【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 三角柱體漩渦檢測(cè)原理圖 三角柱漩渦發(fā)生體 的漩渦頻率檢測(cè)原理圖如圖所示。 埋在三角柱 正面的 兩只熱敏電阻與其它兩只固定電阻構(gòu)成一個(gè)電橋 ， 電橋通 以恒定電流使熱敏電阻的溫度升高。 由于產(chǎn)生漩渦處的 流速較大 ， 使 熱敏電阻的溫度降低， 阻值改變， 電橋輸出信號(hào) 。 隨著漩渦交 替產(chǎn)生，電橋輸出一系列與漩渦發(fā)生頻率相對(duì)應(yīng)的電壓脈沖。 質(zhì)量流量傳感器 在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品交易中 ， 由于物料平衡 ， 熱平衡以及儲(chǔ)存 、 經(jīng)濟(jì)核算等人們常常需要的是質(zhì)量流量 , 因此在測(cè)量工作中 ， 常常將已測(cè)出的體積流量乘以密度換算成質(zhì)量流量 。 而對(duì)于相同體積的流體 ， 在不同溫度 、 壓力下 ， 其密度是不同的 ， 尤其對(duì)于氣體流體 ， 這就給質(zhì)量流量的測(cè)量帶來(lái)了麻煩 ， 有時(shí)甚至難以達(dá)到測(cè)量的要求 。 這樣便希望直接用質(zhì)量流量傳感器來(lái)測(cè)量質(zhì)量流量 ， 無(wú)需進(jìn)行換算 ， 這將有利于提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確度 。 質(zhì)量流量傳感器大致分為兩類： ? ① 直接式 : 即傳感器直接反映出質(zhì)量流量 。 ? ② 推導(dǎo)式 : 即基于質(zhì)量流量的方程式 ， 通過(guò)運(yùn)算得出與質(zhì)量流量有關(guān)的輸出信號(hào) 。 用體積流量傳感器和其它傳感器及運(yùn)算器的組合來(lái)測(cè)量質(zhì)量流量 。 1. 直接式質(zhì)量流量傳感器 ——科里奧利質(zhì)量流量傳感器 科里奧利質(zhì)量流量傳感器 是利用流體在直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí) ， 處于一個(gè)旋轉(zhuǎn)系中 ， 產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力而制成的一種直接式質(zhì)量流量傳感器 。 當(dāng)質(zhì)量為 m的質(zhì)點(diǎn)在對(duì) P軸作角速度為 ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動(dòng)時(shí) ， 如圖 1554所示 ，質(zhì)點(diǎn)具有兩個(gè)分量的加速度及相應(yīng)的加速度力： ? ① 法向加速度 : 即向心加速度 ar， 其量值為 ω2r， 方向朝向 P軸 。 ? ② 切向加速度 : 即科里奧利加速度 at, 其量值為 2ωv， 方向與 ar垂直 。 由于復(fù)合運(yùn)動(dòng) ， 在質(zhì)點(diǎn)的 at方向上作用著科里奧利力為 2ωvm， 而管道對(duì)質(zhì)點(diǎn)作用著一個(gè)反向力 ， 其值為 2ωvm。 圖 1554 科里奧利力分析圖 當(dāng)密度為 ρ的流體以恒定速度 v在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí) ， 任何一段長(zhǎng)度為 Δx的管道都受到一個(gè)大小為 ΔFc的切向科里奧利力 ， 即 ΔFc=2ωvρAΔx （ 1554） 式中 , A為管道的流通內(nèi)截面積。 因?yàn)橘|(zhì)量流量 qm=ρvA，所以 ΔFc=2ωqmΔx （ 1555） 基于上式 ， 如直接或間接測(cè)量在旋轉(zhuǎn)管道中流動(dòng)流體所產(chǎn)生的科里奧利力就可以測(cè)得質(zhì)量流量 ， 這就是科里奧利質(zhì)量流量傳感器的工作原理 。 然而 ， 通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生科里奧利力實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難 ， 目前的傳感器均采用振動(dòng)的方式來(lái)產(chǎn)生 ， 圖 1555是科里奧利質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 。 