11.1 温度测量
11.2 压力测量
11.3 流量测量
11.4
11.5
11.6 变送器第 11章 传感器在工程检测中的应用返回主目录第 11章 传感器在工程监测中的应用在工业生产过程及工程检测中,为了对各种工业参数
（ 如压力,温度,流量,物位,位移等 ） 进行检测与控制,
首先要把这些参数转换成便于传送的信息,这就要用到各种传感器,把传感器与其它装置组合起来,组成一个检测系统或调节系统,完成对工业参数的检测与控制 。
考虑到系统中传感器与其它装置的兼容性与互换性,它们之间是用标准信号进行传输的,这些标准信号都是符合国际标准的信号,例如直流电流为 4~20 mA,直流电压为 1~5 V,压力信号为 20~100 kPa,以前也曾以直流电流 0~10 mA作为通用的标准信号 。
对一般输出为非标准信号的传感器,需把传感器的输出信号通过变送器 （ 或变送器功能模块电路 ） 变换成标准信号,
有了统一的信号形式和数值范围,无论是仪表还是计算机,只要有同样的输入电路或接口,就可以从各种变送器获得被测变量的信息,而且便于组成检测系统或调节系统 。
在工业自动化仪表中,有些变送器既有信号检测又有变送,如后面要介绍的压力 （ 差压 ） 变送器,一体化温度变送器等,这些变送器也可以认为是输出标准信号的传感器 。
下 面将着重介绍工程检测中应用的传感器及变送器 。
11.1
一,
1．
温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数 。 物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关 。 许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的,需要测量温度和控制温度 。
随着科学技术的发展,对温度的测量越来越普遍,而且对温度测量的准确度也有更高的要求 。
温度是表征物体冷热程度的物理量 。 温度不能直接加以测量,只能借助于冷热不同的物体之间的热交换,以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量 。
为了定量地描述温度的高低,必须建立温度标尺,即温标 。
温标就是温度的数值表示 。 各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定 。 历史上提出过多种温标,如早期的经验温标 （ 摄氏温标和华氏温标 ）,理论上的热力学温标,当前世界通用的国际温标 。 热力学温标确定的温度数值为热力学温度 （ 符号为 T）,单位为开尔文 （ 符号为 K）,1 K等于水三相点热力学温度的 。
热力学温度是国际上公认的最基本温度,国际温标最终以它为准而不断完善 。 我国目前实行的是 1990年国际温标
（ ITS-90）,它同时定义国际开尔文温度 （ 符号 ITS-90） 和国际摄氏温度 （ t90）,T90和 t90之间的关系为
16.273
1
15.2739090 kTct
在实际应用中,一般直接用 T和 t代替 T90和 t90 。
2．
(1) 温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器,就测量系统的功能而言,通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成,如图 11 - 1 所示 。 简单的温度传感器往往是温度传感器和显示组成一体的,一般在现场使用 。
(2) 温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触,可以分成接触式与非接触式两大类 。
接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触,当被测温度与感温元件达到热平衡时,温度敏感元件与被测温度对象的温度相等 。 这类温度传感器具有结构简单,
工作可靠,精度高,稳定性好,价格低廉等优点 。 这类测温方法的温度传感器主要有,基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度传感器,基于导体或半导体电阻值随温度变化的电阻式温度传感器,基于热电效应的热电偶温度传感器 。
非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理 。 物体辐射能量的大小与温度有关,并且以电磁波形式向四周辐射,当选择合适的接收检测装置时,便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号,实现温度的测量 。 这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器,红外辐射温度传感器,光纤高温传感器等 。 非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度传感器的测量滞后和在温度范围上的限制,可测高温,腐蚀,有毒,运动物体及固体,液体表面的温度,不干扰被测温度场,
但精度较低,使用不太方便 。
二,膨胀式温度传感器根据液体,固体,气体受热时产生热膨胀的原理,这类温度传感器有液体膨胀式,固体膨胀式和气体膨胀式 。
1．
在有刻度的细玻璃管里充入液体 （ 称为工作液,如水银,
酒精等 ） 构成液体膨胀式温度计 。 常用的有水银玻璃温度计和电接点式温度计,这种温度计远不能算传感器,它只能就地指示温度 。
电接点式温度计可对设定的某一温度发出开关信号或进行位式控制,有固定式和可调式两种 。 图 11 - 2 所示为可调电接点式温度计,其中一根铂丝接在毛细管下部固定处,另一根铂丝根据设定温度可以上下移动,当升至设定温度时,铂丝与水银柱接通,反之断开,这种既可指示,又能发出通断信号,常用于温度测量和双位控制 。
2,固体膨胀式固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的 。 它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片,为提高灵敏度常作成螺旋形 。 图 11 -3 为双金属温度计的结构示意图 。
螺旋形双金属片一端固定,另一端连接指针轴,当温度变化时,双金属片弯曲变形,通过指针轴带动指针偏转显示温度 。
它常用于测量 -80℃ ～ 600℃ 范围的温度,抗震性能好,读数方便,但精度不太高,用于工业过程测温,上下限报警和控制 。
3,气体膨胀式气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的,利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计,如图 11 - 4 所示 。 温包,毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器,其中充满工作物质 （ 如气体常为氮气 ）,
工作物质的压力经毛细管传给弹簧管,使弹簧管产生变形,并由传动机构带动指针,指示出被测温度的数值 。
压力温度计结构简单,抗振及耐腐蚀性能好,与微动开关组合可作温度控制器用,但它的测量距离受毛细管长度限制,
一般充液体可达 20m,充气体或蒸汽可达 60m。
三,
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器 。 它构造简单,
使用方便,具有较高的准确度,稳定性及复现性,温度测量范围宽,在温度测量中占有重要的地位 。
1.
两种不同的导体 （ 或半导体 ） 组成一个闭合回路,如图 11
- 5 所示 。
的导体或半导体的组合称为热电偶 。 两个接点,一个称工作端,又称测量端或热端,测温时将它置于被测介质中 ; 另一个称自由端,又称参考端或冷端 。
在图 11 - 5 所示的回路中,所产生的热电势由两部分组成,
温差电势和接触电势 。
接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势 。 两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散,在接触处失去电子的一侧带正电,得到电子的一侧带负电,形成稳定的接触电势 。 接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度 。 两接点的接触电势 EAB(T)和 EAB（ T0） 可表示为
EAB(T)=
式中,K——波尔兹曼常数 ;
e——单位电荷电量 ;
NAT,NBT和 NAT0,NBT0 ——分别在温度为 T和 T0时,导体 A,B的电子密度 。
温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势 。
BT
AT
N
N
e
KT ln
0
0ln)( 0
0
BT
AT
AB N
N
e
KTTE?
同一导体的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电,
低温端因获得多余的电子而带负电,因此,在导体两端便形成接触电势,其大小由下面公式给出,
dt
dt
tNd
Ne
KTTE ATT
T
AT
A
)(1),(
0
0
dt
dt
tNd
Ne
KTTE BTT
T
BT
B
)(1),(
0
0
式中,NAT和 NBT分别为 A导体和 B导体的电子密度,是温度的函数 。
Ｅ AB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0) (11 - 6)
在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,
热电偶的热电势可表示为
EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0) （ 11 - 7）
对于已选定的热电偶,当参考端温度 T0恒定时,EAB (T
0)=c为常数,则总的热电动势就只与温度 T成单值函数关系,
EAB(T,T)=EAB(T)-c=f(T)
实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的 。 分度表是在参考端温度为 0℃ 时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系 。 用热电偶测温,还要掌握热电偶基本定律 。 下面引述几个常用的热电偶定律 。
1,热电偶基本定律
（ 1） 中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？ 中间导体定律说明,在热电偶测温回路内,
接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响 。
接入第三种导体回路如图 11 - 6 所示 。 由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和 。 即
EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) (11 - 9)
当 T= T0 时,有
Ｅ BC(T0)+ECA(T0)=-EＡＢ (T0) （ 11 - 10）
将 (11 - 10） 式代入 (11 - 9） 式中得
ＡＢＣ (T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)（ 11 - 11）
同理,加入第四,第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势 。
(2)中间温度定律 热电偶 AB在接点温度为 t,t0时的热电势 EAB(t,t0)等于热电偶 AB在接点温度 t,tc和 tc,t0时的热电势 EAB(t,tc)和 EAB(tc,t0)的代数和 （ 见图 11 - 7 ）,即,
该定律是参考端温度计算修正法的理论依据 。 在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为 0℃ 的热电势进行修正 。
(3)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中,
不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何,都不能产生热电势 。 这条定理说明,热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成 。
)(),(),( 00 TTETTETTE CABCABAB
3.热电偶类型理论上讲,任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶,但为了准确可靠地测量温度,对组成热电偶的材料必须经过严格的选择 。 工程上用于热电偶的材料应满足以下条件,热电势变化尽量大,热电势与温度关系尽量接近线性关系,物理,化学性能稳定,易加工,复现性好,便于成批生产,有良好的互换性 。
实际上并非所有材料都能满足上述要求 。 目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种 。 国际电工委员会 （ IEC） 向世界各国推荐 8种标准化热电偶,所谓标准化热电偶,它已列入工业标准化文件中,具有统一的分度表 。 我国从 1988年开始采用 IEC标准生产热电偶 。 表 11-1 为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点 。
表中所列的每一种热电偶中前者为热电偶的正极,后者为负极 。 目前工业上常用的有四种标准化热电偶,即铂铑 30--铂铑 6,铂铑 10-铂,镍铬 -镍硅和镍铬 -铜镍 （ 我国通常称为镍铬 -
康铜 ） 热电偶,它的分度表见表 11 - 2 至表 11 - 5
另外,目前还生产一些特殊用途的热电偶,以满足特殊测温的需要 。 如用于测量 3800℃ 超高温的钨镍系列热电偶,用于测量 2~273K的超低温的镍铬 -金铁热电偶等 。
4,热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电偶的结构形式有普通型热电偶,铠装型热电偶和薄膜热电偶等 。
(1)普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极,绝缘套管,保护管和接线盒组成,其结构如图
11 - 8 所示 。 普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接,固定法兰连接,活动法兰连接,无固定装置等多种形式 。
(2)铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶 。 它是由热电偶丝,绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图 11 - 9所示 。 它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲 。 铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中 。
(3)薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀,化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,如图 11 - 10 所示 。 薄膜热电偶的热接点可以做得很小 （ 可薄到 0.01~0.1μm）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量 。
5.热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法从热电偶测温基本公式可以看到,对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度 t和自由端温度 t0有关,即,
EAB(t,t0)=e AB(t)-eAB(t0) （ 11 -13）
热电偶的分度表是以 t0=0℃ 作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,参考端温度往往不为 0℃,那么工作端温度为 t
时,分度表所对应的热电势 EAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势 EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式,
EAB(t,0)= EAB(t,t0)+ EAB(t0,0)
由此可见,EAB(t0,0)是参考端温度 t0的函数,因此需要对热电偶参考端温度进行处理 。
(1)热电偶补偿导线 在实际测温时,需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样参考端温度 t0也比较稳定 。 热电偶一般做得较短需要用导线将热电偶的冷端延伸出来 。 工程中采用一种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在
0~100℃ 温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性 。
常用热电偶的补偿导线列于表 11 - 6
(2)参考端温度修正法采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方,但只要参考端温度不等于 0℃,
需要对热电偶回路的电势值加以修正,修正值为 EAB(t0,0)。
经修正后的实际热电势,可由分度表中查出被测实际温度值
(3)参考端 0℃ 恒温法 在实验室及精密测量中,通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中,以便参考端温度保持 0℃,
这种方法又称冰浴法 。
(4)参考端温度自动补偿法 （ 补偿电桥法 ） 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为 0℃ 或变化而引起热电势的变化值 。
如图 12-11 所示,不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻 r1\,r2,r3,电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻 rCU 和稳压电源组成 。
补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度,但由于
rCU的阻值随环境温度变化而变化,如果适当选择桥臂电阻和桥路电流,就可以使电桥产生的不平衡电压 Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势 EAB(t,t0)变化量,从而达到自动补偿的目的 。
4,热电偶测温线路热电偶测温时,它可以直接与显示仪表 （ 如电子电位差计,数字表等 ） 配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电流信号,图 11 - 12 为典型的热电偶测温线路 。 如用一台显示仪表显示多点温度时,可按图 11 - 13连接,这样可节约显示仪表和补偿导线 。
特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但只能是同一分度号的热电偶,且参考端应在同一温度下 。 如热电偶正向串联,可获得较大的热电势输出和提高灵敏度 。 在测量两点温差时,可采用热电偶反向串联 。 利用热电偶并联可以测量平均温度 。 热电偶串,并联线路如图 11 - 14 所示四,热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的 。 热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,一般把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻 。 热电阻广泛用来测量 -200~+850℃ 范围内的温度,少数情况下,低温可测量至 1K,高温达 1000℃ 。 标准铂电阻温度计的精确度高,并作为复现国际温标的标准仪器 。 热电阻传感器由热电阻,连接导线及显示仪表组成,如图 11 - 15所示 。
热电阻也可与温度变送器连接,转换为标准电流信号输出 。
1．
用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,R-t 关系最好成线性,物理化学性能稳定,复现性好等 。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻 。
(1)铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高,稳定性好,性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛应用 。 按 IEC标准,铂热电阻的使用温度范围为 -200~+850℃ 。
在 -200~0℃ 的温度范围内,
Rt=R0［ 1+At+Bt2+Ct3(t-100)］ ( 11 - 15)
在 0~850℃ 的温度范围内,
Rt = R0(1+At+Bt2)
式中 Rt和 R0分别为 t℃ 和 0℃ 时铂电阻值 ; A,B和 C为常数 。 在 ITS-90 中,这些常数规定为,
A=3.9083× 10-13/℃
B=-5.775× 10-7/℃ 2
C=-4.183× 10-12/℃ 4
从上式看出,热电阻在温度 t时的电阻值与 R0 有关 。 目前我国规定工业用铂热电阻有 R0=10Ω和 R0=100Ω两种,它们的分度号分别为 Pt10和 Pt100,其中以 Pt100为常用 。 铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,即 Rt-t 的关系表,这样在实际测量中,
只要测得热电阻的阻值 Rt,便可从分度表上查出对应的温度值 。 Pt100的分度表见表 11 - 7 。
铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比 W100表示,它是铂热电阻在 100℃ 时电阻值 R100与 0℃ 时电阻值 R0之比 。 按 IEC标准,
工业使用的铂热电阻的 W100>1.3850。
(2)铜热电阻 由于铂是贵重金属,因此,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测温,它的测量范围为 -50~+150℃ 。
铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为,
Rt=R0（ 1+αt） （ 11 - 17）
式中 α为铜热电阻的电阻温度系数,取 α=4.28× 10-3/℃ 。
铜 热 电 组 的 两 种 分 度 号 为 Cu50(R0=50Ω) 和 Cu100
（ R100=100Ω） 。
铜热电阻线性好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作 。
1.
