HG第三章检测仪表与传感器(概述)-位图

11
第一节 概述
仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高， 也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作 为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。 仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板 上。
举例
如： 1.5
7
第一节 概述
二、仪表的性能指标
1. 精确度（简称精度） 两大影响因素 绝对误差和仪表的测量范围
说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是，仪表 的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对 误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。
相对百分误差δ

max 100 % 测量范围上限值 测量范围下限值
测量误差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的 差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。
6
第一节 概述
绝对误差
xi xt
xi：仪表指示值, xt：被测量的真值
由于真值无法得到
x x0
x：被校表的读数值，x0 ：标准表的读数值 相对误差
x x0 y x0 x0
9
第一节 概述
举例
例1 某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表时 得到的最大绝对误差为＋4℃，试确定该仪表的精度等级。 解 该仪表的相对百分误差为
4 100 % 0.8% 700 200
如果将该仪表的δ去掉“＋”号与“％”号，其数值为0.8。由 于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超 过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等 级为1.0级。
缺点
结构较复杂，价格较贵。

软测量技术的发展 现代传感器技术的发展
4
3.1 概述
1.检测与变送的作用 通过检测元件获取生产工艺变量。它直接响应工艺变量，并转化 为一个与之成对应关系的输出信号-如位移、电压、电流、电阻、频率、 气压等。一般称为一次仪表。 当对工艺变量进行处理和分析等工作时，一般将其通过变送器处 理，转换成标准统一的电气信号进行运用-指示、记录、控制、操纵等。 一般称为二次仪表。 2.控制过程对检测变送的基本要求： 测量值要精确反映被控工艺变量的值。
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3.2 温度检测及仪表
3.2.1 温度检测方法 温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之 间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不 同而变化的特性来加以间接测量。 按测量范围 高温计、温度计 标准仪表、实用仪表 膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶 温度计、热电阻温度计和辐射高温计 接触式与非接触式
2
3.4 压力检测及仪表
压力单位及测压仪表 弹性式压力计 电气式压力计 智能型压力变送器 压力计的选用及安装 概述 差压式液位变速器 电容式物位传感器 核辐射物位计 称重式液罐计量仪
3.5 物位检测及仪表
3
3.8 变送器 3.9 现代检测技术与传感器的发展
热 电 阻
-200 ～600 -50 ～150 400 ～2000 700 ～3200 900 ～1700 0 ～3500 200 集中测量和自动控制 测温时，不破坏被测温度场
不能测高温，需注意环境温度 的影响 低温段测量不准，环境条件会 影响测温准确度 易受外界干扰，标定困难
过程自动化及仪表
第三章 检测变送
一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部 分（被控对象）和自动化装置部分。 前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自 动控制所必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、 控制器和执行器等三部分。

扩散作用 自由电子 密度大 金属A + + 电场作用 金属B 自由电子 密度小
9
接触电势与温差电势
-
-
接触电势：
N At kt e AB (t ) ln e N Bt
K：波尔兹曼常数，e：单位电荷电量n，N 为自由电子密度。 温差电势：同一根导体两端处于不同的温度，导体中 会产生温差电势（很小可忽略不计） 。
当冷端温度保持不变时，热电势才是被测热端温度 的单值函数 11
2、热电偶基本定律
如下： 中间导体定律：如果插入热电偶回路的第三根导线 两端的温度相同，将不影响整个回路总的热电势。 均质导体定律：由同一种均质导体组成的闭合 回路不可能产生热电势。 中间温度定律：
EAB (t , t0 ) EAB (t , tc ) EAB (tc , t0 )
1
温标
（1）摄氏温标：以水的冰点为“0”，水的沸点为“100”， 中间等分为100份，每份为1度，以OC表示。 （2）华氏温标：冰水融体为“32”，水的沸点为“212”， 中间等分为180份，每份为1度，以OF表示。
o
5 o 5 C ( F 32) 9 4
o
R
（3）热力学温标 ----又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。 （4）国际实用温标 -----是一种符合热力学温标又使用简单的温标。 最新温标是1990年国际温标 (ITS－90)
解： 由分度表查得 E (20,0 ) = 0.113 mv 则 ： E (t, 0) = E (t, t0)+E (t0, 0)
= 7.32 + 0.113
= 7.434 mv
再查分度表得其对应的被测温度t = 808℃
22

