过程检测技术
3.1测量基本知识
3.2误差基本知识
以上两节内容要求学生自学，重点掌握以下内容：测量误差分类、系统误差、随机误差和粗大误差、测量的精密度、准确度和精确度。
3.3压力测量
压力是生产过程或过程装备中的一个重要参数，在过程设备测试与控制中，经常会遇到压力测量问题。
压力概念：垂直均匀作用在物体表面上的力，即压强P。
压力单位：国际单位帕斯卡；工程单位有工程大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱等。
表压力：指绝对压力与大气压之差；负压指绝对压力低于大气压时的表压力。
常用压力测量仪表有以下几种：
液柱式压力计：是将被测压力转化为液柱高度来进行的测量的一种仪表；
弹性式压力计：是利用测量弹性敏感元件在压力作用下产生的弹性变形的大小来测量压力的一种仪表。
电测式压力计：是将被测压力转化为电量进行测量的仪器，介绍压阻式压力计和压电式压力计两种。
气流的压力分为静压和总压：
静压是指气流中某一点的气体，作用在通过该点并顺流线方向上无穷小和薄的壁面上的压力，也就是流动气体的真实压力。
总压是指一束气流在没有外功的情况下，可逆的、绝热的减速成到零之后气体的压力。
根据气流正对压力测孔还是背对测孔，可测气流的总压或静压。
3.3.2液柱式压力计液柱式压力计测压的基本原理是流体静力学定理。它是用一定高度的液柱去平衡被测压力，液柱的高度可以换算成被测压力的大小 。
液柱式压力计一般用来测量较低的压力、真空、或压差。
常用液柱式压力计有U型管压力计，单管压力计和微压计等。
U型管压力计基本原理,根据液体静力学原理得
一般情况下，比小得多，于是上式简化为：
通常用该公式来计算压差，其精度能够满足工程要求。
（2）U型管压力计的使用注意事项为了得到较高的准确性，U型管压力计有两个读数，和都要读。
在对液柱进行读数时，要注意毛细现象的影响。由于毛细现象的影响使得液面变成弯月面，为减少毛细现象的影响，读数时应取弯月面中央所对应的刻度值为读数值。此外，毛细现象还会引起液柱的上升或下降，在使用压力计时需加以修正，通常，当介质为水时，修正值取mm；介质为水银取修正值为 mm，其中d为压力计管子内径。
当工作液体的膨胀系数较大时，在使用过程中还要考虑由于温度变化带来的工作液体容度的变化，必须对此进行修正。
---介质实际密度 水或水银的密度实际测量时的读数值； 被测压力的计算高度在读数时要注意清除视差。 U型管压力计制造简单，工作可靠，方便不足之处是在读数时要读取两个管子的刻度值，不仅麻烦，而且两个读数过程本身就增大了带来误差的可能性。
单管压力计基本原理 根据流体静力学定理可得
双由于
A1一时管内截面积
A2-一宽容器内截面积由此可得一般情况下，A总是匹小于A2，通常,因此需要特别准确的读数外，可忽略H2，直接用H1来计算压力的大小。
单管压力计的使用 与U型管压力计注意事项类似，不同之处是单管压力计只需一个读数，要保证容器一侧接较高压力，肘管一侧接较低压力。
微压计微压计原理 微压计是采用肘管倾斜的方式来实现微压测量的根据液柱式压力计的原理可知
式中F1F2分别是肘和水箱的横截面积。由于,因此 而 是当肘管垂直放置时液柱的高度，由此可见仪器的示值被放大了，读数的灵敏度和精度也提高了。
微压计的使用
一般情况下,管子内径为
3.3.3弹性式压力计弹性式压力计是工业生产中应用最为广泛的一种测压仪表。它使用各种形式的弹性元件作为感受胙，其原理是以弹性元件受压产生的反用力与被测压力平衡。此时，弹性元件的变形为被压力函数，这样用测量变形的方法就可测得压力的大小。
优点：结构简单，使用方便，便于携带，工作安全可靠，无需反复保养价格便宜。
缺点：受到弹性元件一些不完全弹性特性的影响精度不太高，且需定期校验。
组成：弹簧管、膜片、膜盒组和波纹管等。
弹性元件特性弹性元件的不完全弹性因素主要包括弹性滞后和弹性后效。
弹性滞后是指由于弹性元件工作时分子的存在摩擦而导致的加载曲线与卸截曲线不重合的现象形字代表对于一定的力F的滞后误差。
弹性后效是指弹性元件所受载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定的时间间距内逐渐完成的一种现象。
弹簧管式压力计
弹簧管式压力计由弹簧管压力感受元件和放大指示机构两部分组成。前者是一根弯曲成约270度圆弧的扁圆或椭圆载面的空心金属管，一端固定，作为压力输入端；另一端自由，作为位移输出端，接放大指示机构。放大指示机构通常是由拉杆、齿轮以及指针组成。
工作原理：在被测压力作用下，扁圆或椭圆形截面的弹簧管有变圆的趋势，并迫使弹簧管的自由端发生相应的弹性变形，这个变形借助于拉杆，经齿轮传动机构予以放大，最终由固定于小齿轮上的指针将被测值在刻度盘上指示出来。
在弹性范围内，弹簧管自由端的位移与被测压力之间近似线性关系，因此通过测量自由端的位移可直接测得相应的被测压力的大小。
3.3.4 压阻式压力计该压力计是根据半导体的压阻效应来工作的。这种压力计通常是以单晶硅为基体，按特定的晶面，根据不同的受力形式加工成弹性应变元件，并在弹性应变元件的适当位置，用集成电路技术扩散出四个等值的应变电阻，组成惠斯登电桥。不受压力时电桥处于平衡状态，当受到压力作用时，一对桥臂的电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡。若对电桥加上恒流源，输出端便有对应于所加压力的电压输出信号。测得电压的大小，即可知道待测压力的大小。
压阻式压力计的优点：体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快等。
半导体的压阻效应长为L，截面积为A的电阻，其电阻值R为
ρ—材料的电阻率微分上式：
因为 ，
所以
由材料力学知 ，得
假定K为单位纵向应变引起的电阻变化率，称其为应变片的纵向灵敏度，那么
ε—电阻的纵向应变，
对于半导体来说，K=60~170，一般来说半导体应变片的灵敏度与半导体材料、渗杂深度、应力相对于晶轴的取向等因素有关。
压阻式压力计压阻式压力计是在N型单晶硅的表面用氧化技术生成一层二氧化硅薄膜，然后在需要电阻的地方除去氧化膜，并用扩散技术在此处向硅的深处扩散杂质硼，使之形成P型区，这些P型区形成压阻敏感元件。
应变电阻应放置在感压元件应变比较大的位置。（解释说明）
使用：注意温度补偿问题，在温度变化的时候，会产生桥路的零点漂移和灵敏度漂移。
3.3.5 压电式压力计压电式压力计是利用某些晶体的压电效应来测量压力的。压力效率是指晶体在承受压力时，表面产生电荷的特性。
压电式压力计尺寸小、重量轻、工作可靠、测量效率范围宽。它的不足之处是对于振动和电磁场很敏感。
石英的压电效应沿x轴方向切片，然后将两块电极板放在垂直于x轴的两个面上，施加压力，电极板表面就会产生大小相等、方向相反的电荷。该电荷的大小与所受压力成正比，而与石英晶体尺寸无关。
Q=dsp
P—作用在表面上的压力；s—作用面的面积；d—压电系数。
工作原理被测压力作用在膜片上，膜片产生变形，其传递压力的作用，同时也用来实现预压和密封。压力元件的上表面与膜片按接触并接地，其下表面则通过引线将电荷引出。
压电式压力计的压电元件产生的电荷分布在两个端面的极板上，其数量相等而极性相反，相当于一个电容器，两极板间的电压为。
3.3.6 压力计的选用压力测量仪表的选用主要包括仪表的类型、量程范围、精度和灵敏度。
类型选择主要是根据被测对象的性质、状态以及压力计的现场工作环境来确定。介质是否具有腐蚀性、温度高地、现场的振动、电磁等环境因素都会影响压力计的使用。
量程选择要根据被测压力的范围，再加上一定的富裕度。一般原则：对弹性式压力计，为避免超负荷而破坏，被测压力的额定值为压力计满量程得2/3。
精度选择是根据实际需要而定。通常是在满足生产要求的前提下，选用尽可能廉价的压力计。
3.4 温度测量
3.4.1 概论温度是表征物体冷热程度的物理量，是测量中最常见、最基本的参数之一。工业生产中物体的任何化学或物理变化都与温度有关，因此，温度测量就显得尤为重要。
温度测量方法可分为接触式测温法和非接触式测温法两种。分析理解两种测温法的优缺点。
测温仪表从原理上可以分为以下几类：
利用物体的热膨胀来测温；
利用导体（半导体）的热电效应来测温；
利用电阻随温度变化而变化的特性来测温；
利用物体的表面辐射与其温度的关系来测温。
3.4.2 热膨胀式温度计液体膨胀式温度计最常见的是玻璃管式液体温度计，它是一种应用最早的测温仪器。这种温度计具有结构简单、直观、使用方便、灵敏度高、价格便宜而且测量范围广等优点，但它易碎、不便于自动纪录和信号远传。
工作液体的选择主要取决于测温范围。如果在玻璃管中充入抵低凝固点液体，最低可将量程扩展道-200℃。
使用时应注意玻璃管插入深度，工业温度计的插入深度一般是固定的，而实验室或标准温度计则是全浸式。
固体膨胀式温度计常用的金属温度计是由两种线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成。条形金属片一端固定，一端可以自由移动。若下面金属线膨胀系数大，则当温度升高时，双金属片向上弯曲。
为了使双金属片长而紧凑，常制成螺旋形，一端固定，一端与指针连接。温度变化后，双金属片自由端产生位移，利用指针偏转角度可以测出温度。
双金属温度计测量范围一般在80~600℃之间，精度最高可达0.5级。它结构、抗振兴能好，工业上已逐渐代替水银温度计。
3.4.3 热电偶测温仪表它是基于热电效应原理制成的测温仪器。它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。
它具有以下特点：
测量精度高，性能稳定；
结构简单、易于制造、产品互换性好；
将温度信号转换成电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；
测温范围广，可达-200~2000℃；
形式多样，适用于各种测温条件。
热电偶温度仪表工作原理两种不同材料的导体A、B组成一个闭合回路，当回路两端接点t0、t的温度不同时，回路中就会产生一定大小的电势，形成电流，这个电流的大小与导体材料性质和接点温度有关，这种原理称为热电效应。把两种不同材料的组合体称为热电偶。它感受被测温度信号，输出与温度相对应的直流电势信号。
构成热电偶的两种导体称为热电极，把插入被测介质中感受被测温度的一端称为测量端（工作端、热端），如图中接点t；把处于周围环境中的一端称为参考端（自由端、冷端），如图中接点t0。
热电势是接触电势和温差电势共同作用的结果。接触电势是由于两种不同导体的电子密度不同，从而在接点出发生电子扩散而形成的电动势。假设A导体的电子密度Na大于B导体的电子密度Na，则从A扩散到B的电子数目要多于从B扩散到A的电子数目，因此，A失去电子带正电，B得到电子带负电，于是在两者的接触面上形成了一个由A到B的静电场，这个静电场阻碍了电子的静迁移，最终达到动平衡。此时，在A、B间形成一个电位差，这就是接触电势，它只与A、B导体的性质和接点处温度有关。当A、B材料特性确定后，接触电势只是接点温度的函数，可记作。接点温度越高，接点电势越大。
温差电势是由于同一根导体中电子从高温端向低温端迁移而引起的电动势。对于同一根导体，高温端电子的能量要大于低温端电子的能量，因此，高温端向低温端有电子的静迁移。高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电，从而形成了高温端指向低温端的静电场，这个静电场阻碍了电子从高温端向低温端迁移，加速了电子从低温端向高温端的转移，从而达到动态平衡，此时存在的电势差称为温差电势，它由低温端指向高温端。温差电势只与导体材料性质和两端温差有关。当导体材料一定时只与两端的温度有关，记作,。一般记成
