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1、第第4 4章章 化工实验参数测量方法化工实验参数测量方法 4.1测量技术基础知识测量技术基础知识静态特性静态特性精度精度 线性度线性度回差（又称变差）回差（又称变差）灵敏度（又称静态灵敏度）和灵敏限灵敏度（又称静态灵敏度）和灵敏限 重复性重复性阂值阂值 稳定性稳定性漂移漂移动态特性动态特性反映测量仪表对于随时间变化的输入量的响应特性反映测量仪表对于随时间变化的输入量的响应特性测量仪表在被测输入量的各个值处于稳定状态下的输出与测量仪表在被测输入量的各个值处于稳定状态下的输出与输入之间的关系。主要考虑其非线性与随机变化等因素。输入之间的关系。主要考虑其非线性与随机变化等因素。1.1.精确度精确度
2、仪表的最大允许误差：仪表的最大允许误差：注注： 是用标准表和该仪表对同一变量测量是用标准表和该仪表对同一变量测量 时所得到的两个读数之差，这个差值在测量范围时所得到的两个读数之差，这个差值在测量范围 内各点是不同的，最大的差值即是。内各点是不同的，最大的差值即是。评定工业测量仪表的指标评定工业测量仪表的指标测量值接近真实值的准确程度测量值接近真实值的准确程度工业自动化仪表精度等级的划分工业自动化仪表精度等级的划分工业自动化仪表精度等级的划分工业自动化仪表精度等级的划分1.0, 1.5, 2.5, 4.0高高低低级标准表级标准表级标准表级标准表工业用表工业用表0.005, 0.002, 0.05
3、0.1, 0. 2, 0.4, 0.5 精度等级是把仪表的最大允许误差精度等级是把仪表的最大允许误差去掉去掉“”和和“”后的数值。上表中的值越小，表示后的数值。上表中的值越小，表示仪表的精度越高；反之，数值越大，仪表的精度越仪表的精度越高；反之，数值越大，仪表的精度越低。低。精度精度 |最大绝对误差|=1.5%（4-0）=60kPa例例1 1 确定仪表精度等级确定仪表精度等级 某台测温仪表的量程为某台测温仪表的量程为某台测温仪表的量程为某台测温仪表的量程为600 600 600 600 1100110011001100，校验该仪表，校验该仪表，校验该仪表，校验该仪表的最大绝对误差为的最大绝对误
4、差为的最大绝对误差为的最大绝对误差为4444，试求该仪表的允许误差与，试求该仪表的允许误差与，试求该仪表的允许误差与，试求该仪表的允许误差与精度等级。精度等级。精度等级。精度等级。 所以仪表的等级为所以仪表的等级为1.01.0级级仪表的允许误差仪表的允许误差某台测温仪表的量称为某台测温仪表的量称为0010001000，工艺要求该，工艺要求该仪表指示值的误差不超过仪表指示值的误差不超过77，应该选精度等级，应该选精度等级为多少的仪表才能满足要求？为多少的仪表才能满足要求？所以应该选用所以应该选用0.50.5级的仪表级的仪表例例2 2 选择一定精度的仪表选择一定精度的仪表 根据工艺要求，仪表允许的
5、误差为：根据工艺要求，仪表允许的误差为：2.2.线性度（非线性误差）线性度（非线性误差） 表征线性刻度仪表输出量与输入量的实际标准曲线表征线性刻度仪表输出量与输入量的实际标准曲线表征线性刻度仪表输出量与输入量的实际标准曲线表征线性刻度仪表输出量与输入量的实际标准曲线与理论直线的吻合程度，如图与理论直线的吻合程度，如图与理论直线的吻合程度，如图与理论直线的吻合程度，如图1 1所示。所示。所示。所示。图图1 非线性误差特性示意图非线性误差特性示意图3.3.回差（又称变差）回差（又称变差）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测量时，被测量值正、反行程所得到的两条
6、特性曲线之间的最大偏差，如图2所示。0被测参数被测参数测测量量值值XmaxXmax 反行程反行程 正行程正行程图2 仪表的回差特性示意图灵敏度：用来表示仪表对被测参数变化的反应灵敏程灵敏度：用来表示仪表对被测参数变化的反应灵敏程 度，是指仪表达到稳态后，输出变化量与对度，是指仪表达到稳态后，输出变化量与对 应输入变化量之比，即应输入变化量之比，即4. 4. 灵敏度与灵敏限灵敏度与灵敏限 S: S: 仪表灵敏度仪表灵敏度X X：输入变化量：输入变化量Y Y：输出变化量：输出变化量灵敏限：指能引起仪表指针发生位移时所需被测参数灵敏限：指能引起仪表指针发生位移时所需被测参数 的最小变化量，一般规定，
