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1、第三章第三章 检测仪表与变送器检测仪表与变送器 简单控制系统构成回顾： 简单控制系统的方块图 本章主要内容： 3.1 概述 3.2 压力检测 3.3 流量检测 3.4 物位检测 3.5 温度检测 3.6 成分分析 3.1 概 述 3.1.0 检测变送的重要性 3.1.1 测量误差 3.1.2 仪表性能指标 3.1.3 过程参数的一般测量原理 在过程自动化中要通过检测元件获取生产工艺变 量，最常见变量是温度、压力、流量、物位（四大参 数）。 检测元件又称为敏感元件、传感器，它直接响应 工艺变量，并转化成一个与之成对应关系的输出信号 。这些输出信号包括位移、电压、电流、电阻、频率 、气压等。 3.
2、1.0 检测变送的重要性 由于检测元件的输出信号种类繁多，且信号较弱不易 察觉，一般都需要将其经过变送器处理，转换成标准统一 的电气信号（如420mA 或 010mA直流电流信号 ,20 100KPa气压信号）送往显示仪表，指示或记录工艺变量， 或同时送往控制器对被控变量进行控制。有时将检测元件 、变送器及显示装置统称为检测仪表, 或者将检测元件称 为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。 检测实施正确控制的第一步 变送将检测元件输出的各种信号、微弱信号转化成统一( 标准)的电气信号。 静态：正确y(t)正确反映c(t)的值 可靠长期工作 动态：迅速y(t)迅速反映c(t)的变化 过程控制
3、对检测仪表要求： 3.1.1 3.1.1 检测过程与测量误差检测过程与测量误差 检测过程检测过程参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。 被测 变量 传感器 参数检测的基本过程 被测对象 变送器 显示装置 传感器传感器又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转 换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如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，如mVmV、V V 、mAmA、HzHz、位移、力等等
4、。、位移、力等等。 由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要 经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如0 010mA10mA、4 4 20mA20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检等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 测仪表称为测仪表称为变送器变送器。 有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被测量有些时候，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。显示出来。 测量误差测量误差
5、 测量误差测量误差仪表测得的仪表测得的测量值测量值 与与被测真值被测真值 之差之差 由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测 仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行 测量所得到的测量所得到的2 2个读数之差。个读数之差。 即：即： x x0 0 标准表读数标准表读数 测量误差的几种表示形式：测量误差的几种表示形式：绝对误差绝对误差 实际相对误差实际相对误差 标称相对误差标称相对误差 相对百分误差相对百分误差 3.1.33.1.
6、3检测仪表的主要性能指标检测仪表的主要性能指标 仪表的精确度仪表的精确度 一台测量范围一台测量范围0 01000kPa1000kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差的压力测量仪表，其最大绝对误差10kPa(10kPa(在整个在整个 量程范围内量程范围内) )，另一台测量范围，另一台测量范围0 0400kPa400kPa的压力测量仪表，其最大绝对误的压力测量仪表，其最大绝对误 差差5kPa5kPa， 请问哪一台压力检测仪表的精度更高？请问哪一台压力检测仪表的精度更高？ 虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。 在自动化仪表
7、中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。 由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差 中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差: : 仪表的仪表的精度等级精度等级（精确度等级精确度等级）是指仪表在规定的工）是指仪表在规定的工 作条件下允许的最大相对百分误差。作条件下允许
8、的最大相对百分误差。 3.1.33.1.3检测仪表的主要性能指标检测仪表的主要性能指标 仪表的精确度等级仪表的精确度等级 仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。 把仪表允许的最大相对百分误差去掉把仪表允许的最大相对百分误差去掉“ “” ”号和号和“ “” ”号，便可以用来确定仪表的精度等级。号，便可以用来确定仪表的精度等级。 目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有： 0.0050.005，0.020.02，0.050.05，0
9、.10.1，0.20.2，0.40.4，0.50.5，1.01.0，1.51.5，2.52.5，4.04.0等。等。 所谓的所谓的0.50.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.50.5，以此类推。，以此类推。 精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上： 1.5 1.0 仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一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，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。 精度等级数值小于等于精度等级数值小于等于0.05
10、0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级 数值一般大于等于数值一般大于等于0.50.5。 检测仪表的主要性能指标检测仪表的主要性能指标 非线性误差非线性误差在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应 在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应 关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的 实际对应关系与理论直线的吻合程度。实际对应关系与理论直线的吻合程度。 通常非线性误差用实际测得的输入输出特性曲线（也称为校准曲线）与理论通
11、常非线性误差用实际测得的输入输出特性曲线（也称为校准曲线）与理论 直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示： 被测变量 仪 表 输 出 理论 实际 检测仪表的主要性能指标检测仪表的主要性能指标 变变 差差在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内 在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内 进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，对应于同进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，对应于同 一被测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。一被测值的仪表输出可能不等，二
12、者之差的绝对值即为变差。 变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误 差和测量仪表量程之比的百分数来表示差和测量仪表量程之比的百分数来表示 ： 被测变量 仪 表 输 出 下行程 上行程 检测仪表的主要性能指标检测仪表的主要性能指标 灵敏度和分辨力灵敏度和分辨力灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输 灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输 出变化量和输入变化量之比，即出变化量和输入变化量之比，即 灵敏度灵敏度y/xy/x 分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它
13、也是灵分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它也是灵 敏度的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一个敏度的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一个LSBLSB（二进（二进 制最低有效位）时输入的最小变化量。制最低有效位）时输入的最小变化量。 检测仪表的主要性能指标检测仪表的主要性能指标 动态误差动态误差 相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。 动态误差是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值动态误差是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示
14、值 与参数实际值之间的差异。与参数实际值之间的差异。 引起该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引起该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。转换需要时间所造成的。 衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常采用时间常数衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常采用时间常数T T和传递滞后和传递滞后 时间（纯滞后时间）时间（纯滞后时间）两个参数表示（这两个参数的含义与上一章中对象数两个参数表示（这两个参数的含义与上一章中对象数 学模型中的时间常数学模型中的时间常数T T和纯滞后时间和纯滞后时间的数学含义是一致的）的数学含义
15、是一致的） 它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间的不利影响会远的不利影响会远 远超过时间常数远超过时间常数T T的影响。的影响。 3.1.3 3.1.3 过程参数的一般检测原理过程参数的一般检测原理 参数检测离不开敏感元件（传感器），敏感元件是按照一定的原理把参数检测离不开敏感元件（传感器），敏感元件是按照一定的原理把 被测变量的信息转换成另一种可进行进一步处理或表示的信息。被测变量的信息转换成另一种可进行进一步处理或表示的信息。 这个转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应这个转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应: : 守恒定律守恒定律 守恒定律是自然界最基本的定律，它包括守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒能量守恒、动量守恒等等。、动量守恒等等。 例如：孔板流量计、转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变例如：孔板流量计、转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变 化化( (能量守恒能量守恒) )来测量流体的流速。来测量流体的流速。 场的定律场的定律 如静电场、电磁场的感应定律、动力场的运动定律等等。典型例子：电容如静电场、电磁场的感应定律、动力场的运动定律等等。典型例子：电容 传感器。传感器。 d 两平行板间物质的介电常数，两