通过以上分析可得到以下关系
令
可的热电势的公式为
该式表明：对于给定热电偶，热电势是其两端温度函数之差。若其冷端温度t0恒定，则是定值，因此，热电势的大小只依赖于热端温度t，两者一一对应。
（2）热电偶的基本定律物质导体定律：到体的回路不论各处温度分布如何都不会产生热电势。“匀质”仅指导体的成分、材质相同，与其外形无关。
该定律可得出以下两个结论：
热电偶必然由两个不同质的材料组成；
同一导体回路是否有热电势可用来判定导体是否均匀。
中间导体定律：由两种不同导体构成的热电偶回路中，接入第三种导体，只要保持第三种导体两端温度相等，则对回路热电势没有影响。
中间温度定律：两种匀质导体A、B构成的热电偶，两端温度为t和t0，如存在一个中间温度，则热电偶存在以下关系：
标准电极定则：A、B导体的热电势等于它们对另一参考导体C的热电势之和，即
（3）常用热电偶测温系统补偿导线是在一定的温度范围内与所接热电偶热电性能相同的廉价金属丝。采用补偿导线只是改变了冷端的位置，不会影响热电偶的正常工作。
证明上面结论：
回路总电势
由补偿导线的性质得
代入上式得
在使用补偿导线时要注意形号和极性，补偿导线必须和热电偶配套，正确与热电偶的正负极连接。
应用热电偶的基本定律，可以实现以下几种情况的测温：
测两点的温差（反向串联）
测多点温度之和（正向串联）
测多点的平均温度（并联）
（4）热电偶冷端温度的影响及处理在实际应用过程中，冷端温度大多是变化的，从而给测量带来误差。常用的修正方法有恒温和补偿两大类。
恒温法该方法就是把热电偶冷端置于人造恒温装置中，常用的恒温装置有冰点槽和热电式恒温箱。
示值修正法根据热电势与温度的对应关系，显示仪表可以直接读出温度。一般显示仪表的分度是在冷端温度恒定在0℃条件下进行的。若冷端温度℃时，输入电势为，而，因此示值不能正确反映被测温度，需要加以修正。
在现场采取机械零位调整法，即预先把仪表的机械零件调整到冷端温度处，相当于预加了一个电势，综合起来，仪表的输入电势：
另一种是计算修正法。假设冷端温度℃，被测温度为t，示值温度为。那么显示出来的输入热电势应为，而是及产生的热电势是。显而易见，输入热电势应为热电偶实际产生的热电势，即，由此可得计算修正法的公式：
通过示值和冷端温度查分度表求得和，代入上式可求出，在依据分度表求出被测温度。
冷端温度补偿电桥法该方法是利用不平衡电桥产生的电压作为补偿电压，以抵消因冷端温度变化引起的热电势的变化。
电桥的桥臂Ω为锰铜丝电阻，它们的阻值几乎不随温度变化。是由铜丝制成的补偿电阻，阻值随温度变化。是由铜丝制成的补偿电阻，阻值大小因热电偶不同而不同。电桥直流电源E=4V，为输出的补偿电势。
选择Ω，使电桥在20℃达到平衡，此时。当冷端温度升高时，也随之增大，因而也增大，热电势在逐渐减小。如果，则不会随冷端温度变化而变化。
（5）热电偶的结构形式热电偶的结构可分为普通热电偶、铠装热电偶和特殊热电偶。结合教材讲解普通热电偶结构。
3.4.4 热电阻测温仪表通常金属导体或半导体电阻都随温度的变化而变化，当温度每升高1℃，大多数金属导体电阻将升高0.4%~0.6%，而半导体电阻将减小2%~6%。热电阻就是通过测量阻值的变化而间接测量温度。
热电阻测温仪在中低温范围内测量精度高、灵敏度高、性能稳定，输出信号较强，同时还便于远距离测量，因此得到广泛应用。
（1）测温原理金属热电阻与温度的关系：
，分别表示温度为，时的阻值；A、B、C均为常数，只与热电阻材料性质有关。
常用温度系数和电阻比来表征热电阻的电阻温度特性：
称为下的温度系数，越大，测温灵敏度也就越高。
电阻比是指在100℃和0℃下的电阻值的比值，越大，也就越大。
纯金属的电阻温度特性最好，测温灵敏度最高，因此测温电阻一般应采用纯金属制作。
半导体热电阻又称为热敏电阻，与金属热电阻不同之处在于阻值随温度升高而减小，与金属热电阻相比，优点是电阻温度系数高、测温灵敏、电阻率高、体积小。但它互换性差、复现性差、阻值与温度的关系不太稳定。
（2）常用热电阻常用热电阻有铂、铜、镍热电阻。
铂热电阻性能可靠、精确度高，在氧化、高温条件下物理、化学性能非常稳定，一般作为标准仪表。但在还原性条件中易变脆，且价格高。
铜热电阻的优点是阻值与温度几乎成线性关系，但它高温下易被氧化，测量精度不高，适用于测量准确度要求不高、温度较低的场合。
镍热电阻的最大特点是温度系数较大，测温灵敏度高，当温度系数在200℃时产生特殊变化，因此，测温范围低于200℃。
（3）热电阻的结构热电阻有电阻体、绝缘套管、保护套管和接线盒组成。
电阻体是由绝缘骨架和电阻丝构成。绝缘骨架用来缠绕、固定和支撑热电阻丝。不同的骨架及骨架材料对热电阻的构造和性质都有影响。
3.4.5 测温仪表的选用选用测温仪表应考虑测量范围、仪表使用要求、测量环境、仪表的可维修性及成本等。
根据生产所要求的测量范围，允许的误差，选择合适的测温仪表，使之有足够的量程和精度。
根据生产现场对仪表功能的要求，可选用一般性仪表、自动记录仪表、可远传仪表以及自动测温系统等。
根据仪表的工作条件，选择合适的仪表及保护措施，防止过多的维护管理费用。
正确安装测温元件应做好以下两点：
正确选择具有代表性的测温点，测温元件应插入被测物的足够深度。
要有合适的保护措施，如加装保护管、在插入深孔处密封等。
3.5 流量测量流量是测量中的重要参数之一，是产品成本核算和能源科学管理所必需的指标。因此，对流量测量方法及测量仪器的学习显得非常重要。
流量是指单位时间内流过某一截面的流体数量的多少。它可分为体积流量和质量流量。其关系为
单位可表示为：t/h，㎏/h，㎏/s，，L/h等。
用于流量测量的仪表叫做流量计。常用流量计有：压差式流量计、转子流量计、电磁式流量计等。
3.5.2压差式流量计压差式流量计是基于节流原理来进行流量测量的。其原理是当满管道的流体流经节流装置时，流束收缩、流速提高、静压减小，在节流装置的前后就产生了一定的压差。这个压差的大小与流量有关，根据流量与压差之间的关系既可得到流量的大小。
压差式流量计的核心是节流装置，它包括：节流元件、取压装置以及前后管段。
常用的节流装置有孔板、喷嘴和文都利管等。节流装置的取压方式通常有角接取压和法兰取压。
（2）节流装置的流量方程流量方程的推导截面1处流体受节流元件的影响，流体充满流道，流束直径为D，流体压力为,平均流速，流体密度为。
截面2是流束在节流后收缩到最小时的截面，此处流束压力为，平均流速，流体密度为。
，为取压点的压力。流体由于受节流元件的阻挡而导致大于，同时，截面在处并非最小，流体流速也非常高，因而也大于最小压力。
假设流体为不可压缩流体，由Bernouli方程得
①
根据连续方程
②
令，，，，
，分别是1、2截面的面积，为孔板开孔截面的面积，为流束的收缩系数。
由①、②得
由此可得
即
质量流量为
体积流量为
测得压力与，然后引进压力修正系数，,它与取压位置、流动损失以及流速在截面上分布的不均匀性等因素有关。
令（称流量系数），可得流体的流量方程：
可压缩流体的流量方程为
其中为气体膨胀系数：
式中
为流束收缩系数，
为可压缩气体修正系数。
②流量公式分析在流量基本方程中，流量系数和气体膨胀系数是两个重要系数，而其大小与诸多因素有关。
流量系数
取决于，，的大小。
值取决于摩擦力和惯性力，与Re有关。Re增加，流束收缩将变大，但当Re上升到一定值时，流束的收缩将不再变大，也即Re几乎在对有影响。
与取压位置、流动损失和流速沿截面分布的不均匀性有关，而流动损失又是由流速沿截面分布的不均匀性、Re、管道的粗糙度以及所决定。
综上所述，与节流装置的形式、取压方式、Re、m以及管道的粗糙度有关。在节流装置一定时，只取决于Re、m以及管道的粗糙度。在标准节流装置中，由于Re已足够大，因此其对的影响很小，而管道的粗糙度已定，只与m有关。
膨胀系数
与节流前后的压比,（m）、k等因素有关。在，，时，可由下式确定
（3）压差式流量计的组成它是由节流装置、引压导管、压差变送器和二次仪表组成。
节流装置是将管道中流体的流速转变成压差信号，引压导管是将压差信号送至压差变送器。压差变送器是压差流量计的重要组成部分，它是将压差装置的压差信号转变为标准的电流信号。二次仪表是将接到的电流信号经过转化、运算，最终显示出流量值。
（4）压差式流量计的使用它已实现了标准化、系统化。如GB2624-93、ISO5176。
压差式流量计的使用范围：管径50~1000mm，测量范围1.5~100000m3/h，精度为1%~2%。
注意事项：
节流装置的安装要正确。
对孔板的要求。孔板的进口边缘应尖锐、严格直角、不可有毛刺、划痕。
对管道、取压装置、导压管、压差变送器的安装、使用都有一定的要求。
在进行流量测量时，一定要遵守有关规定，否则就会引起较大的测量误差，导致测量精度与设计时的精度相差甚远。
（5）压差式流量计的发展
3.5.1 转子流量计
（1）测量原理及流量公式转子流量计的结构是由一个锥形管和一个可在锥形管中上下只有运动的转子两个基本部分组成。
当被测流体通过锥形管时，流体从转子与锥形管的环隙中通过，转子受到一个向上作用的力而浮起。当转子再流体中受到的向上作用力与转子在流体中的重量相等时，转子就静止在某一高度上。这样通过转子的重力、浮力求得转子两边压差后，可以根据压差求得流体通过环隙的速度，进而求得所测的流量。
根据力的平衡方程式得
流体通过环隙F1的流速C为流体的体积流量为
(其中K为系数)
流体的体积流量为
其中，
式中，----在刻度尺零点处的锥形管内径；
n-----转子升起单位高度时，锥形管内径的变化；
----由零点转子上升的高度；
d-----转子的最大直径。
对一定的仪表，与转子形状及介质粘性有关的系数K是一个常数。因此，流量只与环西面积有关，也即与转子的位置有关。
（2）转子流量计的使用和特点转子流量计在出厂时通常是按照空气作为被测介质标定的。如果被测介质不是空气，其密度与空气密度不同，则应重新进行标定。修正公式为：
式中，—修正后的流量；
—修正前的流量；
—转子材料的密度；
—标定时空气的密度；
—实际被测流体的密度。
转子流量计优点：可测小流量、结构简单、维修方便，压力损失小、价格低廉等。
转子流量计缺点：采用机械传递信号，仪表性能和准确度难以提高；转子容易卡死。
管径范围4~150mm，测量范围0.001~3000m3/h，精度为。
（3）远传式转子流量计差动变送器：将位移信号变为电信号。
将转子与差动变送器的内铁芯相连，转子在流体的作用下，向上移动，同时带动铁芯也向上移动，导致差动变送器有一个相应的不平衡电势输出，该信号送至差动仪即可显示流量。转子流量计的位移信号也可以变为压力信号进行远距离传送，称之为气动远传式转子流量计。
3.5.4 电磁式流量计
（1）测量原理电磁式流量计是由变送器和转换器两部分组成。变送器包括磁路部分、电极、外壳和引线等。
转换器的作用是将变送器输出的电压信号转换为0~10mA标准的电流信号。
电磁式流量计工作原理图
电磁式流量计的基本原理是：当有导电的流体通过磁极之间的管道时，流体相当于是一个长度为管道内径的导体在切割磁力线，这时就会产生电动势。
根据恒定磁场的理论，可得
B—磁极间的磁感应强度；
d—导管的内径；
v—导管中液体的流速。
根据流量，得
当使用交流励磁时，磁场以频率f随时间变化。因此
与E成线性关系，测得E就可求得流量的大小。
