第三章 检测变送 3.1学习要求 1、掌握检测仪表的组成、作用和描述仪表性能的参数。 2、了解测量误差的基本概念和误差分析方法。 3、掌握温度检测的基本方法和仪表，特别是热电偶和热电阻测温。 4、掌握流量检测的基本方法和仪表，特别是差压式、电磁和超声波流量检测。 5、掌握压力检测的基本方法和仪表，特别是弹性式、电阻式和电容式检测方法。 6、掌握物位检测的基本方法和仪表，特别是浮力式、差压式、电容式和超声波方法。 7、了解检测仪表的选型、安装和校验。 8、掌握变送器的工作原理和零点及量程迁移。 9、掌握成分参数检测的基本方法。 10、掌握热导式分析仪表的工作原理。 11、掌握热磁式分析仪表的工作原理。 12、了解色谱分析方法的基本原理。 3.2内容简述 3.2.1概述 3.2.1.1测量误差 3.2.12仪表性能指标 3.2.2温度检测 3.2.2.1常用温度检测方法 3.2.2.2热电偶工作原理与温度补偿 3.2.2.3热电阻 3.2.2.4热电偶、热电阻的选用 3.2.3流量检测 3.2.3.1流量检测的主要方法 3.2.3.2速度式流量计 3.2.3.3容积式流量计 3.2.3.4质量流量计 3.2.3.5流量仪表的选用 3.2.4压力检测 3.2.4.1压力单位及压力检测方法 3.2.4.2常用压力检测仪表 3.2.4.3压力表的选用 3.2.5物位检测 3.2.5.1物位检测的主要方法和分类 3.2.5.2差压式液位计 3.2.5.3其它物位检测方法 3.2.5.4物位检测仪表的选用 3.2.6变送器 3.2.6.1变送器的量程、零点迁移 3.2.6.2温度变送器 3.2.6.3差压变送器 3.2.6.4智能变送器
第三章 检测变送 3.1 学习要求 1、掌握检测仪表的组成、作用和描述仪表性能的参数。 2、了解测量误差的基本概念和误差分析方法。 3、掌握温度检测的基本方法和仪表，特别是热电偶和热电阻测温。 4、掌握流量检测的基本方法和仪表，特别是差压式、电磁和超声波流量检测。 5、掌握压力检测的基本方法和仪表，特别是弹性式、电阻式和电容式检测方法。 6、掌握物位检测的基本方法和仪表，特别是浮力式、差压式、电容式和超声波方法。 7、了解检测仪表的选型、安装和校验。 8、掌握变送器的工作原理和零点及量程迁移。 9、掌握成分参数检测的基本方法。 10、掌握热导式分析仪表的工作原理。 11、掌握热磁式分析仪表的工作原理。 12、了解色谱分析方法的基本原理。 3.2 内容简述 3.2.1 概述 3.2.1.1 测量误差 3.2.1.2 仪表性能指标 3.2.2 温度检测 3.2.2.1 常用温度检测方法 3.2.2.2 热电偶工作原理与温度补偿 3.2.2.3 热电阻 3.2.2.4 热电偶、热电阻的选用 3.2.3 流量检测 3.2.3.1 流量检测的主要方法 3.2.3.2 速度式流量计 3.2.3.3 容积式流量计 3.2.3.4 质量流量计 3.2.3.5 流量仪表的选用 3.2.4 压力检测 3.2.4.1 压力单位及压力检测方法 3.2.4.2 常用压力检测仪表 3.2.4.3 压力表的选用 3.2.5 物位检测 3.2.5.1 物位检测的主要方法和分类 3.2.5.2 差压式液位计 3.2.5.3 其它物位检测方法 3.2.5.4 物位检测仪表的选用 3.2.6 变送器 3.2.6.1 变送器的量程、零点迁移 3.2.6.2 温度变送器 3.2.6.3 差压变送器 3.2.6.4 智能变送器 1
3.3本章知识点 1、检测仪表的组成、作用、类型及性能指标。 2、常用温度检测方法及其原理，温度检测仪表。 3、常用流量检测方法、工作原理及工作特性。 4、压力检测方法工作原理与工作特性。 5、物位检测方法、工作原理与工作特性。 6、检测仪表的选型、安装与使用。 7、变送器的组成及不同变送器的工作原理。 3.4思考题 一、填空 1、某压力测量仪表量程是0-2MPa,要求测量容器压力，其最大绝对误差不超过0.025MPa 则该选择精度是仪表较合适。 2、对某温度测量仪表进行校验，已知其量程是0~200℃，测得其最大最大误差是1℃，则 该仪表的精度等级是。 3、常用的铂电阻其分度号有和 4、热电偶的测温原理是把转换成，而热电阻则是把转换成。 5、分度号为E的热电偶名称是。 6、热电偶测温时，若被测温度不变，冷端温度增加，则热电偶输出的热电势会。 7、热电阻测温时，通常要采用接法，以消除连接导线变化的影响。 8、体积流量的单位是一，质量流量的单位是。 9、差压流量计中，差压信号经过运算后就实现了线性化处理 10、差压流量检测时，管道中有节流元件，因此，用于测量时有较大的损失。 