东北大学过程检测复习 08
第二章温度测量；一、接触测温存在的问题，应该采取什么措施解决？；答：辐射测温的基本方法有亮度法测温、比色法测温、；原理：利用各种物体在不同温度下辐射的单色辐射亮度；亮度温度计的分度存在的两个问题：物体的单色辐射亮；光学高温计需要提高标准灯的稳定性，所采取的措施：；光电高温计使用时应注意（1）非黑体辐射的影响，材；工业用亮度温度计通常在10~50℃环境温度下使
第二章温度测量
一、接触测温存在的问题，应该采取什么措施解决？
答：辐射测温的基本方法有亮度法测温、比色法测温、全辐射法测温。亮度温度计：
原理：利用各种物体在不同温度下辐射的单色辐射亮度与温度的函数关系制成的。在实际测温中会遇到两个问题：实际被测对象发射率未知，仪表如何刻度，以此引入了亮度温度（具有不同光谱发射率的实际物体都有可能在同一波长下发出相同的热辐射单色辐射亮度）的概念；不能满足普朗克定律所要求的“单色”问题，以此引入有效波长的概念。
亮度温度计的分度存在的两个问题：物体的单色辐射亮度并不能唯一确定该物体的真实温度；被测对象的光谱发射率各不相同，且在大多数情况下是未知的。解决办法：亮度温度计的刻度应按黑体进行标定，实际应用时，应注意刻度换算。亮度温度计的测温关键被测对象光谱发射率的准确确定。
光学高温计需要提高标准灯的稳定性，所采取的措施：进行充分的老化或退火严格控制高温计标准灯在1400℃以下的亮度温度范围内使用。当亮度温度超过1400℃时，灯丝会发生：过热氧化或灯丝阻值发生变化，从而改变了温度和灯丝电流的关系，灯丝开始升华而在玻璃泡上形成暗黑的薄膜，改变了灯丝亮度特性，造成误差。解决办法：插入吸收玻璃。
光电高温计使用时应注意（1）非黑体辐射的影响，材料发射率的影响因素有波长、温度、表面条件、发射角、偏振状态。采取措施有：人为地创造黑体辐射条件，准确计算发射率。（2）中间介质的影响:
理论上光学高温计与被测目标间没有距离上的要求，只要求物像能均匀布满目镜视野即可。但实际上会发生如下情况：光路中灰尘、烟雾、水蒸汽和二氧化碳等对热辐射均有散射效应和吸收作用，从而使测量值偏低；外来反射光线（如日光、火焰、强的照明光等）可使测量值增加。采取措施：对温度计采用遮光装置；光学高温计应距被测物体不宜太远，一般在1~2m内比较合适。（3）工作波段的选择：对于金属材料，它们的光谱发射率随着波长的增大而减小，因此选择短波是有利的；在低温测量中，由于辐射能量很小。所以必须要考虑大气吸收。在一定光谱区域内，大气吸收为最小，因此常选择该区域（大气窗口）作为工作波段进行测量。（4）周围环境的影响：
工业用亮度温度计通常在10~50℃环境温度下使用，否则标准灯会受环境温度影响产生较大误差，仪表内部可调线圈电阻也会随温度变化产生附加误差，温度计工作现场应避免有强磁场的干扰。（5）被测对象：亮度温度计不宜测量反射光很强的物体，也不能测量不发光的物体。（6）其他：在更换标准灯和光电器件时需要重新进行调整和分度，流过标准灯的电流方向应与分度时保持一致。比色温度计：通过测量被测物体在两个不同指定波长下的光谱辐射亮度之比来实现测温的仪表。在辐射通道上若有某种介质对仪表所选用的两个波长中任一波长有明显吸收峰，仪表会无法正常工作。
单通道单光路比色温度计滤光片之间透过率的差异会影响测量准确度。单通道双光路比色温度计
结构较复杂，光路调整困难。
双通道比色高温计测量准确度及稳定性较差。
全辐射温度计：
基本原理是斯忒藩–玻尔兹曼定律。使用时应注意：
（1）发射率的影响（影响因素有物体性质、表面状态、温度、辐射条件）采取措施有：确定被测物体的ε；创造黑体辐射条件。（2）中间介质的影响（由于环境中存在的中间介质吸收辐射能，使高温计接
收的辐射能减小，示值偏低，引起误差。采取措施：被测对象与物镜之间的距离最好不超过2m。（3）环境温度的影响（由于热电堆参考端温度变化造成误差），采取措施：用双金属片进行温度补偿。（4）距离系数L/D影响：L/D大，成像小，温度示值偏低；L/D小，热电堆参考端温度上升，也造成示值下将。应该合理选择L/D。
此外，辐射测温过程中存在着各种干扰。光路中的干扰、外来光干扰和发射率变化的干扰等。当然，辐射温度计本身在信号变换与处理过程中不可避免地有机械振动、温度变化和电磁等方面的干扰，光路中的干扰会减弱入射到辐射温度计中的辐射能，从而造成测量误差，解决办法：采取在短波下测量的方法，用压缩空气吹散水膜，用仪表风清洗光路。外来光的干扰（如在室外测量时的太阳光、在室内测量时的照明、附近的加热炉和火焰等）解决办法：尽量避免外来光的光源、设置遮蔽装置（对于一些固定的难以避免的光源）、遮蔽装置的内侧应涂、用空气或水等对遮蔽装置进行冷却。发射率变化也会产生误差（物体的发射率不仅与温度、波长有关，而且即使是同一物质也与其表面粗糙度、锈蚀和氧化程度等因素有关），解决办法：进行黑度的在线测量、用前置反射器辐射温度计作为在线标准、人为形成黑体空腔。
二、接触式测温与非接触式测温，并各自选取两点分析原因。答：分析比较如下表：
温度场分布，造成测量误差，因为测温时与被测物体直接接触。
（2）非接触式测温响应速度快，因为不需要与物体进行充分的热交换；测温过程不破坏被测对象的温度场分布，因为测温时没有与被测物体直接接触。
三、标准热电偶与非标准化热电偶
答：标准化热电偶：
（1）定义：生产工艺成熟、成批生产、性能优良并已列入国家标准文件中
的热电偶。
（2）特点：具有统一的分度表；
不用单支标定；
可互换并有配套仪表供使用。
非标准化热电偶：
（1）定义：在工艺上不成熟，目前应用不十分广泛，只用在某些特殊的环
境中，如高、低温等。同时没有统一的分度表，也没有与其配
套的二次仪表。
（2）特点：非标准化热电偶虽然也有热电偶分度表，但一个热电偶有一个
分度表，分度表不能共用。
四、贵金属热电偶与廉价金属热电偶
答：分析比较如下表：
