1、第8章 壓力、流量和物位檢測技術 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.1 壓力檢測技術壓力檢測技術 8.2 流量測量技術流量測量技術 8.3 物位檢測與控制物位檢測與控制 思考與練習思考與練習 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.1 壓力檢測技術壓力檢測技術 8.1.1 8.1.1 壓力的基本概念及單位壓力的基本概念及單位1. 1. 壓力的基本概念壓力的基本概念壓力是垂直而均勻地作用在單位面積上的力。 它的大小由兩個因素所決定， 即受力面積和垂直作用力的大小， 用數學式表示為 SFP (8-1) 式中，P為壓力；F為垂直作用力；S為受力面積。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 壓力也可以用

2、相當的液柱高度來表示，如圖8-1所示。根據壓力的概念， 有 hShSSFP（8-2） 式中，為壓力計中液體的重度；h為液柱的高度。可見壓力等于液柱高度與液體重度的乘積。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-1 液柱壓力示意圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2. 2. 壓力的單位壓力的單位在國際單位制中， 壓力的單位是帕斯卡， 簡稱帕， 代號為Pa。 它的定義是在每平方米面積上垂直作用1牛頓的力， 即 21N/mPa1帕斯卡與其它壓力單位的換算關系見表8-1。 （8-3） 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 表表8-1 常用壓力單位的換算表常用壓力單位的換算表 第8章 壓力、流量和物位檢測

3、技術 3. 3. 大氣壓力、絕對壓力、表壓力與真空度大氣壓力、絕對壓力、表壓力與真空度（1） 大氣壓力：指由于空氣的重量垂直作用在單位面積上所產生的壓力。 （2） 絕對壓力：它是指流體的實際壓力，它以絕對真空為零壓力。 （3） 相對壓力： 它是指流體的絕對壓力與當時當地的大氣壓力之差。 當絕對壓力大于大氣壓力時， 其相對壓力稱為表壓力； 當絕對壓力小于大氣壓力時， 其相對壓力稱為真空度或負壓力。 因此， 有 氣絕表PPP式中，P表為表壓力；P絕為絕對壓力；P氣為大氣壓力。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.1.2 8.1.2 壓力傳感器及其類別壓力傳感器及其類別1. 1. 壓力傳感器類別壓

4、力傳感器類別壓力傳感器的主要類別有電位器式、應變式、霍爾式、電感式、壓電式、壓阻式、電容式及振弦式等，測量范圍為710-55108 Pa；信號輸出有電阻、電流、電壓、頻率等形式。 壓力測量系統一般由傳感器、測量線路和測量裝置以及輔助電源所組成。常見的信號測量裝置有電流表、 電壓表、 應變儀以及計算機等。 目前，利用壓阻效應、壓電效應或其他固體物理特性的壓力傳感器已實現小型化、數字化、集成化和智能化，直接把壓力轉換為數字信號輸出，并可與計算機連接，從而實現工業過程的現場控制。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 表表8-2 幾種常見的壓力傳感器性能比較表幾種常見的壓力傳感器性能比較表 第8章 壓力

5、、流量和物位檢測技術 2. 2. 常用壓力傳感器常用壓力傳感器1） 單圈彈簧管壓力表（1） 結構： 彈簧管壓力表的結構如圖8-2所示。它主要由彈簧管和一組傳動放大機構（簡稱機芯， 其中包括拉桿、扇形齒輪、 中心齒輪）及指示機構(包括指針、面板上的分度標尺)所組成。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-2 彈簧管壓力表 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 3被測壓力由接頭9通入，迫使彈簧管1的自由端B向右上方擴張。自由端B的彈性變形位移通過拉桿2使扇形齒輪3作逆時針偏轉，進而帶動中心齒輪4作順時針偏轉，使與中心齒輪同軸的指針5也作順時針偏轉，從而在面板6的刻度標尺上顯示出被測壓力P的數值。由于

6、自由端的位移與被測壓力之間具有比例關系，因此彈簧管壓力表的刻度標尺是線性的。 游絲7用來克服因扇形齒輪和中心齒輪間的間隙而產生的儀表變差。 改變調整螺釘8的位置(即改變機械傳動的放大系數)， 可以實現壓力表量程的調整。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （2） 材料：彈簧管的材料因被測介質的性質和被測壓力的高低而不同，一般當P20 MPa(約200 kgf/cm2)時，采用磷銅；當P20 MPa時， 則采用不銹鋼或合金鋼。但是，在選用壓力表時，必須注意被測介質的化學性質。例如，測量氨氣壓力必須采用不銹鋼彈簧管，而不能采用易被腐蝕的銅質材料；測量氧氣壓力時，則嚴禁沾有油脂，以免著火甚至爆炸。 目

7、前， 我國出廠的彈簧管壓力表量程有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 壓力、流量和物位檢測技術 （3） 信號遠傳式壓力表： 利用變頻控制進行恒壓供水已經廣泛應用。 在彈簧管壓力表中裝入電觸點， 可構成具有上、 下限指示與控制的電接點信號壓力表； 與電位器配合， 可構成電位器式遠傳壓力表， 如YCD-150型壓力傳感器， 它結構簡單， 價格便宜。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2） 應變式壓力傳感器（1） 板式壓力傳感器： 該類傳感器分為薄板式、 膜片式和組合式。 測量氣體或液體