工业用热电阻的结构如图 11 - 16 所示 。 它由电阻体,
绝缘管,保护套管,引线和接线盒等部分组成 。
电阻体由电阻丝和电阻支架组成 。 电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母,石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撑和绝缘作用,引出线通常采用直径 1mm的银丝或镀银铜丝,它与接线盒柱相接,以便与外接线路相连而测量显示温度 。 用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电桥电路 。
而热电阻与检测仪表相隔一段距离,因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响 。
热电阻内部引线方式有两线制,三线制和四线制三种,如图 11 - 17 所示 。 二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合 。 三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差 。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测 。
五,集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管 PN结的电流电压特性与温度的关系,把感温 PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上,
构成一个小型化,一体化的专用集成电路片 。 集成温度传感器具有体积小,反应快,线性好,价格低等优点,由于 PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测 150℃ 以下的温度 。
1,基本工作原理目前在集成温度传感器中,都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件 。 图 11 -18 是集成温度传感器基本原理图 。 其中 T1和 T2是互相匹配的晶体管,I1和 I2分别是 T1和 T2管的集电极电流,由恒流源提供 。 T1和 T2管的两个发射极和基极电压之差 ΔVbe可用下式表示,即,
)l n ()l n (
2
1
1
2
2
1
I
I
q
KT
AE
AE
I
I
q
KTU
图 11-18 集成温度传感器基本原理式中 k-是波尔兹曼常数 ;
q-是电子电荷量 ;
T-是绝对温度 ;
r -是 T1和 T2管发射结的面积之比 。
从式中看出,如果保证 I1/I2恒定,则 ΔVbe就与温度 T成单值线性函数关系 。 这就是集成温度传感器的基本工作原理,
在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器 。
1．
(1)电压输出型 电压输出型集成温度传感器原理电路图如图 11 - 19 所示 。 当电流 I1恒定时,通过改变 R1的阻值,可实现 I1=I2,当晶体管的 β≥1时,电路的输出电压可由下式确定,
即,
（ 11 - 19）
若取 R1=940Ω,R2=30KΩ,r=37,则电路输出的温度系数为,
ln
1
2
1
220 q
KT
R
R
R
URIU be
KmvqKRRdTdUC T /10ln
1
20
（ 2） 电流输出型图 11 - 20 为电流输出型集成温度传感器的原理电路图 。 T1和 T2是结构对称的两个晶体管,作为恒流源负载,T3和 T4管是测温用的晶体管,其中 T3管的发射结面积是 T4管的 8倍,即 r=8。 流过电路的总电流 IT为,
（ 11 - 20）
式中当 R和 r一定时,电路的输出电流与温度有良好的线性关系 。
若取 R为 358Ω,则电路输出的温度系数为,
ln222 1 qRKTRUII beT
KAqR KdTdIc TT /1ln2
电流输出型典型的集成温度传感器有美国 AD公司生产的 AD590,我国产的 SG590也属于同类型产品 。 基本电路与图 11 - 20一样,只是增加了一些启动电路,防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路,以进一步地提高性能 。
AD590的电源电压 4~30V,可测温度范围 -50~+150℃ 。
2,AD590集成温度传感器应用实例
AD590是应用广泛的一种集成温度传感器,由于它内部有放大电路,再配上相应外电路,方便地构成各种应用电路 。
下面介绍 AD590几种简单的应用线路 。
(1)温度测量电路 图 11 - 21 是一个简单的测温电路 。
AD590在 25℃ （ 298.2K） 时,理想输出电流为 298.2μA,但实际上存在一定误差,可以在外电路中进行修正 。 将 AD590串联一个可调电阻,在已知温度下调整电阻值,使输出电压 UT满足
1mV/k的关系 （ 如 25℃ 时,UT应为 298.2mV） 。 调整好以后,固定可调电阻,即可由输出电压 VT读出 AD590所处的热力学温度 。
(2)控温电路 简单的控温电路如图 11 - 22 所示 。 AD311为比较器,它的输出控制加热器电流,调节 R1可改变比较电压,从而改变了控制温度 。 AD581是稳压器,为 AD590提供一个合理的稳定电压 。
(3)热电偶参考端补偿电路 该种补偿电路如图 11 - 23 所示 。
AD590应与热电偶参考端处于同一温度下 。 AD580是一个三端稳压器,其输出电压 VOUT=2.5V。 电路工作时,调整电阻 R2使得,
I1=t0× 10-3 mA
这样在电阻 R1上产生一个随参考端温度 t0变化的补偿电压
V1=I1R1。
当热电偶参考端温度为 t0,其热电势 EAB(t0,0)≈S·t0,S为塞贝克系数 （ μv/℃ ） 。 补偿时应使 V1与 EAB(t0,0)近似相等,即
R1与塞贝克系数相等,不同分度号的热电偶,R1的阻值亦不同 。
这种补偿电路灵敏,准确,可靠,调整方便,温度变化在 15~35℃ 范围内,可获得 ± 5℃ 的补偿精度 。
11.2 压力测量一,压力概述压力是重要的工业参数之一,正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义 。 压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中 。
工程技术上所称的,压力,实质上就是物理学里的,压强,,定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力 。 其表达式
（ 11 - 21）
式中 P--为压力 ;
F--为作用力 ;
A--为作用面积 。
国际单位制 （ SI） 中定义,1牛顿力垂直均匀地作用在 1
平方米面上,形成的压力为 1“帕斯卡,,简称,帕,,符号为
Pa。 过去采用的压力单位,工程大气压,（ 即 kgf/cm2）,
,毫米汞柱,（ 即 mmHg）,,毫米水柱,（ 即 mmH2O）,
物理大气压 （ 即 atm） 等均应改为法定计量单位帕,其换算关系如下,
1 kgf/cm2=0.9807× 105Pa
1mmH2O=0.9807× 10Pa
1mmHg=1.332× 102Pa
1atm=1.01325× 105Pa
(1)绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力,其零点以绝对真空为基准,又称总压力或全压力,一般用大写符号
P表示
(2)大气压力指地球表面上的空气柱重量所产生的压力,
以 P0表示 。
(3)表压力 绝对压力与大气压力之差,一般用 p表示 。 测压仪表一般指示的压力都是表压力,表压力又称相对压力 。
当绝对压力小于大气压力,则表压力为负压,负压又可用真空度表示,负压的绝对值称为真空度 。 如测炉膛和烟道气的压力均是负压 。
(4)差压 任意两个压力之差称为差压 。 如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小 。
测量压力的传感器很多,如应变式,电容式,差动变压器,霍尔,压电等传感器等都能用来测量压力 。 下面介绍几种工程上常用的测压传感器或测压仪表 。
二,
液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的 。 它们一般采用水银或水为工作液,用 U型管或单管进行测量,常用于低压,负压或压力差的测量 。
图 11 - 24所示的 U形管内装有一定数量的液体,U形管一侧通压力 p1,另一侧通压力 p2。 当 p1= p2时,左右两管的液体高度相等 。 当 p1< p2时,两边管内液面便会产生高度差 。
根据液体静力学原理可知,
Δp=p1-p1=ρg h （ 11 - 22）
式中 ρ为 U形管内液体的密度 。
如把压力 p1一侧改为通大气 P0,则式 （ 12-2）
p2=ρg h （ 11 - 23）
如果把 U形管的一个管换成大直径的杯,即可变成如图
11 - 25所示的单管或斜管 。 测压原理与 U形管相同,只是因为杯径比管径大得多,杯内液位变化可略去不计,使计算及读数更为简易 。
三,
弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的 。 它结构简单,价格低廉,现场使用和维修都很方便,又有较宽的压力测量范围,因此在工程中获得了非常广泛的应用 。
1．
采用不同材料,不同形状的弹性元件作为感压元件,可以适用于不同场合,不同范围的压力测量 。 目前广泛使用的弹性元件有弹簧管,波纹管和膜片等 。 图 11 - 26给出了一些常用弹性元件的示意图 。
图 11 - 27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 Δx与被测压力 Δp的关系符合胡克定律,
（ 11 - 24）
式中 C为弹簧的刚度系数 ; A为活塞的有效面积 。
当 C,A为定值时,测量压力就变为测量弹性元件的位移量 Δx。
A
xc
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,这将会造成测量误差 。 弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关,要减小这方面的误差,应注意选用合适的材料,加工成形后进行适当的热处理等 。
2．
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园形 （ 椭圆形或扁形 ）,弯成园弧形的空心管子,如图 12-28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 。 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,其结果使弹簧管的自由端产生位移,同时改变中心角 。 中心角的相对变化量与被测压力有如下的函数关系,
22
22
)1(1
2
k
a
a
b
bh
R
E
式中 θ-为弹簧管中心角的初始角 ;
Δθ-为受压后中心角的改变量 ; R为弹簧管弯曲圆弧的外半径 ;
h-为管壁厚度 ;
a,b-为弹簧管椭圆形截面的长,短半轴 ; Κ为几何常数
（ =RH/a2） ;
α,β-为与比值 a/b有关的参数 ; μ为弹簧管材料的泊松系数 ; E为弹性模数 。
由式 （ 11 - 25） 可知,如果 a=b,则 Δθ=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 Δθ比较小,要提高 Δθ,可采用多圈弹簧管 。
弹簧管压力表结构如图 11 - 29所示 。 被测压力由接头 9通入,
迫使弹簧管 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 。
弹簧管压力表结构简单,使用方便,价格低廉,使用范围广,
测量范围宽,可以测量负压,微压,低压,中压和高压,因此应用十分广泛 。
3．
压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件,它是基于压阻效应工作的 。 所谓压阻元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 11 - 30是压阻式压力传感器的结构示意图 。 在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,组成一个全桥测量电路 。 膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开 。 一端接被测压力,另一端接参考压力 。 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承受的压差的大小 。
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,能测出十几帕斯卡的微压,它是一种比较理想,目前发展和应用较为迅速的一种压力传感器 。
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,将传感器与计算机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
（ 1） 压力传感器的选用 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,传感器的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,许误差,介质特性及生产安全等因素,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。
如要测量高压蒸汽的压力,已知蒸汽压力为 （ 2~4）
× 105Pa,生产中允许最大测量误差为 104Pa且要求就地显示,
如何选择压力表呢？
%7.110)06( 10 5
4
m a x
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 0~6× 105Pa（ 当压力从
2× 105Pa变化到 4× 105Pa时,正好处于量程的 1/3~2/3） 。 要求最大测量误差小于 104Pa,即要求传感器的相对误差所以应选 1.5级表
（ 2） 压力传感器的安装 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 。 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份,即离局部阻力较远的地方 。
测量高温蒸汽压力时,应装回形冷凝液管或冷凝器,以防止高温蒸汽与测压元件直接接触 。
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 11 - 31（ 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 。
压力传感器安装高度应与取压点相同或相近 。 对于图 11
- 32所示情况,压力表的指示值比管道内的实际压力高,对液柱附加的压力误差进行修正 。
11-31 测量高温，腐蚀介质压力表安装示意图
11-32 压力表位于生产设备下安装示意图
11.3 流量测一,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,很多原料,半成品,成品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 。
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 。
瞬时流量有体积流量和质量流量之分 。
（ 1） 体积流量 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,
qv= （ 11 - 26）
式中 V为截面 A中某一面积元 dA上的流速 。 如果用流体的平均流束 V表示,则体积流量可写成
qv = vA （ 11 - 27）
（ 2） 质量流量 qm单位时间内通过某截面的流体的质量,
单位为 kg/s。 根据定义,质量流量可用下式表示,
qm= （ 11 - 28）
若用平均流速表示,
（ 11 - 29）
Avdt
A vdA?
vm qvAq
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 。
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三大类 。
（ 1） 速度式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 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 。 常用的有椭圆齿轮,旋转活塞式和刮板等流量传感器 。
（ 3） 质量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 。
下面针对有代表性的,工业上应用较为广泛的流量传感器作介绍 。
二,差压式流量传感器差压式流量传感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 。 差压式流量传感器主要有节流装置和差压计 （ 或差压变送器 ） 组成,如图 11 - 33所示,节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号,差压计则对压差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 。
1．
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 。 它们的结构型式,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 11 - 34所示 。 其中孔板是最简单又最为典型,加工制造方便,
在工业生产过程中常采用孔板 。
标准节流装置按照规定的技术要求和试验数据设计,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 。
2．
（ 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 Δp(Δp=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 11 - 35为节流件前后流速和压力分布情况,图中充分地反映了能量形式的转换 。 由于流动是稳定不变的,即流体在同一时间内通过管道截面 A和节流件开孔截面 A0的流体量应相同,
这样通过截面 A0的流速必然比通过截面 A时快 。
（ 2） 流量方程式 假设节流件上游入口前的流速为 V1,密度为 ρ1,静压为 p1,流过节流件时的流速,密度和静压分别为
V2,ρ2和 p2,对于不可压缩理想流体,能量方程为,
22
2221 vv
流体的连续方程为,
AV 1ρ=A0V2ρ （ 11 - 31）
联立求解得到流量与压差之间的流量方程式为,
体积流量
2
0aAq v
质量流量
paAq m20
式中 α为流量系数 。 它与节流装置的结构形式,取压方式,
节流装置开孔直径和管道的直径比以及流体流动状态 （ 雷诺数 ） 等有关 。 对于标准节流装置,α值可直接从有关手册中查出 。
对于可压缩流体,例如各种气体及蒸汽,通过节流元件时,
由于压力变化必然会引起密度 ρ的改变,这时在公式中应引入流束膨胀系数 ε,公式应变为,
1
0
2
Aaq
v
10 2Aaq m
3．
标准节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压计或差压变送器 。 由流量基本方程式可以看出,被测流量与压差 Δp成平方根关系,对于直接配用差压计显示流量时,流量标尺是非线性的,为了得到线性刻度,可加开方运算电路 。 差压流量变送器应带有开方运算,使变送器输出电流与流量成线性关系,这将在变送器内容里作介绍 。
三,
电磁流量传感器是根据法拉弟电磁感应定律测量导电性液体的流量 。 如图 11 - 36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级,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 。
vBDdt
dE
式中 B-为磁感应强度 （ T） ;
D-为管道内径,相当于垂直切割磁力线的导体长度,m;
V-为导体的运动速度,即流体的流速,m/s;
E-为感应电动势,v。
体积流量 qv预留量流速 v
vDq v 241
将式（ 11 - 37）代入式（ 11 - 36）可得,
vv kqqD
BE
4
D
Bk
4?式中 K为仪表常数,
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 E与流量 qV成线性关系,便可通过测量感应电动势 E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,须通过电磁流量转换器来显示流量 。 常用的电磁流量转换器能把传感器的输出感应电动势信号放大并转换成标准电流 （ 0~10
mA或 4~20 mA） 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 。
磁流量传感器只能测量导电介质的流体流量 。 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以及脉动流量测量等 。
四,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 11 - 37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 11 - 37 涡轮流量传感器结构示意图涡轮由高导磁的不锈钢制成,线圈 3和永久磁钢 5组成磁电感应转换器 。 测量时,当流体通过涡轮叶片与管道间的间隙时,流体对叶片前后产生压差推动叶片,使涡轮旋转,在涡轮旋转的同时,高导磁性的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,因而在线圈两端产生感应电势,
该电势经过放大和整形,便可得到足以可测出频率的方波脉冲,如将脉冲送入计数器就可求得累积总量 。
在涡轮叶片的平均半径 rc处取断面,并将圆周展开成直线,
便可画出图 11 - 38。
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 α,便可写出
u=ω rc=v tanα
或 （ 11 - 39）
式中 n-为涡轮的转速 ;
ω-为涡轮的角速度 。
叶片缝隙间的有效流通面积为 A,
（ 11 - 40）
a
nr
a
wrv cc
t a n
2
t a n
AanrvAq cv t a n2
如涡轮上叶片总数为 Z,则线圈输出脉冲频率 f就是 60nZ
HZ,代入式 （ 11 - 39）
（ 11 - 41）
式中 ξ-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,信号易远传,且便于数字显示,可直接与计算机配合进行流量积算和控制 。 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测风速和水速 。
1
t a n30 faz
Arq c
v
11.4 物位测量一,
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 。 根据具体用途分为液位,料位,界位传感器 。
工业上通过物位测量能正确获取各种容器和设备中所储的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)其它形式 如微波式,激光式,射流式,光纤维式传感器等等 。
二,
浮力式液位传感器是利用液体浮力测量液位 。 它结构简单,使用方便,是目前应用较广泛的一种液位传感器 。 根据测量原理,分为恒浮力式和变浮力式两大类型 。
1.浮子式液位传感器最原始的浮力式液位传感器,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 11 - 39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 。
如把浮子换成浮球,测量从容器内移到容器外,用杠杆直接连接浮球,可直接显示罐内液位的变化 。 如图 11 - 40 所示 。
这种液位传感器适合测量温度较高,粘度较大的液体介质,
但量程范围较窄 。 如在该液位传感器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电触点 4的上下位移 。 当液位高于 （ 或低于 ） 极限位置时,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贮罐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 。 如图 11 - 41所示 。
沉筒式液位传感器是利用变浮力的原理测量液位 。 图
11 - 42为电动沉筒式液位传感器的结构原理图,它由液位传感器和霍尔变送器组成 。 圆柱形的沉筒沉浸在液体之中,当液面变化时,它被浸没的体积也有变化,浮筒受到的浮力就与原来不同,这样就可根据沉筒所受浮力大小判断液位的高低 。
当液位为零时,浮力为零,沉筒的全部重量作用在杠杆 2上,扭力管 3产生最大扭角 （ 可达 70左右 ）,心轴 4自由端的角位移也达最大 。 实验表明,扭力管的扭转角的变化量 Δθ与液位 H
的变化量成比例关系,这样把液位变化转换成角位移的变化,
通过霍尔变送器将角位移变化量转换成相应标准电流信号输出 。
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 。
三,
利用压力或差压变送器可以很方便地测量液位,而且能输出标准电流信号,有关变送器的原理将在后面变送器的内容中进行介绍,此处只讨论其测量原理 。
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,如图 11 - 43所示 。 通过引压导管把容器底部静压与测压仪表连接,当压力表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,
Pg
PH?
