00过控技术第三章(new)

1,第三章过程检测技术3.1测量与误差的基本知识3.1.1测量的基本概念1.测量：人类对自然界的客观事物取得“数量概念”的认识过程。2.测量过程：使用专门设备，求出被测未知量的数值。3.应用领域：生产过程、科学实验与日常生活4.测量目的：准确获取被测对象特征参数的定量信息。5.测量技术反映了一个国家的经济发展和科学技术水平,2,6.测量的定义：借助仪器设备，把被检测量与相应单位进行比较，求取二者之比值，得到被检测量数值大小的过程。用数学形式描述测量的基本方程式为:,式中:-被检测量的真实数值，简称为真值；-被检测量；u-单位。,3,测量过程三要素：测量单位;测量方法;测量仪器与设备。3.1.1.2测量方法：1测量方法的分类(1)直接测量法：用“被检测量”与单位进行直接比较得到比值；能在仪表上直接读出的“被检测量”的数值。,4,（2）间接测量法在测量中，被检测量不能与标准量直接进行比较，只能通过对与被检测量有函数关系的其他物理量进行测量，再通过计算得到被测量的值。例：测量水泵的轴功率N，是通过可以进行直接测量的转矩M和转速n，然后经过计算得到轴功率N。,KW,5,(3)等精度测量和不等精度测量等精度测量法：在环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法均保持不变情况下，对同一组被检测量进行次数相同的重复测量。利用等精度测量法所得到的每个参数的测量数据，其可靠程度是相同的。不等精度测量法：在测量过程中，测量环境条件不相同，如测量仪器精度、重复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度有变化，所得到的测量结果的可靠程度不同，称不等精度测量法,6,等精度测量与不等精度测量的适用场合：在进行科学研究或重要的检定工作时，在众多的被检测量中，为了获得其中某几个参数更可靠和精度更高的测量结果才采用不等精度测量法。通常工程技术中，采用的是等精度测量法。(4)接触测量与非接触测量接触测量法：测量时仪表的某一部分(一般为传感器部分)必须接触被测对象(被测介质)。非接触测量法：仪表的任何部分均不与被测对象接触。,7,(5)静态测量与动态测量被测参数不随时间变化或随时间变化非常缓慢，称静态测量。被测参数随时间变化，称为动态测量。动态测量的分析与处理静态测量复杂得多，对测量系统的要求也高得多。,8,3.1.1.3测量仪器与设备测量仪器仪表的组成：传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。,9,1.传感器：感受被检测量的变化，信息，并将被检测量转换成相应的电信号输出。传感器是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分。传感器的好坏，直接影响检测仪表的质量。所以它是检测仪表的重要部件。,对传感器的要求：（1）准确性:传感器的输出信号必须准确地反映被检测量的变化，即：传感器输入输出关系必须是严格的单值函数关系，最好为线性关系。,10,（2）稳定性传感器输入、输出的单值函数关系应不随时间和温度的变化而变化；受外界干扰因素影响应很小；工艺上应能准确地复现。,（3）灵敏性要求有较小的输入量便可得到较大的输出信号。传感器的别名：敏感元件、一次仪表。,11,2.中间变换器(变送器)功能及作用:将传感器输出的信号进行放大、线性化处理、远距离传送并转变成规定的统一信号等。要求:准确稳定地传输、放大和转换信号，受外界干扰因素的影响小，变换信号的误差小。,3.显示件(显示器)作用：显示被检测量的数值，可以显示瞬时量、累积量、越限报警等。类型：指针式(模拟式显示)；数字式；屏幕式(图像显示式)。显示仪表常被称为二次仪表。,12,3.1.2误差一.误差基础测量误差：测量结果与被检测量真值之间的差异，称为测量误差。只有在得到测量结果的同时，指出测量误差的范围，所得的测量结果才有意义。,1测量误差及分类根据测量误差的性质，误差分为：,13,（1）系统误差在相同条件下，多次测量同一被检测量的过程中，误差的绝对值和符号恒定不变，或按某一规律变化。产生原因：a.测量工具不准确或安装调整不正确；b.测试人员的分辨能力差或读数习惯有误；c.测量方法有缺陷。,（2）随机误差在相同条件下多次测量同一被检测量的过程中，出现不可预计的误差。产生原因：大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响。例如，气温和电源电压的微小波动，气流的微小改变，电磁场微变、大地微震等。,14,单次测量的随机误差的大小和方向都不确定，在多次测量中随机误差服从统计规律。可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。,（3）粗大误差：明显地歪曲测量结果的误差。产生原因：操作者的粗心(如读错、记错、算错数据等)、不正确地操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到要求而匆忙实验等原因所造成的。,15,异常数据的判别与剔除方法-采用物理判别法和统计判别法物理判别法:根据人们对客观事物已有的认识，判别由于外界干扰、人为误差等原因造成实测数据偏离正常结果，在实验过程中随时判断，随时剔除。