第五章 温度测量
温度检测的主要方法和分类
热电偶及其测温原理
热电阻及其测温原理
温度变送器简介
其它温度检测仪表简介
温度检测仪表的选用和安装
☆
★
★
☆
☆
★
测温方式 测温仪表 测温范围 ℃ 主要特点
接
触
式
膨胀式
玻璃液体 － 100～ 600 结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传
双金属 － 80～ 600 结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限
热电效应 热电偶 － 200～1800
测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和
自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精
度较低
热阻效应
铂电阻 － 200～ 600
测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应
用广泛；不能测高温
铜电阻 － 50～ 150
半导体热
敏电阻 － 50～ 150
灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测
量范围有一定限制
非接触式 非接触式 辐射式 0～ 3500 不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难
1 温度检测方法和分类
2 热电偶及其测温原理
? 热电效应和热电偶
? 热电偶中间导体定律 与 热电势的检测
? 热电偶的等值替代定律 和 补偿导线
? 标准化热电偶和分度表
? 热电偶 冷端温度 的处理
? 热电偶的结构型式
——热电效应和热电偶
热电效应 （ 热电偶测温的基本原理 ）,任何两种不同的导体或半导体组成的闭
合回路, 如果将它们的两个接点分别臵于温度各为 t 及 t0 的热源中, 则在该回路内
就会产生热电势 。
A B
B
A
图 3-37 热电偶示意图
A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0) eB(t,t0)
图 3-38 热电现象
t 端称为 工作端 (假定该端置于热源中 ),又称测量端或热端
t0端称为 自由瑞, 又称参考端或冷端
这两种不同导体或半导体的组合称为 热电偶
每根单独的导体或半导体称为 热电极
A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0) eB(t,t0)
闭合回路中所产生的热电势由 接触电势 和 温差电势 两部分组成,
0 0 0 0(,) ( ) ( ) (,) (,)A B A B A B B AE t t e t e t e t t e t t? ? ? ?
接 触 电 势 温 差 电 势
下标 A表示正电极, B表示负电极, 由于温差电势比接触电势
小很多, 常常把它忽略不计, 这样热电偶的电势可表示为,
00(,) ( ) ( ) ( i )A B A B A BE t t e t e t??
注意,如果下标次序改为 eBA,则热电势 e前面的符号也应相应改变, 即 ( ) ( )
A B B Ae t e t??
式 (i)就是热电偶测温的基本公式 。 当冷端温度 t0一定时, 对于确定的热电偶来说, eAB(t0)为
常数, 因此, 其总热电势 EAB(t,t0)就与温度 t成单值函数对应关系, 和热电偶的长短, 直径无
关 。 只要测量出热电势大小, 就能判断被测温度的高低, 这就是热电偶的温度测量原理 。
重要结论,
1.如果组成热电偶的两种电极材料相同, 则无论热电偶冷, 热两端的温度如何, 闭合
回路中的总热电势为零；
2.如果热电偶冷, 热两端的温度相同, 则无论两电极材料如何, 闭合回路中的总热电
势也为零
3.热电偶产生的热电势除了冷, 热两端的温度有关之外, 还与电极材料有关, 也就是
说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的 。
——中间导体定律和热电势的测量
热电偶的输出信号是毫伏信号, 毫伏信号的大小不仅与冷,
热两端的温度有关, 还和热电偶的电极材料有关, 理论上
任何两种不同导体都可以组成热电偶, 都会产生热电势 。
但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？
因为要测量毫伏信号, 必须在热电偶回路中串接毫伏信号
的检测仪表, 那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势,
对热电偶回路产生影响呢？
答：不会产生影响的 。
t
t0
A B
C C
毫伏计
如果断开冷端, 接入第三种导体 C,并保持 A和 C,B和 C接触处的温
度均为 t0,则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和,
中间导体定律
t
A
B
C
t0
t0
A B
t
t0
0 0 0(,) ( ) ( ) ( )A B C A B B C C AE t t e t e t e t? ? ?
当 t＝ t0时, 有
0 0 0 0 0(,) ( ) ( ) ( ) 0A B C A B B C C AE t t e t e t e t? ? ? ?
于是可得
0 0 0(,) ( ) ( ) (,)A B C A B A B A BE t t e t e t E t t? ? ?
同理还可以证明, 在热电偶中接入第四种, 第五种 …… 导
体以后, 只要接入导体的两端温度相同, 接入的导体对原
热电偶回路中的热电势均没有影响 。
根据这一性质, 可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接
导线, 只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行
测量而不影响热电偶的输出 。
t
t0
A B
C C
毫伏计
中间导体定律
例：求热电偶回路的电势。
已知,eAB(240)=9.747mV,eAB(50)=2.023mV,eAC(50)=3.048mV,eAC（ l0） =0.591mV。
解一,E=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10),
而 eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0
E= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV
解二：利用中间导体定律
E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10)
= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV 。
——等值替代定律和补偿导线
如果热电偶 AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶 CD在同一温度范围内所
产生的热电势相等, 即, 则这两支热电偶在该温度
范围内是可以相互替换的, 这就是所谓的热电偶等值替代定律 。
00(,) (,)A B C DE t t E t t?
t0
t
A A
A
B B
B D C
t
t0
tc tc
例 如左图, 设,
证明该回路的总热电势为
00(,) (,)A B c C D cE t t E t t?
0(,)ABE t t
某热电偶, 热端温度为 t,冷端温度为 tc,显然冷端温度难以实现恒定, 怎么办？
D
C
补偿导线
冷端的延伸
t
tc
A B
热电偶
被测设备
生产现场
t0
毫伏计
恒温环境
A
B
可以把热电偶做得很长, 一直到控制室 。 把冷端温度延伸到控制室, 变为 t0,恒定 t0比较容易
此时, 测得的热电势为
00(,) (,) (,)A B c A B c A BE t t E t t E t t??
但热电偶一般为 （ 较 ） 贵重的金属, 采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料, 不妥 。
如果选用一组较廉价的材料 （ C,D）, 且 CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶 AB在同
一温度范围内所产生的热电势相等, 就可以用 CD来替代 AB的延伸段 。
00(,) (,) (,)A B c C D c A BE t t E t t E t t??
CD即为热电偶 AB的补偿导线, 通常 CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成, 一
般在 0～ 100℃ 范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质 。
在选择和使用补偿导线时, 要和热电偶的型号相匹配, 注意极性不能接错, 热电偶与补偿导
线连接处的温度一般不能高于 100℃ 。
——标准化热电偶和分度号
从理论上分析, 似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶, 用来测量温度 。
但实际情况并非如此, 为了保证在工业现场应用可靠, 并具有足够的精度, 热电
偶的电极材料在被测温度范围内应满足,
热电性质稳定, 物理化学性能稳定, 热电势随温度的变化率要大, 热电
势与温度尽可能成线性对应关系, 具有足够的机械强度, 复制性和互换性好等要
求, 目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种 。
…………
附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表 。 根据标准规定, 热电偶的分度表是以 t0＝
0℃ 为基准进行分度的 。
当 t＝ 0℃ 时, 所有型号热电偶产生的热电势为 0mV；
当 t<0℃ 时, 热电势为负值 。
在所有标准化热电偶中, 相同温度条件下 B型热电偶产生的热电势最小, E型最大 。 如果
把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线, 可以看出二者呈一定的 非线性关系 。 即,
00(,) ( )ABE t t K t t??
例 用 K型热电偶来测量温度, 在冷端温度为 t0＝ 25℃ 时, 测得热电势为 22.9mV，
求被测介质的实际温度 。
解 1,根据题意有 (,2 5 ) 2 2, 9
KE t m V?
由 K型热电偶的分度表查出 ( 2 5,0 ) 1, 0 0 0
KE m V?
因此有 (,0 ) (,2 5 ) ( 2 5,0 ) 2 2, 9 1, 0 0 0 2 3, 9
K K KE t E t E m V m V m V? ? ? ? ?
反查分度表有 2 3, 9 2 3, 6 2 9
5 7 0 * 1 0 5 7 6, 42 4, 0 5 5 2 3, 6 2 9tC?? ? ? ??
——热电偶冷端温度的处理
中间导体定律 拆开冷端, 串入, 毫伏计,, 可以测量热电势, 而不影响总的热电势
等值替代定律 利用补偿导线来延伸冷端, 是把热电偶的冷端从温度较高
和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内
由于操作室内的温度往往高于 0℃, 而且也是不恒定的 （ 即使有空调也是不恒定的 ）, 这时,
热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变 。
因此, 在应用热电偶时, 只有把冷端温度保持为 0℃, 或者进行必要的修正和处理才能得出
准确的测量结果, 对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿 。
目前, 热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法,
冰浴法
计算修正法
电桥补偿法
冰浴法 ——把热电偶的冷端放入恒温装置中, 保持冷端温度为 0℃, 多用于实验室
t
tc
热
电
偶
补
偿
导
线
毫
伏
计
0
℃
恒
温
装
置
计算修正法 ——如例 3.7。 这种方法适用于实验室或者临时测温 。
电桥补偿法 ——仪表中常用
t
+ － R
cu
E
R1 R2
R3
+ a b －
00tt??
0(,)E t t?
0(,)E t t
+
－
图 3－ 44 电桥补偿法
电桥补偿法
t
+ － R
cu
E
R1 R2
R3
+ a b －
00tt??
0(,)E t t?
0(,)E t t
+
－
是仪表中最常用的一种处理方法, 它利
用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶
因冷端温度的变化而引起热电势的变化
如图, 电桥由 R1,R2,R3（ 均为锰铜电阻 ） 和 RCu（ 热
敏铜电阻 ） 组成 。
在设计的冷端温度 （ 例如 t0＝ 0℃ ） 时, 满足 R1＝ R2，
R3＝ RCu,这时电桥平衡, 无电压输出, 即 Uab=0,回
路中的输出电势就是热电偶产生的热电势
当冷端温度由 t0变化到 t’0时, 不妨设 t’0 >t0,热电偶输出的热电势减小, 但电桥中 RCu随
温度的上升而增大, 于是电桥两端会产生一个不平衡电压 Uab(t’0 )
此时回路中输出的热电势为,
经过设计, 可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化, 即
00(,) ( )abE t t U t???
于是实现了冷端温度的自动补偿 。
实际的补偿电桥一般是按 t0＝ 20℃ 设计的, 即 t0＝ 20℃ 时, 补偿电桥平衡无电压输出 。
0 0 0(,) ( ) (,)abE t t U t E t t????
1R 1R
CuR
2R
0(,)E t t?
0(,)E t t
I I
a b
00(,) (,) abE t t E t t U???
2()a b C uU I R R??
00 0 0 0( ) ( ) [ 1 ( ) ]C u C u tR t R t t t???? ? ?
20 ()CuR R t?如果满足：
00 0 0( ) ( )a b C u tU I R t t t? ???则：
00(,) (,)E t t E t t ?事 实 上 和 的 差 值 可 以 近 似 为,0 0 0 0(,) (,) ( )E t t E t t t t??? ?－＝
00 0 0 0 0( ) ( ) ( )C u tR t t t I t t??????如 果 使, ＝ 00()C u tR t I???即：
可以满足冷端温度补偿
00()C u tR t I??补 偿 电 阻 的 阻 值 取 决 于,,,
——热电偶的结构形式
热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量, 尤其适用于 500℃ 以上较高温度的测量, 普通型
热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构 。
接线盒
保护套管
绝缘管 热电偶
安装法兰 引线口
普通型热电偶
普通型热电偶主要由热电极, 绝缘管, 保护
套管和接线盒等主要部分组成 。
贵重金属热电极的直径一般为 0.3～ 0.65mm,普通金属热电极的直径一般为 0.5～ 3.2mm；
热电极的长度由安装条件和插入深入而定, 一般为 350～ 2000mm。
绝缘管用于防止两根电极短路
保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤 材料的选择因工作条件而定
普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式
铠装型热电偶 热电极 绝缘材料 金属套管
热电极
绝缘材料
铠装型热电偶
断面结构
铠装型热电偶是由热电极, 绝缘材料和金属
套管三者经过拉伸加工成型的
金属套管一般为铜, 不锈钢, 镍基高温合金等
保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末,
常用的绝缘材料有氧化镁, 氧化铝等 。
铠装型热电偶可以做得很细, 一般为 2～ 8mm,在使用中可以随测量需要任意弯曲 。
铠装热电偶具有动态响应快, 机械强度高, 抗震性好, 可弯曲等优点, 可安装在
结构较复杂的装置上, 应用十分广泛 。
3 热电阻及其测温原理
? 热电阻的测温原理
? 工业上常用的金属热电阻
? 热电阻的信号连接方式
? 热电阻的结构型式
——热电阻的测温原理
在工业应用中, 热电偶一般适用于测量 500℃ 以上的较高温度 。 对于 500℃ 以下的中,
低温度, 热电偶输出的热电势很小, 这对二次仪表的放大器, 抗干扰措施等的要求就
很高, 否则难以实现精确测量；而且, 在较低的温度区域, 冷端温度的变化所引起的
相对误差也非常突出 。 所以测量中, 低温度, 一般使用热电阻温度测量仪表较为合适 。
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的, 即电阻体的阻值随温度的变化而变化的
特性 。 因此, 只要测出感温热电阻的阻值变化, 就可以测量出被测温度 。
目前, 主要有 金属热电阻 和 半导体热敏电阻 两类 。
金属热电阻, 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,
0 0[ 1 ( ) ]ttR R t t?? ? ?
