右的地方，應(yīng)力為零。根據(jù)這樣的分析，有膜片上用擴(kuò)散方法制造電阻時(shí)，將四個(gè)橋臂電阻中的兩個(gè)置于受拉區(qū)，兩個(gè)置于受壓區(qū)，這樣，按圖1-29（a）接成推挽電路測(cè)量壓力時(shí)，電阻溫度漂移可以得到很好的補(bǔ)償，而輸出電壓加倍。在使用幾伏的電源電壓時(shí)，橋路輸出信號(hào)幅度可達(dá)幾百毫伏。這樣，后面只要用一個(gè)不太復(fù)雜的電路，便可將它轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出了。擴(kuò)散硅壓力變送器1.3流量檢測(cè)儀表流量的測(cè)量（1）體積流量Q：即以體積表示單位時(shí)間內(nèi)的物料通過(guò)量，用〔L/s〕、〔m3/h〕等單位表示；（2）質(zhì)量流量Qm：即以質(zhì)量表示單位時(shí)間內(nèi)的物料通過(guò)量，常用單位為〔Kg/s〕、〔t/h〕等。顯然，質(zhì)量流量Qm=ρQ，ρ為物料密度。

1.3.1節(jié)流式流量計(jì)在管道中放入一定的節(jié)流元件，如孔板，噴嘴、靶、轉(zhuǎn)子等，使流體流過(guò)這些阻檔體時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。根據(jù)流體對(duì)節(jié)流元件的推力或在節(jié)流元件前后形成的壓差等，可以測(cè)定流量的大小。（1）差壓流量計(jì)——根據(jù)節(jié)流元件前后的壓差測(cè)量流量由節(jié)流裝置及差壓計(jì)兩部分組成。在管道中插入一片中心開(kāi)孔的圓盤(pán)，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)這一孔板時(shí)，流束截面縮小，流速加快，壓力下降。

孔板前后流體壓力的變化，如圖1-30中曲線P表示孔板前穩(wěn)定流動(dòng)段Ⅰ-Ⅰ截面流體壓力P’1平均流速v1流束收縮到最小處Ⅱ-Ⅱ截面流體壓力P’2平均流速v2據(jù)伯努利方程有式中——表示流體在截面Ⅰ-Ⅰ與Ⅱ-Ⅱ間的動(dòng)能損失系數(shù)；g——為重力加速度；

ρ1、

ρ2

——分別表示流體在截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ處的密度。（1-7）如果流體是不可壓縮的，那么ρ1=

ρ2′=

ρ。式（1-7）是能量守恒定律的一種表示形式。流過(guò)管道的流體體積流量為：

Q=v1F1=v2F2（1-8）式中F1、F2分別為Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ處的流束截面積。聯(lián)立求解式（1-7）和（1-8）可得出

（1-9）為簡(jiǎn)化問(wèn)題，引人截面收縮系數(shù)μ和孔板口對(duì)管道的面積比m，F(xiàn)0是孔板的開(kāi)孔面積

：取緊挨孔板前后的管壁壓差（P1-P2）代替（P’1-P’2），顯然它們的數(shù)值是不相等的，為此引用系數(shù)ψ加以修正：將這些關(guān)系代入式（1-9），得

（1-10）根據(jù)式（1-8），體積流量

（1-11）令α為流量系數(shù)

（1-12）體積流量

（1-13）質(zhì)量流量

（1-14）由此，只要測(cè)得差壓（P1-P2）便可測(cè)得流量。α是與ρ、m、ψ、ξ等有關(guān)的量，確定相當(dāng)麻煩。實(shí)驗(yàn)表明，只有在流體接近于充分湍流

時(shí)，α才是與流動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)的常數(shù)，常用雷諾數(shù)Re反映湍流的程度這里，v為流速，D為管道內(nèi)徑，

ρ為流體密度，η為流體動(dòng)力粘度。流量系數(shù)α只在雷諾數(shù)Re大于某一界限值（約為105數(shù)量級(jí)）時(shí)才保持常數(shù)。