（2）电磁式流量计的使用优点：可测量导电液体的流量，不受流体压力、温度、粘度、密度、电导率等影响，测量范围比较宽。可测两个不同方向的流量，可测含杂质液体，同时还可用于强酸、强碱及盐类等腐蚀性液体。此外，它对流动状态的影响小，测量中没有压降，不会对流动造成损失。
缺点：第一，电磁式流量计在测量中没有考虑到密度的变化；第二，安装和调试要求很严格，用起来比较复杂；第三，测量有污垢的粘性流体时，粘性物或沉淀物容易附着在电极上，从而带来测量误差，甚至导致测量无法进行，因此必须在使用时注意清洗；第四，测量时干扰信号比较多，且不易排除。
此流量计的管径在6~900mm之间，测量范围0.1~20000m3/h，精度为。
3.5.5 流量测量仪表的选用首先考虑流体的性质和状态，其次要考虑工艺允许的压力损失，最大最小额定流量，同时注意使用场合的特点，测量精度的要求，以及显示的方式等。
3.6 流量测量
3.6.1 概述物位是液位、料位以及界位的统称。
液位指容器内液体介质液面的高低。物位测量的目的主要目的在于测知容器中物料的存储量，以便对物料进行监控，保证顺利和安全生产。
液位计按工作原理可分为直读式、浮力式、静压式、电容式、光纤式、激光式、核辐射式。
3.6.2 浮力式液位计浮力式液位计是根据浮力原理对液位进行测量，可分为恒浮力式和变浮力式两种。
（1）恒浮力式液位计它是利用漂浮在液面上的浮子来实现测量。浮子因浮力作用漂浮在液面上，其位置代表了液面的位置。当夜面变化时，浮子随液面一起运动，从而产生位移，但浮子所受浮力的大小不发生改变，然后通过传递、放大系统显示出液位的变化和液面高度。
①测量原理一圆柱形浮子，密度，液体密度，浮子直径D，受力情况如下：
自身重力
所受浮力
所受外力，则有
液位上升，则浮力增加：
因此，
从而迫使浮子上浮，即浮子的升降是随液面的升降而变化的。重新平衡后，浮子的静止位置就是新液面的位置。
②浮子的结构形式浮子式液位计的不灵敏区=。
与D的平方成正比，直径越大，灵敏度越高。
因此，浮子一般均制成扁平空心圆盘或圆柱形。
③恒浮力式液位计结构形式它们结构上的主要差异在于它们对浮力位移的传递、放大和显示方式，主要有机械式和电气式两种。
针对教材P120Fig.a~d四种结构分别讲解。
④误差分析引起恒浮力液位计的测量误差的因素有：
仪器灵敏度高低；
在腐蚀性工作环境中，浮力被浸蚀而造成质量减轻；
当测量粘度较大的液体时，由于浮子上粘有液体，使浮子质量增加；
由于温度变化引起液面各处密度不同。
（2）
变浮力式液位计是通过感受元件将液位变化转化为力的变化，在将力的变化转化为机械位移，然后通过转换装置将位移转换为电信号。
浮筒存在以下平衡关系：
当液位发生变化时，假设升高，则浮筒位置发生变化，上升，则平衡关系为：
两式相减得
因此，液位变化量与浮筒位移成正比。若在浮筒连杆上装上指针，可直接指示液位；若在浮筒连杆上装上铁芯，通过差动变送器，可输出信号，从而间接测出液位。
3.6.3 静压式液位计
（1）静压式液位计是通过测量某点或该点与另一参考点的压差来间接测量液位的仪表。
一般选容器底面的某一点做为参考点，该点所受压力的大小取决于液面的高低。若容器是开口容器，则参考点的压力等于该点表压。若非开口容器，可通过测量液面上方与参考点的压差来求出叶面高度。
（2）静压式液位计结构形式
①玻璃管液位计利用连通器原理制成，通过玻璃管来显示液注高度，直接观察液位。
②压力式液位计 是利用测压仪表来测量液位的仪器。
压力表测液位系统：
由于一般压力表默认气压为大气压，该测量系统只适用于敞口容器。
法兰式压力变送测量系统当待测液体粘度大、易结晶，不便于或不能用管路输送时，可用法兰压力变送器将测压元件直接连接在容器上进行测量。
吹气式液位测量系统对于易腐蚀、高粘度或密度不均的液体，应使用吹气式液位测量计。将一根导管插入敞口容器液面下，压缩空气经减压阀和节流元件，最后从导管下端开口逸出。由于有节流元件的稳压作用，根据流体力学原理，供气量几乎是恒定的。当导管的气压与液封压力相等时，导管下仅有微量气体逸出。此时压力表的读数就可反映出液位高度。
③压差式液位计对于密闭容器，当液位变化时，液面处的气压也随之发生变化。此时气压对压力计指示有影响，只能用差压计来测量气、液两相的压差。压差大小通过气动或电动差压变送器传送，并转化为电信号，最终显示出液位的大小极其变化。
3.6.4电容式液位计它是由电容式液位传感器和测量电路组成。
（1）电容法测液位原理电容器由两个同轴的金属圆筒组成，两筒半径分别为R、r，高为L。当两筒之间充满介电常数的介质时，则两筒间电容量表述为：
若圆筒电极的一部分被介电常数（设>）的另一种介质充满，在保证电容不放电的情况下，电容发生变化，则
以上两式相减，得
因此，在、、R、r军威常数时，电容变化量与液位h成正比，测得电容变化量，可以测得h的大小。
（2）导电液体电容液位计图中1表示金属内电极，外套聚由氟乙烯塑料套管或涂以搪瓷作为电介质和绝缘层。高绝缘套管的介电常数为,电极的绝缘层和容器内气体的等效介电常数为,当容器内设有液体 H=0时，则金属容器壁作为外电极，电容大小为：
当 时，外电极就是液体一，其直径等于绝缘直径等于绝缘直径 而未被液体侵润的地方外电极仍是容器，此时电容大小为：
此式可写成其中若得电容式液位计的灵敏度：
当 越大，绝缘层薄；灵敏度越高。
（3）非导电介质电容液位计该液位计有专门的外电极，并在外电极上开了很多小孔。
图同料，测得电容变化量，即可算出液位化量。
当 越大,值越接近1，则灵敏度越高。
3.6.5光纤液位计在两根石英光纤的端部粘上石英棱镜，其中一根与光源相连，另一根与光电无件相连。
当探头置于空气中时，光线在棱镜中发生全反射，光源所发出的光经过一定光路传导光电元件，当探头接触液面是，液体的折射率与空气不同，破坏了棱镜中全反射，部分光线漏射至液体中这样送至光电元件的光强度极大地被削弱了。从而确定出液面位置。
光纤液位计应用于以下情况：
易燃易爆液体的液面报警 ；
不同介质分界面的测定监控液位，防止液体的泄漏光纤液位计特点是仪表用光纤传递，可做到现场无电源及电传送信号，传送能量小，属于本质安全性仪表。
3.6.6液位计的选用仪表特性 主要包括测量范围，测量精度，工作可性等 。
工作环境 主要包括被测量对象特性，液体位计的放置情况等；
输出方式 主要包括是否连续测量，信号传递和显示等 。
3.7 物质成份分析
3.8传感器概述传感器是一种以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的便于应用的泵种物理量的测量装置。
3.8.1传感器基本组成
（1）传感器其本概念传感器定义 传感器是将被测非电量（物理量）信号转换为与之有确定对应关系的电量（信息）输出的器件移为传感，传感器有时也称为变送器、变换器,换能器、探测器等 。
传感器首先是一个测量装置，它以测量为目的；其次它又是一个转换装置，不量间进行
转换。
传感器的作用传感器主要应用在自动测试 与自动控制领域中。它将诸如温度、压力、流量等参量转换为电量，然后通过电的方法进行测量和控制。
电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展和应用，又为电子技术、控制技术和计算 机技术的应用，普及和进一步发展创造了条件。
（2）传感器的组成传感器的组成格式是随用途，检测原理，方式等 不同而有差异。传感吕是利用物理，化学和生物学科的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制出来的。一般说来，传感器由敏感元件、转换元件。测量路与其它辅助部件组成。
敏感元件是泛指能直接感受，获取被测量并能输出与被测量有确定函数的关系的其它物量量的元件。它所感受的量可以是任意 量，为非电量。当输出是电量时，敏感 元件 和转换元件合为一体，就是一次转换传感器。敏感元件是整个传感器的核心元件，它是每个传感器必须具有的组成部分。
转换元件是能将敏感元件感受到的百电量直接转换成电量的部分。当敏感元件的输出是非电量时，转换元件就成为传感器必不可少的重要组成部份。
测量电路诉作用是把转换元件（或敏感元件）的电信号转换成便于测量,显示,沁录、控制和处理的电信号后再输出。测量电路的 具体形式 随 转换类型而定，但使用最多的是各种类型的电桥电路，有进也使用高阻抗输入电路，脉冲调完电路等特殊电路。
辅助电路通常包括电源，有些传感器系统常 采用电池供电。
3.8.2传感器分类
（1）按输入物理量分类
温度传感器、温度传感器、流量传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等。
该分类方法优点是用途明确，便于选择；缺点是难以看出每个传感器在转换工作原理 上的共同点和差异。
（2）按工作原理分类压电式传感器、压阻式传感器、热阻传感器等 。
该分类方法优点是转换原理清楚，利于深入研究分析设计。
（3）按能理的关系分类分为有源传感器和无源传感器两大类。
有源传感器将非电能 转换成电能量，称之为能量转换型传感器，或换能器，通常配有电压测量电路和放大器。
无源传感器又称为能量控制型传感器。它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。
（4）按输出 信号的性质分类分模拟式和数字式传感器两大类。即传感器的输出量分别为模拟量和数字量。 模拟量和数量。模拟传感器输出的模拟量还必须经过转换器输出的数字量可直接用于数字显示或与计算机相连，肯抗干扰性强。
3.8.3传感器特性及标定
（1）传感器特性传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种稳定的，即不随时间变化或变化及其缓慢的信号，称为静态信号；另一种是随时间变化而的周期信号、瞬变信号或随机信号，称动态信号。
由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入一输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。
静态特性 表示传感器在被测物理量的各个值处于稳定状态的输出,输入关系。任何实际传感器的静态特性不完全会要求的线性或非线性的关系。
传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的,静态标准条件是指没有加速度、振动和冲击（除非这些参数本身就是被测特理量）环境温度一般为室 温即（）相对湿度不大于８５%，大气压力 的情况。在这种标准工作状态下，利用一定等级的校准备，对传感器进行往复循环测试，得到的输出 、输入数据，一般用表格列出或画成曲线，即为该传感器的静态特性。
衡量传感器静态特性的重要指标有：线性度迟滞、重复性等。
动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性，与静态特性的情况不同，它的输出量与输入量的关系不是一个定值。而是时间的函数，随输入信号的频率而变。
响应时间是表示传感器能否迅速反应输入信号变化的一个重要指示。其次是传感器的频率响应范围，它表征传感允许通过的频带宽度。响应时间定义为当输入给定所跃信号时，输出从它的初始值，第一次（在过冲之前或无过冲）到最终值的标定范围（最终值的９０%或９５%）所需要的进间。也可定义为：当输入产生阶路信号时，输出从它的初始值进入最终值的规定范围内所需要的时间。
频率响应范围一般是指幅频特性曲线幅值弯化在 时所对应的频率范围，称传感器的频率响应范围。
（２）传感器的标定用实验的方法确定传感器的性能参数的过程称为标定。