式中, 为温度 t时对应的电阻值
为温度 t0(通常 t0＝ 0℃ )时对应的电阻值
为温度系数 。
tR
0tR
?
半导体热敏电阻, 半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为,
式中, 为温度 t时对应的电阻值
A,B是取决于半导体材料和结构的常数
tR
Bt
tR A e?
金属热电阻 和 半导体热敏电阻 的比较,
热敏电阻的温度系数更大, 常温下的电阻值更高 （ 通常在数千欧以
上 ）, 但互换性较差, 非线性严重, 测温范围只有－ 50～ 300℃ 左右,
大量用于家电和汽车用温度检测和控制 。
金属热电阻一般适用于测量－ 200～ 500℃ 范围内的温度测量, 其特
点测量准确, 稳定性好, 性能可靠, 在过程控制领域中的应用极其
广泛 。 √
——工业上常用的金属热电阻
从电阻随温度的变化来看, 大部分金属导体都有这种性质, 但并不是都能用作测温热
电阻, 作为热电阻的金属材料一般要求,
尽可能大而且 稳定的温度系数, 电阻率要大, 在使用的温度范围内具有 稳定的
化学和物理性能, 材料的 复制性好, 电阻值随温度变化要有 单值函数关系 （ 最好呈线
性关系 ） 。
我国最常用的铂热电阻有 R0＝ 10Ω,R0＝ 100Ω和 R0＝ 1000Ω 等几种,
它们的分度号分别为 Pt10,Pt100 和 Pt1000；
铜热电阻有 R0＝ 50Ω和 R0＝ 100Ω两种,
分度号分别为 Cu50和 Cu100
其中 Pt100 和 Cu50 的应用更为广泛
——热电阻的信号连接方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件, 通常需要把电阻信号通过引线传
递到计算机控制装臵或者其它二次仪表上 。 常用的引线方式有三种,
E
R1 R2
R3
iU
tR
tR sI
*i s tU I R?tR iR
r
r
二线制,在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号 。 这种引线方式最简单
但由于连接导线必然存在引线电阻 r,r的大小与导线的材质和长度等因素有关
很明显, 图中的 2
itR R r??
因此, 这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合 。
E R1 R2
R3
iU
tR
三线制,在热电阻根部的一端连接一根引线, 另一端连接两根引线的方式称为三线制
这种方式通常与电桥配套使用, 可以较好地消除引线电阻的影响, 是工业过
程中最常用的引线方式 。
I I
r
r
r
A
B
C
事实上电桥上 R1＝ R2>>Rt,R3,经过设计可以使两个
桥臂上的电流相等, 均为 I,且 I几乎不受 Rt的影响
三线制的连接, 每根线上同样也存在导线电阻 r
此时, Ui＝ UAC＝？？
33( ) ( ) ( )i A B C B t tU U U I R r I R r I R R? ? ? ? ? ? ? ?
3R
可以起到调零的作用
四线制,在热电阻根部两端各连接两根导线的方式
称为四线制, 其中两根引线为热电阻提
供恒定电流 Is,把 Rt转换为电压信号 Ui，
再通过另两根引线把 Ui引至二次仪表 。
可见这种引线方式可以完全消除引线电
阻的影响, 主要用于高精度的温度检测 。
tR sI
*i s tU I R?
4 温度变送器简介
? DDZ-III型温度变送器
? 一体化温度变送器
? 智能式温度变送器
——DDZ－ III型温度变送器
分为热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两种
热电偶温度变送器：把 mV信号转换为标准电流输出
热电阻温度变送器：把 Ω 信号转换为标准电流输出
最终要求：变送器输出电流 Io应与被测温度 t成线性对应关系
热电偶温度变送器应主要要解决：冷端温度补偿和线性化处理两个内容
热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号, 输入回路即是冷端温度自动补偿桥路,
其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势, 因此补偿电桥上的参数与热电
偶分度号有关, 热电偶温度变送器使用时要注意分度号的匹配 。
线性化处理电路
热电阻温度变送器应主要要解决：克服引线电阻的影响和线性化处理两个内容
采用三线制输入方式 。
线性化处理电路
——一体化温度变送器
分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种
热电偶温度变送器：把 mV信号转换为标准电流输出
热电阻温度变送器：把 Ω 信号转换为标准电流输出
所谓一体化温度变送器, 是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内,变送器模
块和测温元件形成一个整体, 可直接安装在被测设备上, 输出为统一标准信号 4～ 20mA。
这种变送器具有体积小, 重量轻, 现场安装方便等优点, 因而在工业生产中得到广泛应用 。
由于一体化温度变送器直接安装在现场, 但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作
温度在 –20～ +80℃ 范围内, 超过这一范围, 电子器件的性能会发生变化, 变送器将不能正常
工作, 因此在使用中应特别 注意变送器模块所处的环境温度 。
一体化温度变送器品种较多, 其变送器模块大多数以 一片专用变送器芯片 为主, 外接少量元
器件构成, 常用的变送器芯片有 AD693,XTR101,XTR103,IXR100等 。 下面以 AD693构成的一
体化温度变送器为例进行介绍 。
一体化热电偶温度变送器
I1
I2
VT 1
一体化热电偶温度变送器简图
AD693的 输入信号 Ui为热电
偶所产生的热电势 Et与电桥
的输出信号 UBD之代数和
11()i t C u wU E I R R? ? ?
如果设 AD693的转换系数为 K，
可得变送器输出与输入之间
的关系为
oiI K U?
结论,
① 变送器的输出电流 I0 与热电偶的热电势 Et成正比关系 。
② RCu阻值随温度而变, 合理选择 RCu的数值可使 RCu随温度变化而引起的 I1RCu变化量近
似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势 Et的变化值, 两者互相抵消 。
③ W1的作用是调零, W2的作用是调满 （ 量程 ）
11[ ( ) ]t C u wK E I R R? ? ?
一体化热电阻温度变送器
I2
I1
VT 1
AD693构成的热电阻温度变
送器采用三线制接法, 与热
电偶温度变送器的电路大致
相仿, 只是原来热电偶冷端
温度补偿电阻 RCu现用热电
阻 Rt代替 。 AD693的 输入信
号 Ui为电桥的输出信号 UBD，
即
1 2 1 1 1 0 1()i B D t W t t wU U I R I R I R I R R? ? ? ? ? ? ?
同样可求得热电阻温度变送器的 输出与输入之间的关系 为
0 1 1 0 1()t t WI K I R K I R R? ? ? ?
——智能式温度变送器
智能式温度变送器有采用 HART协议通信方式, 也有采用现场总线通信方式 。
下面以 SMART公司的 TT302温度变送器为例进行介绍 。
TT302温度变送器是一种符合 FF通信协议的现场总线智能仪表,
它可以与各种热电阻或热电偶配合使用测量温度,
具有量程范围宽, 精度高, 环境温度和振动影响小, 抗干扰能力强, 重量轻
以及安装维护方便等优点 。
输入板包括多路转换器、
信号调理电路,A／ D转
换器和隔离部分，其作用
是将输入信号转换为二进
制的数字信号，传送给
CPU,并实现输入板与主
电路板的隔离。
用于热电
偶 的 冷端
温度补偿
核心
采样, 计算 (
控制 )、输出
产生并输出
满足 FF标准
的数字信号
显示
5 双金属温度计
6 温度检测仪表的选用
工业上常见的温度检测仪表主要有,
双金属温度计
热电偶
热电阻
辐射式温度计等
就地指示 精度不高
在线检测
适用于测量 500～ 1800℃ 范围的中高温度
适用于测量 500℃ 以下的中低温度
一般用于 2000℃ 以上的高温测量
选项使用热电阻, 热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号 。
——温度检测仪表的安装
一般来说, 温度检测仪表的安装需要遵循以下原则,
?检测元件的安装应确保测量的准确性, 选择有代表性的安装位置 。
检测元件应该有足够的插入深度
不应该把检测元件插入介质的死角, 以确保能进行充分的热交换；
测量管道中的介质温度时, 检测元件工作端应位于管道中心流速最大之处
检测元件应该迎着流体流动方向安装, 非不得已时, 切勿与被测介质顺流安装, 否则容易产生测量误差；
测量负压管道 （ 或设备 ） 上的温度时, 必须保证有密封性, 以免外界空气的吸入而降低精度 。
(a)逆流 (b)正交 (d)弯头
图 3-56 温度检测元件的安装示意图
?检测元件的安装应确保安全, 可靠 。
为避免检测元件的损坏, 接触式测量仪表的保护套管应该具有足够的机械强度
在使用时可以根据现场的工作压力, 温度, 腐蚀性等特性, 合理地选择保护套管的材质, 壁厚
当介质压力超过 10Mpa时, 必须安装保护外套, 确保安全
为了减小测量的滞后, 可在保护套管内部加装传热良好的填充物, 如硅油, 石英砂等等
接线盒出线孔应该朝下, 以免因密封不良使水汽, 灰尘等进入而降低测量精度 。
?检测元件的安装应综合考虑仪表维修, 校验的方便 。
?按照规定的型号配用热电偶的补偿导线, 注意热电偶的正, 负极与补偿导线的正, 负极相连接 。
?热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求 。
?为了保护连接导线与补偿导线不受外来机械损伤, 连接导线或补偿导线应穿入钢管内或走汇线槽 。
?导线应尽量避免有接头 。 应有良好的绝缘 。 禁止与交流输电线合用一根穿线管, 以免引起感应 。
?补偿导线不应有中间接头, 否则应加装接线盒 。 另外, 最好与其他导线分开敷设 。
——布线要求
第三章 流量测量
流量检测的主要方法和分类
节流式流量计
转子流量计
电磁流量计
涡轮流量计
漩涡流量计
容积式流量计
其它流量检测方法
超声波式流量检测
质量流量检测方法
☆
★
★
★
☆
☆
☆
☆
★
——几个概念
流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量, 也就是所谓的 瞬时流量 ；
在某一段时间内流过流体的总和, 称为 总量 或 累积流量 。
体积流量 以体积表示的瞬时流量用 qv 表示, 单位为 m3/s
以体积表示的累积流量用 Qv 表示, 单位为 m3
v Aq v d A v A??? 0
t
vvQ q d t? ?
质量流量 以质量表示的瞬时流量用 qm 表示, 单位为 kg/s
以质量表示的累积流量用 Qm 表示, 单位为 kg
mvqq??
mvQQ??
标态下的体积流量 由于气体是可压缩的, 流体的体积会受工况的影响, 为了便于
比较, 工程上通常把工作状态下测得的体积流量换算成标准状
态 （ 温度为 20℃, 压力为一个标准大气压 ） 下的体积流量 。
标准状态下的体积流量用 qvn表示, 单位为 Nm3/s。
1 流量检测的主要方法和分类
流量检测方法有很多, 就测量原理而言, 可以分为 直接测量法 和 间接测量法 两类 。
直接测量法可以直接测量出管道中的体积流量或质量流量
间接测量法则是通过测量出流体的 (平均 )流速, 结合管道的截面积, 流体的密度
及工作状态等参数计算得出 。
除了椭圆齿轮流量计直接测量体积流量, 科里奥利力质量流量计之外,
其它均基于间接法来流量测量
2 节流式流量计
节流式流量计也称为差压式流量计, 它是目前工业生产过程中流量测量最成熟, 最常用的方法之一 。
如果在管道中安置一个固定的阻力件, 它的中间开一个比管道截面小的孔, 当流体流过该阻力件时, 由于流体
流束的收缩而使流速加快, 静压力降低, 其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差 。
压差的大小与流体流速的大小有关, 流速愈大, 差压也愈大, 因此只要测出差压就可以推算出流速, 进而可以
计算出流体的流量 。
(a) 标准孔板
(b) 喷嘴
(c) 文丘里管
把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程, 其中的阻力件称为节流件 。
作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种 。
标准节流件包括 标准孔板, 标准喷嘴 和 标准文丘里管 。
对于标准化的节流件, 在设计计算时都有统一标准的规定, 要求和计算所需的有关数据及程序, 可直接按照标
准制造；安装和使用时不必进行标定 。
特殊节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测, 它必须用实验方法单独标定 。
相比而言, 标准孔板制作最简单, 使用也最广泛, 一下只介绍标准孔板,
1v 3v2v
1 2 3
——节流原理
流动流体的能量有两种形式：静压能和动能 。 流体由于有压力而具有静压能, 又由
于有流动速度而具有动能, 这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的 。
流速
1v
2v
3v
静压
1p
2p
3p
p?
maxp
——流量方程
1v 3v2v
1 2 3
流速
1v
2v
3v
静压
1p
2p
3p
p?
maxp
根据流体力学中的伯努利方程, 可以推导得
出节流式流量计的流量方程, 也就是差压和
流量之间的定量关系式,
0
0
2
2
v
m
q A p
q A p
??
?
? ? ?
??
??
α 为流量系数 ε 为可膨胀性系数
A0为节流件的开孔面积 ρ 为节流装置前的流体密度
Δ P节流装置前后实际测得的压差
α 主要与节流装置的 型式, 取压方式, 流体的流动状态 （ 如雷诺数 ） 和 管道条件 等因素有关 。 因此, 是一个影响因
素复杂的综合性参数, 也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在, 雷诺数大于某一数值 （ 界限雷诺数 ） 时,
α 值可认为是一常数 。 对于标准节流装置, 可以从有关手册中查出；对于非标准节流装置, 其值要由实验方法确定 。
ε 可膨胀性系数用来校正流体的可压缩性, 它与节流件前后压力的相对变化量, 流体的等熵指数等因素有关, 其取
值范围小于等于 1。 对于不可压缩性流体, ε ＝ 1；对于可压缩性流体, 则 ε ＜ 1。 应用时可以查阅有关手册而得
——标准节流件 (孔板 )
H
h
?
