《過程控制系統(tǒng)與儀表》課件及教案,過程控制系統(tǒng)與儀表,過程,控制系統(tǒng),儀表,課件,教案 第2章 檢測儀表 教學(xué)目的：了解基本概念：檢測儀表的基本技術(shù)指標，四大參數(shù)的檢測方法及常見儀表。 教學(xué)重點：熱電阻、熱電偶的測溫原理，壓力、流量、物位的檢測。 教學(xué)難點：熱電偶的工作原理和冷端溫度補償。 要控制一個工藝指標，首先必須實時檢測生產(chǎn)過程中的有關(guān)參數(shù)。例如溫度、壓力、流量、液位等。用來檢測這些參數(shù)的工具稱為檢測儀表，其中包括測量指示儀表及將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成標準信號輸出的變送器。 檢測儀表種類繁多，但目的都是快速、準確地測量某種物理量。因此，對于檢測儀表的性能有一套通用的評價指標。 2.1檢測儀表的基本技術(shù)指標 1. 絕對誤差 檢測儀表的指示值X與被測量真值Xt之間存在的差值稱為絕對誤差Δ表示為： Δ= X－X t 由于真值是無法得到的理論值。實際計算時，可用精確度較高的標準表所測得的標準值X0代替真值X t，表示為： Δ= X－X0 儀表在其標尺范圍內(nèi)各點讀數(shù)的絕對誤差中最大的絕對誤差稱為最大絕對誤差Δmax。 2．基本誤差 基本誤差是一種簡化的相對誤差，又稱引用誤差或相對百分誤差。定義為： 其中：儀表量程 = 測量上限－測量下限 儀表的基本誤差表明了儀表在規(guī)定的工作條件下測量時，允許出現(xiàn)的最大誤差。 3．精確度（精度） 為了便于量值傳遞，國家規(guī)定了儀表的精確度（精度）等級系列。 如0.5級，1.0級，1.5級等。 儀表精度的確定方法：將儀表的基本誤差去掉“±”號及“％”號，套入規(guī)定的儀表精度等級系列。 例如: 某臺儀表的基本誤差為±1.0％，則確認該表的精確度等級符合1.0級。 如果某臺儀表的基本誤差為±1.3％，則該表的精確度等級符合1.5級。 例1 某臺測溫儀表的測量范圍為 －100～700℃，校驗該表時測得其最大絕對誤差為＋5℃，試確定該儀表的精度等級。 解： 該儀表的基本誤差為： 將δ去掉“+”與“%”號，其數(shù)值為0.625。由于國家規(guī)定的儀表精度等級中沒有0.625級，該儀表的誤差介于0. 5級～1.0級之間，超過了0.5儀表所允許的最大絕對誤差，故這臺測溫儀表的精度等級為1.0級。 例2 某臺測壓儀表的測壓范圍為 0～8MPa。根據(jù)工藝要求，測壓示值的誤差不允許超過±0.05 MPa，問應(yīng)如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？ 解： 根據(jù)工藝要求，儀表的允許基本誤差為： 去掉“±”和“％”號后，0.625介于0.5～1.0之間。若選精度為1.0級的儀表，其允許的最大絕對誤差為±0.08 MPa 。超過了工藝允許的數(shù)值。 故： 應(yīng)選擇0.5級的表。 目前，我國生產(chǎn)的儀表常用的精確度等級有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。 精度等級數(shù)值越小，表征該儀表的精確度等級越高，也說明該儀表的精確度越高。 0.05級以上的儀表，常用來作為標準表；工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表，其精度大多為0.5級以下。 儀表的精度等級一般用符號標志在儀表面板上。如 4、靈敏度和分辨率 靈敏度表示指針式測量儀表對被測參數(shù)變化的敏感程度，常以儀表輸出（如指示裝置的直線位移或角位移）與引起此位移的被測參數(shù)變化量之比表示： 其中， S －儀表靈敏度；ΔY －儀表指針位移的距離（或轉(zhuǎn)角）；ΔX －引起ΔY的被測參數(shù)變化量。 靈敏限表示指針式儀表在量程起點處，能引起儀表指針動作的最小被測參數(shù)變化值。 對于數(shù)字式儀表，則用分辨率和分辨力表示靈敏度和靈敏限。分辨率表示儀表顯示值的精細程度。 如一臺儀表的顯示位數(shù)為四位，其分辨率便為千分之一。數(shù)字儀表的顯示位數(shù)越多，分辨率越高。 分辨力是指儀表能夠顯示的、最小被測值。 如一臺溫度指示儀，最末一位數(shù)字表示的溫度值為0.1℃，即該表的分辨力為0.1℃ 。 5、 變差 在外界條件不變的情況下，同一儀表對被測量進行往返測量時（正行程和反行程），產(chǎn)生的最大差值與測量范圍之比稱為變差。 變差 = 量程 正反行程最大差值 ×100% ?ymax y xmin xmax O x xmax 造成變差的原因是傳動機構(gòu)間存在的間隙和摩擦力; 彈性元件的彈性滯后等。 6、響應(yīng)時間 當用儀表對被測量進行測量時，被測量突然變化以后，儀表指示值總是要經(jīng)過一段時間后才能準確地顯示出來。這段時間稱為響應(yīng)時間。 響應(yīng)時間的計算：從輸入一個階躍信號開始，到儀表的輸出信號（即指示值）變化到新穩(wěn)態(tài)值的95％所用的時間。即下圖中的tp t x y tp 0 以上是檢測儀表常用的性能指標。 2.2溫度檢測及儀表 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍而重要的操作參數(shù)。 2.2.1溫度檢測方法 一般利用物體的某些物理性質(zhì)隨溫度變化的特性來感知、測量溫度。有接觸式測溫和非接觸式測溫。 接觸式測溫——通過測溫元件與被測物體的接觸而感知物體的溫度。 非接觸式測溫——通過接受被測物體發(fā)出的熱輻射熱來感知溫度。 接觸式測溫儀表有： 1、膨脹式溫度計，是指基于物體受熱時體積膨脹的性質(zhì)而制成的溫度計，他有液體和固體兩種。 液體膨脹式溫度計，利用液體（水銀、酒精）受熱時體積膨脹的特性測溫。 固體膨脹式溫度計，用兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊接在一起制成雙金屬片。受熱后，由于兩金屬片的膨脹長度不同而產(chǎn)生彎曲。 若將雙金屬片制成螺旋形，當溫度變化時，螺旋的自由端便圍繞著中心軸偏轉(zhuǎn)，帶動指針在刻度盤上指示出相應(yīng)溫度值。雙金屬片常用來做溫度報警或控制 如圖是一雙金屬溫控器。 