流量和物位检测技术.ppt

第8章 压力、流量和物位检测技术,8.1 压力检测技术 8.2 流量测量技术 8.3 物位检测与控制 思考与练习,8.1 压力检测技术,8.1.1 压力的基本概念及单位1.压力的基本概念压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。它的大小由两个因素所决定，即受力面积和垂直作用力的大小，用数学式表示为,(8-1),式中，P为压力；F为垂直作用力；S为受力面积。,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。,图8-1 液柱压力示意图,2.压力的单位在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡，简称帕，代号为Pa。它的定义是在每平方米面积上垂直作用1牛顿的力，即,帕斯卡与其它压力单位的换算关系见表8-1。,（8-3）,表8-1 常用压力单位的换算表,3.大气压力、绝对压力、表压力与真空度（1）大气压力：指由于空气的重量垂直作用在单位面积上所产生的压力。（2）绝对压力：它是指流体的实际压力，它以绝对真空为零压力。（3）相对压力：它是指流体的绝对压力与当时当地的大气压力之差。当绝对压力大于大气压力时，其相对压力称为表压力；当绝对压力小于大气压力时，其相对压力称为真空度或负压力。因此，有,式中，P表为表压力；P绝为绝对压力；P气为大气压力。,8.1.2 压力传感器及其类别1.压力传感器类别压力传感器的主要类别有电位器式、应变式、霍尔式、电感式、压电式、压阻式、电容式及振弦式等，测量范围为710-55108 Pa；信号输出有电阻、电流、电压、频率等形式。压力测量系统一般由传感器、测量线路和测量装置以及辅助电源所组成。常见的信号测量装置有电流表、电压表、应变仪以及计算机等。目前，利用压阻效应、压电效应或其他固体物理特性的压力传感器已实现小型化、数字化、集成化和智能化，直接把压力转换为数字信号输出，并可与计算机连接，从而实现工业过程的现场控制。,表8-2 几种常见的压力传感器性能比较表,2.常用压力传感器1）单圈弹簧管压力表（1）结构：弹簧管压力表的结构如图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。,图8-2 弹簧管压力表,3被测压力由接头9通入，迫使弹簧管1的自由端B向右上方扩张。自由端B的弹性变形位移通过拉杆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。由于自由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用来克服因扇形齿轮和中心齿轮间的间隙而产生的仪表变差。改变调整螺钉8的位置(即改变机械传动的放大系数)，可以实现压力表量程的调整。,（2）材料：弹簧管的材料因被测介质的性质和被测压力的高低而不同，一般当P20 MPa(约200 kgf/cm2)时，采用磷铜；当P20 MPa时，则采用不锈钢或合金钢。但是，在选用压力表时，必须注意被测介质的化学性质。例如，测量氨气压力必须采用不锈钢弹簧管，而不能采用易被腐蚀的铜质材料；测量氧气压力时，则严禁沾有油脂，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。,（3）信号远传式压力表：利用变频控制进行恒压供水已经广泛应用。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表，如YCD-150型压力传感器，它结构简单，价格便宜。,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。测量气体或液体压力的薄板式压力传感器如图8-3（a）所示。圆薄板直径为10 mm，厚度为1 mm，和壳体连接在一起，引线自上端引出。工作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表面。薄板受压变形后表面上应变分布如图8-3（b）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，一般在薄板中心处沿切向贴两片R2和R3，在边缘处沿径向贴两片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行温度补偿。,图8-3板式压力传感器,（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。图中工作应变片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。这种传感器可用来测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）扩散硅固体压力传感器：如图8-5所示，扩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，膜片四周用硅杯固定，高压腔与被测压力相接，低压腔与大气相通，通过应变测量压力。,图8-4 筒式压力传感器,图8-5 扩散硅压力传感器,（4）硅X型压力传感器：利用半导体材料的压阻效应，在硅膜片表面用离子注入制作一个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8-6（a）所示。其中，1脚接地，3脚加电源电压，激励电流流过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系列器件外封装形式，其量程为010 kPa，线性度为1.0%。,图8-6 硅压力传感器（a）工作原理图；（b）外形图,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。在压力测量中，差动变压器式传感器应用的比较广泛。（1）CPC型差压计：图8-7是CPC型差压计的结构与电路图。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。,图8-7 CPC型差压计,（2）微压力变送器：图8-8是微压力变送器的结构示意图。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，可输出标准信号，故称变送器。,图8-8 微压力变送器结构示意图,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，从工业生产过程自动化应用来说，有压力、差压、绝对压力、带开方的差压(用于测流量)等品种及高差压、微差压、高静压等规格。,（1）电容式差压传感器：电容式差压传感器的核心部分如图8-9所示。它主要由测量膜片（金属弹性膜片）、镀金属的凹形玻璃球面及基座组成。测量膜片左右空间被分隔成两个室。在两室中充满硅油，当左右两室分别承受高压PH和低压PL时，硅油的不可压缩性和流动性，便能将差压PPHPL传递到测量膜片的左右面上。