传感器原理及工程应用第三版第三章传感器在工程检测.pptx

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1、图15-36 弹性元件示意图 图15-37 弹性元件测压原理图c弹簧的刚度系数；A活塞的有效面积 图15-37为利用弹性形变测压原理图。活塞缸的活塞底部加有柱状螺旋弹簧，弹簧一端固定，当通入被测压力p时，弹簧被压缩并产生一弹性力与被测压力平衡，在弹性形变的限度内，弹簧被压缩后产生的弹性位移量x与被测压力p的关系符合胡克定律，表示为（15-32）式中:c弹簧的刚度系数；A活塞的有效面积。当c、A为定值时，测量压力就变为测量弹性元件的位移量x。金属弹性元件都具有不完全弹性，即在所加作用力去除后，弹性元件会表现残余变形、弹性后效和弹性滞后等现象，这将会造成测测量量误误差差。弹性元件特性与选用的材料和

2、负载的最大值有关。若要减小这方面的误差，则则应应注注意意选选用用合合适适的的材材料料，加工成形后进行适当的热处理加工成形后进行适当的热处理，使用时应选择合适的测量范围等使用时应选择合适的测量范围等。2.弹簧管压力表弹簧管压力表 弹簧管压力表在弹性式压力表中更是历史悠久，应用广泛。弹簧管压力表中压力敏感元件是弹簧管。弹簧管的横截面呈非圆形（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图15-38所示。管子的一端为封闭，作为位移输出端，另一端为开口，为被测压力输入端。图15-38 单圈弹簧管结构当开口端通入被测压力后，非圆横截面在压力p作用下将趋向圆形，并使弹簧管有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管

3、的自由端由B移至B而产生位移，弹簧管的中心角减小，如图15-38中虚线所示。中心角的相对变化量/与被测压力p有如下的函数关系：（15-26）管壁厚度式中:弹簧管中心角的初始角；受压后中心角的改变量；R弹簧管弯曲圆弧的外半径；h管壁厚度；a,b弹簧管椭圆形截面的长、短半轴；k几何常数（k=Rh/a2）；、与比值a/b有关的参数；弹簧管材料的泊松系数；E弹性模数。可知，如果a=b，则=0，这说明具有均匀壁厚的圆形弹簧管不能用作测压敏感元件。对于单圈弹簧管，中心角变化量比较小，要提高，可采用多圈弹簧管。弹簧管压力表结构如图15-39所示。由式图15-39 弹簧管压力表 被测压力由接头9通入，迫使弹簧

4、管1的自由端产生位移，通过拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，于是指针5通过同轴的中心齿轮4的带动而作顺时针偏转，在面板6的刻度标尺上显示出被测压力的数值。游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮所产生的仪表变差。改变调节螺钉8的位置（即改变机械传动的放大倍数），可以实现压力表量程的调整。3.压阻式压力传感器压阻式压力传感器 压压阻阻式式压压力力传传感感器器的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。所谓压压阻阻元元件件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而改变。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。图15-40是

5、压阻式压力传感器的结构示意图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构，封装在外壳内。图15-40 压阻式压力传感器的结构示意图(a)内部结构；(b)硅膜片示意图 在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，它们组成一个全桥测量电路。硅膜片用一个圆形硅杯固定，两边有两个压力腔，一个和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，接参考压力，通常和大气相通。当存在压差时，膜片产生变形，使两对电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出电压反映膜片两边承受的压差大小低压腔，接参考压力高压腔，连被测压力 压阻式压力传感器的主要优点是体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高

6、，能测出十几帕斯卡的微压，它是一种比较理想，目前发展较为迅速和应用较为广泛的一种压力传感器。这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响，从而影响压阻系数的大小。现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿，它利用大规模集成电路技术，将传感器与微处理器集成在同一块硅片上，兼有信号检测、处理、记忆等功能，从而大大提高了传感器的稳定性和测量准确度。4.压力传感器的选用与安装压力传感器的选用与安装 （1）压压力力传传感感器器的的选选用用 在工业生产中，对压力传感器进行选型，确定检测点与安装等是非常重要的，传感器选用的基本原则是依据实际工艺生产过程对压力测量所要求的工艺指标、测压范围、

7、允许误差、介质特性及生产安全等因素，要经济合理，使用方便。对弹性式压力传感器要保证弹性元件在弹性变形的安全范围内可靠的工作，在选择传感器量程时必须留有足够的余地。一般在被测压力较稳定的情况下，最最大大压压力力值值应应不不超超过过满满量量程程的的3/4；在在被被测测压压力力波波动动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过过满量程的满量程的2/3。为了保证测量精度，被测压力最小值应不低于全量程的为了保证测量精度，被测压力最小值应不低于全量程的1/3。如要测量高压蒸气的压力，已知蒸气压力为（24）105 Pa，生产中允许最大测量误差为104 Pa，且要求就地显示。如何选择压力表呢

