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1、第2章 检测仪表,要控制一个生产过程，首先必须实时检测生产过程中的有关参数。例如温度、压力、流量、液位等。用来检测这些参数的工具称为检测仪表，其中包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的测量变送器。 2.1检测仪表的基本技术指标 检测仪表种类繁多，但目的都是快速、准确地测量某种物理量。因此，对于检测仪表的性能有一套通用的评价指标。,1. 绝对误差 检测仪表的指示值X与被测量真值X t之间存在的差值称为绝对误差。表示为： = XX t 由于真值是无法得到的理论值。实际计算时，可用精确度较高的标准表所测得的标准值X0代替真值X t，表示为： = XX 0 仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误
2、差中最大的绝对误差称为最大绝对误差max。,2基本误差 基本误差是一种简化的相对误差，又称引用误差或相对百分误差。定义为：,而：仪表量程 = 测量上限测量下限 仪表的基本误差表明了仪表在规定的工作条件下测量时，允许出现的最大误差。,3精确度（精度） 为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。 如0.5级，1.0级，1.5级等。 仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“”号及“”号，套入规定的仪表精度等级系列。,例如某台仪表的基本误差为1.0，则确认该表的精确度等级符合1.0级；如果某台仪表的基本误差为1.3，则该表的精确度等级符合1.5级。,例1 某台测温仪表的测温范围为 1
3、00700，校验该表时测得全量程内最大绝对误差为5，试确定该仪表的精度等级。 解： 该仪表的基本误差为：,将该表的去掉“十”号与“”号，其数值为0.625。由于国家规定的精度等级中没有0.625级仪表，而该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大绝对误差。 故：这台测温仪表的精度等级为1.0级。,例2 某台测压仪表的测压范围为 08MPa。根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过0.05 MPa，问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？ 解： 根据工艺要求，仪表的允许基本误差为：,去掉“”和“”号后，0.625介于0.51.0之间。若选精度为1.0级的仪表，其允许的最大绝对误差为0.08 M
4、Pa 。超过了工艺允许的数值。 故： 应选择0.5级的表。,目前，我国生产的仪表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等。 精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。 0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多为0.5级以下。 仪表的精度等级一般用符号标志在仪表面板上。如,4、灵敏度和分辨率 灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示：,灵敏限表示指针式仪表在量程起点处，能引起仪表
5、指针动作的最小被测参数变化值。,S 仪表灵敏度； Y 仪表指针位移的距离（或转角）； X 引起Y的被测参数变化量。,分辨率表示仪表显示值的精细程度。 如一台仪表的显示位数为四位，其分辨率便为千分之一。数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。 分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。 如一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为0.1，即该表的分辨力为0.1 。,对于数字式仪表，则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限。,5、 变差,在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。,造成变差的原因: 传动机构间存在的间隙和摩擦力; 弹性元件的
6、弹性滞后等。,6、响应时间 当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确地显示出来。这段时间称为响应时间。,响应时间的计算： 从输入一个阶跃信号开始，到仪表的输出信号（即指示值）变化到新稳态值的95所用的时间。,以上是检测仪表常用的性能指标。,2.2温度检测及仪表 温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。 2.2.1温度检测方法,一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。有 接触式测温通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。 非接触式测温通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。,接触式测温仪表有：
7、1、膨胀式温度计 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。有 液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。,玻璃管温度计,电接点式 玻璃管温度计,固体膨胀式温度计：用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。 若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。,双金属片常用来做温度报警或控制,随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。 调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。,如图是一双金属温控器。,
8、继电器,原理: 封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。,2、压力式温度计 利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。,用压力表指示温度。,3、热电偶温度计 利用物体的热电性质测温。 4、热电阻温度计 利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。 5、半导体温度计 利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性，通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。 非接触式测温的具体方法有：,红外线测温计,光学高温计,1、 辐射式温度计 通过测量物体热辐射功率来测量温度。 2、 红外式温度计 通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。,2.2.2 热电偶 热电偶是