式中 H-为液位高度 （ m） ;
ρ-为液体的密度 （ kg/m3） ;
g-为重力加速度 （ m/s2） ;
p-为容器底部的压力 （ Pa） 。
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仪表或差压变送器测量液位的,如图 11 - 44所示 。
设容器上部空间的压力为 p,
p+=p+Hρg （ 11 - 43）
p-=p （ 11 - 44）
因此可得正负室压差为,
Δp= p+- p-=Hρg （ 11 - 45）
由式 （ 11 - 45） 可知,被测液位 H与差压 Δp成正比 。 但这种情况只限于上部空间为干燥气体时成立,假如上部为蒸汽或其它可冷凝成液态的气体,则 p-的导压管里必然会形成液柱,
这部份的液柱压力也必须要进行零点迁移 。
11.5 机械量一,概述机械量包括位移,转角 （ 角位移 ）,尺寸,转速,力,
重量,扭矩,振动,速度和加速度等 。 机械运动是各种复杂运动的基本形式,机械量是表征机械运动的基本物理量,它不仅是机械制造工业的重要参数,而且还是很多非电量传感器的中间参数,例如前面提到的弹性变形法测压力,浮力法测液位等都要经过机械量的转换 。 位移是机械量中最基本的参数,也是机械量检测的重点,其它机械量参数如力,力矩,速度,加速度和振动等,都是以位移测量作为基础的 。 所以在机械制造工业,工业自动检测及其它领域都离不开位移测量 。 下面着重介绍位移及位移传感器 。
位移测量时,应当根据不同的测量对象,选择适当的测量点,测量方向和测量系统 。 其中位移传感器选择是否恰当,
对测量精确度影响很大,必须特别注意 。
用于位移测量的传感器很多,因测量范围不同,所用的传感器是不同的 。 小位移通常用应变式,电感式,差动变压器式,电容式,霍尔式等传感器来检测,精度可达 0.5~1.0%,其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些,有些可达 100mm。 小位移传感器测微小位移,从几微米到几个毫米,
如物体振动的振幅测量等 。
大的位移常用感应同步器,光栅,磁栅,编码器等传感器来测量,其特点是易实现数字化,精度高,抗干扰能力强,
没有人为读数误差,安装方便,使用可靠等,这些传感器既可以测线位移,也可以测角位移,还可用来测长度,它们在自动检测和自动控制中得到日益广泛的应用 。
大部份的位移在前面章节中已有介绍 。 下面介绍一些前面未曾述及的位移传感器,这些传感器被广泛地应用于自动检测和自动控制系统中 。
二,
光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件 。 用于位移测量的光栅称为计量光栅 。
图 11 - 45为透射光栅的示意图 。 图中 a为刻线宽度,b为缝隙宽度,a+b=W称为光栅的栅距 （ 也称光栅常数 ） 。 通常
a=b=W/2,也可刻成 a:b=1.1:0.9。 目前常用的光栅每毫米刻成 10、
25,50,100,250条线条 。
光栅传感器又称光栅读数头,主要由标尺光栅,指示光栅,
光路系统和光电元件等组成 。 标尺光栅的有效长度即为测量范围 。 指示光栅比标尺光栅短得多,但两者刻有同样的栅距,
使用时两光栅互相重叠,两者之间有微小的空隙,其中一片固定,另一片随着被测物体移动,即可实现位移测量 。
1,光栅测量原理当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时,由于挡光效应 （ 对线纹密度 ≤50条 /mm的光栅 ） 或光的衍射作用
（ 对线纹密度 ≥100条 /mm的光栅 ）,在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为,莫尔条纹,,
见图 11 - 46所示 。
莫尔条纹测位移的特点,
(1)位移的放大作用 当光栅移动一个栅距 W时,莫尔条纹移动一个间距 BH,莫尔条纹的间距 BH与两光栅线纹夹角 θ之间的关系为,
BH =W/sin（ θ/2） ≈W/θ （ 11 - 46）
θ越小,BH越大 。 例如 θ=10分,则 1/θ≈344,即莫尔条纹宽度是栅距的 344倍 。 这相当于把栅距放大了 1/θ倍,提高了测量的灵敏度 。
(2)误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,能在很大程度上消除短周期误差的影响 。
若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化,则将光信号转换为电信号,输出的幅值可用光栅位移量 x的正弦函数表示,如图 11 - 47所示 。 以电压输出而言,
U=U0+Umsin(π/2+2πx/W) （ 11 - 49）
式中 U-为光电元件输出的电压信号 ;
U0-为输出信号中的平均直流分量 ;
Um-为输出信号中正弦交流分量的幅值 。
当光栅位移一个栅距 W,波形就变化一周,这时相应条纹移动一个条纹宽度 BH。 因此只要记录波形变化周数即条纹移动数 N,就可知道光栅的位移 x。
x=n BH （ 11 - 48）
将输出的电压信号经过放大,整形变为方波,经微分电路转换成脉冲信号,再经过辨向电路和可逆计数器计数,则可以数字形式实时地显示出位移量的大小 。
2．
位移是向量,因而对位移量的测量,除了确定大小之外,还应确定其方向 。
而可动光栅片向前或向后移动时,莫尔条纹都是作明暗交替的变化,从而无法判别光栅移动的方向,也不能正确测量出有往复移动时位移的大小 。 因此必须在测量电路中加入辨向电路 。 为了辨向,需要有相位差为 π/2的两个莫尔条纹信号 。
图 11 - 48为辨向的工作原理和它的逻辑电路 。 在相隔 1/4条纹间距的位置上放置两个光电元件,得到两个相位差 π/2的电信号 U1和 U2,经过整形后得两个方波信号 U1ˊ 和 U2ˊ 。 从图中波形的对应关系可看出,当光栅沿 A方向移动时,U1ˊ 经微分电路后产生的脉冲 （ 如图中实线所示 ） 正好发生在 U2ˊ 的
,1”电平时,从而经 Y1输出一个计数脉冲 ; 而 U1ˊ 经反相并微分后产生的脉冲 （ 如图中虚线所示 ） 则与 U2ˊ 的,0”电平相遇,与门 Y2被阻塞,无脉冲输出 。
在光栅沿 A方向移动时,U1ˊ 的微分脉冲发生在 U2ˊ 为
,0”电平时,与门 Y1无脉冲输出 ; 而 U1ˊ 的反相微分脉冲则发生在 U2ˊ 的,1”电平时,与门 Y2输出一个计数脉冲 。 则说明
U2ˊ 的电平状态作为与门的控制信号,来控制在不同的移动方向时,U1ˊ 所产生的脉冲输出路线 。 这样就可以根据运动方向正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲,再将其输入可逆计数器,
实时显示出相对于某个参考点的位移量 。
3．
在前面讨论的光栅测量原理中可知,以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量,其分辨力为光栅栅距 。 为了提高分辨力和测量比栅距更小的位移量,可采用细分技术 。
所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内,发出若干个脉冲,以减小脉冲当量,如一个周期内发出 n脉冲,即可使测量精度提高 n倍,而每个脉冲相当于原来栅距的 1/n。 由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍,因此也称之为 n倍频 。 细分方法有机械细分和电子细分两类 。 下面介绍电子细分法中常用的四倍频细分法,这种细分法也是许多其它细分法的基础 。
在上述辨向原理中可知,在相差 BH/4位置上安装两个光电元件,得到两个相位相差 π/2的电信号 。 若将这两个信号反相就可以得到四个依此相差 π/2的信号,从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲,实现四倍频细分 。 也可以在相差 BH/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分 。 这种方法不可能得到高的细分数,因此在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件,但它有一个优点,就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求 。
三,
1,结构原理感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变化的原理,将直线位移或角位移转换成电信号的 。
感应同步器有直线式和旋转式两种,分别用于直线位移和角位移测量,两者原理相同 。 直线式 （ 长 ） 感应同步器由定尺和滑尺组成,如图 11 - 49所示 。 旋转式 （ 圆 ） 感应同步器由转子和定子组成,如图 11 - 50所示 。 在定尺和转子上的是连续绕组,
在滑尺和定子上的则是分段绕组 。 分段绕组分为两组,在空间相差 90° 相角,故又称为正,余弦绕组 。 工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压,由于电磁耦合,在另一种绕组上就产生感应电动势,该电动势随定尺与滑尺 （ 或转子与定子 ） 的相对位置不同呈正弦,余弦函数变化,再通过对此信号的检测处理,便可测量出直线或转角的位移量 。
2,信号处理方式从信号处理方式来说,可分为鉴相和鉴幅方式两种 。 它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理 。
下面以长感应同步器为例进行叙述 。
（ 1） 鉴相方式 滑尺的正弦,余弦绕组在空间位置上错开 1/4定尺的节距,激励时加上等幅等频,相位差为 90° 的交流电压,即分别以 sinωt和 cosωt来激励,这样,就可以根据感应电势的相位来鉴别位移量,故叫鉴相型 。
当正弦绕组单独激励时励磁电压为 Us=Um sinωt,感应电势为,
eS=kωUm cosωtsinθ ( 11 - 49)
式中,k-为耦合系数 。
当余弦绕组单独激励时 （ 励磁电压为 Uc=Um cosωt）,
感应电势为,
eC=kωUm sinωtcosθ ( 11 - 50)
按叠加原理求得定尺上总感应电动势为,
e= eS + eC =kωUm cosωtsinθ+kωUm sinωtcosθ
=kωUm sin(ωt+θ) ( 11 - 51)
式中的 θ=2πx/ω称为感应电动势的相位角,它在一个节距 W之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系,每经过一个节距,变化一个周期 （ 2π） 。
（ 2） 鉴幅式如在滑尺的正,余弦绕组加以同频,同相但幅值不等的交流激磁电压,则可根据感应电势振幅来鉴别位移量,称为鉴幅型 。
当加到滑尺两绕组的交流励磁电压为,
Us=Us sinωt ( 11 - 52)
Uc=Uc cosωt ( 11 - 53)
式中,Us=Um sinф;Uc=Um cosф,Um为激励电压幅值,ф为给定的电相角 。
它们分别在定尺绕组上感应出电动势为,
eS=kωUs sinωtsinθ ( 11 - 54)
eC=kωUc sinωtcosθ ( 11 - 55)
定尺的总感应电势为,
e=eS + eC=kωUs sinωtsinθ+kωUc sinωtcosθ
=kωUm sinωt(cosфcosθ+sinфsinθ)
=kωUm sinωtcos(ф-θ) ( 11 - 56)
式中把感应同步器两尺的相对位移 x(=2πθ/ω)和感应电势的幅值 kωUmcos(ф-θ)联系了起来 。
3．
图 11 - 51为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图 。 脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列,经过脉冲一相位变换器进行 N分频后,输出参考信号方波 θ0和指令信号方波 θ1。
参考信号方波 θ0经过激磁供电线路,转换成振幅和频率相同而相位差为 90° 的正,余弦电压,给感应同步器滑尺的正,
余弦绕组激磁 。 感应同步器定尺绕组中产生的感应电压,经放大和整形后成为反馈信号方波 θ2。 指令信号 θ1和反馈信号 θ2同时送给鉴相器,鉴相器既判断 θ2和 θ1相位差的大小,又判断指令信号 θ1的相位超前还是滞后于反馈信号 θ2的相位 。 假定开始时 θ1=θ2,当感应同步器的滑尺相对定尺平行移动时,将使定尺绕组中的感应电压的相位 θ2（ 即反馈信号的相位 ） 发生变化 。
此时 θ1≠θ2,由鉴相器判别之后,将有相位差 Δθ=θ2-θ1作为误差信号,由鉴相器输出给门电路 。 此误差信号 Δθ控制门电路,开门,
的时间,使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过 。
通过门电路的脉冲,一方面送给可逆计数器去计数并显示出来 ; 另一方面作为脉冲一相位变换器的输入脉冲 。 在此脉冲作用下,脉冲一相位变换器将修改指令信号的相位 θ1,使
θ1随 θ2而变化 。 当 θ1再次与 θ2相等时,误差信号 Δθ=0,从而门关闭 。 当滑尺相对定尺继续移动时,又有 Δθ=θ2-θ1作为误差信号去控制门电路的开启,门电路又有脉冲输出,供可逆计数器去计数和显示,并继续修改指令信号的相位 θ1,使 θ1和 θ2在新的基础上达到 θ1=θ2。 因此在滑尺相对定尺连续不断地移动过程中,就可以实现把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来 。
四,
1,概述将机械转动的模拟量 （ 位移 ） 转换成以数字代码形式表示的电信号,这类传感器称为编码器 。 编码器以其高精度,
高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移测量 。
编码器的种类很多 。 按其结构形式有直线式编码器和旋转式编码器 。 由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的,
因此旋转式编码器应用更为广泛 。
按其检测原理有电磁式,接触式,光电式等 。 光电式编码器具有非接触和体积小的特点,且分辨率高,它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用 。
目前我国已有 23位光电编码器,为科学研究,军事,航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段 。
旋转式编码器又分为增量式编码器和绝对式编码器 。 增量式编码器的输出是一系列脉冲,需要一个计数系统对脉冲进行累计计数,一般还需要一个基准数据即零位基准才能完成角位移测量 。 绝对式编码器不需要基准数据及计数系统,它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出 。
下面介绍光电式绝对编码器 。
2,光电式编码器光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘 （ 码盘 ）,狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成 。
基本结构如图 11 - 52所示 。 码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分,即亮区和暗区 。 码盘构造如图 11 - 53所示,它是一个 6位二进制码盘 。 当光源将光投射在码盘上时,转动码盘,通过亮区的光线经狭缝后,由光敏元件所接收 。 光敏元件的排列与码道一一对应,对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号,前者为,1”,后者为,0”。 当码盘旋至不同位置时,
光敏元件输出信号的组合,反映出按一定规律编码的数字量,
代表了码盘轴的角位移大小 。
编码器码盘按其所用码制可分为二进制码,十进制码,
循环码等 。
图 11 - 53所示的 6位二进制码盘,最内圈码盘一半透光,一半不透光,最外圈一共分成 26=64个黑白间隔 。 每一个角度方位对应于不同的编码 。 例如零位对应于 000000（ 全黑 ） ; 第 23个方位对应于 010111。 这样在测量时,只要根据码盘的起始和终止位置,就可以确定角位移,而与转动的中间过程无关 。 一个 n
位二进制码盘的最小分辨率,即能分辨的角度为 α=360° /2n。
若 n=6,则 α≈5.6°,如要达到 1秒左右的分辨率,至少采用 20位的码盘 。 对于一个刻划直径为 400mm的 20位码盘,其外圈分划间隔不到 1.2μm。 可见码盘的制作不是一件易事 。
采用二进制编码器时,任何微小的制作误差,都可能造成读数的粗误差 。 主要是二进制码当某一较高的数码改变时,
所有比它低的各位数码需同时改变 。 如果由于刻划误差等原因,某一较高位提前或延后改变,就会造成粗误差 。
为了清除粗误差,可用循环码代替二进制码 。 图 11 - 54
所示是一个 6位的循环码码盘 。 对于 n位循环码码盘,与二进制码一样,具有 2n种不同编码,最小分辨率 α=360° /2n。 表 给出了四位二进制码与循环码的对照表 。 从表中看出,循环码是一种无权码,从任何数变到相邻数时,仅有一位编码发生变化 。
如果任一码道刻划有误差,只要误差不太大,只可能有一个码道出现读数误差,产生的误差最多等于最低位的一个比特 。
所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差,不会产生粗误差 。 由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用 。
循环码是一种无权码,这给译码造成一定困难 。 通常先将它转换成二进制码然后再译码 。
按表 11 - 8 所列,可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为,
Rn=Cn
Ri=Ci⊕ Ci+1 （ 11 - 57）
或 Ci=Ri⊕ Ci+1
式中 R-表示循环码 ;
C-表示二进制码 。
根据上式用与非门构成循环码 -二进制码转换器,这种转换器所用元件比较多 。 如采用存贮器芯片可直接把循环码转换成二进制码 。
大多数编码器都是单盘的,全部码道则在一个圆盘上,但如要求有很高的分辨率时,码盘制作困难,圆盘直径增大,而且精度也难以达到 。 这时可采用双盘编码器,它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合而成为高分辨率的编码器 。