D d
节流装置包括 节流件, 取压装置 和 符合要求的前后直管段
标准节流装置 是指节流件, 取压装置都标准化, 前后直管
段符合规定要求, 可以直接投入使用
标准孔板, 要求,
d/D 应在 0.2～ 0.75之间
d不小于 12.5mm
直孔厚度 h应在 0.005D到 0.02D之间
孔板的总厚度 H应在 h和 0.05D之间
圆锥面的斜角 α 应在 30～ 45° 之间
…………
标准喷嘴和标准文丘里管的结构参数的规定也可以查
阅相关的设计手册 。
有手册可
查，不要
求记
——标准取压方式
国家规定标准的取压方式有 角接取压, 法兰取压 和 D－ D/2取压 。
角接取压
a
a
环隙取压
单独钻孔取压
夹持环
流体
角接取压的两个取压口分别位于孔板上下端面与管壁的夹角处
取压口可以是 环隙取压 口和 单独钻孔取压 口
环隙取压 利用左右对称的两个环室把孔板夹在中间, 通常要求
环隙在整个圆周上穿通管道, 或者每个夹持环应至少有四个开
孔与管道内部连通, 每个开孔的中心线彼此互成等角度, 再利
用导压管把孔板上下游的压力分别引出
当采用 单独钻孔取压 时, 取压口的轴线应尽可能以 90° 与管道
轴线相交
环隙宽度和单独钻孔取压口的直径 a 通常在 4～ 10mm之间
显然, 环隙取压由于环室的均压作用, 便于测出孔板两端
的平稳差压, 能得到较好的测量精度, 但是夹持环的加工制造
和安装要求严格 。 当管径 D＞ 500mm时, 一般采用单独钻孔取
压 。
法兰取压和 D－ D/2取压
法兰取压装置是由一对带有取压口的法兰组成
取压口轴线距离孔板上, 下端面均为 25.4mm（ 1英寸 ）
l1
l2
法兰取压
D－ D/2取压装置是设有取压口的管段, 上, 下游取压口轴线
与孔板上游端面的距离分为 D和 D/2（ D为管道的直径 ）
l1(D) l2(D/2)
D－ D/2取压
——节流式流量计的安装
原理总结,
节流装置 引压管 差压变送器 显示仪表 /控制器 oI
p?vq p?
在各种标准的节流装置中以标准孔板的应用最为广泛, 它具有结构简单, 安装使用方便的特点, 适用于大
流量的测量 。 孔板的最大缺点是流体流经节流件后压力损失较大, 当工艺管路不允许有较大的压力损失时,
一般不宜选用孔板流量计 。 标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较小, 但结构比较复杂, 不易加工 。
虽然节流式流量计的应用非常广泛, 但是如果使用不当往往会出现很大的测量误差, 有时甚至高达 10～ 20
％ 。 下面列举一些造成测量误差的原因, 以便在安装使用过程中得到充分的注意, 并予以适当的解决 。
,差压变送器的安装如前所述,
流体在管道中正常流动 （ v,p） 节流件使流体收束, 流速增大, 压力降低
节流件前后出现, 压差, ―压差, 与流量有关
再采用差压变送器, 将差压信号转换为统一的标准信号, 便于显示及控制
——节流式流量计的使用特点和要求
? 标准孔板应用广泛, 它具有结构简单, 安装方便的特点, 适用于大流量的测量 。
? 孔板测量的压损大, 当不允许有较大的管道压损时, 便不宜采用 。 在一般场合下,
仍采用孔板为多 。
? 标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小, 但结构比较复杂, 不易加工 。
? 标准节流装置仅适用于测量 管道直径大于 50mm,雷诺数在 104～ 105以上的流体 ；
? 流体应当清洁, 充满全部管道, 不发生相变 ；
? 为 保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态, 在节流装置的上, 下游必须配置
一定长度的直管段 （ 与管径, 节流件的开孔面积以及管路上的弯头数都有关系 ）
? 节流装置经过长时间的使用, 会因物理磨损或者化学腐蚀, 造成几何形状和尺寸
的变化, 从而引起测量误差, 因此需要及时检查和维修, 必要时更换新的节流装
置
——节流式流量计误差产生的原因
? 实际工况与设计要求不符, 如：温度, 压力, 湿度以及相应的流体重度,
粘度, 雷诺数等参数数值发生变化, 则会造成较大的误差 。 为了消除这
种误差, 必须按新工艺重新设计计算, 或加以必要的修正 。
? 节流装置安装不正确节流装置安装不正确, 在安装时, 特别要注意节流
装置的安装方向 。
? 在使用中, 要保持节流装置的清洁 。 如在节流装置处防止有沉淀, 结焦,
堵塞等现象 。
? 节流装置的磨损, 应注意日常检查, 维修, 必要时应换用新的孔板 。
? 导压管安装不正确, 或有诸塞, 渗漏现象,
——节流式流量计误差产生的原因
孔板本身原因,
H
h
?
D d
直角边缘不锐利 ?P? ( )? ? 测量值偏小
d太大 P? ? ( )? ? 测量值偏小
正取压孔离端面太远 P? ? ( )? ? 测量值偏小
h太大 P? ?( )?? 测量值偏大
负取压孔离端面太远 P? ? ( )? ? 测量值偏小
P? ?( )?? 测量值偏大
安装不好, 孔板弯曲 可大可小
3 转子流量计
在工业生产中经常遇到小流量的测量, 因其流体的流速低, 这就要求测量仪表有较高的灵敏度, 才能保
证一定的精度 。 转子流量计特别适宜于测量管径 50mm以下管道的流量, 测量的流量可小到每小时几升 。
h
孔板流量计,节流面积不变 流量变化 压差发生变化
转子流量计,压差不变 流量变化 节流面积发生变化
转子流量计主要由两个部分组成,
一是由下往上逐渐扩大的 锥形管 （ 通常用透明玻璃制成 ）
二是放在锥形管内可自由运动的 转子 。
被测 流体由 锥形管 下端进入, 流经 转子与锥形管之间的 环隙, 再 从上端流出 。
当流体流过的时候, 位于锥形管中的转子受到向上的一个力, 使其浮起 。 当这个
力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力, 此时转子就停浮在一定的高度上 。
若流体流量突然由小变大时, 作用在转子上的向上的力就加大, 转子上升, 环隙
增大, 即流通面积增大 。 随着环隙的增大, 使流体流速变慢, 流体作用在转子上
的向上力也就变小 。 这样, 转子在一个新的高度上重新平衡 。 这样, 转子在锥形
管中平衡位置的高低 h与被测介质的流量大小相对应 。
——流量方程
转子的平衡关系,
()tfV g p A??? ? ?
V为转子的体积； ρ t和 ρ f分别为转子和流体的
密度； g为重力加速度； ΔP 为转子前后的压差；
A为转子的最大截面积
转子和锥形管间的环隙面积相当于节流式流量计的节流孔面积, 但它是变化的, 并与转
子高度 h成近似的线性关系, 因此, 转子流量计的流量公式可以表示为,
2
v
f
q h p?
?
?? 2 ( )tf
f
Vg
h
A
??
?
?
?
?
2 ( )t f f
m
Vgqh
A
? ? ?? ??
式中,φ 为仪表常数； h为转子浮起的高度 。
流量与转子高度 h成线性关系
式中的其它参数为常数
转子流量计的锥形管一般采用透明材料制成, 在锥形管上刻有流量读数, 用户只要根据
转子高度来读取读数 。
转子流量计 一般只适用于就地指示 。 对配有电远传装置的转子流量计, 也可以把反应流
量大小的转子高度 h转换为电信号, 传送到其它仪表进行显示, 记录或控制 。
——流量修正
由于转子流量计在生产的时候, 是在工业基准状态 （ 20℃, 0.10133Mpa） 下用水或空气进行刻度的 。 如果
工作状态不同, 必须对流量指示值按照实际被测介质的密度, 温度, 压力等参数的具体情况进行修正 。
液体流量测量时的修正
如果某转子流量计的转子高度为 h,如果介质为 20的 ℃ 水, 则流量 qv0与 h的关系满足,
0
2 ( )tw
v
w
Vgqh
A
???
?
??
式中,qv0为用水标定时的流量刻度
ρ w为水的密度
如果介质不是 20的 ℃ 水, 则流量 qvf与 h的关系满足,
2 ( )tf
vf
f
Vgqh
A
???
?
?? qvf和 ρ f分别为被测介质的实际流量和密度
如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大, 可以近似认为 φ 是常数, 则有
0
()
()
t f w
v f v
f t w
qq? ? ?? ? ????? 刻度流量 实际流量
修正系数
例 现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量, 已知转子的材料为不锈钢（ 密度 7.9g/cm3）, 苯的密度为 0.83g/cm3, 请问流量计读数为 3.6L/s时, 苯的实
际流量是多少？
解,修正公式
0
()
()
t f w
v f v
f t w
qq? ? ?? ? ?????
因此 ( 7, 9 0, 8 3 ) * 1 * 3, 6
0, 8 3 * ( 7, 9 1 )vfq
??
?
4 ( / )Ls?
质量流量的修正公式
0
()*
()
t f w f
v m v f f v
tw
q q q? ? ? ?? ???? ? ??
气体流量测量时的修正
假设实际被测气体的密度为 ρ f,
因此被测流体流量 Qf与指示值 Q0的关系是,0
,
0 0
00
0
()
()
tftf
f
f t f
Q Q Q
? ? ?? ? ? ?
? ? ? ?
???
???
通常, 气体流量需要把它转化成工业基准状态 （ T0＝ 20℃ ＝ 293K,P0＝ 1.0133× 105Pa）
记被测时的压力和温度分别为,Pf,Tf,所以被测流体对应标准状态的体积流量为,
00
0
f f f
f
P Q P Q
TT?
000
00
f f f
f
f f f
P T Q P TQQ
T P T P
?
???
此时的密度 ρ f还是实际密度, 由于测量的困难, 也需要把它转化成标态下的密度更为方便,
00
0
f f f
f
P V P V
TT?
0
00
f
f f f
PP
TT???
0
0
0
f
ff
f
PT
TP???
于是有修正公式
0
0
00
0
0 QT
T
P
P
Q
f
f
f
f ?
??
温度单位是绝对温标, 压力为绝对压力 。
（ P0=1.0133*105Pa,T0=273K）
ρ0 ——空气标准状态密度 （ 1.293kg/m3）
ρf0 ——被测介质标准状态密度
Q0 ——显示流量
Qf0 ——实际流量 （ 标准状态 ）
——转子流量计的 特点
① 转子流量计主要适合于检测中小管径, 较低雷诺数的中小流量；
② 流量计结构简单, 使用方便, 工作可靠, 仪表前直管段长度要求不高；
③ 流量计的基本误差约为仪表量程的土 2％, 量程比可达 10,1
④ 流量计的测量精度易受被测介质密度, 粘度, 温度, 压力, 纯净度, 安装质量等的影响 。
4 电磁流量计
基本工作原理 导体切割磁力线, 会产生电动势
适用场合 可以检测具有一定电导率的酸, 碱, 盐溶液,
腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量,
但不能检测气体, 蒸汽和非导电液体的流量 。
流量公式 当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁
力线时, 就会在管道两边的电极上产生感应电势,
感应电势的大小与磁场的强度, 流体的速度和流
体垂直切割磁力线的有效长度成正比,
xE K B D v?
2
4v
Dqv??
4vx
DqE
BK
??
式中,Ex为感应电势； K为比例系数； B为磁场强度； D为管道直径； v为垂直于磁力线的流体流动速度 。
在管道直径 D已经确定, 磁场强度 B维持不变时, 流体的体积流量与磁感应电势成线性关系 。 利用上述原
理制成的流量检测仪表称为电磁流量计 。
——电磁流量计的 特点
测量导管内无可动或突出于管道内部的部件, 因而 压力损失极小 ；
只要是 导电的, 被测流体可以是含有颗粒, 悬浮物等, 也可以是酸,
碱, 盐等腐蚀性物质；
流量计的输出电流与体积流量成 线性关系, 并且不受液体的温度, 压
力, 密度, 粘度等参数的影响；
电磁流量计的 量程比 一般为 10:1,精度较高的量程比可达 100:1；测量
口径范围大, 可以从 lmm到 2m以上, 特别适用于 lm以上口径的水流量
测量； 测量精度一般 优于 0.5级 ；
电磁流量计反应迅速, 可以测量脉动流量 ；
主要缺点,
被测流体必须是导电的, 不能小于水的电导率
不能测量气体, 蒸汽和石油制品等的流量
由于衬里材料的限制, 一般使用温度为 0～ 200℃ ；
因电极嵌装在测量导管上的, 使工作压力限制 (一般 ≤ 0.25MPa）
——电磁流量计的 安装
可以水平安装, 也可以垂直安装, 但要求液体充满管道；
直管段要求：前 10D,后 5D以上；
远离磁场；
变送器前后管道有时带有较大的杂散电流, 一般要把变送器前后 1～ 1.5m出和变送
器外壳连接在一起, 共同接地 。
5 涡轮流量计
基本工作原理 流体冲击涡轮叶片, 使涡轮旋转, 涡轮的旋转速度
随流量的变化而变化, 通过涡轮外的磁电转换装置
可将涡轮的旋转转换成电脉冲 S
N 流量方程
vq? ? ???
