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1、第三章 检测仪表与传感器 Chapter 3 Detection instrument and sensor 纲 要 第一节第一节 概述概述 introductionintroduction 第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表 pressure detection and meterpressure detection and meter 第三节第三节 流量检测及仪表流量检测及仪表 flow detection and meterflow detection and meter 第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表 level detection and meterlevel d
2、etection and meter 第五节第五节 温度检测及仪表温度检测及仪表 temperaturetemperature 第六节第六节 现代检测技术与传感器的发展现代检测技术与传感器的发展 Modern detection technology and sensor developmentModern detection technology and sensor development 第七节第七节 显示仪表显示仪表 indicating meterindicating meter 本章基本要求本章基本要求： 1）掌握仪表精度及仪表的其它性能指标。accuracy 2）初步掌握各种压力
3、检测仪表的基本原理及压力表 的选用方法。Basic principle and selection methods 3）了解各种流量计的测量原理(主要是差压式及转子 流量计)； measuring principle 4）掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。 Zero shift 5）掌握热电偶、热电阻温度计测温原理；熟悉热电 偶测量中冷端补偿的作用和方法。 Thermal couple 6）了解电动温度变送器的作用及原理。transmitter 检测仪表：检测工艺过程参数的技术工具检测工艺过程参数的技术工具。 被测 变量 传感器被测对象 变送器 显示装置 传感器传感器：又称为：又称为检测
4、元件检测元件或或敏感元件敏感元件，它感受被测变量，它感受被测变量 ，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于 传送的输出信号传送的输出信号( (如如mVmV、V V、mAmA、HzHz、位移、力、位移、力) ) 变送器变送器：传感器的输出信号种类很多，而且有时很微弱传感器的输出信号种类很多，而且有时很微弱 ，一般都需要经过变送环节的进一步处理。把传感器的输，一般都需要经过变送环节的进一步处理。把传感器的输 出转换成标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字出转换成标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字 量信号，这种检测仪表称为变送器
5、。量信号，这种检测仪表称为变送器。 G 有时，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示 装置把被测量显示出来。 一、测量过程与测量误差 1、测量过程 measuring process：利用测量仪表，将 被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。 2、测量误差 measuring error：由于测量工具不准确 ，或观测者主观性和周围环境等因素，造成仪表测量值 与真值之间的差距为测量误差。 第一节 概述 绝对误差 仪表指示值 xi 与真值 xt 的差。 = xi - xt 相对误差 绝对误差与标准仪表指示值 x0的比值 。 y= / x0 = (xi - x0) / x0 x0标准表读数 abs
6、olute error relative error 二、仪表性能指标 performance index (精度，变差，灵敏度，分辨力，线性度，反应时间) (accuracy, variation, sensitivity, resolution, linearity, response time) 1、精确度（简称精度 accuracy） 将绝对误差折合为仪表测量范围内的百分数，称为 相对百分误差 ( relative percentage error)。 = max/(测量范围上限 - 测量范围下限) 100% upper limit lower limit 允许误差 (allowabl
7、e error)：表示仪表常态下的最大误 差。一般 用正负相对百分误差来表示。 精确度：指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百 分误差(去掉 与 % ）。 F常用精度等级 ：0.005 0.02 0.05 0.1 0.1 0.2 0.40.2 0.4 0.5 1.0 1.5 2.5 4.0 1.5 1.0 qq仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重 要指标之一要指标之一。 精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高 。 qq精度等级数值小于等于精度等级数值小于等于0.050.05的仪表通常用的仪表通常用 来作为来作为标准表，
8、而工业用表的精度等级数值，而工业用表的精度等级数值 一般大于等于一般大于等于0.50.5。 例1：确定仪表的精度等级。 例2：根据需要选择满足要求精度的仪表。 问：根据校验数据确定仪表精度与根据工艺要求选 择仪表精度的不同? qq结论：工艺要求的结论：工艺要求的 仪表的仪表的 校验所得到的校验所得到的 允许误差允许误差 允许误差允许误差 相对百分误差相对百分误差 2、变差 variation 同一仪表对同一参数进行全部量程范围内的正向与反向 测量时，两条特性曲线间的最大偏差。 变差=（最大偏差/仪表量程） 100% 测 量 仪 表 的 变 差 F变差应小于允许误差,否则,仪表应修理。 变差的原