（2）靶式流量計(jì)使用懸在管道中央的靶作為節(jié)流元件，取流體作用于靶上的推力F而測(cè)流量的。理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，流體作用于靶上的推力F與流體流速v的平方成正比式中，K—靶的推力系數(shù)；Ad—靶的受力面積；

γ—流體比重；g—重力加速度；

v—靶與管璧間環(huán)形間隙中流體平均流速由此可以寫(xiě)出通過(guò)管道的體積流量式中，A0—環(huán)形間隙的面積；—流量系數(shù)應(yīng)用于較小的雷諾數(shù)下，故常用于高粘度的流體，如重油、瀝青等的流量測(cè)量以上兩種流量計(jì)的流量與檢測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系都是非線性的，一般可測(cè)的最大流量與最小流量之比約為3：1精度為2～3%。一個(gè)能上下浮動(dòng)的轉(zhuǎn)子被置于圓錐形的測(cè)量管中，當(dāng)被測(cè)流體自下而上通過(guò)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的節(jié)流作用，在轉(zhuǎn)子前后出現(xiàn)壓差，此壓差對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)向上的推力，平衡時(shí)，推力等于轉(zhuǎn)子的重量。根據(jù)式（1-13）行程轉(zhuǎn)子流量計(jì)（3）轉(zhuǎn)子流量計(jì)代表性產(chǎn)品是橢圓齒輪流量計(jì)。橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周，向出口排出四個(gè)半月形容積的液體。測(cè)量橢圓齒輪的轉(zhuǎn)速便知到液體的體積流量。精度高達(dá)0.2%，故常作為標(biāo)準(zhǔn)表及精密測(cè)量用與Re大小無(wú)關(guān)1.3.2容積式流量計(jì)差壓式流量計(jì)精度太低，容積式又太貴，在50年代出現(xiàn)了渦輪流量計(jì)，精度介于前兩者之間，約為0.25～1.0%。1.3.3渦輪流量計(jì)渦輪流量計(jì)的渦輪的軸裝在導(dǎo)管的中心線上，流體軸向流過(guò)渦輪時(shí)，推動(dòng)葉片，使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速近似正比于流量Q。采用非接觸的電磁感應(yīng)方式，感應(yīng)輸出電脈沖。只需配用脈沖計(jì)數(shù)器即可測(cè)得流量。1.3.4電磁流量計(jì)以上幾種流量測(cè)量方法都要在管道中設(shè)置一定的檢測(cè)元件，總要造成一定的壓力損失，而且容易堵塞或卡往。電磁流量計(jì)采用了完全不同的原理，以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，在管道兩側(cè)安放磁鐵，以流動(dòng)的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，由產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)知管道內(nèi)液體的流速和流量。基本原理如圖所示。在一段不導(dǎo)磁的測(cè)量管兩側(cè)裝上一對(duì)電磁鐵，被測(cè)流體由管內(nèi)流過(guò)，管壁上在與磁場(chǎng)垂直的方向上，有一對(duì)與液體接觸的電極，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，若管道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，管內(nèi)流體的流速為v，切割磁力線的導(dǎo)體的長(zhǎng)度就是管道內(nèi)徑D，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

e=BDv而則e

∝Q可見(jiàn)（1）旋進(jìn)型旋渦流量計(jì)在管道內(nèi)設(shè)置螺旋形導(dǎo)流片，強(qiáng)迫流體產(chǎn)生圍繞流動(dòng)軸線旋轉(zhuǎn)的旋進(jìn)旋渦，根據(jù)旋渦繞流動(dòng)軸1.3.5旋渦式流量計(jì)（2）卡曼（渦街）流量計(jì)在管道內(nèi)垂直于流體流動(dòng)方向插入一根非流線形的物體時(shí)，在阻擋物的下游總會(huì)產(chǎn)生旋渦。線旋轉(zhuǎn)的角速度（旋進(jìn)頻率）與流量的關(guān)系測(cè)定流量。在阻擋物的上下兩側(cè)形成兩排內(nèi)旋的、互相交替的旋渦列，通常人們把這兩排旋據(jù)卡曼研究，渦列之間的寬度h與同列中相鄰旋渦的距離l之比h/l=0.281的情況下，旋渦列才是穩(wěn)定的?？郎u產(chǎn)生的頻率f與流體流速v和旋渦發(fā)生體的形狀和尺寸比例有確定的關(guān)系。可表示為渦稱為卡曼旋渦，或稱渦街。式中，d為旋渦發(fā)生體的特征尺寸，圓柱型旋渦發(fā)生體，d為直徑。

