第三章 过程检测技术目的：为了实现对生产过程的自动控制，首先必须对生产过程的各参数进行可靠地测量。
要点：学习和掌握过程测试及应用；正确地选择测试原理和方法；组成合适的测试系统。
第一节 测量与误差基本知识测量基本知识一．测量的概念1．概念 测量是人类对自然界的客观事物取得数量概念的一种认识过程。
或者说测量就是为取得任一未知参数而做的全部工作。
4．测量的基本方程式 u X x /005．测量过程三要素（1） 测量单位；（2） 测量方法；（3） 测量仪器与设备。
二．测量单位1．概念 数值为1的某量，称为该量的测量单位或计量单位。
三．测量方法（一）测量方法的分类1．直接测量与间接测量2．等精度测量和不等精度测量3．接触测量与非接触测量4．静态测量与动态测量（二）直接测量法有以下几种常用方法：1．直接比较测量法2．微差测量法3．零位测量法（又称补偿测量法或平衡测量法）（三）间接测量法1．定义通过对与被测量有函数关系的其它量进行测量，才能得到被测量值的测量方法。
4．组合测量法四．测量仪器与设备（一）感受件（传感器）（二）中间件（变送器或变换器）（三）显示件（显示器）误差基本知识一.误差基础（一）测量误差及分类1．系统误差2．随机误差（又称偶然误差）3．粗大误差（二）测量的精密度、准确度和精确度1．精密度2．准确度3．精确度（三）不确定度概念用测量值代表被测量真值的不肯定程度。
是测量精确度的定量表示。
（四）仪表的基本误差限1．绝对误差2．相对误差3．引用误差二．误差分析与处理（一）随机误差的分析与处理1．统计特性（随机过程）2．算术平均值原理(1)真值的最佳估计值（最佳信赖值）。
（2）剩余误差3．随机误差的标准误差估计（贝塞尔公式）4．置信概率与置信区间（二）系统误差的分析与处理1．系统误差的估计（1）恒定系统误差指误差大小和符号在测量过程中不变的误差。
（2）变值系统误差它是一种按照一定规律变化的系统误差。
可分为a.累积性系统误差随着时间的增长，误差逐渐增大或减少的系统误差。
b.周期性系统误差误差大小和符号均按一定周期变化的系统误差。
2．系统误差的消除校准法、零示法、替代法、交换法、还有对称法、微差法、比较法等。
（三）粗大误差的检验与剔除（1）拉依达准则（3σ准则）（2）肖维奈（Chauvenet）准则（2）格拉布斯（Grubbs）准则（四）误差综合1．随机误差的综合2．系统误差的综合3．总误差的综合三．仪器仪表的主要性能指标仪表的性能指标主要有技术、经济及使用等三方面的指标。
仪表技术方面的指标有：误差、精度等级、灵敏度、变差、量程、响应时间、漂移等。
仪表经济方面的指标有：使用寿命、功耗、价格等。
仪表使用方面的指标有：操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以及抗干扰与防护能力的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等。
（一）量程与精度（二）静态性能指标灵敏度、线性度、迟滞误差、漂移、重复性四．实验数据处理初步（一）有效数字及运算（二）测试结果的表示1．实验结果的图形表示法2．实验结果的列来表示法3．实验结果的方程表示法第二节传感器概述没有传感器也就没有现代化的自动测量和控制，也将没有现代科学技术的迅速发展。
一．传感器基本概念及组成（一）传感器基本概念是将被测非电量（物理量）信号转换为与之有确定对应关系的电量（信息）输出的器件或装置。
或者说把从被测对象中感受到的有用信息进行变换、传送的器件。
（二）传感器的组成由敏感元件、转换元件、测量电路与其它辅助部件组成。
二．传感器分类（一）按输入物理量分类（二）按工作原理分类（三）按能量的关系分类（四）按输出信号的性质分类三．传感器特性及标定四．新型传感器介绍（一）光纤传感器（二）激光传感器（三）仿生传感器（四）霍尔传感器（五）气、湿敏传感器（六）数字式传感器（七）智能式传感器（八）其它新型传感器1．酶传感器酶作为敏感材料已经走出实验室，并且已有产品进入市场。
其后科学家们又相继研究了酶热敏电阻。
2．微生物传感器其实质仍属于酶类生物传感器，它是多酶系统化的复合酶系，但是两者性质却有很多不同之处。
3．免疫传感器它几乎与微生物传感器同时被研究，现仍处在实验阶段。
4．有机物传感器、组织传感器它们在上述几类之后才被人们所研究。
与此同时，也交叉研究了酶免疫传感器、酶免疫热敏电阻、酶发光传感器和免疫发光传感器等。
5．生物电子学传感器它是生物学和电子学的结合，也是最新型的生物传感器。
例如酶场效应管（FET）和酶发光二极管等。
6．超导传感器是利用某些材料，当温度接近绝对零度时，其电阻几乎为零，在其上施加电流时，电流将会无限止地流动下去的这种超导特性而研制的一种传感器。
五．传感器选用（一）对传感器的技术性能要求（二）传感器的选用原则1．按测量方式选2．按测量要求选3．按使用方便选4．按性能价格比选六．传感器发展动向（一）传感器采用新原理（二）传感器的固态化和小型化（三）传感器的集成化和多功能化（四）传感器的智能化（五）仿生传感器的研制第三节压力测量一．概述1．概念：2．单位：国际单位制中的单位为帕斯卡Pa（N/m2）。