8、？根据已知条件及弹性式压力传感器的性质决定选Y-100型单圈弹簧管压力表，其测量范围为(06)105Pa（当压力从2105 Pa变化到4105 Pa时，正好处于量程的1/32/3）。要求最大测量误差小于104 Pa，即要求传感器的相对误差 所以应选精度为1.5级的表。（2）压压力力传传感感器器的的安安装装 传感器测量结果的准确性，不仅与传感器本身的精度等级有关，而且还与传感器的安装、使用是否正确有关。压力检测点应选在能准确及时地反映被测压力的真实情况处。因此，取压点不能处于流束紊乱的地方，即要选在管道的直线部分，离局部阻力较远的地方。测量高温蒸气压力时，应装回形冷凝液管或冷凝器，以防止高温蒸气

9、与测压元件直接接触。如图15-41（a）所示。图15-41 测量高温、腐蚀介质压力表安装示意图(a)测量蒸气；(b)测量有腐蚀性介质 测量腐蚀、高粘度、有结晶等介质时，应加装充有中性介质的隔离罐，如图15-41（b）所示。隔离罐内的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。图15-42 压力表位于生产设备下安装示意图 压力传感器安装高度应与取压点相同或相近。对于图15-42所示情况，压力表的指示值要比管道内的实际压力高，应对取压管道的液柱附加的压力误差进行修正。15.3 流量测量流量测量 15.3.1 流量概述流量概述 流量是工业生产中一个重要参数。工业生产过程中

10、，很多原料、半成品、成品都是以流体状态出现的。流体的流量就成为决定产品成分和质量的关键，也是生产成本核算和合理使用能源的重要依据。因此流量的测量和控制是生产过程自动化的重要环节。单位时间内流过管道某一截面的流体数量，称为瞬时流量。瞬瞬时时流流量量有体体积积流流量量和和质质量量流流量量之分。而在某一段时间间隔内流过管道某一截面的流体量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累积值，称为总量总量或累积流量累积流量。（1）体体积积流流量qv 单位时间内通过某截面的流体的体积，单位为m3/s。根据定义，体积流量可用下式表示：（15-34）式中，v为截面A中某一面积元dA上的流速。如果流体在该截面上的流速处处

11、相等，则体积流量可写成qv=vA（15-35）（2）质质量量流流量量qm 单位时间内通过某截面的流体的质量，单单位位为为kg/s。根据定义，质量流量可用下式表示：（15-36）由式（15-35）可写成 qm=qv=vA（15-37）流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响。对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。温度对密度的影响要大一些，一般温度每变化10时，液体密度的变化约在1%以内，所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高的情况下，往往也可以忽略不计。对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化10，密度变化约为3%；压力每变化10kPa

12、，密度约变化3%。因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量换算成标准状态下（温度为20，压力为101 325 Pa）的体积流量，用符号qVN表示，单位符号为Nm3/s。生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态及流体的粘度、腐蚀性、导电性也不同，很难用一种原理或方法测量不同流体的流量。尤其工业生产过程，其情况复杂，某些场合的流体是高温、高压，有时是气液两相或液固两相的混合流体。所以目前流量测量的方法很多，测量原理和流量传感器（或称流量计）也各不相同，从测量方法上一般可分为以下三大类。速速度度式式:速度式流量传感器大多是通过测量流体在

13、管路内已知截面流过的流速大小来实现流量测量的。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测量流量的。差差压压式式、转转子子、涡涡轮轮、电电磁磁、旋旋涡涡和和超超声声波波等等流流量量传传感感器器都都属属于于此类此类。容容积积式式:容积式流量传感器是根据已知容积的容室在单位时间内所排出流体的次数来测量流体的瞬时流量和总量的。常用的有椭椭圆圆齿齿轮轮、旋旋转转活活塞塞式式和和刮刮板等流量传感器板等流量传感器。质质量量式式：质量流量传感器有两种，一种是根据质量流量与体积流量的关系，测出体积流量再乘被测流体的密度的

14、间接质量流量传感器，如工程上常用的采取温度、压力自动补偿的补偿式质量流量传感器。另一种是直接测量流体质量流量的直接式质量流量传感器，如热热式式、惯惯性性力力式式、动动量量矩矩式式等等质质量量流流量量传传感感器器。直接法测量具有不受流体的压力、温度、粘度等变化影响的优点，是一种正在发展中的质量流量传感器。15.3.2 差压式流量传感器差压式流量传感器 差差压压式式流流量量传传感感器器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成，如图15-43所示。节流装置的作