9
双法兰式
第四节 物位检测及仪表
三、电容式物位传感器
1.测量原理
通过测量电容量的变化可以用来检测液位、料位和两种不同 液体的分界面。
两圆筒间的电容量C
C

2L
ln D
d
当 D 和 d 一定时，电容量 C 的大小与极 板的长度 L 和介质的介电常数ε的乘积成 图3-45 电容器的组成 比例。
图3-41 负迁移示意图
则 p1 p2 H1g h12g h22g
p H1g h2 h12g
6
第四节 物位检测及仪表
迁移弹簧的作用 改变变送器的零点。 迁移和调零 都是使变送器输出的起始值与被测量起始 点相对应，只不过零点调整量通常较小，而零点迁移 量则比较大。 迁移 同时改变了测量范围的上、下限，相当于测量 范围的平移，它不改变量程的大小。
3
第四节 物位检测及仪表
二、差压式液位变送器
1.工作原理
图3-39 差压液位变送器 原理图
图3-40 压力表式液位计
4
第四节 物位检测及仪表
将差压变送器的一端接液相，另一端接气相
因此
p1 p Hg
p2 p
p p1 p2 Hg
当被测容器是敞口的，气相压力为大气压时，只需将
热电偶名称 代号
铂铑30-铂铑6 铂铑10-铂 镍铬-镍硅 镍铬-铜镍 铁-铜镍 铜-铜镍
WRR WRP WRN WRE WRF WRC
表3-4 工业用热电偶
分度号 热电极材料 新 旧 正热电极 负热电极
B LL-2 铂铑30合金 铂铑6合金 S LB-3 铂铑10合金 纯铂 K EU-2 镍铬合金 镍硅合金
精度低，量程和使用范围有限

注：“量的常用符号”是在运算方程式、公式、等式所用，符号可因人或因情 况而异。如长度可用 l, l, λ, 等。但单位符号却不能乱用。
第一节 概述
自动化学院 电气测控工程系
用来检测这些参数的技术工具称为检测仪表。
用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号 的仪表通常称为传感器。 当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准 信号时，通常称为变送器。
第一节 概述
自动化学院 电气测控工程系
仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也 说明该仪表的精确度越高。 0.05 级以上的仪表，常用来作为 标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。 仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板 上。 举例 如： 1.5
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第一节 概述
自动化学院 电气测控工程系
例2 某台测温仪表的测温范围为０～1000℃。根据工艺要求， 温度指示值的误差不允许超过±７℃，试问应如何选择仪表 的精度等级才能满足以上要求？ 解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为
7 允 100 % 0.7% 1000 0
如果将仪表的允许误差去掉“±” 号与“％”号，其 数值介于0.5～1.0之间，如果选择精度等级为 1.0级的仪表， 其允许的误差为±1.0％，超过了工艺上允许的数值，故应 选择0.5级仪表才能满足工艺要求。 11
自动化学院 电气测控工程系
温度检测及仪表
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内容提要
一体化温度变送器 智能式温度变送器 测温元件的安装
自动化学院 电气测控工程系
现代检测技术与传感器的发展(自学)
软测量技术的发展 现代传感器技术的发展
4

