第6 章 低温测量系统 ? 6.1 概述 ? 6.2 温度测量 ? 6.3 流量测量 ? 6.4 液位测量 6.1、概述 ? 需测量的参数 – 温度：在低温下，常用的室温下温度测量方法不 能用 – 压力：测压力可用压力表，当要高精度地测量高 压压力时，可用压力传感器+ 二次仪表。 – 流量 – 液位 6.1、概述 ? 测量方法：非电量电测法 – 在低温测量中很常用 – 传感器：采用耐低温材料制成 – 测量原理：利用传感器的某些特性（如电阻、电 容、电压）随被测对象的变化而变化 – 关键设备：传感器+ 二次仪表 – 在非电量电测实际应用中，会涉及到以下 几方面 的问题： ? 传感器的选择 ? 传感器的标定 ? 接线 ? 二次仪表的使用 本章是讲到非电量电测时参数时，主要讲传感器的原 理，即传感器性能变化的量（即电阻R、电容 C、电 压 V等电量）与被测量之间存在的一般关系式 返回 6.2、温度测量 ? 6.2.1 测温度的方法 ? 6.2.2 对测温元件的要求 ? 几种测温元件 – 6.2.3 金属电阻温度计 – 6.2.4 半导体电阻温度计 – 6.2.5 热电偶 – 6.2.6 定容气体温度计 返回 测温度的方法 ? 毛细管中水银柱的长度 ? 测传感器的电阻（电阻传感器） ? 理想或近似理想气体的压力 ? 测两块不同金属的热电势（热电偶） 6.2.1、测温度的方法 返回 对测温元件的要求 ? 精度高 ? 灵敏度高 ? 重复性好 ? 稳定性好 6.2.2、对测温元件的要求 返回 6.2.3、金属电阻温度计 ? 原理 ：导体或半导体的电阻率随温度变化而 变化； ? 种类 （据传感器种类分类） – 铂电阻温度计，在低温系统用得较多； – 铜电阻温度计 – 铅电阻温度计，缺点：常温下易变形； – 铟电阻温度计，优点：在低温下与铂电阻相比具 有较高的灵敏度。 ? 标定 6.2.3、金属电阻温度计 返回 ? 原理 – 半导体的电导率（电阻率的倒数）与温度有关。 – 高温条件下，电阻率与 1/T的指数函数成正比； – 低温条件下：导电是由于杂质的存在（释放或接 受电子）而进行的。 ? 传感器种类 – 锗电阻温度计 ：掺入砷、镓或锑来获得所需的电 阻特性； – 碳电阻温度计：低温测量用温度计 6.2.4、半导体电阻温度计 返回 6.2.5、热电偶 ? 原理 – 塞贝克效应：两种不同的导体两端连接成回路， 设两端为 a和 b，当 a、b 两点温度不同时，则两点 间会产生电动势e 。e 值的大小与两种导体材料和两 端所处的温度有关，使用时，热电偶的材料是确 定的，热电偶的一端放入参考温度中 (如放入冰水 混合物中 )，另一端放入被测环境中，则热电偶的 电动势与被测温度之间存在一一对应的关系，测 得电动势即可测得被测环境的温度值。 ? 种类 – 铜 -康铜：适用温度范围 -200℃~环境温度； – 铬铝 -铝铬：适用温度范围 -200℃ ~环境温度； – 铬铝 -金铁：适用 10~180K ? 标定 – 隐式： – 显式： 4 4 3 3 2 21 tatatatae +++= 4 4 3 3 2 21 ebebebebt +++= 6.2.5、热电偶 返回 ? 1、原理 – 通过测压力来测温度 ? 2、标定 – 目的：找到 P与 T之间的关系式 – 研究对象：充气温包 +毛细管 + 压力表组成的系统中的气体 – 两点假设： ? 气体为理想气体； ? 忽略常温下毛细管和压力表中的 气体，以充气温包中气体为研究 对象 ? 注：充气温包中气体种类与待测低 温区的流体种类不一致 6.2.6、定容气体温度计 据理想气体状态方程， PV=nRT 对于固定容积的密封容 器， V，n ，R为定值 则T/P 为常数 假设已知温度 Ts下测得的 压力为 Ps，则 T/P=Ts/Ps 则： T=P*Ts/Ps 用压力表测得压力 P即可求得 温度 T。 6.2.6、定容气体温度计 返回 讲各种流量计 ? 工作原理 ? 标定 ? 第一变量，如Δ P和转速等的测定 流 量 质量 流量 分别测 V和密度： 6.3.1 孔板流量计 、6.3.2 文丘利管流量计 直接测质量流量： 6.3.3 回转式质量流量计 体积 流量 6.3.4 涡轮流量计 6.3、流量测量 返回 6.3.1、孔板流量计 ? 1、原理 ? 2、标定 ? 3、Δ P的测量 ? 4、孔板流量计的优点 ? 5、孔板流量计的缺点 ? 1、原理： 在管道中放置一局部阻力元件，则 在阻力元件的上下游之间会产生一静压差 Δ P，Δ P与流量之间存在函数关系，则测得 Δ P即可得到流量值。 