流量傳感器的測(cè)量管道是兩根兩端固定平行的 U形管 ， 在兩個(gè)固定點(diǎn)的中間位置由驅(qū)動(dòng)器施加產(chǎn)生振動(dòng)的激勵(lì)能量 ， 在管內(nèi)流動(dòng)的流體產(chǎn)生科里奧利力 ， 使測(cè)量管兩側(cè)產(chǎn)生方向相反的撓曲 。 位于 U形管的兩個(gè)直管管端的兩個(gè)檢測(cè)器用光學(xué)或電磁學(xué)方法檢測(cè)撓曲量以求得質(zhì)量流量 。 圖 1555 科里奧利質(zhì)量流量傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)管道充滿流體時(shí) ， 流體也成為轉(zhuǎn)動(dòng)系的組成部分 ， 流體密度不同 ， 管道的振動(dòng)頻率會(huì)因此而有所改變 ， 而密度與頻率有一個(gè)固定的非線性關(guān)系 ， 因此科里奧利質(zhì)量流量傳感器也可測(cè)量流體密度 。 2. 推導(dǎo)式質(zhì)量流量傳感器 推導(dǎo)式質(zhì)量流量傳感器 實(shí)際上是由多個(gè)傳感器組合而成的質(zhì)量流量測(cè)量系統(tǒng) ， 根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)間接推導(dǎo)出流體的質(zhì)量流量 。 組合方式主要有以下幾種 。 ? （ 1） 差壓式流量傳感器與密度傳感器組合方式 差壓式流量傳感器的輸出信號(hào)是差壓信號(hào) ， 它正比于 ρq2v， 若與密度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算后再開方即可得到質(zhì)量流量 。 mvv KqqKKKqK ?? ??? 21221（ 1556） ? （ 2） 體積流量傳感器與密度流量傳感器組合方式 能直接用來(lái)測(cè)量管道中的體積流量 qv的傳感器有電磁流量傳感器 、 渦輪流量傳感器 、 超聲波流量傳感器等 ， 利用這些傳感器的輸出信號(hào)與密度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算即可得到質(zhì)量流量 。 即 K1qvK2ρ=Kqm （ 1557） ? （ 3） 差壓式流量傳感器與體積式流量傳感器組合方式 差壓式流量傳感器的輸出差壓信號(hào) Δp與 ρq2v成正比 ， 而體積流量傳感器輸出信號(hào)與 qv成正比 ， 將這兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算也可得到質(zhì)量流量 。 mvv KqqKqK ?221 ?（ 1558） 物位測(cè)量 物位概述 物位是指各種容器設(shè)備中液體介質(zhì)液面的高低 、 兩種不溶液體介質(zhì)的分界面的高低和固體粉末狀顆粒物料的堆積高度等的總稱 。 根據(jù)具體用途它可分為 液位 、 界位 、料位等傳感器 。 工業(yè)上通過(guò)物位測(cè)量能正確獲取各種容器和設(shè)備中所儲(chǔ)物質(zhì)的體積量和質(zhì)量 ， 能迅速正確反映某一特定基準(zhǔn)面上物料的相對(duì)變化 ， 監(jiān)視或連續(xù)控制容器設(shè)備中的介質(zhì)物位 ， 或?qū)ξ镂簧舷聵O限位置進(jìn)行報(bào)警 。 物位傳感器 種類較多 ， 按其工作原理可分為下列幾種類型： ? (1) 直讀式 它根據(jù)流體的連通性原理來(lái)測(cè)量液位 。 ? (2) 浮力式 它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對(duì)浸沉在液體中的浮筒（ 或稱沉筒 ） 的浮力隨液位高度變化而變化的原理來(lái)測(cè)量液位 。 前者稱為恒浮力式 ， 后者稱為變浮力式 。 ? (3) 差壓式 它根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對(duì)某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜 （ 差 ） 壓力的變化的原理測(cè)量物位 。 ? (4) 電學(xué)式 它根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來(lái)測(cè)量物位 。 ? (5) 核輻射式 它根據(jù)同位素射線的核輻射透過(guò)物料時(shí) ， 其強(qiáng)度隨物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來(lái)測(cè)量液位 。 ? (6) 聲學(xué)式 它根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射距離變化來(lái)測(cè)量物位 。 ? (7)其他形式 如微波式、激光式、射流式、光纖維式傳感器等等。 浮力式液位傳感器 1. 恒浮力式液位傳感器 最原始的恒浮力式液位傳感器 ， 是將一個(gè)浮子置于液體中 ， 它受到浮力的作用漂浮在液面上 ， 當(dāng)液面變化時(shí) ， 浮子隨之同步移動(dòng) ， 其位置就反映了液面的高低 。 水塔里的水位常用這種方法指示 ， 圖 1556是水塔水位測(cè)量示意圖 。 液面上的浮子由繩索經(jīng)滑輪與塔外的重錘相連 ， 重錘上的指針位置便可反映水位 。 但與直觀印象相反 ，標(biāo)尺下端代表水位高 ， 若使指針動(dòng)作方向與水位變化方向一致 ， 應(yīng)增加滑輪數(shù)目 ， 但引起摩擦阻力增加 ， 誤差也會(huì)增大 。 圖 1556 水塔水位測(cè)量示意圖 圖 1557 外浮球式液位傳感器 把浮子換成浮球，測(cè)量從容器內(nèi)移到容器外，浮球用杠桿直接連接浮球， 可直接顯示罐內(nèi)液位的變化。 圖 1558 浮球式液位控制器 在該液位傳感器的基礎(chǔ)上增加機(jī)電信號(hào)變換裝置， 當(dāng)液位變化時(shí)，浮球的上下移動(dòng)通過(guò)磁鋼變換成電觸點(diǎn)的上下位移。 當(dāng)液位高于（或低于）極限位置時(shí)， 電觸點(diǎn) 4與報(bào)警電路的上下限靜觸點(diǎn)接通， 報(bào)警電路發(fā)出液位報(bào)警信號(hào)。若將浮球控制器輸 出與容器進(jìn)料或出料的電磁閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合，可實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)啟停，進(jìn)行液位的自動(dòng)控制。 2. 變浮力式液位傳感器 沉筒式液位傳感器是利用變浮力的原理來(lái)測(cè)量液位的 。 它利用浮筒在被測(cè)液體中浸沒高度不同以致所受的浮力不同來(lái)檢測(cè)液位的變化 。 圖 1559 變浮力式液位 =傳感器原理圖 圖是液位檢測(cè)原理圖。將一橫截面積為A，質(zhì)量為 m的空心金屬圓筒（浮筒）懸掛在彈簧上，彈簧的下端被固定，當(dāng)浮筒的重力與彈簧力達(dá)到平衡時(shí)， 則有 mg=Cx0 （ 1559） 式中： C——彈簧的剛度； x0——彈簧由于浮筒重力產(chǎn)生的位移。 當(dāng)液位高度為 H時(shí)， 浮筒受到液體對(duì)它 的浮力作用而向上移動(dòng)，設(shè)浮筒實(shí)際浸 沒在液體中的長(zhǎng)度為 h， 浮筒移動(dòng)的距 離即彈簧的位移變化量為 Δx， 即 H=h+Δx。 當(dāng)浮筒受到的浮力與彈簧 力和浮筒的重力平衡時(shí)，有 mgAhρg=C(x0Δx) （ 1560） 式中 , ρ為浸沒浮筒的液體密度。 將式（ 1559）代入上式， 整理后便得 Ahρg=CΔx （ 1561） 由式 （ 1562） 可知 ， 當(dāng)液位變化時(shí) ， 浮筒產(chǎn)生的位移變化量 Δx與液位高度 H成正比關(guān)系 。 從以上分析表明 ， 變浮力式液位傳感器實(shí)際上是將液位轉(zhuǎn)化成敏感元件 （ 浮筒 ） 的位移 。 如在浮筒的連桿上安裝一鐵芯 ， 可隨浮筒一起上下移動(dòng) ， 通過(guò)差動(dòng)變壓器使輸出電壓與位移成正比關(guān)系 。 一般情況下， hΔ x，所以 H≈ h，從而被測(cè)液位 H可表示為 xgACH ?? ?（ 15－ 62） 沉筒式液位傳感器適應(yīng)性能好 ， 對(duì)粘度較高的介質(zhì) 、 高壓介質(zhì)及溫度較高的敞口或密閉容器的液位等都能測(cè)量 。 