教材章节256.docx

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教材章节256

教材章节

§2－5　物位检测　

　　　　　　　　　　　（2学时）

§2－6　成分分析仪表

讲授

时间

起

年月日

止

教

材

分

析

教

学

目

标

知识目标

1．了解物位概念及物位检测方法；

2．掌握常用物位检测；

3．明确影响物位测量的因素。

以实现知识与技能、

过程与方法、

情感态度和价值观等新课程的三维目标

能力目标

社会能力

掌握物位检测，以适应社会需要

专业能力

对常用物位检测的理解的专业能力

方法能力

意义学习法、任务探究法、发现学习法

情感目标

1.发挥教师的主导作用，使学生正确认识知识和问题增长见识

2．调动学生的主体作用，激发兴趣，唤起创新意识；鼓励质疑发挥创新潜能；展开想象，促进创新思维　

重点

常用物位检测

难点

常用物位检测

关键

重点的讲授

教具

指导

思想

根据我校的办学思路是职业教育的“半工半读”形式的素质教育，主要是培养学生的创新能力和实践能力。

学情

分析

从两个方面着手：

（1）从学生的知识结构来看：

经过半年共同课的学习，再加上学生已有的生活经验和教训，对于本节内容的学习来讲，已有一定的基础。

……　

（2）从学生学习方法来看：

本节课内容比较贴近现实生活，学生会产生浓厚的学习兴趣，主动去参与学习活动，锐利进取，获取知识，锻炼能力，提高认知能力，……

教法

联系实际的谈话法；

讨论教学法；

行为主义教学理论下的程序教学法

学法

情感教学理论下的意义学习法

建构主义教学理论下的任务探究法；

认知教学理论下的发现学习法

教学环节

教学内容设计

教学实施

教学方法

教学手段

教师活动

学生活动

A．项目导入

（2分钟）B．项目确定

C．项目分析

（3分钟）

D．项目实施

（30分钟）

通过学生将来工作中或生活中有时需要误差的实例进行项目导入，拓展思维，提高学生职业素养。

1．物位概念及物位检测方法

2．常用物位检测

3．影响物位测量的因素

§2－5　物位检测　

任务一：

物位概念及检测方法

《一》物位的概念

1．定义：

“物位”统指设备和容器中液体或固体物料表面位置。

2．分类：

对应不同性质的物料具体可以分为液位、料位、界位。

（1）液位：

是指仓、槽等容器里存在的液体表面位置。

（2）料位：

是指堆场、仓库等所储的固体块、颗粒、粉料等的堆积设计和表面位置。

（3）界位：

是指两种互不相溶的物质的相界面。

进入课堂、问好

举例：

在水泥生产和热工测量中，压力是重要的参数，那么，我们如何进行压力　压力检测呢？

问：

什么是压力呢？

全体起立

学生思考

学生抄笔记

设疑导入

教法：

行为主义教学理论下的程序教学法（主线）

学法：

情感教学理论下的意义学习法（主线）

学法：

建构主义教学理论下的任务探究法

教学环节

教学内容设计

教学实施

教学方法

教学手段

教师活动

学生活动

《二》物位检测方法

（一）物位检测仪表的定义：

对物位进行测量以实现对物位的指示、控制的仪表称为物位检测仪表。

（二）物位检测仪表的分类：

1．按测量方式可分为：

连续测量和定点测量两大类。

连续测量方式能够持续测量物位的变化。

定点测量只检测物位的上、下限或某个特定位置，通常指物位开关。

2．按工作原理可分为直读式、静压式、浮力式、电气式、机械式等。

（1）直读式：

直读式物位检测仪表采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度，用于液位检测和压力较低的场合。