11、电磁流量计的工作原理是基于，因此，要求被测流体具有一定的导电性能。 12、真空度是指之差，而表压是指之差。 13、弹性式压力表通常不能测量压力，这是因为弹性元件有一定的滞后。 14、物位通常包括、和。 15、若某压力容器的实测压力为0.2MPa,则该压力大约是大气压的倍。 16、超声波物位计中实现超声波的发射和接受的元件是一，它能够实现能量和能量 的转换。 17、在热磁式气体分析仪中，若采用内对流发射器，则发射器中的铂丝的作用是和 18、热导式气体分析仪中，通过热导池的作用，将混合气体中氢气含量的变化转换为的 变化，从而通过不平衡电桥可以得到与被测气体成份相对应的电压输出。 19、变送器的作用是将检测元件的输出转换成信号。 20、变送器进行量程迁移后，其输入和输出特性曲线的 要改变。 21、温度变送器有线制和线制之分。 填空提示： 1、1.0 2、阶跃扰动法、矩形脉冲扰动法、周期扰动法 3、Pt10、Pt100 4、温度、热电势（电压）、温度、电阻 5、镍铬一康铜 6、减小 7、三线制 8、m3/s、Kg/s 9、开方 10、压力 11、电磁感应定律 12、大气压与绝对压力、绝对压力与大气压力 13、脉动 14、液位、料位、界面 15、2 16、换能器、机械、电 17、加热气体和敏感元件 18、电阻 19、统一标准 20、斜率 21、二、四 2
3.3 本章知识点 1、检测仪表的组成、作用、类型及性能指标。 2、常用温度检测方法及其原理，温度检测仪表。 3、常用流量检测方法、工作原理及工作特性。 4、压力检测方法工作原理与工作特性。 5、物位检测方法、工作原理与工作特性。 6、检测仪表的选型、安装与使用。 7、变送器的组成及不同变送器的工作原理。 3.4 思考题 一、填空 1、某压力测量仪表量程是 0～2MPa，要求测量容器压力，其最大绝对误差不超过 0.025MPa， 则该选择精度是 仪表较合适。 2、对某温度测量仪表进行校验，已知其量程是 0～200℃，测得其最大最大误差是 1℃，则 该仪表的精度等级是 。 3、常用的铂电阻其分度号有 和 。 4、热电偶的测温原理是把 转换成 ，而热电阻则是把 转换成 。 5、分度号为 E 的热电偶名称是 。 6、热电偶测温时，若被测温度不变，冷端温度增加，则热电偶输出的热电势会 。 7、热电阻测温时，通常要采用 接法，以消除连接导线变化的影响。 8、体积流量的单位是 ，质量流量的单位是 。 9、差压流量计中，差压信号经过 运算后就实现了线性化处理 10、差压流量检测时，管道中有节流元件，因此，用于测量时有较大的 损失。 11、电磁流量计的工作原理是基于 ，因此，要求被测流体具有一定的导电性能。 12、真空度是指 之差，而表压是指 之差。 13、弹性式压力表通常不能测量 压力，这是因为弹性元件有一定的滞后。 14、物位通常包括 、 和 。 15、若某压力容器的实测压力为 0.2MPa,则该压力大约是大气压的 倍。 16、超声波物位计中实现超声波的发射和接受的元件是 ，它能够实现 能量和 能量 的转换。 17、在热磁式气体分析仪中，若采用内对流发射器，则发射器中的铂丝的作用是 和 。 18、热导式气体分析仪中，通过热导池的作用，将混合气体中氢气含量的变化转换为 的 变化，从而通过不平衡电桥可以得到与被测气体成份相对应的电压输出。 19、变送器的作用是将检测元件的输出转换成 信号。 20、变送器进行量程迁移后，其输入和输出特性曲线的 要改变。 21、温度变送器有 线制和 线制之分。 填空提示： 1、1．0 2、阶跃扰动法、矩形脉冲扰动法、周期扰动法 3、Pt10、Pt100 4、温度、热电势（电压）、温度、电阻 5、镍铬－康铜 6、减小 7、三线制 8、 s/m 、 3 s/Kg 9、开方 10、压力 11、电磁感应定律 12、大气压与绝对压力、绝对压力与大气压力 13、脉动 14、液位、料位、界面 15、2 16、换能器、机械、电 17、加热气体和敏感元件 18、电阻 19、统一标准 20、斜率 21、二、四 2