五、热电偶和热电阻
答：热电偶：
热电偶是通过测量热电势来实现测温的。热电偶测温三要素：不同材质、不同温度、闭合回路，缺一不可。其优点是：
①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。②测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬)，最高可达+2800℃(如钨-铼)。
③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
热电偶在使用时需注意：
（1）热电偶应与被测对象充分接触
（2）保护管应有足够的机械强度
（3）热电偶定期清洗
（4）减小磁感应的影响
布线时应尽量避开强电区，更不能与电网线近距离平行敷设
如果实在避不开，也要采用屏蔽措施或采用铠装线，并使之完全接地
若担心热电偶受影响时，可将热电极丝与保护管完全绝缘，并将保护管接地。
（5）不宜在最高使用温度下长期工作
（6）注意冷端温度的补偿与修正。
热电阻：
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度的。
热电阻必须满足以下要求:
要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数；
电阻率要大，以便在同样灵敏度下减小元件的尺寸；
电阻随温度变化要有单值函数关系，最好呈线性关系；
在电阻的使用温度范围内，其化学和物理性能稳定，在加工时要有较好的工艺性；
材料的价格便宜，有较高的性能价格比。
优点：工业上广泛用于测量－200~850℃内的温度，其性能价格比高；在少数情况下，低温可测至1K，高温达1000℃；
同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高，但在中、低温区稳定性好、准确度高，且不需要冷端温度补偿，信号便于远传；
与热电偶相比，同样温度下，灵敏度高、输出信号大，易于测量；
标准铂电阻温度计的准确度最高，并作为国际温标中961.78℃以下内插用标准温度计。
缺点：不适于测量高温物体；
不同种类的电阻式温度计个体差异较大；
A铜电阻温度计感温元件结构复杂，体积较大，热惯性大，不适于测体积狭小和温度瞬变对象的温度；
B半导体热敏电阻的互换性差。
连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差；
需外部电源供电。
六、金属热电阻和半导体热敏电阻
答：（1）材料不同
（2）电阻温度系数的正负不同
金属热电阻大于零，半导体热敏电阻不定
（3）灵敏度
金属热电阻小于半导体热敏电阻
A在温度每升高1℃时，大多数金属热电阻的阻值将增加0.4％~0.6％；半导体热敏电阻的阻值将变化2％~6％；
B半导体热敏电阻温度系数是金属电阻的10多倍；（4）复现性和稳定性；A金属热电阻优于半导体热敏电阻；B半导体热敏电阻的稳定性及互换性差，每支须单独标；（5）电阻阻值；A半导体热敏电阻高于金属热电阻；B半导体热敏电阻通常在数千欧以上，不必考虑引线电；（6）非线性；半导体热敏电阻大于金属热电阻；第三章压力、压差测量；1.答：这里的压力是指物理学上的压强，而压力测
B半导体热敏电阻温度系数是金属电阻的10多倍。
（4）复现性和稳定性
A金属热电阻优于半导体热敏电阻
B半导体热敏电阻的稳定性及互换性差，每支须单独标定，应用受到一定限制
（5）电阻阻值
A半导体热敏电阻高于金属热电阻
B半导体热敏电阻通常在数千欧以上，不必考虑引线电阻（约10Ω）对测温的影响，不必采用三线制或四线，制体积小、响应时间快（半导体材料的电阻率远比金属材料大得多，因此它的体积可做得非常小）
（6）非线性
半导体热敏电阻大于金属热电阻
第三章压力、压差测量
1.答：这里的压力是指物理学上的压强，而压力测量仪表所指示的“压力”通常是表压力。大气压力、表压力、绝对压力和负压力之间的关系如下图：
P,负压力为P其中，大气压力为P0,绝对压力为Pa，表压力为h。
2.答：不能，弹簧管压力表是通过弹簧管自由端的位移和中心角初始值的改变量来测定压力的。受力后由于弹簧管长度一定，使弹簧管产生向外挺直的扩张变形，结果改变弹簧管的中心角，使其自由端产生位移，这样弹簧管将压力转换为位移来进行测量。如果弹簧管做成圆形，则圆形截面的长半轴a=短半轴b，则中心角改变量为0，这样弹簧管便不能作为压力检测的元件。弹簧管测压时应考虑如下因素的影响：
（1）几何尺寸
由 ????b?? b??b
可知增大弹簧管的中心角（单圈做成多圈）或减小弹簧管的短半轴b均可以增加??，提高弹簧管压力计的灵敏度。
（2）刚度
刚度大的材料在受相同压力作用时弹性变形小，可用于测量较高的压力；反之，刚度小弹性变形大。
（3）管壁厚度
管壁厚，变形小；管壁薄，变形大。
3.答：压电效应：某些晶体在受压时发生机械变形（压缩或伸长），则在其两个相对表面上就会产生电荷分离，使一个表面带正电荷，另一个表面带负电荷，并相应地有电压输出，当作用在其上的外力消失
时，形变也随之消失，其表面的电荷也随之消失，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。特点：（1）体积小、重量轻、结构简单，工作可靠，工作温度可在250℃以上（2）灵敏度高，线性度好，准确度多为0.5级和1.0级（3）测量范围宽，可测l00 MPa以下的所有压力（4）动态响应频带宽，可达30 kHz，动态误差小（5）由压电晶体制成的压力计只能用于测量脉冲压力（6）可避免电源带来的噪声影响（7）压电元件本身的内阻非常高（8）晶体边界上存在漏电现象。
使用注意事项：不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力，只能用于测量脉冲压4.答：活塞式压力计是根据静力学平衡原理和帕斯卡定律设计而成的。