11.6 变送器一,温度变送器工业生产中广泛使用的温度变送器大多是与各种热电偶或热电阻配合,把温度 （ 或温差 ） 信号转换成统一标准电流信号输出,其中又分为输出直流 0~10 mA和输出直流 4~20 mA的两类对于其他传感器,如果能提供直流电动势或电阻值的变化,也可以与这些变送器配合,以将其它被测量也可变成相应的统一标准信号 。
（ 一 ） 输出 0~10 mA
这是一种无线性化功能的温度变送器,主要由输入回路,
自激调制式直流放大器及负反馈回路等组成 。 其构成方框图如图 11 - 55所示 。
由温度传感器热电偶或热电阻送来的反映温度 （ 或温差 ）
参数大小的信号Ｅ t或Ｒ t,经输入回路转换成相应的直流毫伏信号Ｖ i后,与反馈信号Ｖ f进行比较,其差值 ε在自激调制式直流放大器内先变换为交流信号,进行交流放大后又还原成 0~10
mA的直流输出电流Ｉ ０ 。 同时,自激调制式直流放大器输出信号中所含的交流分量,经负反馈回路变成大小与输出电流Ｉ
０ 成正比的直流电压信号Ｖ f,反馈至放大器的输入端,从而保证输入Ｖ i和输出Ｉ ０ 的线性关系 。
下面简单介绍输出 0~10mA的温度变送器的输入回路部份 。
输入回路为一直流电桥,根据接线端子的不同连接方式,可以与热电偶配合,也可以与热电阻配合,还可以接成测温差的方式 。
（ １ ） 热电偶输入回路图 11 - 56所示为热电偶输入时的一种连接图 。 Ｒ １７ ＋Ｒ １８,Ｒ ２０ ＋Ｒ ２１,Ｒ cu及Ｗ 2分别为电桥的四个桥臂 。 电桥的电源电压６Ｖ,电位器Ｗ ３ 是用来调节桥路总电流的,使Ｉ＝１ mＡ,Ｒ １８ 和Ｒ ２１ 阻值均为１０Ｋ Ω,
比其它电阻大得多,所以桥路两支路电流几乎相等,都是 0.5m
Ａ 。 由图 11 - 56分析可知,热电偶输入回路的输出Ｖ i为热电偶所产生的热电势Ｅ t和桥路的输出信号Ｖ ＢＤ 之代数和,即Ｖ i
＝Ｖ ＡＤ ＝Ｅ t+VBD。
桥路中设置了热电偶冷端温度补偿电阻Ｒ cu,它与热电偶冷端感受同一温度,当热电偶工作温度不变,而冷端 t0升高时,
使其两端电压 （ I1Ｒ cu） 增大,引起Ｖ ＢＤ 也相应增大,只要 Rcu
选择合适,可保证 Vi=VAD=Et(t,t0)↓+Ｖ ＢＤ ↑基本不变,实现冷端温度自动补偿 。 补偿条件为 （ 以 20℃ 为基准 ）,
ΔEt=I1ΔRcu=I1ΔRcuαcu(t-20) （ 11 - 46）
在生产过程中,实际测量直流电动势不是从 0mv开始,而是从某一数值开始测量的,这时而通过零点迁移,把仪表的测量起点从零迁移到某一数值 。 零点迁移可通过调节电位器 W2的阻值大小来实现 。 另外电阻 R24（ 100Ω） 可通过端子的不同连接方式,可以与电位器 W2并联,串联或不接,以便能实现较大范围的零点迁移 。
R19为热电偶断偶报警电阻,R19（ 150Ω） 比桥路中的任一电阻阻值要大得多,正常测量时,把它看作开路,对电桥工作不起作用 。 而当热电偶发生断偶时,支路电流 I1在 R17上的压降会取代 Et,经 R19加到放大器的输入端,由于这个电压 （ I1R17） 比最大热电势大得多,使变送器的输出瞬间增大而超过规定限值,实现断偶报警作用 。
该电路还能实现仪表定值检查 。 桥路电阻 R20（ 13Ω）
上的固定电压 （ 6.5mv） 送至放大器,仪表为 4-6 mA的输出电流,表示变送器的工作正常,否则有效故障 。
（ 2） 热电阻输入回路 图 11 - 57所示为热电阻输入回路 。
它是将接线端子 ① 和 ② 短接,热电阻 Rt作为一个桥臂,接在端子 ③④ 之间,为了克服连接导线电阻的影响,热电阻采用三线制接法,故端子 ⑤ 上也有一根导线与 Rt相连 。 热电阻输入回路与热电偶输入回路的组成相似,读者可自行分析 。
2,输出 4-20 mA
输出 4-20 mA的温度变送器与输出 0-10 mA的相比较,除电流信号不同之外,还具有以下特点,
a,直流 24V集中供电,变送器内无电源电路 ;
b,在热电偶与热电阻温度变送器中采用了线性化电路从而使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系,便于指示和记录 。
c,变送器的输入,输出之间具有隔离变压器,并采取了安全火花防爆措施,故具有良好的抗干扰性能,且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号 。
变送器总体结构如图 11 - 58所示 。 方框图中空心箭头表头表示供电回路,实线箭头表示信号回路 。 输入毫伏信号 Vi
或由测温传感器送来的反映温度大小的输入信号 Et与桥路部份的输出信号弹 VZ′及反馈信号 Vf′相叠加,送入集成运算放大器 。 放大了的电压信号再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的 4~20 mA直流电流 I0和 1~5V直流电压 V0输出 。
下面介绍输出 4-20 mA的热电偶温度变送器,图 11 - 59为整机线路图 。 虚线左边部份为量程单元,其作用是实现热电偶冷端温度补偿,整机调零调量程,非线性补偿及热电偶断偶报警等 ; 虚线右边部份为放大和输出单元,其作用是将量程单元输出的直流毫伏信号进行电压放大及功率放大,然后整流输出电流,电压信号,并实现输入 -输出 -电源的互相隔离 。
（ 1） 量程单元热电偶变送器的量程单元由输入回路,
冷端温度补偿,调零调量程及非线性反馈回路等几部份组成 。 其原理线路见图 11 - 60。
在仪表输入端由稳压管 DW1,DW2及限流电阻 R1,R2组成安全火花电路 。 其作用是限制流向现场 （ 指危险场所 ）
的电压和电流在安全火花范围以内 。 当输入端出现高电压,
并超过 DW1,DW2的稳压范围时,它们便导通,从而起限幅作用 。 用两个稳压管起双重保护作用 。
热电偶断线报警电路由电阻 R′和 R9等组成,并由集成稳压器供电 。 当热电偶断时,此电路向运算放大器 A1输入一个比热电偶最大电势还要大的电压 （ 约 0.3V）,从而使变送器的输出突然增至 20 mA DC作为报警信号 。
Rcu为热电偶冷端温度补偿电阻,当冷端温度变化时,在 Rcu
上产生一附加电压降补偿热电势的变化 。
图中 W1为调零电位器,W2为调量程电位器 。
热电偶的热电势与温度之间存在非线性关系,为了使温度变送器的输出信号与被测温度之间呈线性关系,需要采取线性化措施 。 由运算放大器 A2等构成的非线性反馈回路就能实现这一要求 。
热电偶温度变送器线性化原理可画成图 11 - 61所示的方框图形式 。 由于热电偶的热电势 Et与温度 t的关系为非线性,如果放大器的反馈回路设计成非线性反馈,即 Vf′与 t的关系也是非线性,且与热电偶的特性相一致,那么 Et与 Vf′的差值 ε与 t的关系就呈线性关系,ε经线性放大器放大后的输出信号 V0与温度 t呈线性关系 。
非线性运算电路实际上是一个折线电路,它用折线法近似表示热电偶的特性曲线 。 例如图 11 - 62所示特性曲线由四段折线组成,各段折线斜率分别为 r1,r2,r3,r4。 一般情况下,用
4-6段折线近似表示热电偶的某段特性曲线时,所产生的误差小于 0.2%。
要实现图示的特性曲线,可采用如图 11 - 63所示的非线性运算电路 。 图中 DW3-DW6为稳压管,它们的稳压值为 VD,其特性是在击穿前,电阻极大,相当于开路,而当击穿后,动态电阻极小,相当于短路 。 er1,er2,er3,er4分别为基准电压回路提供的基准电压,对公共点而言,它们均为负值 。 基准电压回路由恒压电路 （ 由三极管 v101,稳压管 vDW7,vDW8 等组成 ） 和电阻分压器 R25,R26,R27,R28,R29,R30,R31,R32组成 （ 见图 11 - 60） 。
当热电偶传来的输入信号 V i为零时,变送器相应的输出为 4 mA DC（ 或 1V DC） 。 此时特性曲线工作于起点 a,对应于 V f=Vf1,V0=V01。 稳压管 DW3-DW6均不导通,从图 12-63可知,
V01通过非线性运算网络 （ 由 R15,R20,R21及 R23组成 ） 反馈至运算放大器 A2的反相端 。
随着热电偶传来的输入信号 Vi的增大,Vf从 Vf1开始增大,
相对应的 V0也从 V01沿直线 ab段 （ 斜率 r1） 增大,当 Vf=Vf2时,
便出现一个拐点,此时 V0= V02,仪表设计时使 V02≥VDW6- er1
（ UDW6为稳压管 VDW6的稳压值 ）,从而使 VDW6导通,而 VDW3-
VDW5仍不导通,这样与前面情况相比多一条反馈支路,因此 A2
的反馈量减小,使输出量增大,导致从拐点开始 V02沿着 bc段增大 。 依次类推,随着 Vi继续增大,Vf也随之增大,VDW3-VDW5
将依次导通,对运算放大器 A2的反馈量将依次相应地减小,则
V0将沿着 cd,de段上升,从而构成 a-b-c-d折线 。
不同分度号的热电偶或同分度号热电偶而测量范围不同,
其特性曲线形状不一样,所以,非线性反馈回路的结构和参数也因此而不同,这些都由仪表设计制造时决定 。
（ 2） 放大单元 温度变送器的放大单元由集成运算放大器
A1,功率放大器,直流 -交流 -直流变换器,隔离输出等部份组成 。 其原理线路见图 11 - 64所示 。
集成运算放大器 A1起电压放大作用 。 由于来自量程单元的输入信号 Vi很小,接至 A1的同相输入端,非线性反馈回路送来的反馈信号接至 A1的反相输入端,经 A1放大后的输出信号送至功率放大器 。
功率放大器由复合管 V1,V2及隔离变压器 B2等组成 。 它把
A1输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号,同时通过隔离变压器实现隔离输出 。 功率放大器由直流 -交流 -直流变换器输出的交流方波电压供电,因而不仅具有放大作用,而且具有调制作用,以便通过隔离变压器传递信号 。
采用复合管是为了提高输入阻抗,减小线性集成电路的功耗 。 V1,V2的发射极电流经电阻 R37产生的压降,作为反馈电压 Vf送至量程单元,经过非线性反馈回路运算后送到运算放大器 A2的反相输入端,以实现负反馈 。,
为了避免输出与输入之间有直接电的联系,在功率放大器与输出回路之间,采用隔离变压器 B2来传递信号 。 隔离变压器
B2副边的交流电流,经 D11~D14桥式整流和由 R49,C7组成的阻容滤波,得到 4~20 mA DC的输出电流,此电流在阻值为 250Ω的电阻 R20上的压降 （ 1~5V） 作为变送器输出的电压信号 。 稳压管 VDW3的作用在于当电流输出回路断线时,输出电流可以通过 VDW3流向 R20,从而保证电压输出信号不受影响 。 二极管 D15、
D16作用是当输出端出现异常电压时,二极管短路将熔断丝烧断,从而保证其它元件不致损坏 。
直流 -交流 -直流变换器的功能是把 24VDC的电压变换成具有一定频率的交流方波电压,经整流提供给变送器各组成部份的电源 。
二,
差压变送器可以测量液体,气体和蒸汽的压力,压差及液位等参数,与节流装置配合可测量流量 。
差压变送器有气动差压变送器 （ 输出 20~100KPa压力信号 ） 和电动差压变送器 （ 输出 4~20ma或 0~10ma标准电流信号 ）,下面将重点介绍工业上常用的电动差压变送器 。
（ 一 ）
力平衡式差压变送器的构成方框图如图 11 - 65所示,它包括测量机构,杠杆力平衡机构,位移检测放大器及电磁反馈机构 。
力平衡式差压变送器是基于力矩原理工作的,它是以电磁反馈力产生的力矩去平衡输入力产生的力矩 。 由于采用了深度负反馈,因而测量精度较高,而且保证了被测差压 ΔPi和输出电流 I0之间的线性关系 。
压力,差压变送器结构都一样,只是弹性元件稍有差别 。
图 11 - 66为电动力平衡压力变送器结构简图 。 被测压力 p作用在测量膜片 1上,转换为输入力作用于主杠杆 2的下端 。 主杠杆以支点膜片 3为轴而偏转,并以力沿水平方向推动矢量机构 4。
矢量机构将水平向左的力变成连杆 6向上的力,此力带动副杠杆 7,绕其支点顺时针转动,因而使差动变压器 8的衔铁下移,气隙变小,衔铁的位移变化量通过低频位移检测放大器 9转换并放大为 4-20 mA的直流电流 I0,作为变送器的输出信号 。
调节支点 5的水平位置,可改变矢量机构的夹角 θ,从而能连续改变两杠杆间的传动比,能细调量程 。 调节弹簧 11的张力,
可起调整零点的作用 。
低频位移检测放大器的作用是将副杠杆上衔铁的微小位移转换成直流输出电流 I0,所以它实际上是一个位移 -电流转换器 。
低频位移检测放大器包括差动放大器,低频振荡器及功率放大器等部份 。 图 11 - 67为位移检测放大器原理线路图 。
变送器里用的差动变压器不是螺管形的,由两个呈,山,
字形的铁心相叠而成 。 原边的两组绕组串联后加以交流,副边的两组则反向串联,由 CD端引出,如图 11 - 68所示 。
两个铁心略有不同,下铁心的中心柱比边缘柱略短,形成一个固定的气隙,上铁心为平顶形状,其磁路经过衔铁闭合,故气隙 δ的大小决定上铁心的磁阻 。 当两磁路磁阻相等时,CD端电压为零,改变 δ则决定 CD间的电压 。
在图 11 - 69中,差动变压器和晶体管 V1组成振荡器,差动变压器原边绕组的电感 LAB和电容 C4构成并联谐振回路,作为
V1的集电极负载 。 副边绕组 CD接在 V1的基极和发射极之间,
用以耦合反馈信号 。 当集电极电流增大时,由于绕组 A,B和 C、
D的同名端关系,将会在 C端形成正电压,引起 V1的集电极电流进一步增大,直至饱和 。 饱和后电流不再增大,副边 CD端电压消失,集电极电流又开始减小 。 这时 C端又出现负电压使电流更快地减小,如此反复形成振荡 。 D1,D2提供 V1的正偏压,以利起振 。
振荡器的振荡频率取决于原边 LAB和并联电容 C4,振幅则取决于原边和副边的耦合系数 。 而耦合系数与衔铁气隙 δ有关,
δ越小,耦合越强,这时振幅大,V1的集电极交流电压大 。
在图 11 - 67中,V1的集电极电压经 D4整流和 R4,C5滤波之后,经 V1,V2进行功率放大,便可形成 4-20 mA的输出电流 。 图中用 I0表示 。 输出电流 I0经过电磁反馈机构的反馈线圈产生电磁力,利用这个力在杠杆上形成反馈力矩,实现负反馈,以保证变送器输出与输入间的比例关系 。
变送器中还考虑安全火花防爆,尽可能减少贮能元件 （ 电感,电容 ）,并使现有贮能元件在故障情况下释放的能量 （ 电流,电压 ） 限制在安全定额以下 。
反馈线圈 W1,W2两端并联二极管 D5-D8,在断电时给线圈贮存的磁场能量以泄放的通路,避免产生过高的反冲电压 。
各用两个二极管是作冗余备用,以确保安全 。 二极管 D10D13用以限制 C5两端的电压,二极管 D3用以限制电容 C2两端的电压,
防止蓄能过多 。
（ 二 ）
电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器,它采用差动电容作为检测元件,整个变送器没有传动机构,因而尺寸紧凑,抗振性好,性能稳定可靠,具有较高的精度 。 它可以测量压力,差压,绝对压力,带开方的差压 （ 用于测量流量 ） 。
1．
变送器包括差动电容传感器和变送器电路两部份,其构成方框图如图 11 - 70所示 。 输入差压 Δpi作用于差动电容的动极板,使其产生位移,从而使差动电容器的电容量发生变化 。 此电容变化量由输入转换部份变换成直流电流信号,此信号与反馈信号进行比较,其差值送入放大电路,经放大得到整机的输出电流 I0。
图 11 - 71为差动电容传感器的结构图,工作原理已在前面叙述,这里不再重复 。
下面主要介绍变送器电路 。
1．
变送器电路包括高频振荡器,振荡控制电路,放大器及量程调整 （ 负反馈 ） 等组成 。 原理电路图如图 11 - 72所示 。
（ 1） 高频振荡器 高频振荡器的作用是向差动电容提供高频电流,振荡器原理电路图如图 11 - 73所示 。
这是一个变压器耦合的 LC振荡器 。 振荡器由放大器 IC1
的输出电压 V01供电,从而使 IC1能控制振荡器的输出幅度 。
变压器副边三个绕组 1-12,2-11,3-10为振荡器的输出绕组,
图中一组绕组的等效电感为 L。 差动电容的等效电容为 C,R
为回路的等效电阻 。 电感 L和电容 C组成了并联谐振电路,适当地选择电路元件参数值,便可满足振荡的相位条件和振幅条件 。 在 R忽略不计时,谐振回路的谐振频率 。
由于差动电容随被测参数 Δpi而变,因此该振荡器的频率也是可变的 。
LCf?2
1?
（ 2） 振荡控制电路 振荡控制电路的作用是使通过 D1、
D5和 D3,D7的电流之和 I1+I2等于常数 。 见图 11 - 74。 IC2的输出电压为 V02,作为 IC1的基准电压,图中用 VR表示 。 IC1的输入端接受两个电压信号,一个是基准电压 VR在 R9和 R8上的压降 Vi1; 另一个是 I1+I2在 R6//R8和 R7//R9上的压降 Vi2。 经 IC1放大得到 V01去控制振荡器 。 当 IC1为理想运算放大器时,由 IC1振荡器等电路构成的深度负反馈电路,使放大器输入端的两个电压信号近似相等,即
Ui1=Ui2 （ 11 - 48）
可见,只要使 （ I2+I1） 维持恒定,即可实现差动电容和电流信号 Ii的线性关系 。
（ 2）
图 11 - 75为放大部份的原理电路图 。 放大器由运算放大器 IC3和晶体管 V3和 V4等组成 。 IC3起前置放大作用,V3和 V4组成复合管,将 IC3的输出电压变为变送器的输出电流 。 图中 Vi
为电容 -电流输入转换部份输出的电压信号 （ 由电流 Ii在电容
C11上整流得到 ）,RL为变送器的负载电阻,E为变送器直流供电电源 。 DW1提供的稳定电压经 R10,R14,R13分压后加在 IC3
的反相输入端,使 IC3的两个输入端的电位在共模输入范围内,
以保证运算放大器能正常工作 。
电容 -电流转换电路输出电流,反馈信号和调零信号的叠加值加于运算放大器 IC3的同相端 。 电阻 R31,R33,R34和电位器 W3组成反馈电阻网络,输出电流 I0经这一网络分流,得到反馈电流 If,送至放大器的输入端,构成深度负反馈,从而保证了
I0与 Ii之间的线性关系,W3为量程调整电位器 。 W2为调零电位器,用以调整输出零位 。
（ 3） 电路中其它元件作用 （ 见图 11 - 72） 晶体管 v2和电阻
R18等组成输出限制电路 。 其作用是防止输出电流过大,损坏器件 。 当输出电流超过允许值时,R18上压降变大,使 v2的集电极电位降低,从而使该管处于饱和状态,因此流过 v2即流过
BG4的电流受到限制,可保证在变送器过载时,输出电流 I0不大于 30 Ma.