二、选择题（有1个或多个选项） 1、下列流量检测方法中属于速度法的是() A、节流式流量计B、椭圆齿轮流量计 C、电磁流量计 D、超声波流量计算E、转子流量计 2、一台测温仪表，其测温范围为0~300℃，要求测量最大绝对误差不超过2℃，则应该选 择精度等级为()的仪表 A、0.5 B、1.0 C、1.5 D、2.5 E、5.0 3、某反应器的绝对压力为2.8MPa,则以下说法正确的有() A、该压力大约是大气压的2.8倍。 B、该压力大约是气压的28倍。 C、该压力大约是气压的0.28倍。 D、用表压表示该压力时，其数值为2.7MPa。 4、关于温度检测，说法正确的有() A、辐射式温度检测属于非接触式检测方法。 B、测量高温时，多采用热电阻：而测量较低的温度时，多采用热电偶。 C、采用热电阻测温时，要进行冷端温度补偿。 D、热补偿导线与相应的热电偶在一定温度范围内有相同的热电特性。 5、以下()热电偶更适用在潮湿的环境中进行温度检测 A、KB、E C、S D、TE、B 6、关于物位检测，以下说法正确的有() A、与超声波物位计相比，电容式物位计可以在更高的压力下使用。 B、差压式液位计不受介质密度的影响。 C、电容式物位计可以检测液位、物位和料位。 D、超声波物位计属于非接触式测量。 E、选择物位检测仪表时，可以不考虑介质特性。 提示：1、ACDE2、A3、BD4、AD5、B6、ACD 三、简答 1、某压力容器压力波动不大，压力控制指标为6MPa,要求测量误差不大于0.18MPa,试选 用一台合适的单圈弹簧管压力表。 提示：（1)首先确定仪表类型，根据题目要求，是单圈弹簧管。 (2)再确定仪表的量程：因为工作压力波动不大，最大工作压力不超过满量程的23。即 63×6=9,选用量程为0~10OMPa的压力表。 3 (3)确定压力表的精度等级，允许的最大相对误差为： 6=018 ×100%=1.8% 10-0 因此选择精度为1.5级的压力表， 2、压力仪表的选用主要从量程、精度和使用的介质特性等方面考虑，因此，差压检测仪表 也只考虑上述这些因素，对吗？（提示：不正确，差压检测仪表还要考虑正、负压室所受的 静压力的大小。) 3、评价仪表的性能指标有那些？（提示：评价仪表的性能指标包括静态指标和动态指标。 静态指标包括：精度、变差、线性度、灵敏度和分辨率等。) 4、如图3.1所示，用差压变送器检测液位。已知p1=1200Kg/m3，P2=950Kg/m3, h1=lm,h2=5m,液位H的变化的范围是0~3.0m,已知当地重力加速度为9.8m/s2, 求差压变送器的量程和迁移量。 5、在下列检测液位的仪表中，受被测液体密度影响的有哪几种？ (1)浮力式液位计 (2)差压式液位计 (3)超声波液位计
二、选择题（有 1 个或多个选项） 1、下列流量检测方法中属于速度法的是（） A、节流式流量计 B、椭圆齿轮流量计 C、电磁流量计 D、超声波流量计算 E、转子流量计 2、一台测温仪表，其测温范围为 0～300℃，要求测量最大绝对误差不超过 2℃，则应该选 择精度等级为（）的仪表 A、0.5 B、1.0 C、1.5 D、2.5 E、5.0 3、某反应器的绝对压力为 2.8MPa，则以下说法正确的有（） A、该压力大约是大气压的 2.8 倍。 B、该压力大约是气压的 28 倍。 C、该压力大约是气压的 0.28 倍。 D、用表压表示该压力时，其数值为 2.7MPa。 4、关于温度检测，说法正确的有（） A、辐射式温度检测属于非接触式检测方法。 B、测量高温时，多采用热电阻；而测量较低的温度时，多采用热电偶。 C、采用热电阻测温时，要进行冷端温度补偿。 D、热补偿导线与相应的热电偶在一定温度范围内有相同的热电特性。 5、以下（）热电偶更适用在潮湿的环境中进行温度检测 A、K B、E C、S D、T E、B 6、关于物位检测，以下说法正确的有（） A、与超声波物位计相比，电容式物位计可以在更高的压力下使用。 B、差压式液位计不受介质密度的影响。 C、电容式物位计可以检测液位、物位和料位。 D、超声波物位计属于非接触式测量。 E、选择物位检测仪表时，可以不考虑介质特性。 提示：1、A C D E 2、A 3、B D 4、A D 5、B 6、ACD 三、简答 1、某压力容器压力波动不大，压力控制指标为 6MPa，要求测量误差不大于 0.18MPa，试选 用一台合适的单圈弹簧管压力表。 提示：（1）首先确定仪表类型，根据题目要求，是单圈弹簧管。 （2）再确定仪表的量程：因为工作压力波动不大，最大工作压力不超过满量程的 2/3。即 N 3 2 6 ，选用量程为 0～10MPa 的压力表。 （3）确定压力表的精度等级，允许的最大相对误差为： %.% . 81100 010 180 =× − δ = 因此选择精度为 1.5 级的压力表。 2、压力仪表的选用主要从量程、精度和使用的介质特性等方面考虑，因此，差压检测仪表 也只考虑上述这些因素，对吗？（提示：不正确，差压检测仪表还要考虑正、负压室所受的 静压力的大小。） 3、评价仪表的性能指标有那些？（提示：评价仪表的性能指标包括静态指标和动态指标。 静态指标包括：精度、变差、线性度、灵敏度和分辨率等。） 4、如图 3.1 所示，用差压变送器检测液位。已知 ， , , , 液位 H 的变化的范围是 0～3.0m，已知当地重力加速度为 ， 求差压变送器的量程和迁移量。 3 ρ1 = 1200 m/Kg 3 ρ 2 = 950 m/Kg 2 1mh 89 s/m. 1 = 5mh2 = 5、在下列检测液位的仪表中，受被测液体密度影响的有哪几种？ (1)浮力式液位计 (2)差压式液位计 (3)超声波液位计 3