统计判别法:给定一个置信概率，并确定一个置信限，凡超过此限的误差，就认为它不属于随机误差范围，将其视为异常数据剔除。,16,(1)拉依达准则如果实验数据的总体x是服从正态分布的，则式中，与分别表示正态总体的数学期望和标准差。在实验数据中出现大于3或小于3数据的概率是很小的对于大于3或小于3的实验数据作为异常数据，予以剔除。,17,具体计算方法如下：对于实验数据x1,x2,x3,，xn，先计算其均值再用贝塞尔公式计算:,如果某个测量值的残差满足则应剔除该测量值,其他值应重新计算剔除后的标准误差,再按准则判断,直至无坏值存在.不足:建立在无限次测量基础上,只能用作粗大误差的近似判断,18,(2)肖维奈准则:在有限次的等精度测量数据中,如果某一测量值剩余误差满足:,则应剔除该测量值,(3)格拉布斯准则:根据正态分布理论提出的,考虑到测量次数及粗大误差误判概率.凡剩余误差大于格拉布斯鉴别值的误差属于粗大误差,相应的测量值应予剔除.g(n,a)为格拉布斯准则判别系数,与测量次数及粗大误差误判概率有关.教材P64页表3-2格拉布斯准则判别系数表,19,3.1.3仪器仪表的主要性能指标,仪表的性能指标是评价仪表性能差异、质量优劣的主要依据。仪表的性能指标包括：技术指标；经济指标；使用指标。,20,仪表技术指标包括：仪表误差；精度等级；灵敏度；量程；响应时间；漂移等。,仪表经济的指标包括：使用寿命；功耗；价格。,仪表使用的指标包括：操作维修是否方便；运行的可靠与安全；抗干扰与防护能力；重量和体积；自动化程度的高低。,21,1量程与精度（1）量程测量范围：仪表在规定精确度下，所测量的区域。仪表量程：仪表测量范围的上限与下限的代数差。上限-仪表测量的最高值或称满量程值；下限-仪表测量的最低值或称零位。,3.1.1.3量程与精度,例1：温度计的测量范围：-200800，仪表的测量上限：800；测量下限：-200；仪表量程：1000。,例2：温度计的测量范围：0800，仪表的测量上限：800；测量下限：0；仪表量程：800。,22,（2）精度等级基本误差的最大允许值，称仪表的基本误差限,仪表测量范围内各处指示值的误差不应超过此限值。仪表的基本误差限是定量地描述仪表精确度的重要指标，用“引用误差”表示。,引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程之比，用百分数表示。,式中：q-用引用误差表示的基本误差限；-用绝对误差表示的基本误差；S-仪表的满量程；d-常数,23,工业自动化仪表精度等级的划分：仪表的精确度等级只能从下列数据中选取最接近的合适数值作为精确度等级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，(2)，2.5，5.0级。工业生产过程中常用仪表等级为：1.05.0级。例：一毫伏表量程为1V，精度为5.0级。,无论毫伏表的指针在何处，最大的绝对误差不会超过50mV。但各点的相对误差是不同的。,24,利用仪表的引用误差描述仪表的测量精度，并确定仪表精度等级。引用误差是一种简化的、实用方便的相对误差。仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值，此值称为允许引用误差Q：,25,示值误差errorofindication示值误差=计量器具指示出来的测量值与被测量值的实际数值之差。它是由于计量器具本身的各种误差所引起的。该误差的大小可通过计量器具的检定来得到。区分绝对误差,实际相对误差,示值相对误差,引用误差。,P125页5.检定一只量程为5A的电流表,结果如下:,试求仪表各示值的绝对误差,实际相对误差,示值相对误差,引用误差.确定仪表的精度等级.,26,3.1.3.2静态性能指标仪表特性：描述仪表输出变量与输入变量之间的对应关系。静态特性：当输入变量处于稳定状态时，仪表的输出与输入之间的关系。动态特性：当输入变量随时间变化时，仪表的输出与输入之间的关系。,27,（1）灵敏度输入变化量与输出变化量的比值。或输出增量y与输入增量x之比，即：,式中:K灵敏度；y输出变量y的增量；x输入变量x的增量。,对于带有指针和标度盘的仪表，灵敏度可直观地理解为单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量。仪表“输出-输入”关系为线性时，灵敏度为常数。仪表具有非线性特性时，灵敏度将随着输入变量的变化而改变。,28,（2）线性度仪表应具有线性特性，其特性曲线为直线。在测试技术中，采用线性度指标来描述仪表的标定曲线与拟合直线之间的吻合程度：,-实际标定曲线与直线间最大偏差；-仪表满量程A；LN-线性度。,29,（3）迟滞误差正行程：仪表的输入量从起始值增至最大值的过程。反行程：输入量从最大值减至起始值的过程,迟滞差值：正行程与反行程之差H。迟滞误差：全量程中最大的迟滞差值与满量程之比值的百分比。,-最大迟滞差值；-仪表满量程A；-迟滞误差。,迟滞误差产生原因：a.仪表内有吸收能量的元件(如弹性元件、磁化元件等)；b.机械结构中有间隙；c.运动系统的摩擦。,30,（4）漂移：输入量不变时，一段时间后输出量产生了变化。零漂：当输入量固定在零点不变时，输出量有变化。漂移产生原因：a.仪表弹性元件的失效；b.