8、壓力的薄板式壓力傳感器如圖8-3（a）所示。 圓薄板直徑為10 mm， 厚度為1 mm，和殼體連接在一起，引線自上端引出。工作時將傳感器的下端旋入引壓管， 壓力均勻地作用在薄板的下表面。薄板受壓變形后表面上應變分布如圖8-3（b）所示。 在薄板周邊上， 其切向應變為零， 徑向應變為負應變， 且絕對值最大， 而在中心處其切向應變與徑向應變相等且最大。因此，在貼片時，一般在薄板中心處沿切向貼兩片R2和R3，在邊緣處沿徑向貼兩片R1和R4。將應變片按R1、R2、R4、R3的順序接成閉合回路，便構成差動電橋， 可以提高靈敏度和進行溫度補償。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-3板式壓力傳感器第8

9、章 壓力、流量和物位檢測技術 （2） 筒式壓力傳感器：當被測壓力較大時，多采用筒式壓力傳感器，如圖8-4所示。圖中工作應變片R1貼在空芯的筒臂外感受應變，補償應變片R2貼在不發生變形的實芯部位作為溫度補償用。 這種傳感器可用來測量機床液壓系統的壓力(幾十公斤/厘米2幾百公斤/厘米2)和槍、 炮筒腔內的壓力(幾千公斤/厘米2)(1 kgf/cm2 =0.098 MPa)。 （3） 擴散硅固體壓力傳感器： 如圖8-5所示， 擴散硅固體壓力傳感器是在一塊圓形膜片上集成四個等值電阻并串接成電橋， 膜片四周用硅杯固定， 高壓腔與被測壓力相接， 低壓腔與大氣相通， 通過應變測量壓力。 第8章 壓力、流量和

10、物位檢測技術 圖8-4 筒式壓力傳感器 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-5 擴散硅壓力傳感器 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （4） 硅X型壓力傳感器： 利用半導體材料的壓阻效應， 在硅膜片表面用離子注入制作一個X形的四端元件， 一只X形壓敏電阻器被置于硅膜邊緣， 其原理如圖8-6（a）所示。 其中， 1腳接地， 3腳加電源電壓， 激勵電流流過3腳和1腳。 加在硅膜上的壓力與電流垂直， 該壓力在電阻器上建立了一個橫向電場， 該電場穿過中點，所產生的電壓差由2腳和4腳引出。 圖8-6中（b）為MPZ10、 MPX12系列器件外封裝形式， 其量程為010 kPa，線性度為1.0%。 第8

11、章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-6 硅壓力傳感器（a） 工作原理圖； （b） 外形圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 3） 電感式壓力傳感器 電感式壓力傳感器是用變換壓力的彈性敏感元件將壓力變換成位移，再由電感式位移傳感器轉換成電信號。在壓力測量中，差動變壓器式傳感器應用的比較廣泛。 （1） CPC型差壓計： 圖8-7是CPC型差壓計的結構與電路圖。 當所測的P1與P2之間的差壓變化時， 差壓計內的膜片產生位移， 從而帶動固定在膜片上的差動變壓器的銜鐵移位， 使差動變壓器二次側輸出電壓發生變化， 輸出電壓的大小與銜鐵位移成正比， 從而也與所測差壓成正比。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術

12、 圖8-7 CPC型差壓計 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （2） 微壓力變送器： 圖8-8是微壓力變送器的結構示意圖。 由膜盒將壓力變換成位移， 再由差動變壓器轉換成輸出電壓。 內裝電路， 可輸出標準信號， 故稱變送器。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-8 微壓力變送器結構示意圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 4） 電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是將壓力的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。目前，從工業生產過程自動化應用來說， 有壓力、 差壓、 絕對壓力、帶開方的差壓(用于測流量)等品種及高差壓、 微差壓、 高靜壓等規格。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （1） 電容式差壓傳

13、感器： 電容式差壓傳感器的核心部分如圖8-9所示。 它主要由測量膜片（金屬彈性膜片）、鍍金屬的凹形玻璃球面及基座組成。測量膜片左右空間被分隔成兩個室。 在兩室中充滿硅油，當左右兩室分別承受高壓PH和低壓PL時，硅油的不可壓縮性和流動性，便能將差壓PPHPL傳遞到測量膜片的左右面上。 因為測量膜片在焊接前加有預張力， 所以當P =0時處于中間平衡位置并十分平整， 此時定極板左右兩電容的電容值完全相等， 即CH=CL，電容量的差值C=0。 當有差壓作用時， 測量膜片發生變形， 也就是動極板向低壓側定極板靠近， 同時遠離高壓側定極板， 使得電容CHCL。通過引出線將這個電容變化輸送到電子轉換電路，可

14、實現對壓力或差壓的測量。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-9 電容式差壓傳感器 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （2） 變面積式電容壓力傳感器： 這種傳感器的結構原理圖如圖8-10（a）所示。 被測壓力作用在金屬膜片1上， 通過中心柱2、 支撐簧片3使可動電極4隨膜片中心位移而動作?？蓜与姌O4與固定電極5都是由金屬材質切削成的同心環形槽構成的， 有套筒狀突起， 斷面呈梳齒形， 在兩電極交錯重疊部分的面積決定電容量。 固定電極的中心柱6與外殼間有絕緣支架7， 可動電極則與外殼連通。 壓力引起的極間電容變化由中心柱引至電子線路， 變為直流信號420 mA輸出。 電子線路與上述可變電容安裝

15、在同一外殼中， 整體小巧緊湊。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-10 變面積電容式壓力傳感器（a） 結構圖； （b） 懸掛在介質中； （c） 安裝在容器壁上 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 5） 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器可以測量各種壓力， 如車輪通過枕木時的強壓力， 繼電器接點壓力和人體脈搏的微小壓力等。用得最多的是在汽車上測量氣壓、 發動機內部燃燒壓力和真空度。 如圖8-11所示的膜片式壓電壓力傳感器目前較常用。 圖中， 膜片起密封、 預壓和傳遞壓力的作用。 由于膜片的質量很小， 而壓電晶體的剛度很大， 所以傳感器具有很高的固有頻率(高達100 kHz以上)， 尤其適用于動