p?(m1?m2?m3)g
A
影响其测量准确度的因素：重力加速度、空气浮力、摩擦力、温度变化等。
5.解：空压机缓冲器内压力为稳态压力，且只需就地观察，不需远程传送，所以选择弹簧管压力计。其工作压力下限pmin=1.1MPa，工作压力上限pmax=1.6MPa。设所选压力表量程为p，则根据最大、最小工作压力与选用压力表量程关系，有
pmax?3p4?p?44pmax??1.6?2.13(MPa)33
pmin?1p3?p?3pmin?3?1.1?3.3(MPa)
由此可知选择的压力表量程为0~2.5MPa
根据测量误差要求，测量的最大误差为
?max?1.1?5%=0.055(MPa)
则所选压力表的最大引用误差应满足
?max?0.055?100%?2.2% 2.5?0
故可选精度等级为2.0级（或1.5级），量程为0~2.5MPa的弹簧管压力计。
6.解：用0~1.6MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量时，最大误差为
?max=1.6MPa?1.0%=0.016MPa>0.01MPa(允许值)
该表不符合工艺上的误差要求。
用0~1.0MPa、精度为l.0级的压力表来进行测量时，最大误差为
?max=1.0MPa?1.0%=0.01MPa =0.01MPa(允许值)
该表符合工艺上的误差要求。
7.答：分析比较如下：
相同点：金属应变片和半导体应变片正常工作时都需依附于弹性元件；频率响应快，既可用于静态测量，又可用于动态测量；尺寸小、重量轻；能在各种恶劣环境下可靠工作，所以被广泛地应用于各种力的测量仪器和科学实验中。不同点：
应变片式压力计：金属应变片尺寸变化，导致电阻变化；用于一般要求的动态压力测量中，被测压力不直接作用到贴有应变片的弹性元件上，而是传到一个测力应变筒上，应变片电阻易受温度影响，测量时需加以补偿或修正。
压阻式压力计：半导体应变片电阻率变化，引起电阻阻值变化，扩散电阻的灵敏度高，是金属应变片的50~70倍，可以直接反映出微小压力的变化，既可测低压，又可测高压；应变片的温度稳定性较差，在使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。
8.答：优点：灵敏度提高一倍；减小非线性；减少由于介电常数受温度影响引起的不稳定性。
单极板电容压力变送器：?C??S d??d??S d?C0?d1?d1?d
?C?C0?d?d(1??...) dd
当?dd时，略去展开式的非线性项，则电容的变化?C与被测位移?d近似成正比关系，即?C?C0
S??d，其灵敏度为 d?C1?A?d?C0?2，相对误差估算为???100%。 ?dddd0
差动式电容压力变送器：
??d??C2C02?A??2，相对误差估算为???其灵敏度为S???100% ?ddd?d0?2
以上两种相比较可知，当极距变化式电容器做成差动结构时，不仅其灵敏度提高了一倍，而且线性度误差也将大大减小。
9.答：测压仪表选用时应根据生产工艺对压力检测的要求、被测介质的特性、现场使用的环境等条件，本着节约的原则合理地考虑仪表的类型、量程、准确度等。
选择仪表种类和型号时应考虑被测介质压力大小、被测介质的性质、使用环境、仪表输出信号的要求等因素。
选择量程时遵循原则：必须留有余地。即测量稳定压力时，最大工作压力不应超过量程的3/4测量脉动压力时，最大工作压力则不应超过量程的2/3测高压时，则不应超过量程的3/5。为了保证测量准确度，最小工作压力不应低于量程
的1/3；当被测压力变化范围大时，最大和最小工作压力不能同时满足上述要求时，应首先满足最大工作压力条件。依照统一的量程系列：1、1.6、2.5、4.0、6.0kPa以及它们的10n倍数（n为整数）。
准确度等级的选择：压力表的准确度等级主要根据生产允许的最大误差来确定，压力表准确度等级（G B/T1226-2001）：
A.一般压力表
B.精密压力表
0.1级，0.16级，0.25级，0.4级。
10.答：当测量气体时，取压口应开在设备的上方，如图 (a)所示，以防止液体或污物进人压力表中，以避免凝结气体流入而造成水塞；当测量液体时，取压口应开在容器的中下部(但不是最底部)，以免气体进人而产生气塞或污物流入，如图(b)所示；当测量蒸汽时，应按图（c）所示确定取压口开孔位置，以避免发生气塞、水塞或流入污物。
11.答：（1）弹簧管
特点：结构简单，测量范围最高可达109Pa；既可以直接带动传动机构就地显示，又可以接转换元件将信号远传。
在弹簧管压力计中，它的作用是将压力转换为位移。在压电式压力计中，弹簧的作用是使压电元件产生一个预紧力，可用来调整传感器的灵敏度。
（2）膜片
特点：平面膜片可以承受较大被测压力；变形量较小，灵敏度不高；一般在
测量较大的压力而且要求变形不很大时使用；膜片在应变片式压力计中作用是将被测压力转换成相应；（3）波纹管；特点：灵敏度高（特别是在低压区），可直接带动传动；第四章流量测量；1、何谓标准节流装置，常用的标准节流件有哪几种？；取压方式？；答：所谓标准节流装置，指按照标准文件（如节流装置；2、节流装置对流体种类、流动条件、管道条件和安装；答：原因：流经节流装置的流量
测量较大的压力而且要求变形不很大时使用。波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜；其波纹的数目、形状、尺寸和分布均与压力测量范围有关；其测压灵敏度较高，常用在小量程的压力测量中。挠性膜片一般不单独作为弹性元件使用，而是与线性较好的弹簧相连，起压力隔离作用；主要是在较低压力测量时使用。膜片可直接带动传动机构就地显示，但是由于膜片的位移较小，灵敏度低，更多的是与压力变送器配合使用。