雙金屬片 調(diào)節(jié)螺釘 絕緣柱 繼電器 隨著溫度上升，雙金屬片逐漸彎曲，當其觸點接觸到固定觸點時，報警燈和繼電器回路被接通。 調(diào)節(jié)螺釘用來調(diào)整固定觸點的位置，以調(diào)整報警溫度。 2、壓力式溫度計 壓力式溫度計是利用封閉容器中的介質(zhì)壓力隨溫度變化的現(xiàn)象來測溫。 原理: 封閉容器中的液體、氣體或低沸點液體的飽和蒸汽，受熱后體積膨脹，壓力增大，使彈簧管變形 ，連桿機構(gòu)帶動指針指示溫度。如下圖就是一個壓力式溫度計的結(jié)構(gòu)圖。 3、熱電偶溫度計 利用物體的熱電性質(zhì)測溫。 4、熱電阻溫度計 利用金屬電阻值或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)測溫。 5、半導(dǎo)體溫度計 利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度變化的特性，通過測量感溫器元件（結(jié)）電壓變化來測量溫度。 非接觸式測溫的具體方法有： 1、 輻射式溫度計 通過測量物體熱輻射功率來測量溫度。 2、 紅外式溫度計 通過測量物體紅外波段熱輻射功率來測量溫度。 2.2.2 熱電偶 熱電偶是以熱電效應(yīng)為原理的測溫元件，能將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢信號（mV） 。 特點：結(jié)構(gòu)簡單、測溫準確可靠、信號便于遠傳。一般用于測量500～1600℃之間的溫度。 2.2.2.1 熱電偶的測溫原理 將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，若兩個連接點溫度不同，回路中會產(chǎn)生電勢。此電勢稱為熱電勢。 1、接觸電勢 當不同導(dǎo)體A、B接觸時，兩邊的自由電子密度不同，在交界面上產(chǎn)生電子的相互擴散，致使在接觸處產(chǎn)生接觸電勢。 其大小取決于兩種材料的種類和接觸點的溫度。 ，—自由電子密度； e —單位電荷 2、溫差電勢 對于同一金屬A（或B），其兩端溫度不同，自由電子所具有的動能不同，也會產(chǎn)生相應(yīng)的電勢，稱為溫差電勢。 熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢。但溫差電勢值遠小于接觸電勢，常忽略不計。 3、回路總電勢 熱電偶回路總電勢由接觸電勢和溫差電勢疊加而成，稱熱電勢。由于溫差電勢很小，熱電勢基本由接觸電勢構(gòu)成： 據(jù)此可以得出基本結(jié)論： 對于確定的熱電偶，熱電勢只與熱端和冷端溫度有關(guān)。當冷端溫度固定時， E（t，t0）是熱端溫度 t 的單值函數(shù)。上式無法實用，實際中用實測標定熱電勢。 鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表（簡表） 分度號 K t0=0℃，E/mV /℃ 00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0.000 0.397 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681 100 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 6.939 7.338 7.737 200 8.137 8.537 8.938 9.341 9.745 10.151 10.560 10.969 11.381 11.793 300 12.207 12.632 13.039 13.456 13.874 14.292 14.712 15.132 15.552 15.974 400 16.395 16.818 17.241 17.664 18.088 18.513 18.938 19.363 19.788 20.214 500 20.640 21.066 21.493 21.919 22.346 22.772 23.198 23.624 24.050 24.476 600 24.902 25.327 25.751 26.176 26.599 27.022 27.445 27.867 28.288 28.709 700 29.128 29.547 29.965 30.383 30.799 31.214 31.629 32.042 32.455 32.866 800 33.277 33.686 34.095 34.502 34.909 35.314 35.718 36.121 36.524 36.925 900 37.325 37.724 38.122 38.519 38.915 39.310 39.703 40.096 40.488 40.897 1000 41.269 41.657 42.045 42.432 42.817 43.202 43.585 43.968 44.349 44.729 1100 45.108 45.486 45.863 46.238 46.612 46.985 47.356 47.726 48.059 48.462 1200 48.828 49.192 49.555 49.916 50.276 50.633 50.990 51.344 51.697 52.049 1300 52.398 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.2.2.2 熱電偶的基本定律 據(jù)可導(dǎo)出： 1、均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論其截面和長度如何，以及沿長度方向上各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。 因此，熱電偶必須由兩種不同材料的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成。但其截面和長度不限。 2、中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入另一種中間導(dǎo)體后，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對熱電偶回路的熱電勢沒有影響。 