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变送器
第11章传感器在工程检测中的应用
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第11章传感器在工程监测中的应用
在工业生产过程及工程检测中, 为了对各种工业参数(如压力、温度、流量、物位、位移等)进行检测与控制, 首先要把这些参数转换成便于传送的信息, 这就要用到各种传感器, 把传感器与其它装置组合起来, 组成一个检测系统或调节系统, 完成对工业参数的检测与控制。
考虑到系统中传感器与其它装置的兼容性与互换性, 它们之间是用标准信号进行传输的, 这些标准信号都是符合国际标准的信号, 例如直流电流为4~20 mA、直流电压为1~5 V、压力信号为20~100 kPa, 以前也曾以直流电流0~10 mA作为通用的标准信号。
对一般输出为非标准信号的传感器, 需把传感器的输出信号通过变送器(或变送器功能模块电路)变换成标准信号, 有了统一的信号形式和数值范围, 无论是仪表还是计算机, 只要有同样的输入电路或接口, 就可以从各种变送器获得被测变量的信息, 而且便于组成检测系统或调节系统。
在工业自动化仪表中, 有些变送器既有信号检测又有变送, 如后面要介绍的压力(差压)变送器、一体化温度变送器等, 这些变送器也可以认为是输出标准信号的传感器。
下面将着重介绍工程检测中应用的传感器及变送器。
温度测量
一、温度概述
1. 温度与温标
温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的, 需要测量温度和控制温度。随着科学技术的发展, 对温度的测量越来越普遍, 而且对温度测量的准确度也有更高的要求。
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, 即温标。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, 当前世界通用的国际温标。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), 1 K等于水三相点热力学温度的。
热力学温度是国际上公认的最基本温度, 国际温标最终以它为准而不断完善。我国目前实行的是1990年国际温标(ITS-90), 它同时定义国际开尔文温度(符号ITS-90)和国际摄氏温度(t90), T90和t90之间的关系为
在实际应用中, 一般直接用T和t代替T90和t90。
2. 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 11 - 1 所示。简单的温度传感器往往是温度传感器和显示组成一体的, 一般在现场使用。
(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, 可以分成接触式与非接触式两大类。
接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触, 当被测温度与感温元件达到热平衡时, 温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。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。这类测温方法的温度传感器主要有: 基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度传感器,基于导体或半导体电阻值随温度变化的电阻式温度传感器, 基于热电效应的热电偶温度传感器。
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。物体辐射能量的大小与温度有关, 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。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度传感器的测量滞后和在温度范围上的限制, 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。
二、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
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)构成液体膨胀式温度计。常用的有水银玻璃温度计和电接点式温度计, 这种温度计远不能算传感器, 它只能就地指示温度。