7、仪表的灵敏限数的最小变化量，一般规定，仪表的灵敏限数 值应不大于仪表允许测量误差绝对值的值应不大于仪表允许测量误差绝对值的1/21/2。 数字式仪表中，往往用数字式仪表中，往往用分辨力分辨力来表示灵敏度的大小。来表示灵敏度的大小。数字式仪表的分辨力是指仪表在最小量程上最后一位数数字式仪表的分辨力是指仪表在最小量程上最后一位数字所表示的物理量。字所表示的物理量。 当灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是当灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率分辨率。分辨率与仪表的有效数字有关。分辨率与仪表的有效数字有关。 分辨力和分辨率分辨力和分辨率分辨力和分辨率分辨力和分辨率五位半表头五位半表头5.5.重复
8、性重复性6.6.阂值阂值重复性是衡量测量仪表在同一条件下，输入量按同重复性是衡量测量仪表在同一条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线间一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条曲线越靠近，重复性越好。一致程度的指标。各条曲线越靠近，重复性越好。 阂值是能使测量仪表输出端产生可测变化量的最小阂值是能使测量仪表输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。被测输入量值，即零位附近的分辨力。 漂移是指在一定时间间隔内，测量仪表输出与输入漂移是指在一定时间间隔内，测量仪表输出与输入量无关的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移，一般时量无关的变化，包括
9、零点漂移和灵敏度漂移，一般时间和周围温度环境可以引起漂移。间和周围温度环境可以引起漂移。8.8.漂移漂移7.7.稳定性稳定性稳定性是指仪表在相当长的时间内保持其性能的能力稳定性是指仪表在相当长的时间内保持其性能的能力 时间常数时间常数时间常数时间常数 0 0 测量仪表输出值上升到稳态值测量仪表输出值上升到稳态值测量仪表输出值上升到稳态值测量仪表输出值上升到稳态值y yc c的的的的63.2%63.2%所需的时间所需的时间所需的时间所需的时间动态特性动态特性y0.632y0.632y0 y yc c 0图图3 一阶系统的阶跃响应曲线一阶系统的阶跃响应曲线4.2.1压力测量仪表分类压力测量仪表分类
10、 （按转换原理分）按转换原理分）a.a.液柱式压力计液柱式压力计 b.b.弹性式压力仪表弹性式压力仪表c.c.电气式压力仪表电气式压力仪表 d.d.活塞式压力活塞式压力标准仪表标准仪表 b.弹性式压力计弹性式压力计 （1 1）弹性元件弹性元件4.24.2 压力检测变送仪表压力检测变送仪表图图4 弹性测压计元件的结构弹性测压计元件的结构弹性式压力仪表弹性式压力仪表弹性式压力仪表弹性式压力仪表( ( ( (实物图及内部结构）实物图及内部结构）实物图及内部结构）实物图及内部结构）图5 弹性式压力表示意图b.b.测量原理测量原理( (以弹簧管式压力表为例以弹簧管式压力表为例) ) 测量压力时，被测压力
11、介质通过管接头进入弹簧测量压力时，被测压力介质通过管接头进入弹簧测量压力时，被测压力介质通过管接头进入弹簧测量压力时，被测压力介质通过管接头进入弹簧管的内腔内，从而使弹簧管的自由端产生位移，自管的内腔内，从而使弹簧管的自由端产生位移，自管的内腔内，从而使弹簧管的自由端产生位移，自管的内腔内，从而使弹簧管的自由端产生位移，自由端的位移放大后，指示出相应的压力。由端的位移放大后，指示出相应的压力。由端的位移放大后，指示出相应的压力。由端的位移放大后，指示出相应的压力。 弹簧管式弹簧管式P弹簧管压力表机芯放大机构弹簧管压力表机芯放大机构电气式压力计电气式压力计电气式压力计电气式压力计组成组成组成组成