設(shè)將熱電偶AB一端打開，接入第三種導(dǎo)體C ： 有 （1） 當時，有 即 代入（1）式， 則 由中間導(dǎo)體定律可知： 熱電偶在使用時，只要接入第三種導(dǎo)體的兩個連接點溫度相等，它的接入對回路電勢毫無影響。這一結(jié)論可以推廣至接入多種導(dǎo)體。 因為熱電偶在使用時，必須將熱電偶回路打開，接入測量儀表，即插入多種導(dǎo)體。 3、中間溫度定律 一支熱電偶在兩接點溫度為t 、t0 時的熱電勢，等于兩支同溫度特性熱電偶在接點溫度為t 、0和0、t0時的熱電勢之代數(shù)和。即 據(jù)此，只要給出冷端為0℃時的熱電勢關(guān)系，便可求出冷端任意溫度時的熱電勢。 to t 0 mV － = 符合分度 表要求 A B t0 t A B 0 t A B 0 t0 2.2.2.3熱電偶的構(gòu)造 熱電偶是用兩種不同材料的偶絲或薄膜一端焊接而成。其構(gòu)造分普通型、鎧裝型、簿膜型等。 普通型 鎧裝型 普通熱電偶 2.2.2.4 熱電偶類型 理論上任何兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體都可以組成熱電偶，但考慮有良好的應(yīng)用性能，必須對熱電偶材料加以選擇。 選取原則：在測溫范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的化學(xué)及物理性質(zhì)，熱電勢要大，且與溫度接近線性關(guān)系。國際電工委員會（簡稱IEC）規(guī)定了熱電偶材料的取材標準。用分度號命名不同取材的熱電偶，并給出了標準的熱電勢分度表。 幾種常用的標準型熱電偶簡介 熱電偶名稱 分度號 測溫范圍（℃） 平均靈敏度 特 點 鉑銠30—鉑銠6 B 0～+1800 10μV/℃ 穩(wěn)定性好,精度高,可在氧化氣氛使用 鉑銠10—鉑 S 0～+1600 10μV/℃ 同上，線性度優(yōu)于B 鎳鉻—鎳硅 K 0～+1000 40μV/℃ 價廉,，可在氧化及中性氣氛中使用 鎳鉻—康銅 E -200～+900 80μV/℃ 靈敏,價廉,可在氧化及弱還原氣氛中使用 銅—康銅 T -200～+400 50μV/℃ 價廉,但銅易氧化,常用于150℃以下溫度測量 不同材質(zhì)的熱電偶，其熱電勢與熱端溫度的特性關(guān)系不同。 鉑及其合金（B、S）屬于貴重金屬，價格很貴，但其熱電勢非常穩(wěn)定，主要用做標準熱電偶及測量1100℃以上的高溫。 ? 鎳鉻－鎳硅（K）線性度最好 ? 鎳鉻－康銅（E）靈敏度最高 ? 銅－康銅（T）價格最便宜 2.2.2.5 熱電偶冷端溫度補償 熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度有關(guān)，還與冷端溫度有關(guān)。所以使用時，需保持熱電偶冷端溫度恒定。但熱電偶的冷端和熱端離得很近，使用時冷端溫度較高且變化較大。為此應(yīng)將熱電偶冷端延至溫度穩(wěn)定處。 為了節(jié)約，工業(yè)上選用在低溫區(qū)與所用熱電偶的熱電特性相近的廉價金屬，作為熱偶絲在低溫區(qū)的替代品來延長熱電偶，稱為補償導(dǎo)線。 to t 0 mV 補償導(dǎo)線 熱偶 根據(jù)中間溫度定律，補償導(dǎo)線和熱電偶相連后，其總的熱電勢等于兩支熱電偶產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和。 E (t, t 0) = E偶 (t , t n) ＋ E補(tn ,t 0) 用補償導(dǎo)線延長熱電偶的必須條件是：補償導(dǎo)線的熱電特性在低溫段與所配熱電偶相同。因此，不同的熱電偶配不同的補償導(dǎo)線。常用熱電偶的補償導(dǎo)線見表2.2。 使用補償導(dǎo)線只是將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方，而標準熱電勢要求冷端溫度為零度，為此還要采取進一步的補償措施。 1．查表法（計算法） 如果某介質(zhì)的溫度為t，用熱電偶進行測量，其冷端溫度為t0，測得的熱電勢為EAB（t,t0）。根據(jù)中間溫度定律，有 EAB（t ,0）＝EAB（t ,t0）＋ EAB（t 0,0） 得出標準熱電勢EAB（t ,0），再查分度表就可得出被測溫度。 例 用K型(鎳鉻—鎳硅)熱電偶測量某加熱爐的溫度。測得的熱電勢E（t，t0）＝36.122mV，而自由端的溫度t0＝30℃，求被測的實際溫度。 解 由分度表可以查得 E（30，0）＝1.203mV 則 E（t，0） ＝ E（t，30）+ E（30，0） ＝ 36.122+1.203＝37.325mV 再查分度表可以查得37.325mV對應(yīng)的溫度為900 ℃ 。 計算法適用于實驗或臨時測溫。 2、儀表零點調(diào)整法 如果熱電偶冷端溫度比較穩(wěn)定，與之相接的顯示儀表又可以調(diào)整零點，那么在測試前，將儀表指針就調(diào)整到冷端溫度處，再開始測量。 此法比較簡單，但由于冷端溫度（室溫）也有波動，所以只能在測溫要求不太高的場合下應(yīng)用。 3、冰浴法 把熱電偶的冷端插入盛有絕緣油的試管中，然后將試管放入裝有冰水混合物的容器中，保持冷端為0℃。這種方法多數(shù)用于熱電偶的檢定。 4、 補償電橋法 補償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢，來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。 E(t,t0) E(t0, 0) E(t,0) 電橋 補 償 導(dǎo) 線 E(t,0) E(t,t0) E(t0 ,0) ＋ － 5．半導(dǎo)體PN結(jié)補償法 利用半導(dǎo)體PN結(jié)電壓隨溫度升高而降低的特性自動補償熱電偶的冷端溫度引起的誤差。 圖中半導(dǎo)體三極管基極結(jié)電壓Vbe隨溫度升高而降低。將Vbe放大后即可輸出。 只要保持三極管集電極電流 Ic 恒定，冷端補償電壓e0 即與冷端溫度成正比。 2.2.3熱電阻 對于500℃以下的中、低溫，熱電偶輸出的熱電勢很小，容易受到干擾而測不準。一般使用熱電阻溫度計來進行中低溫度的測量。 