15、用是把被测流体的流量转换成压差信号，差压计则对压差信号进行测量并显示测量值，差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号，以供显示、记录或控制。差压式流量传感器发展较早，技术成熟而较完善，而且结构简单，对流体的种类、温度、压力限制较少，因而应用广泛。图15-43 差压式流量传感器流量测量系统 p2P1 p=p1-p2 1.节流装置节流装置 节流装置是差压式流量传感器的流量敏感检测元件，是安装在流体流动的管道中的阻力元件。常用的节流元件有孔板、喷嘴、文丘里管。它们的结构形式、相对尺寸、技术要求、管道条件和安装要求等均已标准化，故又称标准节流元件，如图15-44所示。其中孔板最简单又

16、最为典型，加工制造方便，在工业生产过程中常被采用。标准节流装置按照规定的技术要求和试验数据来设计、加工、安装，无需检测和标定，可以直接投产使用，并可保证流量测量的精度。图15-44 标准节流元件(a)孔板；(b)喷嘴；(c)文丘里管 2.测量原理与流量方程式测量原理与流量方程式 （1）测量原理 在管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条件下这两种形式的能量可以相互转换，但参加转换的能量总和不变。用节流元件测量流量时，流体流过节流装置前后产生压力差p(p=p1-p2)，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系，这就是差压式流量传感器测量原理。图1545节流件前后

17、流速和压力分布情况 流束流过孔板前已经开始收缩，流体随着流束的缩小，流速增大，而流体压力减小 I-II段处达到最小流束截面，这时流体的平均流速达到最大值，流体压力随着流束的缩小及流速的增加而降低，直到达到最小值III而后流束逐渐扩大，在管道处又充满整个管道，流体的速度也恢复到孔板前的流速，流体的压力又随流束的扩张而升高，最后恢复到一个稍低于原管中的压力虚线表示管道轴线上流体静压沿轴线方向的分布曲线实线表示管壁上的静压沿轴线方向的变化曲线造成流体压力损失的原因是由于孔板前后涡流的形成以及流体的沿程摩擦，使得流体的一部分机械能不可逆地变成了热能，散失在流体内。如采用喷嘴或采用喷嘴或文丘里管等节流件

18、可大大减小流体的压力损失文丘里管等节流件可大大减小流体的压力损失。（2）流量方程式节流装置的流量公式是在假定所研究的流体是定常流动的理想流体的条件下，根据伯努利方程和连续性方程推导出来的，而对不符合假设条件的影响因素，则需进行修正。图1545中，当连续流动的流体流经截面时，管中心的流速为v10，静压为p10，密度为1;流体流经截面时,管中心的流速为v20,静压为p20，密度为2。对于不可压缩理想流体，流体流过节流件时，流体不对外作功，和外界没有热交换，而且节流件前后的流体密度相等，即1=2=。根据伯努利方程，在两截面、处，管中心流体的能量方程为（15-38）考虑流速分布的不均匀，及实际流体有粘

19、性，在流动时会产生摩擦力，其损失的能量为 。在两截面、处的能量方程可写成 式中：C1、C2截面、处流速分布不均匀的修正系数，C1=v10/v1,C2=v20/v2；v1、v2截面、的平均流速。（15-39）由于流体流动的连续性，则 A1v1=A2v2 这样我们可得 式中：m开口截面比，m=A0/A1,A1为-截面的流通面积；收缩系数，=A2/A0，A2为-截面流束的流通面积。(15-40)(15-41)另外实际取压是在管壁取的，所测得的压力是管壁处的静压力，设实际取得的压力为p1和p2，需引入一个取压系数，并取 根据流量的定义，我们可以得到体积流量与压差p=p1-p2之间的流量方程式为体积流量

20、 （15-43）（15-42）质量流量（15-44）式中，为流量系数，对对于于可可压压缩缩流流体体，例如各种气体及蒸气通过节流元件时，由于压力变化必然会引起密度的改变，即12，这时在公式中应引入流束膨胀系数，可压缩性流体流束膨胀系数小于1，如果是不可压缩性流体，则=1。并规定流体密度用节流件前的流体密度1，则可压缩性流体的流量方程式变为 （15-45）（15-46）上述流量方程式中，流量压差关系虽然比较简单，但流量系数却是一个影响因素复杂、变化范围较大的重要参数，也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在。流量系数与节流装置的结构形式、取压方式、节流装置开孔直径、流体流动状态（雷诺数）及管道条