16、態壓力測量。 常用的壓電元件是石英晶體。 為了提高靈敏度， 可采用多片壓電元件層疊結構。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-11 膜片式壓電壓力傳感器 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 這種壓力傳感器可測量102108 Pa的壓力， 且外型尺寸可做得很小， 其下限頻率由電荷放大器決定。 傳感器中， 常設置的一個附加質量塊和一組極性相反的補償壓電晶體， 以補償測量時因振動造成的測量誤差。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 6） 振弦式壓力傳感器如圖8-12所示是振弦式壓力傳感器的原理結構圖。 在圓形壓力膜片1的上、下兩側安裝了兩根長度相同的振弦3、4， 它們被固緊在支座2上，并加上一定的預

17、應力。 當它們受到激勵而振動時， 產生的振動頻率信號分別經放大、振蕩電路10、 11后到混頻器12進行混頻， 所得差頻信號經濾波、整形電路輸出。 如無外力作用時，壓力膜片上、下兩根振弦所受張力相同， 受激勵后產生相同的振動頻率，由混頻器所得差頻信號的頻率為零。 若有外力F垂直作用于柱體9上時，壓力膜片受壓彎曲， 使上側振弦3的張力減小， 振動頻率減低，而下側振弦4的張力增大， 振動頻率增高。由混頻器輸出兩者振動頻率的差頻信號， 其頻率隨外力增大而升高。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-12 振弦式壓力傳感器 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 7） 霍爾壓力傳感器（1） 霍爾式壓力計：它

18、是利用霍爾元件測量彈性元件變形的一種電測壓力計。 它結構簡單、體積小、頻率響應寬、 動態范圍(輸出電勢的變化)大、可靠性高、易于微型化和集成電路化。 但其信號轉換頻率低、 溫度影響大，使用于要求轉換精度高的場合時必須進行溫度補償。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （2） 霍爾式微壓力傳感器：它的原理如圖8-13所示。 當被測壓力為零時，霍爾元件的上半部分感受的磁力線方向為從左至右，而下部分感受的磁力線方向從右至左，它們的方向相反，而大小相等，相互抵消，霍爾電動勢為零。當被測微壓力從進氣口進入彈性波紋膜盒時，膜盒膨脹，帶動杠桿（起位移放大作用）的末端向下移動，從而使霍爾器件在磁路系統中感受到的

19、磁場方向以從右至左為主，產生的霍爾電動勢為正值。 如果被測壓力為負壓， 杠桿端部上移，霍爾電動勢為負值。 由于波紋膜盒的靈敏度很高，又有杠桿的位移放大的作用， 所以可用來測量微小壓力的變化。 霍爾壓力傳感器也可由彈簧管與霍爾式位移傳感器構成。 霍爾式位移傳感器是將霍爾元件放置在由磁鋼產生的恒定梯度磁場中構成的。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-13 霍爾式微壓力傳感器原理示意圖（a） 結構； （b） 磁場與壓力的關系曲線 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.1.3 8.1.3 集成壓力傳感器的應用電路集成壓力傳感器的應用電路1. 1. 壓力測量電路壓力測量電路由壓力傳感器及運算放大器

20、組成的壓力測量電路如圖8-14所示。 圖中， 壓力傳感器采用43系列。 43系列是一種小型壓阻式壓力傳感器， 有絕對壓力和表壓力兩大類。 標準量程系列有05 Psi和0250 Psi，共分7擋， 每擋有A、B、C三種等級。1 Psi=6.895103 Pa，Psi是磅/英寸2(bf/in2)單位。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-14 壓力測量電路 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 供給傳感器的恒流源電流I0=Uz/R2可通過R2來調整，從而調節傳感器的靈敏度。該電路的電流為0.996 mA。43系列滿量程輸出為100 mV， 經A2、A3和A4放大后，要求相應的輸出為05 V，以此來

21、決定放大器的放大倍數。 調節調零電位器RP1， 使在零壓力時輸出為0 V。調節電位器RP2，使在滿量程時， 輸出為5 V。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2. 2. 便攜式壓力計電路便攜式壓力計電路圖8-15為用MPX2050硅壓力傳感器組成的便攜式壓力計電路。 它利用數字電壓表(DVM)作為指示或顯示裝置，電源為9 V電池。 MPX2050硅壓力傳感器的壓力測量范圍為050 kPa，滿量程輸出為40 mV。 數字電壓表的滿量程選為200 mV。 所以， 可調節增益電阻RP， 使傳感器滿量程輸出時，A1、A2差動輸出電壓為200 mV。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-15便攜式壓

22、力計電路第8章 壓力、流量和物位檢測技術 3. 3. 壓力變送器電路壓力變送器電路圖8-16為一個用集成變送器XTR101將傳感器輸出電壓轉為420 mA電流的二線制變送器電路。 二線制即信號、負載和電源串聯， 信號需要遠距離傳送（可能達幾百米），該系統采用直流24 V電源。負載可以用串聯電流表來指示，也可以用如圖所示的RL=240 轉換為0.964.8 V的電壓輸出來指示。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-16 420 mA壓力變送器電路 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 4. 4. 固態壓力開關電路固態壓力開關電路圖8-17是一個低成本定點的壓力開關電路，它可用來對電動機M實現控制

23、。 圖8-17 固態壓力開關電路 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 5. 壓力壓力/頻率變換電路頻率變換電路壓力/頻率變換電路如圖8-18所示。它利用四個運放U2AU2D，將壓力傳感器MPX2100輸出的差模電信號轉換成單端輸出的電信號，然后直接和AD654電壓頻率變換器相接。AD654輸出的頻率信號經場效應管V和R10組成的緩沖器輸出。該電路標稱零壓力輸出頻率為1 kHz， 滿量程為100 kPa， 輸出頻率為10 kHz。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-18 壓力/頻率變換電路 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-18中， B+為外界電源輸入端，要求最小值為10 V，最大值為