ω
qv
特点和要求
流量与涡轮转速之间成 线性关系, 量程比一般为 1O,1；
涡轮流量计的测量精度较高, 可 达到 0.5级以上 ；
反应迅速, 可测脉动流量；
主要用于 中小口径 的流量检测；
仅适用 洁净的被测介质, 通常在涡轮前要安装过滤装置；
流量计 水平安装, 前后需一定长度的 直管段, 一般上游侧和下游侧的直管段长度要求在 10D和 5D以上；
常温下用水标定, 当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿
6 漩涡流量计
基本工作原理 把一个漩涡发生体 （ 非流线型对称物体 ） 垂直插在管道中, 当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡, 形成涡列, 该漩涡列就称为卡门涡街
只有当两列漩涡的间距 h与同列中相邻漩涡的间距 l满足为 h／ l＝ 0.281条件时, 卡门涡列
才是稳定的 。 且单列漩涡产生的频率 f与流体流速 v成正比, 与柱体的特征尺寸 d（ 漩涡发
生体的迎面最大宽度 ） 成反比, 即,
流量方程
d
vStf ?
St称为 斯特劳哈尔数 （ 无因次数 ）,
St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数
有关 。 在雷诺数为 5000～ 150000的范
围内, St基本上为一常数 。 特点和要求
涡街流量计输出信号 （ 频率 ） 不受流体物性和组分变化的影响, 在一定的雷诺数范围内, 几乎不
受流体的温度, 压力, 密度, 粘度等变化的影响, 故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液
体和气体的流量测量而不需标定；
管道内无可动部件, 使用寿命长, 压力损失小；测量精度高 （ 约为士 0.5％ ～ 1％ ）, 量程比 20:1；
尤其适用于大口径管道的流量测量 。 但是流量计安装时要求有足够的直管段长度, 上游和下游的
直管段分别要求不少于 2OD和 5D,漩涡发生体的轴线应与管路轴线垂直 。
7 椭圆齿轮流量计 ——直接测量
基本工作原理 ―一碗一碗, 计量
V
转子每旋转一周, 就排出四个由椭圆齿轮
与外壳围成的半月形空腔的流体体积 (4V)。
在 V一定的情况下, 只要测出流量计的转速
n就可以计算出被测流体的流量
流量方程 4
vq V n?
特点和要求
计量 精度高, 一般可达 0.2～ 0.5级, 有的甚至能达到 0.1级
安装直管段对计量精度影响不大, 量程比一般为 10:1
一般只适用于 10～ 150mm的 中小口径 。
容积式流量计对被测流体的粘度变化不敏感, 特别 适合于测量高粘度的流体 （ 例如重油, 树脂等 ）
甚至糊状物的流量, 但要求被测介质干净, 不含固体颗粒, 所以一般情况下, 流量计前要装过滤器 。
由于受零件变形的影响, 容积式流量计一般 不宜在高温或低温下使用 。
8 其它 ——科里奥利力质量流量计
基本工作原理
（ 实验 ）
将充水软管 （ 水不流动 ） 两端悬挂, 使其中段下垂成 U形, 静止时, U形的两管处于同一平面, 并垂
直于地面, 左右摆时, 两管同时弯曲, 仍然保持在同一曲面
若将软管与水源相接, 使水由一端流入, 从 另 一端流出 （ 如图 b和 c） 。 当 U形管受外力作用向右左
摆动时, 它将发生扭曲 。 扭曲的方向总是出水 侧 的摆动要早于人水侧；
随着 质量 流量 的增加, 这种现象变得更加明显, 出水侧摆动相位超前于入水侧更多 。
这就是科氏力质量流量的检测原理, 它利用两管的 振动 （ 摆动 ） 相位差来反映流经该 U形管的质量流量
利用科氏力构成的质量流量计有直管, 弯管, 单管, 双管等多种形式
双弯管型是最常见
它由两根金属 U形管组成, 其端部连通并与被测管路相连 。 这样流体可
以同时在两个 U形管内流动
在两管的中间 A,B,C三处各装有一组压电换能器
换能器 A在外加交变电压作用下产生交变力, 使两根 U形管彼此一开一
合地振动, 相当于两根软管按相反方向不断摆动
换能器 B和 C用来检测两管的振动情况
由于 B处于进口侧, C处于出口侧, 则根据出口侧振动相位超前于进口
侧的规律, C输出的交变信号的相位将超前于 B某个相位
此相位差的大小与质量流量成正比
科里奥利力质量流量计
若将这两个交流信号相位差经过电路进一步转换成直流 4～ 20mA等 标准信号, 就成为质量流量变送器 。
特点和要求
科氏力质量流量计的测量精度较高, 主要用于粘度和密度相对较大的单相和混相流体的流量测量
由于结构等原因, 这种流量计适用于中小尺寸的管道的流量检测 。
——间接式质量流量测量
（其它略）
第四章 物位测量
概述
差压式物位仪表
浮力式物位仪表
电容式物位仪表
辐射式物位仪表
☆
★
☆
☆
☆
1 概述
几个概念
在容器中液体介质的高低叫 液位,
容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫 料位
测量液位的仪表叫 液位计, 测量料位的仪表叫 料位计
测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫 界面计
在物位检测中, 有时需要对物位进行连续检测, 有时只需要测量物位是否达到某
一特定位置, 用于定点物位测量的仪表称为 物位开关
物位检测的作用 控制, 计量, 报警等 。
检测方法分类 直读式物位仪表：玻璃管液位计, 玻璃板液位计等 。
差压式物位仪表,利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作 。
浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作 。
电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化, 如电容
核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理
声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化, 声波的遮断和声波反射
距离的不同, 测出这些变化就可测知物位 。 根据工作原理分
为声波遮断式, 反射式和阻尼式 。
光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作
……
2 差压式液位计
基本工作原理 Δ P=ρ gH
零点迁移
Δ P=ρ 1gH Δ P=ρ 1gH -ρ 2g（ h2-h1） Δ P=ρ
1gH +ρ 1gh1
零点迁移的目的：使 H＝ 0时, 变送器输出为 Iomin（ 如 4mA）
无迁移 负迁移
迁移量,-ρ 2g（ h2-h1）
正迁移
迁移量,ρ 1gh1
例 已知 ρ 1=1200kg/m
3,ρ
2=950kg/m
3,h
1=1m,h2=5m,
液位变化范围 0—2.5米, 求：变送器的 量程 和 迁移量 。
解 Hmaxρ 1g=2.5*1200*9.8=29400Pa 变送器量程可选为,40kPa
当 H=0时, -ρ 2g（ h2-h1） =-4*950*9.8=-37.24 kPa
变送器需要进行负迁移, 迁移量为 － 37.24 kPa
结论,
差压式液位变送器, 事实上就是一个差压变送器, 无非液位变送器的输出与液位高度 H成线性关系
因此, 差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的 。
为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大, 易凝固等液体液位时, 引压管线 容易出现 被腐蚀,
被堵塞的问题, 应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器 （ 压力信号的 远传装置 ）, 分单法
兰式及双法兰式两种 。
3 浮筒式液位计
基本工作原理
浮
筒
G
F弹 F浮
浮
筒
弹簧
磁钢室
输出指示器
主要由四个基本部分组成：浮筒, 弹簧, 磁钢室和输出指示器
当浮筒沉浸在液体中时, 浮筒将受到向下的重力 G,向上的浮力 F浮 和弹簧弹力 F 弹 的复合作用
弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移, 再通过输出指示器内磁感应元件和传动装置或变
换输出装置, 使其指示出液位或输出与液位对应的电信号 。
内置式 外置式
静井
特点和要求 浮筒式液位计通常有内置式和侧装外置式两种安装方式, 测量原理完全相同, 但外置式安装更
适用于温度较高的场合 。
4 电容式物位计
基本工作原理
d
D
L 1?
D
d
L
2?
H
2?
由两个同轴圆柱极板组成的电容器, 当两极板
之间填充介电常数为 ε 1的介质时, 两极板间的
电容量为,
12
l n ( )
LC
Dd
???
当极板之间一部分介质被介电常数为 ε 2的另一
种介质填充时, 可推导出电容变化量
212 ( )
l n ( )
HC K H
Dd
? ? ??? ? ?
当电容器的几何尺寸和介电常数保持不变时, 电容变化量就与物位高度 H成正比 。
特点和要求 电容式物位计可以用于 液位 的测量, 也可以用于 料位 的测量, 但 要求介质的介电常数保持稳
定 。 在实际使用过程中, 当现场温度, 被测液体的浓度, 固体介质的湿度或成分等发生变化
时, 介质的介电常数也会发生变化, 应及时对仪表进行调整才能达到预想的测量精度 。
说明：电容式液位计一般都是基于差压原理测量的 。
5 核辐射式物位计
基本工作原理 核辐射线 （ 通常为 γ 射线 ） 穿过一定厚度的被测介质时,
射线的投射强度将随介质厚度的增加而呈指数规律衰减的
原理来测量物位的
辐射源
接收器
0
HI I e ???
I0表示进入物料之间的射线强度； μ 表示物料的吸收系数； H为物料的厚
度； I为穿过介质后的射线强度 。
特点和要求 核辐射式物位计属于非接触式物位测量仪表
适用于高温, 高压, 强腐蚀, 剧毒等条件苛刻的场合
核射线还能够直接穿透钢板等介质, 可用于高温熔融金属的液位测量
使用时几乎不受温度, 压力, 电磁场的影响 。
但由于射线对人体有害, 因此射线的剂量应严加控制, 且须切实加强安全防护措施
(工业现场一般不优先考虑使用核辐射式物位计 )
补充 成分和物性参数的检测
热导式气体成分检测
红外式气体成分检测
溶解氧的检测
pH值的检测
浊度的检测
溶解氧的检测
基本工作原理 所谓 溶解氧 就是表征溶液中氧浓度的参数, 基于 溶氧电极发生电化反应 是目前工业
上最常用的溶解氧检测方法
溶氧电极可分为 原电池型 和 极谱型 两类
原电池型
溶氧电极
一般由 Ag,Au,Pt等贵金属构成阴极, Pb构成阳极, 二者组成一对氧敏感的碱性原电池 。
当有微量氧含量通过原电池时, 两个电极上将发生如下电化学反应,
阴极 （ Ag）
222 4 4O H O e O H??? ? ?
阳极 （ Ag） 22 2 4P b P b e????
当接通外部电路以后即可形成电流, 电流的大小与氧的浓度之间具有良好的线性关系 。
因此, 只要测得原电池电路中的电流就可以测得其中的溶解氧 。
原电池型传感器不需要外加极化电压
测量极限约为 1ppm
但会使 溶液中含有铅离子 。
极谱型溶氧电极 极谱型电极是由一透气溶氧膜覆盖的电流型电极, 通常阳极材料为 Ag，阴极材料为 Au或 Pt,KCl溶液作为电解液和两个电极一起组成电解池
Pt阴极
玻璃体
电解液层
溶氧膜
被测介质
溶氧膜的结构 阳极
(银环 )
Pt阴极
温度探头
溶氧膜
玻璃体
绝缘体
电解液
保护外套
极谱电极插入到被测介质时, 溶解氧通
过溶氧膜到达阴极 。 介质中的氧分压越
高, 渗入的溶解氧越多 。 当两电极间加
入一定的极化电压时, 两电极上发生氧
化还原反应,
阴极
222 4 4O H O e O H??? ? ?
阳极 4 4 4 4A g C l A g C l e??? ? ?
和原电池型电极相类似, 极谱型电极的氧化还原反应形成了还原电流, 还原电流的大小与氧含量成正比
关系 。 但是, 极谱型电极的还原电流绝对量很小, 通常为 nA级电流, 因此极谱型电极需要专门的信号放
大装置对还原电流进行放大输出 。
由于 温度对氧的渗透性影响很大, 因此电极中还封装有温度探头, 并以此来对这种影响进行补偿 。
在测量管道中流动介质溶解氧的时候, 电极的安装也会对测量精度产生较大的影响, 正确的安装方法是
要求 探头以不易积累气泡的某个角度对着流体安装 。
极谱电极的结构简单, 使用方便, 测量极限可达 1ppb,测量精度约为 1％
目前已在水质分析, 污水处理, 酿造, 制药, 生物工程等领域有广泛应用 。
温度检测的主要方法和分类
热电偶及其测温原理
热电阻及其测温原理
温度变送器简介
其它温度检测仪表简介
温度检测仪表的选用和安装
☆
★
★
☆
☆
★
测温方式 测温仪表 测温范围 ℃ 主要特点
接
触
式
膨胀式
玻璃液体 － 100～ 600 结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传
双金属 － 80～ 600 结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限
热电效应 热电偶 － 200～1800
测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和
自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精
度较低
热阻效应
铂电阻 － 200～ 600
测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应
用广泛；不能测高温
铜电阻 － 50～ 150
半导体热
敏电阻 － 50～ 150
灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测
量范围有一定限制
非接触式 非接触式 辐射式 0～ 3500 不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难
1 温度检测方法和分类
2 热电偶及其测温原理
? 热电效应和热电偶
? 热电偶中间导体定律 与 热电势的检测
? 热电偶的等值替代定律 和 补偿导线
? 标准化热电偶和分度表
? 热电偶 冷端温度 的处理
? 热电偶的结构型式
——热电效应和热电偶
热电效应 （ 热电偶测温的基本原理 ）,任何两种不同的导体或半导体组成的闭
合回路, 如果将它们的两个接点分别臵于温度各为 t 及 t0 的热源中, 则在该回路内
就会产生热电势 。
A B
B
A
图 3-37 热电偶示意图
A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0) eB(t,t0)
图 3-38 热电现象
t 端称为 工作端 (假定该端置于热源中 ),又称测量端或热端
t0端称为 自由瑞, 又称参考端或冷端
这两种不同导体或半导体的组合称为 热电偶
每根单独的导体或半导体称为 热电极
A B
eAB(t0)
eAB(t)
eA(t,t0) eB(t,t0)
闭合回路中所产生的热电势由 接触电势 和 温差电势 两部分组成,
0 0 0 0(,) ( ) ( ) (,) (,)A B A B A B B AE t t e t e t e t t e t t? ? ? ?