21、件等因素有关。对于标准节流装置，查阅有关手册便可计算出流量系数值。3.差压式流量检测系统差压式流量检测系统 差压流量检测系统由节流装置、差压引压导管及差压计或差压变送器等组成。图所示为一个差压式流量检测系统的结构示意图。节流装置节流装置流量值变换成差压信号p压力信号管路差压变送器420mA的标准电流信号解决非线性在流量检测系统中增加一个非线性补偿环节15.3.3 电磁流量传感器电磁流量传感器 电磁流量传感器是根据法拉弟电磁感应定律来测量导电性液体的体积流量的。如图15-47所示，在磁场中安置一段不导磁、不导电的管道，管道外面安装一对磁极，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

22、体在磁场中的运动一样，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（15-47）式中：磁通；B磁感应强度（T）；D管道内径，相当于垂直切割磁力线的导体长度（m）；v导体的运动速度，即流体的流速（m/s）；Ex感应电动势（V）。图15-47 电磁流量传感器原理 磁感应强度B及管道内径D固定不变，则K为常数，两电极间的感应电动势Ex与流量qv成线性关系，便可通过测量感应电动势Ex来间接测量被测流体的流量qv值。体积流量qv与流体流速v的关系为 u电电磁磁流流量量传传感感器器的磁场有三种励磁方式：直直流流励励磁磁、交

23、交流流正正弦弦波波励励磁磁和低低频频方方波波励磁励磁。u 直流励磁的优点是受交流磁场干扰小，因而液体中的自感现象可以忽略不计，缺点是在电极上产生的直流电势引起管内被测液体的电解，产生极化现象，破坏了原来的测量条件。u 交流正弦波励磁一般采用工频（50Hz）交变电流产生的交变磁场。交流励磁的优点是能消除极化现象，输出信号是交流信号，放大和转换比较容易，但也会带来一系列的干扰，如90干扰、同相干扰等。u 低频方波励磁交流干扰影响小，又能克服极化现象，是一种比较好的励磁方式。电电磁磁流流量量传传感感器器产生的感应电动势信号是很微小的，需通过电电磁磁流流量量转转换换器器来来显显示示流流量量。常用的电磁

24、流量转换器能把传感器的输出感应电动势信号放大并转转换换成成标标准准电电流流（010 mA 或或420 mA）信信号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行显示、记录、运算、报警和控制等。电电磁磁流流量量传传感感器器只能测量导电介质的流体流量。它适适用用于于测测量量各各种种腐腐蚀蚀性性酸酸、碱碱、盐盐溶溶液液，固固体体颗颗粒粒悬悬浮浮物物，粘粘性性介介质质（如如泥泥浆浆、纸纸浆浆、化化学学纤纤维维、矿矿浆浆）等等溶溶液液；也可用于各种有卫生要求的医药、食品等部门的流流量量测测量量（如如血血浆浆、牛牛奶奶、果果汁汁、卤卤水水、酒酒类类等等），还可用用于于大大型型管管道道自自来来水

25、水和和污污水水处处理理厂厂流流量量测测量量以以及及脉脉动动流流量量测量测量等。15.3.4 涡轮流量传感器涡轮流量传感器 涡轮流量传感器类似于叶轮式水表，是一种速度式流量传感器。图15-48为涡轮流量传感器的结构示意图。它是在管道中安装一个可自由转动的叶轮，流体流过叶轮使叶轮旋转，流量越大，流速越高，则动能越大，叶轮转速也越高。测量出叶轮的转速或频率，就可确定流过管道的流体流量和总量。图15-48 涡轮流量传感器结构示意图 流量涡轮旋转涡轮叶片周期性地改变磁电系统的磁阻值，使通过线圈的磁通量发生周期性的变化在线圈两端产生感应电势放大和整形方波脉冲 计数器累积总量 在涡轮叶片的平均半径rc处取断

26、面，并将圆周展开成直线，便可画出图15-49。设流体速度v平行于轴向，叶片的切线速度u垂直于v，若叶片的倾斜角为，便可写出 u=rc=v tan 或（15-50）式中：n涡轮的转速；涡轮的角速度。设叶片缝隙间的有效流通面积为A，则瞬时体积流量为（15-51）如涡轮上叶片总数为z，则线圈输出脉冲频率f就是nzHz，代入式（15-43）可得（15-52）式中,为仪表常数，涡轮流量传感器具有安装方便、精度高（可达0.1级）、反应快、刻度线性及量程宽等特点，此外还具有信号易远传、便于数字显示、可直接与计算机配合进行流量计算和控制等优点。它广泛应用于石油、化工、电力等工业，气象仪器和水文仪器中也常用涡轮