24、30 V，經U1集成穩壓塊輸出8 V電壓供MPX2100； 經U4集成穩壓塊輸出5 V電壓供場效應管V。U2A主要完成差模信號的放大； U2B用來防止運放的反饋電流流入傳感器的負端； U2C和U2D，使在零壓力和滿量程壓力（100 kPa)時， U2D輸出0.54.5 V的電壓。 AD654中的電容C3決定額定輸出頻率。調節R3， 使在零壓力（0.5 V）時輸出頻率為1 kHz。 調節R12，使在滿量程壓力（4.5 V）時輸出頻率為10 kHz。 輸出頻率信號的邏輯電平為5 V。 場效應管V和R1構成的緩沖器， 用來改善脈沖邊沿和電平移位， 使最后輸出頻率信號幅度為5 V， 占空比為50%的方

25、波信號。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.1.4 8.1.4 壓力計的選擇和使用壓力計的選擇和使用1. 1. 壓力計的選擇壓力計的選擇壓力計的選擇應根據具體情況作具體分析， 在符合工藝過程、 熱工過程所提出的技術要求， 適應被測介質的性質和現場環境的條件下，本著節約的原則，合理地選擇壓力計的種類、 儀表型號、量程和精確度等級等，以及是否要帶報警、 遠傳、 變送等附加裝置。對于彈性式壓力計，為了保證彈性元件能在彈性變形的安全范圍內可靠地工作， 在選擇量程時必須留有足夠的余地， 一般在被測壓力較穩定的情況下， 最大壓力值應不超過滿量程的3/4，在被測壓力波動較大的情況下，最大壓力值應不超過滿

26、量程的2/3。為保證測量精確度，被測壓力最小值應不低于全量程的1/3。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 例如，要測量高壓油噴嘴霧化劑(蒸汽)的壓力， 已知蒸汽壓力為(24)105 Pa，要求最大測量誤差小于104 Pa， 如何選擇壓力表呢?根據已知條件及彈性式壓力計的性質， 決定選用Y-100型單圈管彈簧壓力計， 其測量范圍為06105 Pa(當壓力從2104 Pa變化到4105 Pa時， 正好處于量程的1/32/3)。 要求最大測量誤差小于104 Pa， 即要求儀表的相對誤差為 %7 . 1Pa0)10-(6Pa1054max 所以應選1.5級表。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2.

27、2. 壓力計的使用壓力計的使用 1） 測量點的選擇測量點的選擇應能代表被測壓力的真實情況。因此，取壓點不能處于流束紊亂的地方，應選在管道的直線部分，也就是離局部阻力較遠的地方。導壓管最好不要伸入被測對象內部， 而在管壁上開一形狀規整的取壓孔，再接上導壓管，如圖8-19所示。當一定要插入對象內部時，其管口平面應嚴格與流體流動方向平行，如圖8-19所示。如圖8-19或那樣放置就會得出錯誤的測量結果。 此外，導壓管端部要光滑，不應有突出物或毛刺。 為避免導壓管堵塞，取壓點一般要求在水平管道上。 在測量液體壓力時，取壓點應在管道下部， 使導壓管內不積存氣體； 測量氣體壓力時，取壓點應在管道上部， 使導

28、壓管內不積存液體。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-19 導壓管與管道的連接 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2） 導壓管的鋪設(包括各種閥)鋪設導壓管時， 應保持對水平有110120的傾斜度， 以利于導壓管內流體的排出。 導壓管中的介質為氣體時， 在導壓管最低處需裝排水閥； 為液體時， 則在導壓管最高處需裝排氣閥； 若被測液體易冷凝或凍結， 必須加裝管道保溫設備。 在靠近取壓口的地方應裝切斷閥， 以備檢修壓力計時使用。 在需要進行現場校驗和經常沖洗導壓管的情況下， 應裝三通開關。 導壓管內徑一般為610 mm，長度小于等于50 m(以減少滯后)， 否則要裝變送器。 第8章 壓力、流

29、量和物位檢測技術 3） 壓力計的安裝測量蒸汽壓力或壓差時， 應裝冷凝管或冷凝器。 冷凝器的作用是使導壓管中被測量的蒸汽冷凝， 并使正負導壓管中冷凝液具有相同的高度且保持恒定。 冷凝器的容積應大于全量程內差壓計或差壓變送器工作空間的最大容積變化的三倍。 當被測流體有腐蝕性， 且易凍結、 易析出固體或是高粘度時， 應采用隔離器和隔離液，以免破壞差壓計或差壓變送器的工作性能。 隔離液應選擇沸點高，凝固點低，化學與物理性能穩定的液體，如甘油、乙醇等。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 被測壓力波動頻繁和劇烈時(如壓縮機出口)可用阻尼裝置。 安裝壓力計時應避免溫度的影響， 如遠離高溫熱源， 特別是彈性式

30、壓力計一般應在低于50的環境下工作。 安裝時還應避免振動的影響。 壓力計安裝示例如圖8-20所示。 在圖（c）所示的情況下， 壓力計上的指示值比管道內的實際壓力高。 這時， 應減去從壓力計到管道取壓口之間一段液柱的壓力， 即 P=P表-h （8-5） 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-20 壓力計安裝示例圖（a） 測量蒸汽； （b） 測量腐蝕性介質；（c） 壓力計安裝在管道下方 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 4） 壓力計的維護為防止臟污液體或灰塵積存在導壓管和差壓計中， 應定期進行清洗。 其方法是被測流體為氣體或液體時， 可用潔凈的空氣將其吹入主管道； 如果被測流體是液體時， 可用清