(4)射线式液位计 提示：浮力式和差压式液位计受到被测液体密度的影响。温度变化时，介质密度变化，也会 引起声速变化，因此超声波液位计也受到密度影响。 隔离罐 + 图31差压式物位检测示意图 6、下列情况的物位测量，可以采用哪些物位检测仪表 A:普通静压式液位计： B:法兰式液位计： C:玻璃管液位计： D:浮子式液位计： E:浮筒式液位计： F:超声波物位计： G:电容式物位计： H:射线式物位计。 (1)普通容器的液位测量：（提示：A、B、C、D、E、F、G) (2)黏性大、易结晶介质的液位测量；（提示：B、F、H) (3)粉末状固体颗粒的料位测量：（提示：F、G、H) (4)强腐蚀、有害有毒介质的液位测量：（提示：H) (5)粮仓料位的测量。（提示：F、G、H) 7、热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？有哪些冷端温度补偿方法？ 提示：热电偶测温的工作原理是热电效应，根据该原理，采用热电偶测温时，只有当热 电偶的冷端温度固定时，热电势与被测温度才是一一对应关系。常用的冷端温度补偿方法有： 计算法、冰浴法、机械零点调整法和补偿电桥法等。 8、何为补偿导线？选择和使用补偿导线时要注意什么？补偿导线的作用是什么？ 9、热电偶测温的原理是什么？热电偶的热电特性和哪些因素有关系？ 10、测温仪表选型时，在中低温度区(300℃以下)为何不选用热电偶而选用热电阻？ 提示：这是因为：(1)在中低温度区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和 抗干扰要求较高；(2)由于冷端温度变化不易得到完全的补偿，在中低温度区内引起的相对 误差就较大。而热电阻在该温度范围内，线性度较好，阻值变化大，有利于提高测量精度。 11、试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同？ 提示：可以从原理、系统组成和应用场合三方面来考虑 12、什么是速度法（间接流量）测量方法，速度法测量流量的仪表有哪些？ 提示：先测量出管道内的平均流速，再乘以管道截面积间接得到流体的体积流量。这类 方法受管路条件影响较大。常用的速度法流量仪表有：差压式流量计、电磁流量计、涡轮流 量计、转子流量计、超声流量计等。 13、在所学到的各种流量检测方法中，请指出哪些测量结果受到被测流体的密度影响？ 14、电磁流量计的工作原理是什么？它有哪些主要优点？ 提示：法拉第电磁感应定律。优点：不受介质温度、压力、黏度等影响。管道中无活动 部件与阻力件，压力损失较小。 15、温度变送器有何作用？ 提示：温度变送器是电动单元组合仪表的一个主要单元，其作用是将热电偶、热电阻的 检测信号转换成标准统一信号，如0~10mA直流电流，4~20mA直流电流，1~5V直流电
(4)射线式液位计 提示：浮力式和差压式液位计受到被测液体密度的影响。温度变化时，介质密度变化，也会 引起声速变化，因此超声波液位计也受到密度影响。 图 3.1 差压式物位检测示意图 6、下列情况的物位测量，可以采用哪些物位检测仪表 A：普通静压式液位计； B：法兰式液位计； C：玻璃管液位计； D：浮子式液位计； E：浮筒式液位计； F：超声波物位计； G：电容式物位计； H：射线式物位计。 （1）普通容器的液位测量；（提示：A、B、C、D、E、F、G） （2）黏性大、易结晶介质的液位测量；（提示：B、F、H） （3）粉末状固体颗粒的料位测量；（提示：F、G、H） （4）强腐蚀、有害有毒介质的液位测量；（提示：H） （5）粮仓料位的测量。（提示：F、G、H） 7、热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？有哪些冷端温度补偿方法？ 提示：热电偶测温的工作原理是热电效应，根据该原理，采用热电偶测温时，只有当热 电偶的冷端温度固定时，热电势与被测温度才是一一对应关系。常用的冷端温度补偿方法有： 计算法、冰浴法、机械零点调整法和补偿电桥法等。 8、何为补偿导线？选择和使用补偿导线时要注意什么？补偿导线的作用是什么？ 9、热电偶测温的原理是什么？热电偶的热电特性和哪些因素有关系？ 10、测温仪表选型时，在中低温度区（300℃以下）为何不选用热电偶而选用热电阻？ 