因为测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十分平整，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，测量膜片发生变形，也就是动极板向低压侧定极板靠近，同时远离高压侧定极板，使得电容CHCL。通过引出线将这个电容变化输送到电子转换电路，可实现对压力或差压的测量。,图8-9 电容式差压传感器,（2）变面积式电容压力传感器：这种传感器的结构原理图如图8-10（a）所示。被测压力作用在金属膜片1上，通过中心柱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定电容量。固定电极的中心柱6与外壳间有绝缘支架7，可动电极则与外壳连通。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。,图8-10 变面积电容式压力传感器（a）结构图；（b）悬挂在介质中；（c）安装在容器壁上,5）压电式压力传感器压电式压力传感器可以测量各种压力，如车轮通过枕木时的强压力，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测量气压、发动机内部燃烧压力和真空度。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、预压和传递压力的作用。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测量。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结构。,图8-11 膜片式压电压力传感器,这种压力传感器可测量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定。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，以补偿测量时因振动造成的测量误差。,6）振弦式压力传感器如图8-12所示是振弦式压力传感器的原理结构图。在圆形压力膜片1的上、下两侧安装了两根长度相同的振弦3、4，它们被固紧在支座2上，并加上一定的预应力。当它们受到激励而振动时，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进行混频，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相同，受激励后产生相同的振动频率，由混频器所得差频信号的频率为零。若有外力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。,图8-12 振弦式压力传感器,7）霍尔压力传感器（1）霍尔式压力计：它是利用霍尔元件测量弹性元件变形的一种电测压力计。它结构简单、体积小、频率响应宽、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，使用于要求转换精度高的场合时必须进行温度补偿。,（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）的末端向下移动，从而使霍尔器件在磁路系统中感受到的磁场方向以从右至左为主，产生的霍尔电动势为正值。如果被测压力为负压，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，所以可用来测量微小压力的变化。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。,图8-13 霍尔式微压力传感器原理示意图（a）结构；（b）磁场与压力的关系曲线,8.1.3 集成压力传感器的应用电路1.压力测量电路由压力传感器及运算放大器组成的压力测量电路如图8-14所示。图中，压力传感器采用43系列。43系列是一种小型压阻式压力传感器，有绝对压力和表压力两大类。标准量程系列有05 Psi和0250 Psi，共分7挡，每挡有A、B、C三种等级。1 Psi=6.895103 Pa，Psi是磅/英寸2(bf/in2)单位。,图8-14 压力测量电路,供给传感器的恒流源电流I0=Uz/R2可通过R2来调整，从而调节传感器的灵敏度。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，以此来决定放大器的放大倍数。调节调零电位器RP1，使在零压力时输出为0 V。调节电位器RP2，使在满量程时，输出为5 V。,2.便携式压力计电路图8-15为用MPX2050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)作为指示或显示装置，电源为9 V电池。MPX2050硅压力传感器的压力测量范围为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，可调节增益电阻RP，使传感器满量程输出时，A1、A2差动输出电压为200 mV。,图8-15便携式压力计电路,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，信号需要远距离传送（可能达几百米），该系统采用直流24 V电源。负载可以用串联电流表来指示，也可以用如图所示的RL=240 转换为0.964.8 V的电压输出来指示。,图8-16 420 mA压力变送器电路,4.固态压力开关电路图8-17是一个低成本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,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。AD654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。,图8-18 压力/频率变换电路,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用来防止运放的反馈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。AD654中的电容C3决定额定输出频率。调节R3，使在零压力（0.5 V）时输出频率为1 kHz。调节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。,8.1.4 压力计的选择和使用1.压力计的选择压力计的选择应根据具体情况作具体分析，在符合工艺过程、热工过程所提出的技术要求，适应被测介质的性质和现场环境的条件下，本着节约的原则，合理地选择压力计的种类、仪表型号、量程和精确度等级等，以及是否要带报警、远传、变送等附加装置。对于弹性式压力计，为了保证弹性元件能在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择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，最大压力值应不超过满量程的3/4，在被测压力波动较大的情况下，最大压力值应不超过满量程的2/3。