接 触 电 势 温 差 电 势
下标 A表示正电极, B表示负电极, 由于温差电势比接触电势
小很多, 常常把它忽略不计, 这样热电偶的电势可表示为,
00(,) ( ) ( ) ( i )A B A B A BE t t e t e t??
注意,如果下标次序改为 eBA,则热电势 e前面的符号也应相应改变, 即 ( ) ( )
A B B Ae t e t??
式 (i)就是热电偶测温的基本公式 。 当冷端温度 t0一定时, 对于确定的热电偶来说, eAB(t0)为
常数, 因此, 其总热电势 EAB(t,t0)就与温度 t成单值函数对应关系, 和热电偶的长短, 直径无
关 。 只要测量出热电势大小, 就能判断被测温度的高低, 这就是热电偶的温度测量原理 。
重要结论,
1.如果组成热电偶的两种电极材料相同, 则无论热电偶冷, 热两端的温度如何, 闭合
回路中的总热电势为零；
2.如果热电偶冷, 热两端的温度相同, 则无论两电极材料如何, 闭合回路中的总热电
势也为零
3.热电偶产生的热电势除了冷, 热两端的温度有关之外, 还与电极材料有关, 也就是
说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的 。
——中间导体定律和热电势的测量
热电偶的输出信号是毫伏信号, 毫伏信号的大小不仅与冷,
热两端的温度有关, 还和热电偶的电极材料有关, 理论上
任何两种不同导体都可以组成热电偶, 都会产生热电势 。
但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？
因为要测量毫伏信号, 必须在热电偶回路中串接毫伏信号
的检测仪表, 那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势,
对热电偶回路产生影响呢？
答：不会产生影响的 。
t
t0
A B
C C
毫伏计
如果断开冷端, 接入第三种导体 C,并保持 A和 C,B和 C接触处的温
度均为 t0,则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和,
中间导体定律
t
A
B
C
t0
t0
A B
t
t0
0 0 0(,) ( ) ( ) ( )A B C A B B C C AE t t e t e t e t? ? ?
当 t＝ t0时, 有
0 0 0 0 0(,) ( ) ( ) ( ) 0A B C A B B C C AE t t e t e t e t? ? ? ?
于是可得
0 0 0(,) ( ) ( ) (,)A B C A B A B A BE t t e t e t E t t? ? ?
同理还可以证明, 在热电偶中接入第四种, 第五种 …… 导
体以后, 只要接入导体的两端温度相同, 接入的导体对原
热电偶回路中的热电势均没有影响 。
根据这一性质, 可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接
导线, 只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行
测量而不影响热电偶的输出 。
t
t0
A B
C C
毫伏计
中间导体定律
例：求热电偶回路的电势。
已知,eAB(240)=9.747mV,eAB(50)=2.023mV,eAC(50)=3.048mV,eAC（ l0） =0.591mV。
解一,E=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10),
而 eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0
E= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV
解二：利用中间导体定律
E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10)
= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV 。
——等值替代定律和补偿导线
如果热电偶 AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶 CD在同一温度范围内所
产生的热电势相等, 即, 则这两支热电偶在该温度
范围内是可以相互替换的, 这就是所谓的热电偶等值替代定律 。
00(,) (,)A B C DE t t E t t?
t0
t
A A
A
B B
B D C
t
t0
tc tc
例 如左图, 设,
证明该回路的总热电势为
00(,) (,)A B c C D cE t t E t t?
0(,)ABE t t
某热电偶, 热端温度为 t,冷端温度为 tc,显然冷端温度难以实现恒定, 怎么办？
D
C
补偿导线
冷端的延伸
t
tc
A B
热电偶
被测设备
生产现场
t0
毫伏计
恒温环境
A
B
可以把热电偶做得很长, 一直到控制室 。 把冷端温度延伸到控制室, 变为 t0,恒定 t0比较容易
此时, 测得的热电势为
00(,) (,) (,)A B c A B c A BE t t E t t E t t??
但热电偶一般为 （ 较 ） 贵重的金属, 采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料, 不妥 。
如果选用一组较廉价的材料 （ C,D）, 且 CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶 AB在同
一温度范围内所产生的热电势相等, 就可以用 CD来替代 AB的延伸段 。
00(,) (,) (,)A B c C D c A BE t t E t t E t t??
CD即为热电偶 AB的补偿导线, 通常 CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成, 一
般在 0～ 100℃ 范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质 。
在选择和使用补偿导线时, 要和热电偶的型号相匹配, 注意极性不能接错, 热电偶与补偿导
线连接处的温度一般不能高于 100℃ 。
——标准化热电偶和分度号
从理论上分析, 似乎任何两种不同的导体都可以组成热电偶, 用来测量温度 。
但实际情况并非如此, 为了保证在工业现场应用可靠, 并具有足够的精度, 热电
偶的电极材料在被测温度范围内应满足,
热电性质稳定, 物理化学性能稳定, 热电势随温度的变化率要大, 热电
势与温度尽可能成线性对应关系, 具有足够的机械强度, 复制性和互换性好等要
求, 目前在国际上被公认的热电偶材料只有几种 。
…………
附录中列出了几种常用的标准热电偶分度表 。 根据标准规定, 热电偶的分度表是以 t0＝
0℃ 为基准进行分度的 。
当 t＝ 0℃ 时, 所有型号热电偶产生的热电势为 0mV；
当 t<0℃ 时, 热电势为负值 。
在所有标准化热电偶中, 相同温度条件下 B型热电偶产生的热电势最小, E型最大 。 如果
把各型号热电偶的热电势和温度制成曲线, 可以看出二者呈一定的 非线性关系 。 即,
00(,) ( )ABE t t K t t??
例 用 K型热电偶来测量温度, 在冷端温度为 t0＝ 25℃ 时, 测得热电势为 22.9mV，
求被测介质的实际温度 。
解 1,根据题意有 (,2 5 ) 2 2, 9
KE t m V?
由 K型热电偶的分度表查出 ( 2 5,0 ) 1, 0 0 0
KE m V?
因此有 (,0 ) (,2 5 ) ( 2 5,0 ) 2 2, 9 1, 0 0 0 2 3, 9
K K KE t E t E m V m V m V? ? ? ? ?
反查分度表有 2 3, 9 2 3, 6 2 9
5 7 0 * 1 0 5 7 6, 42 4, 0 5 5 2 3, 6 2 9tC?? ? ? ??
——热电偶冷端温度的处理
中间导体定律 拆开冷端, 串入, 毫伏计,, 可以测量热电势, 而不影响总的热电势
等值替代定律 利用补偿导线来延伸冷端, 是把热电偶的冷端从温度较高
和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内
由于操作室内的温度往往高于 0℃, 而且也是不恒定的 （ 即使有空调也是不恒定的 ）, 这时,
热电偶产生的热电势必然会随冷端温度的变化而变 。
因此, 在应用热电偶时, 只有把冷端温度保持为 0℃, 或者进行必要的修正和处理才能得出
准确的测量结果, 对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿 。
目前, 热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法,
冰浴法
计算修正法
电桥补偿法
冰浴法 ——把热电偶的冷端放入恒温装置中, 保持冷端温度为 0℃, 多用于实验室
t
tc
热
电
偶
补
偿
导
线
毫
伏
计
0
℃
恒
温
装
置
计算修正法 ——如例 3.7。 这种方法适用于实验室或者临时测温 。
电桥补偿法 ——仪表中常用
t
+ － R
cu
E
R1 R2
R3
+ a b －
00tt??
0(,)E t t?
0(,)E t t
+
－
图 3－ 44 电桥补偿法
电桥补偿法
t
+ － R
cu
E
R1 R2
R3
+ a b －
00tt??
0(,)E t t?
0(,)E t t
+
－
是仪表中最常用的一种处理方法, 它利
用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶
因冷端温度的变化而引起热电势的变化
如图, 电桥由 R1,R2,R3（ 均为锰铜电阻 ） 和 RCu（ 热
敏铜电阻 ） 组成 。
在设计的冷端温度 （ 例如 t0＝ 0℃ ） 时, 满足 R1＝ R2，
R3＝ RCu,这时电桥平衡, 无电压输出, 即 Uab=0,回
路中的输出电势就是热电偶产生的热电势
当冷端温度由 t0变化到 t’0时, 不妨设 t’0 >t0,热电偶输出的热电势减小, 但电桥中 RCu随
温度的上升而增大, 于是电桥两端会产生一个不平衡电压 Uab(t’0 )
此时回路中输出的热电势为,
经过设计, 可使电桥的不平衡电压等于因冷端温度变化引起的热电势变化, 即
00(,) ( )abE t t U t???
于是实现了冷端温度的自动补偿 。
实际的补偿电桥一般是按 t0＝ 20℃ 设计的, 即 t0＝ 20℃ 时, 补偿电桥平衡无电压输出 。
0 0 0(,) ( ) (,)abE t t U t E t t????
1R 1R
CuR
2R
0(,)E t t?
0(,)E t t
I I
a b
00(,) (,) abE t t E t t U???
2()a b C uU I R R??
00 0 0 0( ) ( ) [ 1 ( ) ]C u C u tR t R t t t???? ? ?
20 ()CuR R t?如果满足：
00 0 0( ) ( )a b C u tU I R t t t? ???则：
00(,) (,)E t t E t t ?事 实 上 和 的 差 值 可 以 近 似 为,0 0 0 0(,) (,) ( )E t t E t t t t??? ?－＝
00 0 0 0 0( ) ( ) ( )C u tR t t t I t t??????如 果 使, ＝ 00()C u tR t I???即：
可以满足冷端温度补偿
00()C u tR t I??补 偿 电 阻 的 阻 值 取 决 于,,,
——热电偶的结构形式
热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量, 尤其适用于 500℃ 以上较高温度的测量, 普通型
热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构 。
接线盒
保护套管
绝缘管 热电偶
安装法兰 引线口
普通型热电偶
普通型热电偶主要由热电极, 绝缘管, 保护
套管和接线盒等主要部分组成 。
贵重金属热电极的直径一般为 0.3～ 0.65mm,普通金属热电极的直径一般为 0.5～ 3.2mm；
热电极的长度由安装条件和插入深入而定, 一般为 350～ 2000mm。
绝缘管用于防止两根电极短路
保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤 材料的选择因工作条件而定
普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式
铠装型热电偶 热电极 绝缘材料 金属套管
热电极
绝缘材料
铠装型热电偶
断面结构
铠装型热电偶是由热电极, 绝缘材料和金属
套管三者经过拉伸加工成型的
金属套管一般为铜, 不锈钢, 镍基高温合金等
保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末,
常用的绝缘材料有氧化镁, 氧化铝等 。
铠装型热电偶可以做得很细, 一般为 2～ 8mm,在使用中可以随测量需要任意弯曲 。
铠装热电偶具有动态响应快, 机械强度高, 抗震性好, 可弯曲等优点, 可安装在
结构较复杂的装置上, 应用十分广泛 。
3 热电阻及其测温原理
? 热电阻的测温原理
? 工业上常用的金属热电阻
? 热电阻的信号连接方式
? 热电阻的结构型式
——热电阻的测温原理
在工业应用中, 热电偶一般适用于测量 500℃ 以上的较高温度 。 对于 500℃ 以下的中,
低温度, 热电偶输出的热电势很小, 这对二次仪表的放大器, 抗干扰措施等的要求就
很高, 否则难以实现精确测量；而且, 在较低的温度区域, 冷端温度的变化所引起的
相对误差也非常突出 。 所以测量中, 低温度, 一般使用热电阻温度测量仪表较为合适 。
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的, 即电阻体的阻值随温度的变化而变化的
特性 。 因此, 只要测出感温热电阻的阻值变化, 就可以测量出被测温度 。
目前, 主要有 金属热电阻 和 半导体热敏电阻 两类 。
金属热电阻, 金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,
0 0[ 1 ( ) ]ttR R t t?? ? ?
式中, 为温度 t时对应的电阻值
为温度 t0(通常 t0＝ 0℃ )时对应的电阻值
为温度系数 。
tR
0tR
?
半导体热敏电阻, 半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为,
式中, 为温度 t时对应的电阻值
A,B是取决于半导体材料和结构的常数
tR
Bt
tR A e?