R38,R39,C22和 W4等构成阻尼电路,用以抑制变送器的输出因被测差压变化所引起的波动 。 W4为阻尼调整电位器,
调节 W4可改变动态反馈量,也即调整了变送器的阻尼程度 。
DW2除起稳压作用外,当电源反接时,它还提供反向通路,
以防止器件损坏 。 D12用于在指示仪表未接通时,为输出电流
I0提供通路,同时起反向保护作用 。
R1,R4,R5和热敏电阻 R2用于量程温度补偿 ; R27,R28
和热敏电阻 R26用于零点温度补偿 。
（ 三 ）
扩散硅式差压变送器也是无杠杆的变送器 。 它采用硅杯压阻传感器作为敏感元件,同样具有体积小,重量轻,结构简单和稳定性好的优点,精度也较高 。
硅杯是由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成,它既是弹性元件,又是检测元件 。 当硅杯受压时,压阻效应使其上的扩散电阻 （ 应变电阻 ） 阻值发生变化,通过测量电路把电阻变化转换成电压变化 。 硅杯压阻传感器结构如图 11 - 76 所示 。
硅杯两面浸在硅油中,硅油和被测介质之间用金属隔离膜分开 。 当被测差压输入到测量室内作用于隔离膜片上时,膜片将驱使硅油移动,并把压力传递给硅杯,转换成电阻变化 。 上述的应变电阻是采用集成电路技术,直接在单晶硅片上用扩散,
掺杂,掩膜等工艺制成 。
变送器的原理简图如图 11 - 77 所示 。 硅杯的应变电阻通过不平衡电桥转换为电压变化,Rs1,Rs2,Rs3和 Rs4为应变电阻 。
图中不平衡电桥由恒流源供电,桥路总电流为 1mA,每支路电流各为 0.5 mA。 硅杯未受压时,RS1=RS2=RS3=RS4; 当变送器输入差压信号时,使硅杯受压,Rs1和 Rs3阻值增加,而 RS2和 RS4的阻值减小,于是电桥就有不平衡电压输出 。 运算放大器 IC将此电压放大,并控制晶体管 BG使输出电流 I0增加 。 在差压变化的量程范围内,晶体管 BG的发射极电流 Ie为 3-19 mA,故输出电流
I0便是 4-20 mA。
由图可知,BG的发射极电流取自由桥的一个臂,这就是说,
将有 3.5-19.5 mA的电流从 Rf上流过 。 当输入差压增加而使输出电流增加时,这个电流在 Rf上形成的压降会使 B点电位降低,
因而对 IC的输入而言是负反馈作用,这样就保证了变送器电路具有比例变换的关系 。
电路由单一的 24v DC供电,负载电阻 RL串联在输出回路中,该变送器是按两线制方式工作的 。
11.2 压力测量
11.3 流量测量
11.4
11.5
11.6 变送器第 11章 传感器在工程检测中的应用返回主目录第 11章 传感器在工程监测中的应用在工业生产过程及工程检测中,为了对各种工业参数
（ 如压力,温度,流量,物位,位移等 ） 进行检测与控制,
首先要把这些参数转换成便于传送的信息,这就要用到各种传感器,把传感器与其它装置组合起来,组成一个检测系统或调节系统,完成对工业参数的检测与控制 。
考虑到系统中传感器与其它装置的兼容性与互换性,它们之间是用标准信号进行传输的,这些标准信号都是符合国际标准的信号,例如直流电流为 4~20 mA,直流电压为 1~5 V,压力信号为 20~100 kPa,以前也曾以直流电流 0~10 mA作为通用的标准信号 。
对一般输出为非标准信号的传感器,需把传感器的输出信号通过变送器 （ 或变送器功能模块电路 ） 变换成标准信号,
有了统一的信号形式和数值范围,无论是仪表还是计算机,只要有同样的输入电路或接口,就可以从各种变送器获得被测变量的信息,而且便于组成检测系统或调节系统 。
在工业自动化仪表中,有些变送器既有信号检测又有变送,如后面要介绍的压力 （ 差压 ） 变送器,一体化温度变送器等,这些变送器也可以认为是输出标准信号的传感器 。
下 面将着重介绍工程检测中应用的传感器及变送器 。
11.1
一,
1．
温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数 。 物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关 。 许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的,需要测量温度和控制温度 。
随着科学技术的发展,对温度的测量越来越普遍,而且对温度测量的准确度也有更高的要求 。
温度是表征物体冷热程度的物理量 。 温度不能直接加以测量,只能借助于冷热不同的物体之间的热交换,以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量 。
为了定量地描述温度的高低,必须建立温度标尺,即温标 。
温标就是温度的数值表示 。 各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定 。 历史上提出过多种温标,如早期的经验温标 （ 摄氏温标和华氏温标 ）,理论上的热力学温标,当前世界通用的国际温标 。 热力学温标确定的温度数值为热力学温度 （ 符号为 T）,单位为开尔文 （ 符号为 K）,1 K等于水三相点热力学温度的 。
热力学温度是国际上公认的最基本温度,国际温标最终以它为准而不断完善 。 我国目前实行的是 1990年国际温标
（ ITS-90）,它同时定义国际开尔文温度 （ 符号 ITS-90） 和国际摄氏温度 （ t90）,T90和 t90之间的关系为
16.273
1
15.2739090 kTct
在实际应用中,一般直接用 T和 t代替 T90和 t90 。
2．
(1) 温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器,就测量系统的功能而言,通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成,如图 11 - 1 所示 。 简单的温度传感器往往是温度传感器和显示组成一体的,一般在现场使用 。
(2) 温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触,可以分成接触式与非接触式两大类 。
接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触,当被测温度与感温元件达到热平衡时,温度敏感元件与被测温度对象的温度相等 。 这类温度传感器具有结构简单,
工作可靠,精度高,稳定性好,价格低廉等优点 。 这类测温方法的温度传感器主要有,基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度传感器,基于导体或半导体电阻值随温度变化的电阻式温度传感器,基于热电效应的热电偶温度传感器 。
非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理 。 物体辐射能量的大小与温度有关,并且以电磁波形式向四周辐射,当选择合适的接收检测装置时,便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号,实现温度的测量 。 这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器,红外辐射温度传感器,光纤高温传感器等 。 非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度传感器的测量滞后和在温度范围上的限制,可测高温,腐蚀,有毒,运动物体及固体,液体表面的温度,不干扰被测温度场,
但精度较低,使用不太方便 。
二,膨胀式温度传感器根据液体,固体,气体受热时产生热膨胀的原理,这类温度传感器有液体膨胀式,固体膨胀式和气体膨胀式 。
1．
在有刻度的细玻璃管里充入液体 （ 称为工作液,如水银,
酒精等 ） 构成液体膨胀式温度计 。 常用的有水银玻璃温度计和电接点式温度计,这种温度计远不能算传感器,它只能就地指示温度 。
电接点式温度计可对设定的某一温度发出开关信号或进行位式控制,有固定式和可调式两种 。 图 11 - 2 所示为可调电接点式温度计,其中一根铂丝接在毛细管下部固定处,另一根铂丝根据设定温度可以上下移动,当升至设定温度时,铂丝与水银柱接通,反之断开,这种既可指示,又能发出通断信号,常用于温度测量和双位控制 。
2,固体膨胀式固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的 。 它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片,为提高灵敏度常作成螺旋形 。 图 11 -3 为双金属温度计的结构示意图 。
螺旋形双金属片一端固定,另一端连接指针轴,当温度变化时,双金属片弯曲变形,通过指针轴带动指针偏转显示温度 。
它常用于测量 -80℃ ～ 600℃ 范围的温度,抗震性能好,读数方便,但精度不太高,用于工业过程测温,上下限报警和控制 。
3,气体膨胀式气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的,利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计,如图 11 - 4 所示 。 温包,毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器,其中充满工作物质 （ 如气体常为氮气 ）,
工作物质的压力经毛细管传给弹簧管,使弹簧管产生变形,并由传动机构带动指针,指示出被测温度的数值 。
压力温度计结构简单,抗振及耐腐蚀性能好,与微动开关组合可作温度控制器用,但它的测量距离受毛细管长度限制,
一般充液体可达 20m,充气体或蒸汽可达 60m。
三,
热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器 。 它构造简单,
使用方便,具有较高的准确度,稳定性及复现性,温度测量范围宽,在温度测量中占有重要的地位 。
1.
两种不同的导体 （ 或半导体 ） 组成一个闭合回路,如图 11
- 5 所示 。
的导体或半导体的组合称为热电偶 。 两个接点,一个称工作端,又称测量端或热端,测温时将它置于被测介质中 ; 另一个称自由端,又称参考端或冷端 。
在图 11 - 5 所示的回路中,所产生的热电势由两部分组成,
温差电势和接触电势 。
接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势 。 两种导体接触时,自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散,在接触处失去电子的一侧带正电,得到电子的一侧带负电,形成稳定的接触电势 。 接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度 。 两接点的接触电势 EAB(T)和 EAB（ T0） 可表示为
EAB(T)=
式中,K——波尔兹曼常数 ;
e——单位电荷电量 ;
NAT,NBT和 NAT0,NBT0 ——分别在温度为 T和 T0时,导体 A,B的电子密度 。
温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势 。
BT
AT
N
N
e
KT ln
0
0ln)( 0
0
BT
AT
AB N
N
e
KTTE?
同一导体的两端温度不同时,高温端的电子能量要比低温端的电子能量大,因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多,结果高温端因失去电子而带正电,
低温端因获得多余的电子而带负电,因此,在导体两端便形成接触电势,其大小由下面公式给出,
dt
dt
tNd
Ne
KTTE ATT
T
AT
A
)(1),(
0
0
dt
dt
tNd
Ne
KTTE BTT
T
BT
B
)(1),(
0
0
式中,NAT和 NBT分别为 A导体和 B导体的电子密度,是温度的函数 。
Ｅ AB(T,T0)=EAB(T)+EB(T,T0)-EAB(T0)-EA(T,T0) (11 - 6)
在总热电势中,温差电势比接触电势小很多,可忽略不计,
热电偶的热电势可表示为
EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0) （ 11 - 7）
对于已选定的热电偶,当参考端温度 T0恒定时,EAB (T
0)=c为常数,则总的热电动势就只与温度 T成单值函数关系,
EAB(T,T)=EAB(T)-c=f(T)
实际应用中,热电势与温度之间关系是通过热电偶分度表来确定的 。 分度表是在参考端温度为 0℃ 时,通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系 。 用热电偶测温,还要掌握热电偶基本定律 。 下面引述几个常用的热电偶定律 。
1,热电偶基本定律
（ 1） 中间导体定律利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？ 中间导体定律说明,在热电偶测温回路内,
接入第三种导体,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响 。
接入第三种导体回路如图 11 - 6 所示 。 由于温差电势可忽略不计,则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和 。 即
EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0) (11 - 9)
当 T= T0 时,有
Ｅ BC(T0)+ECA(T0)=-EＡＢ (T0) （ 11 - 10）
将 (11 - 10） 式代入 (11 - 9） 式中得
ＡＢＣ (T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)=EAB(T,T0)（ 11 - 11）
同理,加入第四,第五种导体后,只要加入的导体两端温度相等,同样不影响回路中的总热电势 。
(2)中间温度定律 热电偶 AB在接点温度为 t,t0时的热电势 EAB(t,t0)等于热电偶 AB在接点温度 t,tc和 tc,t0时的热电势 EAB(t,tc)和 EAB(tc,t0)的代数和 （ 见图 11 - 7 ）,即,
该定律是参考端温度计算修正法的理论依据 。 在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为 0℃ 的热电势进行修正 。
(3)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路中,
不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何,都不能产生热电势 。 这条定理说明,热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成 。
)(),(),( 00 TTETTETTE CABCABAB
3.热电偶类型理论上讲,任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶,但为了准确可靠地测量温度,对组成热电偶的材料必须经过严格的选择 。 工程上用于热电偶的材料应满足以下条件,热电势变化尽量大,热电势与温度关系尽量接近线性关系,物理,化学性能稳定,易加工,复现性好,便于成批生产,有良好的互换性 。
实际上并非所有材料都能满足上述要求 。 目前在国际上被公认比较好的热电材料只有几种 。 国际电工委员会 （ IEC） 向世界各国推荐 8种标准化热电偶,所谓标准化热电偶,它已列入工业标准化文件中,具有统一的分度表 。 我国从 1988年开始采用 IEC标准生产热电偶 。 表 11-1 为我国采用的几种热电偶的主要性能和特点 。
表中所列的每一种热电偶中前者为热电偶的正极,后者为负极 。 目前工业上常用的有四种标准化热电偶,即铂铑 30--铂铑 6,铂铑 10-铂,镍铬 -镍硅和镍铬 -铜镍 （ 我国通常称为镍铬 -
康铜 ） 热电偶,它的分度表见表 11 - 2 至表 11 - 5
另外,目前还生产一些特殊用途的热电偶,以满足特殊测温的需要 。 如用于测量 3800℃ 超高温的钨镍系列热电偶,用于测量 2~273K的超低温的镍铬 -金铁热电偶等 。
4,热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件,热电偶的结构形式有普通型热电偶,铠装型热电偶和薄膜热电偶等 。
(1)普通型热电偶 普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极,绝缘套管,保护管和接线盒组成,其结构如图
11 - 8 所示 。 普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接,固定法兰连接,活动法兰连接,无固定装置等多种形式 。
(2)铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶 。 它是由热电偶丝,绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,如图 11 - 9所示 。 它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲 。 铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小,动态响应快,机械强度高,挠性好,可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中 。
(3)薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料,用真空蒸镀,化学凃层等办法蒸镀到绝缘基板上面制成的一种特殊热电偶,如图 11 - 10 所示 。 薄膜热电偶的热接点可以做得很小 （ 可薄到 0.01~0.1μm）,具有热容量小,反应速度快等的特点,热相应时间达到微秒级,适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量 。
5.热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法从热电偶测温基本公式可以看到,对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度 t和自由端温度 t0有关,即,
EAB(t,t0)=e AB(t)-eAB(t0) （ 11 -13）
热电偶的分度表是以 t0=0℃ 作为基准进行分度的,而在实际使用过程中,参考端温度往往不为 0℃,那么工作端温度为 t
时,分度表所对应的热电势 EAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势 EAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式,
EAB(t,0)= EAB(t,t0)+ EAB(t0,0)
由此可见,EAB(t0,0)是参考端温度 t0的函数,因此需要对热电偶参考端温度进行处理 。
(1)热电偶补偿导线 在实际测温时,需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表,这样参考端温度 t0也比较稳定 。 热电偶一般做得较短需要用导线将热电偶的冷端延伸出来 。 工程中采用一种补偿导线,它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成,而且在
0~100℃ 温度范围内,要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性 。
常用热电偶的补偿导线列于表 11 - 6
(2)参考端温度修正法采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方,但只要参考端温度不等于 0℃,
需要对热电偶回路的电势值加以修正,修正值为 EAB(t0,0)。
经修正后的实际热电势,可由分度表中查出被测实际温度值
(3)参考端 0℃ 恒温法 在实验室及精密测量中,通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中,以便参考端温度保持 0℃,
这种方法又称冰浴法 。
(4)参考端温度自动补偿法 （ 补偿电桥法 ） 补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号,来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为 0℃ 或变化而引起热电势的变化值 。
如图 12-11 所示,不平衡电桥由三个电阻温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻 r1\,r2,r3,电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻 rCU 和稳压电源组成 。
补偿电桥与热电偶参考端处在同一环境温度,但由于
rCU的阻值随环境温度变化而变化,如果适当选择桥臂电阻和桥路电流,就可以使电桥产生的不平衡电压 Uab补偿由于参考端温度变化引起的热电势 EAB(t,t0)变化量,从而达到自动补偿的目的 。
4,热电偶测温线路热电偶测温时,它可以直接与显示仪表 （ 如电子电位差计,数字表等 ） 配套使用,也可与温度变送器配套,转换成标准电流信号,图 11 - 12 为典型的热电偶测温线路 。 如用一台显示仪表显示多点温度时,可按图 11 - 13连接,这样可节约显示仪表和补偿导线 。
特殊情况下,热电偶可以串联或并联使用,但只能是同一分度号的热电偶,且参考端应在同一温度下 。 如热电偶正向串联,可获得较大的热电势输出和提高灵敏度 。 在测量两点温差时,可采用热电偶反向串联 。 利用热电偶并联可以测量平均温度 。 热电偶串,并联线路如图 11 - 14 所示四,热电阻传感器热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的 。 热电阻传感器分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,一般把金属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏电阻 。 热电阻广泛用来测量 -200~+850℃ 范围内的温度,少数情况下,低温可测量至 1K,高温达 1000℃ 。 标准铂电阻温度计的精确度高,并作为复现国际温标的标准仪器 。 热电阻传感器由热电阻,连接导线及显示仪表组成,如图 11 - 15所示 。
热电阻也可与温度变送器连接,转换为标准电流信号输出 。
1．
用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,R-t 关系最好成线性,物理化学性能稳定,复现性好等 。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻 。
(1)铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高,稳定性好,性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛应用 。 按 IEC标准,铂热电阻的使用温度范围为 -200~+850℃ 。
在 -200~0℃ 的温度范围内,
Rt=R0［ 1+At+Bt2+Ct3(t-100)］ ( 11 - 15)
在 0~850℃ 的温度范围内,
Rt = R0(1+At+Bt2)
式中 Rt和 R0分别为 t℃ 和 0℃ 时铂电阻值 ; A,B和 C为常数 。 在 ITS-90 中,这些常数规定为,
A=3.9083× 10-13/℃
B=-5.775× 10-7/℃ 2
C=-4.183× 10-12/℃ 4
从上式看出,热电阻在温度 t时的电阻值与 R0 有关 。 目前我国规定工业用铂热电阻有 R0=10Ω和 R0=100Ω两种,它们的分度号分别为 Pt10和 Pt100,其中以 Pt100为常用 。 铂热电阻不同分度号亦有相应分度表,即 Rt-t 的关系表,这样在实际测量中,
只要测得热电阻的阻值 Rt,便可从分度表上查出对应的温度值 。 Pt100的分度表见表 11 - 7 。
铂热电阻中的铂丝纯度用电阻比 W100表示,它是铂热电阻在 100℃ 时电阻值 R100与 0℃ 时电阻值 R0之比 。 按 IEC标准,
工业使用的铂热电阻的 W100>1.3850。
(2)铜热电阻 由于铂是贵重金属,因此,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻进行测温,它的测量范围为 -50~+150℃ 。
铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的,可近似地表示为,
Rt=R0（ 1+αt） （ 11 - 17）
式中 α为铜热电阻的电阻温度系数,取 α=4.28× 10-3/℃ 。
铜 热 电 组 的 两 种 分 度 号 为 Cu50(R0=50Ω) 和 Cu100
（ R100=100Ω） 。
铜热电阻线性好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作 。
1.
