传感器原理及工程应用(第三版)第15章传感器在工程检测

图15-36弹性元件示意图图15-37弹性元件测压原理图Axcpc——弹簧的刚度系数；A——活塞的有效面积图15-37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p的关系符合胡克定律，表示为Axcp（15-32）式中:c——弹簧的刚度系数；A——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。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。若要减小这方面的误差，则应注意选用合适的材料，加工成形后进行适当的热处理，使用时应选择合适的测量范围等。2.弹簧管压力表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圆形（椭圆形或扁形），弯成圆弧形的空心管子，如图15-38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。图15-38单圈弹簧管结构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由B移至B′而产生位移，弹簧管的中心角减小Δθ，如图15-38中虚线所示。中心角的相对变化量Δθ/θ与被测压力p有如下的函数关系：2222211kabbhREp（15-26）管壁厚度式中:θ——弹簧管中心角的初始角；Δθ——受压后中心角的改变量；R——弹簧管弯曲圆弧的外半径；h——管壁厚度；a,b——弹簧管椭圆形截面的长、k——几何常数（k=Rh/a2）；α、β——与比值a/b有关的参数；μ——弹簧管材料的泊松系数；E——弹性模数。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15-39所示。2222211kabbhREp由式图15-39弹簧管压力表被测压力由接头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。游丝7是用来克服扇形齿轮和中心齿轮所产生的仪表变差。改变调节螺钉8的位置（即改变机械传动的放大倍数），可以实现压力表量程的调整。3.压阻式压力传感器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15-40是压阻式压力传感器的结构示意图。压阻芯片采用周边固定的硅杯结构，封装在外壳内。。图15-40(a)内部结构；(b)硅膜片示意图在一块圆形的单晶硅膜片上，布置四个扩散电阻，两片位于受压应力区，另外两片位于受拉应力区，它们组成一个全桥测量电路。硅膜片用一个圆形硅杯固定，两边有两个压力腔，一个和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，接参考压力，通常和大气相通。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两边承受的压差大小低压腔，接参考压力高压腔，连被测压力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，目前发展较为迅速和应用较为广泛的一种压力传感器。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，将传感器与微处理器集成在同一块硅片上，兼有信号检测、处理、记忆等功能，从而大大提高了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、允许误差、介质特性及生产安全等因素，要经济合理，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。如要测量高压蒸气的压力，已知蒸气压力为（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？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%7.110)06(1054maxPaPa所以应选精度为1.5级的表。（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处。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分，离局部阻力较远的地方。测量高温蒸气压力时，应装回形冷凝液管或冷凝器，以防止高温蒸气与测压元件直接接触。如图15-41（a）所示。图15-41测量高温、腐蚀介质压力表安装示意图(a)测量蒸气；(b)测量有腐蚀性介质测量腐蚀、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15-41（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。图15-42压力表位于生产设备下安装示意图312p1—压力表；2—切断阀；3—生产设备压力传感器安装高度应与取压点相同或相近。对于图15-42所示情况，压力表的指示值要比管道内的实际压力高，应对取压管道的液柱附加的压力误差进行修正。15.3流量测量15.3.1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、成品都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。瞬时流量有体积流量和质量流量之分。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。（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：AvdAvq（15-34）式中，v为截面A中某一面积元dA上的流速。如果流体在该截面上的流速处处相等，则体积流量可写成qv=vA（15-35）（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：AmdAvq（15-36）由式（15-35）可写成qm=ρqv=ρvA（15-37）流体的密度受流体的工作状态（如温度、压力）影响。对于液体，压力变化对密度的影响非常小，一般可以忽略不计。温度对密度的影响要大一些，一般温度每变化10℃时，液体密度的变化约在1%以内，所以当温度变化不是很大，测量准确度要求不是很高的情况下，往往也可以忽略不计。对于气体，密度受温度、压力变化影响较大，如在常温常压附近，温度每变化10℃，密度变化约为3%；压力每变化10kPa，密度约变化3%。因此在测量气体流量时，必须同时测量流体的温度和压力。为了便于比较，常将在工作状态下测得的体积流量换算成标准状态下（温度为20℃，压力为101325Pa）的体积流量，用符号qVN表示，单位符号为Nm3/s。生产过程中各种流体的性质各不相同，流体的工作状态及流体的粘度、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，其情况复杂，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以下三大类。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来实现流量测量的。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:容积式流量传感器是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、动量矩式等质量流量传感器。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。15.3.2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的原理来实现的。差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成，如图15-43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，差压计则对压差信号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。图15-43差压式流量传感器流量测量系统p2P1Δp=p1-p21.节流装置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。它们的结构形式、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15-44所示。其中孔板最简单又最为典型，加工制造方便，在工业生产过程中常被采用。标准节流装置按照规定的技术要求和试验数据来设计、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。图15-44(a)孔板；(b)喷嘴；(c)文丘里管2.测量原理与流量方程式（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15－45节流件前后流速和压力分布情况流束流过孔板前已经开始收缩，流体随着流束的缩小，流速增大，而流体压力减小I-II段Ⅱ处达到最小流束截面，这时流体的平均流速达到最大值，流体压力随着流束的缩小及流速的增加而降低，直到达到最小值Ⅱ－III而后流束逐渐扩大，在管道Ⅲ－Ⅲ处又充满整个管道，流体的速度也恢复到孔板前的流速，流体的压力又随流束的扩张而升高，最后恢复到一个稍低于原管中的压力虚线表示管道轴线上流体静压沿轴线方向的分布曲线实线表示管壁上的静压沿轴线方向的变化曲线造成流体压力损失的原因是由于孔板前后涡流的形成以及流体的沿程摩擦，使得流体的一部分机械能不可逆地变成了热能，散失在流体内。如采用喷嘴或文丘里管等节流件可大大减小流体的压力损失。（2）流量方程式节流装置的流量公式是在假定所研究的流体是定常流动的理想流体的条件下，根据伯努利方