金属热电阻 和 半导体热敏电阻 的比较,
热敏电阻的温度系数更大, 常温下的电阻值更高 （ 通常在数千欧以
上 ）, 但互换性较差, 非线性严重, 测温范围只有－ 50～ 300℃ 左右,
大量用于家电和汽车用温度检测和控制 。
金属热电阻一般适用于测量－ 200～ 500℃ 范围内的温度测量, 其特
点测量准确, 稳定性好, 性能可靠, 在过程控制领域中的应用极其
广泛 。 √
——工业上常用的金属热电阻
从电阻随温度的变化来看, 大部分金属导体都有这种性质, 但并不是都能用作测温热
电阻, 作为热电阻的金属材料一般要求,
尽可能大而且 稳定的温度系数, 电阻率要大, 在使用的温度范围内具有 稳定的
化学和物理性能, 材料的 复制性好, 电阻值随温度变化要有 单值函数关系 （ 最好呈线
性关系 ） 。
我国最常用的铂热电阻有 R0＝ 10Ω,R0＝ 100Ω和 R0＝ 1000Ω 等几种,
它们的分度号分别为 Pt10,Pt100 和 Pt1000；
铜热电阻有 R0＝ 50Ω和 R0＝ 100Ω两种,
分度号分别为 Cu50和 Cu100
其中 Pt100 和 Cu50 的应用更为广泛
——热电阻的信号连接方式
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件, 通常需要把电阻信号通过引线传
递到计算机控制装臵或者其它二次仪表上 。 常用的引线方式有三种,
E
R1 R2
R3
iU
tR
tR sI
*i s tU I R?tR iR
r
r
二线制,在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号 。 这种引线方式最简单
但由于连接导线必然存在引线电阻 r,r的大小与导线的材质和长度等因素有关
很明显, 图中的 2
itR R r??
因此, 这种引线方式只适用于测量精度要求较低的场合 。
E R1 R2
R3
iU
tR
三线制,在热电阻根部的一端连接一根引线, 另一端连接两根引线的方式称为三线制
这种方式通常与电桥配套使用, 可以较好地消除引线电阻的影响, 是工业过
程中最常用的引线方式 。
I I
r
r
r
A
B
C
事实上电桥上 R1＝ R2>>Rt,R3,经过设计可以使两个
桥臂上的电流相等, 均为 I,且 I几乎不受 Rt的影响
三线制的连接, 每根线上同样也存在导线电阻 r
此时, Ui＝ UAC＝？？
33( ) ( ) ( )i A B C B t tU U U I R r I R r I R R? ? ? ? ? ? ? ?
3R
可以起到调零的作用
四线制,在热电阻根部两端各连接两根导线的方式
称为四线制, 其中两根引线为热电阻提
供恒定电流 Is,把 Rt转换为电压信号 Ui，
再通过另两根引线把 Ui引至二次仪表 。
可见这种引线方式可以完全消除引线电
阻的影响, 主要用于高精度的温度检测 。
tR sI
*i s tU I R?
4 温度变送器简介
? DDZ-III型温度变送器
? 一体化温度变送器
? 智能式温度变送器
——DDZ－ III型温度变送器
分为热电偶温度变送器和热电阻温度变送器两种
热电偶温度变送器：把 mV信号转换为标准电流输出
热电阻温度变送器：把 Ω 信号转换为标准电流输出
最终要求：变送器输出电流 Io应与被测温度 t成线性对应关系
热电偶温度变送器应主要要解决：冷端温度补偿和线性化处理两个内容
热电偶温度变送器输入热电势毫伏信号, 输入回路即是冷端温度自动补偿桥路,
其产生的补偿电势与热电势相加后作为测量电势, 因此补偿电桥上的参数与热电
偶分度号有关, 热电偶温度变送器使用时要注意分度号的匹配 。
线性化处理电路
热电阻温度变送器应主要要解决：克服引线电阻的影响和线性化处理两个内容
采用三线制输入方式 。
线性化处理电路
——一体化温度变送器
分为一体化热电偶温度变送器和一体化热电阻温度变送器两种
热电偶温度变送器：把 mV信号转换为标准电流输出
热电阻温度变送器：把 Ω 信号转换为标准电流输出
所谓一体化温度变送器, 是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内,变送器模
块和测温元件形成一个整体, 可直接安装在被测设备上, 输出为统一标准信号 4～ 20mA。
这种变送器具有体积小, 重量轻, 现场安装方便等优点, 因而在工业生产中得到广泛应用 。
由于一体化温度变送器直接安装在现场, 但由于变送器模块内部的集成电路一般情况下工作
温度在 –20～ +80℃ 范围内, 超过这一范围, 电子器件的性能会发生变化, 变送器将不能正常
工作, 因此在使用中应特别 注意变送器模块所处的环境温度 。
一体化温度变送器品种较多, 其变送器模块大多数以 一片专用变送器芯片 为主, 外接少量元
器件构成, 常用的变送器芯片有 AD693,XTR101,XTR103,IXR100等 。 下面以 AD693构成的一
体化温度变送器为例进行介绍 。
一体化热电偶温度变送器
I1
I2
VT 1
一体化热电偶温度变送器简图
AD693的 输入信号 Ui为热电
偶所产生的热电势 Et与电桥
的输出信号 UBD之代数和
11()i t C u wU E I R R? ? ?
如果设 AD693的转换系数为 K，
可得变送器输出与输入之间
的关系为
oiI K U?
结论,
① 变送器的输出电流 I0 与热电偶的热电势 Et成正比关系 。
② RCu阻值随温度而变, 合理选择 RCu的数值可使 RCu随温度变化而引起的 I1RCu变化量近
似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势 Et的变化值, 两者互相抵消 。
③ W1的作用是调零, W2的作用是调满 （ 量程 ）
11[ ( ) ]t C u wK E I R R? ? ?
一体化热电阻温度变送器
I2
I1
VT 1
AD693构成的热电阻温度变
送器采用三线制接法, 与热
电偶温度变送器的电路大致
相仿, 只是原来热电偶冷端
温度补偿电阻 RCu现用热电
阻 Rt代替 。 AD693的 输入信
号 Ui为电桥的输出信号 UBD，
即
1 2 1 1 1 0 1()i B D t W t t wU U I R I R I R I R R? ? ? ? ? ? ?
同样可求得热电阻温度变送器的 输出与输入之间的关系 为
0 1 1 0 1()t t WI K I R K I R R? ? ? ?
——智能式温度变送器
智能式温度变送器有采用 HART协议通信方式, 也有采用现场总线通信方式 。
下面以 SMART公司的 TT302温度变送器为例进行介绍 。
TT302温度变送器是一种符合 FF通信协议的现场总线智能仪表,
它可以与各种热电阻或热电偶配合使用测量温度,
具有量程范围宽, 精度高, 环境温度和振动影响小, 抗干扰能力强, 重量轻
以及安装维护方便等优点 。
输入板包括多路转换器、
信号调理电路,A／ D转
换器和隔离部分，其作用
是将输入信号转换为二进
制的数字信号，传送给
CPU,并实现输入板与主
电路板的隔离。
用于热电
偶 的 冷端
温度补偿
核心
采样, 计算 (
控制 )、输出
产生并输出
满足 FF标准
的数字信号
显示
5 双金属温度计
6 温度检测仪表的选用
工业上常见的温度检测仪表主要有,
双金属温度计
热电偶
热电阻
辐射式温度计等
就地指示 精度不高
在线检测
适用于测量 500～ 1800℃ 范围的中高温度
适用于测量 500℃ 以下的中低温度
一般用于 2000℃ 以上的高温测量
选项使用热电阻, 热电偶时还应该根据相应的要求确定合适的分度号 。
——温度检测仪表的安装
一般来说, 温度检测仪表的安装需要遵循以下原则,
?检测元件的安装应确保测量的准确性, 选择有代表性的安装位置 。
检测元件应该有足够的插入深度
不应该把检测元件插入介质的死角, 以确保能进行充分的热交换；
测量管道中的介质温度时, 检测元件工作端应位于管道中心流速最大之处
检测元件应该迎着流体流动方向安装, 非不得已时, 切勿与被测介质顺流安装, 否则容易产生测量误差；
测量负压管道 （ 或设备 ） 上的温度时, 必须保证有密封性, 以免外界空气的吸入而降低精度 。
(a)逆流 (b)正交 (d)弯头
图 3-56 温度检测元件的安装示意图
?检测元件的安装应确保安全, 可靠 。
为避免检测元件的损坏, 接触式测量仪表的保护套管应该具有足够的机械强度
在使用时可以根据现场的工作压力, 温度, 腐蚀性等特性, 合理地选择保护套管的材质, 壁厚
当介质压力超过 10Mpa时, 必须安装保护外套, 确保安全
为了减小测量的滞后, 可在保护套管内部加装传热良好的填充物, 如硅油, 石英砂等等
接线盒出线孔应该朝下, 以免因密封不良使水汽, 灰尘等进入而降低测量精度 。
?检测元件的安装应综合考虑仪表维修, 校验的方便 。
?按照规定的型号配用热电偶的补偿导线, 注意热电偶的正, 负极与补偿导线的正, 负极相连接 。
?热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求 。
?为了保护连接导线与补偿导线不受外来机械损伤, 连接导线或补偿导线应穿入钢管内或走汇线槽 。
?导线应尽量避免有接头 。 应有良好的绝缘 。 禁止与交流输电线合用一根穿线管, 以免引起感应 。
?补偿导线不应有中间接头, 否则应加装接线盒 。 另外, 最好与其他导线分开敷设 。
——布线要求
第三章 流量测量
流量检测的主要方法和分类
节流式流量计
转子流量计
电磁流量计
涡轮流量计
漩涡流量计
容积式流量计
其它流量检测方法
超声波式流量检测
质量流量检测方法
☆
★
★
★
☆
☆
☆
☆
★
——几个概念
流量通常是指单位时间内流经管道某截面的流体的数量, 也就是所谓的 瞬时流量 ；
在某一段时间内流过流体的总和, 称为 总量 或 累积流量 。
体积流量 以体积表示的瞬时流量用 qv 表示, 单位为 m3/s
以体积表示的累积流量用 Qv 表示, 单位为 m3
v Aq v d A v A??? 0
t
vvQ q d t? ?
质量流量 以质量表示的瞬时流量用 qm 表示, 单位为 kg/s
以质量表示的累积流量用 Qm 表示, 单位为 kg
mvqq??
mvQQ??
标态下的体积流量 由于气体是可压缩的, 流体的体积会受工况的影响, 为了便于
比较, 工程上通常把工作状态下测得的体积流量换算成标准状
态 （ 温度为 20℃, 压力为一个标准大气压 ） 下的体积流量 。
标准状态下的体积流量用 qvn表示, 单位为 Nm3/s。
1 流量检测的主要方法和分类
流量检测方法有很多, 就测量原理而言, 可以分为 直接测量法 和 间接测量法 两类 。
直接测量法可以直接测量出管道中的体积流量或质量流量
间接测量法则是通过测量出流体的 (平均 )流速, 结合管道的截面积, 流体的密度
及工作状态等参数计算得出 。
除了椭圆齿轮流量计直接测量体积流量, 科里奥利力质量流量计之外,
其它均基于间接法来流量测量
2 节流式流量计
节流式流量计也称为差压式流量计, 它是目前工业生产过程中流量测量最成熟, 最常用的方法之一 。
如果在管道中安置一个固定的阻力件, 它的中间开一个比管道截面小的孔, 当流体流过该阻力件时, 由于流体
流束的收缩而使流速加快, 静压力降低, 其结果是在阻力件前后产生一个较大的压差 。
压差的大小与流体流速的大小有关, 流速愈大, 差压也愈大, 因此只要测出差压就可以推算出流速, 进而可以
计算出流体的流量 。
(a) 标准孔板
(b) 喷嘴
(c) 文丘里管
把流体流过阻力件使流束收缩造成压力变化的过程称节流过程, 其中的阻力件称为节流件 。
作为流量检测用的节流件有标准的和特殊的两种 。
标准节流件包括 标准孔板, 标准喷嘴 和 标准文丘里管 。
对于标准化的节流件, 在设计计算时都有统一标准的规定, 要求和计算所需的有关数据及程序, 可直接按照标
准制造；安装和使用时不必进行标定 。
特殊节流件主要用于特殊介质或特殊工况条件的流量检测, 它必须用实验方法单独标定 。
相比而言, 标准孔板制作最简单, 使用也最广泛, 一下只介绍标准孔板,
1v 3v2v
1 2 3
——节流原理
流动流体的能量有两种形式：静压能和动能 。 流体由于有压力而具有静压能, 又由
于有流动速度而具有动能, 这两种形式的能量在一定条件下是可以相互转化的 。
流速
1v
2v
3v
静压
1p
2p
3p
p?
maxp
——流量方程
1v 3v2v
1 2 3
流速
1v
2v
3v
静压
1p
2p
3p
p?
maxp
根据流体力学中的伯努利方程, 可以推导得
出节流式流量计的流量方程, 也就是差压和
流量之间的定量关系式,
0
0
2
2
v
m
q A p
q A p
??
?
? ? ?
??
??
α 为流量系数 ε 为可膨胀性系数
A0为节流件的开孔面积 ρ 为节流装置前的流体密度
Δ P节流装置前后实际测得的压差
α 主要与节流装置的 型式, 取压方式, 流体的流动状态 （ 如雷诺数 ） 和 管道条件 等因素有关 。 因此, 是一个影响因
素复杂的综合性参数, 也是节流式流量计能否准确测量流量的关键所在, 雷诺数大于某一数值 （ 界限雷诺数 ） 时,
α 值可认为是一常数 。 对于标准节流装置, 可以从有关手册中查出；对于非标准节流装置, 其值要由实验方法确定 。
ε 可膨胀性系数用来校正流体的可压缩性, 它与节流件前后压力的相对变化量, 流体的等熵指数等因素有关, 其取
值范围小于等于 1。 对于不可压缩性流体, ε ＝ 1；对于可压缩性流体, 则 ε ＜ 1。 应用时可以查阅有关手册而得
——标准节流件 (孔板 )
H
h
?