膜片在应变片式压力计中作用是将被测压力转换成相应大小的集中力，在压电式压力计中，膜片的作用是把压力收集转换成集中力F，再传递给压电元件。
（3）波纹管
特点：灵敏度高（特别是在低压区），可直接带动传动机构，就地显示；但是它的迟滞误差较大，准确度最高仅为1.5级。
第四章流量测量
1、何谓标准节流装置，常用的标准节流件有哪几种？一般采用何种取压方式？
答：所谓标准节流装置，指按照标准文件（如节流装置国际标准ISO 5167或我国标准GB/T 2624）进行节流装置设计、制造、安装和使用，无需实流校准和单独标定即可确定输出信号（差压）与流量的关系，并估算其测量误差。标准节流装置是由节流件、取压装置和节流件上游第一个阻力件、第二个阻力件、下游第一个阻力件以及它们间的直管段所组成。标准节流装置同时规定了它所适应的流体种类、流体流动条件以及对管道条件、安装条件、流体参数的要求。常用的标准节流件有标准孔板、喷嘴、文丘里管。一般采用角接取压、法兰取压、D和D/2取压。
2、节流装置对流体种类、流动条件、管道条件和安装等有何要求，为什么？
答：原因：流经节流装置的流量与差压的关系，是在特定的流体与流动条件下，以及管道条件下通过实验获得的，任何一个因素的改变，都将影响确定的流量与差压的关系。
流体条件和流动条件：
只适用于圆管中单相（或近似单相，如具有高分散度的胶体溶液）、均质的牛顿流体；
流体必须充满管道，且其密度和粘度已知；
流速小于声速，且流速稳定或只随时间作轻微而缓慢的变化；
流体在流经节流件前上游侧1D处，应达到充分紊流且其流束必须与管道轴线平行，不得有漩涡；
流体在流经节流装置时不发生相变；
管道条件：（1）节流装置前后的管段，应该目测是直的。管道内壁应该洁净，可以光滑，也可以粗糙。（2）节流件上下游侧最小直管段长度与节流件上下游侧阻力件的形式和节流件开孔直径比有β值的关系。（3）所有调节流量的阀门应安装在节流件的下游侧。安装：安装在水平管上。
3、详细绘图说明流体流经孔板时的压力和流速变化情况，并分析原因。
答：流体流经孔板时的压力和流速变化情况如下图所示
当流体流经孔板时，由于流束断面的变化，流束的速度显著提高。因而动能增加，流体的静压力则随之减小。流体流经孔板后，流束的断面逐渐扩大而恢复到原来的状态,流速逐渐降低到原来的流速，则静压力也随之逐渐回升。但是由于流体的能量在流动过程中有一部分消耗于摩擦、涡流、撞击等方面，所以压力不能完全恢复,而有一个压力降，称为流体流经节流元件的压力损失。此外由于节流件前后流束不是缓变流，所以在同一管道截面上的静压力是不等的。如在紧靠孔板的管壁处，由于流束的减小，故压力是上升的，而在管的轴线上由于流速是增加的，压力则是减小的。
4、推倒标准节流装置测量不可压缩流体的流量公式，并解释：?为什么要引进流束收缩系数和取压系数？?何谓流出系数，其物理意义是什么？
答：如上图所示，在管道上选取两个截面：截面1，在节流件上游侧，节流件对
?，流体的平均速度v1，流束截此截面上的流速分布没有影响，流体的压力为p1
面的直径为D，流体的密度为?1；截面2，流束的最小断面处，位于孔板出口以
?，平均后的地方，对于喷嘴和文丘里管则位于其喉管内。此处流体的压力为p2
速度为v2，流体的密度为?2，流束直径为d? 截面1和2流体总流的伯努利方程为
?p12?c2v22c1v12p2v2??????2?222 （1）
式中，c1 c2 为总流的动能修正系数；?为阻力系数。流体总流的连续方程为
?1v1?D24??2v2?d24 （2）
联立方程式（1）和（2）求解，而且令节流件的开孔直径d与管径D之比为??d/D，??
流束的最小断面(d?2)与节流件开孔面积(d2)之比为??d?2/d2。?称之为流44
束的收缩系数。对于不可压缩流体，?1??2??，于是v2?（3）
体积流量qv??（4）
实际测得的压力差是按一定的取压方式在管壁处取得的，其数值为(p1?p2)。它与理论上的压力差(p1?? p?2)是不同的，它们之间的关系是?
在实际应用中，用实际压力差(p1?p2)替代(p1??p?2)，并用节流件的开孔面积(d2)替代(d?2)，则流量公式为44??qv?（5）
设流量系数??C??/EE?
则式（5）可写成如下形式qv?（6）
式中，C为流出系数，E是理论流量值与实际流量值的比值，是各种节流装置的重要参数，由实验确定。E为渐近速度系数，其值大于1。理论流量值是指在理论推导时，忽略能量损失，即令式（1）中c1?c 2?1??0，并用孔板开孔直径d代替流束最小断面直径d?，用p1，p2代替 p1?p2?时推出的流量公式，即式（6）中的流出系数C=1时的流量公式为理论流量公式，不忽略能量损失时进行推导，可以更好的流体流经节流件时的实际流动状态的变化。
质量流量qm?（7）
5、详细阐述转子流量计的工作原理和使用特点，说明何时需要刻度换算并分析原因。
答：转子流量计的工作原理图如下
浮子在锥管中造成一个环形流通面积，它比浮子上，下面处的锥管流通面积小而产生节流作用。故浮子上下面形成静力差，此力方向向上。作用在浮子上的力还有重力，流体对浮子的浮力，流体流动时对浮子的粘性摩擦力。当上述这些力相互平衡时浮子就停留在一定的位置。如果流量增加，环形流通截面中的
平均流速加大，浮子上下面的静压差增加，浮子向上升起，在该新位置处环形流通截面增大，流速降低，静压差减小，达到重新平衡。
设浮子本身重力为F1，流体对浮子的浮力为F2，由于节流而在浮子前后产生压差使浮子受的力与流体对浮子的摩擦力之和为F3。它们分别为
F1=Vf?fgF2=Vf?gF3=?（1）（2）?v222Af（3）
当浮子处于平衡位置时F1?F2?F3?0 （4）
联立式（1）--（4），即可求得流体通过环形面积的流速v2 为v2?（5）
设环形流通面积为A0，可求得qv?A0v2??A（6）
式中，qv为被测流体的体积流量；?