27、测风速和水速。图15-49 涡轮叶片及流体的速度分析 15.3.5 漩涡式流量传感器漩涡式流量传感器 漩涡式流量传感器是利用流体振荡原理工作的。目前应用的有两种：一种是应用自然振荡的卡曼漩涡列原理；另一种是应用强迫振荡的漩涡旋进原理。应用振荡原理的流量传感器，前者称为卡曼涡街流量传感器（或涡街流量传感器），后者称为旋进漩涡流量传感器。涡街流量传感器应用相对较多，这里只介绍这种流量传感器。在流体的流动方向上放置一个非非流流线线型型的的物物体体（如圆柱体等），物体的下游两侧有时会交替出现漩涡（见图15-50）。在物体后面两排平行但不对称的漩涡列称为卡卡曼曼涡涡列列（也称为涡街）。漩涡的频率一般是不

28、稳定的，实验表明，只有当两列漩涡的间距h与同列中相邻漩涡的间距l满足h/l=0.281（对于圆柱体）条件时，卡曼涡列才是稳定的。并且每一列漩涡产生的频率f与流速v、圆柱体直径d的关系为 式中,St为斯特罗哈尔系数，是一个无量纲的系数。（15-53）图15-50 卡曼漩涡 St主要与漩涡发生体的形状和雷雷诺诺数数有关。在雷诺数为500150 000的区域内，基本上是一个常数，如图15-51所示。对于圆柱体St=0.20，三角柱体St=0.16。工业上测量的流速实际上几乎不超过这个范围，所以可以认为频率f只受流速v和漩涡发生体的特征尺寸d的支配，而不受流体的温度、压力、密度、粘度等的影响。测得漩涡

29、的频率流体的流速v流体的体积流量qv图15-51 斯特罗哈尔系数与雷诺数的关系 图15-52 圆柱体漩涡检测原理图 把铂热电阻丝用电流加热到比流体温度高出某个温度，流体通过铂热电阻丝时，带走它的热量，从而改变它的电阻值，此电阻值的变化与发出漩涡的频率相对应，即由此便可检测出与流速成比例的频率。漩涡式流量传感器在管道内没有可动部件，使用寿命长，线性测量范围宽，几乎不受温度、压力、密度、粘度等变化的影响，压力损失小，传感器的输出是与体积流量成比例的脉冲信号，这种传感器对气体、液体均适用。图15-53 三角柱体漩涡检测原理图 三角柱漩涡发生体三角柱漩涡发生体的漩涡频率检测原理图如图所示。埋在三角柱正

30、面的两只热敏电阻与其它两只固定电阻构成一个电桥两只热敏电阻与其它两只固定电阻构成一个电桥，电桥通以恒定电流使热敏电阻的温度升高。由于产生漩涡处的流速较大流速较大，使热敏电阻的温度降低，热敏电阻的温度降低，阻值改变，阻值改变，电桥输出信号电桥输出信号。随着漩涡交替产生，电桥输出一系列与漩涡发生频率相对应的电压脉冲。15.3.6 质量流量传感器质量流量传感器 在工业生产和产品交易中，由于物料平衡，热平衡以及储存、经济核算等人们常常需要的是质量流量,因此在测量工作中，常常将已测出的体积流量乘以密度换算成质量流量。而对于相同体积的流体，在不同温度、压力下，其密度是不同的，尤其对于气体流体，这就给质量流

31、量的测量带来了麻烦，有时甚至难以达到测量的要求。这样便希望直接用质量流量传感器来测量质量流量，无需进行换算，这将有利于提高流量测量的准确度。质量流量传感器大致分为两类：p 直接式直接式:即传感器直接反映出质量流量。p 推推导导式式:即基于质量流量的方程式，通过运算得出与质量流量有关的输出信号。用体积流量传感器和其它传感器及运算器的组合来测量质量流量。1.直接式质量流量传感器直接式质量流量传感器科里奥利质量流量传感器科里奥利质量流量传感器 科科里里奥奥利利质质量量流流量量传传感感器器是利用流体在直线运动的同时，处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的一种直接式质量流量传感器。当

32、质量为m的质点在对P轴作角速度为旋转的管道内移动时，如图15-54所示，质点具有两个分量的加速度及相应的加速度力：法向加速度:即向心加速度ar，其量值为2r，方向朝向P轴。切向加速度:即科里奥利加速度at,其量值为2v，方向与ar垂直。由于复合运动，在质点的at方向上作用着科里奥利力为2vm，而管道对质点作用着一个反向力，其值为-2vm。图15-54 科里奥利力分析图 当密度为的流体以恒定速度v在管道内流动时，任何一段长度为x的管道都受到一个大小为Fc的切向科里奥利力，即 Fc=2vAx（15-54）式中,A为管道的流通内截面积。因为质量流量qm=vA，所以 Fc=2qmx（15-55）基于上