电子元件的老化等。,（5）重复性：在同一工作条件下，仪表对同一输入值按同一方向连续多次测量时，所得输出值之间的相互一致程度称为重复性。重复性误差：,-最大的重复性差值-仪表满量程-重复性误差,31,3.2传感器概述3.2.1传感器定义将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器.传感器作用:自动测试与自动控制领域.电子,自动控制与计算机发展互相促进新技术,新材料,新工艺,32,3.2.2传感器组成,敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。,转换元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。,信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。,常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电路通常包括电源等。,33,转换元件,敏感元件,压力传感器示例,34,35,3.2.2传感器的分类,1按工作机理分类：根据物理和化学等学科的原理、规律和效应进行分类:压电式,压阻式,热阻式,2按被测量分类：根据输入物理量的性质进行分类:温度,压力,流量。,3按敏感材料分类：根据制造传感器所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。,4.按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器,如:压电式、热电式、电磁式等。,5.按输出信号的性质分类:模拟式和数字式,36,湿度传感器,湿度传感器,各种传感器,37,温湿度、露点探头、CO2探头、大气压力传感器,38,3.2.4新型传感器,光纤传感器,光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。,39,光纤传感器外形,40,保护管内为高温光纤,低温光纤,光纤温度传感器,41,光纤的结构,42,光的反射、折射,当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。,43,光的全反射,当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角c。当入射角小于c时，入射光线将发生全反射。,44,光在光纤中的全反射,45,光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,46,光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波，,光的电矢量E,被测量调制：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制,47,光纤在传感器中的作用,功能型非功能型拾光型,48,(a)功能型（全光纤型）光纤传感器,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。,49,(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器,光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,50,(c)拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器,51,根据光受被测对象的调制形式,(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器,光纤传感器的分类,52,光纤传感器的分类,注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤,53,光纤传感器的特点,（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。,54,霍尔传感器工作原理,半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势半导体薄片称霍尔元件,55,霍尔效应原理,56,载流子受洛仑兹力,霍尔电场强度,平衡状态,电子运动平均速度,因为,57,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件.,霍尔电势,58,2霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,59,图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。图（b）是霍尔元件通用的图形符号。图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。图（d）是基本测量电路。,60,霍尔式传感器的应用,优点:结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。