9、因: 传动间隙; 摩擦力; 弹性滞后 3、灵敏度与灵敏限 sensitivity（针对指针式仪表 ） 灵敏度：仪表指针的线位移或角位移与引起这个参 数变化量的比值。数值为被测参数发生单位变化后， 仪表指针的移动距离。 S = /x 灵敏限：能引起仪表指针发生 动作的被测参数的最小变化量。 F灵敏限 (允许误差)/2。 指针的线位移 或角位移 引起所需的被测测 参数的变变化量 4、分辨力 resolution （针对数字式仪表） 含义：数字显示器的最后位数之间隔所代表的被测 参数的变化量。 最高的分辨力：量程不同，分辨力不同，最低量程的 分辨力是最高的分辨力（灵敏度）。 如:某表的最低量程为:0
10、-1.0000V,末位数字的等效电压 为100V,则该表的灵敏度为100V. 分辨率：分辨力(灵敏度)与量程的比值。 如上表: 100V /1000000V 100%=0.01% 线性度示意图 5、线性度 linearity （非线性误差） 含义：表示线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校 准曲线与理论直线的吻合程度。 f =（f max / 仪表量程） 100% 线性度高的仪表，可均 匀仪表刻度。 对于数字仪表，无线性 度的要求。 校准曲线对于理论直线的最大偏差 6、反应时间 response time 含义：被测参数发生变化后，仪表显示这种变化所 需的等待时间。 F反应时间一般为仪表指数由开
11、始变化到新稳定值的 63.2%（ 或95%）所花费的时间。 引起动态误差的原因是由于检测元件和检测系统中引起动态误差的原因是由于检测元件和检测系统中 各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。 三、工业仪表的分类 classification 动力 power 电动仪表 power driven meter，信号联 系方便, 可远距离传输, 便于计算机相连, 结 构复杂, 易受温度、磁场、湿度，放射性等 影响。 气动仪表 gas driven meter，结构简单， 直观，便宜，影响因素少，传输速度慢， 管线安装检修不便，不宜集中显示与控制 。
12、 液动仪表 liquid driven meter ,传输速度 慢，结构复杂。 三、工业仪表的分类 信息的获得、传递、反映和处理过程： 检测仪表 detection meter； 显示仪表 indication meter； 集中控制装置 integration control instrument； 控制仪表 control instrument； 执行器 actuator； 组成形式 基地式仪表；测量显示与控制为一体，适合现场就地 检测与控制，不能集中控制与显示。 单元组合仪表。测量、显示、控制为独立仪表，之间 以统一的标准信号相连。适合集控，布置与使用灵活 如 ：DDZ，QDZ， 1压力
13、单位及测压仪表 2弹性式压力计 elastic pressure gauge 3电气式压力计 Electric type pressure gauge 4智能型压力变送器 intelligent pressure transmitter 5压力计的选用和安装 selection and installation 第二节 压力检测及仪表 电气式压力计 1.霍尔片式压力传感器 Hall chip pressure sensor 2.应变片式压力传感器 Strain chip pressure sensor 3. 压阻式压力传感器 Piezo resistance pressure transduc
14、er 4. 力矩平衡式压力变送器 Torque balanced pressure transmitter 5. 电容式压力变送器 Capacitance pressure transmitter 一、压力单位及测压仪表 P=F/S SI 单位 帕斯卡 Pa=1 N/m2 压力的表示方法： 表压；绝对压力；负压或真空度 P表压 = P绝对压 - P大气压 P真空度= P大气压 - P绝对压 P绝 绝对压力零线 P表 P真 P绝 大气压 p0 1.01325105Pa FF由于各种工艺设备和检测仪表通常工作于大气中，本由于各种工艺设备和检测仪表通常工作于大气中，本 身承受着大气压力，因此一般的压
15、力检测仪表所指示的身承受着大气压力，因此一般的压力检测仪表所指示的 压力也是表压或者真空度。压力也是表压或者真空度。 测压仪表按照转换的原理，分为四大类： 液注式 （U形 单管 斜管） 弹性式 （弹簧管 波纹管 膜式） 电气式 （电压 电流 频率） 活塞式（标准压力计） 将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的 质量来进行测量。质量来进行测量。精度较高，普遍被用作标准仪器精度较高，普遍被用作标准仪器 . . 将压力转换成液柱高度再进行测量。将压力转换成液柱高度再进行测量。 将被测压力转换成弹性元件的位移再进行测量。将被测压力转换成弹性元件的位移再进行测量
16、。 将被测压力转换成各种电量将被测压力转换成各种电量( (如电阻如电阻) )再进行测量。再进行测量。 二、弹性式压力计 elastic pressure gauge 利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下， 使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 1、弹性元件（测压范围不同，元件不同） 弹簧管式元件：测高压，1000MPa，分单圈与多圈 薄膜式：膜 片式与膜盒式，测压比弹簧管低。 波纹管式：流纹状薄壁筒体。测微压与低压(1MPa)。 弹性元件示意图 2、弹簧管压力表（单圈，双圈，耐酸碱，禁油） 弹簧管压力表（P40） 电接点信号的弹簧管压力表（P41） 图3-6 弹簧管压力表 图3-7电接点信号压力表 绿 灯 红 灯 p 三、电气式压力计（将压力转换为电信号） 特