33、式，如直接或间接测量在旋转管道中流动流体所产生的科里奥利力就可以测得质量流量，这就是科里奥利质量流量传感器的工作原理。然而，通过旋转运动产生科里奥利力实现起来比较困难，目前的传感器均采用振动的方式来产生，图15-55是科里奥利质量流量传感器结构原理图。流量传感器的测量管道是两根两端固定平行的U形管，在两个固定点的中间位置由驱动器施加产生振动的激励能量，在管内流动的流体产生科里奥利力，使测量管两侧产生方向相反的挠曲。位于U形管的两个直管管端的两个检测器用光学或电磁学方法检测挠曲量以求得质量流量。图15-55 科里奥利质量流量传感器结构原理图 当管道充满流体时，流体也成为转动系的组成部分，流体密度

34、不同，管道的振动频率会因此而有所改变，而密度与频率有一个固定的非线性关系，因此科里奥利质量流量传感器也可测量流体密度。2.推导式质量流量传感器推导式质量流量传感器 推推导导式式质质量量流流量量传传感感器器实际上是由多个传感器组合而成的质量流量测量系统，根据传感器的输出信号间接推导出流体的质量流量。组合方式主要有以下几种。p （1）差差压压式式流流量量传传感感器器与与密密度度传传感感器器组组合合方方式式 差压式流量传感器的输出信号是差压信号，它正比于q2v，若与密度传感器的输出信号进行乘法运算后再开方即可得到质量流量。即（15-56）p （2）体体积积流流量量传传感感器器与与密密度度流流量量传传

35、感感器器组组合合方方式式 能直接用来测量管道中的体积流量qv的传感器有电磁流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器等，利用这些传感器的输出信号与密度传感器的输出信号进行乘法运算即可得到质量流量。即 K1qvK2=Kqm（15-57）p （3）差差压压式式流流量量传传感感器器与与体体积积式式流流量量传传感感器器组组合合方方式式 差压式流量传感器的输出差压信号p与q2v成正比，而体积流量传感器输出信号与qv成正比，将这两个传感器的输出信号进行除法运算也可得到质量流量。即（15-58）15.4 物位测量物位测量 15.4.1 物位概述物位概述 物位是指各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不溶液

36、体介质的分界面的高低和固体粉末状颗粒物料的堆积高度等的总称。根据具体用途它可分为液液位位、界位、料位等传感器界位、料位等传感器。工业上通过物位测量能正确获取各种容器和设备中所储物质的体积量和质量，能迅速正确反映某一特定基准面上物料的相对变化，监视或连续控制容器设备中的介质物位，或对物位上下极限位置进行报警。物位传感器物位传感器种类较多，按其工作原理可分为下列几种类型：p (1)直读式直读式 它根据流体的连通性原理来测量液位。p (2)浮浮力力式式 它根据浮子高度随液位高低而改变或液体对浸沉在液体中的浮筒（或称沉筒）的浮力随液位高度变化而变化的原理来测量液位。前者称为恒浮力式，后者称为变浮力式。

37、p (3)差差压压式式 它根据液柱或物料堆积高度变化对某点上产生的静（差）压力的变化的原理测量物位。p (4)电学式电学式 它根据把物位变化转换成各种电量变化的原理来测量物位。p (5)核核辐辐射射式式 它根据同位素射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来测量液位。p (6)声学式声学式 它根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化来测量物位。p (7)其他形式其他形式如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等。15.4.2 浮力式液位传感器浮力式液位传感器 1.恒浮力式液位传感器恒浮力式液位传感器 最原始的恒浮力式液位传感器，是将一个浮子置于液体中，它受到浮力的作用漂浮在液

38、面上，当液面变化时，浮子随之同步移动，其位置就反映了液面的高低。水塔里的水位常用这种方法指示，图15-56是水塔水位测量示意图。液面上的浮子由绳索经滑轮与塔外的重锤相连，重锤上的指针位置便可反映水位。但与直观印象相反，标尺下端代表水位高，若使指针动作方向与水位变化方向一致，应增加滑轮数目，但引起摩擦阻力增加，误差也会增大。图15-56 水塔水位测量示意图 图15-57 外浮球式液位传感器 把浮子换成浮球，测量从容器内移到容器外，浮球用杠杆直接连接浮球，可直接显示罐内液位的变化。图15-58 浮球式液位控制器 在该液位传感器的基础上增加机电信号变换装置，当液位变化时，浮球的上下移动通过磁钢变换成

