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1、第三章 检测变送华东理工大学信息学院自动化系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 温度检测3.3 流量检测3.4 压力检测3.5 物位检测3.8 变送器3.9 现代传感器技术的发展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。 3.1.0 检测变送的重要性由于检测元件的输
2、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)的变化过程控制对检测仪表要求：3.1.1 测量误差(1) 绝对
3、误差：仪表的指示值与被测量的真值之间 的差值。(2) 相对误差（仪表引用误差）测量误差：检测仪表获得的被测值与实际被测变量 真实值之间的差距。理论上：实际上：绝对误差与仪表的量程之比。(3) 允许误差(4) 附加误差由于外界环境条件变化以及仪表波动等外 界因素引起的误差。3.1.2 仪表性能指标(1)精确度（精度）(2) 表示仪表测量结果的可靠程度。(3) (4) 仪表的精度等级是按国家统一规定的允许误差 大小来划分成若干等级的。仪表精度等级数值越 小，说明仪表测量准确度越高。 精度等级：允许误差去掉“”号及“%”后，系列 化圆整后的数值。仪表的精度等级以一定的符号形式表 示在仪表标尺板上，如
4、1.0外加一个圆圈或 三角形。精度等级1.0，说明该仪表允许误 差为1.0%。目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0, 1.5,2.5,4.0等1.01.0例1 某台测温仪表的量程是600-1100，其最 大绝对误差为4 ，试确定该仪表的精度等级。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表， 而该仪表的最大引用误差超过了0.5级仪表的允许 误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.0级。解 仪表的最大允许误差为例2 某台测温仪表的量程是600-1100，工艺要 求该仪表指示值的误差不得超过4 ，应选精度等 级为多少的仪表才能满足工艺要
5、求。0.8%介于允许误差0.5%与1.0%之间，如果选择 允许误差为1.0%,则其精度等级应为1.0级。量程为 6001100，精确度为1.0级的仪表，可能产生的最 大绝对误差为5，超过了工艺的要求。所以只能选 择一台允许误差为0.5%，即精确度等级为0.5级的仪 表，才能满足工艺要求。解 根据工艺要求，仪表的最大允许误差为结论：校表：选表：仪表量程的上限：Ymax: 4/33/2倍（被测变量）波动较大时：3/22倍（被测变量）下限：一般地，被测变量的值不低于全量程的1/3。 仪表精度与量程有关，量程是根据所要测量的工 艺变量来确定的。在仪表精度等级一定的前提下适当 缩小量程，可以减小测量误差
6、，提高测量准确性。(2) 变差在外界条件不变的情况下，使用同一台仪表 对某一变量进行正反行程测量时对应于同一测量值 所得的仪表读数之间的差异。注意：仪表的变差不能超出仪表的允许误差。(3) 线性度衡量仪表实际特 性偏离线性程度的指 标。线性度差就要降低仪 表精度。图3.1 线性度(4) 灵敏度和分辨率灵敏度：仪表的输出变化量与引起此变化的输入变 化量的比值，即灵敏度=Y/X对于模拟式仪表而言，Y是仪表指针的角位移或线 位移。灵敏度反映了仪表对被测量变化的灵敏程度 。分辨率（仪表灵敏限）：仪表输出能分辨 和响应的最小输入变化量。分辨率是灵敏度的一种反映。对于数字式 仪表而言，分辨率就是数字显示器
7、最末位 数字间隔代表被测量的变化与量程的比值 。(5) 动态误差由于仪表动作的惯性延迟和测量传递滞后，当 被测量突然变化后必须经过一段时间才能准确显示 出来，这样造成的误差。注：在工业生产中被测量变化较快是不能忽略动态 误差。3.2 温度检测3.2.1 温度检测方法3.2.2 热电偶3.2.3 热电阻3.2.4 热电偶、热电阻的选用3.2.1 温度检测方法按测温元件是否与被测对象接触分为：接触式：非接触式：接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和 对流进行热交换。优点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的 热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被 测对象
8、的温度场，同时带来测温过程的延迟现象 ，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、 处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过 热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部 分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度 。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不 破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被 测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强 电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大， 且结构复杂，价格比较昂贵。 3.2.2 热电偶(1) 测温原理热电效应图3.2 热电偶的热电效应（参比端、冷端、固定端）（工
