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1、第三章,检测仪表与传感器,本章内容,介绍有关压力、流量、物位、温度等有关参数的检测方法、检测仪表及相应的传感器或变送器 传感器：将工艺参数转换为一定的便于传送的信号（电信号或气压信号）的仪表,称为传感器 变送器：当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，称为变送器,本章目录,1 概述 2 压力检测及仪表 3 流量检测及仪表 4 物位检测及仪表 5 温度检测及仪表,第一节 概述一.测量过程与测量误差,1.测量的定义 用实验的方法或专门的设备，将被测物理量与已知测量单位(标准量)进行比较，以求得二者比值，进而求得被测物理量的量值 2.测量的过程 将被测参数经过一次或多次的信号能量的转换，最后
2、得到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出来,第一节 概述一.测量过程与测量误差,3.测量误差 由于测量工具不够准确、观测者的主观性和周围环境的影响等，使得仪表指示值与被测量真值之间存在一定的差距，成为测量误差 4.测量误差的两种表示方法 绝对误差 相对误差,第一节 概述一.测量过程与测量误差,绝对误差 用被校表（精度较低）和标准表（精度较高）同时对同一被测量测量得到的两个读数之差 相对误差 某一点的绝对误差与标准表在此点的指示值之比,第一节 概述二.仪表的性能指标,精度 变差 灵敏度与灵敏限 分辨力 线性度 反应时间,第一节 概述二.仪表的性能指标,1. 精度 仪表的精度是
3、用来估计测量误差大小的 通常意义上的“绝对误差”指绝对误差中的最大值max 精度不但与绝对误差max有关，还与仪表的测量范围有关 两台测量范围不同的仪表，如果绝对误差相同，测量范围大的仪表精度较高,第一节 概述二.仪表的性能指标,相对百分误差 相对百分误差（将绝对误差折合成仪表测量范围百分数来表示仪表精度大小） 量程：仪表测量范围上限值和下限值之差,第一节 概述二.仪表的性能指标,允许误差 某一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值 仪表的允许误差越大，表示其精度越低；反之，仪表的允许误差越小，表示仪表的精度越高,第一节 概述二.仪表的性能指标,仪表的精度等级 将允许
4、相对百分误差去掉正负号和百分号，用来规定仪表的精确度等级 常用的精度等级 0.005 0.02 0.05 0.1 0.2 0.4 0.5 1.0 1.5 2.5 4.0,第一节 概述二.仪表的性能指标,例1 某台测温仪表测温范围为200 700，校验该表得到的最大允许误差为+ 4，确定该仪表的精度等级 解：相对百分误差,如果将该仪表的去掉 “+”和“%”得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。,第一节 概述二.仪表的性能指标,例 某台测温仪表的测温范围为0 1000，根据工艺要求，温
5、度指示值的误差不允许超过7，问如何选择仪表的精度等级以满足要求？ 解：根据工艺要求，仪表的允许误差,如果将仪表的允许误差去掉“”和“%”，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， 其允许误差为1.0%，超过工艺上允许的数值，故 应选择0.5级的仪表才能满足工艺要求。,第一节 概述二.仪表的性能指标,确定仪表精度的准则 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 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,第一节 概述二.仪表的性能指标,2. 变差 在外界条件不
6、变的情况下，使用同一仪表对被测量在仪表测量范围内进行正反行程（被测参数从小到大和从大到小）测量时，所得仪表指示值曲线之间的最大差距,变差不能超过仪表允许误差,第一节 概述二.仪表的性能指标,3. 灵敏度与灵敏限（指针式仪表） 灵敏度：仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量之比值 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,通常灵敏限应不大于仪表允许误差的一半,第一节 概述二.仪表的性能指标,4. 分辨力（数字式仪表） 分辨力：数字显示器的最末位数字改变一个数字所代表的被测参数变化量 灵敏度：相应于最低量程的分辨力称为数字仪表的最高分辨力，也叫灵敏度 分辨率：当数字式
7、仪表的灵敏度用它和量程的相对值表示时，就是分辨率 分辨率与仪表的有效数字位数有关,第一节 概述二.仪表的性能指标,5. 线性度 通常用实际校准曲线（实际测得的输入-输出特性曲线）与理论直线之间的最大偏差与测量仪表量程的百分数表示,第一节 概述二.仪表的性能指标,6. 反应时间 反应时间是用来衡量仪表能不能尽快反应出参数变化的品质指标 通常用仪表的输出信号（指示值）由开始变化到新稳态值的63.2%（或95%）所用的时间，用来表示反应时间 反应时间长，不宜用来测量变化频繁的参数,第一节 概述三.工业仪表的分类,1. 按仪表使用的能源 电动仪表 适于远传和集中控制及与计算机联用 易受温度、湿度、电磁
8、场等环境影响 气动仪表 简单可靠，抗干扰能力强 防火防爆 信号传递速度慢，传输距离短，不宜于远传,第一节 概述三.工业仪表的分类,2. 按信息的获得、传递、处理的过程分 检测仪表：获取信息，并进行适当的转换 控制仪表：对输入信号进行各种控制运算 执行器：接受控制指令，对生产过程进行控制 显示仪表：显示检测仪表获得的信息 集中控制装置,第一节 概述三.工业仪表的分类,3. 按仪表的组成形式 基地式仪表 将测量、显示、控制部分集中组装在一个表壳内 适于现场就地检测和控制，不能实现多种参数的集中显示与控制 单元组合仪表 将对参数的测量及变送、显示、控制等部分，分别制成独立工作的单元仪表，用统一的标准
9、信号进行联系,第一节 概述三.工业仪表的分类,单元组合仪表的命名 电动单元组合仪表以“电”“单”“组”三字的汉语拼音字头作为代号，简称DDZ 气动单元组合仪表以“气”“单”“组”三字的汉语拼音字头作为代号，简称QDZ,第一节 概述四.仪表的发展概况,20世纪40年代初，“基地式”仪表 60年代初80年代，单元组合式仪表 DDZ型（以电子管和磁放大器为主要放大元件） QDZ型（以气动放大器为主要放大元件） DDZ型（以晶体管为主要放大元件） DDZ型（以线性集成电路为主要放大元件） 80年代，以微处理器为基础的智能化仪表 可编程数字控制器 分散型综合控制系统(Distributed Contro