为流量系数，??它与浮子形状、流量计结构和被测流体的粘度等许多因素有关；只能由实验来确
定；可以看出，当锥形管，浮子形状和材质一定时，环形面；玻璃管转子流量计是在锥形管的外壁上刻度流量的，而；的关系为A0??(R2?r2)??(2hrtan；将A0的关系式代入，可得；qv???(2hrtan??h2tan2?（8）；由上式可以看出，qv与h之间并非线形关系，只是由；qv???dhtan（9）；转子流量计压力损失小，且恒定；安装在垂直由下至上；由
定。
可以看出，当锥形管，浮子形状和材质一定时，环形面积A0 随流量大小而变化。
玻璃管转子流量计是在锥形管的外壁上刻度流量的，而环形面积A0与高度h之间
的关系为A0??(R2?r2)??(2hrtan??h2tan2?) （7）
将A0的关系式代入，可得
qv???(2hrtan??h2tan2? （8）
由上式可以看出，qv与h之间并非线形关系，只是由于?角很小，(htan?)2项可以忽略不计，将qv 与h之间近似为线性关系。即qv???dhtan （9）
转子流量计压力损失小，且恒定；安装在垂直由下至上管；刻度是线性的，有刻度换算；灵敏度高，量程比宽；直管段要求不高；准确度中等，反应快；易测低雷诺系数、流量小的流体。
由式（9）可以看出，当角?很小时，qv与h之间近似为线性关系，需要刻度换算。
6、转子流量计的工作原理是什么，何时需要示值换算，为什么？答：工作原理：三力平衡原理。
示值换算的原因：转子流量计的流量式是在密度为常数的条件下导出的，转子流量计在出厂前是用水或空气在标准状态下进行标定的，只要流量方程中各量值在使用时与标定时相同，则转子流量计的示值是准确的。
如果使用时的温度、压力及被测介质与标定时不同，这时转子流量计的示值必须加以修正。
7、结合涡轮变速器结构图简述各组成部分名称及作用。
答：壳体起保护和支撑的作用；
磁电转换器将涡轮转数变换成电脉冲，送入二次仪表进行计数和显示。导流器使流体在进入涡轮前先导直，以避免流体的自旋而改变流体与涡轮叶片的作用和力度，从而保证仪表的精度。在导流器上安装有轴承，用以支撑涡轮。轴和轴承组件：轴向推力的平衡。
涡轮：把流体的动能转换成机械能；节流，产生静压差，作用在涡轮上的轴向分力抵消流体的轴向推力，减小轴承的轴向负荷。
8、涡轮流量计为何有测量下限的要求？
答：关系曲线如下：
从曲线可看出，在流量很小时，即使有流体通过变送器，涡轮也不转动。只有流量大于某个最小值时，克服了启动摩擦力矩，涡轮才开始转动，最小流量值与流体的密度成平方根关系，在流量很小时仪表特性很坏，主要受粘性摩擦阻力矩的影响。
9、电磁流量计的基本原理是什么？有何特点？
答：基本原理是法拉第电磁感应定律。
特点：（1）优点：几乎没有压力损失；特殊液体流量测量；
不受被测介质的湿度、粘度、密度以及电导率(在一定范围)的影响，用水标定即可；
量程广：可达100：1,有的甚至1000：1
口径范围极宽，从几个毫米一直到几米；
反应灵敏，可测瞬时脉动流量，也可测量正反两个方向的流量。
（2）缺点：
只能测量电导率在10-3S/m以上的液体流量；
不能用来测量气体、蒸汽、含有大量气体的液体、石油制品或有机溶剂等介质；不能测量铁磁介质；
不能用于测量高温和低温介质的测量；
电磁流量计易受外界电磁干扰的影响；
流速测量下限有一定限度，一般为0.5 m/s；
结构也比较复杂，成本较高；
由于电极装在管道上，工作压力受到限制，一般不超过4 MP。
10、电磁流量计在使用和安装时应注意哪些问题？
答：（1）使用时应注意：
安装现场无强电、磁场干扰；
正确接地；
变送器增设旁路管，便于仪表调零；
信号线（单独接地，选用屏蔽线，长度不得大于30m，加长信号线，额外加措施）；流动方向按规定；
流速限制（最低流速：>仪表量程的10%，最高流速:<10m/s）；
（2）安装时应注意：
直管段要求；
上游侧：弯头、三通、异径管等：3~5D；各种阀门：10D。
下游侧可以短于上游侧；
安装位置和流动方向：水平安装，电极轴必须水平放置；垂直安装：流向自下而上；不应将流量计安装在最高点；安装处应具备一定背压；安装在泵的后面。 11、绘图说明椭圆齿轮流量计的结构和动作过程，并简述其测量原理。答：椭圆齿轮流量计的结构：测量部分由椭圆齿轮、壳体、半月形计量室组成。测量元件是两个互相啮合椭圆形齿轮；计量室是齿轮与壳体形成的半月形空间。动作过程如下图：
由于流体在仪表的入、出口的压力p1?p2，当两个椭圆齿轮处于图（a）所示位置时，在p1、p2作用下所产生的合力矩推动轮A向逆时针方向转动。把计量室的流体排至出口，并同时带动轮B做顺时针方向转动。这时轮A为主动轮，轮B为从动轮。同样可以看出：在图b所示位置时，A、B均为主动轮；在图c 所示位置时，B为主动轮，A为从动轮。由于轮A和轮B交替为主动轮或者均为从动轮，
保持两个椭圆齿轮不断地旋转，以致把流体连续的排至出口。椭圆齿轮每循环一次（转动一周），就排出4个半月形体积的流，如图d所示，因而从齿轮的转数便可以求出排出流体的总量
V?NV0?4N?0?2?N(R2?ab)?
式中，N为椭圆齿轮的旋转转数；a,b分别为椭圆齿轮的长、短半轴的长度；R为计量室的半径；?为椭圆齿轮的厚度；V0为椭圆齿轮的厚度；?0为半月形体积，
?0??2(R2?ab)?