St是一個(gè)無(wú)量綱的系數(shù)，稱為斯特勞哈爾系數(shù)。則體積流量

這樣，Q∝

f①旋渦發(fā)生體形狀圓柱形壓力損失小，但旋渦偏弱方柱形便于加工，旋渦強(qiáng)烈，壓力損失大三角柱旋渦強(qiáng)烈穩(wěn)定，壓力損失適中②旋渦的檢測(cè)如圖所示，三角柱正面兩側(cè)埋入兩個(gè)熱敏電阻，工作時(shí)產(chǎn)生旋渦的一側(cè)流速小，溫度高，阻值低。把這兩個(gè)電阻接成電橋的兩臂，便可由橋路獲得與旋渦頻率相同的交變信號(hào)。如圖所示，圓柱形內(nèi)腔用隔板分成上下兩部分，在隔板中心位置上有一根很細(xì)的鉑電阻絲，被電流加熱。工作時(shí)，在產(chǎn)生旋渦的一側(cè)流體流速低，靜壓高，使一部分流體由導(dǎo)壓孔進(jìn)入內(nèi)腔，向未產(chǎn)生旋渦的一側(cè)流動(dòng)，經(jīng)過(guò)鉑絲，將它的熱量帶走，鉑絲溫度降低，電阻減小。這樣，每產(chǎn)生一個(gè)旋渦，鉑絲電阻就變小一次，故測(cè)定鉑絲電阻變化的頻率就測(cè)定了旋渦頻率，也就測(cè)得了流量。

如圖所示，A為發(fā)射換能器，發(fā)射出超聲波束，B為接收換能器。由于旋渦的旋轉(zhuǎn)方向、壓力和流體密度的周期變化，導(dǎo)致了對(duì)超聲波的折射、反射和吸收等效應(yīng)，而形成了對(duì)超聲波束的調(diào)制作用，這時(shí)B所接收到的不再是一個(gè)等幅波信號(hào)，其幅度變化的次數(shù)與旋渦個(gè)數(shù)一致，于是就從B上檢測(cè)出超聲波束幅度變化的頻率，從而測(cè)得流速的大小。超聲波流量計(jì)1.4液位檢測(cè)儀表1.4.1浮力式和靜壓式液位計(jì)（1）浮力式液位計(jì)是應(yīng)用最早的一類液位測(cè)量?jī)x表，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，階格使宜，至今仍有廣泛的應(yīng)用。①測(cè)量過(guò)程中浮力維持不變的，如浮標(biāo)、浮球等液面計(jì)，工作時(shí)，浮標(biāo)漂浮在液面上隨液位高低變化，通過(guò)杠桿或鋼絲繩等將浮標(biāo)位移傳遞出來(lái)，再經(jīng)電位器，數(shù)碼盤(pán)等轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字式電信號(hào)。浮球液位變送器②浮力變化的，根據(jù)浮簡(jiǎn)在液體內(nèi)浸沒(méi)的程度不同、所受的浮力不同來(lái)測(cè)定液位的高低。如圖1-38所示可用來(lái)測(cè)量密封壓力容器內(nèi)的液位。（2）靜壓式液位計(jì)如圖1-39所示，在敞口容器中，儲(chǔ)液底部壓力與容器內(nèi)的液面高度成正比，故可用壓力測(cè)量?jī)x表間接測(cè)定液位高低，使用前面討論的壓力變送器將液位轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。將差壓變送器的一端接液相另一端接氣相設(shè)容器上部空間壓力（敞口容器中為大氣壓力）為p2，則