（2）静压式：

静压式物位检测仪表基于流体静力学原理。

被测容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，适用于液位检测。

（3）浮力式：

浮力式物位检测仪表的工作原理基于阿基米德定律。

漂浮于液面的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，适用于液位检测。

（4）电气式：

电气式物体检测仪表是将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位

教师说：

刚才我们讲了压力概念及压力检测方式，那么，常用压力检测技术有哪些呢？

学生思考并抄笔记

设疑引入任务二

教学环节

教学内容设计

教学实施

教学方法

教学手段

教师活动

学生活动

变化是时其电气参数（如电阻、电容等）也发生变化。

（5）机械式：

机械式物位检测仪表是通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量，适用于固体物位检测。

任务二：

常用物位检测

《一》差压（压力）式液位计

（一）测量原理：

差压（压力）式液位计是将液位的检测转换为静压力或压差的测量。

（二）工作原理：

1．敞口容器：

对于敞口容器，式中的pA为大气压力，在容器底部或侧面液位零点处引出压力信号，仪表指示的表压力即反映响应的液柱静压。

2．密闭容器：

对于密闭容器，可用差压计测量液位，差压计（差压变送器）的正压侧与容器底部相通，负压侧连接容器上部的气空间。

注意：

由于测压仪表的安装位置一般不能和被测容器的最低液位处在同一高度上，因此

教师重点强调

学生深刻记忆

教学环节

教学内容设计

教学实施

教学方法

教学手段

教师活动

学生活动

在测量液位时，仪表的量程范围内会有一个附加值，需根据安装高度差进行修正。

《二》浮标式液位计

1．重锤式直读浮标液位计

（1）组成：

浮子、滑轮、平衡重锤。

（2）原理：

浮子通过滑轮和传动绳与平衡重锤连接，浮子漂浮在液面上，平衡重锤位置即反映浮子的位置，从而获知液面。

2．伺服平衡式浮标液位计

卷绕在鼓轮上的测量钢丝绳前端与浮子连接，浮子静止在液面上时，对钢丝绳产生一定的张力。

当液位变化时，浮子所受浮力改变，钢丝绳张力亦变化，使传动轴转矩改变，并引起平衡弹簧的伸缩，由张力检测磁铁和磁束感应传感器组成的张力传感器的输出将带动由传动皮带、蜗杆、蜗轮和磁耦合内外轮构成的传动机构使鼓轮旋转，并使浮子移动，直至浮力恢复到原来的数值。

鼓轮的旋转量及步时电机步数反映了液位的变化量。

这种连续控制使浮子可以跟踪液位变化，仪表配有微处理器，可以进行信号轮换、运算

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教学内容设计

教学实施

教学方法

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学生活动

和修正，可以现场显示，也可以将信号远传。

《三》浮筒式液位计和液位变送器

（一）浮筒式液位计

1．组成：

主要由浮筒、弹簧、差动变压器组成。

2．工作原理：

浮筒由弹簧悬挂，弹簧的弹性力与浮筒在液体中的重力相平衡。

当液位升高H，浮力增加，弹簧被压缩变形x，弹簧的变形程度与浮力成正比。

通过检测弹簧的变形及浮筒的位移，可求出相应的液位高度。

检测弹簧变形并实现远传的方法常用差动变压器式，在浮筒顶部的连杆上装一铁心，铁心随浮筒上下移动，其位移经差动变压器转换为与位移成正比的电压输出，从而给出相应液位指示。