为保证测量精确度，被测压力最小值应不低于全量程的1/3。,例如，要测量高压油喷嘴雾化剂(蒸汽)的压力，已知蒸汽压力为(24)105 Pa，要求最大测量误差小于104 Pa，如何选择压力表呢?根据已知条件及弹性式压力计的性质，决定选用Y-100型单圈管弹簧压力计，其测量范围为06105 Pa(当压力从2104 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，即要求仪表的相对误差为,所以应选1.5级表。,2.压力计的使用 1）测量点的选择测量点的选择应能代表被测压力的真实情况。因此，取压点不能处于流束紊乱的地方，应选在管道的直线部分，也就是离局部阻力较远的地方。导压管最好不要伸入被测对象内部，而在管壁上开一形状规整的取压孔，再接上导压管，如图8-19所示。当一定要插入对象内部时，其管口平面应严格与流体流动方向平行，如图8-19所示。如图8-19或那样放置就会得出错误的测量结果。此外，导压管端部要光滑，不应有突出物或毛刺。为避免导压管堵塞，取压点一般要求在水平管道上。在测量液体压力时，取压点应在管道下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上部，使导压管内不积存液体。,图8-19 导压管与管道的连接,2）导压管的铺设(包括各种阀)铺设导压管时，应保持对水平有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，则在导压管最高处需装排气阀；若被测液体易冷凝或冻结，必须加装管道保温设备。在靠近取压口的地方应装切断阀，以备检修压力计时使用。在需要进行现场校验和经常冲洗导压管的情况下，应装三通开关。导压管内径一般为610 mm，长度小于等于50 m(以减少滞后)，否则要装变送器。,3）压力计的安装测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测量的蒸汽冷凝，并使正负导压管中冷凝液具有相同的高度且保持恒定。冷凝器的容积应大于全量程内差压计或差压变送器工作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工作性能。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。,被测压力波动频繁和剧烈时(如压缩机出口)可用阻尼装置。安装压力计时应避免温度的影响，如远离高温热源，特别是弹性式压力计一般应在低于50的环境下工作。安装时还应避免振动的影响。压力计安装示例如图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际压力高。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）,图8-20 压力计安装示例图（a）测量蒸汽；（b）测量腐蚀性介质；（c）压力计安装在管道下方,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，应定期进行清洗。其方法是被测流体为气体或液体时，可用洁净的空气将其吹入主管道；如果被测流体是液体时，可用清洁的液体将其通入主管道。,8.2 流量测量技术,8.2.1 流量及其测量方法1.流量的概念单位时间内流过管道内某一截面的流体数量，称为瞬时流量。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，称为总量或累积流量，如用户的水表、气表等。工程上讲的流量常指瞬时流量，下面若无特别说明均指瞬时流量。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。,1）体积流量qv 体积流量qv是指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)。,2）质量流量qm 质量流量qm是指单位时间内通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);m为流体的质量（kg）。,2.流量的测量方法生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态（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测量不同流体的流量。尤其工业生产过程的情况复杂，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速度式、容积式和质量式三大类。,1）速度式流量测量原理 速度式流量传感器大多是通过测量流体在管路内已知截面流过的流速大小实现流量测量的。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。,2）容积式流量测量原理 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）质量式流量测量原理 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。,8.2.2 几种速度式流量传感器1.差压式流量传感器1）差压式流量传感器及其原理差压式流量传感器又称节流式流量传感器，主要由节流装置和差压传感器(或差压变送器)组成，如图8-21所示。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，然后用差压传感器将差压信号转换成电信号，或直接用差压变送器把差压信号转换为与流量对应的标准电流信号或电压信号，以供测量、显示、记录或控制。在气动控制中，还可以转换成气动信号，然后用于显示、记录或控制。,图8-21 差压式流量传感器,差压式流量传感器节流装置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，流体受到局部阻力，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）,式（8-8）、(8-9)为不可压缩流体的流量基本方程式。对于可压缩的流体（如气体或蒸气），必须考虑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，则可压缩流体的流量基本方程式为,（8-10）,（8-11）,式中，为流量系数，是用实验方法求出的，它与节流装置的结构形式、取压方式、孔口截面积与管道截面积之比m、雷诺数Re、孔口边缘尖锐度、管壁粗糙度等因素有关，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因素有关，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。