测量原理：流体流经仪表时，因克服阻力而在仪表的入、出口之间形成压力差，在此压差的作用下推动椭圆齿轮旋转，不断地将充满在齿轮与壳体之间所形成的半月形计量室中的液体排出，由齿轮的转数表示流体的体积总量。
12、试容积式流量计的误差及造成误差的原因。为了减小误差，测量时应注意什么？
答：容积式流量计的误差主要来自于流体的泄露。影响泄露的因素有：运动件的间隙；流体粘度的影响：0.5%~1%；前后压差；流过体积V所需的时间。
q为了减小误差，仪表有一个流量测量下限，即不宜在极小流量下工作；然而?太
大又将使运动机件运动速度提高，增加磨损，所以常根据磨损允许的转速决定允许的流量上限。因此容积式流量计通过的流量有上下限的限制，量程比经常选在5~10之间。
13、简述常用的各种质量流量测量方法。
答：直接式质量流量计：直接检测被测流体质量，测量原理大致分为：（1）与能量的传递、转换有关的测量原理，如量热式和差压式；（2）与力和加速度有关的测量原理，如科里奥利质量流量计。
间接式质量流量计：（1）双通道检测法，即测量两个与流量有关的量，并对这两个信号进行处理，从而得到质量流量；（2）组合法，即通过体积流量计和密度计的组合来测；（3）补偿法，即通过测量被测流体的温度和压力将被测流体的体积流量自动换算成标准状态下的体积流量，从而间接地确定质量流量。
二、分析比较题 1. 分析速度法和容积法测量流量的异同点，分析成因，并各举一例详细阐述其原理、结构及特点。
答：速度法流量测量：
指根据管道截面上的平均流速来计算流量的方法，与流速有关的各种物理现象都可用来度量流量。
特点：（1）受管路条件的影响很大，如雷诺数、涡流及截面速度分布不对称等都会给测量带来误差；
（2）有较宽的使用条件，可用于高温、高压流体的测量；
（3）有的仪器还可适用于测量脏污介质的流量。
容积法流量测量：
用一个具有标准容积的容器连续不断地对被测流体进行度量，并以单位（或一段）时间内度量的标准容积数来计算流量的方法。
特点：（1）受流动状态影响较小；
（2）适用于测量高粘度、低雷诺数的流体；
（3）不宜于测量高温高压（如果是高温高压，被测流体容易漏）以及脏污介质的流量。
比如速度法测量中的转子流量计：
原理：浮子在锥管中造成一个环形流通面积，它比浮子上，下面处的锥管流通面积小而产生节流作用。故浮子上下面形成静力差，此力方向向上。作用在浮子上的力还有重力，流体对浮子的浮力，流体流动时对浮子的粘性摩擦力。当上述这些力相互平衡时浮子就停留在一定的位置。如果流量增加，环形流通截面中的平均流速加大，浮子上下面的静压差增加，浮子向上升起，在该新位置处环形流通截面增大，流速降低，静压差减小，达到重新平衡。
设浮子本身重力为F1，流体对浮子的浮力为F2，由于节流而在浮子前后产生压差使浮子受的力与流体对浮子的摩擦力之和为F3。它们分别为
F1=Vf?fg
F2=Vf?g
F3=? （1）（2） Af?v222 （3）
当浮子处于平衡位置时F1?F2?F3?0 （4）
联立式（1）--（4），即可求得流体通过环形面积的流速v2 为v2? （5）
设环形流通面积为A0，可求得qv?A0v2??A （6）
式中，qv为被测流体的体积流量；?
为流量系数，??它与浮子形状、流量计结构和被测流体的粘度等许多因素有关；只能由实验来确定。
可以看出，当锥形管，浮子形状和材质一定时，环形面积A0 随流量大小而变化。玻璃管转子流量计是在锥形管的外壁上刻度流量的，而环形面积A0与高度h之间的关系为A0??(R2?r2)??(2hrtan??h2tan2?)（7）
将A0的关系式代入，可得qv???(2hrtan??h2tan2? （8）
由上式可以看出，qv与h之间并非线形关系，只是由；原理：由于流体在仪表的入、出口的压力p1? p2，；V?NV0?4N?0?2?N(R2?ab)?；式中，N为椭圆齿轮的旋转转数；a,b分别为椭圆齿；?0?(R2?ab)?；测量原理：流体流经仪表时，因克服阻力而在仪表的入；椭圆齿轮流量计的结构：测量部分由椭圆齿轮、壳体、；2、请详细阐述节流式流量计和转子流量计在
由上式可以看出，qv与h之间并非线形关系，只是由于?角很小，(htan?)2项可以忽略不计，将qv 与h之间近似为线性关系。即
原理：由于流体在仪表的入、出口的压力p1?p2，当两个椭圆齿轮处于图（a）所示位置时，在p1、p 2作用下所产生的合力矩推动轮A向逆时针方向转动。把计量室的流体排至出口，并同时带动轮B做顺时针方向转动。这时轮A为主动轮，轮B为从动轮。同样可以看出：在图b所示位置时，A、B均为主动轮；在图c所示位置时，B为主动轮，A为从动轮。由于轮A和轮B交替为主动轮或者均为从动轮，保持两个椭圆齿轮不断地旋转，以致把流体连续的排至出口。椭圆齿轮每循环一次（转动一周），就排出4个半月形体积的流，如图d所示，因而从齿轮的转数便可以求出排出流体的总量
V?NV0?4N?0?2?N(R2?ab)?