标定实际上就是利用某一种规定的标准或标准器其对传感器进行刻度一般来说，传感器的性能指标通常随时间环境的变化而 变化，而且这种变化常漃是不可连的，预测也是极其困难的。
３.８.４新型传感器介绍
（１）光纤传感器与传统传感器相对比它不受电磁场等恶劣环境中发挥其作用。
光纤 它是用直径为微米的石英玻璃制成的。每根光纤由一个贺柱形的内芯和包层组成。内芯的折射略大于包层的折射率。
光纤的光纤中的传输能随光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送室很远的距离。当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤中传播。当光线从光密物质射向光疏物质，而入射角大于临介时，光线产生全反射，即光不再离开光密介质。根据这个原理，光纤由于其圆柱形内芯的折射率 ，大于包层的折射率 ，在角２０之间的入射光，除了在内芯中和散射之外，大部分在内芯和包层办面上产生多次全反射，而 以锯齿形的路线在光纤中传播，在光纤的末端以与入射角相等的出射角射出光纤。
光纤的传感器的工作大原量及种类光纤的传感器是将被测对象的状态转换成光信号来进行测量传感器。其本原理是将束直光的光径过光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数相互作用，导致光的光学性质，如强度、频率、相位、波长、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光控测器，经解调器解调后获得被测参数。
分类：
按照光纤在传感器中的作用分，光纤传感器可分为传感型和传光型两种。
传感型光第十传感吕（也称功能 型）的光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件。它是利用光纤本身的特性受被测物理量作用而 发生变化的特点工作的，调制器是光纤本身，即内部调制，应用的是枯本功能的转换，所以称传感型。
传光型光纤传感器（也称非功能型）的光纤不是敏感元件，仅起传光作用，传感器中的光纤是不连续的。它是利用在光纤端面或两根光纤中间放置期货介质的敏感元件，感受被测特理量的，使透射光或反射光强度发生变化。光纤仅作为光的传输线，所以称传光型。
按光在光纤中被调制的原理分，光纤传感器分为强度调制型、相位调制型，波长市制型和偏振调制型等。
按测量对象分，光纤传感器分为光纤位移传感器、光纤温度传感器、光纤流量传感器、光纤图像传感器等。
光纤传感器的应用广泛应用于对磁、声、光压力、温度、加速度、位移、液面、转矩、电流和应变等 特理的测量。
（２）激光传感器激光传感器是对其输入一定形式的能量，经过转换奕成一定波长光的形式收射出。激光传感器包括激光发生器、激光接收器及其相应电路。
广泛应用于各个领域，如激光精密机械加工、激光通迅、激光音响、激光影视、激光武器和激光检测等。
（３）仿生传感器仿生学就是利用现有的科学技术生物技术生物体或人的行为（五感）和思维（智慧）进行部分模拟的科学，机器人是一个典型的仿生装置，科学家和工程技术人员对人的种种行为如视觉感觉和嗅觉和思维等进行模拟，产生了自动捕获信息处理信息模仿人类的行为装置一仿生传感器。
其典型代表就是机器械人所用的传感器，一般可分为机器人外传感器（感觉传感器）和内部传感器两大类，其内部传感器的功能是测量运动学及动力学参数，以使机器人按规定的位置、轨迹、速度和受力大小进行工作。其外部传感器的功能是识别工作环境，为机器人提供信息，其目的检查对象物体、控制操作，应付环境和修改程序。
感觉传感器的功能是部分或全部地再现人的视觉、触觉、听觉、冷热觉、病觉（异觉）味觉等感觉。视觉传感器主要检测或确定被敏感对象的明暗度、位置距离运动方向、形状特征等。触觉是指人与对象物体接触所得到的全部感觉，它可分为触觉、压觉、力学风、接近觉、滑觉等。
（4）霍尔传感器霍尔传感器是半导体磁敏传感器的一种，是利用霍尔效应进行工作的传感器。根据霍尔效应原理制面的元件称为霍尔元件，它是霍乱尔传感器的核心敏感部件。
解释说明霍尔效应。
霍尔电压U的大小与激励电流I和磁感觉强度B成正比。与半导体材料的成反比，即
式中,为霍尔灵敏度。表示在单位电流和单位磁感谢应强度作用下开路霍尔电压的大小。 N为单位体积中的电子数目。 为电子电荷量，H为半导体薄片的厚度。
霍尔式传感器可应用于下述三个方面：
当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，传感器的输出正比于磁感应强度。
磁场不变时，传感器输出值正比于控制电流值。
传感器输出值，正比于磁感谢应强度和控制电流之积。
（5）气、湿敏传感器半导体气敏锐传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器。本低等优点，得到广泛应用。目前应用最广最成熟的是人 等于烧结型气敏锐元件。
检漏仪（又称探测器）广泛用于检测可燃性气体的有无及管道和容器的泄漏。如同气敏传感器的自动吸排油烟机。
报警器，当泄漏气体达到某一危险限值时自动进行报警。如使携式缺氧监视器。
自动控制仪器是利用气敏元件的气电特性进行气电转换，按设定的门限值接通其它电路，对被控设备进行自动控制。如换气扇自动换气控制等。
湿度传感器湿度是指大气中水蒸气的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示。
绝对湿度是单位窨中所含水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，用符号表示。
数字式传感器数字式传感器可以气输入量转换成数字量输出，或需要进一步转换才能得到数字量。式传感是检测技术、微电子技术和计算技术的综合产物。是传感器技术发展的一个重要方向。
测量精度高，读数直观准确测量范围大，分辩率高易于实现测量的自动化和数字化采用高电平数字信号时，对外部干扰制能力强。
数字式传感器包括光栅、磁栅、感应同步器、编码器和频率输出数字传感器等。
（7）智能式传感器智能式传感器就是一种带有微处理机，兼有检测、判断和住处理功能的传感器。
智能式传感器相当于一个智能仪表，它的基本组成包括主传感器，用于检测被测参数微处器，包括地址、数据总线、存贮器等于，用于信号的片理运算、存储等接口有A？D转换器，数字通讯接口等，用于传感中模拟信号转换及与微机的通讯辅传感器，用于检测影响测量精度的温度、湿度、压力等环境条件的变化，并运用微处理器的判断、计算功能，对主传感器测量值作出修正，电源 ；用于供给传感器和微处理器能源。
其他新型录传感器两角、微生物、免疫传感器、有机物、组织、生物电子学、超导传感器。
3.8.5传感器的选用
（1）对传感器的技术性能要求（8条）
精度高灵敏度高，线性范围广响应快、滞后、漂移小输出领带信噪比高稳定性好、重复性好动态性能好负载效应低超标准过大的输入信号保护
（2）传感器的选用原则按测量方式选在工程测试中针对被测好象的工作条件，工作方式，选择不同的测量方式按测量要求选不同的测量要求选择不同的传感器按使用方便选选用时尽量选择使用方便，便于安装、调度和维修的传感器按性价比选选用传感器时，不要片面追求各种性能指标。由于性能指标不同，传感器的价格差异很大。
3.8.6传感器发展动向
（1）传感器采用新原理
（2）传感器的因态化和小型化
（3）传感器的集成化和多功能化集成化是指将敏感无件，信息处理或转换单元以及电源等部分，集成在同一上。
多功能化是一块芯具有多种参数的检测功能，即一次可测量许多信息。
（4）传感器的智能化智能传感器是指集成有微型计算机的传感器，具有信息处理，量程转换，误差修正反馈控制、自诊断及其他有关“智能”功能。
（5）生传感器的研制
3.9计算机辅助测试系统
3.9.1计算机在测试系统中的作用能够实现复杂的测试和控制功能，而且也能够适应环境的变化，来自动调整测试与控制方式，使得测试技术发生了巨大的变革。更重要的是它变革了检测的原理和方法，实现了模拟量和数字量之间的转换，从而提高了测试精度、速度，增强了系统的可靠性。
微机的问世，从几个方面革新了测试的功能；
．扩展了测量参数的数目，提高了测量的准确度；
．革新了检测方法，使过去不能进行的某些测量，现在能够进行了。
．简化了仪表与仪表或其它设备的接器，它简化了仪表的操作，实现了集中控制。
．具有各种数据处理功能，并能进行各种算术逻辑运算，把使用者从繁复的数据处理工作中解放出来。甚至还增加了专家推断，分析与策的功能。
3.9.2计算机测试系统的基本结构计算机测试系统的结构形式计算机测试系统可以应用于智能仪表，工业过程测试和智能测试，从而构成不同的计算机测试系统。
①智能仪表 是指以微处理器为核心而设计的新一代测量仪表，它是将简单的计算机测试系统。
智能仪表特点：a、仪表功能较多，配有通用接器，具有完善的远程信息传输能力，便于接入自动测试系统；b、仪表本身具有初级“智能”，即具有自动量程转换，自调零、自校准、自检查、自诊断等功能；c、仪表采用智能元件，即微处理器。
②过程测试系，以参数测量为目标，用来对被测过程中的一些物理量进行测量，获得相庆精确的测理值。
③智能测试系统 智能是指系统具有部分人的智能，能局部代替人去完成那些以前依靠人的智能才能完成的任务。
（2）计算机测试系统的组成测试系统硬件主要包括传感器A/D转换器、输入／输出接电路、计算机等。
测试的工作过程：数据采集是将被测量所对应的信号转换为计算机能够识别的信号并输入给计算机；数据得理是由计算机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值（过程测试），或者形成相应的决策与判断（智能测试）或者作出决定性的预测（专家智能测试）；数据输出是将处理
数字化的过程。
编码是将已量化的数变为二时制数据以使计算机接受处理。
②脉冲信号的采集脉冲信号检测包括对脉冲个数的检测以及对脉中频率与周期或脉宽的检测。脉动个数的检测一般由数字完成。
脉冲率测量原理图设在闸门打开的时间厂内通过的脉冲的目的v出信号频率 为这种测量方法称为测法。
脉冲宽度测量原理图用被测信宽度去控制闸门的启闭，振荡器的标信号经闸门退入计数计数，这种测量方法称为测量法。
3.9.4计算机测试系统的设计
（1）设计
①主机选型 可供选择的类型有单电机单机、微型机和小型机号常可按安长，主和内存容量三项主要指标来分类和初选。
②输入道结构，为了减少元件的数量和成本、简化电路结构，提高可靠怪，一定注意道道的结构。
③输出道道结 根据测试系统的功能要求，确定是否需要打印机打鲟数据，是否需要绘图必绘制动态参数图形，是否需要各种形式的超限报警设施等。
（2）输入道道电路的设计分析
①传感选型 在计算机测试系统中，传感是非响系统性能的主要因素之一。根据任务要求，选择对应的传感器，对于间接测量，首先要按出直接测量的那些参数，然后再根据参数选择合适的传感器。
② A/D转换器的设计 按照对被测数的精度要求的高低，计算A/D转器的分辩率。假如分配到A/D转换器的元件的相对误差为0.1％，若以此作为量化误差，则A/D误差安量位数应满足：
A/D转换器的工作电压若按单极性设计，一般为0－10v；若按双极性设计，一般选为－5——＋SV。
③放大电路的设计按A/D转换器的工作电压来设计放大电咱的放大倍数（或称增益）。票据放大售数，可以确定放大电路中各元件参数。
④其他电路设计 除以上几个重要部分的设计之外，还有采样／保持器设计、多路转换开关选择等。一般情况下，它们都和A/D转换电路集成在一起。
（3）软件程序设计计算机测试第统中软件应有两项基本功能：即对输入／输出的控制管理功能和测试数据的处理功能。除此以外，还应其有系统本身自检测和自诊断功能，而且与被测对象的物理过程和参数特性密切相关，还与硬件系统的电路原理有关。