提示：这是因为：（1）在中低温度区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪表放大器和 抗干扰要求较高；(2)由于冷端温度变化不易得到完全的补偿，在中低温度区内引起的相对 误差就较大。而热电阻在该温度范围内，线性度较好，阻值变化大，有利于提高测量精度。 11、试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同？ 提示：可以从原理、系统组成和应用场合三方面来考虑 12、什么是速度法（间接流量）测量方法，速度法测量流量的仪表有哪些？ 提示：先测量出管道内的平均流速，再乘以管道截面积间接得到流体的体积流量。这类 方法受管路条件影响较大。常用的速度法流量仪表有：差压式流量计、电磁流量计、涡轮流 量计、转子流量计、超声流量计等。 13、在所学到的各种流量检测方法中，请指出哪些测量结果受到被测流体的密度影响？ 14、电磁流量计的工作原理是什么？它有哪些主要优点？ 提示：法拉第电磁感应定律。优点：不受介质温度、压力、黏度等影响。管道中无活动 部件与阻力件，压力损失较小。 15、温度变送器有何作用？ 提示：温度变送器是电动单元组合仪表的一个主要单元，其作用是将热电偶、热电阻的 检测信号转换成标准统一信号，如 0～10mA 直流电流，4～20mA 直流电流，1～5V 直流电 4
压等，输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或控制。温度变送器还可以作为直 流毫伏转换器来使用，以将其它能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成统一标准信号。 16、差压变送器的作用是什么？常用的差压变送器有哪几种？ 提示：差压变送器通用性强，可用于连续测量差压、正压、负压、液位、密度等变量， 与节流装置配合，还可以连续测量液体（气体）流量。差压变送器将测量信号转换成标准统 一信号，作为显示仪表、控制器或运算器的输入信号，以实现对上述参数的显示、记录或控 制。差压变送器主要有力矩平衡式、电容式和扩散硅式三种类型。 17、成份参数检测的方法有哪几种？ 18、比较热导式气体分析仪与热磁式气体分析仪在检测原理上的异同点。 提示：热导式气体分析仪是根据待测组分的导入系数与其他组分的导热系数有明显的差 别这一特性，当被测气体的待测组分含量变化时，将引起导热系数的变化，通过热导池，转 换成电热丝阻值的变化，从而间接得到待测组分的含量。热磁式气体分析仪是利用被测气体 混合物中待测组分比其他气体有高得多的磁化率以及磁化率随温度的升高而降低等热磁效 应来检测待测气体组分的含量的。热磁气体分析仪的发射器能将被测气体组分变化引起的磁 化率的变化转换成阻值的变化。 19、氧化锆氧气分析仪的工作原理是什么？ 提示：考虑浓差电势的形成。 3.5例题与习题 1、流态化粉末状、颗粒状固态介质料位测量的问题。 在石油化工生产中，常遇到流态化粉末状催化剂在反应器内流化床床层高度的测量。因 为流态化的粉末状或颗粒状催化剂具有一般流体的性质，所以在测量它们的床层高度或藏量 时，可以把它们看作流体对待。测量的原理也是将测量床层高度的问题变成测差压的问题。 但是，在进行上述测量时，由于有固体粉末或颗粒的存在，测压点和引压管线很容易被堵塞， 因此必须采用反吹风系统，即采用吹气法用差压变送器进行测量。流化床内测压点的反吹风 方式如图3.2所示，在有反吹风存在的条件下，设被测压力为P,测量管线引至变送器的压 力为P2(即限流孔板后的反吹风压力)，反吹管线压降为△P,则有P,=P+△P,理论上 看仪表显示压力P2较被测压力高△P,但实际证明，当采用限流孔板只满足测压点及引压 管线不堵的条件时，反吹风气量可以很小，因而△P可以忽略不计，即P,=P。为了保证 测量的准确性，必须保证反吹风系统中的气量是恒流。适当的设计限流孔板，使 P2≤0.528P,并维持P不发生大的变化，便可实现上述要求。 P,接变送器 气源P 1、2、3一针阀：4-堵头；5一限流孔板 图3.2流化床反吹风取压系统 2、氧化锆烟气氧量分析仪侧量原理及在工业中的应用 5