對(duì)液位信號(hào)可遠(yuǎn)傳顯示 ， 與單元組合儀表配套 ， 可實(shí)現(xiàn)液位的報(bào)警和自動(dòng)控制 。 靜壓式液位傳感器 是基于液位高度變化時(shí) ， 由液柱產(chǎn)生的靜壓也隨之變化的原理來(lái)檢測(cè)液位的 。 利用壓力或差壓傳感器測(cè)量靜壓的大小 ， 可以很方便地測(cè)量液位 ， 而且能輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào) ， 這種傳感器習(xí)慣上稱為變送器 ， 這里主要討論液位測(cè)量原理 。 對(duì)于上端與大氣相通的敞口容器 ， 利用壓力傳感器 （ 或壓力表 ） 直接測(cè)量底部某點(diǎn)壓力 ， 如圖 1560所示 。 通過(guò)引壓導(dǎo)管把容器底部靜壓與測(cè)壓傳感器連接 ， 當(dāng)壓力傳感器與容器底部處在同一水平線時(shí) ， 由壓力表的壓力指示值可直接顯示出液位的高度 。 壓力與液位的關(guān)系為 gpH??（ 1563） 圖 1560 壓力傳感器測(cè)量液位（靜壓）原理圖 式中： H——液位高度 （ m） ； ρ——液體的密度 （ kg/m3 ） ； g——重力加速度 （ m/s2 ） ； p——容器底部的壓力 （ Pa） 。 如果壓力傳感器與容器底部不在相同高度處 ， 導(dǎo)壓管內(nèi)的液柱壓力必須用零點(diǎn)遷移方法解決 。 對(duì)于上端與大氣隔絕的閉口容器 ， 容器上部空間與大氣壓力大多不等 ， 所以在工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用差壓傳感器來(lái)測(cè)量液位 ， 如圖 1561所示 。 圖 1561差壓傳感器測(cè)量液位原理圖 設(shè)容器上部空間的壓力為 p0，則 p+=ρgH+p0 （ 1564） p=p0 （ 1565） 因此可得正負(fù)室壓差為 Δp=p+p=ρgH （ 1566） 由式 （ 15－ 66） 可知 ， 被測(cè)液位 H與差壓 Δ p成正比 。 但這種情況只限于上部空間為干燥氣體 ， 而且壓力傳感器與容器底部在同一高度時(shí) 。 假如上部為蒸汽或其他可冷凝成液態(tài)的氣體 ， 則 p的導(dǎo)壓管里必然會(huì)形成液柱 ， 這部分的液柱壓力也必須要進(jìn)行零點(diǎn)遷移 。 氣體成分測(cè)量 熱導(dǎo)式氣體傳感器 熱傳導(dǎo) 是同一物體各部分之間或互相接觸的兩物體之間傳熱的一種方式，表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱用導(dǎo)熱系數(shù)表示。不同物質(zhì)其導(dǎo)熱能力是不一樣的，一般來(lái)說(shuō)，固體和液體的 導(dǎo)熱系數(shù) 比較大，而氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比較小。表 15－9為一些常見氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。 表 15－ 9 常見氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 氣體名稱 0 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù) λ0/ W / （ m . K ） 0 ℃時(shí)的相對(duì)導(dǎo)熱 系數(shù) 00a?? 氣體名稱 0 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù) λ0/ W / （ m . K ） 0 ℃時(shí)的相對(duì)導(dǎo)熱 系數(shù) 00a?? 氫氣 甲烷 氧氣 空氣 氮?dú)? 0 . 1 7 4 1 0 . 0 3 2 2 0 . 0 2 4 7 0 . 0 2 4 4 0 . 0 2 4 4 7 . 1 3 0 1 . 3 1 8 1 . 0 1 3 1 . 0 0 0 0 . 9 9 8 一氧化碳 氨氣 氬氣 二氧化碳 二氧化硫 0 . 0 2 3 5 0 . 0 2 19 0 . 0 1 6 1 0 . 0 1 5 0 0 . 0 0 8 4