3.1测量基本知识
3.2误差基本知识
以上两节内容要求学生自学，重点掌握以下内容：测量误差分类、系统误差、随机误差和粗大误差、测量的精密度、准确度和精确度。
3.3压力测量
压力是生产过程或过程装备中的一个重要参数，在过程设备测试与控制中，经常会遇到压力测量问题。
压力概念：垂直均匀作用在物体表面上的力，即压强P。
压力单位：国际单位帕斯卡；工程单位有工程大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱等。
表压力：指绝对压力与大气压之差；负压指绝对压力低于大气压时的表压力。
常用压力测量仪表有以下几种：
液柱式压力计：是将被测压力转化为液柱高度来进行的测量的一种仪表；
弹性式压力计：是利用测量弹性敏感元件在压力作用下产生的弹性变形的大小来测量压力的一种仪表。
电测式压力计：是将被测压力转化为电量进行测量的仪器，介绍压阻式压力计和压电式压力计两种。
气流的压力分为静压和总压：
静压是指气流中某一点的气体，作用在通过该点并顺流线方向上无穷小和薄的壁面上的压力，也就是流动气体的真实压力。
总压是指一束气流在没有外功的情况下，可逆的、绝热的减速成到零之后气体的压力。
根据气流正对压力测孔还是背对测孔，可测气流的总压或静压。
3.3.2液柱式压力计液柱式压力计测压的基本原理是流体静力学定理。它是用一定高度的液柱去平衡被测压力，液柱的高度可以换算成被测压力的大小 。
液柱式压力计一般用来测量较低的压力、真空、或压差。
常用液柱式压力计有U型管压力计，单管压力计和微压计等。
U型管压力计基本原理,根据液体静力学原理得
一般情况下，比小得多，于是上式简化为：
通常用该公式来计算压差，其精度能够满足工程要求。
（2）U型管压力计的使用注意事项为了得到较高的准确性，U型管压力计有两个读数，和都要读。
在对液柱进行读数时，要注意毛细现象的影响。由于毛细现象的影响使得液面变成弯月面，为减少毛细现象的影响，读数时应取弯月面中央所对应的刻度值为读数值。此外，毛细现象还会引起液柱的上升或下降，在使用压力计时需加以修正，通常，当介质为水时，修正值取mm；介质为水银取修正值为 mm，其中d为压力计管子内径。
当工作液体的膨胀系数较大时，在使用过程中还要考虑由于温度变化带来的工作液体容度的变化，必须对此进行修正。
---介质实际密度 水或水银的密度实际测量时的读数值； 被测压力的计算高度在读数时要注意清除视差。 U型管压力计制造简单，工作可靠，方便不足之处是在读数时要读取两个管子的刻度值，不仅麻烦，而且两个读数过程本身就增大了带来误差的可能性。
单管压力计基本原理 根据流体静力学定理可得
双由于
A1一时管内截面积
A2-一宽容器内截面积由此可得一般情况下，A总是匹小于A2，通常,因此需要特别准确的读数外，可忽略H2，直接用H1来计算压力的大小。
单管压力计的使用 与U型管压力计注意事项类似，不同之处是单管压力计只需一个读数，要保证容器一侧接较高压力，肘管一侧接较低压力。
微压计微压计原理 微压计是采用肘管倾斜的方式来实现微压测量的根据液柱式压力计的原理可知
式中F1F2分别是肘和水箱的横截面积。由于,因此 而 是当肘管垂直放置时液柱的高度，由此可见仪器的示值被放大了，读数的灵敏度和精度也提高了。
微压计的使用
一般情况下,管子内径为
3.3.3弹性式压力计弹性式压力计是工业生产中应用最为广泛的一种测压仪表。它使用各种形式的弹性元件作为感受胙，其原理是以弹性元件受压产生的反用力与被测压力平衡。此时，弹性元件的变形为被压力函数，这样用测量变形的方法就可测得压力的大小。
优点：结构简单，使用方便，便于携带，工作安全可靠，无需反复保养价格便宜。
缺点：受到弹性元件一些不完全弹性特性的影响精度不太高，且需定期校验。
组成：弹簧管、膜片、膜盒组和波纹管等。
弹性元件特性弹性元件的不完全弹性因素主要包括弹性滞后和弹性后效。
弹性滞后是指由于弹性元件工作时分子的存在摩擦而导致的加载曲线与卸截曲线不重合的现象形字代表对于一定的力F的滞后误差。
弹性后效是指弹性元件所受载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定的时间间距内逐渐完成的一种现象。
弹簧管式压力计
弹簧管式压力计由弹簧管压力感受元件和放大指示机构两部分组成。前者是一根弯曲成约270度圆弧的扁圆或椭圆载面的空心金属管，一端固定，作为压力输入端；另一端自由，作为位移输出端，接放大指示机构。放大指示机构通常是由拉杆、齿轮以及指针组成。
工作原理：在被测压力作用下，扁圆或椭圆形截面的弹簧管有变圆的趋势，并迫使弹簧管的自由端发生相应的弹性变形，这个变形借助于拉杆，经齿轮传动机构予以放大，最终由固定于小齿轮上的指针将被测值在刻度盘上指示出来。
在弹性范围内，弹簧管自由端的位移与被测压力之间近似线性关系，因此通过测量自由端的位移可直接测得相应的被测压力的大小。
3.3.4 压阻式压力计该压力计是根据半导体的压阻效应来工作的。这种压力计通常是以单晶硅为基体，按特定的晶面，根据不同的受力形式加工成弹性应变元件，并在弹性应变元件的适当位置，用集成电路技术扩散出四个等值的应变电阻，组成惠斯登电桥。不受压力时电桥处于平衡状态，当受到压力作用时，一对桥臂的电阻变大，另一对变小，电桥失去平衡。若对电桥加上恒流源，输出端便有对应于所加压力的电压输出信号。测得电压的大小，即可知道待测压力的大小。
压阻式压力计的优点：体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快等。
半导体的压阻效应长为L，截面积为A的电阻，其电阻值R为
ρ—材料的电阻率微分上式：
因为 ，
所以
由材料力学知 ，得
假定K为单位纵向应变引起的电阻变化率，称其为应变片的纵向灵敏度，那么
ε—电阻的纵向应变，
对于半导体来说，K=60~170，一般来说半导体应变片的灵敏度与半导体材料、渗杂深度、应力相对于晶轴的取向等因素有关。
压阻式压力计压阻式压力计是在N型单晶硅的表面用氧化技术生成一层二氧化硅薄膜，然后在需要电阻的地方除去氧化膜，并用扩散技术在此处向硅的深处扩散杂质硼，使之形成P型区，这些P型区形成压阻敏感元件。
应变电阻应放置在感压元件应变比较大的位置。（解释说明）
使用：注意温度补偿问题，在温度变化的时候，会产生桥路的零点漂移和灵敏度漂移。
3.3.5 压电式压力计压电式压力计是利用某些晶体的压电效应来测量压力的。压力效率是指晶体在承受压力时，表面产生电荷的特性。
压电式压力计尺寸小、重量轻、工作可靠、测量效率范围宽。它的不足之处是对于振动和电磁场很敏感。
石英的压电效应沿x轴方向切片，然后将两块电极板放在垂直于x轴的两个面上，施加压力，电极板表面就会产生大小相等、方向相反的电荷。该电荷的大小与所受压力成正比，而与石英晶体尺寸无关。
Q=dsp
P—作用在表面上的压力；s—作用面的面积；d—压电系数。
工作原理被测压力作用在膜片上，膜片产生变形，其传递压力的作用，同时也用来实现预压和密封。压力元件的上表面与膜片按接触并接地，其下表面则通过引线将电荷引出。
压电式压力计的压电元件产生的电荷分布在两个端面的极板上，其数量相等而极性相反，相当于一个电容器，两极板间的电压为。
3.3.6 压力计的选用压力测量仪表的选用主要包括仪表的类型、量程范围、精度和灵敏度。
类型选择主要是根据被测对象的性质、状态以及压力计的现场工作环境来确定。介质是否具有腐蚀性、温度高地、现场的振动、电磁等环境因素都会影响压力计的使用。
量程选择要根据被测压力的范围，再加上一定的富裕度。一般原则：对弹性式压力计，为避免超负荷而破坏，被测压力的额定值为压力计满量程得2/3。
精度选择是根据实际需要而定。通常是在满足生产要求的前提下，选用尽可能廉价的压力计。
3.4 温度测量
3.4.1 概论温度是表征物体冷热程度的物理量，是测量中最常见、最基本的参数之一。工业生产中物体的任何化学或物理变化都与温度有关，因此，温度测量就显得尤为重要。
温度测量方法可分为接触式测温法和非接触式测温法两种。分析理解两种测温法的优缺点。
测温仪表从原理上可以分为以下几类：
利用物体的热膨胀来测温；
利用导体（半导体）的热电效应来测温；
利用电阻随温度变化而变化的特性来测温；
利用物体的表面辐射与其温度的关系来测温。
3.4.2 热膨胀式温度计液体膨胀式温度计最常见的是玻璃管式液体温度计，它是一种应用最早的测温仪器。这种温度计具有结构简单、直观、使用方便、灵敏度高、价格便宜而且测量范围广等优点，但它易碎、不便于自动纪录和信号远传。
工作液体的选择主要取决于测温范围。如果在玻璃管中充入抵低凝固点液体，最低可将量程扩展道-200℃。
使用时应注意玻璃管插入深度，工业温度计的插入深度一般是固定的，而实验室或标准温度计则是全浸式。
固体膨胀式温度计常用的金属温度计是由两种线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成。条形金属片一端固定，一端可以自由移动。若下面金属线膨胀系数大，则当温度升高时，双金属片向上弯曲。
为了使双金属片长而紧凑，常制成螺旋形，一端固定，一端与指针连接。温度变化后，双金属片自由端产生位移，利用指针偏转角度可以测出温度。
双金属温度计测量范围一般在80~600℃之间，精度最高可达0.5级。它结构、抗振兴能好，工业上已逐渐代替水银温度计。
3.4.3 热电偶测温仪表它是基于热电效应原理制成的测温仪器。它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。
它具有以下特点：
测量精度高，性能稳定；
结构简单、易于制造、产品互换性好；
将温度信号转换成电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；
测温范围广，可达-200~2000℃；
形式多样，适用于各种测温条件。
热电偶温度仪表工作原理两种不同材料的导体A、B组成一个闭合回路，当回路两端接点t0、t的温度不同时，回路中就会产生一定大小的电势，形成电流，这个电流的大小与导体材料性质和接点温度有关，这种原理称为热电效应。把两种不同材料的组合体称为热电偶。它感受被测温度信号，输出与温度相对应的直流电势信号。
构成热电偶的两种导体称为热电极，把插入被测介质中感受被测温度的一端称为测量端（工作端、热端），如图中接点t；把处于周围环境中的一端称为参考端（自由端、冷端），如图中接点t0。
热电势是接触电势和温差电势共同作用的结果。接触电势是由于两种不同导体的电子密度不同，从而在接点出发生电子扩散而形成的电动势。假设A导体的电子密度Na大于B导体的电子密度Na，则从A扩散到B的电子数目要多于从B扩散到A的电子数目，因此，A失去电子带正电，B得到电子带负电，于是在两者的接触面上形成了一个由A到B的静电场，这个静电场阻碍了电子的静迁移，最终达到动平衡。此时，在A、B间形成一个电位差，这就是接触电势，它只与A、B导体的性质和接点处温度有关。当A、B材料特性确定后，接触电势只是接点温度的函数，可记作。接点温度越高，接点电势越大。
温差电势是由于同一根导体中电子从高温端向低温端迁移而引起的电动势。对于同一根导体，高温端电子的能量要大于低温端电子的能量，因此，高温端向低温端有电子的静迁移。高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电，从而形成了高温端指向低温端的静电场，这个静电场阻碍了电子从高温端向低温端迁移，加速了电子从低温端向高温端的转移，从而达到动态平衡，此时存在的电势差称为温差电势，它由低温端指向高温端。温差电势只与导体材料性质和两端温差有关。当导体材料一定时只与两端的温度有关，记作,。一般记成