工业用热电阻的结构如图 11 - 16 所示 。 它由电阻体,
绝缘管,保护套管,引线和接线盒等部分组成 。
电阻体由电阻丝和电阻支架组成 。 电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母,石英或陶瓷塑料支架上,支架起支撑和绝缘作用,引出线通常采用直径 1mm的银丝或镀银铜丝,它与接线盒柱相接,以便与外接线路相连而测量显示温度 。 用热电阻传感器进行测温时,测量电路经常采用电桥电路 。
而热电阻与检测仪表相隔一段距离,因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响 。
热电阻内部引线方式有两线制,三线制和四线制三种,如图 11 - 17 所示 。 二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合 。 三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差 。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测 。
五,集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管 PN结的电流电压特性与温度的关系,把感温 PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上,
构成一个小型化,一体化的专用集成电路片 。 集成温度传感器具有体积小,反应快,线性好,价格低等优点,由于 PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测 150℃ 以下的温度 。
1,基本工作原理目前在集成温度传感器中,都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件 。 图 11 -18 是集成温度传感器基本原理图 。 其中 T1和 T2是互相匹配的晶体管,I1和 I2分别是 T1和 T2管的集电极电流,由恒流源提供 。 T1和 T2管的两个发射极和基极电压之差 ΔVbe可用下式表示,即,
)l n ()l n (
2
1
1
2
2
1
I
I
q
KT
AE
AE
I
I
q
KTU
图 11-18 集成温度传感器基本原理式中 k-是波尔兹曼常数 ;
q-是电子电荷量 ;
T-是绝对温度 ;
r -是 T1和 T2管发射结的面积之比 。
从式中看出,如果保证 I1/I2恒定,则 ΔVbe就与温度 T成单值线性函数关系 。 这就是集成温度传感器的基本工作原理,
在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器 。
1．
(1)电压输出型 电压输出型集成温度传感器原理电路图如图 11 - 19 所示 。 当电流 I1恒定时,通过改变 R1的阻值,可实现 I1=I2,当晶体管的 β≥1时,电路的输出电压可由下式确定,
即,
（ 11 - 19）
若取 R1=940Ω,R2=30KΩ,r=37,则电路输出的温度系数为,
ln
1
2
1
220 q
KT
R
R
R
URIU be
KmvqKRRdTdUC T /10ln
1
20
（ 2） 电流输出型图 11 - 20 为电流输出型集成温度传感器的原理电路图 。 T1和 T2是结构对称的两个晶体管,作为恒流源负载,T3和 T4管是测温用的晶体管,其中 T3管的发射结面积是 T4管的 8倍,即 r=8。 流过电路的总电流 IT为,
（ 11 - 20）
式中当 R和 r一定时,电路的输出电流与温度有良好的线性关系 。
若取 R为 358Ω,则电路输出的温度系数为,
ln222 1 qRKTRUII beT
KAqR KdTdIc TT /1ln2
电流输出型典型的集成温度传感器有美国 AD公司生产的 AD590,我国产的 SG590也属于同类型产品 。 基本电路与图 11 - 20一样,只是增加了一些启动电路,防止电源反接以及使左右两支路对称的附加电路,以进一步地提高性能 。
AD590的电源电压 4~30V,可测温度范围 -50~+150℃ 。
2,AD590集成温度传感器应用实例
AD590是应用广泛的一种集成温度传感器,由于它内部有放大电路,再配上相应外电路,方便地构成各种应用电路 。
下面介绍 AD590几种简单的应用线路 。
(1)温度测量电路 图 11 - 21 是一个简单的测温电路 。
AD590在 25℃ （ 298.2K） 时,理想输出电流为 298.2μA,但实际上存在一定误差,可以在外电路中进行修正 。 将 AD590串联一个可调电阻,在已知温度下调整电阻值,使输出电压 UT满足
1mV/k的关系 （ 如 25℃ 时,UT应为 298.2mV） 。 调整好以后,固定可调电阻,即可由输出电压 VT读出 AD590所处的热力学温度 。
(2)控温电路 简单的控温电路如图 11 - 22 所示 。 AD311为比较器,它的输出控制加热器电流,调节 R1可改变比较电压,从而改变了控制温度 。 AD581是稳压器,为 AD590提供一个合理的稳定电压 。
(3)热电偶参考端补偿电路 该种补偿电路如图 11 - 23 所示 。
AD590应与热电偶参考端处于同一温度下 。 AD580是一个三端稳压器,其输出电压 VOUT=2.5V。 电路工作时,调整电阻 R2使得,
I1=t0× 10-3 mA
这样在电阻 R1上产生一个随参考端温度 t0变化的补偿电压
V1=I1R1。
当热电偶参考端温度为 t0,其热电势 EAB(t0,0)≈S·t0,S为塞贝克系数 （ μv/℃ ） 。 补偿时应使 V1与 EAB(t0,0)近似相等,即
R1与塞贝克系数相等,不同分度号的热电偶,R1的阻值亦不同 。
这种补偿电路灵敏,准确,可靠,调整方便,温度变化在 15~35℃ 范围内,可获得 ± 5℃ 的补偿精度 。
11.2 压力测量一,压力概述压力是重要的工业参数之一,正确测量和控制压力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义 。 压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量中 。
工程技术上所称的,压力,实质上就是物理学里的,压强,,定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力 。 其表达式
（ 11 - 21）
式中 P--为压力 ;
F--为作用力 ;
A--为作用面积 。
国际单位制 （ SI） 中定义,1牛顿力垂直均匀地作用在 1
平方米面上,形成的压力为 1“帕斯卡,,简称,帕,,符号为
Pa。 过去采用的压力单位,工程大气压,（ 即 kgf/cm2）,
,毫米汞柱,（ 即 mmHg）,,毫米水柱,（ 即 mmH2O）,
物理大气压 （ 即 atm） 等均应改为法定计量单位帕,其换算关系如下,
1 kgf/cm2=0.9807× 105Pa
1mmH2O=0.9807× 10Pa
1mmHg=1.332× 102Pa
1atm=1.01325× 105Pa
(1)绝对压力 指作用于物体表面积上的全部压力,其零点以绝对真空为基准,又称总压力或全压力,一般用大写符号
P表示
(2)大气压力指地球表面上的空气柱重量所产生的压力,
以 P0表示 。
(3)表压力 绝对压力与大气压力之差,一般用 p表示 。 测压仪表一般指示的压力都是表压力,表压力又称相对压力 。
当绝对压力小于大气压力,则表压力为负压,负压又可用真空度表示,负压的绝对值称为真空度 。 如测炉膛和烟道气的压力均是负压 。
(4)差压 任意两个压力之差称为差压 。 如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小知道液位和流体流量的大小 。
测量压力的传感器很多,如应变式,电容式,差动变压器,霍尔,压电等传感器等都能用来测量压力 。 下面介绍几种工程上常用的测压传感器或测压仪表 。
二,
液柱式压力计是以流体静力学原理来测量压力的 。 它们一般采用水银或水为工作液,用 U型管或单管进行测量,常用于低压,负压或压力差的测量 。
图 11 - 24所示的 U形管内装有一定数量的液体,U形管一侧通压力 p1,另一侧通压力 p2。 当 p1= p2时,左右两管的液体高度相等 。 当 p1< p2时,两边管内液面便会产生高度差 。
根据液体静力学原理可知,
Δp=p1-p1=ρg h （ 11 - 22）
式中 ρ为 U形管内液体的密度 。
如把压力 p1一侧改为通大气 P0,则式 （ 12-2）
p2=ρg h （ 11 - 23）
如果把 U形管的一个管换成大直径的杯,即可变成如图
11 - 25所示的单管或斜管 。 测压原理与 U形管相同,只是因为杯径比管径大得多,杯内液位变化可略去不计,使计算及读数更为简易 。
三,
弹性式压力表是以弹性元件受压后所产生的弹性变形作为测量基础的 。 它结构简单,价格低廉,现场使用和维修都很方便,又有较宽的压力测量范围,因此在工程中获得了非常广泛的应用 。
1．
采用不同材料,不同形状的弹性元件作为感压元件,可以适用于不同场合,不同范围的压力测量 。 目前广泛使用的弹性元件有弹簧管,波纹管和膜片等 。 图 11 - 26给出了一些常用弹性元件的示意图 。
图 11 - 27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 Δx与被测压力 Δp的关系符合胡克定律,
（ 11 - 24）
式中 C为弹簧的刚度系数 ; A为活塞的有效面积 。
当 C,A为定值时,测量压力就变为测量弹性元件的位移量 Δx。
A
xc
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,这将会造成测量误差 。 弹性元件特性与选用的材料和负载的最大值有关,要减小这方面的误差,应注意选用合适的材料,加工成形后进行适当的热处理等 。
2．
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园形 （ 椭圆形或扁形 ）,弯成园弧形的空心管子,如图 12-28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 。 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,其结果使弹簧管的自由端产生位移,同时改变中心角 。 中心角的相对变化量与被测压力有如下的函数关系,
22
22
)1(1
2
k
a
a
b
bh
R
E
式中 θ-为弹簧管中心角的初始角 ;
Δθ-为受压后中心角的改变量 ; R为弹簧管弯曲圆弧的外半径 ;
h-为管壁厚度 ;
a,b-为弹簧管椭圆形截面的长,短半轴 ; Κ为几何常数
（ =RH/a2） ;
α,β-为与比值 a/b有关的参数 ; μ为弹簧管材料的泊松系数 ; E为弹性模数 。
由式 （ 11 - 25） 可知,如果 a=b,则 Δθ=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 Δθ比较小,要提高 Δθ,可采用多圈弹簧管 。
弹簧管压力表结构如图 11 - 29所示 。 被测压力由接头 9通入,
迫使弹簧管 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 。
弹簧管压力表结构简单,使用方便,价格低廉,使用范围广,
测量范围宽,可以测量负压,微压,低压,中压和高压,因此应用十分广泛 。
3．
压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件,它是基于压阻效应工作的 。 所谓压阻元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 11 - 30是压阻式压力传感器的结构示意图 。 在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,组成一个全桥测量电路 。 膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开 。 一端接被测压力,另一端接参考压力 。 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承受的压差的大小 。
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,能测出十几帕斯卡的微压,它是一种比较理想,目前发展和应用较为迅速的一种压力传感器 。
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,将传感器与计算机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
（ 1） 压力传感器的选用 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,传感器的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,许误差,介质特性及生产安全等因素,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。
如要测量高压蒸汽的压力,已知蒸汽压力为 （ 2~4）
× 105Pa,生产中允许最大测量误差为 104Pa且要求就地显示,
如何选择压力表呢？
%7.110)06( 10 5
4
m a x
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 0~6× 105Pa（ 当压力从
2× 105Pa变化到 4× 105Pa时,正好处于量程的 1/3~2/3） 。 要求最大测量误差小于 104Pa,即要求传感器的相对误差所以应选 1.5级表
（ 2） 压力传感器的安装 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 。 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份,即离局部阻力较远的地方 。
测量高温蒸汽压力时,应装回形冷凝液管或冷凝器,以防止高温蒸汽与测压元件直接接触 。
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 11 - 31（ 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 。
压力传感器安装高度应与取压点相同或相近 。 对于图 11
- 32所示情况,压力表的指示值比管道内的实际压力高,对液柱附加的压力误差进行修正 。
11-31 测量高温，腐蚀介质压力表安装示意图
11-32 压力表位于生产设备下安装示意图
11.3 流量测一,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,很多原料,半成品,成品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 。
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 。
瞬时流量有体积流量和质量流量之分 。
（ 1） 体积流量 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,
qv= （ 11 - 26）
式中 V为截面 A中某一面积元 dA上的流速 。 如果用流体的平均流束 V表示,则体积流量可写成
qv = vA （ 11 - 27）
（ 2） 质量流量 qm单位时间内通过某截面的流体的质量,
单位为 kg/s。 根据定义,质量流量可用下式表示,
qm= （ 11 - 28）
若用平均流速表示,
（ 11 - 29）
Avdt
A vdA?
vm qvAq
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 。
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三大类 。
（ 1） 速度式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 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 。 常用的有椭圆齿轮,旋转活塞式和刮板等流量传感器 。
（ 3） 质量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 。
下面针对有代表性的,工业上应用较为广泛的流量传感器作介绍 。
二,差压式流量传感器差压式流量传感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 。 差压式流量传感器主要有节流装置和差压计 （ 或差压变送器 ） 组成,如图 11 - 33所示,节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号,差压计则对压差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 。
1．
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 。 它们的结构型式,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 11 - 34所示 。 其中孔板是最简单又最为典型,加工制造方便,
在工业生产过程中常采用孔板 。
标准节流装置按照规定的技术要求和试验数据设计,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 。
2．
（ 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 Δp(Δp=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 11 - 35为节流件前后流速和压力分布情况,图中充分地反映了能量形式的转换 。 由于流动是稳定不变的,即流体在同一时间内通过管道截面 A和节流件开孔截面 A0的流体量应相同,
这样通过截面 A0的流速必然比通过截面 A时快 。
（ 2） 流量方程式 假设节流件上游入口前的流速为 V1,密度为 ρ1,静压为 p1,流过节流件时的流速,密度和静压分别为
V2,ρ2和 p2,对于不可压缩理想流体,能量方程为,
22
2221 vv
流体的连续方程为,
AV 1ρ=A0V2ρ （ 11 - 31）
联立求解得到流量与压差之间的流量方程式为,
体积流量
2
0aAq v
质量流量
paAq m20
式中 α为流量系数 。 它与节流装置的结构形式,取压方式,
节流装置开孔直径和管道的直径比以及流体流动状态 （ 雷诺数 ） 等有关 。 对于标准节流装置,α值可直接从有关手册中查出 。
对于可压缩流体,例如各种气体及蒸汽,通过节流元件时,
由于压力变化必然会引起密度 ρ的改变,这时在公式中应引入流束膨胀系数 ε,公式应变为,
1
0
2
Aaq
v
10 2Aaq m
3．
标准节流装置输出的差压信号由压力信号管路输送到差压计或差压变送器 。 由流量基本方程式可以看出,被测流量与压差 Δp成平方根关系,对于直接配用差压计显示流量时,流量标尺是非线性的,为了得到线性刻度,可加开方运算电路 。 差压流量变送器应带有开方运算,使变送器输出电流与流量成线性关系,这将在变送器内容里作介绍 。
三,
电磁流量传感器是根据法拉弟电磁感应定律测量导电性液体的流量 。 如图 11 - 36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级,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 。
vBDdt
dE
式中 B-为磁感应强度 （ T） ;
D-为管道内径,相当于垂直切割磁力线的导体长度,m;
V-为导体的运动速度,即流体的流速,m/s;
E-为感应电动势,v。
体积流量 qv预留量流速 v
vDq v 241
将式（ 11 - 37）代入式（ 11 - 36）可得,
vv kqqD
BE
4
D
Bk
4?式中 K为仪表常数,
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 E与流量 qV成线性关系,便可通过测量感应电动势 E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,须通过电磁流量转换器来显示流量 。 常用的电磁流量转换器能把传感器的输出感应电动势信号放大并转换成标准电流 （ 0~10
mA或 4~20 mA） 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 。
磁流量传感器只能测量导电介质的流体流量 。 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以及脉动流量测量等 。
四,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 11 - 37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 11 - 37 涡轮流量传感器结构示意图涡轮由高导磁的不锈钢制成,线圈 3和永久磁钢 5组成磁电感应转换器 。 测量时,当流体通过涡轮叶片与管道间的间隙时,流体对叶片前后产生压差推动叶片,使涡轮旋转,在涡轮旋转的同时,高导磁性的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,因而在线圈两端产生感应电势,
该电势经过放大和整形,便可得到足以可测出频率的方波脉冲,如将脉冲送入计数器就可求得累积总量 。
在涡轮叶片的平均半径 rc处取断面,并将圆周展开成直线,
便可画出图 11 - 38。
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 α,便可写出
u=ω rc=v tanα
或 （ 11 - 39）
式中 n-为涡轮的转速 ;
ω-为涡轮的角速度 。
叶片缝隙间的有效流通面积为 A,
（ 11 - 40）
a
nr
a
wrv cc
t a n
2
t a n
AanrvAq cv t a n2
如涡轮上叶片总数为 Z,则线圈输出脉冲频率 f就是 60nZ
HZ,代入式 （ 11 - 39）
（ 11 - 41）
式中 ξ-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,信号易远传,且便于数字显示,可直接与计算机配合进行流量积算和控制 。 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测风速和水速 。
1
t a n30 faz
Arq c
v
11.4 物位测量一,
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 。 根据具体用途分为液位,料位,界位传感器 。
工业上通过物位测量能正确获取各种容器和设备中所储的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)其它形式 如微波式,激光式,射流式,光纤维式传感器等等 。
二,
浮力式液位传感器是利用液体浮力测量液位 。 它结构简单,使用方便,是目前应用较广泛的一种液位传感器 。 根据测量原理,分为恒浮力式和变浮力式两大类型 。
1.浮子式液位传感器最原始的浮力式液位传感器,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 11 - 39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 。
如把浮子换成浮球,测量从容器内移到容器外,用杠杆直接连接浮球,可直接显示罐内液位的变化 。 如图 11 - 40 所示 。
这种液位传感器适合测量温度较高,粘度较大的液体介质,
但量程范围较窄 。 如在该液位传感器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电触点 4的上下位移 。 当液位高于 （ 或低于 ） 极限位置时,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贮罐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 。 如图 11 - 41所示 。
沉筒式液位传感器是利用变浮力的原理测量液位 。 图
11 - 42为电动沉筒式液位传感器的结构原理图,它由液位传感器和霍尔变送器组成 。 圆柱形的沉筒沉浸在液体之中,当液面变化时,它被浸没的体积也有变化,浮筒受到的浮力就与原来不同,这样就可根据沉筒所受浮力大小判断液位的高低 。
当液位为零时,浮力为零,沉筒的全部重量作用在杠杆 2上,扭力管 3产生最大扭角 （ 可达 70左右 ）,心轴 4自由端的角位移也达最大 。 实验表明,扭力管的扭转角的变化量 Δθ与液位 H
的变化量成比例关系,这样把液位变化转换成角位移的变化,
通过霍尔变送器将角位移变化量转换成相应标准电流信号输出 。
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 。
三,
利用压力或差压变送器可以很方便地测量液位,而且能输出标准电流信号,有关变送器的原理将在后面变送器的内容中进行介绍,此处只讨论其测量原理 。
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,如图 11 - 43所示 。 通过引压导管把容器底部静压与测压仪表连接,当压力表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,
Pg
PH?