6.3.1、孔板流量计 ? 2、标定 对于液体质量流量，与Δ P的关系式如 下： Cd-流量系数； Ca-速度系数； Ao-孔板面积； ρ -流体密度；Δ P-孔板压降； 注：标定时，对象已知，则ρ已知；则由上式 得到的与Δ P之间关系，进一步可得到体积流 量与Δ P之间的关系。 6.3.1、孔板流量计 PACCm oad Δ= ? ρ2 ? 3、ΔP 的测量 测ΔP 时，三种测压点（包括上下游）的放置方法 – ①角接法 ：测压点接于孔板邻近； – ②法兰接法：测压点放置在孔板流量计上游 25.4mm（ 10英 寸）处及下游同样远处； – ③ D， D/2接法 ：上游测点距流量计：一个直径长度处,(D) 下游测点距流量计：半个直径长度处,( D/2) 6.3.1、孔板流量计 ? 4、孔板流量计的优点 – 用水作液体得到的标定曲线（指Cd ， Ca， Ao）可直接用于液氢、液氧、液氮； – 测量方法简单。 ? 5、孔板流量计的缺点 – 此流量计是通过测Δ P来测量流量的，则会 对流体产生一个较大的永久压力损失； – 测饱和状态下低温流体时，由于压降，使 低温饱和流体中产生汽相，成为两相流， 所以此流量计测饱和状态下的低温流体不 理想。 6.3.1、孔板流量计 返回 ①原理 ②标定 ③ΔP 的测量 ④优缺点 6.3.2、文丘利管流量计 6.3.2、文丘利管流量计 ? 1、原理 与孔板流量计类似，它是孔板流量计的一种改进，用 “喉口”替代“孔板” 目的是：为了降低摩擦与湍流的能量损失。 ? 2、标定 与Δ P的关系式同 “孔板流量计 ”； 但 Cd的求解表达式不同。 ? 3、测Δ P的方法 上游 ：在约 D/2处； 下游 ：喉口中心处。 ? 4、优缺点 – 优点 ：与孔板流量计相比，由摩擦与湍流导致 的能量损失下降； – 缺点 ：不适合于测低压液体的流量。 6.3.2、文丘利管流量计 返回 6.3.3、回转式质量流量计 ? ①结构 ? ②工作原理 ? ③标定关系式 ? ④优点 ? ⑤缺点 6.3.3、回转式质量流量计 ? 1、结构 – 励振器 – U形管 – 位置传感器 P1，P2 ? 2、工作原理 2种使 U形管产生运动 的动因： – U形管顶部 励振器 使 之产生挠曲振动，角 频率ω。挠曲运动是 产生扭振的前提。 – 流体在 U 形管内流 动，形成回转力 F→ 产生力矩→ U形管扭 振，扭转角Φ Δ t为位置传感器 P1和 P2 通过零挠曲水平的时间 差 6.3.3、回转式质量流量计 ? 3、标定关系式 – K：与U 形管的扭转有关的扭矩常数； – R： U形管的园弧半径 – Δ t为位置传感器 P1和 P2通过零挠曲水平的时间差 – 使用时，只要用传感器测得位移时间Δ t，即可求得。 ? 4、优点 从标定公式中可看出，与流体种类、性质无关。则此流量 计可： ①用于多种流体的测量；②可在从常温→低温的大 温区中使用；③可测汽液两相均匀混合的二相流流量。 ? 5、缺点 为确保灵敏度， U形管需做得很细，所以压力损失较大。 6.3.3、回转式质量流量计 2 8R tK m Δ = ? 返回 6.3.4、涡轮流量计 ? 原理 – 通过测量放在流道中的自由旋 转涡轮的转速来指示流量。 ? 标定 – 体积流量： V=K.n n为转速 – K=f（流量计孔径、叶片的个 数、叶片厚度等几何尺寸） – 对于一涡轮流量计，K 是定 值。 ? 转速 n的测定 ? 涡轮转子中装一永久磁铁，转子旋转一周，输出 一电压脉冲； ? 用仪表测得其电压脉冲的频率即可测得转速。 ? 测量仪表两个功能： ① 感应到电压脉冲； ② 测得脉冲频率。 返回 6.4、液位测量 ? 6.4.1 静压液位计 ? 6.4.2 电阻液位计 ? 6.4.3 电容液位计 返回 ? 原理 – 用测静压的方法来得到容器内液位高度。 ? 关系式 6.4.1、静压液位计 6.4.2、电阻液位计 ? 原理 ? 1、用一小电流对电 阻液位计进行加热， 则电阻丝温度升高； T 电阻丝 >T 流体 ，则电阻 丝要放热； ? 2、由于 液体的导热 系数 > 蒸汽的导热系 数，所以，同一电阻 丝在 汽相部分 和在 液相部分 的 T不同， 从而电阻丝在 汽液中 的电阻也不同；则容 器中液面与电阻存 在函数关系 6.4.3、电容液位计 ? 原理： 利用传感元件（同心圆柱）在液体与蒸汽中介 电常数不同 的原理。 ? 关系式： 返回