通过以上分析可得到以下关系
令
可的热电势的公式为
该式表明：对于给定热电偶，热电势是其两端温度函数之差。若其冷端温度t0恒定，则是定值，因此，热电势的大小只依赖于热端温度t，两者一一对应。
（2）热电偶的基本定律物质导体定律：到体的回路不论各处温度分布如何都不会产生热电势。“匀质”仅指导体的成分、材质相同，与其外形无关。
该定律可得出以下两个结论：
热电偶必然由两个不同质的材料组成；
同一导体回路是否有热电势可用来判定导体是否均匀。
中间导体定律：由两种不同导体构成的热电偶回路中，接入第三种导体，只要保持第三种导体两端温度相等，则对回路热电势没有影响。
中间温度定律：两种匀质导体A、B构成的热电偶，两端温度为t和t0，如存在一个中间温度，则热电偶存在以下关系：
标准电极定则：A、B导体的热电势等于它们对另一参考导体C的热电势之和，即
（3）常用热电偶测温系统补偿导线是在一定的温度范围内与所接热电偶热电性能相同的廉价金属丝。采用补偿导线只是改变了冷端的位置，不会影响热电偶的正常工作。
证明上面结论：
回路总电势
由补偿导线的性质得
代入上式得
在使用补偿导线时要注意形号和极性，补偿导线必须和热电偶配套，正确与热电偶的正负极连接。
应用热电偶的基本定律，可以实现以下几种情况的测温：
测两点的温差（反向串联）
测多点温度之和（正向串联）
测多点的平均温度（并联）
（4）热电偶冷端温度的影响及处理在实际应用过程中，冷端温度大多是变化的，从而给测量带来误差。常用的修正方法有恒温和补偿两大类。
恒温法该方法就是把热电偶冷端置于人造恒温装置中，常用的恒温装置有冰点槽和热电式恒温箱。
示值修正法根据热电势与温度的对应关系，显示仪表可以直接读出温度。一般显示仪表的分度是在冷端温度恒定在0℃条件下进行的。若冷端温度℃时，输入电势为，而，因此示值不能正确反映被测温度，需要加以修正。
在现场采取机械零位调整法，即预先把仪表的机械零件调整到冷端温度处，相当于预加了一个电势，综合起来，仪表的输入电势：
另一种是计算修正法。假设冷端温度℃，被测温度为t，示值温度为。那么显示出来的输入热电势应为，而是及产生的热电势是。显而易见，输入热电势应为热电偶实际产生的热电势，即，由此可得计算修正法的公式：
通过示值和冷端温度查分度表求得和，代入上式可求出，在依据分度表求出被测温度。
冷端温度补偿电桥法该方法是利用不平衡电桥产生的电压作为补偿电压，以抵消因冷端温度变化引起的热电势的变化。
电桥的桥臂Ω为锰铜丝电阻，它们的阻值几乎不随温度变化。是由铜丝制成的补偿电阻，阻值随温度变化。是由铜丝制成的补偿电阻，阻值大小因热电偶不同而不同。电桥直流电源E=4V，为输出的补偿电势。
选择Ω，使电桥在20℃达到平衡，此时。当冷端温度升高时，也随之增大，因而也增大，热电势在逐渐减小。如果，则不会随冷端温度变化而变化。
（5）热电偶的结构形式热电偶的结构可分为普通热电偶、铠装热电偶和特殊热电偶。结合教材讲解普通热电偶结构。
3.4.4 热电阻测温仪表通常金属导体或半导体电阻都随温度的变化而变化，当温度每升高1℃，大多数金属导体电阻将升高0.4%~0.6%，而半导体电阻将减小2%~6%。热电阻就是通过测量阻值的变化而间接测量温度。
热电阻测温仪在中低温范围内测量精度高、灵敏度高、性能稳定，输出信号较强，同时还便于远距离测量，因此得到广泛应用。
（1）测温原理金属热电阻与温度的关系：
，分别表示温度为，时的阻值；A、B、C均为常数，只与热电阻材料性质有关。
常用温度系数和电阻比来表征热电阻的电阻温度特性：
称为下的温度系数，越大，测温灵敏度也就越高。
电阻比是指在100℃和0℃下的电阻值的比值，越大，也就越大。
纯金属的电阻温度特性最好，测温灵敏度最高，因此测温电阻一般应采用纯金属制作。
半导体热电阻又称为热敏电阻，与金属热电阻不同之处在于阻值随温度升高而减小，与金属热电阻相比，优点是电阻温度系数高、测温灵敏、电阻率高、体积小。但它互换性差、复现性差、阻值与温度的关系不太稳定。
（2）常用热电阻常用热电阻有铂、铜、镍热电阻。
铂热电阻性能可靠、精确度高，在氧化、高温条件下物理、化学性能非常稳定，一般作为标准仪表。但在还原性条件中易变脆，且价格高。
铜热电阻的优点是阻值与温度几乎成线性关系，但它高温下易被氧化，测量精度不高，适用于测量准确度要求不高、温度较低的场合。
镍热电阻的最大特点是温度系数较大，测温灵敏度高，当温度系数在200℃时产生特殊变化，因此，测温范围低于200℃。
（3）热电阻的结构热电阻有电阻体、绝缘套管、保护套管和接线盒组成。
电阻体是由绝缘骨架和电阻丝构成。绝缘骨架用来缠绕、固定和支撑热电阻丝。不同的骨架及骨架材料对热电阻的构造和性质都有影响。
3.4.5 测温仪表的选用选用测温仪表应考虑测量范围、仪表使用要求、测量环境、仪表的可维修性及成本等。
根据生产所要求的测量范围，允许的误差，选择合适的测温仪表，使之有足够的量程和精度。
根据生产现场对仪表功能的要求，可选用一般性仪表、自动记录仪表、可远传仪表以及自动测温系统等。
根据仪表的工作条件，选择合适的仪表及保护措施，防止过多的维护管理费用。
正确安装测温元件应做好以下两点：
正确选择具有代表性的测温点，测温元件应插入被测物的足够深度。
要有合适的保护措施，如加装保护管、在插入深孔处密封等。
3.5 流量测量流量是测量中的重要参数之一，是产品成本核算和能源科学管理所必需的指标。因此，对流量测量方法及测量仪器的学习显得非常重要。
流量是指单位时间内流过某一截面的流体数量的多少。它可分为体积流量和质量流量。其关系为
单位可表示为：t/h，㎏/h，㎏/s，，L/h等。
用于流量测量的仪表叫做流量计。常用流量计有：压差式流量计、转子流量计、电磁式流量计等。
3.5.2压差式流量计压差式流量计是基于节流原理来进行流量测量的。其原理是当满管道的流体流经节流装置时，流束收缩、流速提高、静压减小，在节流装置的前后就产生了一定的压差。这个压差的大小与流量有关，根据流量与压差之间的关系既可得到流量的大小。
压差式流量计的核心是节流装置，它包括：节流元件、取压装置以及前后管段。
常用的节流装置有孔板、喷嘴和文都利管等。节流装置的取压方式通常有角接取压和法兰取压。
（2）节流装置的流量方程流量方程的推导截面1处流体受节流元件的影响，流体充满流道，流束直径为D，流体压力为,平均流速，流体密度为。
截面2是流束在节流后收缩到最小时的截面，此处流束压力为，平均流速，流体密度为。
，为取压点的压力。流体由于受节流元件的阻挡而导致大于，同时，截面在处并非最小，流体流速也非常高，因而也大于最小压力。
假设流体为不可压缩流体，由Bernouli方程得
①
根据连续方程
②
令，，，，
，分别是1、2截面的面积，为孔板开孔截面的面积，为流束的收缩系数。
由①、②得
由此可得
即
质量流量为
体积流量为
测得压力与，然后引进压力修正系数，,它与取压位置、流动损失以及流速在截面上分布的不均匀性等因素有关。
令（称流量系数），可得流体的流量方程：
可压缩流体的流量方程为
其中为气体膨胀系数：
式中
为流束收缩系数，
为可压缩气体修正系数。
②流量公式分析在流量基本方程中，流量系数和气体膨胀系数是两个重要系数，而其大小与诸多因素有关。
流量系数
取决于，，的大小。
值取决于摩擦力和惯性力，与Re有关。Re增加，流束收缩将变大，但当Re上升到一定值时，流束的收缩将不再变大，也即Re几乎在对有影响。
与取压位置、流动损失和流速沿截面分布的不均匀性有关，而流动损失又是由流速沿截面分布的不均匀性、Re、管道的粗糙度以及所决定。
综上所述，与节流装置的形式、取压方式、Re、m以及管道的粗糙度有关。在节流装置一定时，只取决于Re、m以及管道的粗糙度。在标准节流装置中，由于Re已足够大，因此其对的影响很小，而管道的粗糙度已定，只与m有关。
膨胀系数
与节流前后的压比,（m）、k等因素有关。在，，时，可由下式确定
（3）压差式流量计的组成它是由节流装置、引压导管、压差变送器和二次仪表组成。
节流装置是将管道中流体的流速转变成压差信号，引压导管是将压差信号送至压差变送器。压差变送器是压差流量计的重要组成部分，它是将压差装置的压差信号转变为标准的电流信号。二次仪表是将接到的电流信号经过转化、运算，最终显示出流量值。
（4）压差式流量计的使用它已实现了标准化、系统化。如GB2624-93、ISO5176。
压差式流量计的使用范围：管径50~1000mm，测量范围1.5~100000m3/h，精度为1%~2%。
注意事项：
节流装置的安装要正确。
对孔板的要求。孔板的进口边缘应尖锐、严格直角、不可有毛刺、划痕。
对管道、取压装置、导压管、压差变送器的安装、使用都有一定的要求。
在进行流量测量时，一定要遵守有关规定，否则就会引起较大的测量误差，导致测量精度与设计时的精度相差甚远。
（5）压差式流量计的发展
3.5.1 转子流量计
（1）测量原理及流量公式转子流量计的结构是由一个锥形管和一个可在锥形管中上下只有运动的转子两个基本部分组成。
当被测流体通过锥形管时，流体从转子与锥形管的环隙中通过，转子受到一个向上作用的力而浮起。当转子再流体中受到的向上作用力与转子在流体中的重量相等时，转子就静止在某一高度上。这样通过转子的重力、浮力求得转子两边压差后，可以根据压差求得流体通过环隙的速度，进而求得所测的流量。
根据力的平衡方程式得
流体通过环隙F1的流速C为流体的体积流量为
(其中K为系数)
流体的体积流量为
其中，
式中，----在刻度尺零点处的锥形管内径；
n-----转子升起单位高度时，锥形管内径的变化；
----由零点转子上升的高度；
d-----转子的最大直径。
对一定的仪表，与转子形状及介质粘性有关的系数K是一个常数。因此，流量只与环西面积有关，也即与转子的位置有关。
（2）转子流量计的使用和特点转子流量计在出厂时通常是按照空气作为被测介质标定的。如果被测介质不是空气，其密度与空气密度不同，则应重新进行标定。修正公式为：
式中，—修正后的流量；
—修正前的流量；
—转子材料的密度；
—标定时空气的密度；
—实际被测流体的密度。
转子流量计优点：可测小流量、结构简单、维修方便，压力损失小、价格低廉等。
转子流量计缺点：采用机械传递信号，仪表性能和准确度难以提高；转子容易卡死。
管径范围4~150mm，测量范围0.001~3000m3/h，精度为。
（3）远传式转子流量计差动变送器：将位移信号变为电信号。
将转子与差动变送器的内铁芯相连，转子在流体的作用下，向上移动，同时带动铁芯也向上移动，导致差动变送器有一个相应的不平衡电势输出，该信号送至差动仪即可显示流量。转子流量计的位移信号也可以变为压力信号进行远距离传送，称之为气动远传式转子流量计。
3.5.4 电磁式流量计
（1）测量原理电磁式流量计是由变送器和转换器两部分组成。变送器包括磁路部分、电极、外壳和引线等。
转换器的作用是将变送器输出的电压信号转换为0~10mA标准的电流信号。
电磁式流量计工作原理图
电磁式流量计的基本原理是：当有导电的流体通过磁极之间的管道时，流体相当于是一个长度为管道内径的导体在切割磁力线，这时就会产生电动势。
根据恒定磁场的理论，可得
B—磁极间的磁感应强度；
d—导管的内径；
v—导管中液体的流速。
根据流量，得
当使用交流励磁时，磁场以频率f随时间变化。因此
与E成线性关系，测得E就可求得流量的大小。