12、压力压力传感器传感器电信号电信号电信号加电信号加工装置工装置输出仪表输出仪表 压力传感器的作用是把信号检测出来，并转换成电信号压力传感器的作用是把信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够进一步转换为标准信号时，进行输出，当输出的电信号能够进一步转换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。压力传感器又称为压力变送器。 电信号加工装置对传感器输出的电信号经适当加工处理电信号加工装置对传感器输出的电信号经适当加工处理,如衰减、放大、滤波、运算等。如衰减、放大、滤波、运算等。 输出仪表则是用表头显示，或用笔式记录仪、打印机、输出仪表则是用表头显示，或用笔式记录仪、打印机、屏幕显示等输
13、出设备进行显示。屏幕显示等输出设备进行显示。霍尔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霍尔片式压力传感器n n霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 在半导体制成的霍尔片的在半导体制成的霍尔片的在半导体制成的霍尔片的在半导体制成的霍尔片的Z Z轴方向加轴方向加轴方向加轴方向加一磁场，在一磁场，在一磁场，在一磁场，在Y Y轴方向加一外电场。电子轴方向加一外电场。电子轴方向加一外电场。电子轴方向加一外电场。电子在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏转，造用，而使电子的
14、运动轨道发生偏转，造用，而使电子的运动轨道发生偏转，造用，而使电子的运动轨道发生偏转，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另成霍尔片的一个端面上有电子积累，另成霍尔片的一个端面上有电子积累，另成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一端面上正电荷过剩，从而在一端面上正电荷过剩，从而在一端面上正电荷过剩，从而在一端面上正电荷过剩，从而在X X轴方向轴方向轴方向轴方向上出现电位差，该电位差称为霍尔电势，上出现电位差，该电位差称为霍尔电势，上出现电位差，该电位差称为霍尔电势，上出现电位差，该电位差称为霍尔电势，这种现象叫这种现象叫这种现象叫这种现象叫“ “霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应” ”。U UH H
15、霍尔电势霍尔电势BB磁感应强度磁感应强度II控制电流控制电流R RH H霍尔常数，与霍尔片霍尔常数，与霍尔片 材料、几何形状有关材料、几何形状有关n n霍尔电势一般为几十毫伏数量级（霍尔电势一般为几十毫伏数量级（霍尔电势一般为几十毫伏数量级（霍尔电势一般为几十毫伏数量级（I I I I为为为为3-20mA3-20mA3-20mA3-20mA，B B B B约为几约为几约为几约为几千高斯）；千高斯）；千高斯）；千高斯）； n n导体也有霍尔效应，但远小于半导体。导体也有霍尔效应，但远小于半导体。导体也有霍尔效应，但远小于半导体。导体也有霍尔效应，但远小于半导体。1-1-弹簧管；弹簧管；2-2-磁
16、钢；磁钢；3-3-霍尔片霍尔片 将霍尔元件与弹簧管配将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器。管压力传感器。 当被测压力引入后，在被当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由测压力作用下，弹簧管自由端发生位移，因而改变了霍端发生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。压力成比例。应变片式压力传感器应变片式压力传感器a.a.a.a.分类：分类：分类：分类：有金属应变片式和半导体应变片式两类有金属应变片式和半导体应变片式两类有金属应变片式和半导体应变片式两类有金属应变片式和半导体应变片式两类 4.2.2 4.2.2 压力传感器压力传感器c.c.特点：特点： 被测压力可达被测压力可达25MPa25MPa； 固有频率在固有频率在25000Hz25000Hz以上，有较好的动态性能，适合测快速以上，有较好的动态性能，适合测快速 变化的压力；变化的压力； 非线性及滞后误差小于额定压力的非线性及滞后误差小于额定压力的1%1%b.b.b.b.测压原理：测压原理：测压原理：