（二）液位变送器

1．组成：

由液位传感器、霍尔变送器和毫伏转换器组成。

（1）液位传感器：

由浮筒、杠杆、扭力管、芯轴、外壳等部分组成。

（2）霍尔变送器：

主要由推板、推杆、支撑件、霍尔片组成。

2．工作原理：

将弹簧变形转换为标准的电信号。

当液位发生变化时，浮筒受到的浮力发生变化，破坏了与浮筒的重力的平衡，浮动动作，推动液位传感器的

教学环节

教学内容设计

教学实施

教学方法

教学手段

教师活动

学生活动

杠杆动作，带动扭力管动作，芯轴发生角度变化。

当芯轴角度变化时，芯轴带动霍尔变压器的推板推动推杆使支撑件转动一个角度，使霍尔片沿着固定弧线移动。

由于液位传感器芯轴在液位变化时输出的角位移量很小，可以认为霍尔片在磁场中的位移量与芯轴角度变化成线性关系，所以霍尔片的输出电势与其位移成线性关系。

《四》电容式物位计

（一）用途：

可以测量液位、料位和界位。

（二）组成：

主要由测量电极和测量电路组成。

（三）工作原理：

当圆筒形电极的一部分被物料浸没并高度发生变化时，极板间存在两种介质的介电常数将引起电容量的变化，从而得到物位变化值。

（四）电容检测方法：

有交流电桥法、充放电法、谐掁电路　法。

（五）优缺点：

1．优点：

安装方便、结构简单、易维护。

2．缺点：

如果介质的介电常数随温度影响而变化，介质在电极上有附着或沉积、介质中有气泡等都会影响到测量精度。

《五》核辐射式物位计：

（一）测量原理：

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教师活动

学生活动

射线射入一定厚度的介质时，其强度随所通过介质厚度的增加呈指数规律衰减，测量射线　的强度可以确定穿透物料的厚度。

（二）组成：

主要由射线源、防护容器、射线检测器、电子转换器及指示电路组成。

（三）分类：

核辐射式物位计根据测量要求，常用采用固定式和随动式两种检测方式。

1．固定式：

射线源与接收器保持同一高度，沿导轨随液位变化而升降，实现对物位的自动跟踪。

2．随动式：

在容器外部的相应位置上安装射线源和接收器，射线通过容器中的介质被吸收，接收器接收射线的强度反映了液位的变化。

（四）特点：

可用于高温高压、真空密闭各种容器中液体或固体物位测量，可以适应腐蚀、有毒、高黏度、易爆、多粉尘等恶劣环境。

任务三：

影响物位测量的因素

《一》液位测量的特点：

1．稳定的液面是一个规则的表

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学生活动

面，当物料有流进流出时，会有波浪使液面波动。

在生产过程中还可能出现沸腾或起泡沫的现象，使液面变得模糊。

2．大型容器中常会有各处液体的温度、密度和黏度等物理量不均匀的现象。

3．容器中的液体呈现高温、高压、高黏度或含有大量杂质、悬浮物等。

《二》料位测量的特点：

1．料面不规则，存在自然堆积的角度。

2．物料排出后存在滞留区。

3．物料间的空隙不稳定，会影响对容器中实际储料量的计量。

《三》界位测量的特点：

界位测量的特点则是在界面处可能存在的浑浊段。

§2－6　成分分析仪表

任务一：

成分分析仪表的分类及分析系统的构成

《一》成分分析仪表的分类

（一）成分分析方法：

有两种类型：

定期取样和连续测定。

1．定期取样：

通过实验室测定的实验室分析方法。

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2．连续测定：

利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪法。

（二）选择：

成分分析使用的仪器或仪表基于多种测量原理，在进行分析测量时，需要根据被　测物质的物理或化学性质，来选择适当的手段和仪表。

（三）分类：

1．根据测量的内容或范围来分类：

分析仪表包括密度、黏度、酸度、沸点等物质及状态的测量仪器，可以分为气体成分分析仪表、液体成分分析仪表、酸度分析仪表、密度计、湿度计黏度计、尘量计等。

2．根据仪器的基本分析原理，可将分析仪表分为四类：

（1）基于与电磁辐射相互作用的成分分析仪器，其中包括同位素分仪、X射线分析仪、紫外线或红外线及微波分析仪等。

（2）基于电场及磁场作用分析仪表，如磁式氧分析仪、核磁共振分析仪等。

（3）基于化学反应作用的分析仪表。

（4）基本热能及机械能作用的分析仪表。

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《二》自动分析系统的构成：

（一）概述：

自动分析仪表通常与试样预处理系统组成分析测量系统，以保证其良好的环境适应性和高的可靠性，以使分析仪表的示值能代表被监测的成分。

（二）自动分析系统的构成及其各部分的作用：

自动分析系统基本组成部分有：

自动取样装置、预处理系统、传感器（检测器）、信息处理系统、显示仪表和整机自动控制系统。

1．自动取样装置：

从生产设备中自动、快速地提取待分析样品。

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学生活动

2．预处理系统：

对采集的分析样品进行适当的处理，为分析仪器提供符合技术要求的试样。

注意：

①取样和试样制备必须注意避免液体试样的分馏作用或气体试样中某些组分被吸附的情况，以保证测量的可靠性。

②有的分析系统没有自动取样和预处理环节。

3．检测器：

是分析仪表的核心，不同原理的检测器可以把被测组分的信息转换成电信号输出。

4．信息处理系统：

用于进行微弱信号的放大、转换、运算、补偿等处理。

5．显示仪表：

可以用模拟、数字或屏幕图文显示待方式给出测量分析结果。

6．整机自动系统系统：

用于控制各个部分协调工作，使取样、处理和分析的全过程可以自动连续地进行。

教师重点强调

学生深刻记忆

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任务二：

常用气体成分分析仪表

《一》热导式气体分析器

（一）作用

在硅酸盐工业窑炉中，各种气体参加生产过程，从烟气分析的结果，可以确定燃料燃烧完全程度，燃烧产物的成分、气氛和空气过剩系统等。

因此，能够帮助判断窑内燃烧情况，从而合理地调整燃料量和空气量，使之燃烧完全或控制一定的气氛制度，并能估计设备的热效率，以达到较好的经济效果，对提高产品的产量、质量、降低成本都起到了重要作用。