3.1 概述
测量工具不够准确
测量者的主观性
周围环境的影响等
3.1 概述
1.测量误差的定义 由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。 2.测量误差的表示方法
绝对误差
相对误差
xi：仪表指示值, xt：被测量的真值 由于真值无法得到 x：被校表的读数值， x x0 x0 ：标准表的读数值
导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导 体的霍尔电势小得多。
3.2 压力检测及仪表
将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹 簧管压力传感器，如图3-10所示。 当被测压力引入后，在 被测压力作用下，弹簧管自由 端产生位移，因而改变了霍尔 片在非均匀磁场中的位置，使 所产生的霍尔电势与被测压力 成比例。 利用这一电势即可实 图3-10 霍尔片式压力传感器 现远距离显示和自动控制。
将检测的参数转换为一定的便 于传送的信号的仪表
变送器
传感器的输出为单元组合仪表 中规定的标准信号
3.1 概述
测量过程的实质： 将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。 测量仪表： 将被测参数经过一次或多次的信号能量变换，最终获得 一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式 显示。
第三章 检测仪表及传感器 3.2 压力检测及仪表
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1.压力的单位
压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。
F S 式中，p表示压力；F表示垂直作用力；S表示受力面积。 p
压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）
1Pa 1 N m2
1MPa 1106 Pa
3.2 压力检测及仪表
工程上除了（帕）外使用的压力单位还有：工 程大气压、物理大气压、汞柱、水柱等。 帕与汞柱和物理大气压的换算关系为：

王爱兵化工仪表及自动化课件
一、弹性式压力计
1.弹性元件
弹簧管式弹性元件 (a) (b)可测高压1000Mpa。有 单圈和多圈两种。 薄膜式弹性元件 (c) (d)测压比弹簧管式低，用膜 室，内充满液体。 波纹管式弹性元件 (e)测压低于1Mpa。
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Instrumentation and Automation of Chemical Engineering
测量过程与与误差
仪表的性能指标及分类
压力检测及仪表
弹性式压力计 智能压力变送器 电气式压力计 压力计选用安装 转子流量计
流量检测及仪表
差压式流量计
椭圆齿轮流量计
Instrumentation and Automation of Chemical Engineering
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王爱兵化工仪表及自动化课件
二、电气式压力计
2.压阻式压力传感器
单晶硅的压阻效应。
当收到压力作用时， 电阻发生变化。
利用电桥测出电阻的 变化而得到压力大小。 可测量差压、高度、 速度、加速度等。
1—基座；2—单晶硅片； 3—导环；4—螺母；5— 密封垫圈；6—等效电阻
Instrumentation and Automation of Chemical Engineering
2.间接测量：不宜直接测量时, 与被测量 有关的几个相关量后, 经过计算确定。
Instrumentation and Automation of Chemical Engineering
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王爱兵化工仪表及自动化课件
第二节压力检测及仪表
液柱式压力计：转换成液柱高度。
结构简单、使用方便。误差大，测量范围小。

• 因此，如果我们用电阻的相对变化去替换全微分，就变 成ΔR比R，也就是电阻丝的电阻变化率，这一项因为它 基本上不变化，我们可以把它忽略，那么它被应变来除 得到电阻丝材料的灵敏系数，它是指的电阻丝的应变和 它的相对电阻变化率之间关系，这个对一般的金属材料 它基本上是一个常数，所以我们就把它当作一个常数来 对待，这是电阻应变片测量最基本的一点，就是因为它 的应变和电阻变化率，存在一个线性关系了，因为它等 于常数。但光一个电阻丝还不能构成电阻应变片，还要
• U*(R1*R3-R2*R4)/(R1+R2)*(R3+R4)。
• 另一个指标是电阻值，就是它本身总的电阻值， 这个电阻值一般对测量的影响不是很大。电阻片 的电阻，一般都是在60欧姆到1000欧姆之间，大 多数都是120欧姆或者是360欧姆左右，它允许从 60欧姆到1000欧姆之间。
• 第三项指标就是方才介绍的电阻片的灵敏系数。 这个值是固定的，当它选择生产厂家用的某电阻
• 用电阻应变片来测量应变,就是把应变片牢牢地贴 到试件上,然后去测量电阻片产生的电阻变化率,通 过电阻变化率去换算出来试件的应变，根据前面咱 们介绍过的电阻应变片的构造，那么就可以看出来 电阻片有很多优点，下面就介绍一下电阻片具体的 技术性能。
• （2）应变片的基本技术性能，主要有三项：标距、电阻值、灵 敏系数。
• 纸基和胶基这两种电阻片，它们各自有各自的特点。比如说纸机 的电阻片，一般它的成本低，而且容易粘贴，容易把它粘贴到试 件上。但是，它防潮的性能比较差，比如说空气当中湿度很大， 或者你的试件含水量大，那么它可能就提早破坏了。而胶基的特 点正好和纸基相反，就是说它的机体材料的成本要比纸基的高， 所以整个电阻片的成本要比纸基的高，它的粘贴上要比纸基困难， 因为胶基的在和其它，比如说和金属粘接的时候它就相对困难一 点，它本身较硬，但是它防潮性能很好。另外胶基的电阻应变片 因为它是用光刻的方法做成的，所以电阻片可以做的很短，电阻 丝的长度最小的可以做到0.2毫米，而且可以做成各种各样的电阻 片，所以它的工艺比较灵活。