压等，输出给显示仪表或控制器实现对温度的显示、记录或控制。温度变送器还可以作为直 流毫伏转换器来使用，以将其它能够转换成直流毫伏信号的工艺参数也变成统一标准信号。 16、差压变送器的作用是什么？常用的差压变送器有哪几种？ 提示：差压变送器通用性强，可用于连续测量差压、正压、负压、液位、密度等变量， 与节流装置配合，还可以连续测量液体（气体）流量。差压变送器将测量信号转换成标准统 一信号，作为显示仪表、控制器或运算器的输入信号，以实现对上述参数的显示、记录或控 制。差压变送器主要有力矩平衡式、电容式和扩散硅式三种类型。 17、成份参数检测的方法有哪几种？ 18、比较热导式气体分析仪与热磁式气体分析仪在检测原理上的异同点。 提示：热导式气体分析仪是根据待测组分的导入系数与其他组分的导热系数有明显的差 别这一特性，当被测气体的待测组分含量变化时，将引起导热系数的变化，通过热导池，转 换成电热丝阻值的变化，从而间接得到待测组分的含量。热磁式气体分析仪是利用被测气体 混合物中待测组分比其他气体有高得多的磁化率以及磁化率随温度的升高而降低等热磁效 应来检测待测气体组分的含量的。热磁气体分析仪的发射器能将被测气体组分变化引起的磁 化率的变化转换成阻值的变化。 19、氧化锆氧气分析仪的工作原理是什么？ 提示：考虑浓差电势的形成。 3.5 例题与习题 1、流态化粉末状、颗粒状固态介质料位测量的问题。 在石油化工生产中，常遇到流态化粉末状催化剂在反应器内流化床床层高度的测量。因 为流态化的粉末状或颗粒状催化剂具有一般流体的性质，所以在测量它们的床层高度或藏量 时，可以把它们看作流体对待。测量的原理也是将测量床层高度的问题变成测差压的问题。 但是，在进行上述测量时，由于有固体粉末或颗粒的存在，测压点和引压管线很容易被堵塞， 因此必须采用反吹风系统，即采用吹气法用差压变送器进行测量。流化床内测压点的反吹风 方式如图 3.2 所示，在有反吹风存在的条件下，设被测压力为 ，测量管线引至变送器的压 力为 (即限流孔板后的反吹风压力)，反吹管线压降为 P P2 ΔP ，则有 2 = Δ+ PPP ，理论上 看仪表显示压力 较被测压力高 P2 ΔP ，但实际证明，当采用限流孔板只满足测压点及引压 管线不堵的条件时，反吹风气量可以很小，因而 ΔP 可以忽略不计，即 。为了保证 测量的准确性，必须保证反吹风系统中的气量是恒流。适当的设计限流孔板，使 ，并维持 不发生大的变化，便可实现上述要求。 2 = PP 2 528PP 1 ≤ .0 P1 图 3.2 流化床反吹风取压系统 2、氧化锆烟气氧量分析仪测量原理及在工业中的应用 5
氧化锆在数百摄氏度的高温下是一种良好的氧离子导体。如果在其两侧分别附上一个多 孔铂电极，若在两侧气体的氧含量不同，则在两电极间就会出现电势，该电势称为浓差电势， 其数值为： E=RT InPr nF Px 若温度T保持某一常数，并选定一种己知氧浓度的气体作参比气体（一般都选空气）， 则测得氧浓差电势E,即可求得被测气体的氧含量。 氧化锆烟气氧量分析仪，如图3.3所示，是由数字显示转换器和直插式检测器组成，可 在线连续检测烟气中的残氧浓度，响应迅速、性能稳定。转换器是以处理器为核心的小型智 能化嵌入式成仪表，检测器直接安装在待测点烟道内，快速、准确地反映炉内燃烧的氧含量， 并提供与此氧含量成线性关系的标准模拟信号，与自控装置配套使用，可有效地控制烟道内 的残氧量，对提高燃烧效率，降低能源消耗，减少大气污染有显著的作用。本仪器适用于石 油、化工、电力等企业的加热炉，也适用于各企业中小型锅炉、工业窑炉和焚烧炉等烟气的 检测。 a面四 图3.3氧化锆烟气氧量分析仪 3、用单法兰液位计测量开口容器内液位，如图3.4所示，其最低液位和最高液位到仪表的 距离分别为h=1m,h2=3m,介质密度为980Kg/m。问： (1)差压变送器的量程是多少？ (2)是否需要零点迁移，迁移量是多少？ 最高液位 h h 最低液位 h 图3.4差压式物位检测示意图 解：(1)△P=P8h+P8h 差压计 当△h=h,-h时， △Pnx=Pgh2-h =980×9.8×(3-1)=19208P 因此，可以选择量程为20KPa的差压变送器 (2)h=0时， △P=Pgh =980×9.8×1=9604P. 因此，需要进行正迁移，迁移量为9604Pa 4、试叙述电磁流量计的主要优点。 6
氧化锆在数百摄氏度的高温下是一种良好的氧离子导 持某一常数，并选定一种已知氧浓度的气体作参比气体（一般都选空气） 体。如果在其两侧分别附上一个多 孔铂 ， 则测 显示转换器和直插式检测器组成，可 在线 电极，若在两侧气体的氧含量不同，则在两电极间就会出现电势，该电势称为浓差电势， 其数值为： 若温度 T 保 得氧浓差电势 E，即可求得被测气体的氧含量。 氧化锆烟气氧量分析仪，如图 3.3 所示，是由数字 连续检测烟气中的残氧浓度，响应迅速、性能稳定。转换器是以处理器为核心的小型智 能化嵌入式成仪表，检测器直接安装在待测点烟道内，快速、准确地反映炉内燃烧的氧含量， 并提供与此氧含量成线性关系的标准模拟信号，与自控装置配套使用，可有效地控制烟道内 的残氧量，对提高燃烧效率，降低能源消耗，减少大气污染有显著的作用。