3．压力与工程大气压、标准大气压、毫米汞柱、毫米水柱等的换算：4．压力测量常用压力名词术语：5．常用压力测量仪表种类：（1）液柱式压力计：将被测压力转化为液柱的高度来进行测量的一种仪表。
（2）弹性式压力计：利用测量弹性敏感元件在压力作用下产生的弹性变形的大小来测量压力的一种仪表。
（3）电测式压力计：将被测压力转化为电量进行测量的方法。
6．气流的静压和总压：7．探针：二．液柱式压力计（一）U型管压力计（二）单管压力计（三）微压计三．弹性式压力计弹性元件种类：弹簧管、膜片、膜盒、膜盒组和波纹管等。
（一）弹性元件特性（二）弹簧管式压力计四．压阻式压力计1．测量原理：根据半导体的压阻效应来工作的。
（一）半导体的压阻效应（二）压阻式压力计五．压电式压力计1．测量原理：利用某些晶体的压电效应来测量压力。
压电效应指晶体在承受压力（或拉力）时，表面产生电荷的特性。
（一）石英的压电效应注意：压电特性与切割方向有关。
（二）压电式压力计六．压力计的选用1．选用的主要参数：类型、量程范围、精度和灵敏度。
第四节温度测量一．概论1．温度概念：温度是表征物体冷热程度的物理量。
2．温度测量的方法：一般分为接触式和非接触式。
3．分类：(1)利用物体的热膨胀来测温；(2)利用导体（半导体）的热电效应来测温；(3)利用电阻随温度变化而变化的特性来测温；(4) 利用物体表面辐射与其温度的关系来测温。
二．热膨胀式温度计测温原理：利用物体热胀冷缩的性质制成。
（一）液体膨胀式温度计（二）固体膨胀式温度计三．热电偶测温仪表测温原理：利用热电效应原理制成的测温仪器测温。
（一）热电偶温度仪表工作原理（1）热电效应：2．热电势：接触电势和温差电势共同作用的结果。
（二）热电偶的基本定律：1．匀质导体定律2．中间导体定律3．中间温度定律4．标准电极定则（三）常用热电偶测温系统2．几种测温线路：如图3-24所示。
热电偶反向串联可以测两点的温度差；热电偶正向串联可以测多点温度之和；热电偶并联可以测量多点温度的平均温度。
（四）热电偶冷端温度的影响及处理1．恒温法2．示值修正法3．冷端温度补偿电桥法（五）热电偶的结构型式(可以找一些彩图)4．热电偶的结构：可分为普通热电偶、铠装热电偶、特殊热电偶。
四．热电阻测温仪表（一）测温原理及特性（二）常用热电阻常用的热电阻主要有铂热电阻、铜热电阻和镍热电阻。
（三）热电阻的结构五．测温仪表的选用表3-5 测温仪表的选用2．正确安装：第五节流量测量一．概述1．概念：指单位时间内流过某一截面的流体数量的多少。
2．流量表示方式：（1）体积流量：用符号Q来表示。
单位为：立方米/小时(m3/h)，升/小时(l/h) （2）质量流量：用符号M来表示。
单位为：吨/小时（ｔ/h）,千克/小时(kg/h), 千克/秒(kg/s)3．常见的流量计：压差式流量计，转子式流量计，电磁式流量计等。
二．压差式流量计结构测量原理三．转子式流量计结构测量原理四．电磁式流量计结构测量原理五．流量测量仪表的选用选用流量计时，应考虑以下几点：1．考虑流体的性质和状态；2．考虑工艺允许的压力损失；3．最大最小额定流量；4．注意使用场合的特点，测量精度的要求，显示的方式。
第六节液位测量一．概述1．液位：指容器内液体介质液面的高低。
2．液位计分类：按工作原理可分为直读式、浮力式、静压式、电容式、光纤式、激光式、核辐射式。
二．浮力式液位计浮力式液位计是根据浮力原理对液位进行测量，可分为恒浮力式和变浮力式两种。
（一）恒浮力式液位计（二）变浮力式液位计三．静压式液位计（一）测量原理Array静压式液位计是通过测量某点的压力或该点与另一参考点的压差来间接测量液位的仪表。
（二）静压式液位计的结构形式1．玻璃管液位计2．压力式液位计3．压差式液位计四．电容式液位计电容式液位计由电容式液位传感器和测量电路两部分组成，它的传感部件结构简单，动态响应快，能够连续、及时地测量液位的变化。
电容式液位计应用广泛，适用于各种导电、非导电液体的液位测量。
（一）电容法测液位原理电容器由两个同轴的金属圆筒组成，两圆筒半径分别为R、r，高为L。
当两筒之间充满介电常数为ε的介质时，则两筒间电容量可由下面公式表述：)ln(20r R LC πε=（二）导电液体电容液位计 （三）非导电介质电容液位计五．光纤液位计如图所示，在两根石英光纤的端部粘上(或烧结加工而成)石英棱镜，其中一根与光源相连，另一根与光电元件相连。
当探头置于空气中时，光线在棱镜中发生全反射，光源所发出的光经过如图所示的光路传送至光电元件。
当探头接触液面Ⅰ时，液体的折射率与空气不同，一般均大于空气，则临界角α0增大，从而破坏了棱镜中全反射，部分光线漏射至液体中，这样送至光电元件的光强度极大地被减弱了。
若探头再深入至Ⅰ-Ⅱ界面时,由于两者折射率的不同，从而临界角α0又一次发生变化，同样送至光电元件的光强再次变化。
从上面分析来看，探头每进入不同介质(不同折射率)时，送至光电元件的信号就要发生变化，从而可以确定出液面位置。
六．液位计的选用表3-6 液位计的分类与性能。