熱電阻有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。 2.2.3.1金屬熱電阻 金屬熱電阻測溫精度高。大多數(shù)金屬電阻阻值隨溫度升高而增大。具有正溫度系數(shù)。 溫度系數(shù) 作為工業(yè)用熱電阻的材料要求： (1)電阻溫度系數(shù)大，電阻率大； (2) 在測溫范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定； (3) 溫度特性的線性度好。 工業(yè)中用得最多的是鉑電阻和銅電阻，也有鎳電阻、銦電阻、錳電阻及碳電阻等用于低溫及超低溫測量。 1.鉑電阻 鉑材料容易提純，其化學(xué)、物理性能穩(wěn)定；測溫復(fù)現(xiàn)性好、精度高。被國際電工委員會規(guī)定為-259~+630 ℃間的基準器，但線性度稍差，常用于-200~+600 ℃溫度測量。 電阻溫度關(guān)系： R t =R0 [1+At+Bt2+C(t-100)t3] (-200~0℃) R t =R0 (1+At+Bt2) ( 0~850℃) 鉑電阻有兩種分度號：Pt10 , Pt100 2.銅電阻 銅電阻價格便宜，線性度好，但溫度稍高易氧化，常用于-50~+100 ℃溫度測量。銅電阻有兩種分度號：Cu50 ，Cu100 。電阻溫度關(guān)系： R t = R0 (1 +a t) (-50~150℃) 熱電阻的結(jié)構(gòu)型式常見有普通型熱電阻、鎧裝熱電阻。其結(jié)構(gòu)是：以云母片或石英玻璃柱作骨架，將金屬絲用雙線法繞在骨架上，以消除電感。此外，還有薄膜型熱電阻。 普通熱電阻結(jié)構(gòu) 3.熱電阻的三線制接法 電阻測溫信號一般通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓，如用兩線接法接熱電阻，接線電阻隨溫度變化會給電橋輸出帶來較大誤差，而三線接法可以消除此誤差。 Rt R3 r r R1 R2 所以，電阻測溫信號通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓時，熱電阻必須用三線制接法，以抵消接線電阻隨溫度變化對電橋的影響。 2.2.3.2 熱敏電阻 有些半導(dǎo)體材料的電阻值具有負溫度系數(shù)，可以作溫度傳感元件，特點是： (1) 電阻率大—電阻體積小，響應(yīng)快； (2) 溫度系數(shù)大—靈敏度高； (3) 非線性嚴重—影響精度。 (4) 溫度特性分散—互換性差 溫度(℃) 108 106 104 102 10 0 160 120 80 40 電阻(Ω) 負溫度系數(shù)熱敏電阻特性 2.2.4 集成溫度傳感器 集成溫度傳感器將溫敏晶體管和外圍電路集成在一個芯片上構(gòu)成，相當于一個測溫集成器件。 特點：體積小、反應(yīng)快、線性較好、價格便宜，測溫范圍一般為-50~150℃。 集成溫度傳感器利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測： VBE e b c I , 式中:K—波爾茲常數(shù)；q—電子電荷絕對值。 通過對VBE的放大及線性化處理，實現(xiàn)溫度信號的線性輸出。 集成溫度傳感器按輸出信號形式不同，分為電壓型、電流型和數(shù)字型三類。 1、電壓輸出型 電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0℃時輸出為0，溫度25℃時輸出2.982V。常見的有LM135系列。 2、電流輸出型 電流輸出型的靈敏度一般為1mA/K。最典型的是美國模擬器件公司生產(chǎn)的AD590 。 AD590是單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下： (1) 流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文），即：IT=T IT—流過器件的電流，單位為mA； T—熱力學(xué)溫度，單位為K。 (2) 測溫范圍為-55℃～+150℃ (3) 電源電壓范圍為4V～30V (4) 輸出電阻為710MW 3、數(shù)字輸出型 最典型的數(shù)字輸出型集成溫度傳感器是DS1820。其外形如一只三極管，三個引腳分別是電源、地、數(shù)據(jù)線 ，測溫范圍為-55℃～+125℃，分辨率為0.5 ℃。 2.2.5溫度顯示與記錄 熱電偶、熱電阻等傳感元件的測溫信號必須經(jīng)后級儀表處理，將溫度顯示出來或記錄保存。 2.2.5.1動圈式指示儀表 動圈式指示儀表可分別與熱電偶、熱電阻配套指示溫度，是最簡單的模擬指示儀表。 動圈式儀表的驅(qū)動部件是動圈測量機構(gòu)，其本質(zhì)是一個磁電式毫安表。信號電流流過動圈時，動圈受磁場力作用而偏轉(zhuǎn)，帶動指針偏轉(zhuǎn)。同時張絲被扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生反作用力矩，當與磁場力矩平衡時，動圈就停留在某一位置上，指針指示出被測參數(shù)值。 動圈測量機構(gòu)原理圖 動圈測量機構(gòu)配接不同的測溫元件時電路有所不同 2.2.5.2 數(shù)字式指示儀表 數(shù)字式指示儀表是以數(shù)字電壓表為主體而構(gòu)成的測量儀表。其原理框圖如下： 檢測變送 寄存器 模/數(shù)轉(zhuǎn)換 脈沖計數(shù) 脈沖信號 數(shù)字譯碼器 顯示器 例：配熱電偶的數(shù)字式測溫儀表原理框圖 標準電勢經(jīng)過濾波，放大和線性化處理后，再經(jīng)過相應(yīng)的標度變換，就能夠得到實測數(shù)據(jù)。 2.2.5.3自動記錄儀表 自動記錄儀能實時記錄被測參數(shù)。記錄的方式有紙記錄和無紙記錄兩類。 1.自動平衡電橋式記錄儀 配接熱電阻的測溫記錄儀。利用電橋的平衡動作進行測量記錄。 Rp Rt R3 r 自動平衡電橋原理圖 R0 R2 R1 平衡電橋測溫原理 Rt是測溫電阻，Rp是滑線電阻，觸點B由電機帶動可左右移動，電機由電橋的不平衡電壓驅(qū)動。到達平衡點時，電橋輸出為零，電機停止。 B的位置可以反映?Rt，即反映了溫度的變化；觸點位移與?Rt呈比例關(guān)系。 