9、作端、热端、自由端）将两种不同材料的导体或半导体A和B连在一起组成 一个闭合回路，而且两个接点的温度o,则回路内 将有电流产生，电流大小正比于接点温度和o的函 数之差，而其极性则取决于A和B的材料。根据热电偶的“中间导体定律 ”可知：热电偶回路中接入第 三种导体后，只要该导体两端 温度相同，热电偶回路中所产 生的总热电势与没有接入第三 种导体时热电偶所产生的总热 电势相同；同理，如果回路中 接入更多种导体时，只要同一 导体两端温度相同，也不影响 热电偶所产生的热电势值。因 此热电偶回路可以接入各种显 示仪表、变送器、连接导线等 。热电偶的“中间导体定律”分度表：当0=0时， 与温度对 应的数值
10、表。（非线性）分度号：与分度表所对应的热电偶的代号。常用工业热电偶比较常用热电偶类型：普通型热电偶：(热电偶结构类型见P27)热电极、绝缘管、接线盒等铠装热电偶多点式热点偶防爆型热点偶表面型热点偶铠装热电偶的特点 热响应时间少，减小动态误差；可弯曲安装使用；测量范围大；机械强度高，耐压性能好；扁接插式铠装热电偶补偿导线式铠装热电偶防喷式铠装热电偶防水式铠装热电偶手柄式铠装热电偶圆接插式铠装热电偶图3.3多点热电偶适用于生产现场存在温度梯度不显著，须同时测 量多个位置或位置的多处测量。广泛应用于大化肥合 成塔、存储罐等装置中。图3.4 多点热电偶 防爆型热电偶的原理防爆热电偶是利用间隙隔爆原理，
11、设计具有 足够强度的接线盒等部件，将所有会产生火花， 电弧和危险温度的零部件都密封在接线盒腔内， 当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷 却，使爆炸后的火焰和温度传不到腔外，从而进 行隔爆。 特点 多种防爆形式，防爆性能好； 压簧式感温元件，抗振性能好； 测温范围大； 机械强度高，耐压性能好； 无固定装置固定法兰式固定螺纹式活络管接头式直型管接头式图3.5 防爆型热 电偶 一览图吹气型热电偶通过吹进氮气或其它气体，将有害气体送出 保护管外，从而提高热电偶寿命。是30万吨合成 氨装置中不可缺少的测温装置。另外，压簧固定热电偶、直 角弯头热电偶、耐磨阻漏热 电偶等等图3.6 吹气型热电偶(2)
12、 补偿导线解决参比端温度的恒定问题。补偿导线要求：价格便宜，0100范围内的热电性 质与要补偿的热电偶的热电性质几乎完全一样图3.7 补偿导线连接图(3) 热电偶参比端温度补偿（测量的准确性）补偿原理：工作端温度，参比端0，热电势为因此参比端温度补偿方法：计算法冰浴法机械调零法（动圈表调零法），等级1.0以上补偿电桥法：利用参比端温度补偿器例如：用镍铬-镍硅（K）热电偶测温，热电偶参比 端温度o =20，测得的热电势E（，o） =32.479mV。由K分度表中查得E（20，0） =0.798mV, 则E（，0）= E（，20）+ E（20，0）=32.479 + 0.798=33.277 mV
13、再反查K分度表，得实际温度是800。计算法举例：3.2.3 热电阻金属热电阻测温原理是基于导体的电阻会随温 度的变化而变化的特性。热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随 着发生变化的特征来测量温度的。当阻值变化时，工 作仪表便显示出阻值所对应的温度值。 常用热电阻： 铜电阻和铂电阻热电阻的结构形式：普通型、铠装型、专用型热电阻通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配 套使用。直接测量各种生产过程中的-200C 500C范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温 度。无固定装置热电 阻固定螺纹式热电 阻活动法兰式热 电阻固定螺纹锥式热 电阻固定螺纹管接头式热电 阻活络管接头式热 电阻图3.8图3
14、.9 装配式热电阻防喷式铠装热电阻扁接插式铠装热电阻防水式铠装热电阻圆接插式铠装热电阻补偿导线式铠装热电阻图 3.10端面热电阻适合于测量电厂汽轮机及电机轴瓦或其 它机体表面温度。防腐热电阻采用新型防腐材料 ，外包覆聚四氟乙烯F46，适合于 石油化工各种腐蚀性介质中测温。 是氯碱行业的专用测温仪表。图3.11 端面热电阻图3.12 防腐热电阻微型热电偶/热电阻 适用于狭小场所 的温度测量与控制。 是纺织、绦纶等行业 业不可缺少的温度测 量装置。炉壁热电偶/热电阻 适合于电厂锅炉炉壁 ，管壁及其它圆柱体 表面测量。微型热电偶/热电阻 特殊热电偶/热电阻 炉壁热电偶/热电阻 图3.13半导体热敏电
15、阻测温原理是基于某些半导体 材料的电阻值随温度的变化而变化的特性。NTC型：负温度系数热敏电阻，多数是此类 PTC型：正温度系数热敏电阻，用于位式温度检测 特点：结构简单、灵敏度高、体积小、热惯性小。缺点：非线性严重、互换性差、测温范围窄3.2.4 热电偶、热电阻的选用(1)选用原则：较高温度热电偶中低温区热电阻一般以500为分界，但不绝对 原因有两点：(1)在中低温区，热电偶输出的热电势很小，对测量仪 表放大器和抗干扰要求很高。(2)由于参比端温度变化不易得到完全补偿，在较低温 度区内引起的相对误差就很突出。另外，还应注意工作环境，如环境温度、介质性质（ 氧化性、还原性、腐蚀性）等，选择适当
16、的保护套管 、连接导线等。(2)安装(1)选择有代表性的测温点位置，测温元件有足够的 插入深度(2)热电偶或热电阻的接线盒的出线孔应朝下，以免 积水及灰尘等造成接触不良，防止引入干扰信号。(3)检测元件应避开热辐射强烈影响处。要密封安装 孔，避免被测介质溢出或冷空气吸入而引入误差。图3.14 热电偶安装(3)使用热电偶：参比端温度补偿补偿导线的极性不能接反分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致在与采用补偿电桥法进行参比端温度补偿的仪表 （如电子电位差计、温度变送器等）配套测温时，热 电偶的参比端要与补偿电阻感受相同温度。 热电阻：分度号应与配接的变送、显示仪表分度号一致采用三线制接法热电阻温度变送器输入