9、以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV） 。 特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量5001600之间的温度。 2.2.2.1 热电偶的测温原理 将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。,1、接触电势 当不同导体A、B接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。 其大小取决于两种材料的种类和接触点的温度。,NA( t )、 NB( t ) 自由电子密度； e 单位电荷,2、温差电势 对于同一金属A（或B），其两端温度不同，自由电子所具有的动能不同，也会产
10、生相应的电势，称为温差电势。 热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。,3、回路总电势 热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成： EAB （t，t0）= e AB （t）- e AB（t0） 此计算式中，有的常数很难确定，无法实用。实际中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结论： 对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。当冷端温度固定时， E（t，t0）是热端温度 t 的单值函数。,镍铬镍硅热电偶分度表（简表） 分度号 K t0=0，E/mV,2.2.2.2 热电偶的基本定律,1、均质导
11、体定律 由一种均质导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何，以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 因此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成。但其截面和长度不限。,2、中间导体定律 在热电偶回路中接入另一种中间导体后，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的热电势没有影响。,因为热电偶在使用时，总要将热电偶回路打开，接入测量仪表，即插入第三种导体。,有 EABC (t，t0)=eAB(t)+ eBC(t0)+ eCA(t0) 当 t = t0 时 有 eAB(t0)+ eBC(t0)+ eCA(t0)= 0 即 eBC(t0)+e CA(t0
12、)= e AB(t0) 则 EABC (t，t0)= e AB(t) e AB(t0),设将热电偶AB一端打开，接入第三种导体C,由此可知，只要接入第三种导体的两个连接点温度相等，它的接入对回路电势毫无影响。这一结论可以推广至接入多种导体。,3、中间温度定律 一支热电偶在两接点温度为t 、t0 时的热电势，等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta和ta、t0时的热电势之代数和。即 E AB ( t ，to ) = E AB( t , 0 ) E AB( to , 0 ) 据此，只要给出冷端为0时的热电势关系EAB( t ,0 ) ，便可求出冷端任意温度时的热电势。,2.2.2.3热电偶的
13、构造 热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等。,2.2.2.4 热电偶类型,理论上任何两种导体或半导体都可以组成热电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材料加以选择。 选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。 国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶，并给出了标准的热电势分度表。,几种常用的标准型热电偶简介,铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵，但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量1100以上的高温。,镍铬镍硅（K） 线性度最好 镍铬康铜（E） 灵敏
14、度最高 铜康铜（T） 价格最便宜,不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特性关系不同。,2.2.2.5 热电偶冷端温度补偿 热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还与冷端温度有关。所以使用时，需保持热电偶冷端温度恒定。但热电偶的冷端和热端离得很近，使用时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶冷端延至温度稳定处。 为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的替代品来延长热电偶，称为补偿导线。,根据中间温度定律，补偿导线和热电偶相连后，其总的热电势等于两支热电偶产生的热电势的代数和。 E (t,t0) = E偶 (t , t n) E补(t n ,t0),
15、用补偿导线延长热电偶的必须条件是：补偿导线的热电特性在低温段与所配热电偶相同。因此，不同的热电偶配不同的补偿导线。常用热电偶的补偿导线见表2.2。,E (t,t0),使用补偿导线只是将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方，而标准热电势要求冷端温度为零度，为此还要采取进一步的补偿措施。 1查表法（计算法） 如果某介质的温度为t，用热电偶进行测量，其冷端温度为t0，测得的热电势为EAB（t,t0）。根据中间温度定律，有 EAB（t ,0）EAB（t ,t0） EAB（t0 ,0） 得出标准热电势EAB（t ,0），再查分度表就可得出被测温度。,例 用K型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t
16、，t0）36.122mV，而自由端的温度t030，求被测的实际温度。 解 由分度表可以查得 E（30，0）1.203mV 则 E（t，0） E（t，30）+ E（30，0） 36.122+1.20337.325mV 再查分度表可以查得37.325mV 对应的温度为900 。 计算法适用于实验或临时测温。,2、仪表零点调整法 如果热电偶冷端温度比较稳定，与之相接的显示仪表又可以调整零点，那么在测试前，将仪表指针就调整到冷端温度处，再开始测量。 此法比较简单，但由于冷端温度（室温）也有波动，所以只能在测温要求不太高的场合下应用。,3、冰浴法 把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中，然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持冷端为0。这种方法多数用于热电偶的检定。,补偿电桥法是利用不平衡电桥