（二）测量原理：

热导式气体分析器是利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的。

（三）工作原理：

在传热过程中，不同气体的热传导速度不同，即热导率不同。

混合气体的热导率可以近似认为是各组分热导率的算术平均值，即

刚才我们阐述了成分分析仪表的分类及分析系统的构成，那么，常用气体成分分析仪表有哪些呢？

它们的工作原理如何呢？

学生认真思考并听讲

设疑引入任务二

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学生活动

＝

如果被测组分的热导率为1，其余组分为背景组分，并假定它们的热导率近似等于2，各组分体积和为1，则

＝

＝

即

在1、2已知的情况下，测定混合气体的总热导率。

就可以确定被测组分的体积百分含量。

在实际测量中，要求混合气体中背景组分的热导率必须近似相等，并与被测组分的热导率有明显差别。

对于不能满足这个条件的多组分组合气体，可以采取预处理的方法。

（四）组成：

热导式气体分析器的核心是热导率测量室，即热导池，主要还有测量桥路组成热导式气体分析器。

1．热导池：

热导池的中间悬挂由铂或钨制成的电阻丝（热丝），通过恒定电流，电阻丝发热，产生的温度tn高于室壁tC。

被测气体由小室下部引入，热丝的热平衡温度将随被测气体的热导

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率变化而变化，而热温度的变化使其电阻值亦发生变化。

在保持室壁温度tC稳定，并忽略气流带走热量的情况下，通过测量热丝电阻值的变化可以得知气体组分的变化。

2测量桥路

采用电桥法测量热丝电阻值。

《二》红外线气体分析器

1．测量原理：

从红外光源发出强度为I0的平行红外线，被测组分选择吸收其特征波长的辐射能，红外线通过吸收物质前后强度的变化与被测组分浓度的关系服从朗伯－贝尔定律

当入射红外线强度和气室结构等参数确定后，测量红外线的透过强度就可以确定被组分浓度的大小。

2．红外线气体分析分析器的结构：

一般由红外辐射源、测量气样室、红外探测装置等组成。

（1）红外辐射源：

对镍铬电阻丝通电加热产生红外线。

（2）测量气样室：

有测量气室和参比气室。

测量气体气室充以不吸收红外线的气体并予以密封。

（3）红外探测装置：

红外线射入接收器的接收室，当测量光束与参比光束平衡时，两边的压力相等，动片薄膜维持平衡位置。

当测量光束被接收室中的待测气体所吸

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学生活动

收，使红外辐射能减弱，气体的温度下降，气室压力减小，薄膜向定片移动，改变了两极板的距离，使电容量发生变化。

待测组分的浓度越大，两束光强的差别也越大，电容量的增量越大。

所以，电容量的变化量反映了样品中待测组分的浓度。

《三》氧化锆氧分析器

（一）优点：

应用电化学分析方法，灵敏度高、稳定性好、响应快、测量范围宽，使用中不需要采样和预处理系统，可以连续地分析　烟气中的氧含量。

（二）测量原理：

在纯氧化锆中掺入低价氧化物ZrO2，如氧化钙CaO或氧化钇Y2O3。

在高温焙烧后形成稳定的固熔物，由于Ca2+或Y3+置换了Zr4+的位置,所以形成氧离子空穴。

在高温时，构成氧浓度差电池。

浓差电池的左侧为被测气体，右侧为参比气体，参比气体一般为空气。

当两侧气体的氧压不同时，吸附在电极上的氧分子离解形成氧离子，进入固体电解质（ZrO2）中，在高温下，氧离子从高浓度向低浓度转移而产生电势。

设两侧氧分压分别为p1和p2，且p1

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教学方法

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教师活动

学生活动

（三）氧化锆氧分析器正常工作要满足的条件:

