第三章工业过程参数检测技术.

第3章工业过程参数检测技术3.1温度检测3.2流量检测3.3压力检测3.4物位检测3.1.1概述A温度的基本概念和测量方法温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。3.1温度检测自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标.3.1温度检测B温标经验温标利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标。3.1温度检测摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“oC“华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。分成180份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。摄氏温度和华氏温度的关系为3.1温度检测273.15tTCK热力学温标热力学温标又称开尔文温标或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.16K，水的凝固点，即相当摄氏温标0℃，相当华氏温标32℉的开氏温标为273.15K。热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。3.1温度检测C测温方法与测温仪器的分类方法:接触式、非接触式。接触式测温测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：感温元件影响被测温度场(负载效应)，接触不良等会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。3.1温度检测非接触式测温感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。3.1温度检测测温仪器分为接触式和非接触式两大类。接触式仪器又可分为:膨胀式温度计(液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)电阻式温度计(金属热电阻温度计、半导体热敏电阻温度计)热电式温度计(热电偶和P-N结温度计及其它原理温度计)。非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计、比色温度计，它们都以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。3.1温度检测温度测量范围划分超低温：0～10K低温：10～800K中温：800～1900K高温：1900～2800K超高温：2800K以上3.1温度检测液体膨胀式温度计：-200~750℃应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制。为了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。3.1温度检测33.1温度检测液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。前者把液柱部分全部浸入被测介质中。后者把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。全浸式测量精确度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。3.1温度检测33.1温度检测固体膨胀式温度计：-80~600℃利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为杆式和双金属式两大类。图3—3所示为杆式温度计的原理图。由于芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。3.1温度检测3.1温度检测3双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状，如图3—4所示。3.1温度检测3.1温度检测3.1温度检测压力式温度计：-100~600℃利用在密封容器中的物质（液体或气体）的压力随温度升高而升高原理，用弹簧管或者膜盒测压力。(周杏鹏P171图6-1)结构简单，可靠，无需特殊维护，抗震。热电偶式温度计：-180~2800℃热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应。热电效应及基本定律：两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。3.1温度检测均质导体定律由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。3.1温度检测中间导体定律如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。标准电极定律两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶。如果A、C和B、C热电偶的热电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式求得3.1温度检测000(,)(,)(,)ABACBCETTETTETT热电阻温度计：利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高1C时电阻将增加0.4％～0.6％。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1C，电阻约减小2％～6％。纯金属热电阻的主要材料是铂（-200~850℃初始电阻100或50）、铜（-50~180℃）和镍（-60~180℃）。测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。3.1温度检测非接触温度计利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。温度测量中主要用可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。3.1温度检测(一)基尔霍夫定律(二)斯忒潘—玻耳兹曼定律（三）普朗克定律（四）维恩位移定律3.1温度检测(一)基尔霍夫定律照射到物体表面的辐射，分为三部分：一部分被物体吸收一部分被物体反射一部分透过物体3.1温度检测'(,)()()dTTd式中，为照射到物体单位面积上的辐通量(包括有不同波长的辐射)；为被物体吸收的辐通量。基尔霍夫证明了：物体的光谱出射度与光谱吸收比是一个普适函数，与温度和波长有关'(,)dT()d光谱吸收比()()()():MTfTTMT物体的光谱辐射出射度（光出射度）3.1温度检测在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率，00()()()()()MTTMTMTMTT式中：为非黑体光谱辐射出射度，为黑体温度的光谱辐射出射度()fT就是温度T时绝对黑体的光谱辐射出射度3.1温度检测0()()()MTTMT()()TT光谱发射率等于它的光谱吸收率。3.1温度检测斯忒潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比。0()MT04424()()TMTTMTTTTWmKT-3对于非黑体的一般物体：式中：为温度为时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数；为斯忒潘－玻耳兹曼常数；＝5.669610为物体的热力学温度3.1温度检测也可用亮度表示：式中，为波长；c1、c2为普朗克第一、第二辐射常数，h为普朗克常数；c为光速；k为玻耳兹曼常数3.1温度检测维恩位移定律：热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成以下关系2897()mTmkm3.1温度检测K)3.1温度检测（一）全辐射温度计全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。3.1温度检测应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。我们一般把这个温度称为“辐射温度”。式中，T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；T为温度T时物体全辐射的黑度系数3.1温度检测3.1温度检测(二)部分辐射温度计为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池、光敏电阻以及其它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。因此它们对测量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。3.1温度检测部分辐射温度计的光路系统如图所示，一般由主镜和次镜一组发射系统来完成焦距的调整，使成像集中在热敏元件表面。而目镜系统主要用于对目标的瞄准、热敏元件的输出信号通过测量电路来完成信号的放大和整流。测量电路包括测量桥路、前置放大、选频、移相放大以及相敏整流等部分。3.1温度检测3.1温度检测灯丝隐灭式光学温度计（光学高温计）原理：被测物体辐射的单色亮度与仪表内部高温计灯泡丝的单色亮度相比较，当两亮度相同时，灯丝温度与被测温度一致，可通过灯丝电流大小确定温度。特点：方便、灵敏、测量范围广、不能自动测量。下图是光学高温计示意图3.1温度检测3.1温度检测光电亮度温度计实现自动化的光学高温计颜色温度计通过两个光谱能量比的方法来测量温度的，所以也称为比色温度计。用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温度”和真实温度有差异。我们将颜色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长和的亮度比等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的颜色温度。123.1温度检测颜色温度计和光电亮度温度计相似，也包含有光路系统、调制系统、单色器、光敏元件、放大器、显示仪表等。它一般用一个开孔的旋转调制盘进行调制。在开孔上附有两种颜色的滤光片，多选用红色和蓝色。经调制后的单色红光、蓝光交替照在光敏元件上，使光敏元件输出相应的红光和蓝光的信号、再放大并经过运算后送到显示仪表。如图所示。3.1温度检测3.1温度检测光电比色温度计（教材图4.99）对象透镜光敏元件放大电路显示仪表步进电机调制盘滤光片滤光片3.1温度检测常用温度仪表的测量范围膨胀式温度计-200~600双金属温度计-100~600压力式温度计-100~500玻璃液体温度计-200~600热电阻-258~900铂热电阻-258~900铜热电阻-200~150镍热电阻-150~300热敏电阻-50~300低温热电阻-272~03.1温度检测常用温度仪表的测量范围热电偶-269~2800铂铑30-铂铑60~1800镍铬-镍硅0~1300镍铬-考铜-200~800铜-康铜-200~400金铁-镍铬铜-269~0铂铑10-铂0~1600钨-铼1000~28003.1温度检测常用温度仪表的测量范围光学高温计700~3200辐射温度计（热电堆）100~3200部分辐射温度计~3200比色温度计~32003.1温度检测常用温度仪表的应用范围玻璃液体温度计类别应用范围实验室、工业上单点测量双金属温度计飞机、轮船、