31、潔的液體將其通入主管道。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.2 流量測量技術流量測量技術 8.2.1 8.2.1 流量及其測量方法流量及其測量方法1. 1. 流量的概念流量的概念單位時間內流過管道內某一截面的流體數量， 稱為瞬時流量。 而在某一段時間間隔內流過管道某一截面的流體量的總和， 即瞬時流量在某一段時間內的累積值， 稱為總量或累積流量， 如用戶的水表、 氣表等。 工程上講的流量常指瞬時流量，下面若無特別說明均指瞬時流量。 瞬時流量有體積流量和質量流量之分。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 1） 體積流量qv 體積流量qv是指單位時間內通過某截面的流體的體積，單位為m3/s。根據定

32、義，體積流量可表示為 s/mdd2vStVq(8-6) 式中, S為管道截面面積（m2）；v為管道內平均流速(m/s)； V為流體體積（m3）；t為時間(s)。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2） 質量流量qm 質量流量qm是指單位時間內通過某截面的流體的質量。根據定義，質量流量可表示為 kg/sddmvSfmq (8-7) 式中, 為流體的密度(kg/m3); m為流體的質量（kg）。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2. 2. 流量的測量方法流量的測量方法生產過程中各種流體的性質各不相同， 流體的工作狀態（如介質的溫度、 壓力等）及流體的粘度、 腐蝕性、 導電性也不同， 很難用一種原

33、理或方法測量不同流體的流量。 尤其工業生產過程的情況復雜， 某些場合的流體是高溫、 高壓， 有時是氣液兩相或液固兩相的混合流體。 所以目前流量測量的方法很多， 測量原理和流量傳感器（或稱流量計）也各不相同， 從測量方法上一般可分為速度式、 容積式和質量式三大類。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 1） 速度式流量測量原理 速度式流量傳感器大多是通過測量流體在管路內已知截面流過的流速大小實現流量測量的。 它是利用管道中流量敏感元件（如孔板、 轉子、 渦輪、 靶子、 非線性物體等）把流體的流速變換成壓差、 位移、 轉速、 沖力、 頻率等對應的信號來間接測量流量的。 差壓式、 轉子、 渦輪、 電磁、

34、 旋渦和超聲波等流量傳感器都屬于此類。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2） 容積式流量測量原理 容積式流量傳感器是根據已知容積的容室在單位時間內所排出流體的次數來測量流體的瞬時流量和總量的。 常用的容積式流量傳感器有橢圓齒輪式、 旋轉活塞式和刮板式等。 3） 質量式流量測量原理 質量式流量傳感器有兩種，一種是根據質量流量與體積流量的關系， 測出體積流量再乘以被測流體的密度的間接質量流量傳感器， 如工程上常用的補償式質量流量傳感器， 它采取溫度、 壓力自動補償； 另一種是直接式質量流量傳感器， 如熱電式、 慣性力式、 動量矩式質量流量傳感器等。 直接法測量具有不受流體的壓力、 溫度、 粘度等

35、變化影響的優點， 是一種正在發展中的質量流量傳感器。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.2.2 8.2.2 幾種速度式流量傳感器幾種速度式流量傳感器1. 1. 差壓式流量傳感器差壓式流量傳感器1） 差壓式流量傳感器及其原理差壓式流量傳感器又稱節流式流量傳感器， 主要由節流裝置和差壓傳感器 (或差壓變送器)組成， 如圖8-21所示。 它是利用管路內的節流裝置， 將管道中流體的瞬時流量轉換成節流裝置前后的壓力差， 然后用差壓傳感器將差壓信號轉換成電信號， 或直接用差壓變送器把差壓信號轉換為與流量對應的標準電流信號或電壓信號， 以供測量、 顯示、 記錄或控制。 在氣動控制中， 還可以轉換成氣動信

36、號， 然后用于顯示、 記錄或控制。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-21 差壓式流量傳感器 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 差壓式流量傳感器節流裝置的作用是把被測流體的流量轉換成壓差信號。 當被測流體流過節流元件時，流體受到局部阻力， 在節流元件前后產生壓力差， 就像電流流過電阻元件產生電壓差那樣，節流元件上游壓力P1高于下游壓力P2。 流量與壓差P= P1 - P2的關系為 PSqPSq220m0v（8-8） （8-9） 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 式（8-8）、 (8-9)為不可壓縮流體的流量基本方程式。 對于可壓縮的流體（如氣體或蒸氣）， 必須考慮流體密度變化和膨脹的影響

37、。 為此， 還需引入流體膨脹校正系數， 則可壓縮流體的流量基本方程式為 PSq20v（8-10） PSq20m（8-11） 式中，為流量系數，是用實驗方法求出的，它與節流裝置的結構形式、取壓方式、孔口截面積與管道截面積之比m、雷諾數Re、 孔口邊緣尖銳度、管壁粗糙度等因素有關， 運用時可從有關手冊直接查出；為膨脹校正系數， 它與孔板前后壓力的相對變化量、介質的絕熱指數、 孔口截面積與管道截面積之比等因素有關，運用時也可查閱有關手冊而得；S0為節流元件的開孔截面積。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2） 差壓式流量傳感器的投運差壓式流量傳感器投運時， 要特別注意其彈性元件不能突受壓力沖擊， 更