電橋測溫關(guān)系 當被測溫度為下限時，Rt有最小值Rt0，滑動觸點應(yīng)在Rp的左端，此時電橋平衡，條件是: R2R4＝R3（Rt0+Rp） 被測溫度升高時，電橋不平衡輸出驅(qū)動電機，帶動觸點向右移動，直至新的平衡點: R2(R4+ r1 ) ＝ R3(Rt0+? Rt+Rp-r1) 兩式相減得： 2.自動電位差計式記錄儀 自動電位差計式記錄儀是配接熱電偶的測溫記錄儀。和自動平衡電橋式記錄儀相比，放大、驅(qū)動、走紙機構(gòu)都相同，僅測量電路不同。 圖2.23中，測量電橋產(chǎn)生不平衡電壓與熱電偶，輸出相平衡。同時為了冷端補償，將R2換成銅電阻，和熱電偶的冷端置于同一溫度下。當冷端溫度升高時，設(shè)計使電壓VR2的增加量恰好彌補熱電勢的減少值 VR2 =E(t0,0) E(t,t0) 數(shù)字式記錄儀表 形式多樣，內(nèi)裝CPU，無紙記錄被測參數(shù)。可實時顯示，也可隨時調(diào)出歷史曲線?？啥嗤ǖ烙涗? 2.2.6溫度變送器 檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號標準。變送器的任務(wù)就是將不標準的檢測信號，如熱電偶、熱電阻的輸出信號轉(zhuǎn)換成標準信號輸出。 模擬控制系統(tǒng)的信號標準是： Ⅱ型：0~10mA、0～10V Ⅲ型：4～20mA、1～5V 數(shù)字控制系統(tǒng)的信號標準有：FF協(xié)議、 HART協(xié)議等 2.2.6.1模擬式溫度變送器 模擬式溫度變送器有多個品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但結(jié)構(gòu)基本相同。 溫度變送器原理框圖 + - 電量 傳感元件 被測溫度 輸入電路 放大電路 反饋電路 輸出電流 輸出電路 以DDZ-III型熱電偶溫度變送器為例： Et 放大電路 電源 輸入電路 輸出電路 電路原理分析： 1．輸入電路 熱電偶溫度變送器的輸入電路主要是在熱電偶回路中串接一個電橋。在電橋中實現(xiàn)熱電偶的冷端補償和測量零點的調(diào)整。 Ei=Et + VRcu － VR4 Ei 零點調(diào)整 溫度補償 Ei = Et + VRcu－VR4 = Et + ?VRcut0 + VRcu0 －VR4 標準熱電勢 零點調(diào)整 冷端補償設(shè)計： ?VRcut0=E(t0 ,0) 調(diào)R4實現(xiàn)量程調(diào)整。 VRcu0 － 0℃時Rcu上壓降， ?VRcut0－t 0℃時Rcu上壓降增量 2、放大電路 熱電偶輸出的熱電勢為毫伏信號，而測量現(xiàn)場很容易引入干擾，因此放大電路必須是高增益低漂移的運放，深度反饋，同時還要采取抗干擾措施。例如用熱電偶測量電爐溫度時，放大電路要浮空。 耐火磚的漏電阻、漏電容 eAB 如果不接地， 則eab= 0 3、反饋電路 在反饋電路中需要完成量程調(diào)整和非線性校正兩個功能。量程調(diào)整實質(zhì)上是調(diào)整放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)，通過調(diào)節(jié)反饋電阻的大小就可實現(xiàn)。而非線性校正則需要一個校正網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。 Io Et - Et 熱電偶 被測溫度T 輸入電路 放大電路 非線性反饋 輸出電流lo T Io Vf T + 4，供電電源 變送器的供電電源是+24V。為了提高變送器的抗共模干擾能力和安全防爆，放大器需要在電路上與電源隔離。24V直流電源經(jīng)調(diào)制解調(diào)后，供電路使用。 近年來，已推出小型固態(tài)化溫度變送器和一體化溫度變送器，它將傳感元件與測量電路一體化，電路高度集成，自帶冷端補償功能， 24VDC供電。 2.3 壓力檢測及儀表 壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工藝參數(shù)之一。如在化工、煉油等生產(chǎn)工藝中，經(jīng)常會遇到高壓、超高壓和真空度（負壓）的測量。 2.3.1壓力檢測的方法 工程上習(xí)慣把垂直作用于作用單位面積上的力稱為 “壓力”。即 P = F/S S F 壓力的單位是“帕斯卡”——1Pa =1N/m2 1MPa =106Pa 1工程大氣壓 = 1kg /cm2 = 9.80665×104Pa ≈ 0.1MPa p被測壓力1 工程中壓力的表示方式有：表壓、負壓（真空度）、 差壓、絕對壓力。 工業(yè)中所用儀表的壓力指示值，大多數(shù)為表壓和差 壓。 p被測壓力2 表壓 、絕對壓力、負壓（真空度）、差壓之間 的關(guān)系： p表壓 = p絕對壓力 — p大氣壓力 p真空鍍 = p大氣壓力 — p絕對壓力 p差壓 = p被測壓力1 — p被測壓力2 壓力測量儀表品種很多，按照其轉(zhuǎn)換原理的不同，大致可分為四大類。 1、液柱式壓力計 利用液體靜力學(xué)原理測壓，如U型管壓力計，當被測壓力P大于大氣壓力B時，液柱會產(chǎn)生高度差。 2、彈性式壓力計 將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件的變形位移后測量位移，如彈簧管壓力表。 3．電氣式壓力計 通過傳感元件及電路，將被測壓力轉(zhuǎn)換成電量輸出或指示，如電容式壓力變送器。 4．活塞式壓力計 根據(jù)液體均勻傳遞壓力的原理，將被測壓力與活塞上所加的砝碼質(zhì)量進行平衡來測量壓力，它的測量精度很高，主要用于壓力表的檢定。 2.3.2 彈性式壓力計 利用彈性元件受壓產(chǎn)生變形可以測量壓力。由于其產(chǎn)生的位移或力易轉(zhuǎn)化為電量，且構(gòu)造簡單，價格便宜，測壓范圍寬，被廣泛使用。 常用的彈性元件有5種： 1）單圈彈簧管 將截面為橢圓形的金屬空心管彎成270°圓弧形，頂端封口，當通入壓力 p 后，它的自由端就會產(chǎn)生位移。單圈彈簧管測壓范圍較寬，可高達1000MPa。 2）多圈彈簧管 為了在測低壓時增加位移，可以將彈簧管制成多圈狀。 3） 膜片 用金屬或非金屬材料做成的具有彈性的圓片（有平膜片和波紋膜片）。在壓力作用下，其中心產(chǎn)生變形位移?？蓽y低壓。 