Δp=p1-p2

=（p2+Hg）-p2

=Hg式中

H—液位高度；—介質(zhì)密度；

g—重力加速度。1.4.2電容式液位計(jì)（1）在電容器的極板間充以不同的介質(zhì)時(shí)，由于介電系數(shù)的差別，電容量也會(huì)不同。以液體代替空氣作為介質(zhì)時(shí)，由于液體的介電系數(shù)比空氣大得多，電容量將變大。因此，測(cè)量電容量的變化可知道液面的高低。圖1-40是測(cè)量非導(dǎo)電液體液位的電容傳感器結(jié)構(gòu)圖。（2）如果被測(cè)液體是導(dǎo)電的，如圖1-41所示，可用銅或不銹鋼棒料，外面套上塑料管或搪瓷絕緣層，插在容器內(nèi)，就成為內(nèi)電極。若容器是金屬制成的，那么外殼就可作為外電極。上述液位電容可用交流電橋測(cè)量，也可用其他方法測(cè)定。使用充放電法時(shí)，用振蕩器給液位電容Cx加上幅度和頻率恒定的矩形波。如圖1-42所示。若矩形波的周期T遠(yuǎn)大于充放電回路的時(shí)間常數(shù)，則每個(gè)周期都有電荷Q=CxΔE對(duì)Cx

充放電，用二極管式中，E正為矩形波電壓幅度，f為矩形波頻率，

這樣，充電(或放電)的平均電流與液位電容成正比，故圖1-42中微安表的讀數(shù)可反映液面的高低。

將充電或放電電流檢波，可得到平均電流

1.4.3超聲波液位計(jì)利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性，且傳播過(guò)程中能量損失較少，遇到分界面時(shí)能反射的特性，可用回聲測(cè)距的原理，測(cè)定超聲波發(fā)射后遇液面反射回來(lái)的時(shí)間，以確定液面的高度。式中，v為超聲波在液體中的傳播速度。顯然只要知道速度v，便可由時(shí)間t直接算出液面高度H。

圖l-43是超聲波液面計(jì)的工作原理圖。超聲波物料計(jì)1.5成分分析儀表在很多生產(chǎn)過(guò)程中，特別是存在化學(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)過(guò)程中，僅僅根據(jù)溫度、壓力、流量等物理參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制常常是不夠的，必須同時(shí)分析氣體的化學(xué)成分。保證生產(chǎn)的高質(zhì)量、高效率是必要的合成氨生產(chǎn)中，控制氫氣與氮?dú)獾淖罴驯壤垣@得較高的生產(chǎn)率。鍋爐燃燒控制中，分析煙道氣的化學(xué)成分，改變助燃空氣供給量，使?fàn)t子獲得最高的熱效率。保證人民健康和生產(chǎn)安全1.5.1熱導(dǎo)式氣體分析儀根據(jù)不同種類的氣體具有不同的熱傳導(dǎo)能力這一特性，通過(guò)測(cè)定混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，推算出其中某些組分的含量。表1-2列出在0℃時(shí)，以空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為基準(zhǔn)的一些氣體的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)值。H2、He的導(dǎo)熱能力最強(qiáng)，SO2的導(dǎo)熱能力最差。

（1）工作原理

實(shí)驗(yàn)表明，將幾種彼此之間無(wú)相互作用的氣體混合在一起時(shí)，混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)近似等于各組分導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學(xué)平均值，即