10、l System, DCS),第一节 概述五.仪表的信号制和传输方式,1. 信号制 定义：指在成套仪表系列中，各个仪表的输入输出之间采用何种统一标准信号进行联络和传输的问题 气压标准信号 0.020.1MPa 电II标准信号 010mA 电III标准信号 420mA 15V,第一节 概述五.仪表的信号制和传输方式,2. 变送器信号与电源传输方式 四线制：两根导线接电源，两根导线是信号线 DDZII 电源线 交流 220V 信号线 直流 010mA 两线制：现场与控制室之间只有两根导线，既是电源线，又是信号线 DDZIII 电源线 直流 24V 信号线 直流 420mA 优点：节省电缆线和安装费
11、用，利于安全防爆,第二节 压力检测及仪表一.压力单位及测压仪表,定义：均匀而垂直作用于单位面积上的力 压力测量单位：1N/m2=1帕斯卡 (Pa) 1MPa=106Pa 压力的表示方法： 绝对压力 表压 负压（真空度） P表压P绝对压力P大气压力 P真空度P大气压力P绝对压力,第二节 压力检测及仪表一.压力单位及测压仪表,压力检测仪表的分类 液柱式压力计 依据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度 弹性式压力计 将被测压力转换成弹性元件的位移 电气式压力计 通过机械和电气元件将被测压力转换成电量 活塞式压力计 将被测压力转换为活塞上所加平衡砝码质量,第二节 压力检测及仪表二.液柱式压力计,测
12、量原理：P=g h,精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响， 测量范围较窄，一般用来测量较低的压力和真空度,第二节 压力检测及仪表三.弹性式压力计,测量原理 利用各种弹性元件，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 特点 结构简单，使用可靠，读数清晰，价格低廉 测量范围宽，并具有足够的精度 若增加附加装置，可实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等,第二节 压力检测及仪表三.弹性式压力计,1.弹性元件 (1) 弹簧管式弹性元件 (a) (b) (2) 薄膜式弹性元件 (c) (d) (3) 波纹管式弹性元件 (e),第二节 压力检测及仪表三.弹性
13、式压力计,2 .弹簧管压力表 按测压元件 单圈/多圈弹簧管压力表 按用途 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 测压范围较宽，可达1000MPa,第二节 压力检测及仪表三.弹性式压力计,第二节 压力检测及仪表三.弹性式压力计,第二节 压力检测及仪表三.弹性式压力计,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,基本原理 被测压力通过敏感元件传换成一个与压力有确定关系的电量进行压力测量 特点 测量范围较广，7E-5Pa至5E+2Mpa 允许误差可至0.2% 可以远传，可实现压力自动控制和报警,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,组成 压力传感器、测量电路和信号处理装置,第二节 压
14、力检测及仪表四.电气式压力计,1 .霍尔片式压力传感器 测量原理 根据霍尔效应制成，即利用霍尔元件将压力引起的弹性元件的位移转换为霍尔电势，从而实现压力的测量,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,霍尔效应,霍尔电势,选定了霍尔元件，保持恒定电流，在非均匀磁场中，根据 位置不同，所受到的磁感应强度不同，可得到与位移成比 例的霍尔电势，从而实现了位移-电势的线性转换,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,霍尔片式压力传感器：弹簧管+霍尔元件,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,2 .应变片式压力传感器 测量原理 利用电阻应变原理构成，金属导体或半导体受到外力作用时，会产生相应的应变，其电
15、阻也随着发生变化，称为“应变效应” 应变片电阻值的变化通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，从而显示出被测压力,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,应变片式压力传感器的特点 传感器的被测压力可达25MPa 传感器的固有频率在25000Hz以上，具有良好的动态性能，适用于快速变化的压力测量 传感器的非线性及滞后误差小于额定压力的1%,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,3. 压阻式压力传感器 测量原理单晶硅的压阻效应,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,压阻式压力传感器的特点 精度高 工作可靠 体积小、重
16、量轻、结构简单 稳定性好，能适应恶劣的环境条件下工作 便于实现数字化,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,4.DDZ-III型力矩平衡式差压变送器 测量原理 典型的自平衡检测仪表 采用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，具有较高的测量精度(0.5级) 直流24V供电，输出420mA DC，两线制，本质安全防爆,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,DDZ-III型力矩平衡式差压变送器的特点 较高的测量精度（一般为0.5级） 工作稳定可靠 线性好 不灵敏区小,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,5.电容式差压变送器 测量原理 将差压变化转变为电容量的变化，然后进行测量 开环检测仪表 直流24V供电，输出4-20mA DC，两线制,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,第二节 压力检测及仪表四.电气式压力计,电容式差压变送器的特点 结构简单、可靠性好 体积小、重量轻、使用方便 其结构能有效地保护测量膜片，提高了过载承受能力 无杠杆传动机构，密封性与抗振性好 测量精度高，可