,61,微位移和压力的测量,测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度,62,产生梯度磁场的示意图,位移量较小，适于测量微位移和机械振动,63,霍尔式压力传感器,弹簧管磁铁霍尔片,64,加速度传感器,65,生物机电,湿度传感器依据使用材料分类：,电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。,66,67,湿度传感器的主要参数,1、湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0100)RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。2、感湿特征量相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如TiO2(二氧化钛）SnO2（二氧化锡）陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。,68,生物机电,3、感湿灵敏度简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。4、特征量温度系数5、感湿温度系数6、响应时间7、电压特性,69,生物机电,电解质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。,电解质氯化锂湿度传感器最为典型,把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为2090RH的湿度传感器,70,71,陶瓷湿度传感器1、结构该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关,相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。,72,生物机电,电阻一湿度特性MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100RH时，阻值从107下降到104，即变化了三个数量级。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相对湿度/%,R/,73,生物机电,电阻温度特性是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻湿度特性。从图可见，从20到80各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为0.38RH。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相对湿度/%,20,40,60,80,R/,MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻温度特性,74,75,生物机电,高分子湿度传感器用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器。（一）电容式湿度传感器1、结构,高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。,2、感湿机理与性能,76,77,生物机电,电阻式高分子膜湿度传感器1、结构聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构。,引线端,感湿膜,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构,梳状电极,基片,78,（1）电阻湿度特性当环境湿度变化时，传感器在吸湿和脱湿两种情况的感湿特性曲线，如图。在整个湿度范围内，传感器均有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐标纸上近似为一直线。吸湿和脱湿时湿度指示的最大误差值为(34)RH。,1K,30,40,50,60,70,80,90,吸湿,10K,100K,1M,10M,相对湿度/%,R/,脱湿,100%，有的甚至可达到200%，说明传感器的信噪比大，稳定性好。动态特性好。电容传感器活动零件少，而且质量很好，本身具有很高的自振频率，所以动态特性好。,125,主要优点,能量损耗小。电容式传感器的工作是变化极板的间距，而电容变化并不产生热量。结构简单，适应性好。电容式传感器的主要结构是两块金属极板和绝缘层，结构很简单，在振动、辐射环境下仍能正常工作。,126,主要缺点,非线性大。对于极距变化型电容式传感器，从位移变为电容变化是非线性的，利用测量电路电容转换为电压变化也是非线性的，采用差动式结构非线性可以得到改善，但不能完全消除。除非采用专门的测量电路，如运算放大器等。电缆分布电容影响大。传感器两极板间的电容很小，仅几十个pF，小的甚至只有几个pF。而传感器与电子仪器之间的连接电缆却具有很大的电容。如屏蔽线的电容，最小的1米也有几个pF，最大的可达上百个pF，这不仅使传感器的电容相对变化大大降低，灵敏度也降低。解决方法：1，利用集成电路，加前置放大器，使传感器的输出直接变为直流电压信号，再经过传输导线传送，不受导线分布电容的影响。