式中，λ—混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

ci—第i種組分的百分含量

λi—第i種組分的導(dǎo)熱系數(shù)如果混合氣體僅由兩種導(dǎo)熱系數(shù)已知的組分所構(gòu)成，那么

λ=λ1c1+λ2c2=λ1c1+λ2（1-c1）=λ2+（λ1-λ2）c1（1-15）即混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與其兩種組分的百分含量有單值關(guān)系。測(cè)定混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)便可推知其組分的含量?；旌蠚怏w不限于只有兩種組分構(gòu)成。只要除待測(cè)組分外，其余各種組分導(dǎo)熱系數(shù)十分接近，便可把它們近似當(dāng)做兩種氣體對(duì)待。兩種氣體導(dǎo)熱系數(shù)差別越大，分析的靈敏度越高。（2）熱導(dǎo)分析儀①熱導(dǎo)池如圖1-44所示，這種轉(zhuǎn)換器（工業(yè)上叫做熱導(dǎo)池），熱敏元件鉑絲或鎢絲被置于金屬測(cè)量室內(nèi)，電阻絲上通以恒值電流，使其發(fā)熱。被測(cè)的混合氣從中間進(jìn)氣管道通過(guò)，有一小部分經(jīng)過(guò)節(jié)流孔進(jìn)入測(cè)量室。若混合氣的導(dǎo)熱系數(shù)大時(shí)，散熱條件好，熱平衡溫度低，其電阻值就比較小。電阻值的大小反映了混合氣的導(dǎo)熱系數(shù)，即反映了其組成成分的變化。②參比室參比室的構(gòu)造與測(cè)量室完全相同，只是不通被測(cè)氣體，而封入一定的參考?xì)怏w。③測(cè)量電橋圖1-45是熱導(dǎo)分析儀的測(cè)量電橋，R1、R3是測(cè)量室內(nèi)的電阻，R2、R4為參比室內(nèi)的電阻。熱導(dǎo)池的靈敏度與加熱電流的三次方成正比。橋路輸出的不平衡電壓V0是待測(cè)組分的函數(shù)。閃光法導(dǎo)熱分析儀激光法導(dǎo)熱分析儀熱線法導(dǎo)熱分析儀熱流法導(dǎo)熱分析儀保護(hù)熱板法導(dǎo)熱分析儀

1.5.2紅外線氣體分析儀（1）工作原理紅外線氣體分析儀，是根據(jù)不同的組分對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線具有選擇性吸收的特征制成的。由于其使用范圍寬，不僅可以分析氣體，也可分析溶液，且靈敏度較高，反應(yīng)迅速，能連續(xù)指示和組成自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用。紅外線是指波長(zhǎng)為0.76～300μm的不可見(jiàn)光波，在工業(yè)紅外線分析儀中，使用的紅外線波長(zhǎng)一般在1～25μm之間。實(shí)驗(yàn)證明，除氦、氖、氬等單原子惰性氣體及氫、氧、氮、氯等具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙原子氣體外，大部分多原子氣體，如CO、CO2、CH4、C2H2、NH3等，對(duì)上述波長(zhǎng)范圍的紅外線都有強(qiáng)烈的選擇性吸收的特性，例如在圖1-46中，CO對(duì)波長(zhǎng)為4.5～5μm的紅外線具有強(qiáng)烈的吸收作用，但對(duì)其它波長(zhǎng)的紅外線卻不吸收。

工業(yè)上常根據(jù)這一原理，從吸收峰的位置分布，檢知某一組分是否存在。關(guān)于光的強(qiáng)度，實(shí)踐證明，當(dāng)光通過(guò)吸收介質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度隨介質(zhì)的濃度和厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。式中，I0為射入時(shí)的光強(qiáng)；I為透出時(shí)的光強(qiáng)；

l為介質(zhì)厚度；c為吸收介質(zhì)的濃度；為吸收系數(shù)上述關(guān)系稱為朗伯-貝爾定律。（1-16）用強(qiáng)度恒定紅外線照射厚度確定的混合氣體薄層。由于各種組分吸收的紅外線波長(zhǎng)是一定的，故可測(cè)量透射出來(lái)的該波長(zhǎng)的紅外線強(qiáng)度。從光強(qiáng)被吸收的程度，推知該組分在混合氣中的濃度。紅外線氣體分析儀就是根據(jù)這一原理構(gòu)成的。（2）紅外線氣體分析儀①紅外光源由紅外光源產(chǎn)生的紅外線，經(jīng)反光鏡形成兩束平行光線。③干擾濾光室里面充以濃的干擾氣體，使干擾氣體可能吸收的輻射能在這