—过程特性及其数学模型—
三、质量流量计

间接式质量流量计
– 分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质
量流量。

直接式质量流量计
– 利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产
生震动相位差
质量流量计结构比较复杂，只用于压力
变化较大的可压缩流体。
—过程特性及其数学模型—
§3.4 物位的测量与变送

物位：
—过程特性及其数学模型—
3. 电磁流量计
电磁流量计由两部分组成： 电磁流量变换器
– 由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。

二次仪表
– 作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱
电势信号进行放大，并输出相应的电流信号。 – 组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率 放大、霍尔反馈（克服电源波动）、电源等。
三、压力计的安装

安装事项：
– 取压位置：由工艺条件确定； 尽量避免涡流影响； 避免流速影响； 避免导压管产生压差。 – 隔离： 温度隔离：采用铜管散热； 腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）； 脏污隔离：采用空气包。
—过程特性及其数学模型—
§3.3 流量的测量与变送
按测量途径分类： 速度式流量计
压强（俗称压力）：单位面积所受到的 垂直作用力。 工程上的“压力”与力学中的“压力” 不表示同一个概念。

帕
Pa
N/m2 106N/m2 10mH2O
毫米汞柱 水柱 巴 psi
mm m dyn/cm2 lb/in2
兆帕 MPa 工程大气压
物理大气压 20º C海平面
—过程特性及其数学模型—
二、压力计的分类与工作原理

压力 变化 弹性 变形

特点：无任何规律可循。 误差产生的原因：引起的原因主要是由于操作者的 粗心（如读错、算错数据等）、不正确操作、实验 条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙 测试等原因所造成的。这时含有粗差的测量值称为 异常值或坏值，一般均应从测量结果中剔除。
11
第一节 概述
(3)随机误差

--------在相同条件下多次重复测量同一量时，
31
第一节 概述
图3-3 各类仪表的作用
32
第一节 概述
3. 按仪表的组成形式分类
分为基地式仪表和单元组合仪表 基地式仪表特点是将测量、显示、控制等各部分集 中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种仪表比较 适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数 的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪 表的应用范围。
变差 最大绝对差值 100 % 测量范围上限值 测量范围下限值
回差产生原因：由于传动机构的间隙、运 动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。 回差越小，仪表的重复性和稳定性越好。 应当注意，仪表的回差不能超过仪表引 用误差，否则应当检修。
图3-1 测量仪表的变差
25
第一节 概述
5.灵敏度与灵敏限 仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引
29
第一节 概述
四、工业仪表的分类 1. 按仪表使用的能源分类
气动仪表、电动仪表、液动仪表
常用
以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于 优点
远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现
在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动 仪表的安全使用。
缺点
一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、 放射性等环境影响。
7
第一节 概述
3.一个完整的检测系统应该包括： 1.信息的获取 2.信号的放大、转换与传输 3.信号的显示与记录 4.信号的处理与分析