39、电触点的上下位移。当液位高于（或低于）极限位置时，电触点4与报警电路的上下限静触点接通，报警电路发出液位报警信号。若将浮球控制器输出与容器进料或出料的电磁阀门执行机构配合，可实现阀门的自动启停，进行液位的自动控制。2.变浮力式液位传感器变浮力式液位传感器 沉筒式液位传感器是利用变浮力的原理来测量液位的。它利用浮筒在被测液体中浸没高度不同以致所受的浮力不同来检测液位的变化。图15-59 变浮力式液位=传感器原理图 图是液位检测原理图。将一横截面积为A，质量为m的空心金属圆筒（浮筒）悬挂在弹簧上，弹簧的下端被固定，当浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，则有mg=Cx0（15-59）式中：C弹簧的刚度；x

40、0弹簧由于浮筒重力产生的位移。当液位高度为H时，浮筒受到液体对它的浮力作用而向上移动，设浮筒实际浸没在液体中的长度为h，浮筒移动的距离即弹簧的位移变化量为x，即H=h+x。当浮筒受到的浮力与弹簧力和浮筒的重力平衡时，有mg-Ahg=C(x0-x)（15-60）式中,为浸没浮筒的液体密度。将式（15-59）代入上式，整理后便得 Ahg=Cx（15-61）由式（15-62）可知，当液位变化时，浮筒产生的位移变化量x与液位高度H成正比关系。从以上分析表明，变浮力式液位传感器实际上是将液位转化成敏感元件（浮筒）的位移。如在浮筒的连杆上安装一铁芯，可随浮筒一起上下移动，通过差动变压器使输出电压与位移成正

41、比关系。一般情况下，hx，所以Hh，从而被测液位H可表示为（1562）沉筒式液位传感器适应性能好，对粘度较高的介质、高压介质及温度较高的敞口或密闭容器的液位等都能测量。对液位信号可远传显示，与单元组合仪表配套，可实现液位的报警和自动控制。15.4.3 静压式液位传感器静压式液位传感器 静静压压式式液液位位传传感感器器是基于液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化的原理来检测液位的。利用压力或差压传感器测量静压的大小，可以很方便地测量液位，而且能输出标准电流信号，这种传感器习惯上称为变送器，这里主要讨论液位测量原理。对于上端与大气相通的敞口容器，利用压力传感器（或压力表）直接测量底部某点压力，

42、如图15-60所示。通过引压导管把容器底部静压与测压传感器连接，当压力传感器与容器底部处在同一水平线时，由压力表的压力指示值可直接显示出液位的高度。压力与液位的关系为（15-63）图15-60 压力传感器测量液位（静压）原理图 式中：H液位高度（m）；液体的密度（kg/m3）；g重力加速度（m/s2）；p容器底部的压力（Pa）。如果压力传感器与容器底部不在相同高度处，导压管内的液柱压力必须用零点迁移方法解决。对于上端与大气隔绝的闭口容器，容器上部空间与大气压力大多不等，所以在工业生产中普遍采用差压传感器来测量液位，如图15-61所示。图15-61差压传感器测量液位原理图 设容器上部空间的压力为

43、p0，则 p+=gH+p0（15-64）p-=p0（15-65）因此可得正负室压差为 p=p+-p-=gH（15-66）由式（1566）可知，被测液位H与差压p成正比。但这种情况只限于上部空间为干燥气体，而且压力传感器与容器底部在同一高度时。假如上部为蒸汽或其他可冷凝成液态的气体，则p-的导压管里必然会形成液柱，这部分的液柱压力也必须要进行零点迁移。15.5气体成分测量气体成分测量 15.5.115.5.1热导式气体传感器热导式气体传感器 1.1.热导检测原理热导检测原理 热传导热传导是同一物体各部分之间或互相接触的两物体之间传热的一种方式，表征物质导热能力的强弱用导热系数表示。不同物质其导热

44、能力是不一样的，一般来说，固体和液体的导热系数导热系数比较大，而气体的导热系数比较小。表159为一些常见气体的导热系数。表表159常见气体的导热系数常见气体的导热系数 对于多组分组成的混合气体，随着组分含量的不同，其导热能力将会发生变化。如混合气体中各组分彼此之间无相互作用，实验证明混合气体的导热系数可近似用下式表示：（1567）式中：i混合气体中第i组分的导热系数；Ci混合气体中第i组分的体积百分含量。若混合气体中只有两个组分，则待测组分的含量与混合气体的导热系数之间的关系可写为（1568）上式表明两种气体组分的导热系数差异越大，测量的灵敏度越高。但对于多组分（i2）的混合气体，由于各组分的