本仪器适用于石 油、化工、电力等企业的加热炉，也适用于各企业中小型锅炉、工业窑炉和焚烧炉等烟气的 检测。 图 3.3 氧化锆烟气氧量分析仪 3、用单法兰液位计测量开口容器内液位，如图 送器的 是多少 多少？ 解：（1） 3.4 所示，其最低液位和最高液位到仪表的 距离分别为 1mh1 = ， 3mh2 = ，介质密度为 3 /980 mKg 。问： （1）差压变 量程 ？ （2）是否需要零点迁移，迁移量是 图 3.4 差压式物位检测示意图 1 =Δ ρ + ρghghP 当 Δh 1 时， 2 −= hh a max P)(. h(g 192081389980 2 =−××= ΔP = ρ − 1 )h 因此，可以选择量程为 20KPa 的差压变送器 （2） h = 0时， Pa P =××= 960418.9980 Δ = ρgh1 因此，需要进行正迁移，迁移量为 96 Pa 04 4、试叙述电磁流量计的主要优点。 ＋ － 差压计 位 最低液位 最高液 h1 h2 h pnF X RT = pR E ln 6
答：电磁流量计的主要优点有： (1)测量导管内无可动部件或突出于管道内部的部件，因而压力损失小。 (2)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 介质。 (3)流量计的输出电流与体积流量呈线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度和粘度 等参数的影响。 (4)电磁流量计的量程比一般为10：1，甚至更高，测量口径大。 5、热电偶与热电阻都可以用于温度测量，试比较这两种温度检测方法的主要不同之处。 答：(1)同样温度下热电阻输出信号大，容易测量： (2)热电阻的阻值测量必须借助外加电源，而热电偶只要测量两端存在温度差，就能输出 电势，直接测量。但热电偶需要冷端温度补偿，热电阻不需要，是用电桥平衡原理自动消去。 (3)和热电偶相比，热电阻的感温体结构复杂、体积较大，热惯性大，不适合测量体积狭 小和温度变化快的温度，抗冲击和振动性能较差。 (4)同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高，但在低温区用热电阻测温效果较好。 6、根据热电偶的基本性质，试求如图3.5(a)所示热电偶回路的电势。已知： e4B240)=9.747mV e4B(50)=2.023mW,e4c(50)=3.048mV ec10)=0.591m'。【提示见图3.5(b)和(c)】 10r℃ 10C 50C 50℃ A 240℃ 50℃240℃ B 50℃240C B 50C 图3.5(a) 图3.5(b) 图3.5(c) 答：(1)直接对图3.5(a)列出回路总电势 Ec=e(240)+eac(50)+eca(10) 假设该回路中各接点处温度都为50℃，则 EaBc =eB(50)+eac(50)+eca(50)=0 联系(1)和(2)可得E4c=e4B(240)-e4B(50)-ec4(50)+ec4(10)=10.181mV (2)在热电极A中设一中间温度为50℃的点，如图3.5(b),则可以得到： EABc=EAB(240,50)+EBc(50,10) =e4B(240)-eA4B(50)+e4c(50)-e4c(10) =10.181mV (3)利用中间温度定律，将上图中BC处的接点断开，加入热电极A,使该电极两端的温 度为50℃，如图3.5(c)则回路中总电势不变。该回路总电势为： EABc=e4B(240)+eB4(50)+e4c(50)+ec(I0) =eAB(240)-e4B(50)+e4c(50)-eAc(10) =10.181mV 7、有一台节流式流量计，满量程为0.2m/5,当流量为满刻度的65%和30%时，试求流 量值在标尺上的相应位置（距标尺起始点），设标尺总长度为100mm。(考虑流量计带开方 器和不带开方器两种情况) 解：①带开方器时，标尺长度1与流量qV的关系为1=kq,k为常数。 >