式中 H-为液位高度 （ m） ;
ρ-为液体的密度 （ kg/m3） ;
g-为重力加速度 （ m/s2） ;
p-为容器底部的压力 （ Pa） 。
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仪表或差压变送器测量液位的,如图 11 - 44所示 。
设容器上部空间的压力为 p,
p+=p+Hρg （ 11 - 43）
p-=p （ 11 - 44）
因此可得正负室压差为,
Δp= p+- p-=Hρg （ 11 - 45）
由式 （ 11 - 45） 可知,被测液位 H与差压 Δp成正比 。 但这种情况只限于上部空间为干燥气体时成立,假如上部为蒸汽或其它可冷凝成液态的气体,则 p-的导压管里必然会形成液柱,
这部份的液柱压力也必须要进行零点迁移 。
11.5 机械量一,概述机械量包括位移,转角 （ 角位移 ）,尺寸,转速,力,
重量,扭矩,振动,速度和加速度等 。 机械运动是各种复杂运动的基本形式,机械量是表征机械运动的基本物理量,它不仅是机械制造工业的重要参数,而且还是很多非电量传感器的中间参数,例如前面提到的弹性变形法测压力,浮力法测液位等都要经过机械量的转换 。 位移是机械量中最基本的参数,也是机械量检测的重点,其它机械量参数如力,力矩,速度,加速度和振动等,都是以位移测量作为基础的 。 所以在机械制造工业,工业自动检测及其它领域都离不开位移测量 。 下面着重介绍位移及位移传感器 。
位移测量时,应当根据不同的测量对象,选择适当的测量点,测量方向和测量系统 。 其中位移传感器选择是否恰当,
对测量精确度影响很大,必须特别注意 。
用于位移测量的传感器很多,因测量范围不同,所用的传感器是不同的 。 小位移通常用应变式,电感式,差动变压器式,电容式,霍尔式等传感器来检测,精度可达 0.5~1.0%,其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些,有些可达 100mm。 小位移传感器测微小位移,从几微米到几个毫米,
如物体振动的振幅测量等 。
大的位移常用感应同步器,光栅,磁栅,编码器等传感器来测量,其特点是易实现数字化,精度高,抗干扰能力强,
没有人为读数误差,安装方便,使用可靠等,这些传感器既可以测线位移,也可以测角位移,还可用来测长度,它们在自动检测和自动控制中得到日益广泛的应用 。
大部份的位移在前面章节中已有介绍 。 下面介绍一些前面未曾述及的位移传感器,这些传感器被广泛地应用于自动检测和自动控制系统中 。
二,
光栅是一种在基体上刻制有等间距均匀分布条纹的光学元件 。 用于位移测量的光栅称为计量光栅 。
图 11 - 45为透射光栅的示意图 。 图中 a为刻线宽度,b为缝隙宽度,a+b=W称为光栅的栅距 （ 也称光栅常数 ） 。 通常
a=b=W/2,也可刻成 a:b=1.1:0.9。 目前常用的光栅每毫米刻成 10、
25,50,100,250条线条 。
光栅传感器又称光栅读数头,主要由标尺光栅,指示光栅,
光路系统和光电元件等组成 。 标尺光栅的有效长度即为测量范围 。 指示光栅比标尺光栅短得多,但两者刻有同样的栅距,
使用时两光栅互相重叠,两者之间有微小的空隙,其中一片固定,另一片随着被测物体移动,即可实现位移测量 。
1,光栅测量原理当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小的夹角时,由于挡光效应 （ 对线纹密度 ≤50条 /mm的光栅 ） 或光的衍射作用
（ 对线纹密度 ≥100条 /mm的光栅 ）,在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为,莫尔条纹,,
见图 11 - 46所示 。
莫尔条纹测位移的特点,
(1)位移的放大作用 当光栅移动一个栅距 W时,莫尔条纹移动一个间距 BH,莫尔条纹的间距 BH与两光栅线纹夹角 θ之间的关系为,
BH =W/sin（ θ/2） ≈W/θ （ 11 - 46）
θ越小,BH越大 。 例如 θ=10分,则 1/θ≈344,即莫尔条纹宽度是栅距的 344倍 。 这相当于把栅距放大了 1/θ倍,提高了测量的灵敏度 。
(2)误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,能在很大程度上消除短周期误差的影响 。
若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化,则将光信号转换为电信号,输出的幅值可用光栅位移量 x的正弦函数表示,如图 11 - 47所示 。 以电压输出而言,
U=U0+Umsin(π/2+2πx/W) （ 11 - 49）
式中 U-为光电元件输出的电压信号 ;
U0-为输出信号中的平均直流分量 ;
Um-为输出信号中正弦交流分量的幅值 。
当光栅位移一个栅距 W,波形就变化一周,这时相应条纹移动一个条纹宽度 BH。 因此只要记录波形变化周数即条纹移动数 N,就可知道光栅的位移 x。
x=n BH （ 11 - 48）
将输出的电压信号经过放大,整形变为方波,经微分电路转换成脉冲信号,再经过辨向电路和可逆计数器计数,则可以数字形式实时地显示出位移量的大小 。
2．
位移是向量,因而对位移量的测量,除了确定大小之外,还应确定其方向 。
而可动光栅片向前或向后移动时,莫尔条纹都是作明暗交替的变化,从而无法判别光栅移动的方向,也不能正确测量出有往复移动时位移的大小 。 因此必须在测量电路中加入辨向电路 。 为了辨向,需要有相位差为 π/2的两个莫尔条纹信号 。
图 11 - 48为辨向的工作原理和它的逻辑电路 。 在相隔 1/4条纹间距的位置上放置两个光电元件,得到两个相位差 π/2的电信号 U1和 U2,经过整形后得两个方波信号 U1ˊ 和 U2ˊ 。 从图中波形的对应关系可看出,当光栅沿 A方向移动时,U1ˊ 经微分电路后产生的脉冲 （ 如图中实线所示 ） 正好发生在 U2ˊ 的
,1”电平时,从而经 Y1输出一个计数脉冲 ; 而 U1ˊ 经反相并微分后产生的脉冲 （ 如图中虚线所示 ） 则与 U2ˊ 的,0”电平相遇,与门 Y2被阻塞,无脉冲输出 。
在光栅沿 A方向移动时,U1ˊ 的微分脉冲发生在 U2ˊ 为
,0”电平时,与门 Y1无脉冲输出 ; 而 U1ˊ 的反相微分脉冲则发生在 U2ˊ 的,1”电平时,与门 Y2输出一个计数脉冲 。 则说明
U2ˊ 的电平状态作为与门的控制信号,来控制在不同的移动方向时,U1ˊ 所产生的脉冲输出路线 。 这样就可以根据运动方向正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲,再将其输入可逆计数器,
实时显示出相对于某个参考点的位移量 。
3．
在前面讨论的光栅测量原理中可知,以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量,其分辨力为光栅栅距 。 为了提高分辨力和测量比栅距更小的位移量,可采用细分技术 。
所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内,发出若干个脉冲,以减小脉冲当量,如一个周期内发出 n脉冲,即可使测量精度提高 n倍,而每个脉冲相当于原来栅距的 1/n。 由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍,因此也称之为 n倍频 。 细分方法有机械细分和电子细分两类 。 下面介绍电子细分法中常用的四倍频细分法,这种细分法也是许多其它细分法的基础 。
在上述辨向原理中可知,在相差 BH/4位置上安装两个光电元件,得到两个相位相差 π/2的电信号 。 若将这两个信号反相就可以得到四个依此相差 π/2的信号,从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲,实现四倍频细分 。 也可以在相差 BH/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分 。 这种方法不可能得到高的细分数,因此在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件,但它有一个优点,就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求 。
三,
1,结构原理感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随相对位置不同而变化的原理,将直线位移或角位移转换成电信号的 。
感应同步器有直线式和旋转式两种,分别用于直线位移和角位移测量,两者原理相同 。 直线式 （ 长 ） 感应同步器由定尺和滑尺组成,如图 11 - 49所示 。 旋转式 （ 圆 ） 感应同步器由转子和定子组成,如图 11 - 50所示 。 在定尺和转子上的是连续绕组,
在滑尺和定子上的则是分段绕组 。 分段绕组分为两组,在空间相差 90° 相角,故又称为正,余弦绕组 。 工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压,由于电磁耦合,在另一种绕组上就产生感应电动势,该电动势随定尺与滑尺 （ 或转子与定子 ） 的相对位置不同呈正弦,余弦函数变化,再通过对此信号的检测处理,便可测量出直线或转角的位移量 。
2,信号处理方式从信号处理方式来说,可分为鉴相和鉴幅方式两种 。 它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理 。
下面以长感应同步器为例进行叙述 。
（ 1） 鉴相方式 滑尺的正弦,余弦绕组在空间位置上错开 1/4定尺的节距,激励时加上等幅等频,相位差为 90° 的交流电压,即分别以 sinωt和 cosωt来激励,这样,就可以根据感应电势的相位来鉴别位移量,故叫鉴相型 。
当正弦绕组单独激励时励磁电压为 Us=Um sinωt,感应电势为,
eS=kωUm cosωtsinθ ( 11 - 49)
式中,k-为耦合系数 。
当余弦绕组单独激励时 （ 励磁电压为 Uc=Um cosωt）,
感应电势为,
eC=kωUm sinωtcosθ ( 11 - 50)
按叠加原理求得定尺上总感应电动势为,
e= eS + eC =kωUm cosωtsinθ+kωUm sinωtcosθ
=kωUm sin(ωt+θ) ( 11 - 51)
式中的 θ=2πx/ω称为感应电动势的相位角,它在一个节距 W之内与定尺和滑尺的相对位移有一一对应的关系,每经过一个节距,变化一个周期 （ 2π） 。
（ 2） 鉴幅式如在滑尺的正,余弦绕组加以同频,同相但幅值不等的交流激磁电压,则可根据感应电势振幅来鉴别位移量,称为鉴幅型 。
当加到滑尺两绕组的交流励磁电压为,
Us=Us sinωt ( 11 - 52)
Uc=Uc cosωt ( 11 - 53)
式中,Us=Um sinф;Uc=Um cosф,Um为激励电压幅值,ф为给定的电相角 。
它们分别在定尺绕组上感应出电动势为,
eS=kωUs sinωtsinθ ( 11 - 54)
eC=kωUc sinωtcosθ ( 11 - 55)
定尺的总感应电势为,
e=eS + eC=kωUs sinωtsinθ+kωUc sinωtcosθ
=kωUm sinωt(cosфcosθ+sinфsinθ)
=kωUm sinωtcos(ф-θ) ( 11 - 56)
式中把感应同步器两尺的相对位移 x(=2πθ/ω)和感应电势的幅值 kωUmcos(ф-θ)联系了起来 。
3．
图 11 - 51为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图 。 脉冲发生器发出频率一定的脉冲序列,经过脉冲一相位变换器进行 N分频后,输出参考信号方波 θ0和指令信号方波 θ1。
参考信号方波 θ0经过激磁供电线路,转换成振幅和频率相同而相位差为 90° 的正,余弦电压,给感应同步器滑尺的正,
余弦绕组激磁 。 感应同步器定尺绕组中产生的感应电压,经放大和整形后成为反馈信号方波 θ2。 指令信号 θ1和反馈信号 θ2同时送给鉴相器,鉴相器既判断 θ2和 θ1相位差的大小,又判断指令信号 θ1的相位超前还是滞后于反馈信号 θ2的相位 。 假定开始时 θ1=θ2,当感应同步器的滑尺相对定尺平行移动时,将使定尺绕组中的感应电压的相位 θ2（ 即反馈信号的相位 ） 发生变化 。
此时 θ1≠θ2,由鉴相器判别之后,将有相位差 Δθ=θ2-θ1作为误差信号,由鉴相器输出给门电路 。 此误差信号 Δθ控制门电路,开门,
的时间,使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过 。
通过门电路的脉冲,一方面送给可逆计数器去计数并显示出来 ; 另一方面作为脉冲一相位变换器的输入脉冲 。 在此脉冲作用下,脉冲一相位变换器将修改指令信号的相位 θ1,使
θ1随 θ2而变化 。 当 θ1再次与 θ2相等时,误差信号 Δθ=0,从而门关闭 。 当滑尺相对定尺继续移动时,又有 Δθ=θ2-θ1作为误差信号去控制门电路的开启,门电路又有脉冲输出,供可逆计数器去计数和显示,并继续修改指令信号的相位 θ1,使 θ1和 θ2在新的基础上达到 θ1=θ2。 因此在滑尺相对定尺连续不断地移动过程中,就可以实现把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来 。
四,
1,概述将机械转动的模拟量 （ 位移 ） 转换成以数字代码形式表示的电信号,这类传感器称为编码器 。 编码器以其高精度,
高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移测量 。
编码器的种类很多 。 按其结构形式有直线式编码器和旋转式编码器 。 由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的,
因此旋转式编码器应用更为广泛 。
按其检测原理有电磁式,接触式,光电式等 。 光电式编码器具有非接触和体积小的特点,且分辨率高,它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用 。
目前我国已有 23位光电编码器,为科学研究,军事,航天和工业生产提供了对位移量进行精密检测的手段 。
旋转式编码器又分为增量式编码器和绝对式编码器 。 增量式编码器的输出是一系列脉冲,需要一个计数系统对脉冲进行累计计数,一般还需要一个基准数据即零位基准才能完成角位移测量 。 绝对式编码器不需要基准数据及计数系统,它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出 。
下面介绍光电式绝对编码器 。
2,光电式编码器光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘 （ 码盘 ）,狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成 。
基本结构如图 11 - 52所示 。 码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分,即亮区和暗区 。 码盘构造如图 11 - 53所示,它是一个 6位二进制码盘 。 当光源将光投射在码盘上时,转动码盘,通过亮区的光线经狭缝后,由光敏元件所接收 。 光敏元件的排列与码道一一对应,对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号,前者为,1”,后者为,0”。 当码盘旋至不同位置时,
光敏元件输出信号的组合,反映出按一定规律编码的数字量,
代表了码盘轴的角位移大小 。
编码器码盘按其所用码制可分为二进制码,十进制码,
循环码等 。
图 11 - 53所示的 6位二进制码盘,最内圈码盘一半透光,一半不透光,最外圈一共分成 26=64个黑白间隔 。 每一个角度方位对应于不同的编码 。 例如零位对应于 000000（ 全黑 ） ; 第 23个方位对应于 010111。 这样在测量时,只要根据码盘的起始和终止位置,就可以确定角位移,而与转动的中间过程无关 。 一个 n
位二进制码盘的最小分辨率,即能分辨的角度为 α=360° /2n。
若 n=6,则 α≈5.6°,如要达到 1秒左右的分辨率,至少采用 20位的码盘 。 对于一个刻划直径为 400mm的 20位码盘,其外圈分划间隔不到 1.2μm。 可见码盘的制作不是一件易事 。
采用二进制编码器时,任何微小的制作误差,都可能造成读数的粗误差 。 主要是二进制码当某一较高的数码改变时,
所有比它低的各位数码需同时改变 。 如果由于刻划误差等原因,某一较高位提前或延后改变,就会造成粗误差 。
为了清除粗误差,可用循环码代替二进制码 。 图 11 - 54
所示是一个 6位的循环码码盘 。 对于 n位循环码码盘,与二进制码一样,具有 2n种不同编码,最小分辨率 α=360° /2n。 表 给出了四位二进制码与循环码的对照表 。 从表中看出,循环码是一种无权码,从任何数变到相邻数时,仅有一位编码发生变化 。
如果任一码道刻划有误差,只要误差不太大,只可能有一个码道出现读数误差,产生的误差最多等于最低位的一个比特 。
所以只要适当限制各码道的制造误差和安装误差,不会产生粗误差 。 由于这一原因使得循环码码盘获得了广泛的应用 。
循环码是一种无权码,这给译码造成一定困难 。 通常先将它转换成二进制码然后再译码 。
按表 11 - 8 所列,可以找到循环码和二进制码之间的转换关系为,
Rn=Cn
Ri=Ci⊕ Ci+1 （ 11 - 57）
或 Ci=Ri⊕ Ci+1
式中 R-表示循环码 ;
C-表示二进制码 。
根据上式用与非门构成循环码 -二进制码转换器,这种转换器所用元件比较多 。 如采用存贮器芯片可直接把循环码转换成二进制码 。
大多数编码器都是单盘的,全部码道则在一个圆盘上,但如要求有很高的分辨率时,码盘制作困难,圆盘直径增大,而且精度也难以达到 。 这时可采用双盘编码器,它的特点是由两个分辨率较低的码盘组合而成为高分辨率的编码器 。
11.6 变送器一,温度变送器工业生产中广泛使用的温度变送器大多是与各种热电偶或热电阻配合,把温度 （ 或温差 ） 信号转换成统一标准电流信号输出,其中又分为输出直流 0~10 mA和输出直流 4~20 mA的两类对于其他传感器,如果能提供直流电动势或电阻值的变化,也可以与这些变送器配合,以将其它被测量也可变成相应的统一标准信号 。
（ 一 ） 输出 0~10 mA
这是一种无线性化功能的温度变送器,主要由输入回路,
自激调制式直流放大器及负反馈回路等组成 。 其构成方框图如图 11 - 55所示 。
由温度传感器热电偶或热电阻送来的反映温度 （ 或温差 ）
参数大小的信号Ｅ t或Ｒ t,经输入回路转换成相应的直流毫伏信号Ｖ i后,与反馈信号Ｖ f进行比较,其差值 ε在自激调制式直流放大器内先变换为交流信号,进行交流放大后又还原成 0~10
mA的直流输出电流Ｉ ０ 。 同时,自激调制式直流放大器输出信号中所含的交流分量,经负反馈回路变成大小与输出电流Ｉ
０ 成正比的直流电压信号Ｖ f,反馈至放大器的输入端,从而保证输入Ｖ i和输出Ｉ ０ 的线性关系 。
下面简单介绍输出 0~10mA的温度变送器的输入回路部份 。
输入回路为一直流电桥,根据接线端子的不同连接方式,可以与热电偶配合,也可以与热电阻配合,还可以接成测温差的方式 。