2，采用双屏蔽传输线，可降低分布电容的影响。,127,电感式压力传感器,电感式压力传感器以电磁感应原理为基础，利用磁性材料和空气的导磁率不同，把弹性元件的位移量转换为电路中电感量的变化或互感量的变化，再通过测量线路转变为相应的电流或电压信号。,工作原理,1衔铁2线圈3铁芯,线圈的电感量,W为线圈的匝数；0为空气的磁导率；S为气隙的截面积；为气隙的宽度。,弹性元件与衔铁相连，弹性元件感受压力产生位移，使气隙宽度产生变化，从而使电感量发生变化。,128,在实际应用时，W、0、S都是常数，电感L只与气隙宽度有关。由于L与成反比关系，因此，为了得到较好的线性特性，必须把衔铁的工作位移限制得较小。若0为传感器的初始气隙，为衔铁的工作位移，则一般取,上述传感器虽然结构简单，但存在驱动衔铁或铁芯的力较大、线圈电阻的温度误差不易补偿等缺点，所以实际应用较少，而往往采用差动式电感传感器。,129,差动式电感压力传感器,两个完全对称的简单电感压力传感器，共用一个活动衔铁便构成了差动式电感压力传感器。特点是磁路系统与的导磁体的几何尺寸完全相同，上下两个线圈的电气参数即线圈的电阻、电感、匝数也完全一致，初始气隙为1=2=0，当衔铁受压有变化时，对磁路气隙变成0+时，则磁路气隙变为0-，电感分别为,130,上两式可以看出，它们的电感是一增一减，将这样的变化接入电桥，此为差动式电感传感器电桥电路。,两个线圈Z1、Z2接成交流电桥的相邻两臂，即半桥输入，另外两个桥臂由阻抗Z3、Z4组成。,根据电桥平衡原理，在初始条件时，输出电压为，,当Z3=Z4=Z时，有：,由于在工作中L1与L2是一增一减，Z1与Z2之和变化甚微，故可以认为输出电压正比于L1-L2，即,131,将,代入,若略去式中的2项，上式成为,K为差动式电感压力传感器的灵敏度，其物理意义是衔铁单位移动量引起的电桥电压的输出，K值越大，灵敏度越高。K值是下列参数的函数,显然桥压越高、起始气隙越小以及初始电磁参数越高，则灵敏度就越高。电感式压力传感器的特点是灵敏度高、输出功率大、结构简单、工作可靠，但不适合于测量高频脉动压力，且较笨重。精度一般为0.51级。,132,霍尔式压力传感器,霍尔式压力传感器是利用霍尔效应把压力引起的弹性元件的位移转换成电势输出的装置。,霍尔效应,把一半导体单晶薄片放在磁感应强度为B的磁场中，在它的两个端面上通以电流I，则在它的另两个端面上产生电势UH，这种物理现象称为霍尔效应。电势UH称为霍尔电势；电流I称为控制电流；能产生霍尔效应的片子称为霍尔元件。,霍尔电势可表示为,式中：RH为霍尔系数；d为霍尔元件厚度；KH为霍尔元件的灵敏度。,133,霍尔压力传感器结构,1-弹簧管；2-磁铁；3-霍尔元件,当被测压力为零时，霍尔元件处于非均匀磁场的正中，其输出电势为零；当被测压力不为零的时候，霍尔元件被弹性元件带动偏离中间位置，则有正比于位移的电势输出。若弹性元件的位移与被测压力成正比，则传感器的输出电势也与被测压力成正比。,磁极间磁感应强度的分布,134,压力计的选用压力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等等。压力计测量压力范围宽广可以从超真空如13310-13Pa直到超高压280MPa。应根据工艺生产过程对压力测量的要求，被测介质的性质、工作环境的影响、经济适用的条件等，加以全面的考虑和具体的分析,然后从压力表的类型、量程、粗度和指示形式等方面进行选择。压力表种类和型号的选择压力表量程的选择压力表的粗度压力表外形的选择,135,压力表种类和型号的选择压力表种类和型号的选择要根据被测介质压力的大小、介质的物理化学性质、现场环境和工艺要求来确定。1.从被测介质压力大小来考虑如测量微压，即几百至几千帕斯卡的压力，宜采用液柱压力计或膜合压力表。对于被测介质压力在0.015MPa以下，不要求迅速读数的，常选用U型压力计或单管压力计；要求迅速读数的，可用膜合压力表。压力在0.05MPa以上的，一般选用弹簧管压力表2.从被测介质性质来考虑对稀硝酸、醋酸、氨及其他腐蚀性介质，应选用耐酸压力表、精密压力表、氨用压力表、不锈钢为膜片的膜片压力表。对易结晶、黏度较大的介质，要选用膜片压力表。对氧、乙炔等介质应选用专用压力表。,136,3.从使用环境来考虑对爆炸性气氛环境，使用电气压力表时，应选择防爆型压力表-气动压力变送器、防爆型电动型或型压力变送器。4.从工艺要求来考虑如需要观察压力的变化情况，应选用记录式压力表，如波纹管压力表或螺旋弹簧管压力表。若不但需要就地指示，还要远程传送压力信号，则可选择电气式压力表。若只需远程传送压力信号，可选用压力变送器。如需报警或位式调节，则可选用电接点压力表压力表量程的选择为了保证弹性元件能在弹性形变的安全范围内可靠工作，压力表量程的选择不仅要根据被测压力的大小而且还要考虑被测压力变化的速度，其量程需留有足够的余地。,137,测量稳定压力时，最大工作压力不得超过量程的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不得超过量程的1/2；测量高压时，最大工作压力不得超过量程的3/5；为保证测量准确度，最小工作压力不得低于量程的1/3。按此原则，根据被测最大压力算出数值后，选取稍大于该值的测量范围即可。