传感器在工程检测中的应用i

第15章传感器在工程检测中的应用15.1温度测量15.2压力测量15.3流量测量15.4物位测量15.1温度测量15.1.11.温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量。温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。为了定量地描述温度的高低，必须建立温度标尺(温标)，温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。历史上提出过多种温标，如早期的经验温标（摄氏温标和华氏温标），理论上的热力学温标，当前世界通用的是国际温标。热力学温标是以热力学第二定律为基础的一种理论温标，热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T），单位为开尔文（符号为K）。国际温标是一个国际协议性温标，是既能体现热力学温标（即保证较高的准确度），使用方便，又容易实现的温标。国际温标自1927年拟定以来几经修改而不断完善，目前实行的是1990年国际温标（ITS—90），取代了早先推行的IPTS—68。国际温标规定仍以热力学温度作为基本温度，1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。它同时定义国际开尔文温度（符号T90）和国际摄氏温度（符号t90），T90和t90之间的关系为t90/℃=T90/K-273.162.温度测量的主要方法和分类(1)温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器，就测量系统的功能而言，通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成，如图15-1所示。简单的温度传感器往往是把温度传感器和显示器组成一体的，对这样一种传感器一般在现场使用。图15–1温度传感器组成框图感温元件显示tEtRt温度传感器现场控制室(2)温度测量方法及分类测量方法按感温元件是否与被测介质接触，可以分成接触式测温与非接触式测温两大类。接触式测温是使温度敏感元件和被测介质相接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点，是目前应用最多的一类。非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。众所周知，物体辐射能的大小与温度有关，并且以电磁波形式向四周辐射，当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。非接触式温度传感器理论上不存在接触式温度传感器的测量滞后和应用范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。15.1.2膨胀式温度传感器根据液体、固体、气体受热时产生热膨胀的原理,这类温度传感器有液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式。1.液体膨胀式液体膨胀式是利用液体受热后体积膨胀的原理来测量温度的。在有刻度的细玻璃管里充入液体（称为工作液，如水银、酒精等）就构成了液体膨胀式温度计（又称玻璃管液体温度计），如图15-2所示。玻璃管液体温度计结构简单，使用方便，精确度高，价格低廉。这种温度计远不能算传感器，它只能就地指示温度。图15–2玻璃管液体温度计(a)外标尺式；(b)内标尺式(a)(b)1—玻璃温包；2—毛细管；3—刻度标尺；4—玻璃外壳001234321图15–3工业用玻璃管液体温度计(a)外标尺式；(b)内标尺式图15–4电接点式温度计结构示意图113234561211784571091—调整螺母；2—给定值指示件；3—螺旋轴；4—铜丝；5—标尺；6—圆玻璃管；7—铂丝接触点；8—扇形玻璃管；9—玻璃温包；10—水银柱；11—铂丝；12—钨丝；13—导线2.固体膨胀式固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片，为提高灵敏度常作成螺旋形。图15-5为双金属温度计的结构示意图，螺旋形双金属片一端固定，另一端连接指针轴，当温度变化时，双金属片弯曲变形，通过指针轴带动指针偏转显示温度。它常用于测量-80～600℃范围的温度，抗震性能好，读数方便，但精度不太高，用于工业过程测温、上下限报警和控制。图15–5双金属温度计结构示意图567894321010×10℃3.气体膨胀式气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的，利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计，如图15-6所示。温包、毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器，其中充满工作物质（如气体常为氮气），工作物质的压力经毛细管传给弹簧管，使弹簧管产生变形，并由传动机构带动指针，指示出被测温度的数值。温包内的工作物质也可以是液体（如甲醇、二甲苯、甘油等）或低沸点液体的饱和蒸气（如乙醚、氯乙烷、丙酮等），温度变化时，温包内液体受热膨胀使液体或饱和蒸气压力发生变化，属液体膨胀式的压力温度计。压力温度计结构简单，抗振及耐腐蚀性能好，与微动开关组合可作温度控制器用，但它的测量距离受毛细管长度限制，一般充液体可达20m，充气体或蒸气可达60m。图15–6压力式温度计结构示意图21376541—弹簧管；2—指针；3—传动机构；4—工作介质；5—温包；6—螺纹连接件；7—毛细管15.1.31.热电偶测温原理两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路(如图15-7所示)，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应,该电动势称为热电势。这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。两个接点，一个称热端，又称测量端或工作端，测温时将它置于被测介质中;另一个称冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表相连。图15–7热电偶回路TT0AB图15–8热电偶测温系统简图TT0AB接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。两种导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，在接触处失去电子一侧带正电，得到电子一侧带负电，扩散达到动平衡时，在接触面的两侧就形成稳定的接触电势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势eAB(T)和eAB（T0）可表示为001)(1)(00BTATABBTATABNNneKTTeNNneKTTe温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成接触电势，其大小由下面公式给出：dtdttNdNneKTTedtdttNdNeKTTeBtBtTTBATAtTTA)(11),()(1),(0000式中,NAt和NBt分别为A导体和B导体的电子密度，是温度的函数。在图15-7所示的热电偶回路中产生的总热电势为在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电势可表示为eAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即eAB(T,T0)=eAB(T)-c=f(T)这一关系式在实际测量中是很有用的，即只要测出eAB（T，T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。2.热电偶基本定律①均质导体定律:由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即如材料不均匀，当导体上存在温度梯度时，将会有附加电动势产生。这条定理说明，热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。②中间导体定律：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律说明，在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。图15-9为接入第三种导体热电偶回路的两种形式。在图15-9（a）所示的回路中，由于温差电势可忽略不计，则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和，即eABC(t,t0)=eAB(t)+eBC(t0)+eCA(t0)当t=t0时，有eBC(t0)+eCA(t0)=-eAB(t0)将（15-10）式代入（15-9）式中得eABC(t,t0)+eAB(t0)-eAB(t0)=eAB(t,t0)图15-9具有三种导体的热电偶回路tABt0t0CCBt1t1AACCtt0(a)(b)③中间温度定律：在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和（见图15-10），即eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)该定律是参考端温度计算修正法的理论依据，在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。另外根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B′(见图15-10)，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。图15-10中间温度定律tt0ABtctc)(AA)(BB3.热电偶类型理论上讲，任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地测量温度，对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。实际上并非所有材料都能满足上述要求。目前在国际上被公认比较好的热电偶的材料只有几种。国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶。所谓标准化热电偶，就是它已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表。IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。4.热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有普通型热电偶、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。(1)普通型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成，其结构如图15-11所示。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。图15-11普通型热电偶结构接线盒热电极热端绝缘管保护管(2)铠装型热电偶铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体，如图15-12所示。它可以做得很细很长，使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的主要优点是测温端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此被广泛用在许多工业部门中。图15-12铠装型热电偶13B-B245A放大ABB1—接线盒；2—金属套管；3—固定装置；4—绝缘材料；5—热电极(3)薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，如图15-13所示。薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01～0.1μm），具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。图15-13薄膜热电偶12347561—测量端；2—绝缘基板；3、4—热电极；5、6—引出线；7—接头夹具5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法当热电偶材料选定以后，热电动势只与热端和冷端温度有关。因此只有当冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度才有单值的函数关系。此外热电偶的分度表是以冷端温度0℃作为基准进行分度的，而在实际使用过程中，冷端温度往往不为0℃，所以必须对冷端温度进行处理，消除冷端温度的影响。那么热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(