4） 膜盒 將兩張金屬膜片沿周口對焊，內(nèi)充硅油。使膜片增加強度。 5 ) 波紋管 位移最大，可測微壓（＜1MPa)。 1）單圈彈簧管 2）多圈彈簧管 3） 膜片 4） 膜盒 5 ) 波紋管 2.3.2.2彈簧管壓力表 彈簧管壓力表的品種規(guī)格繁多。按其用途不同，有普通彈簧管壓力表、耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓力表等。 它們的外形與結(jié)構(gòu)基本相同，只是所用的彈簧管材料有所不同。 彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)原理 1 - 彈簧管 2- 拉桿 3- 扇形齒輪 4- 中心齒輪 5- 指針 6 – 面板 7 – 游絲 8 – 調(diào)整螺釘 9 – 接頭 彈簧管是一根彎成270°圓弧的橢圓截面 的空心金屬管，管子的自由端B封閉，并連接 拉桿及扇形齒輪，帶動中心齒輪及指針。 2.3.3電氣式壓力計 電氣式壓力計是指將壓力轉(zhuǎn)換成電信號進行顯示的儀表。電氣式壓力變送器是指將壓力轉(zhuǎn)換成標準電信號輸出的儀表。 電氣式壓力計一般由壓力傳感元件、測量電路和信號處理電路所組成。 信號輸出 電量 被測壓力 傳感元件 測量線路 顯示器 2.3.3.1電容式差壓（壓力）變送器 電容式差壓變送器是20世紀70年代初由美國公司研發(fā)。結(jié)構(gòu)簡單、過載能力強、可靠性好、精度高、體積小。一個被測壓力是大氣壓時，就成為壓力變送器。 電容式差壓變送器先將差壓的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，然后用電路測電容。 輸出信號范圍是DC4～20mA。 如圖是利用測電容充放電流的轉(zhuǎn)換電路。 正弦波電壓E加于差動電容C1、C2上，因R1～R4的阻抗比C1、C2的阻抗小得多，流過C1、C2的半周期電流有效值近似為： V4 V1 V2 要測I1、I2的變化，可間接測R1、R2上的壓 降。 令V1、V2、V4分別為R1、R2、R4上的壓降，則： ：V1=I1R1、V2=I2R2、V4=I4R4、R1=R2=R4 因 即 當V4=I0R4不變時，測出V2－V1，可得?P。 在實際測量中，差動電容Cl、C2變化會引起電流I0變化，若要保持V4不變，必須設(shè)監(jiān)控電路。通過監(jiān)測V4自動調(diào)節(jié)E的幅度，使V4保持恒定。 2.3.3.2 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變原理構(gòu)成的。電阻應(yīng)變片有金屬應(yīng)變片（金屬絲或金屬箔）和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。如金屬絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)： 縱向 R=ρL/S 電阻應(yīng)變原理： 當應(yīng)變片產(chǎn)生縱向拉伸變形時，L變大、S變小，其阻值增加；當應(yīng)變片產(chǎn)生縱向壓縮變形時，S 變大、 L變小，其阻值減小。 應(yīng)變片電阻的變化可用電橋測出。 r1和r2的變化，使橋路失去平衡，有不平衡電壓ΔU輸出。 r1、r2設(shè)置在相鄰橋臂構(gòu)成半橋，既可以提高靈敏度，又有溫度補償作用。溫度升高引起的r1、r2阻值升高部分，壓降相減。 － ＋ 應(yīng)變片r1 應(yīng)變片r2 2.3.3.3壓阻式壓力傳感器 利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。 壓阻效應(yīng)——受壓時電阻率發(fā)生變化。 2.3.3.4 壓電式壓力傳感器 利用某些材料的壓電效應(yīng)原理制成。具有這種效應(yīng)的材料如壓電陶瓷、壓電晶體稱為壓電材料。 壓電效應(yīng)：壓電材料在一定方向受外力作用產(chǎn)生形變時，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其表面上產(chǎn)生電荷。當去掉外力時，又重新返回不帶電的狀態(tài)。這種機械能轉(zhuǎn)變成電能的現(xiàn)象，稱之為壓電效應(yīng)。 2.3.4智能式差壓變送器 智能式差壓變送器內(nèi)部電路裝有CPU芯片，有很強的數(shù)字處理能力。除檢測功能外，還具有靜壓補償、計算、顯示、報警、控制、診斷等功能。與智能式執(zhí)行器配合使用，可就地構(gòu)成控制回路，并隨時與上位機通訊。 2.3.4.1 3051C HART變送器 3051型差壓變送器是美國羅斯蒙特公司的一種智能型兩線制變送器，有電容式和壓電式兩種。圖2.44是 3051C 電容式變送器的原理框圖。 傳感器部分與模擬儀表一樣，測量信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后送微處理器處理。輸出符合HART協(xié)議的數(shù)字信號疊加在4～20mA的輸出信號線上。 3051型差壓變送器可同時用于數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬控制系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)設(shè)定器跨接在信號線上，可以讀取變送器的輸出信號，并對變送器進行組態(tài)。 2.4 流量檢測及儀表 流量是生產(chǎn)控制及經(jīng)濟核算中的重要檢測參數(shù)。 2.4.1流量的基本概念 流量指單位時間內(nèi)流過某一截面的流體數(shù)量。即瞬時流量。表示方法有： q 質(zhì)量流量Qm （t/h、 kg/h 、 kg/s ） q 體積流量Qv （m3/h、 L/h、 L/min ） 二者的關(guān)系：Qm =ρQv ρ—流體的密度 總量指一定時間內(nèi)流過某截面的流體流量的總和。 即累計流量。