,2）差压式流量传感器的投运差压式流量传感器投运时，要特别注意其弹性元件不能突受压力冲击，更不要处于单向受压状态。开表前，必须使引压管内充满液体或隔离液，引压管中的空气要通过排气阀和仪表的放气排除干净。开表过程中，先打开平衡阀4，并逐渐打开正压侧切断阀5，使正负压室承受同样的压力，然后打开负压侧切断阀6，并逐渐关闭平衡阀4，便可投入运行。仪表在停运时与开表过程相反，先打开平衡阀，然后关闭正、负侧切断阀，最后再关闭平衡阀。,2.电磁流量传感器1）电磁流量传感器的工作原理 电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律测量导电性液体的流量。如图8-22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),图8-22 电磁式流量传感器（a）工作原理图；（b）电极部件剖面图,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，则K为常数，两电极间的感应电动势e与流量qv呈线性关系，便可通过测量感应电动势来间接测量被测流体的流量qv值。,电磁流量传感器产生的感应电动势信号是很微小的，常与电磁流量转换器组成变送器，输出010 mA或420 mA的标准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行显示、记录、运算、报警和控制等。,2）电磁流量传感器的特点 电磁流量传感器只能测量导电介质的流体流量。电磁流量传感器适用于测量各种腐蚀性酸、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、食品等部门的流量测量(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理厂流量测量等。电磁流量传感器反应迅速，可以测量脉动流量。电磁流量传感器的测量范围很广，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。,当然，电磁流量传感器也有其局限性和不足之处。使用温度和压力不能太高，使用温度一般低于120，最高工作压力一般不得超过1.6 MPa。为了减小导管内引起的涡流损耗，故测量导管不宜采用厚壁导管，一般管壁厚度不超过8 mm。电磁流量传感器不能用来测量气体、蒸汽和石油制品等非导电流体的流量。对于导电液体，其电导率的下限值一般也不得小于210-3510-3S/m(西门子/米)。如果采用特殊的电子线路，有可能将电导率下限扩大至110-4S/m。流速和速度分布必须符合设定条件，否则将会产生较大的测量误差。因此，在电磁流量传感器的前后，必须有足够的直管段长度，以消除各种局部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一般不得低于0.3 m/s。,3）使用电磁流量传感器应注意的问题（1）安装要求：变送器安装位置，应选择在任何时候测量导管内都能充满液体的地方，以防止由于测量导管内没有液体而指针不在零位所造成的错觉。最好是垂直安装，使被测液体自下向上流经仪表，这样可以避免在导管中有沉淀物或在介质中有气泡而造成的测量误差。如不能垂直安装时，也可水平安装，但要使两电极在同一水平面上。,（2）接地要求：电磁流量计的信号比较弱，在满量程时只有2.58 mV，流量很小时，输出只有几微伏，外界略有干扰就能影响测量的精度。因此变送器的外壳、屏蔽线、测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，绝对不要连接在电机、电器等的公用地线或上下水管道上。转换部分已通过电缆线接地，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。,（4）电源要求：传感器和变换器必须使用同一相电源，否则由于检测信号和反馈信号相差-120的相位，使仪表不能正常工作。仪表的运行经验表明，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，或进行电焊时，都将引起干扰电势的增加，影响仪表正常运行。,3.超声波测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，即不必对流体温度改变而引起声波的变化进行补偿，因此是常用的方法。下面只介绍频率差法。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。,图8-23 超声波频率差法流量计原理图,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）,式（8-14）说明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造成的测量误差。同时，可得体积流量QV测量公式为,（8-15）,所以只要测得f就可以得出QV。,用计数器将依次测得的f进行积算，就可以得到累计流量。如图8-23所示，通过切换开关和接收机就可以将信号引入测量电路。测量电路由倍频器、可逆计数器和累计器，A/D转换和瞬时指示所组成。倍频器可提高测量精确度，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）也可供给遥测系统。,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。也可测量大口径管路水流量以及海水流速等等。从原理上讲，也能测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，从而影响测量精确度。超声波流量计的量程比一般为201，误差约为2%3%。若超声波探头安装在管外，则压力损失小，对流体扰动小，安装方便。考虑到管子截面的流速分布对测量精确度的影响，变送器上、下游应具有一定长度的直管段。,4.激光流速传感器激光流速传感器的工作原理基于大家熟知的多普勒效应：当波源和观测者彼此接近时，所接收到的频率变高，而当波源和观测者彼此分开时，所接收到的频率变低。当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，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。,如图8-24所示是激光流速传感器的结构示意图。从激光源射出的激光束通过偏振面偏转器后，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，光敏元件输出的电信号由电路处理后，即可得到流速。,图8-24 激光流速传感器结构示意图,5.光纤流速传感器如图8-25所示是光纤流速传感器的结构示意图。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生机械应变，从而使光纤中传输的各模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。