例如：容器的最大工作压力是1MPa，根据测量稳定压力时最大工作压力不超过量程2/3的原则，得12/31.5MPa，因此，选用量程为（01.6）MPa的压力表较合适二、压力表准确度的选择,138,压力表的精度根据生产允许的最大测量误差，以经济、实惠的原则确定仪表的精度级。一般工业用压力表1.5级或2.5级已足够,科研或精密测量用0.5级或0.35级的精密压力计或标准压力表。如上例中，用（01.6）MPa量程的压力表测量容器的压力，若要求测量值的绝对误差不大于0.03MPa，则所选用压力表的允许误差应不大于0.03100/1.61.875。根据压力表的允许误差范围可知，1.5级准确度、1.6MPa测量范围的压力表，其测量误差为1.6MPa1.50.024MPa，即其测量误差不会大于0.024MPa，因此可满足生产对测量精度的要求。,139,压力表外形的选择在经济、合理、实用的基础上，还应考虑便于安装、日常观察和美观。一般应选用轴向有边、径向有边的盘装圆形压力表或矩形压力表。盘装圆形压力表的表面直径一般采用直径为150mm的压力表；现场就地指示压力表的表面可采用直径为100mm的压力表；在照明条件差、安装位置高、示值看不清楚的场合，应采用表面直径为200mm或250mm的压力表。,140,1.测压点的选择应能反映被测压力的真实大小。,要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。测量流动介质的压力时，应使取压点与流动方向垂直，取压管内端面与生产设备连接处的内壁应保持平齐，不应有凸出物或毛刺。测量液（气）体压力时，取压点应在管道下（上）部，使导压管内不积存气（液）体。,压力计的安装,141,2.导压管铺设,导压管粗细要合适，一般内径为610mm，长度应尽可能短，最长不得超过50m，以减少压力指示的迟缓。如超过50m，应选用能远距离传送的压力计。导压管水平安装时应保证有1:101:20的倾斜度，以利于积存于其中之液体（或气体）的排出。当被测介质易冷凝或冻结时，必须加设保温伴热管线。取压口到压力计之间应装有切断阀，以备检修压力计时使用。切断阀应装设在靠近取压口的地方。,142,3.压力计的安装,压力计应安装在易观察和检修的地方。安装地点应力求避免振动和高温影响。,测量蒸汽压力时，应加装凝液管，以防止高温蒸汽直接与测压元件接触图（a）；对于有腐蚀性介质的压力测量，应加装有中性介质的隔离罐，右图（b）表示了被测介质密度2大于和小于隔离液密度1的两种情况。,143,压力计的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，选择适当的材料，作为密封垫片，以防泄漏。当被测压力较小，而压力计与取压口又不在同一高度时，对由此高度而引起的测量误差应按pHg进行修正。式中H为高度差，为导压管中介质的密度，g为重力加速度。为安全起见，测量高压的压力计除选用有通气孔的外，安装时表壳应向墙壁或无人通过之处，以防发生意外。,144,例题分析,解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为根据就地观察及能进行高低限报警的要求，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa。,145,由于，故被测压力的最小值不低于满量程的1/3，这是允许的。另外，根据测量误差的要求，可算得允许误差为所以，精度等级为1.5级的仪表完全可以满足误差要求。至此，可以确定，选择的压力表为YX-150型电接点压力表，测量范围为060MPa，精度等级为1.5级。,146,2.如果某反应器最大压力为0.6MPa，允许最大绝对误差为0.02MPa。现用一台测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表来进行测量，问能否符合工艺上的误差要求？若采用一台测量范围为01.0MPa，准确度为1.5级的压力表，问能符合误差要求吗？试说明其理由。,解：对于测量范围为01.6MPa，准确度为1.5级的压力表，允许的最大绝对误差为1.61.5%=0.024(MPa),147,因为此数值超过了工艺上允许的最大绝对误差数值,所以是不合格的。对于测量范围为01.0MPa，准确度亦为1.5级的压力表,允许的最大绝对误差为1.01.5%=0.015(MPa)因为此数值小于工艺上允许的最大绝对误差,故符合对测量准确度的要求,可以采用。该例说明了选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值是不适宜的。,148,3.4温度测量一.概论二.膨胀式温度计三.热电阻温度传感器四.热电偶温度传感器热电效应热电偶温度补偿,149,3.4.1概论温标及单位：用来衡量温度高低的尺度称为温度标尺，简称温标。它规定了温度的读数起点和基本单位常用温标有热力学温标、国际实用温标、摄氏温标和华氏温标。摄氏温标（）：测温物质：水银分度方法：在标准大气压下，冰的熔点-0；水的沸点-100在两点之间将水银的体膨胀分成100份，每份表示1。,150,华氏温标华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水的沸点为212度，中间等分为180格，每格为华氏1度，符号为。