D d
节流装置包括 节流件, 取压装置 和 符合要求的前后直管段
标准节流装置 是指节流件, 取压装置都标准化, 前后直管
段符合规定要求, 可以直接投入使用
标准孔板, 要求,
d/D 应在 0.2～ 0.75之间
d不小于 12.5mm
直孔厚度 h应在 0.005D到 0.02D之间
孔板的总厚度 H应在 h和 0.05D之间
圆锥面的斜角 α 应在 30～ 45° 之间
…………
标准喷嘴和标准文丘里管的结构参数的规定也可以查
阅相关的设计手册 。
有手册可
查，不要
求记
——标准取压方式
国家规定标准的取压方式有 角接取压, 法兰取压 和 D－ D/2取压 。
角接取压
a
a
环隙取压
单独钻孔取压
夹持环
流体
角接取压的两个取压口分别位于孔板上下端面与管壁的夹角处
取压口可以是 环隙取压 口和 单独钻孔取压 口
环隙取压 利用左右对称的两个环室把孔板夹在中间, 通常要求
环隙在整个圆周上穿通管道, 或者每个夹持环应至少有四个开
孔与管道内部连通, 每个开孔的中心线彼此互成等角度, 再利
用导压管把孔板上下游的压力分别引出
当采用 单独钻孔取压 时, 取压口的轴线应尽可能以 90° 与管道
轴线相交
环隙宽度和单独钻孔取压口的直径 a 通常在 4～ 10mm之间
显然, 环隙取压由于环室的均压作用, 便于测出孔板两端
的平稳差压, 能得到较好的测量精度, 但是夹持环的加工制造
和安装要求严格 。 当管径 D＞ 500mm时, 一般采用单独钻孔取
压 。
法兰取压和 D－ D/2取压
法兰取压装置是由一对带有取压口的法兰组成
取压口轴线距离孔板上, 下端面均为 25.4mm（ 1英寸 ）
l1
l2
法兰取压
D－ D/2取压装置是设有取压口的管段, 上, 下游取压口轴线
与孔板上游端面的距离分为 D和 D/2（ D为管道的直径 ）
l1(D) l2(D/2)
D－ D/2取压
——节流式流量计的安装
原理总结,
节流装置 引压管 差压变送器 显示仪表 /控制器 oI
p?vq p?
在各种标准的节流装置中以标准孔板的应用最为广泛, 它具有结构简单, 安装使用方便的特点, 适用于大
流量的测量 。 孔板的最大缺点是流体流经节流件后压力损失较大, 当工艺管路不允许有较大的压力损失时,
一般不宜选用孔板流量计 。 标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较小, 但结构比较复杂, 不易加工 。
虽然节流式流量计的应用非常广泛, 但是如果使用不当往往会出现很大的测量误差, 有时甚至高达 10～ 20
％ 。 下面列举一些造成测量误差的原因, 以便在安装使用过程中得到充分的注意, 并予以适当的解决 。
,差压变送器的安装如前所述,
流体在管道中正常流动 （ v,p） 节流件使流体收束, 流速增大, 压力降低
节流件前后出现, 压差, ―压差, 与流量有关
再采用差压变送器, 将差压信号转换为统一的标准信号, 便于显示及控制
——节流式流量计的使用特点和要求
? 标准孔板应用广泛, 它具有结构简单, 安装方便的特点, 适用于大流量的测量 。
? 孔板测量的压损大, 当不允许有较大的管道压损时, 便不宜采用 。 在一般场合下,
仍采用孔板为多 。
? 标准喷嘴和标准文丘里管的压力损失较孔板为小, 但结构比较复杂, 不易加工 。
? 标准节流装置仅适用于测量 管道直径大于 50mm,雷诺数在 104～ 105以上的流体 ；
? 流体应当清洁, 充满全部管道, 不发生相变 ；
? 为 保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态, 在节流装置的上, 下游必须配置
一定长度的直管段 （ 与管径, 节流件的开孔面积以及管路上的弯头数都有关系 ）
? 节流装置经过长时间的使用, 会因物理磨损或者化学腐蚀, 造成几何形状和尺寸
的变化, 从而引起测量误差, 因此需要及时检查和维修, 必要时更换新的节流装
置
——节流式流量计误差产生的原因
? 实际工况与设计要求不符, 如：温度, 压力, 湿度以及相应的流体重度,
粘度, 雷诺数等参数数值发生变化, 则会造成较大的误差 。 为了消除这
种误差, 必须按新工艺重新设计计算, 或加以必要的修正 。
? 节流装置安装不正确节流装置安装不正确, 在安装时, 特别要注意节流
装置的安装方向 。
? 在使用中, 要保持节流装置的清洁 。 如在节流装置处防止有沉淀, 结焦,
堵塞等现象 。
? 节流装置的磨损, 应注意日常检查, 维修, 必要时应换用新的孔板 。
? 导压管安装不正确, 或有诸塞, 渗漏现象,
——节流式流量计误差产生的原因
孔板本身原因,
H
h
?
D d
直角边缘不锐利 ?P? ( )? ? 测量值偏小
d太大 P? ? ( )? ? 测量值偏小
正取压孔离端面太远 P? ? ( )? ? 测量值偏小
h太大 P? ?( )?? 测量值偏大
负取压孔离端面太远 P? ? ( )? ? 测量值偏小
P? ?( )?? 测量值偏大
安装不好, 孔板弯曲 可大可小
3 转子流量计
在工业生产中经常遇到小流量的测量, 因其流体的流速低, 这就要求测量仪表有较高的灵敏度, 才能保
证一定的精度 。 转子流量计特别适宜于测量管径 50mm以下管道的流量, 测量的流量可小到每小时几升 。
h
孔板流量计,节流面积不变 流量变化 压差发生变化
转子流量计,压差不变 流量变化 节流面积发生变化
转子流量计主要由两个部分组成,
一是由下往上逐渐扩大的 锥形管 （ 通常用透明玻璃制成 ）
二是放在锥形管内可自由运动的 转子 。
被测 流体由 锥形管 下端进入, 流经 转子与锥形管之间的 环隙, 再 从上端流出 。
当流体流过的时候, 位于锥形管中的转子受到向上的一个力, 使其浮起 。 当这个
力正好等于转子重量减去流体对转子的浮力, 此时转子就停浮在一定的高度上 。
若流体流量突然由小变大时, 作用在转子上的向上的力就加大, 转子上升, 环隙
增大, 即流通面积增大 。 随着环隙的增大, 使流体流速变慢, 流体作用在转子上
的向上力也就变小 。 这样, 转子在一个新的高度上重新平衡 。 这样, 转子在锥形
管中平衡位置的高低 h与被测介质的流量大小相对应 。
——流量方程
转子的平衡关系,
()tfV g p A??? ? ?
V为转子的体积； ρ t和 ρ f分别为转子和流体的
密度； g为重力加速度； ΔP 为转子前后的压差；
A为转子的最大截面积
转子和锥形管间的环隙面积相当于节流式流量计的节流孔面积, 但它是变化的, 并与转
子高度 h成近似的线性关系, 因此, 转子流量计的流量公式可以表示为,
2
v
f
q h p?
?
?? 2 ( )tf
f
Vg
h
A
??
?
?
?
?
2 ( )t f f
m
Vgqh
A
? ? ?? ??
式中,φ 为仪表常数； h为转子浮起的高度 。
流量与转子高度 h成线性关系
式中的其它参数为常数
转子流量计的锥形管一般采用透明材料制成, 在锥形管上刻有流量读数, 用户只要根据
转子高度来读取读数 。
转子流量计 一般只适用于就地指示 。 对配有电远传装置的转子流量计, 也可以把反应流
量大小的转子高度 h转换为电信号, 传送到其它仪表进行显示, 记录或控制 。
——流量修正
由于转子流量计在生产的时候, 是在工业基准状态 （ 20℃, 0.10133Mpa） 下用水或空气进行刻度的 。 如果
工作状态不同, 必须对流量指示值按照实际被测介质的密度, 温度, 压力等参数的具体情况进行修正 。
液体流量测量时的修正
如果某转子流量计的转子高度为 h,如果介质为 20的 ℃ 水, 则流量 qv0与 h的关系满足,
0
2 ( )tw
v
w
Vgqh
A
???
?
??
式中,qv0为用水标定时的流量刻度
ρ w为水的密度
如果介质不是 20的 ℃ 水, 则流量 qvf与 h的关系满足,
2 ( )tf
vf
f
Vgqh
A
???
?
?? qvf和 ρ f分别为被测介质的实际流量和密度
如果被测介质的粘度和水的粘度相差不大, 可以近似认为 φ 是常数, 则有
0
()
()
t f w
v f v
f t w
qq? ? ?? ? ????? 刻度流量 实际流量
修正系数
例 现有一只以水标定的转子流量计用来测量苯的流量, 已知转子的材料为不锈钢（ 密度 7.9g/cm3）, 苯的密度为 0.83g/cm3, 请问流量计读数为 3.6L/s时, 苯的实
际流量是多少？
解,修正公式
0
()
()
t f w
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qq? ? ?? ? ?????
因此 ( 7, 9 0, 8 3 ) * 1 * 3, 6
0, 8 3 * ( 7, 9 1 )vfq
??
?
4 ( / )Ls?
质量流量的修正公式
0
()*
()
t f w f
v m v f f v
tw
q q q? ? ? ?? ???? ? ??
气体流量测量时的修正
假设实际被测气体的密度为 ρ f,
因此被测流体流量 Qf与指示值 Q0的关系是,0
,
0 0
00
0
()
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f
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Q Q Q
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? ? ? ?
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通常, 气体流量需要把它转化成工业基准状态 （ T0＝ 20℃ ＝ 293K,P0＝ 1.0133× 105Pa）
记被测时的压力和温度分别为,Pf,Tf,所以被测流体对应标准状态的体积流量为,
00
0
f f f
f
P Q P Q
TT?
000
00
f f f
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P T Q P TQQ
T P T P
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此时的密度 ρ f还是实际密度, 由于测量的困难, 也需要把它转化成标态下的密度更为方便,
00
0
f f f
f
P V P V
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0
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f
f f f
PP
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0
0
0
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PT
TP???
于是有修正公式
0
0
00
0
0 QT
T
P
P
Q
f
f
f
f ?
??
温度单位是绝对温标, 压力为绝对压力 。
（ P0=1.0133*105Pa,T0=273K）
ρ0 ——空气标准状态密度 （ 1.293kg/m3）
ρf0 ——被测介质标准状态密度
Q0 ——显示流量
Qf0 ——实际流量 （ 标准状态 ）
——转子流量计的 特点
① 转子流量计主要适合于检测中小管径, 较低雷诺数的中小流量；
② 流量计结构简单, 使用方便, 工作可靠, 仪表前直管段长度要求不高；
③ 流量计的基本误差约为仪表量程的土 2％, 量程比可达 10,1
④ 流量计的测量精度易受被测介质密度, 粘度, 温度, 压力, 纯净度, 安装质量等的影响 。
4 电磁流量计
基本工作原理 导体切割磁力线, 会产生电动势
适用场合 可以检测具有一定电导率的酸, 碱, 盐溶液,
腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量,
但不能检测气体, 蒸汽和非导电液体的流量 。
流量公式 当导电的流体在磁场中以垂直方向流动而切割磁
力线时, 就会在管道两边的电极上产生感应电势,
感应电势的大小与磁场的强度, 流体的速度和流
体垂直切割磁力线的有效长度成正比,
xE K B D v?
2
4v
Dqv??
4vx
DqE
BK
??
式中,Ex为感应电势； K为比例系数； B为磁场强度； D为管道直径； v为垂直于磁力线的流体流动速度 。
在管道直径 D已经确定, 磁场强度 B维持不变时, 流体的体积流量与磁感应电势成线性关系 。 利用上述原
理制成的流量检测仪表称为电磁流量计 。
——电磁流量计的 特点
测量导管内无可动或突出于管道内部的部件, 因而 压力损失极小 ；
只要是 导电的, 被测流体可以是含有颗粒, 悬浮物等, 也可以是酸,
碱, 盐等腐蚀性物质；
流量计的输出电流与体积流量成 线性关系, 并且不受液体的温度, 压
力, 密度, 粘度等参数的影响；
电磁流量计的 量程比 一般为 10:1,精度较高的量程比可达 100:1；测量
口径范围大, 可以从 lmm到 2m以上, 特别适用于 lm以上口径的水流量
测量； 测量精度一般 优于 0.5级 ；
电磁流量计反应迅速, 可以测量脉动流量 ；
主要缺点,
被测流体必须是导电的, 不能小于水的电导率
不能测量气体, 蒸汽和石油制品等的流量
由于衬里材料的限制, 一般使用温度为 0～ 200℃ ；
因电极嵌装在测量导管上的, 使工作压力限制 (一般 ≤ 0.25MPa）
——电磁流量计的 安装
可以水平安装, 也可以垂直安装, 但要求液体充满管道；
直管段要求：前 10D,后 5D以上；
远离磁场；
变送器前后管道有时带有较大的杂散电流, 一般要把变送器前后 1～ 1.5m出和变送
器外壳连接在一起, 共同接地 。
5 涡轮流量计
基本工作原理 流体冲击涡轮叶片, 使涡轮旋转, 涡轮的旋转速度
随流量的变化而变化, 通过涡轮外的磁电转换装置
可将涡轮的旋转转换成电脉冲 S
N 流量方程
vq? ? ???