38、不要處于單向受壓狀態。 開表前， 必須使引壓管內充滿液體或隔離液， 引壓管中的空氣要通過排氣閥和儀表的放氣排除干凈。 開表過程中， 先打開平衡閥4， 并逐漸打開正壓側切斷閥5， 使正負壓室承受同樣的壓力， 然后打開負壓側切斷閥6， 并逐漸關閉平衡閥4， 便可投入運行。 儀表在停運時與開表過程相反， 先打開平衡閥， 然后關閉正、 負側切斷閥， 最后再關閉平衡閥。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2. 2. 電磁流量傳感器電磁流量傳感器1） 電磁流量傳感器的工作原理 電磁流量傳感器是根據法拉第電磁感應定律測量導電性液體的流量。 如圖8-22所示， 在磁場中安置一段不導磁、 不導電的管道， 管道外

39、面安裝勵磁線圈（或一對磁極）， 在勵磁線圈通電后， 當有一定電導率的流體在管道中流動時就切割磁力線。 與金屬導體在磁場中的運動一樣， 在導體(流動介質)的兩端也會產生感應電動勢， 由設置在管道上的電極導出。 該感應電勢大小與磁感應強度、 管徑大小、 流體流速大小有關， 即 BDtedd(8-12) 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-22 電磁式流量傳感器（a） 工作原理圖； （b） 電極部件剖面圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 由于體積流量與流體流速的關系為 vv2441KqqDBevDSqv(8-13) 式中，為儀表常數。當磁感應強度B及管道內徑D固定不變時， 則K為常數， 兩電極

40、間的感應電動勢e與流量qv呈線性關系，便可通過測量感應電動勢來間接測量被測流體的流量qv值。 DBK4第8章 壓力、流量和物位檢測技術 電磁流量傳感器產生的感應電動勢信號是很微小的， 常與電磁流量轉換器組成變送器， 輸出010 mA或420 mA的標準電流信號或一定頻率的脈沖信號， 配合單元組合儀表或計算機對流量進行顯示、 記錄、運算、 報警和控制等。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2） 電磁流量傳感器的特點 電磁流量傳感器只能測量導電介質的流體流量。 電磁流量傳感器適用于測量各種腐蝕性酸、 堿、 鹽溶液， 固體顆粒懸浮物， 粘性介質(如泥漿、 紙漿、 化學纖維、 礦漿)等溶液； 也可用于

41、各種有衛生要求的醫藥、 食品等部門的流量測量(如血漿、 牛奶、 果汁、 鹵水、 酒類等)； 還可用于大型管道自來水和污水處理廠流量測量等。 電磁流量傳感器反應迅速， 可以測量脈動流量。 電磁流量傳感器的測量范圍很廣， 對于同一臺電磁流量傳感器， 量程比可達1100。 它的口徑可以從直徑1 mm做到2 m以上。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 當然，電磁流量傳感器也有其局限性和不足之處。 使用溫度和壓力不能太高，使用溫度一般低于120， 最高工作壓力一般不得超過1.6 MPa。 為了減小導管內引起的渦流損耗， 故測量導管不宜采用厚壁導管， 一般管壁厚度不超過8 mm。 電磁流量傳感器不能用來測

42、量氣體、 蒸汽和石油制品等非導電流體的流量。 對于導電液體， 其電導率的下限值一般也不得小于210-3510-3S/m(西門子/米)。 如果采用特殊的電子線路， 有可能將電導率下限擴大至110-4S/m。 流速和速度分布必須符合設定條件， 否則將會產生較大的測量誤差。 因此， 在電磁流量傳感器的前后， 必須有足夠的直管段長度， 以消除各種局部阻力對流速分布對稱性的影響。 感應電勢與流速有關， 電磁流量傳感器的滿量程流速下限一般不得低于0.3 m/s。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 3） 使用電磁流量傳感器應注意的問題（1） 安裝要求： 變送器安裝位置， 應選擇在任何時候測量導管內都能充滿液

43、體的地方， 以防止由于測量導管內沒有液體而指針不在零位所造成的錯覺。 最好是垂直安裝， 使被測液體自下向上流經儀表， 這樣可以避免在導管中有沉淀物或在介質中有氣泡而造成的測量誤差。 如不能垂直安裝時， 也可水平安裝， 但要使兩電極在同一水平面上。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （2） 接地要求：電磁流量計的信號比較弱，在滿量程時只有2.58 mV，流量很小時，輸出只有幾微伏，外界略有干擾就能影響測量的精度。因此變送器的外殼、屏蔽線、 測量導管以及變送器兩端的管道都要接地，并且要求單獨設置接地點，絕對不要連接在電機、電器等的公用地線或上下水管道上。轉換部分已通過電纜線接地，故勿再行接地。 （

44、3） 安裝地點：變送器的安裝地點要遠離一切磁源（例如大功率電機、 變壓器等），不能有振動。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （4） 電源要求： 傳感器和變換器必須使用同一相電源， 否則由于檢測信號和反饋信號相差-120的相位， 使儀表不能正常工作。 儀表的運行經驗表明， 即使變送器接地良好， 當變送器附近的電力設備有較強的漏地電流， 或在安裝變送器的管道上存在較大的雜散電流， 或進行電焊時， 都將引起干擾電勢的增加， 影響儀表正常運行。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 3. 3. 超聲波測量流速和流量超聲波測量流速和流量超聲波流量計是一種新型的流量計，它們按作用原理可分為三類： 時間差法、

45、相位差法和頻率差法； 聲束偏移法； 多普勒效應法。 頻率差法的最大優點是不受聲速的影響，即不必對流體溫度改變而引起聲波的變化進行補償，因此是常用的方法。下面只介紹頻率差法。 如圖8-23所示是超聲波頻差法流量計原理圖， 它是利用液體的運動對超聲波在液體中傳播速度的影響而測出液體流速的。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-23 超聲波頻率差法流量計原理圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 在管道壁上設置兩個相對的超聲波探頭，它們的連線與管道軸線之垂直線的交角為。由探頭TR1發射超聲波順流而下， 傳到探頭TR2， TR2收到超聲脈沖后， 經電路而觸發發射探頭TR1再次發射脈沖。 同理，探頭T