它与摄氏温标的关系为：测温物质：水银分度方法：在标准大气压下，氯化铵与冰的混合物-0F；冰的熔点-32F水的沸点-212F,在两点之间将水银的体膨胀分成180份，每份表示1F。,151,热力学温标,热力学温标:又称为绝对温标，是建立在热力学基础上的一种理论温标。它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。是与测温物质的任何物理性质无关的一种温标。19世纪中叶，英国物理学家开尔文(18241907)根据热力学“卡诺循环”理论，提出热力学温标及绝对零度的概念。从绝对零度起算，水的冰点-27315度，水的沸点-37315度。热力学温标的度用符号K表示。,152,国际实用温标规定不同温度范围内的基准仪器；选择一些纯物质的平衡态温度作为温标基准点；建立内插公式可计算出任何两个相邻基准点间的温度值。以上被称作温标的“三要素”。,式中：,水的冰点温度,工程上，0以下用T，0以上用tITS-90温标的基本内容：1定义基准点：ITS-90中有17个定义基准点（见1990国际温标手册）2基准仪器：将整个温标分为4个温区，使用不同的基准仪器。分别为3He和4He蒸汽压温度计（0.655.0K）、3He和4He定容气体温度计（3.024.5561K），铂电阻温度计（13.8033K961.78），光学或光电高温计（961.78以上）3内插公式（请参阅有关资料）。,153,温度测量方法及测量仪表的分类,通常把温度计分为接触式和非接触式两大类，前者是温度传感器与被测介质直接接触，后者是传感器不与被测介质接触。,1接触法当两个物体接触达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测量方式称为接触法。其特点是，测温准确度较高。用接触法测温时，感温元件要与被测物体接触，往往要破坏被测物体的热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用，因此对感温元件的结构、性能要求苛刻。,2非接触法利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。它的特点是：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。从原理上看，用这种方法测温无上限。通常用来测定1000以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。,154,测量仪表的分类,测温仪表,接触式,非接触式,膨胀式,电阻式,热电式,固体式,液体式,压力式,金属,非金属,金属,非金属,全辐射高温计,单色高温计,比色高温计,红外高温计,双金属片,水银温度计、有机液体,气体、蒸汽压、液体,铂、铜、镍,锗、碳、热敏电阻,铜-康铜、镍铬-镍硅,碳化硼石墨,155,各种温度计的优缺点及使用范围,156,1液体膨胀式温度计,一种液体的体积为V，由于它的温度变化所引起的体积变化可以用下式表示：,这种利用液体体积随温度升高而膨胀的原理制成的温度计称为液体膨胀式温度计。最常用的就是玻璃管液体温度计。,1-玻璃温包；2-毛细管；3-刻度标尺；4-膨胀室,玻璃管液体温度计液体工质与测温范围,157,玻璃管液体温度计的特点1.测量准确、读数直观、结构简单、价格低廉，使用方便，2.但有易碎、不能远传信号和自动记录等缺点。,应注意两个问题：1、零点漂移：玻璃的热胀冷缩也会引起零点位置的移动，因此使用玻璃管液体温度计时，应定期校验零点位置。2、露出液柱的校正：使用时必须严格掌握温度计的插入深度，因为温度刻度是在温度计液柱全部浸入介质中标定的，而使用时液柱可按下式求其修正值,n为露出液柱所占的度数（）；K为工作液体在玻璃中可见的膨胀系数；t为分度条件下外露部分空气温度（）；t0为使用条件下外露部分空气温度（）。,根据所充填的工作液体不同，可分为水银温度计和有机液体温度计两类。,水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当大的范围内（38356）保持液态，在200以下，其膨胀系数几乎和温度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。,158,2.电接点水银温度计：在水银温度计的感温泡附近引出一根导线，在对应某个温度刻度线处再引出一根导线，当温度升至该刻度时，水银柱就会把电路接通。反之，温度下降到该刻度以下，又会把电路断开。,1-细长螺钉；2-椭圆形螺母；3-细导线；4-磁钢帽；5-扁平铁块；6、7-外引线,159,160,3.固体膨胀式温度计利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，敏感元件是双金属片。在温度变化时将因弯曲变形而使其一端出现位移。带动指针偏转-双金属温度计；带动电接点通断-双金属温度开关。,161,应用,162,实例,工业用双金属温度计,163,工作原理,原来长度为l的一个固体，由于温度的变化所产生的长度变化可用下式表示：,将两种不同膨胀率、厚度为d的带材A和B粘合在一起，便组成一种双金属带，温度变化时，由于两种材料的膨胀率不同会使双金属带弯曲,则有:,可解得:,如果带材A采用铁镍合金,则有:,则:,164,165,166,4.