,图8-25 光纤流速传感器的结构示意图,6.多普勒血流计多普勒血流计的工作原理图，如图8-26所示。在人的皮肤上设置有发射换能器和接收换能器，发射换能器通过压电元件将电磁振荡转换为超声波向血管发射，接受换能器则通过压电元件将血液红血球反射回来的超声波转换为电信号。当血液流动时，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为红血球运动的速度；为发射换能器与皮肤的夹角；为接收换能器与皮肤的夹角。,图8-26 多普勒血流计工作原理图,7.热导式流速传感器我们知道，各种流体在管道中流动时，任意两点间传递的热量与单位时间内通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行气体流速测量的工作原理示意图。,图8-27 热导式流速测量原理,表8-3 各种常见气体及溶剂蒸汽在0时的相对导热系数,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布局及内部电路图。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则用来测定由于流体流动从加热管V3带走热量而形成的附加温度T2。当流体按图8-28(a)所示方向流动时，在芯片的两侧将形成温度差T2-T1，这个温差通过差分电路输出。随着流体速度的增加，芯片两端的温差也增大，导致差分电路输出信号的增加。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。,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,8.2.3 流量测量仪表的选用1.流量测量仪表的发展趋势近年来，过去应用最广泛的节流装置（占流量测量仪表的70%以上）生产量正逐年下降。例如，日本1981年节流装置只占流量测量仪表的38%。仪表测量精确度有所提高。如电磁流量计的精确度过去只有1.5级，现已提高到0.5级。,微机用于测量仪表，即仪表智能化。其优点为：使仪表性能稳定，精确度提高，功能增强（如用于数据处理，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，自动改变量程（如有的可以改变四个量程，有的可以自动设定量程），进行各种修正运算（如气体温度、压力变化对气体流量的修正），自诊断功能等等。现已生产的带微机的流量计有转子流量计、涡轮流量计、超声流量计、激光流速计等。各种特殊情况下的流量测量仪表发展很快，如用于两相介质（气固、液固、液气），高温，高压下的流量测量仪表。,2.流量测量仪表的选择,表8-4 流量测量仪表的参数,8.3 物位检测与控制,物位传感器种类较多，按其工作原理可分为下列几种类型：（1)直读式：根据流体的连通性原理测量液位。（2)浮力式：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子(或称沉筒)的浮力随液位高度变化而变化的原理测量液位。（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)压力的变化的原理测量物位。,（4）电学式：把物位变化转换成各种电量变化而测量物位。（5）核辐射式：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测量液位。（6）声学式：根据物位变化引起声阻抗和反射距离变化而测量物位。（7）其他形式：如微波式、激光式、射流式、光纤维式传感器等等。,8.3.2 静压式液位计1.压力式液位计 压力式液位计是属于静压式液位计的一种，其原理以流体静力学为基础。它一般仅适用于敞口容器的液位测量，通常有利用压力表测量液位和利用吹气法测量液位两种形式。在此仅介绍利用压力表测量液位的方法。,利用压力表测量液位的原理如图8-29所示。测量仪表通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，则可采用气动或电动压力变送器进行检测发信。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水平位置时，必须对位置高或低引起的压力差值进行修正，否则仪表示值与实际液位不相符。,图8-29 用压力表测量液位原理图,2.差压式液位计1）差压式液位计工作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测量。因为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测量液位时，其示值中就包含有气相压力值，即使在液位不变时，压力表的示值也可能变化，因而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。,差压式液位计是利用容器内的液位改变时，由液柱高度产生的静压也相应变化的原理而工作的，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）,如果为敞口容器，则PA为大气压，公式(8-19)可变为,P=PB=Hg,（8-20）,图8-30 用差压计测量液位原理图,2）法兰式差压变送器原理为了解决测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，需要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连接，作为敏感元件的金属膜盒经毛细管与变送器的测量室相通。在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充入硅油，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保护管。法兰式差压变送器的测量部分及气动转换部分的动作原理与气动差压变送器的基本相同。,图8-31 法兰式差压变送器测量液位原理图,3）零点迁移 利用差压变送器测量密闭容器液位时，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。当差压变送器的测量室与容器最低液位安装在同一水平面上时，式（8-19）成立，无零点迁移。如图8-32所示，当差压变送器的测量室的安装位置低于容器最低液位h高度时，不论实际液位如何变化，差压计变送器输出为P=Hg+hg。即变送器的测量室总是增加了一个固定的压差hg，需要抵消固定正值hg的作用，其方法叫做正迁移。,图8-32 正迁移,如图8-33所示，当液位上的介质是可凝气体(如蒸汽)时，负压侧连通管中充满了介质的冷凝液。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)。假定连通管中充满介质的冷凝液与容器中的液体密度相同，则作用在变送器正、负压室的压差为P=P1-P2=Hg-（H0-h）g，其中，H0为通气连通管中冷凝