以 t 表示時間，則總量和流量之間的關(guān)系是： 流量計的種類繁多，若按測量原理分，流量計可分為： 節(jié)流式流量計 速度式流量計 容積式流量計 電磁式流量計 ········· 2.4.2 差壓式流量計 差壓式（也稱節(jié)流式）流量計是基于流體流動的節(jié)流原理，利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時產(chǎn)生的壓力差而實現(xiàn)流量測量。 顯示儀表 Q 差壓變送器 節(jié)流裝置 ＋ 節(jié)流現(xiàn)象 流體在流過節(jié)流件時，在節(jié)流件前后的靜壓產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。 節(jié)流件是能使管道中的流體產(chǎn)生局部收縮的元件，節(jié)流件和取壓裝置組裝成節(jié)流裝置。Q P2 P1 差壓式流量計常用的標準節(jié)流件是孔板，其次是噴嘴、文丘里管等。 標準節(jié)流裝置取壓方法有角接取壓法和法蘭取壓法兩類。 角接取壓法是在孔板前后端面處環(huán)室取壓或鉆孔取壓；法蘭取壓法是在孔板前后一定距離處取壓。 角接取壓 1—管道法蘭 2—環(huán)室 3—孔板 4—夾緊環(huán) 2.4.3 轉(zhuǎn)子流量計 在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到小流量的測量，因流體的流速低，要求測量儀表有較高的靈敏度，才能保證一定的精度。 差壓式流量計對管徑小于50mm、低雷諾數(shù)的流體的測量精度是不高的。而轉(zhuǎn)子流量計則特別適宜于測量管徑50mm以下管道的流量，測量的流量可小到每小時幾升。 工作原理： 轉(zhuǎn)子流量計與差壓式流量計一樣都是利用節(jié) 流原理測流量。當流體自下而上流過錐形管時，管中的轉(zhuǎn)子受 到向上的推力，使轉(zhuǎn)子浮起。當此力正好等于轉(zhuǎn)子重力時，作 用在轉(zhuǎn)子上的上下兩個力平衡，轉(zhuǎn)子停浮在一定的高度上。流 量增大時，作用在轉(zhuǎn)子上的向上的推力就加大，轉(zhuǎn)子上移。隨 著轉(zhuǎn)子上移，流體的流通面積增大，流過此環(huán)隙的流體流速變慢， 推力減小。 當轉(zhuǎn)子受到的向上的推力再次等于轉(zhuǎn)子在流體中的重力時，轉(zhuǎn)子又穩(wěn)定在一個新的高度上。因此，流量越大，轉(zhuǎn)子停浮位置越高。在錐形管的高度坐標上標度對應(yīng)的流量值。那么根據(jù)轉(zhuǎn)子平衡位置的高低就可以讀出流量的大小。這就是轉(zhuǎn)子流量計測量流量的基本原理。 轉(zhuǎn)子位置信號的輸出 1、錐形管是玻璃的，直接目視轉(zhuǎn)子的位置。 2、在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝磁鐵，錐形管外安裝磁環(huán) 隨轉(zhuǎn)子上下移動，接通顯示電路。 3、在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝磁鐵，錐形管外安裝雙霍 爾磁場傳感器，測出磁場的水平分量和垂直 分量，可確定轉(zhuǎn)子位置。 4、在轉(zhuǎn)子上方安裝一導(dǎo)磁棒，使差動變壓 器輸出隨轉(zhuǎn)子位置變化。 2.4.5 橢圓齒輪流量計 橢圓齒輪流量計是利用兩個相互嚙合的橢圓形齒輪在流體的推動下，連續(xù)轉(zhuǎn)動來測流量的。 當流體要流過橢圓齒輪時，進口側(cè)壓力p1大于出口側(cè)壓力p2，在此壓力差的作用下，產(chǎn)生作用力矩使橢圓齒輪轉(zhuǎn)動。 此圖表示橢圓齒輪轉(zhuǎn)動了1/4周的情況，其排出的流體為一個半月形容積V0。所以，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周所排出的被測介質(zhì)量為半月形容積的4倍。故通過橢圓齒輪流量計的體積流量Q為： Q = 4nV0 n—齒輪轉(zhuǎn)速 如果累計齒輪轉(zhuǎn)速，則得到體積總量。 2.4.6 渦輪流量計 在測量管道內(nèi)，安裝一個可以自由轉(zhuǎn)動的渦輪，當流體通過時，流體的動能使渦輪旋轉(zhuǎn)。流體的流速越大，渦輪轉(zhuǎn)速也就越高。 因此，測出渦輪的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)，就可確定流過管道的流體流量或總量。日常生活中使用的某些自來水表、油量計等，都是利用這種原理制成的，都屬于速度式儀表。 2.4.7 電磁流量計 在流量測量中，當被測介質(zhì)是具有導(dǎo)電性的液體介質(zhì)時，可以用電磁感應(yīng)的方法來測量流量。 工作原理：在管道兩側(cè)安放磁鐵，流動的液體當作切割磁力線的導(dǎo)體，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與流體的流速成正比關(guān)系。當磁感應(yīng)強度B不變、管道直徑一定時，流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢E的大小僅與流體的流 v 速有關(guān)。 感應(yīng)電勢的方向由右手定則判斷，其大小為： E = BDv 當BD一定時，感應(yīng)電勢E與流速v成正比。 式中： Ex — 感應(yīng)電勢；B — 磁感應(yīng)強度； D — 管道直徑； v —流體速度。 體積流量Q與流速 v 的關(guān)系為： Q v D 而,得感應(yīng)電勢E與Q成正比關(guān)系 式中稱為儀表常數(shù) 上式為滿管式流量測量。對于非滿管式流量測量, 應(yīng)加測液位, 然后根據(jù)實際截面積計算流量。 2.5 物位檢測及儀表 物位測量在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位。例如蒸汽鍋爐運行時，如果汽包水位過低或過高，都會危及鍋爐安全，造成嚴重事故。 2.5.1概述 物位的含義包括： 液位：容器中液體的儲存高度 料位：容器中粉料的堆積高度 界位：容器中不同密度液體的分界面高度 物位測量儀表可分為下列幾種類型: 1） 靜壓式液位測量 利用液體對某定點的壓力，隨液位高度而變化的原理進行測量。一般只測液位。 2） 浮力式液位測量 利用浮子所受的浮力隨液位高度而變化的原理工作。 