（2）电磁式流量计的使用优点：可测量导电液体的流量，不受流体压力、温度、粘度、密度、电导率等影响，测量范围比较宽。可测两个不同方向的流量，可测含杂质液体，同时还可用于强酸、强碱及盐类等腐蚀性液体。此外，它对流动状态的影响小，测量中没有压降，不会对流动造成损失。
缺点：第一，电磁式流量计在测量中没有考虑到密度的变化；第二，安装和调试要求很严格，用起来比较复杂；第三，测量有污垢的粘性流体时，粘性物或沉淀物容易附着在电极上，从而带来测量误差，甚至导致测量无法进行，因此必须在使用时注意清洗；第四，测量时干扰信号比较多，且不易排除。
此流量计的管径在6~900mm之间，测量范围0.1~20000m3/h，精度为。
3.5.5 流量测量仪表的选用首先考虑流体的性质和状态，其次要考虑工艺允许的压力损失，最大最小额定流量，同时注意使用场合的特点，测量精度的要求，以及显示的方式等。
3.6 流量测量
3.6.1 概述物位是液位、料位以及界位的统称。
液位指容器内液体介质液面的高低。物位测量的目的主要目的在于测知容器中物料的存储量，以便对物料进行监控，保证顺利和安全生产。
液位计按工作原理可分为直读式、浮力式、静压式、电容式、光纤式、激光式、核辐射式。
3.6.2 浮力式液位计浮力式液位计是根据浮力原理对液位进行测量，可分为恒浮力式和变浮力式两种。
（1）恒浮力式液位计它是利用漂浮在液面上的浮子来实现测量。浮子因浮力作用漂浮在液面上，其位置代表了液面的位置。当夜面变化时，浮子随液面一起运动，从而产生位移，但浮子所受浮力的大小不发生改变，然后通过传递、放大系统显示出液位的变化和液面高度。
①测量原理一圆柱形浮子，密度，液体密度，浮子直径D，受力情况如下：
自身重力
所受浮力
所受外力，则有
液位上升，则浮力增加：
因此，
从而迫使浮子上浮，即浮子的升降是随液面的升降而变化的。重新平衡后，浮子的静止位置就是新液面的位置。
②浮子的结构形式浮子式液位计的不灵敏区=。
与D的平方成正比，直径越大，灵敏度越高。
因此，浮子一般均制成扁平空心圆盘或圆柱形。
③恒浮力式液位计结构形式它们结构上的主要差异在于它们对浮力位移的传递、放大和显示方式，主要有机械式和电气式两种。
针对教材P120Fig.a~d四种结构分别讲解。
④误差分析引起恒浮力液位计的测量误差的因素有：
仪器灵敏度高低；
在腐蚀性工作环境中，浮力被浸蚀而造成质量减轻；
当测量粘度较大的液体时，由于浮子上粘有液体，使浮子质量增加；
由于温度变化引起液面各处密度不同。
（2）
变浮力式液位计是通过感受元件将液位变化转化为力的变化，在将力的变化转化为机械位移，然后通过转换装置将位移转换为电信号。
浮筒存在以下平衡关系：
当液位发生变化时，假设升高，则浮筒位置发生变化，上升，则平衡关系为：
两式相减得
因此，液位变化量与浮筒位移成正比。若在浮筒连杆上装上指针，可直接指示液位；若在浮筒连杆上装上铁芯，通过差动变送器，可输出信号，从而间接测出液位。
3.6.3 静压式液位计
（1）静压式液位计是通过测量某点或该点与另一参考点的压差来间接测量液位的仪表。
一般选容器底面的某一点做为参考点，该点所受压力的大小取决于液面的高低。若容器是开口容器，则参考点的压力等于该点表压。若非开口容器，可通过测量液面上方与参考点的压差来求出叶面高度。
（2）静压式液位计结构形式
①玻璃管液位计利用连通器原理制成，通过玻璃管来显示液注高度，直接观察液位。
②压力式液位计 是利用测压仪表来测量液位的仪器。
压力表测液位系统：
由于一般压力表默认气压为大气压，该测量系统只适用于敞口容器。
法兰式压力变送测量系统当待测液体粘度大、易结晶，不便于或不能用管路输送时，可用法兰压力变送器将测压元件直接连接在容器上进行测量。
吹气式液位测量系统对于易腐蚀、高粘度或密度不均的液体，应使用吹气式液位测量计。将一根导管插入敞口容器液面下，压缩空气经减压阀和节流元件，最后从导管下端开口逸出。由于有节流元件的稳压作用，根据流体力学原理，供气量几乎是恒定的。当导管的气压与液封压力相等时，导管下仅有微量气体逸出。此时压力表的读数就可反映出液位高度。
③压差式液位计对于密闭容器，当液位变化时，液面处的气压也随之发生变化。此时气压对压力计指示有影响，只能用差压计来测量气、液两相的压差。压差大小通过气动或电动差压变送器传送，并转化为电信号，最终显示出液位的大小极其变化。
3.6.4电容式液位计它是由电容式液位传感器和测量电路组成。
（1）电容法测液位原理电容器由两个同轴的金属圆筒组成，两筒半径分别为R、r，高为L。当两筒之间充满介电常数的介质时，则两筒间电容量表述为：
若圆筒电极的一部分被介电常数（设>）的另一种介质充满，在保证电容不放电的情况下，电容发生变化，则
以上两式相减，得
因此，在、、R、r军威常数时，电容变化量与液位h成正比，测得电容变化量，可以测得h的大小。
（2）导电液体电容液位计图中1表示金属内电极，外套聚由氟乙烯塑料套管或涂以搪瓷作为电介质和绝缘层。高绝缘套管的介电常数为,电极的绝缘层和容器内气体的等效介电常数为,当容器内设有液体 H=0时，则金属容器壁作为外电极，电容大小为：
当 时，外电极就是液体一，其直径等于绝缘直径等于绝缘直径 而未被液体侵润的地方外电极仍是容器，此时电容大小为：
此式可写成其中若得电容式液位计的灵敏度：
当 越大，绝缘层薄；灵敏度越高。
（3）非导电介质电容液位计该液位计有专门的外电极，并在外电极上开了很多小孔。
图同料，测得电容变化量，即可算出液位化量。
当 越大,值越接近1，则灵敏度越高。
3.6.5光纤液位计在两根石英光纤的端部粘上石英棱镜，其中一根与光源相连，另一根与光电无件相连。
当探头置于空气中时，光线在棱镜中发生全反射，光源所发出的光经过一定光路传导光电元件，当探头接触液面是，液体的折射率与空气不同，破坏了棱镜中全反射，部分光线漏射至液体中这样送至光电元件的光强度极大地被削弱了。从而确定出液面位置。
光纤液位计应用于以下情况：
易燃易爆液体的液面报警 ；
不同介质分界面的测定监控液位，防止液体的泄漏光纤液位计特点是仪表用光纤传递，可做到现场无电源及电传送信号，传送能量小，属于本质安全性仪表。
3.6.6液位计的选用仪表特性 主要包括测量范围，测量精度，工作可性等 。
工作环境 主要包括被测量对象特性，液体位计的放置情况等；
输出方式 主要包括是否连续测量，信号传递和显示等 。
3.7 物质成份分析
3.8传感器概述传感器是一种以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的便于应用的泵种物理量的测量装置。
3.8.1传感器基本组成
（1）传感器其本概念传感器定义 传感器是将被测非电量（物理量）信号转换为与之有确定对应关系的电量（信息）输出的器件移为传感，传感器有时也称为变送器、变换器,换能器、探测器等 。
传感器首先是一个测量装置，它以测量为目的；其次它又是一个转换装置，不量间进行
转换。
传感器的作用传感器主要应用在自动测试 与自动控制领域中。它将诸如温度、压力、流量等参量转换为电量，然后通过电的方法进行测量和控制。
电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展和应用，又为电子技术、控制技术和计算 机技术的应用，普及和进一步发展创造了条件。
（2）传感器的组成传感器的组成格式是随用途，检测原理，方式等 不同而有差异。传感吕是利用物理，化学和生物学科的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制出来的。一般说来，传感器由敏感元件、转换元件。测量路与其它辅助部件组成。
敏感元件是泛指能直接感受，获取被测量并能输出与被测量有确定函数的关系的其它物量量的元件。它所感受的量可以是任意 量，为非电量。当输出是电量时，敏感 元件 和转换元件合为一体，就是一次转换传感器。敏感元件是整个传感器的核心元件，它是每个传感器必须具有的组成部分。
转换元件是能将敏感元件感受到的百电量直接转换成电量的部分。当敏感元件的输出是非电量时，转换元件就成为传感器必不可少的重要组成部份。
测量电路诉作用是把转换元件（或敏感元件）的电信号转换成便于测量,显示,沁录、控制和处理的电信号后再输出。测量电路的 具体形式 随 转换类型而定，但使用最多的是各种类型的电桥电路，有进也使用高阻抗输入电路，脉冲调完电路等特殊电路。
辅助电路通常包括电源，有些传感器系统常 采用电池供电。
3.8.2传感器分类
（1）按输入物理量分类
温度传感器、温度传感器、流量传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等。
该分类方法优点是用途明确，便于选择；缺点是难以看出每个传感器在转换工作原理 上的共同点和差异。
（2）按工作原理分类压电式传感器、压阻式传感器、热阻传感器等 。
该分类方法优点是转换原理清楚，利于深入研究分析设计。
（3）按能理的关系分类分为有源传感器和无源传感器两大类。
有源传感器将非电能 转换成电能量，称之为能量转换型传感器，或换能器，通常配有电压测量电路和放大器。
无源传感器又称为能量控制型传感器。它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。
（4）按输出 信号的性质分类分模拟式和数字式传感器两大类。即传感器的输出量分别为模拟量和数字量。 模拟量和数量。模拟传感器输出的模拟量还必须经过转换器输出的数字量可直接用于数字显示或与计算机相连，肯抗干扰性强。
3.8.3传感器特性及标定
（1）传感器特性传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种稳定的，即不随时间变化或变化及其缓慢的信号，称为静态信号；另一种是随时间变化而的周期信号、瞬变信号或随机信号，称动态信号。
由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入一输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。
静态特性 表示传感器在被测物理量的各个值处于稳定状态的输出,输入关系。任何实际传感器的静态特性不完全会要求的线性或非线性的关系。
传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的,静态标准条件是指没有加速度、振动和冲击（除非这些参数本身就是被测特理量）环境温度一般为室 温即（）相对湿度不大于８５%，大气压力 的情况。在这种标准工作状态下，利用一定等级的校准备，对传感器进行往复循环测试，得到的输出 、输入数据，一般用表格列出或画成曲线，即为该传感器的静态特性。
衡量传感器静态特性的重要指标有：线性度迟滞、重复性等。
动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性，与静态特性的情况不同，它的输出量与输入量的关系不是一个定值。而是时间的函数，随输入信号的频率而变。
响应时间是表示传感器能否迅速反应输入信号变化的一个重要指示。其次是传感器的频率响应范围，它表征传感允许通过的频带宽度。响应时间定义为当输入给定所跃信号时，输出从它的初始值，第一次（在过冲之前或无过冲）到最终值的标定范围（最终值的９０%或９５%）所需要的进间。也可定义为：当输入产生阶路信号时，输出从它的初始值进入最终值的规定范围内所需要的时间。
频率响应范围一般是指幅频特性曲线幅值弯化在 时所对应的频率范围，称传感器的频率响应范围。
（２）传感器的标定用实验的方法确定传感器的性能参数的过程称为标定。
标定实际上就是利用某一种规定的标准或标准器其对传感器进行刻度一般来说，传感器的性能指标通常随时间环境的变化而 变化，而且这种变化常漃是不可连的，预测也是极其困难的。