（ １ ） 热电偶输入回路图 11 - 56所示为热电偶输入时的一种连接图 。 Ｒ １７ ＋Ｒ １８,Ｒ ２０ ＋Ｒ ２１,Ｒ cu及Ｗ 2分别为电桥的四个桥臂 。 电桥的电源电压６Ｖ,电位器Ｗ ３ 是用来调节桥路总电流的,使Ｉ＝１ mＡ,Ｒ １８ 和Ｒ ２１ 阻值均为１０Ｋ Ω,
比其它电阻大得多,所以桥路两支路电流几乎相等,都是 0.5m
Ａ 。 由图 11 - 56分析可知,热电偶输入回路的输出Ｖ i为热电偶所产生的热电势Ｅ t和桥路的输出信号Ｖ ＢＤ 之代数和,即Ｖ i
＝Ｖ ＡＤ ＝Ｅ t+VBD。
桥路中设置了热电偶冷端温度补偿电阻Ｒ cu,它与热电偶冷端感受同一温度,当热电偶工作温度不变,而冷端 t0升高时,
使其两端电压 （ I1Ｒ cu） 增大,引起Ｖ ＢＤ 也相应增大,只要 Rcu
选择合适,可保证 Vi=VAD=Et(t,t0)↓+Ｖ ＢＤ ↑基本不变,实现冷端温度自动补偿 。 补偿条件为 （ 以 20℃ 为基准 ）,
ΔEt=I1ΔRcu=I1ΔRcuαcu(t-20) （ 11 - 46）
在生产过程中,实际测量直流电动势不是从 0mv开始,而是从某一数值开始测量的,这时而通过零点迁移,把仪表的测量起点从零迁移到某一数值 。 零点迁移可通过调节电位器 W2的阻值大小来实现 。 另外电阻 R24（ 100Ω） 可通过端子的不同连接方式,可以与电位器 W2并联,串联或不接,以便能实现较大范围的零点迁移 。
R19为热电偶断偶报警电阻,R19（ 150Ω） 比桥路中的任一电阻阻值要大得多,正常测量时,把它看作开路,对电桥工作不起作用 。 而当热电偶发生断偶时,支路电流 I1在 R17上的压降会取代 Et,经 R19加到放大器的输入端,由于这个电压 （ I1R17） 比最大热电势大得多,使变送器的输出瞬间增大而超过规定限值,实现断偶报警作用 。
该电路还能实现仪表定值检查 。 桥路电阻 R20（ 13Ω）
上的固定电压 （ 6.5mv） 送至放大器,仪表为 4-6 mA的输出电流,表示变送器的工作正常,否则有效故障 。
（ 2） 热电阻输入回路 图 11 - 57所示为热电阻输入回路 。
它是将接线端子 ① 和 ② 短接,热电阻 Rt作为一个桥臂,接在端子 ③④ 之间,为了克服连接导线电阻的影响,热电阻采用三线制接法,故端子 ⑤ 上也有一根导线与 Rt相连 。 热电阻输入回路与热电偶输入回路的组成相似,读者可自行分析 。
2,输出 4-20 mA
输出 4-20 mA的温度变送器与输出 0-10 mA的相比较,除电流信号不同之外,还具有以下特点,
a,直流 24V集中供电,变送器内无电源电路 ;
b,在热电偶与热电阻温度变送器中采用了线性化电路从而使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系,便于指示和记录 。
c,变送器的输入,输出之间具有隔离变压器,并采取了安全火花防爆措施,故具有良好的抗干扰性能,且能测量来自危险场所的直流毫伏或温度信号 。
变送器总体结构如图 11 - 58所示 。 方框图中空心箭头表头表示供电回路,实线箭头表示信号回路 。 输入毫伏信号 Vi
或由测温传感器送来的反映温度大小的输入信号 Et与桥路部份的输出信号弹 VZ′及反馈信号 Vf′相叠加,送入集成运算放大器 。 放大了的电压信号再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的 4~20 mA直流电流 I0和 1~5V直流电压 V0输出 。
下面介绍输出 4-20 mA的热电偶温度变送器,图 11 - 59为整机线路图 。 虚线左边部份为量程单元,其作用是实现热电偶冷端温度补偿,整机调零调量程,非线性补偿及热电偶断偶报警等 ; 虚线右边部份为放大和输出单元,其作用是将量程单元输出的直流毫伏信号进行电压放大及功率放大,然后整流输出电流,电压信号,并实现输入 -输出 -电源的互相隔离 。
（ 1） 量程单元热电偶变送器的量程单元由输入回路,
冷端温度补偿,调零调量程及非线性反馈回路等几部份组成 。 其原理线路见图 11 - 60。
在仪表输入端由稳压管 DW1,DW2及限流电阻 R1,R2组成安全火花电路 。 其作用是限制流向现场 （ 指危险场所 ）
的电压和电流在安全火花范围以内 。 当输入端出现高电压,
并超过 DW1,DW2的稳压范围时,它们便导通,从而起限幅作用 。 用两个稳压管起双重保护作用 。
热电偶断线报警电路由电阻 R′和 R9等组成,并由集成稳压器供电 。 当热电偶断时,此电路向运算放大器 A1输入一个比热电偶最大电势还要大的电压 （ 约 0.3V）,从而使变送器的输出突然增至 20 mA DC作为报警信号 。
Rcu为热电偶冷端温度补偿电阻,当冷端温度变化时,在 Rcu
上产生一附加电压降补偿热电势的变化 。
图中 W1为调零电位器,W2为调量程电位器 。
热电偶的热电势与温度之间存在非线性关系,为了使温度变送器的输出信号与被测温度之间呈线性关系,需要采取线性化措施 。 由运算放大器 A2等构成的非线性反馈回路就能实现这一要求 。
热电偶温度变送器线性化原理可画成图 11 - 61所示的方框图形式 。 由于热电偶的热电势 Et与温度 t的关系为非线性,如果放大器的反馈回路设计成非线性反馈,即 Vf′与 t的关系也是非线性,且与热电偶的特性相一致,那么 Et与 Vf′的差值 ε与 t的关系就呈线性关系,ε经线性放大器放大后的输出信号 V0与温度 t呈线性关系 。
非线性运算电路实际上是一个折线电路,它用折线法近似表示热电偶的特性曲线 。 例如图 11 - 62所示特性曲线由四段折线组成,各段折线斜率分别为 r1,r2,r3,r4。 一般情况下,用
4-6段折线近似表示热电偶的某段特性曲线时,所产生的误差小于 0.2%。
要实现图示的特性曲线,可采用如图 11 - 63所示的非线性运算电路 。 图中 DW3-DW6为稳压管,它们的稳压值为 VD,其特性是在击穿前,电阻极大,相当于开路,而当击穿后,动态电阻极小,相当于短路 。 er1,er2,er3,er4分别为基准电压回路提供的基准电压,对公共点而言,它们均为负值 。 基准电压回路由恒压电路 （ 由三极管 v101,稳压管 vDW7,vDW8 等组成 ） 和电阻分压器 R25,R26,R27,R28,R29,R30,R31,R32组成 （ 见图 11 - 60） 。
当热电偶传来的输入信号 V i为零时,变送器相应的输出为 4 mA DC（ 或 1V DC） 。 此时特性曲线工作于起点 a,对应于 V f=Vf1,V0=V01。 稳压管 DW3-DW6均不导通,从图 12-63可知,
V01通过非线性运算网络 （ 由 R15,R20,R21及 R23组成 ） 反馈至运算放大器 A2的反相端 。
随着热电偶传来的输入信号 Vi的增大,Vf从 Vf1开始增大,
相对应的 V0也从 V01沿直线 ab段 （ 斜率 r1） 增大,当 Vf=Vf2时,
便出现一个拐点,此时 V0= V02,仪表设计时使 V02≥VDW6- er1
（ UDW6为稳压管 VDW6的稳压值 ）,从而使 VDW6导通,而 VDW3-
VDW5仍不导通,这样与前面情况相比多一条反馈支路,因此 A2
的反馈量减小,使输出量增大,导致从拐点开始 V02沿着 bc段增大 。 依次类推,随着 Vi继续增大,Vf也随之增大,VDW3-VDW5
将依次导通,对运算放大器 A2的反馈量将依次相应地减小,则
V0将沿着 cd,de段上升,从而构成 a-b-c-d折线 。
不同分度号的热电偶或同分度号热电偶而测量范围不同,
其特性曲线形状不一样,所以,非线性反馈回路的结构和参数也因此而不同,这些都由仪表设计制造时决定 。
（ 2） 放大单元 温度变送器的放大单元由集成运算放大器
A1,功率放大器,直流 -交流 -直流变换器,隔离输出等部份组成 。 其原理线路见图 11 - 64所示 。
集成运算放大器 A1起电压放大作用 。 由于来自量程单元的输入信号 Vi很小,接至 A1的同相输入端,非线性反馈回路送来的反馈信号接至 A1的反相输入端,经 A1放大后的输出信号送至功率放大器 。
功率放大器由复合管 V1,V2及隔离变压器 B2等组成 。 它把
A1输出的电压信号转换成具有一定负载能力的电流信号,同时通过隔离变压器实现隔离输出 。 功率放大器由直流 -交流 -直流变换器输出的交流方波电压供电,因而不仅具有放大作用,而且具有调制作用,以便通过隔离变压器传递信号 。
采用复合管是为了提高输入阻抗,减小线性集成电路的功耗 。 V1,V2的发射极电流经电阻 R37产生的压降,作为反馈电压 Vf送至量程单元,经过非线性反馈回路运算后送到运算放大器 A2的反相输入端,以实现负反馈 。,
为了避免输出与输入之间有直接电的联系,在功率放大器与输出回路之间,采用隔离变压器 B2来传递信号 。 隔离变压器
B2副边的交流电流,经 D11~D14桥式整流和由 R49,C7组成的阻容滤波,得到 4~20 mA DC的输出电流,此电流在阻值为 250Ω的电阻 R20上的压降 （ 1~5V） 作为变送器输出的电压信号 。 稳压管 VDW3的作用在于当电流输出回路断线时,输出电流可以通过 VDW3流向 R20,从而保证电压输出信号不受影响 。 二极管 D15、
D16作用是当输出端出现异常电压时,二极管短路将熔断丝烧断,从而保证其它元件不致损坏 。
直流 -交流 -直流变换器的功能是把 24VDC的电压变换成具有一定频率的交流方波电压,经整流提供给变送器各组成部份的电源 。
二,
差压变送器可以测量液体,气体和蒸汽的压力,压差及液位等参数,与节流装置配合可测量流量 。
差压变送器有气动差压变送器 （ 输出 20~100KPa压力信号 ） 和电动差压变送器 （ 输出 4~20ma或 0~10ma标准电流信号 ）,下面将重点介绍工业上常用的电动差压变送器 。
（ 一 ）
力平衡式差压变送器的构成方框图如图 11 - 65所示,它包括测量机构,杠杆力平衡机构,位移检测放大器及电磁反馈机构 。
力平衡式差压变送器是基于力矩原理工作的,它是以电磁反馈力产生的力矩去平衡输入力产生的力矩 。 由于采用了深度负反馈,因而测量精度较高,而且保证了被测差压 ΔPi和输出电流 I0之间的线性关系 。
压力,差压变送器结构都一样,只是弹性元件稍有差别 。
图 11 - 66为电动力平衡压力变送器结构简图 。 被测压力 p作用在测量膜片 1上,转换为输入力作用于主杠杆 2的下端 。 主杠杆以支点膜片 3为轴而偏转,并以力沿水平方向推动矢量机构 4。
矢量机构将水平向左的力变成连杆 6向上的力,此力带动副杠杆 7,绕其支点顺时针转动,因而使差动变压器 8的衔铁下移,气隙变小,衔铁的位移变化量通过低频位移检测放大器 9转换并放大为 4-20 mA的直流电流 I0,作为变送器的输出信号 。
调节支点 5的水平位置,可改变矢量机构的夹角 θ,从而能连续改变两杠杆间的传动比,能细调量程 。 调节弹簧 11的张力,
可起调整零点的作用 。
低频位移检测放大器的作用是将副杠杆上衔铁的微小位移转换成直流输出电流 I0,所以它实际上是一个位移 -电流转换器 。
低频位移检测放大器包括差动放大器,低频振荡器及功率放大器等部份 。 图 11 - 67为位移检测放大器原理线路图 。
变送器里用的差动变压器不是螺管形的,由两个呈,山,
字形的铁心相叠而成 。 原边的两组绕组串联后加以交流,副边的两组则反向串联,由 CD端引出,如图 11 - 68所示 。
两个铁心略有不同,下铁心的中心柱比边缘柱略短,形成一个固定的气隙,上铁心为平顶形状,其磁路经过衔铁闭合,故气隙 δ的大小决定上铁心的磁阻 。 当两磁路磁阻相等时,CD端电压为零,改变 δ则决定 CD间的电压 。
在图 11 - 69中,差动变压器和晶体管 V1组成振荡器,差动变压器原边绕组的电感 LAB和电容 C4构成并联谐振回路,作为
V1的集电极负载 。 副边绕组 CD接在 V1的基极和发射极之间,
用以耦合反馈信号 。 当集电极电流增大时,由于绕组 A,B和 C、
D的同名端关系,将会在 C端形成正电压,引起 V1的集电极电流进一步增大,直至饱和 。 饱和后电流不再增大,副边 CD端电压消失,集电极电流又开始减小 。 这时 C端又出现负电压使电流更快地减小,如此反复形成振荡 。 D1,D2提供 V1的正偏压,以利起振 。
振荡器的振荡频率取决于原边 LAB和并联电容 C4,振幅则取决于原边和副边的耦合系数 。 而耦合系数与衔铁气隙 δ有关,
δ越小,耦合越强,这时振幅大,V1的集电极交流电压大 。
在图 11 - 67中,V1的集电极电压经 D4整流和 R4,C5滤波之后,经 V1,V2进行功率放大,便可形成 4-20 mA的输出电流 。 图中用 I0表示 。 输出电流 I0经过电磁反馈机构的反馈线圈产生电磁力,利用这个力在杠杆上形成反馈力矩,实现负反馈,以保证变送器输出与输入间的比例关系 。
变送器中还考虑安全火花防爆,尽可能减少贮能元件 （ 电感,电容 ）,并使现有贮能元件在故障情况下释放的能量 （ 电流,电压 ） 限制在安全定额以下 。
反馈线圈 W1,W2两端并联二极管 D5-D8,在断电时给线圈贮存的磁场能量以泄放的通路,避免产生过高的反冲电压 。
各用两个二极管是作冗余备用,以确保安全 。 二极管 D10D13用以限制 C5两端的电压,二极管 D3用以限制电容 C2两端的电压,
防止蓄能过多 。
（ 二 ）
电容式差压变送器是没有杠杆机构的变送器,它采用差动电容作为检测元件,整个变送器没有传动机构,因而尺寸紧凑,抗振性好,性能稳定可靠,具有较高的精度 。 它可以测量压力,差压,绝对压力,带开方的差压 （ 用于测量流量 ） 。
1．
变送器包括差动电容传感器和变送器电路两部份,其构成方框图如图 11 - 70所示 。 输入差压 Δpi作用于差动电容的动极板,使其产生位移,从而使差动电容器的电容量发生变化 。 此电容变化量由输入转换部份变换成直流电流信号,此信号与反馈信号进行比较,其差值送入放大电路,经放大得到整机的输出电流 I0。
图 11 - 71为差动电容传感器的结构图,工作原理已在前面叙述,这里不再重复 。
下面主要介绍变送器电路 。
1．
变送器电路包括高频振荡器,振荡控制电路,放大器及量程调整 （ 负反馈 ） 等组成 。 原理电路图如图 11 - 72所示 。
（ 1） 高频振荡器 高频振荡器的作用是向差动电容提供高频电流,振荡器原理电路图如图 11 - 73所示 。
这是一个变压器耦合的 LC振荡器 。 振荡器由放大器 IC1
的输出电压 V01供电,从而使 IC1能控制振荡器的输出幅度 。
变压器副边三个绕组 1-12,2-11,3-10为振荡器的输出绕组,
图中一组绕组的等效电感为 L。 差动电容的等效电容为 C,R
为回路的等效电阻 。 电感 L和电容 C组成了并联谐振电路,适当地选择电路元件参数值,便可满足振荡的相位条件和振幅条件 。 在 R忽略不计时,谐振回路的谐振频率 。
由于差动电容随被测参数 Δpi而变,因此该振荡器的频率也是可变的 。
LCf?2
1?
（ 2） 振荡控制电路 振荡控制电路的作用是使通过 D1、
D5和 D3,D7的电流之和 I1+I2等于常数 。 见图 11 - 74。 IC2的输出电压为 V02,作为 IC1的基准电压,图中用 VR表示 。 IC1的输入端接受两个电压信号,一个是基准电压 VR在 R9和 R8上的压降 Vi1; 另一个是 I1+I2在 R6//R8和 R7//R9上的压降 Vi2。 经 IC1放大得到 V01去控制振荡器 。 当 IC1为理想运算放大器时,由 IC1振荡器等电路构成的深度负反馈电路,使放大器输入端的两个电压信号近似相等,即
Ui1=Ui2 （ 11 - 48）
可见,只要使 （ I2+I1） 维持恒定,即可实现差动电容和电流信号 Ii的线性关系 。
（ 2）
图 11 - 75为放大部份的原理电路图 。 放大器由运算放大器 IC3和晶体管 V3和 V4等组成 。 IC3起前置放大作用,V3和 V4组成复合管,将 IC3的输出电压变为变送器的输出电流 。 图中 Vi
为电容 -电流输入转换部份输出的电压信号 （ 由电流 Ii在电容
C11上整流得到 ）,RL为变送器的负载电阻,E为变送器直流供电电源 。 DW1提供的稳定电压经 R10,R14,R13分压后加在 IC3
的反相输入端,使 IC3的两个输入端的电位在共模输入范围内,
以保证运算放大器能正常工作 。
电容 -电流转换电路输出电流,反馈信号和调零信号的叠加值加于运算放大器 IC3的同相端 。 电阻 R31,R33,R34和电位器 W3组成反馈电阻网络,输出电流 I0经这一网络分流,得到反馈电流 If,送至放大器的输入端,构成深度负反馈,从而保证了
I0与 Ii之间的线性关系,W3为量程调整电位器 。 W2为调零电位器,用以调整输出零位 。
（ 3） 电路中其它元件作用 （ 见图 11 - 72） 晶体管 v2和电阻
R18等组成输出限制电路 。 其作用是防止输出电流过大,损坏器件 。 当输出电流超过允许值时,R18上压降变大,使 v2的集电极电位降低,从而使该管处于饱和状态,因此流过 v2即流过
BG4的电流受到限制,可保证在变送器过载时,输出电流 I0不大于 30 Ma.
R38,R39,C22和 W4等构成阻尼电路,用以抑制变送器的输出因被测差压变化所引起的波动 。 W4为阻尼调整电位器,
调节 W4可改变动态反馈量,也即调整了变送器的阻尼程度 。
DW2除起稳压作用外,当电源反接时,它还提供反向通路,
以防止器件损坏 。 D12用于在指示仪表未接通时,为输出电流
I0提供通路,同时起反向保护作用 。
R1,R4,R5和热敏电阻 R2用于量程温度补偿 ; R27,R28
和热敏电阻 R26用于零点温度补偿 。
（ 三 ）
扩散硅式差压变送器也是无杠杆的变送器 。 它采用硅杯压阻传感器作为敏感元件,同样具有体积小,重量轻,结构简单和稳定性好的优点,精度也较高 。
硅杯是由两片研磨后胶合成杯状的硅片组成,它既是弹性元件,又是检测元件 。 当硅杯受压时,压阻效应使其上的扩散电阻 （ 应变电阻 ） 阻值发生变化,通过测量电路把电阻变化转换成电压变化 。 硅杯压阻传感器结构如图 11 - 76 所示 。
硅杯两面浸在硅油中,硅油和被测介质之间用金属隔离膜分开 。 当被测差压输入到测量室内作用于隔离膜片上时,膜片将驱使硅油移动,并把压力传递给硅杯,转换成电阻变化 。 上述的应变电阻是采用集成电路技术,直接在单晶硅片上用扩散,
掺杂,掩膜等工艺制成 。
变送器的原理简图如图 11 - 77 所示 。 硅杯的应变电阻通过不平衡电桥转换为电压变化,Rs1,Rs2,Rs3和 Rs4为应变电阻 。
图中不平衡电桥由恒流源供电,桥路总电流为 1mA,每支路电流各为 0.5 mA。 硅杯未受压时,RS1=RS2=RS3=RS4; 当变送器输入差压信号时,使硅杯受压,Rs1和 Rs3阻值增加,而 RS2和 RS4的阻值减小,于是电桥就有不平衡电压输出 。 运算放大器 IC将此电压放大,并控制晶体管 BG使输出电流 I0增加 。 在差压变化的量程范围内,晶体管 BG的发射极电流 Ie为 3-19 mA,故输出电流
I0便是 4-20 mA。
由图可知,BG的发射极电流取自由桥的一个臂,这就是说,
将有 3.5-19.5 mA的电流从 Rf上流过 。 当输入差压增加而使输出电流增加时,这个电流在 Rf上形成的压降会使 B点电位降低,
因而对 IC的输入而言是负反馈作用,这样就保证了变送器电路具有比例变换的关系 。
电路由单一的 24v DC供电,负载电阻 RL串联在输出回路中,该变送器是按两线制方式工作的 。