1．工作温度恒定，保持在850C，要求有温度调节环节。

2．必须有参比气体，参比气体的氧含量要稳定不变。

3．参比气体与被测气体压力应该相等。

（四）安装和适用场合

1．安装方式：

有直插式和抽吸式两种结构。

2．适用场合：

用于锅炉、窑炉烟气的含氧量测量，使用温度在600850C之间。

任务三：

常用气体湿度和物料水分测量仪表：

《一》湿度的基本知识：

（一）定义：

物质的湿度就是物质中水分的含量，习惯上称空气或气体中的水分含量为湿度，而液体和固体中的水分含量称为水分或含水量。

（二）表示：

湿度可以由绝对湿度和相对湿度表示。

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1．绝对湿度：

是指单位体积混合气体中所含水汽质量，单位为

。

2．相对湿度：

是指单位体积混合气体中所含水汽体积的百分数。

（三）湿度的测量方法：

传统的有露点法、毛发膨胀法和干湿球湿度湿度测量法，也能够实现自动检测。

《二》干湿球湿度计

（一）组成：

包括两支温度计：

干球温度计和湿球湿度计。

（二）测量原理：

干球温度计测量空气的温度td，湿球温度计测量被吸热而降低了的温度tw，湿球温度计的感温部位包以被干净水浸湿的棉纱，并保持湿润。

当湿球温度计部位的棉纱套水分蒸发时，会吸收热量，使湿球温度计的温度下降。

水的蒸发速度与空气的湿度有关，相对湿度越高，蒸发速度越慢。

所以，在一定的环境温度下，干球温度计和湿球温度计之间的温度差与空气湿度有关。

根据热平衡原理，可以推导出相对湿度为

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教师活动

学生活动

（三）自动连续测量：

在自动连续测量中，温度计一般采用两个热电阻或热电偶测量干球和湿球的温度，再通过电桥将电阻值变化转换为电压信号。

如果采用热电偶为测温元件，两支热电偶要反向串联。

《二》光电露点湿度计

（一）露点：

在一定的压力下，气体中水汽达到饱和结露时的温度称为露点温度，简称为露点。

（二）测量原理：

露点温度与空气中的饱和水汽量有固定关系，所以可以用露点来表示绝对湿度。

（三）工作原理：

被测气体进入测试室与露点镜面接触，镜面被冷却器冷却到露点时，气体中的水汽使露点镜结露。

光源通过聚光镜照射到露点镜面，镜面反射光线被光电管接收。

由于结露，反射光线减弱，光电流减小，控制加热器加热，镜面温度上升，结露消失，光电流增大，加热器断开冷却器工作。

如此反复，使镜面温度保持在露点湿度附近。

教学环节

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教学实施

教学方法

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教师活动

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（四）使用：

被测气体中若有露点与水汽露点相近的组分，应预先清除。

常用的露点测量范围为－80+50C，精度约为0.25C。

《三》湿敏传感器

（一）电解质湿敏传感器

1．组成：

玻璃带浸渍氯化锂溶液构成湿敏元件和在基片两侧形成电极的铂箔片。

2．工作原理：

湿敏元件的电阻值随湿气的吸附与脱过程而变化，通过测定电阻可以得知相对湿度。

（二）陶瓷湿敏传感器：

1．测量原理：

陶瓷湿敏传感器的感湿机理是利用陶瓷烧结体微结晶表面对水分进行吸湿或脱湿，使电极间的电阻值随相对湿度而变化。

2．型式：

烧结式、膜式和MOS型等。

3．优点：

体积小、响应快、稳定性好、测湿范围宽，可用于150C温度，最高承受温度达600C。

可以通过电加热反复清洗，除去吸附在陶瓷上的油污、灰尘等污物，保证测量精度。

教学

环节

教学内容设计

教学实施

教学方法

教学手段

教师活动

学生活动

F．技能的

培养

（35min）

（三）高分子聚合物湿敏传感器

1．测量原理：

作为感湿材料的高分子聚合物具有较小介电常数的电介质，由于水分的存在，可以很大的提高聚合物的介电常数，用这些材料制成电容式湿敏传感器，测定其电容量的变化，可以得知环境的相对湿度。

2．结构：

玻璃基片、下电极、感湿膜、上电极――――构成一个对湿度敏感的平板电容器中。

3．特点：

响应快，特性较稳定，重复性好、使用环境温度不高于80C。

认识物位、成分分析仪表

学生分成五组，讨论并认识物位、成分分析仪表，从每一组抽出一人回答以下问题

1．什么是物位，分为哪几类？

2．静压式液位计的工作原理

3．重锤式直读浮标液位计

3．成分分析方法有哪两种？

4．热导式气体分析器的工作原理

给出任务

讨论并认识

教法：

讨论法

教学

环节

教学内容设计

教学实施

教学方法

教学手段

教师活动

学生活动

G．项目

评价

（5min）

H．项目

延伸

（2min）

I．项目

作业

（3min）

各小组对成分分析仪表的学习进行总结，反馈学生信息，表扬优胜小组及同学。

学生相互交流在实际操作中遇到问题，解决方法。

指出学生在操作中的不足及典型错误。

师生共同总结这节课我们有什么收获

延伸成分分析仪表，明确其本质，提出其后续工作更为重要，为以后课程埋下伏笔，培养学生创新精神。

1．温故

2．知新：

自主学习，预习显示仪表

3．拓展：

搜集压力检测的有关素材，讨论压力检测的基本知识

评价

小结

解惑

提出设问埋下伏笔激发学生继续求知的欲望

解释分析

作业要求

回味

总结

分享

填写评价表

保持高涨的求知热情，明确下一步的学习任务

设计思考

回顾项目内容，加深学生记忆

根据学生的不同程度布置作业