46、R2發射超聲波逆流而上，傳到探頭TR1，TR1收到超聲脈沖后，經電路而觸發發射探頭TR2再次發射脈沖。由于順流而下的超聲波比波逆流而上的超聲波傳播速度多了流速分速度的2倍，因此兩個超聲波頻率不同， 其頻率差為 dvfff2cos21（8-14） 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 式（8-14）說明f與流速v成正比, 而與聲速無關，從而消除了聲速隨介質溫度變化而造成的測量誤差。同時，可得體積流量QV測量公式為 fdvdQ2cos4432V（8-15） 所以只要測得f就可以得出QV。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 用計數器將依次測得的f進行積算，就可以得到累計流量。 如圖8-23所示， 通過切

47、換開關和接收機就可以將信號引入測量電路。測量電路由倍頻器、可逆計數器和累計器，A/D轉換和瞬時指示所組成。 倍頻器可提高測量精確度， 可逆計數器測出f，累計器得到累計流量，可逆計數器的輸出信號送到累計器的同時送入A/D轉換和瞬時指示， 后者將數字信號變為模擬信號后顯示出來， 此信號（05 V）也可供給遙測系統。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 超聲波流量計可測任何液體的流量，特別是腐蝕性、高粘度、非導電液體的流量。也可測量大口徑管路水流量以及海水流速等等。從原理上講，也能測量氣體流量和含有固體微粒的液體流量。但是，流體中含有的粒子過大、過多，將會使超聲波大大地衰減，從而影響測量精確度。超聲波

48、流量計的量程比一般為201，誤差約為2%3%。若超聲波探頭安裝在管外，則壓力損失小，對流體擾動小，安裝方便?？紤]到管子截面的流速分布對測量精確度的影響，變送器上、下游應具有一定長度的直管段。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 4. 4. 激光流速傳感器激光流速傳感器激光流速傳感器的工作原理基于大家熟知的多普勒效應： 當波源和觀測者彼此接近時， 所接收到的頻率變高， 而當波源和觀測者彼此分開時， 所接收到的頻率變低。 當激光照射到跟隨流體一起運動的微粒上時， 激光被運動著的微粒(可看作波源)所散射， 散射光的頻率與入射光的頻率之差和流速成正比。 多普勒頻率(或稱多普勒頻移)fD與運動粒子流速的關

49、系為 D2sin2fv(8-16） 式中，為入射光波長; 為兩束入射光夾角。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 如圖8-24所示是激光流速傳感器的結構示意圖。 從激光源射出的激光束通過偏振面偏轉器后， 由光束分解器將激光分為兩束， 再由焦點透鏡聚焦在焦點位置， 這個焦點便是測定點。 測定點的粒子引起的散射光由聚焦透鏡導向光敏元件， 光敏元件輸出的電信號由電路處理后， 即可得到流速。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-24 激光流速傳感器結構示意圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 5. 5. 光纖流速傳感器光纖流速傳感器如圖8-25所示是光纖流速傳感器的結構示意圖。 將多模光纖插入順流放

50、置的銅管中， 在其輸入端射入激光。 當管道中的流體流動時， 流體的壓力使光纖發生機械應變， 從而使光纖中傳輸的各模式的光的相位差發生變化， 光纖中射出的發射光強就會出現強弱的變化， 其振幅與流體的流速成正比。 因此可根據測出的振幅， 得知流體的流速。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-25 光纖流速傳感器的結構示意圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 6. 6. 多普勒血流計多普勒血流計多普勒血流計的工作原理圖，如圖8-26所示。在人的皮膚上設置有發射換能器和接收換能器，發射換能器通過壓電元件將電磁振蕩轉換為超聲波向血管發射，接受換能器則通過壓電元件將血液紅血球反射回來的超聲波轉換為電信

51、號。 當血液流動時，多普勒頻率為 vcffd2cos20（8-17） 式中，f0為發射超聲波頻率；c為超聲波在血液中的速度，約為1500 m/s；v為紅血球運動的速度；為發射換能器與皮膚的夾角；為接收換能器與皮膚的夾角。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-26 多普勒血流計工作原理圖第8章 壓力、流量和物位檢測技術 7. 7. 熱導式流速傳感器熱導式流速傳感器我們知道， 各種流體在管道中流動時， 任意兩點間傳遞的熱量與單位時間內通過給定面積的運動流體的質量成正比， 根據這一原理可以制成流速傳感器。 如圖8-27所示是采用熱導方法進行氣體流速測量的工作原理示意圖。 第8章 壓力、流量和物位

52、檢測技術 圖8-27 熱導式流速測量原理 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 表表8-3 各種常見氣體及溶劑蒸汽在各種常見氣體及溶劑蒸汽在0時的相對導熱系數時的相對導熱系數第8章 壓力、流量和物位檢測技術 根據上述原理，利用半導體技術可以制成熱導式集成流速傳感器，圖8-28是這種傳感器的芯片布局及內部電路圖。 熱導式集成流速傳感器由三個半導體管等組成，其中V3為加熱管，V1和V2為兩個對稱地分布在V3兩側的溫度傳感器。V1用來檢測流體的溫度T1，V2則用來測定由于流體流動從加熱管V3帶走熱量而形成的附加溫度T2。當流體按圖8-28(a)所示方向流動時，在芯片的兩側將形成溫度差T2-T1，這個溫差

53、通過差分電路輸出。 隨著流體速度的增加，芯片兩端的溫差也增大，導致差分電路輸出信號的增加。 因此檢測到差分電路輸出信號的大小，便可測得流體的流速。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-28 熱導式集成流速傳感器（a） 芯片分布圖； （b） 芯片內部電路 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.2.3 8.2.3 流量測量儀表的選用流量測量儀表的選用1. 1. 流量測量儀表的發展趨勢流量測量儀表的發展趨勢近年來，過去應用最廣泛的節流裝置（占流量測量儀表的70%以上）生產量正逐年下降。例如，日本1981年節流裝置只占流量測量儀表的38%。 儀表測量精確度有所提高。如電磁流量計的精確度過去只有1.