答：电磁流量计的主要优点有： （1）测量导管内无可动部件或突出于管道内部的部件，因而压力损失小。 、盐等腐蚀性 与体积流量呈线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度和粘度 比一般为 10：1，甚至更高，测量口径大。 的主要不同之处。 要测量两端存在温度差，就能输出 ，但在低温区用热电阻测温效果较好。 （2）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 介质。 （3）流量计的输出电流 的量程 等参数的影响。 （4）电磁流量计 5、热电偶与热电阻都可以用于温度测量，试比较这两种温度检测方法 答：（1）同样温度下热电阻输出信号大，容易测量； （2）热电阻的阻值测量必须借助外加电源，而热电偶只 电势，直接测量。但热电偶需要冷端温度补偿，热电阻不需要，是用电桥平衡原理自动消去。 （3）和热电偶相比，热电阻的感温体结构复杂、体积较大，热惯性大，不适合测量体积狭 小和温度变化快的温度，抗冲击和振动性能较差。 （4）同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高 6、根据热电偶的基本性质，试求如图 3.5（a）所示热电偶回路的电势。已知： mV.)(eAB = 7479240 ， mV.)(eAB = 023250 ， mV.)(eAC = 048350 ， mV.)(eAC = 591010 。【提示见图 3.5（b）和（c）】 图 3.5（a） 图 3.5（b） 图 3.5（c） 答：（1 假设该回路中各接点处温度都为 50℃， ）直接对图 3.5(a)列出回路总电势 )10()50()240( ABC AB BC CA = ++ eeeE 则 ++= = 0)50()50()50( ABC AB BC CA eeeE 联系（1）和（2）可得 ABC = eE AB )240( − AB − ee CA 5()50( + eCA )10()0 ＝10.181mV 中间温度为 50℃的点，如图 3.5（b），则可以得 （3）利用中间温度定律，将上图中 BC 处的接点断开，加入热电极 A，使该电极两端的温 （2）在热电极 A 中设一 到： mV eeeeAB AB AC AC AB BC 181.10 )10()50()50()240( = = −+− ABC = EE + E )10,50()50,240( 度为 50℃，如图 3.5（c）则回路中总电势不变。该回路总电势为： ABC AB BA AC eeeeE CA = ++ + )10()50()50()240( mV eeeeAB AB AC AC 181.10 )10()50()50()240( = −+−= 7、有一台节流式流量计，满量程为 ，当流量为满刻度的 65％和 30％时，试求流 始点）， 流量 qv 的关系为 /2.0 sm 3 量值在标尺上的相应位置（距标尺起 设标尺总长度为 100mm。（考虑流量计带开方 器和不带开方器两种情况） 解: ①带开方器时，标尺长度 l 与 v = kql ,k 为常数。 7
则1=91=65%*100=65mm 9 人=921=30mm gy ②不带开方器时，标尺长度1与流量的关系为1=Kq,2，k为常数。 则1=91=42.25mm 9. ,-921=9mm 9. 8、热导池的结构如图3.6所示，试简要分析其是如何实现气体成分到电量的转换的。 答：热导池的作用是将气体的导热系数的大小及其变化转换成热导池中铂丝的电阻值的变 化，以便进行测量。铂电阻丝上通以电流后，产生的热量通过气室中的气体传导到气室内壁。 待测气体含量越高，传导的热量越多，电阻丝的温度越低，阻值越小。当电阻丝上产生的热 量与气体传导的热量相等时，电阻丝的阻值与混合气体的导入系数存在对应的关系，当电阻 丝的几何尺寸及其他的一些参数固定时，电阻丝的阻值与混合气体的导热系数为单值函数， 而混合气体导热系数与待测组分成线性关系，即热导池实现了将待测气体组分的测量转换为 铂电阻阻值的变化。 图3.6热导池的结构 8
则 l mm q q l v v 65100*%65 1 1 == = mml q q l v v 30 2 2 == ②不带开方器时，标尺长度 l 与流量的关系为 ，k’为常数。 2 ' v = qkl 则 l mm q q l v v 25.42 2 1 1 == mml q q l v v 9 2 2 2 == 8、热导池的结构如图 3.6 所示，试简要分析其是如何实现气体成分到电量的转换的。 答：热导池的作用是将气体的导热系数的大小及其变化转换成热导池中铂丝的电阻值的变 化，以便进行测量。铂电阻丝上通以电流后，产生的热量通过气室中的气体传导到气室内壁。 待测气体含量越高，传导的热量越多，电阻丝的温度越低，阻值越小。当电阻丝上产生的热 量与气体传导的热量相等时，电阻丝的阻值与混合气体的导入系数存在对应的关系，当电阻 丝的几何尺寸及其他的一些参数固定时，电阻丝的阻值与混合气体的导热系数为单值函数， 而混合气体导热系数与待测组分成线性关系，即热导池实现了将待测气体组分的测量转换为 铂电阻阻值的变化。 图 3.6 热导池的结构 8