３.８.４新型传感器介绍
（１）光纤传感器与传统传感器相对比它不受电磁场等恶劣环境中发挥其作用。
光纤 它是用直径为微米的石英玻璃制成的。每根光纤由一个贺柱形的内芯和包层组成。内芯的折射略大于包层的折射率。
光纤的光纤中的传输能随光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送室很远的距离。当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤中传播。当光线从光密物质射向光疏物质，而入射角大于临介时，光线产生全反射，即光不再离开光密介质。根据这个原理，光纤由于其圆柱形内芯的折射率 ，大于包层的折射率 ，在角２０之间的入射光，除了在内芯中和散射之外，大部分在内芯和包层办面上产生多次全反射，而 以锯齿形的路线在光纤中传播，在光纤的末端以与入射角相等的出射角射出光纤。
光纤的传感器的工作大原量及种类光纤的传感器是将被测对象的状态转换成光信号来进行测量传感器。其本原理是将束直光的光径过光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数相互作用，导致光的光学性质，如强度、频率、相位、波长、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光控测器，经解调器解调后获得被测参数。
分类：
按照光纤在传感器中的作用分，光纤传感器可分为传感型和传光型两种。
传感型光第十传感吕（也称功能 型）的光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件。它是利用光纤本身的特性受被测物理量作用而 发生变化的特点工作的，调制器是光纤本身，即内部调制，应用的是枯本功能的转换，所以称传感型。
传光型光纤传感器（也称非功能型）的光纤不是敏感元件，仅起传光作用，传感器中的光纤是不连续的。它是利用在光纤端面或两根光纤中间放置期货介质的敏感元件，感受被测特理量的，使透射光或反射光强度发生变化。光纤仅作为光的传输线，所以称传光型。
按光在光纤中被调制的原理分，光纤传感器分为强度调制型、相位调制型，波长市制型和偏振调制型等。
按测量对象分，光纤传感器分为光纤位移传感器、光纤温度传感器、光纤流量传感器、光纤图像传感器等。
光纤传感器的应用广泛应用于对磁、声、光压力、温度、加速度、位移、液面、转矩、电流和应变等 特理的测量。
（２）激光传感器激光传感器是对其输入一定形式的能量，经过转换奕成一定波长光的形式收射出。激光传感器包括激光发生器、激光接收器及其相应电路。
广泛应用于各个领域，如激光精密机械加工、激光通迅、激光音响、激光影视、激光武器和激光检测等。
（３）仿生传感器仿生学就是利用现有的科学技术生物技术生物体或人的行为（五感）和思维（智慧）进行部分模拟的科学，机器人是一个典型的仿生装置，科学家和工程技术人员对人的种种行为如视觉感觉和嗅觉和思维等进行模拟，产生了自动捕获信息处理信息模仿人类的行为装置一仿生传感器。
其典型代表就是机器械人所用的传感器，一般可分为机器人外传感器（感觉传感器）和内部传感器两大类，其内部传感器的功能是测量运动学及动力学参数，以使机器人按规定的位置、轨迹、速度和受力大小进行工作。其外部传感器的功能是识别工作环境，为机器人提供信息，其目的检查对象物体、控制操作，应付环境和修改程序。
感觉传感器的功能是部分或全部地再现人的视觉、触觉、听觉、冷热觉、病觉（异觉）味觉等感觉。视觉传感器主要检测或确定被敏感对象的明暗度、位置距离运动方向、形状特征等。触觉是指人与对象物体接触所得到的全部感觉，它可分为触觉、压觉、力学风、接近觉、滑觉等。
（4）霍尔传感器霍尔传感器是半导体磁敏传感器的一种，是利用霍尔效应进行工作的传感器。根据霍尔效应原理制面的元件称为霍尔元件，它是霍乱尔传感器的核心敏感部件。
解释说明霍尔效应。
霍尔电压U的大小与激励电流I和磁感觉强度B成正比。与半导体材料的成反比，即
式中,为霍尔灵敏度。表示在单位电流和单位磁感谢应强度作用下开路霍尔电压的大小。 N为单位体积中的电子数目。 为电子电荷量，H为半导体薄片的厚度。
霍尔式传感器可应用于下述三个方面：
当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，传感器的输出正比于磁感应强度。
磁场不变时，传感器输出值正比于控制电流值。
传感器输出值，正比于磁感谢应强度和控制电流之积。
（5）气、湿敏传感器半导体气敏锐传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器。本低等优点，得到广泛应用。目前应用最广最成熟的是人 等于烧结型气敏锐元件。
检漏仪（又称探测器）广泛用于检测可燃性气体的有无及管道和容器的泄漏。如同气敏传感器的自动吸排油烟机。
报警器，当泄漏气体达到某一危险限值时自动进行报警。如使携式缺氧监视器。
自动控制仪器是利用气敏元件的气电特性进行气电转换，按设定的门限值接通其它电路，对被控设备进行自动控制。如换气扇自动换气控制等。
湿度传感器湿度是指大气中水蒸气的含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示。
绝对湿度是单位窨中所含水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，用符号表示。
数字式传感器数字式传感器可以气输入量转换成数字量输出，或需要进一步转换才能得到数字量。式传感是检测技术、微电子技术和计算技术的综合产物。是传感器技术发展的一个重要方向。
测量精度高，读数直观准确测量范围大，分辩率高易于实现测量的自动化和数字化采用高电平数字信号时，对外部干扰制能力强。
数字式传感器包括光栅、磁栅、感应同步器、编码器和频率输出数字传感器等。
（7）智能式传感器智能式传感器就是一种带有微处理机，兼有检测、判断和住处理功能的传感器。
智能式传感器相当于一个智能仪表，它的基本组成包括主传感器，用于检测被测参数微处器，包括地址、数据总线、存贮器等于，用于信号的片理运算、存储等接口有A？D转换器，数字通讯接口等，用于传感中模拟信号转换及与微机的通讯辅传感器，用于检测影响测量精度的温度、湿度、压力等环境条件的变化，并运用微处理器的判断、计算功能，对主传感器测量值作出修正，电源 ；用于供给传感器和微处理器能源。
其他新型录传感器两角、微生物、免疫传感器、有机物、组织、生物电子学、超导传感器。
3.8.5传感器的选用
（1）对传感器的技术性能要求（8条）
精度高灵敏度高，线性范围广响应快、滞后、漂移小输出领带信噪比高稳定性好、重复性好动态性能好负载效应低超标准过大的输入信号保护
（2）传感器的选用原则按测量方式选在工程测试中针对被测好象的工作条件，工作方式，选择不同的测量方式按测量要求选不同的测量要求选择不同的传感器按使用方便选选用时尽量选择使用方便，便于安装、调度和维修的传感器按性价比选选用传感器时，不要片面追求各种性能指标。由于性能指标不同，传感器的价格差异很大。
3.8.6传感器发展动向
（1）传感器采用新原理
（2）传感器的因态化和小型化
（3）传感器的集成化和多功能化集成化是指将敏感无件，信息处理或转换单元以及电源等部分，集成在同一上。
多功能化是一块芯具有多种参数的检测功能，即一次可测量许多信息。
（4）传感器的智能化智能传感器是指集成有微型计算机的传感器，具有信息处理，量程转换，误差修正反馈控制、自诊断及其他有关“智能”功能。
（5）生传感器的研制
3.9计算机辅助测试系统
3.9.1计算机在测试系统中的作用能够实现复杂的测试和控制功能，而且也能够适应环境的变化，来自动调整测试与控制方式，使得测试技术发生了巨大的变革。更重要的是它变革了检测的原理和方法，实现了模拟量和数字量之间的转换，从而提高了测试精度、速度，增强了系统的可靠性。
微机的问世，从几个方面革新了测试的功能；
．扩展了测量参数的数目，提高了测量的准确度；
．革新了检测方法，使过去不能进行的某些测量，现在能够进行了。
．简化了仪表与仪表或其它设备的接器，它简化了仪表的操作，实现了集中控制。
．具有各种数据处理功能，并能进行各种算术逻辑运算，把使用者从繁复的数据处理工作中解放出来。甚至还增加了专家推断，分析与策的功能。
3.9.2计算机测试系统的基本结构计算机测试系统的结构形式计算机测试系统可以应用于智能仪表，工业过程测试和智能测试，从而构成不同的计算机测试系统。
①智能仪表 是指以微处理器为核心而设计的新一代测量仪表，它是将简单的计算机测试系统。
智能仪表特点：a、仪表功能较多，配有通用接器，具有完善的远程信息传输能力，便于接入自动测试系统；b、仪表本身具有初级“智能”，即具有自动量程转换，自调零、自校准、自检查、自诊断等功能；c、仪表采用智能元件，即微处理器。
②过程测试系，以参数测量为目标，用来对被测过程中的一些物理量进行测量，获得相庆精确的测理值。
③智能测试系统 智能是指系统具有部分人的智能，能局部代替人去完成那些以前依靠人的智能才能完成的任务。
（2）计算机测试系统的组成测试系统硬件主要包括传感器A/D转换器、输入／输出接电路、计算机等。
测试的工作过程：数据采集是将被测量所对应的信号转换为计算机能够识别的信号并输入给计算机；数据得理是由计算机执行以测试为目的的算法程序后，得到与被测参数对应的测量值（过程测试），或者形成相应的决策与判断（智能测试）或者作出决定性的预测（专家智能测试）；数据输出是将处理
数字化的过程。
编码是将已量化的数变为二时制数据以使计算机接受处理。
②脉冲信号的采集脉冲信号检测包括对脉冲个数的检测以及对脉中频率与周期或脉宽的检测。脉动个数的检测一般由数字完成。
脉冲率测量原理图设在闸门打开的时间厂内通过的脉冲的目的v出信号频率 为这种测量方法称为测法。
脉冲宽度测量原理图用被测信宽度去控制闸门的启闭，振荡器的标信号经闸门退入计数计数，这种测量方法称为测量法。
3.9.4计算机测试系统的设计
（1）设计
①主机选型 可供选择的类型有单电机单机、微型机和小型机号常可按安长，主和内存容量三项主要指标来分类和初选。
②输入道结构，为了减少元件的数量和成本、简化电路结构，提高可靠怪，一定注意道道的结构。
③输出道道结 根据测试系统的功能要求，确定是否需要打印机打鲟数据，是否需要绘图必绘制动态参数图形，是否需要各种形式的超限报警设施等。
（2）输入道道电路的设计分析
①传感选型 在计算机测试系统中，传感是非响系统性能的主要因素之一。根据任务要求，选择对应的传感器，对于间接测量，首先要按出直接测量的那些参数，然后再根据参数选择合适的传感器。
② A/D转换器的设计 按照对被测数的精度要求的高低，计算A/D转器的分辩率。假如分配到A/D转换器的元件的相对误差为0.1％，若以此作为量化误差，则A/D误差安量位数应满足：
A/D转换器的工作电压若按单极性设计，一般为0－10v；若按双极性设计，一般选为－5——＋SV。
③放大电路的设计按A/D转换器的工作电压来设计放大电咱的放大倍数（或称增益）。票据放大售数，可以确定放大电路中各元件参数。
④其他电路设计 除以上几个重要部分的设计之外，还有采样／保持器设计、多路转换开关选择等。一般情况下，它们都和A/D转换电路集成在一起。
（3）软件程序设计计算机测试第统中软件应有两项基本功能：即对输入／输出的控制管理功能和测试数据的处理功能。除此以外，还应其有系统本身自检测和自诊断功能，而且与被测对象的物理过程和参数特性密切相关，还与硬件系统的电路原理有关。