压力式温度传感器,依靠密闭容器中液态或气态物质受热后,压力的升高反映被测温度。由敏感元件温包，传压毛细管和弹簧管压力表组成。若给系统充以气体，如氮气，称为充气式压力式温度计，测温上限可达500，压力与温度的关系接近于线性，但是温包体积大，热惯性大。若充以液体，如二甲苯、甲醇等，温包小些，测温范围分别为40200和40170，若充以低沸点的液体，其饱和汽压应随被测温度而变，如丙酮，用于50200。但由于饱和汽压和饱和汽温呈非线性关系，故温度计刻度是不均匀的,167,压力式温度计,实例,特点:必须将温包全部浸入被测介质；毛细管最长不超过60m；仪表精度低，但使用简便，而且抗震动。,168,169,170,热电阻温度传感器在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来进行温度的测量较为适宜。热电阻温度计是由热电阻，显示仪表以及连接导线所组成。,WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300)隔爆热电阻WZC-111/12*1000mmCu50铜热电阻WZPK2-103/B级6*515mm(0-300)铂热电阻,171,对于线性变化的热电阻来说，其电阻值与温度关系如下式,热电阻温度计适用于测量-200+500范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。,测温原理,利用热电阻的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。,172,材料要求：,在测温范围内化学和物理性能稳定；复现性好；电阻温度系数大，以得到高灵敏度；电阻率大，可以得到小体积元件；电阻温度特性尽可能接近线性；价格低廉。,在中、低温范围内其精度高于热电偶温度计；灵敏度高。当温度升高1时，大多数金属材料热电阻的阻值增加0.4%0.6%，半导体材料的阻值则降低3%6%；热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得多，因此不宜测量点温度与动态温度，半导体热敏电阻虽然体积较小，但其稳定性和复现性却较差。,特点,173,热电阻的电阻值与温度的关系特性有三种表示方法：作图法函数表示法列表法铂电阻,33,特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。缺点：电阻温度系数较小，在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污变脆，价格较贵。,174,在2000范围内，铂的电阻温度关系为Rt=R01+At+Bt2+C(t100)t3在0650范围内，其关系为Rt=R0(1+At+Bt2)式中，分度常数铂的纯度用百度电阻比W（100）表示，即W（100）=R100/R0式中，R100100时铂电阻值；R00时铂电阻值。W（100）越高，则其纯度越高。对于标准铂电阻温度计，规定纯度不小于1.3925；对于工业用铂电阻温度计纯度为1.391。标准或实验室用的铂电阻R0为10欧母或30欧母左右。国产工业用铂电阻温度计主要有三种，分别为Pt50,Pt100,Pt300。,175,铜电阻,金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50+150内，具有很好的稳定性。,在-50+150的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即,例题：某铜电阻在20时的阻值R2016.28，4.2510-3-1，求该热电阻在100时的阻值。工业上常用的铜电阻有两种，一种是R050，对应的分度号为Cu50。另一种是R0100，对应的分度号为Cu100。,176,177,镍热电阻特点：电阻温度系数较铂大，约为铂的1.5倍。在50150内，其电阻与温度关系为Rt=100+0.5485t+0.66510-3t2+2.80510-9t4半导体热敏电阻大多数半导体热敏电阻具有负的温度系数，其电阻值与温度的关系为RT=AeB/T半导体热敏电阻通常用铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁、铜等复合氧化物高温烧结而成。,178,与金属热电阻相比，半导体热敏电阻具有如下优点：（1）具有较大的负电阻温度系数，约为(36)%，因此灵敏度比较高；（2）半导体材料的电阻率远比金属材料大得多，因此它的体积可做得非常小，同时热惯性就小并适合用于测量点温度与动态温度；（3）电阻值很大，故连接导线的电阻变化的影响可以忽略；（4）结构简单。缺点：同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差，精度较低,179,3.热电阻温度传感器的电路接法（1）二线制,180,（2）三线制,181,热电偶温度传感器,广泛应用于工业上的测温领域。特点：结构简单；精度高；热惯性小；测温范围宽；输出信号易于转换。,182,7,热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