54、5級，現已提高到0.5級。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 微機用于測量儀表，即儀表智能化。其優點為：使儀表性能穩定， 精確度提高，功能增強（如用于數據處理，自動去掉疏失誤差， 求平均值， 求均方差等），自動選擇計量單位， 自動改變量程（如有的可以改變四個量程，有的可以自動設定量程），進行各種修正運算（如氣體溫度、壓力變化對氣體流量的修正），自診斷功能等等?，F已生產的帶微機的流量計有轉子流量計、渦輪流量計、超聲流量計、激光流速計等。 各種特殊情況下的流量測量儀表發展很快， 如用于兩相介質（氣固、 液固、 液氣）， 高溫， 高壓下的流量測量儀表。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2. 流量測

55、量儀表的選擇流量測量儀表的選擇 表表8-4 流量測量儀表的參數流量測量儀表的參數 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.3 物位檢測與控制物位檢測與控制 物位傳感器種類較多，按其工作原理可分為下列幾種類型： （1) 直讀式：根據流體的連通性原理測量液位。 （2) 浮力式： 根據浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮子(或稱沉筒)的浮力隨液位高度變化而變化的原理測量液位。 （3） 差壓式：根據液柱或物料堆積高度變化對某點上產生的靜(差)壓力的變化的原理測量物位。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 （4）電學式：把物位變化轉換成各種電量變化而測量物位。 （5）核輻射式：根據同位素射線的核

56、輻射透過物料時， 其強度隨物質層的厚度變化而變化的原理測量液位。 （6） 聲學式：根據物位變化引起聲阻抗和反射距離變化而測量物位。 （7） 其他形式：如微波式、激光式、射流式、光纖維式傳感器等等。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 8.3.2 8.3.2 靜壓式液位計靜壓式液位計1. 1. 壓力式液位計壓力式液位計 壓力式液位計是屬于靜壓式液位計的一種， 其原理以流體靜力學為基礎。 它一般僅適用于敞口容器的液位測量， 通常有利用壓力表測量液位和利用吹氣法測量液位兩種形式。 在此僅介紹利用壓力表測量液位的方法。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 利用壓力表測量液位的原理如圖8-29所示。測量儀表

57、通過導壓管與容器底部相連，由測壓儀表的示值即可知道液位高度（可以用液位高度標度），即 PHg=H （8-18） 如需將信號遠傳，則可采用氣動或電動壓力變送器進行檢測發信。但是液體密度不是定值時，會引起一定的誤差。 當壓力表與其取壓點和取壓點與被測液位的零位不在同一水平位置時， 必須對位置高或低引起的壓力差值進行修正， 否則儀表示值與實際液位不相符。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-29 用壓力表測量液位原理圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2. 2. 差壓式液位計差壓式液位計1） 差壓式液位計工作原理差壓式液位計也屬于靜壓式液位計的一種， 它廣泛適用于密封容器的液位測量。 因為在有

58、壓力的密閉容器中， 液面上部空間的氣相壓力不一定為定值， 所以用壓力式液位計來測量液位時， 其示值中就包含有氣相壓力值，即使在液位不變時， 壓力表的示值也可能變化， 因而無法正確反映被測液位。為了消除氣相壓力變化的影響， 故需采用差壓式液位計。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 差壓式液位計是利用容器內的液位改變時，由液柱高度產生的靜壓也相應變化的原理而工作的， 如圖8-30所示。設PA為密閉容器中的氣相A點的靜壓(氣相壓力)，PB為密閉容器中的液相B點的靜壓，H為液柱高度，為液體密度。根據流體靜力學原理可知：A、B兩點的壓差為 gHPgHPPPPAABA（8-19） 如果為敞口容器，則PA為

59、大氣壓，公式(8-19)可變為 P=PB=Hg （8-20） 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-30 用差壓計測量液位原理圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 2） 法蘭式差壓變送器原理為了解決測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒及粘度大、 易凝固等液體液位時， 引壓管線被堵、 被腐蝕的問題， 需要用法蘭式差壓變送器, 如圖8-31所示。 圖中， 變送器的法蘭直接與容器上的法蘭相連接， 作為敏感元件的金屬膜盒經毛細管與變送器的測量室相通。 在膜盒、 毛細管和測量室所組成的封閉系統內充入硅油， 作為傳壓介質。 為使毛細管經久耐用， 其外部均套有金屬蛇皮保護管。 法蘭式差壓變送器的測量部分及氣動轉換

60、部分的動作原理與氣動差壓變送器的基本相同。 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 圖8-31 法蘭式差壓變送器測量液位原理圖 第8章 壓力、流量和物位檢測技術 3） 零點遷移 利用差壓變送器測量密閉容器液位時，由于現場的安裝條件不同，存在零點無遷移、正遷移和負遷移三種情況。 當差壓變送器的測量室與容器最低液位安裝在同一水平面上時，式（8-19）成立，無零點遷移。 如圖8-32所示， 當差壓變送器的測量室的安裝位置低于容器最低液位h高度時，不論實際液位如何變化，差壓計變送器輸出為P= Hg+ hg。即變送器的測量室總是增加了一個固定的壓差hg，需要抵消固定正值hg的作用，其方法叫做正遷移。 第8章