式中，N为椭圆齿轮的旋转转数；a,b分别为椭圆齿轮的长、短半轴的长度；R为计量室的半径；?为椭圆齿轮的厚度；V0为椭圆齿轮的厚度；?0为半月形体积，
??0?(R2?ab)?2
测量原理：流体流经仪表时，因克服阻力而在仪表的入、出口之间形成压力差，在此压差的作用下推动椭圆齿轮旋转，不断地将充满在齿轮与壳体之间所形成的半月形计量室中的液体排出，由齿轮的转数表示流体的体积总量。结构：
椭圆齿轮流量计的结构：测量部分由椭圆齿轮、壳体、半月形计量室组成。测量元件是两个互相啮合椭圆形齿轮；计量室是齿轮与壳体形成的半月形空间。特点：椭圆涡轮流量计适用于石油及各种燃料油的流量计量，因为测量元件是齿轮的啮合转动，被测介质必须清洁。测量准确度较高，一般为1~0.2级。
2、请详细阐述节流式流量计和转子流量计在各方面的异同点，请从原理、结构、特点和安装等方面给予解答。
答：（1）它们都是利用节流效应，转子是恒流速变面积，节流式是恒面积变流速。（2）节流式安装在水平管上，转子式安装在垂直由下至上管。（3）节流式压力损失变化，转子式压力损失小，且恒定。（4）转子式刻度是线性的，有刻度换算。（5）转子流量计是非标准的。（6）转子流量计直管段要求不高。（7）转子流量计灵敏度宽，量程比宽。
3、时差法超声波流量计和多普勒法超声流量计在原理、结构和特点的异同点。
答：时差法超声波流量计：
超声波在流体中的传播速度受流体流动速度的影响。设在静止的流体中声速为c，流体运动的速度为v。当超声波传播方向与流体流动方向一致时，超声波的传播速度为(c+v)，而当超声波传播方向与流体流动方向相反时，超声波的传播速度为(c-v)。如下图所示，插入式时差法超声波流量计。在距离为L的两处分别安装两对超声波发送器T1、T2，和接收器R1、R2。
与时差法超声波流量计相比：
（1）测量准确度低，但相对于流速变化的灵敏度非常大。（2）适用对象不同
时差法：比较洁净的流体。
多普勒：含微小固体颗粒或气泡的流体、两相流。
三、计算题
三种类型，见课上所讲。
o
p?101325Pat?20C的空气标0题一：一气体浮子流量计，厂家用、0
定，现用来测量 p =350000Pa、t=27℃的气体，求：
3
若用来测量空气，则流量计显示4m/h时的实际空气流量是多少？ 3
若用来测量氢气，则流量计显示4m/h时的实际氢气流量是多少？
解：依题意有：
标定状态： p0=101325Pa、T0=293K；工作状态： p=350000Pa、 T=300K。
空气和氢气在标定状态下的密度分为1.205kg/m3 和 0.084kg/m3 。（1）用浮子流量计测量不同状态下的空气流量，刻度换算为
用浮子流量计测量不同状态下的氢气流量，刻度换算为
题二：用某转子流量计测量二氧化碳气体的流量，测量时被测气体的温度是40℃，压力是49.03kPa （表压），二氧化碳气体的密度为2.58kg/m3 。如果流量计读数为120m3/h，问二氧化碳气体的实际流量是多少?已知标定仪表时，绝对压力P = 98.06kPa，温度为20℃，二
氧化碳密度为1.84kg/m3；；空气的密度为1.21kg/m3；解：；题三：；一浮子流量计，浮子材料为钢，密度为，用20℃的水；3定（标定时水的密度为ρ＝998kg/m3）流量；3??1834kg/m现用户用来测量硫酸，硫酸密；3求：(1)流量计显示20m/h，实际通过流量计；（2）若浮子材料改用铅，铅密度为ρ＝1 1350k；解：（1）；若浮子材料改用铅，
氧化碳密度为1.84kg/m3；空气的密度为1.21kg/m3。
解：或
题三：
一浮子流量计，浮子材料为钢，密度为，用20℃的水标3定（标定时水的密度为ρ＝998kg / m3 ）流量计测量上限为30m/h。3??1834kg/m现用户用来测量硫酸，硫酸密度。
3求：(1)流量计显示20m/h，实际通过流量计的硫酸流量为多少？
（2）若浮子材料改用铅，铅密度为ρ＝11350kg / m3 ，则测量水的最大流量为多少?测量硫酸的最大流量又为多少？
解：（1）若浮子材料改用铅，测量水的最大流量为
（3）若浮子材料改用铅，测量硫酸的最大流量为
第五章物位测量
1、浮力式液位计受不受气体压力的影响，为什么？答：不受，因为浮子受到的来自表面的气体压力与来自水中的气体压力相互抵消。
2、浮子式液位计与浮筒式液位计都是利用浮力来工作的，原理上究竟有什么不同？
答：不同之处在于：
（1）浮子式液位计中浮子是漂浮在液体表面上的，而浮筒式则是浮筒通过弹簧固定在一定位置上的；
（2）浮子式液位计中浮子所受浮力为恒定值，而浮筒则是利用浮力的变化来测量液位的。
（3）浮子式液位计中浮子浸在液体中的?h是不变的，而浮筒浸在液体中的?h则是变化的。
3、用电容式液位计测定液位时，导电物质与非导电物质所用的电极为什么不一样？
答：如上左图，是测量导电介质液位计原理图，直径为d的紫铜或不锈钢电极1，外套聚四氯乙烯塑料套管或涂以陶瓷作为电介质和绝缘层2，直径为D0的容器4是金属制作的。
如上右图，是测量非导电介质液位原理图，它由内电极和与之相互绝缘的同轴金属套筒制成的外电极组成，外电极上开有许多个孔，于是被测介质流入两个电极之间，这样就在被测液位高度内形成一个一被测介质为中间绝缘物质的同轴套筒型的电容器。
导电介电质液位计的电极的绝缘层和非导电物质的绝缘层不一样，且非导电物质电极可裸露，根据各自电容公式可知，极板间距离与物质不同导致电极不同。
4、料位测量与液位测量有哪些重要区别？
答：料位测量的测量物表面不是平的，呈锥形，而液位测量的表面是平的液位测量中的电容式液位测量仪中会有虚假液位的产生。
5、非接触式物位仪表有哪些？有什么特点？
答：（1）超声波式物位计
需要使用校正具，适用于有毒、有腐蚀性液位的测量，不适合含有气泡、悬浮物的液位测量和被测液面含有很大波浪。
(2)微波式物位计
特点：无盲区，非接触测量、不受被测介质物理特性变化影响等。
(3)激光式物位计
特点：非接触测量，亮度高，单色性好。
(4)核辐射式物位计
特点：可以对容器、罐等密封装置的外部以非接触的方式进行测量，对高温高压容器内的介质，对高温熔融液态金属，对剧毒、腐蚀、爆炸性和粘滞性都强的介质的物位均可测量；