45、含量都是未知的，因此应用式（1568）时，还应满足两个条件：除待测组分外，其余组分的导热系数相等或接近；待测组分的导热系数与其余组分的导热系数应有显著的差异。在实际测量中，对于不能满足以上条件的多组分混合气体，可以采取预处理方法。如分析烟气中的CO2含量，已知烟气的组分有CO2、N2、CO、SO2、H2、O2及水蒸气等。其中SO2、H2的热导系数与其他背景组分的导导热热系系数数相相差差太太大大，其存在会严重影响测量结果，一般我们称之为干干扰扰气气体体，应应在在预预处处理理时时去去除除干干扰扰组组分分，则剩余的背景气体导热系数相近，并与被测气体CO2的导热系数有显著差别，这样就可用热导法分析烟气

46、中的CO2含量。应当指出，即使是同一种气体导热系数也不是固定不变的，气体的导热系数随着温度的升高而增大。2.2.热导检测器热导检测器 热导检测器是把混合气体导热系数的变化转换成电阻值变化的部件，它是热热导传感器的核心部件导传感器的核心部件，又称为热导池热导池。热导池是金属制成的圆柱形气室，气室的侧壁上开有分析气体的进出口，气室中央装有一根细的铂或钨热电阻丝。根据分析气体流过检测器的方式不同，热导检测器的结构可以分为直通直通式式、扩散式扩散式和对流扩散式对流扩散式。图1562热导池的结构示意图 热丝通以电流后产生热量，并向四周散热，当热导池内通入待分析气体时，电阻丝上产生的热量主要通过气体进行传

47、导，热平衡时，即电阻丝所产生的热量与通过气体热传导散失的热量相等时，热丝的电阻值也维持在某一值。电阻的大小与所分析混合气体的导热系数存在对应关系。气体的导热系数愈大，说明导热散热条件愈好。热平衡时热电阻丝的温度愈低，电阻值也愈小。这就实现了把气体的导热系数的变化转换成热丝电阻值的变化。图1563热导检测器的结构(a)扩散式；(b)对流扩散式 特点是反应缓慢，滞后较大，但受气体流量波动影响较小目前常用的对流扩散式结构，气体由主气路扩散到气室中，然后由支气路排出，这种结构可以使气流具有一定速度，并且气体不产生倒流3.3.测量电路测量电路热热导导式式气气体体传传感感器器采采用用不不平平衡衡电电桥桥电

48、电路路测测量量电电阻阻的的变变化化。电桥电路有单电桥电路和双电桥电路之分。图1564为热导气体传感器中常用的单电桥电路。图1564单电桥测量电路 u电桥由四个热导池组成，每个热导池的电阻丝作为电桥的一个桥臂电阻。R1、R3的热导池称为测量热导池，通以被测气体；R2、R4的热导池称为参比热导池，气室内充以测量的下限气体。当通过测量热导池的被测组分含量为下限时，由于四个热导池的散热条件相同，四个桥臂电阻相等，因此电桥输出为零。当通过测量热导池的被测组分含量发生变化时，R1、R3电阻值将发生变化，电桥失去平衡，其输出信号的大小反映了被测组分的含量。u单电桥的输出对电源电压以及环境温度的波动比较敏感。

49、采用双电桥电路可以较好地解决电桥的输出对电源电压以及环境温度的波动比较敏感问题。图15-65是热导式气体传感器中使用的双电桥原理电路图。为测量电桥，它与单电桥电路相同，其输出的不平衡电压的大小反映了被测组分的含量。为参比电桥，R5、R7的热导池中密封着测量上限的气体，R6、R8的热导池中密封着测量下限的气体，其输出的电压是一固定值。电桥采用交流供电电源，变压器的副边供两个电桥的电压是相等的。与滑线电阻A、C间的电压之差加在放大器输入端，信号经放大后驱动可逆电机，带动滑线电阻滑触点C向平衡点方向移动，当时，系统达到平衡，平衡点C的位置反映了混合气体中被测组分的含量。图1565双电桥测量电路 15

50、.5.215.5.2接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器1.1.概述概述接触燃烧式气体传感器是煤矿瓦斯检测的主要传感器，这种传感器的应用对减少和避免矿井瓦斯爆炸事故，保障煤矿安全生产发挥了重要的作用。接触燃烧式气体传感器的特点如下：n对于可燃性气体爆炸下限以下浓度的气体含量，其输出信号接近线性；n每个气体成分的相对灵敏度与相对分子质量或分子燃烧热成正比；n对不可燃气体没有反应，只对可燃性气体有反应；n不受水蒸气的影响；n仪器工作温度较高，表面温度一般在300400之间，而在内部可达到700800；n对氢气有引爆性；n元件易受硫化物，卤化物及砷、氯、铅、硒等化合物的中毒影响；n易受高浓度可燃