3） 電氣式物位測量 利用電容、電阻或電感作敏感元件，將物位轉(zhuǎn)換為電量。 4）核輻射式物位測量 利用核輻射線穿透物料時，其透射強度隨物質(zhì)層的厚度而變化的原理測量物位。 5）聲學(xué)式物位測量 根據(jù)超聲波在物質(zhì)中的傳播時間測出物位。 6）光學(xué)式物位測量 利用光波在傳播中遇不同物質(zhì)的界面時會發(fā)生遮斷和反射的現(xiàn)象測量物位。 2.5.2差壓式液位變送器 利用測量容器底部和頂部的壓差測液位。 2.5.2.1 測量原理 設(shè)容器上部空間為干燥氣體，其壓力為p2，下部取壓點壓力為p1 ，則： 式中： H—液位高度； r —介質(zhì)密度； g—重力加速度。 p2 p1 若被測容器是敞口的，氣相壓力為大氣壓，則可將差壓變送器的低壓室通大氣、或用壓力變送器、或用壓力表即可測量。因為壓力變送器和壓力表都是測量與大氣壓之差。 2.5.2.2零點遷移 理想測量條件下，液位H=0時，變送器的輸入壓差信號?P=0，變送器的輸出為零點信號4mA。即零點對齊：H＝0時， Δp = Hrg =0， I0=4mA 應(yīng)用時，由于差壓變送器安裝的實際情況限制，測量零點很難對齊，需要對差壓變送器的零點進行遷移。 1）負遷移 例如，變送器和容器之間用隔離罐隔離時： 當 H =0時： 此時，理論上變送器應(yīng)輸出在4mA以下，但不可能實現(xiàn)。需要將零點負遷移。 p1 p2 v 零點遷移的方法是，另加＋ ( h2- h1)r2g 信號，抵消－( h2- h1)r2g的影響。使：H =0 時， Δp =0 2、正遷移 例如，變送器安裝在容器底部以下時： ?P = Hρg ＋hρg H=0 時，?P =＋hρg 此時需要遷移＋hρg 遷移的目的：使變送器輸出的起點與被測量起點對齊。 遷移同時改變了測量范圍的上下限，相當于測量范圍向正方向或負方向的平移。 例如，某差壓變送器的測量范圍為0～50MPa，對應(yīng)輸出從4mA變化到20mA，這是無遷移的情況，如曲線a所示。若因安裝的原因造成： 無遷移 負遷移 H=0時， ? P=－10 MPa， I0/mA 則需負遷移。 20 H=0時，? P=10 MPa， 則需正遷移。 b a 正遷移 c 4 +10 ?P/MPa 0 50 -10 2.5.3電容式物位變送器 利用電容器的極板之間介質(zhì)變化時，電容量也相應(yīng)變化的原理測物位。可測量液位、料位和兩種不同液體的分界面。 L D d 測量原理如下： 圓柱形電容器的電容量為 ε為介電系數(shù) H = 0 時：D ε0—空氣的介電系數(shù)；ε—被測物料的介電系數(shù) H＞ 0 時： L D d ε0 ε H 電容的變化量與液位成正比。 D 2.5.3.1液位的檢測 對非導(dǎo)電介質(zhì)液位的測量，用雙電極式。 對導(dǎo)電介質(zhì)液位測量，用單電極式，電極用絕緣套絕緣，金屬容器的外壁即是電容的外電極。 2.5.3.2料位的檢測 （ 也用單電極式）。 ε0 ε 2.5.4 超聲波液位計 利用超聲波在液體中傳播有較好的方向性、能量損失較少、且遇到分界面時能反射的特性，用回聲測距的原理，測定超聲波發(fā)射后遇液面反射回來的時間，以確定液面的高度。 v—超聲波在液體中的傳播速度 若速度v為已知常數(shù)，測出時間t，便可算出液面高 度H。 測料位時，超聲波物位計安裝在容器頂部。 2.6 成分檢測及儀表 所謂成分，是指在多種物質(zhì)的混合物中，某一種物質(zhì) 所占的比例。在生產(chǎn)中經(jīng)常需要在線檢測物料的成分。例如在鍋爐的燃燒控制中，必須隨時根據(jù)燃燒煙氣的含氧量變化，調(diào)節(jié)助燃空氣的供給量，以獲得最高的熱效率。 成分檢測項目繁雜，測量原理差異很大。此處只介紹幾種在過程控制中常用的成分檢測儀表。 2.6.1氧化鋯氧量計 氧化鋯氧量計廣泛用于鍋爐和窯爐的煙氣含氧量測量及內(nèi)燃機尾氣的含氧量測量，以控制燃燒效率。 為減少排放污染，我國從2000年起要求汽車發(fā)動機的電子控制燃油噴射裝置中必須安裝氧傳感器。 2.6.1.1工作原理 氧化鋯（ZrO2）粉末中摻入一定比例的氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）粉末，壓制成一端封閉或兩端都不封閉的管狀體。 CaO ZrO2 “氧濃差電池”的形成過程： 在固態(tài)電解質(zhì)氧化鋯（ZrO2）中摻入一定 比例的氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）。四價的 鋯被二價的鈣或三價的釔置換時，形成氧離子空穴。在氧化鋯兩側(cè)各燒結(jié)一層多孔的鉑電極，就構(gòu)成氧濃差電池。 氧化鋯外側(cè)為被測煙氣，氧含量約為4~6％，其氧分壓為P1，氧濃度為φ1；內(nèi)側(cè)為參比氣體—空氣，氧含量為20.8％，其氧分壓為P2，氧濃度為φ2。 當溫度達600℃以上時，空穴型氧化鋯就成為良好的氧離子導(dǎo)體。氧氣能夠以離子形式從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴散。 氧分子從鉑電極處取得電子，成為氧離子進入氧化鋯空穴，高氧側(cè)鉑電極因失去電子而帶正電。 O2+4e→2O2- 還原反應(yīng) 當氧離子通過氧化鋯到達低氧側(cè)時，氧離子將電子還給鉑電極變成氧分子進入煙氣，低氧側(cè)鉑電極因得到電子而帶負電。 2O2-→O2+4e 氧化反應(yīng) 根據(jù)Nernst方程，氧濃差電勢E可以表示為： 式中：R —氣體常數(shù)；F —法拉弟常數(shù)；n—一個氧分子攜帶電子數(shù)（n＝4）；T —氣體絕對溫度；P1、P2 — 被測氣體與參比氣體的氧分壓。 由于在混合氣體中，某氣體組的分壓力和總壓力之比與容積成分（即濃度）成正比，有： 代入Nernst方程： 可見，氧濃差電勢E與煙氣含氧量Φ1 呈非線性關(guān)系。 關(guān)系穩(wěn)定的必要條件是： 1）、溫度T恒定在600℃以上。 如果溫度不夠，可在氧化鋯探頭內(nèi)裝加熱器。 2）、空氣的氧含量恒定。 如果通風(fēng)不好，可在探頭空氣口安裝空氣泵，以保證探頭內(nèi)空氣新鮮，含量等于20.8％ 。 3）、參比氣體與被測氣體壓力相等。 公式中才能用濃度來代替氧分