ω
qv
特点和要求
流量与涡轮转速之间成 线性关系, 量程比一般为 1O,1；
涡轮流量计的测量精度较高, 可 达到 0.5级以上 ；
反应迅速, 可测脉动流量；
主要用于 中小口径 的流量检测；
仅适用 洁净的被测介质, 通常在涡轮前要安装过滤装置；
流量计 水平安装, 前后需一定长度的 直管段, 一般上游侧和下游侧的直管段长度要求在 10D和 5D以上；
常温下用水标定, 当介质的密度和粘度发生变化时需重新标定或进行补偿
6 漩涡流量计
基本工作原理 把一个漩涡发生体 （ 非流线型对称物体 ） 垂直插在管道中, 当流体绕过漩涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋转方向相反的漩涡, 形成涡列, 该漩涡列就称为卡门涡街
只有当两列漩涡的间距 h与同列中相邻漩涡的间距 l满足为 h／ l＝ 0.281条件时, 卡门涡列
才是稳定的 。 且单列漩涡产生的频率 f与流体流速 v成正比, 与柱体的特征尺寸 d（ 漩涡发
生体的迎面最大宽度 ） 成反比, 即,
流量方程
d
vStf ?
St称为 斯特劳哈尔数 （ 无因次数 ）,
St主要与漩涡发生体的形状和雷诺数
有关 。 在雷诺数为 5000～ 150000的范
围内, St基本上为一常数 。 特点和要求
涡街流量计输出信号 （ 频率 ） 不受流体物性和组分变化的影响, 在一定的雷诺数范围内, 几乎不
受流体的温度, 压力, 密度, 粘度等变化的影响, 故用水或空气标定的漩涡流量计可用于其他液
体和气体的流量测量而不需标定；
管道内无可动部件, 使用寿命长, 压力损失小；测量精度高 （ 约为士 0.5％ ～ 1％ ）, 量程比 20:1；
尤其适用于大口径管道的流量测量 。 但是流量计安装时要求有足够的直管段长度, 上游和下游的
直管段分别要求不少于 2OD和 5D,漩涡发生体的轴线应与管路轴线垂直 。
7 椭圆齿轮流量计 ——直接测量
基本工作原理 ―一碗一碗, 计量
V
转子每旋转一周, 就排出四个由椭圆齿轮
与外壳围成的半月形空腔的流体体积 (4V)。
在 V一定的情况下, 只要测出流量计的转速
n就可以计算出被测流体的流量
流量方程 4
vq V n?
特点和要求
计量 精度高, 一般可达 0.2～ 0.5级, 有的甚至能达到 0.1级
安装直管段对计量精度影响不大, 量程比一般为 10:1
一般只适用于 10～ 150mm的 中小口径 。
容积式流量计对被测流体的粘度变化不敏感, 特别 适合于测量高粘度的流体 （ 例如重油, 树脂等 ）
甚至糊状物的流量, 但要求被测介质干净, 不含固体颗粒, 所以一般情况下, 流量计前要装过滤器 。
由于受零件变形的影响, 容积式流量计一般 不宜在高温或低温下使用 。
8 其它 ——科里奥利力质量流量计
基本工作原理
（ 实验 ）
将充水软管 （ 水不流动 ） 两端悬挂, 使其中段下垂成 U形, 静止时, U形的两管处于同一平面, 并垂
直于地面, 左右摆时, 两管同时弯曲, 仍然保持在同一曲面
若将软管与水源相接, 使水由一端流入, 从 另 一端流出 （ 如图 b和 c） 。 当 U形管受外力作用向右左
摆动时, 它将发生扭曲 。 扭曲的方向总是出水 侧 的摆动要早于人水侧；
随着 质量 流量 的增加, 这种现象变得更加明显, 出水侧摆动相位超前于入水侧更多 。
这就是科氏力质量流量的检测原理, 它利用两管的 振动 （ 摆动 ） 相位差来反映流经该 U形管的质量流量
利用科氏力构成的质量流量计有直管, 弯管, 单管, 双管等多种形式
双弯管型是最常见
它由两根金属 U形管组成, 其端部连通并与被测管路相连 。 这样流体可
以同时在两个 U形管内流动
在两管的中间 A,B,C三处各装有一组压电换能器
换能器 A在外加交变电压作用下产生交变力, 使两根 U形管彼此一开一
合地振动, 相当于两根软管按相反方向不断摆动
换能器 B和 C用来检测两管的振动情况
由于 B处于进口侧, C处于出口侧, 则根据出口侧振动相位超前于进口
侧的规律, C输出的交变信号的相位将超前于 B某个相位
此相位差的大小与质量流量成正比
科里奥利力质量流量计
若将这两个交流信号相位差经过电路进一步转换成直流 4～ 20mA等 标准信号, 就成为质量流量变送器 。
特点和要求
科氏力质量流量计的测量精度较高, 主要用于粘度和密度相对较大的单相和混相流体的流量测量
由于结构等原因, 这种流量计适用于中小尺寸的管道的流量检测 。
——间接式质量流量测量
（其它略）
第四章 物位测量
概述
差压式物位仪表
浮力式物位仪表
电容式物位仪表
辐射式物位仪表
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1 概述
几个概念
在容器中液体介质的高低叫 液位,
容器中固体或颗粒状物质的堆积高度叫 料位
测量液位的仪表叫 液位计, 测量料位的仪表叫 料位计
测量两种密度不同液体介质的分界面的仪表叫 界面计
在物位检测中, 有时需要对物位进行连续检测, 有时只需要测量物位是否达到某
一特定位置, 用于定点物位测量的仪表称为 物位开关
物位检测的作用 控制, 计量, 报警等 。
检测方法分类 直读式物位仪表：玻璃管液位计, 玻璃板液位计等 。
差压式物位仪表,利用液柱或物料堆积对某定点产生压力的原理而工作 。
浮力式物位仪表：利用浮子高度或浮力随液位高度而变化的原理工作 。
电磁式物位仪表：使物位的变化转换为一些电量的变化, 如电容
核辐射物位仪表：利用射线透过物料时其强度随物质层的厚度而变化的原理
声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化, 声波的遮断和声波反射
距离的不同, 测出这些变化就可测知物位 。 根据工作原理分
为声波遮断式, 反射式和阻尼式 。
光学式物位仪表：利用物位对光波的遮断和反射原理工作
……
2 差压式液位计
基本工作原理 Δ P=ρ gH
零点迁移
Δ P=ρ 1gH Δ P=ρ 1gH -ρ 2g（ h2-h1） Δ P=ρ
1gH +ρ 1gh1
零点迁移的目的：使 H＝ 0时, 变送器输出为 Iomin（ 如 4mA）
无迁移 负迁移
迁移量,-ρ 2g（ h2-h1）
正迁移
迁移量,ρ 1gh1
例 已知 ρ 1=1200kg/m
3,ρ
2=950kg/m
3,h
1=1m,h2=5m,
液位变化范围 0—2.5米, 求：变送器的 量程 和 迁移量 。
解 Hmaxρ 1g=2.5*1200*9.8=29400Pa 变送器量程可选为,40kPa
当 H=0时, -ρ 2g（ h2-h1） =-4*950*9.8=-37.24 kPa
变送器需要进行负迁移, 迁移量为 － 37.24 kPa
结论,
差压式液位变送器, 事实上就是一个差压变送器, 无非液位变送器的输出与液位高度 H成线性关系
因此, 差压式液位变送器的安装与前面所述的差压变送器的安装是完全相同的 。
为了解决测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大, 易凝固等液体液位时, 引压管线 容易出现 被腐蚀,
被堵塞的问题, 应使用在导压管人口处加隔离膜盒的法兰式差压变送器 （ 压力信号的 远传装置 ）, 分单法
兰式及双法兰式两种 。
3 浮筒式液位计
基本工作原理
浮
筒
G
F弹 F浮
浮
筒
弹簧
磁钢室
输出指示器
主要由四个基本部分组成：浮筒, 弹簧, 磁钢室和输出指示器
当浮筒沉浸在液体中时, 浮筒将受到向下的重力 G,向上的浮力 F浮 和弹簧弹力 F 弹 的复合作用
弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移, 再通过输出指示器内磁感应元件和传动装置或变
换输出装置, 使其指示出液位或输出与液位对应的电信号 。
内置式 外置式
静井
特点和要求 浮筒式液位计通常有内置式和侧装外置式两种安装方式, 测量原理完全相同, 但外置式安装更
适用于温度较高的场合 。
4 电容式物位计
基本工作原理
d
D
L 1?
D
d
L
2?
H
2?
由两个同轴圆柱极板组成的电容器, 当两极板
之间填充介电常数为 ε 1的介质时, 两极板间的
电容量为,
12
l n ( )
LC
Dd
???
当极板之间一部分介质被介电常数为 ε 2的另一
种介质填充时, 可推导出电容变化量
212 ( )
l n ( )
HC K H
Dd
? ? ??? ? ?
当电容器的几何尺寸和介电常数保持不变时, 电容变化量就与物位高度 H成正比 。
特点和要求 电容式物位计可以用于 液位 的测量, 也可以用于 料位 的测量, 但 要求介质的介电常数保持稳
定 。 在实际使用过程中, 当现场温度, 被测液体的浓度, 固体介质的湿度或成分等发生变化
时, 介质的介电常数也会发生变化, 应及时对仪表进行调整才能达到预想的测量精度 。
说明：电容式液位计一般都是基于差压原理测量的 。
5 核辐射式物位计
基本工作原理 核辐射线 （ 通常为 γ 射线 ） 穿过一定厚度的被测介质时,
射线的投射强度将随介质厚度的增加而呈指数规律衰减的
原理来测量物位的
辐射源
接收器
0
HI I e ???
I0表示进入物料之间的射线强度； μ 表示物料的吸收系数； H为物料的厚
度； I为穿过介质后的射线强度 。
特点和要求 核辐射式物位计属于非接触式物位测量仪表
适用于高温, 高压, 强腐蚀, 剧毒等条件苛刻的场合
核射线还能够直接穿透钢板等介质, 可用于高温熔融金属的液位测量
使用时几乎不受温度, 压力, 电磁场的影响 。
但由于射线对人体有害, 因此射线的剂量应严加控制, 且须切实加强安全防护措施
(工业现场一般不优先考虑使用核辐射式物位计 )
补充 成分和物性参数的检测
热导式气体成分检测
红外式气体成分检测
溶解氧的检测
pH值的检测
浊度的检测
溶解氧的检测
基本工作原理 所谓 溶解氧 就是表征溶液中氧浓度的参数, 基于 溶氧电极发生电化反应 是目前工业
上最常用的溶解氧检测方法
溶氧电极可分为 原电池型 和 极谱型 两类
原电池型
溶氧电极
一般由 Ag,Au,Pt等贵金属构成阴极, Pb构成阳极, 二者组成一对氧敏感的碱性原电池 。
当有微量氧含量通过原电池时, 两个电极上将发生如下电化学反应,
阴极 （ Ag）
222 4 4O H O e O H??? ? ?
阳极 （ Ag） 22 2 4P b P b e????
当接通外部电路以后即可形成电流, 电流的大小与氧的浓度之间具有良好的线性关系 。
因此, 只要测得原电池电路中的电流就可以测得其中的溶解氧 。
原电池型传感器不需要外加极化电压
测量极限约为 1ppm
但会使 溶液中含有铅离子 。
极谱型溶氧电极 极谱型电极是由一透气溶氧膜覆盖的电流型电极, 通常阳极材料为 Ag，阴极材料为 Au或 Pt,KCl溶液作为电解液和两个电极一起组成电解池
Pt阴极
玻璃体
电解液层
溶氧膜
被测介质
溶氧膜的结构 阳极
(银环 )
Pt阴极
温度探头
溶氧膜
玻璃体
绝缘体
电解液
保护外套
极谱电极插入到被测介质时, 溶解氧通
过溶氧膜到达阴极 。 介质中的氧分压越
高, 渗入的溶解氧越多 。 当两电极间加
入一定的极化电压时, 两电极上发生氧
化还原反应,
阴极
222 4 4O H O e O H??? ? ?
阳极 4 4 4 4A g C l A g C l e??? ? ?
和原电池型电极相类似, 极谱型电极的氧化还原反应形成了还原电流, 还原电流的大小与氧含量成正比
关系 。 但是, 极谱型电极的还原电流绝对量很小, 通常为 nA级电流, 因此极谱型电极需要专门的信号放
大装置对还原电流进行放大输出 。
由于 温度对氧的渗透性影响很大, 因此电极中还封装有温度探头, 并以此来对这种影响进行补偿 。
在测量管道中流动介质溶解氧的时候, 电极的安装也会对测量精度产生较大的影响, 正确的安装方法是
要求 探头以不易积累气泡的某个角度对着流体安装 。
极谱电极的结构简单, 使用方便, 测量极限可达 1ppb,测量精度约为 1％
目前已在水质分析, 污水处理, 酿造, 制药, 生物工程等领域有广泛应用 。