不受温度、压力、粘度、流速等被测介质性质和状态的影响；
不仅能测液体，也可测量粉粒体和块状等介质的物位；
可以测量比重差很小的两层介质的相介面位置；
在应用中必须对射线进行防护，注意安全。
6、超声波物位测量原理与探头安装方式是什么？
答：超声波式物位计是利用超声波的物理性质制成的，根据安装方式的不同，可分为两种类型：
（1）声波阻断型
它是利用超声波在气体、液体和固体介质中被吸收而衰减的情况的不同，来探测在超声波探头前方是否有液体或固体物料存在。当液体或固体物料在储罐、料仓中积存高度达到预定高度位置时，超声波即被阻断，即可发出报警信号或进行限位控制。这种探头安装方式主要用于超声波物位控制器中，也可用于运动体以及生产流水线上工件流转等的计数和自动开门控制中。
（2）声波反射型
它是利用超声波回波测距的原理，对液位进行连续测量。
由于超声波可在气、液、固3中介质中传播，所以超声波物位计又分为液介式、气介式和固介式3类。常用的是前两种，它们的几种测量原理如下图所示。图中a、c两种为单探头形式，探头起着发射和接受双重作用；图中b、d为双探头形式，其中一个探头起发射作用，另一个探头起接收作用。
液介式的探头既可以安装在液面的底部，也可以安装在容器底的外部。以图a为例，设被测液面的高度为h，超声波在该介质中的传播速度为c,超声波从单探头发出到液面，经液面反射到探头的位置，共需时间为t，则h可用式（1）表ct示h? （1） 2
图c工作原理同a，不同的地方是，图c中的探头置于液面的上方，以空气作为介质。位移高度h同上式，c为超声波在空气中的传播速度。
对于图b、d两种双探头形式来说，由于声波经过介质的路程为2s，而s?所以被测液面高度h为h?s 2?a2 （2）
式中，a为两探头之间距离的一半。ct，2
第六章过程成分检测
1、标准氢电极的电极电位是多少？它的双电层电位差又是多少？答：国际上人为的规定标准氢电极的电位为零，双电层有电位差，很小但是不为0。
2、玻璃电极在工作时玻璃膜中是否有电荷通过？
答：没有，电荷不能通过干玻璃层。氢离子和玻璃膜水化层中的碱金属离子（如钠离子）发生交换和相互扩散，在膜相和液相中原来的电荷分布发生了变化，两侧出现电位差。
3、电极电位检测器对参比电极和测量电极各有何要求？举例说明两种参比电极和两种测量电极。
答：对参比电极的要求，电极电位固定并与被测溶液组分变化无关。常用的参比电极有甘汞电极和银?氯化银电极。
对测量电极的最基本要求是选择性好，即仅对溶液中某一离子敏感，而对其他离子基本上没有反应，这就是所谓的离子选择电极。测量电极有玻璃电极，氢电极等。
4、固态参比电极和甘汞电极有何区别？
答：固态参比电极是采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯等塑料做基底材料掺杂大量的KCl和NaCl、KNO3、N aNO3等微小颗粒压制而成。这种外壳浸入被测溶液中可允许H+、OH?离子通过它扩散，从而实现电的通路。外壳的电阻与壳的厚度有关，一般为几十千欧。甘汞电极外壳是玻璃泡，易碎。
固态参比电极坚固不易破裂，可用于具有较高压力的溶液中；不存在堵塞问题；工作时不需要添加盐桥溶液，维护量小。
由于这些优点，它在工业流程的应用中正在取代甘汞电极。
5、工业酸度计的电极电位表示式是什么？
答：E?E0?2.303RTpHF R——气体常数； F——法拉第常数；T——绝对温度。
6、写出工业酸度计电极电位表示式。说明工业酸度计对电路有何要求？
答：工业酸度计电极电位表示式为：E?E0?2.303RTpH F
对电路的要求是：（1）输入电路采用高输入阻抗放大器；（2）采用定位调节电路消去上式中的E0项；（3）必须进行温度补偿；（4）等电位调节。 7、影响电导检测器的因素有哪些？
答:电极的极化（电化学极化、浓差极化），电导池电容的影响，温度的影响。
8、用电导检测器测量低电导率的溶液的电导，为了减小电导池电容的影响，应采取什么措施？
答：在电导率不是很低的时候，电极的双电层电容其主要作用，它与电阻相串联。这时，为了减小电导池电容对测量精度的影响应采取的措施是：采用交流供电，频率尽量高一些，电极镀粗糙铂层，增大极板有效面积，降低电流密度。若电导率很低时，此时两个电极及被测电解质形成的电容的作用不可忽略，其与原等效电路并联，故w要变适当选取供电频率和极板有效面积。
9、电导检测器温度补偿措施主要有哪三种？说明其补；（2）引入温度反馈信号，在电路中进行补偿；（3）采用参比电导池进行温度补偿；将测量电导池和参比电导池置于同一被测溶液中，感受；将测量电导池和参比电导池置于同一被测溶液中，感受；U2??RCU1Rx；10、试述氧化锆氧量计检测原理，写出电动势与氧浓；变成氧离子O2?，即；O2(分压力P2)+4e→2O2-；这些
9、电导检测器温度补偿措施主要有哪三种？说明其补偿方法。答：（1）将被测溶液恒温。一般应恒温在环境温度以上，例如45℃或50℃，因这时可不用降温装置，仅用升温装置即可。
（2）引入温度反馈信号，在电路中进行补偿。将补偿电阻Rt和电导池电阻Rx串联，选择Rt时应注意它的温度系数和电导池电阻Rx的温度系数相近。
（3）采用参比电导池进行温度补偿。
将测量电导池和参比电导池置于同一被测溶液中，感受相同的温度。
将测量电导池和参比电导池置于同一被测溶液中，感受相同的温度。
U2??RCU1 Rx
10、试述氧化锆氧量计检测原理，写出电动势与氧浓度的关系式。答：纯氧化锆是不导电的，但掺杂一些氧化钙CaO后，它的导电性大大增加。在正极，即氧浓度大的空气侧（参比气体侧），氧分子O2从铂电极取得4个电子，
变成氧离子O2?，即O2(分压力P2)+4e→2O2-
这些氧离子O2-经过固体电解质氧化锆中的空穴，迁移到铂电极的负极（测量气体侧）, 在负极上释放出电子，并结合成氧分子O2而析出，即2O2-→O2(分压力P1)+4e
浓差电动势E 的数值，可由能斯特方程表示为：RTp2E
?ln nFp1上式中n取4。氧分压P可由氧浓度来代替。即为：
E?2.303?RT?2lg?0.4961?10?4Tlg2 nF?1?1
?1—被测气体氧浓度
?2—参比气体氧浓度