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1、化工仪表自动化 （Instruments & Automatics of Chemical Engineering） 第三章 检测仪表及传感器 主讲人：孙行衍 第三章 检测仪表及传感器 3.1 概述 3.1 概述 3.1 概述 压力流量物位温度 3.1 概述 检测仪表检测仪表 用来检测生产过程中各种参 数的技术工具 传感器传感器 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 n 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。 n 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
2、的信号能量形式，并由指针位移或数字形式 显示。 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 n 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。 n 2.测量误差的表示方法 n 绝对误差 n 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， x0 ：标准表的读数值 y为仪表在x0处的相对误差 3.1 概述 n 3.仪表的性能指标 仪表 性能指标 （2）变差（1）精确度 （3）灵敏度 （4）分辨力 （6）反应时间 （5）线性度 3.1 概述 n （1）精确度（精度） 影响因素：绝对误差+仪表的测量范围 说明
3、：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。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max。 相对百分误差 允许误差 3.1 概述 n 仪表的允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的允 越小，表示仪表的精确度越高。 n 将仪表的允许相对百分误差去掉“”号及“”号，便可 以用来确定仪表的精确度等级。 n 目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2， 0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。0.05级以上标准表， 0.5级以下工业现场用测量仪表。 1.5 1.0 3.1 概述 例1 某台测温仪表的测温范围为20
4、0700，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 如果将该仪表的去掉“”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。 3.1 概述 例2 某台测温仪表的测温范围为01000。根据工艺要求 ，温度指示值的误差不允许超过，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 如果将仪表的允许误差去掉“”号与“”号 ，其数值介于0.51.0之间，如果选择精度等级为1.0级 的仪表，其允许的误
5、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。 3.1 概述 n 仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 n 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来 选择仪表精度等级，情况不一样。 n根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的 允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相 对百分误差； n根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许 误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相 对百分误差。 3.1 概述 n （2）变差 变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测 量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由 小到大和逐渐由大
6、到小）测量时，被测量值正行和反行所得 到的两条特性曲线之间的最大偏差。 图3-1 测量仪表的变差 3.1 概述 n （3）灵敏度与灵敏限（仅适用指针式仪表） 仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引 起这个位移的被测参数变化量的比值。 S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移； x为引起所需的被测参数变化量。 仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参 数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允 许绝对误差的一半。 3.1 概述 n （4）分辨力（数字式仪表） 对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最末位数 字间隔所代表的被测参数变化量。 不同量程的分辨力是不同的，相应于最低
7、量程的分辨 力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。 通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分 辨率与仪表的有效数字位数有关。 3.1 概述 n （5）线性度（非线性误差） 线性度是表征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。通常总是希望测量仪表的输 出与输入之间呈线性关系。 f为线性度（又称非线性误差）； fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差 （以仪表示值的单位计算）。 图3-2 线性度示意图 3.1 概述 n （6）反应时间 反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的 品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准 确的指示值，那就不宜用来测量
8、变化频繁的参数。 仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。 n 表示方法： 仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2（95 ）所用的时间，可用来表示反应时间。 3.1 概述 n 4.工业仪表的分类 使用的能源组成形式 信息传递过程 中的作用 n （1）使用的能源 气动仪表、电动仪表、液动仪表 优点：以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于 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。 3.1 概述 n （2）信息的获取、传递、反映和处理 检测仪表 显示
9、仪表 集中控制装置 控制仪表 执行器 3.1 概述 图3-3 各类仪表的作用 3.1 概述 n （3）仪表的组成形式 基地式仪表 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。 3.1 概述 单元组合仪表 将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分 别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元 、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准 信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意 组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。 国产的
10、电动单元组合仪表简称DDZ仪表；气动单元组 合仪表简称QDZ仪表。 第三章 检测仪表及传感器 3.2 压力检测及仪表 n 1.压力的单位 压力压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。 压力压力的单位为帕斯卡，简称帕（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： 3.2 压力检测及仪表 p表 P真 P绝 P绝 大气压力线 绝对压力的零线 在压力测量中，常有绝对压力、表压、负压或真空度之分。 当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。 图3-4 绝对压力、表压、负压（真空度 ）的关系 工
11、程上所用压力指示值，多数为表压 。 大气压直接作用于容器或物体表面的压力称为绝对压力 。 n 2.工程中常用压力名称含义 3.2 压力检测及仪表 测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四 种类型。 1.1.液柱式压力计液柱式压力计 2.2.弹性式压力计弹性式压力计 3.3.电气式压力计电气式压力计 4.4.活塞式压力计活塞式压力计 n 3.常用压力仪表类型 3.2 压力检测及仪表 n 4.弹性式压力计 (1)(1)定义定义 弹性式压力计弹性式压力计是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。 (2)(2)优点优点 具有结构
12、简单、使用可靠、读数清晰、牢 固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的 精度等优点。 可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压 力。 3.2 压力检测及仪表 (3)(3)弹性元件弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不 同时，所用的弹性元件也不一样。 图3-5 弹性元件示意图 高达1000MPa不超过1MPa 3.2 压力检测及仪表 (4)(4)弹簧管压力表弹簧管压力表 分分 类类 使用的测压元件 用途 弹簧管压力表 单 圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。 普通弹簧管压力表，耐腐蚀 的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。 弹簧管 拉杆 扇形齿轮 中心齿轮 指针 调整螺丝 游丝 接头
13、 面板 （a）弹簧管压力表的 结构： 3.2 压力检测及仪表 （b b）弹簧管压力）弹簧管压力 表基本测量原理表基本测量原理 3.2 压力检测及仪表 3.2 压力检测及仪表 这时就应采用带有报警或 控制触点的压力表。将普通弹 簧管压力表稍加变化，便可成 为电接点信号压力表，它能在 压力偏离给定范围时，及时发 出信号，以提醒操作人员注意 或通过中间继电器实现压力的 自动控制。 警惕！警惕！ 在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内， 即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条 件，甚至可能发生危险。 3.2 压力检测及仪表 静触点 动触点 （c c）电接点压力表）电接点压力表 基本测
14、量原理基本测量原理 3.2 压力检测及仪表 n 5.电气式压力计 定义定义 电气式压力计电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行 传输及显示的仪表。 1. 该仪表的测量范围较广测量范围较广，分别可测710-5Pa至 5102MPa的压力，允许误差可至0.2； 2. 由于可以远距离传送信号，所以在工业生 产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可 与工业控制机联用。 优点优点 3.2 压力检测及仪表 图3-8 电气式压力计组成方框图 组成组成 一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用 的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。 3.2 压力检测及仪表 几种常见的传感器或变
15、送器： （1 1）霍尔）霍尔片式压力传感器片式压力传感器 霍尔片式压力传感器霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍 尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势， 从而实现压力的测量。 图3-9 霍尔效应 霍尔电势霍尔电势可用下式表示： 式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数， 与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应 强度；I为控制电流的大小。 3.2 压力检测及仪表 注意注意 霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可 增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为320mA ，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量 级。 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。 图3-10 霍尔片式压力传感器 1弹簧管；2 磁钢；3 霍尔片 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现 远距离显示和自动控制。 3.2 压力检测及仪表 （2 2）应变）应变片压力传感器片压力传感
