检测技术及仪表PPT课件

.,检测技术及仪表,.,课程介绍,课程说明自动化专业的必修课考核方式1、平时成绩10%2、实验成绩30%3、期末考试60%计划学时34+24学时,.,课程介绍,教材检测技术及仪表林锦实主编.机械工业出版社，2012.过程检测技术及仪表（第二版）杜维等.化学工业出版社，2010.,.,课程内容组成,温度测量,2,物位的测量,4,压力与压差测量,3,1,成分参数的测量,6,信号变换技术,8,机械量的测量,7,流量的测量,5,检测技术概述及检测技术基础,现代检测技术,10,显示仪表,9,.,任务及要求,本课程的任务是通过本课程的学习使学生系统地了解掌握自动检测的基础理论、基本方法、及相关知识；掌握工业过程主要参数的检测原理及实现方法熟悉各类仪表的工作原理、特点、技术指标和使用要求；根据需要能够制定正确的检测方案，设计检测系统，合理选择、正确使用各种检测仪表。,.,第1章检测技术概述及检测技术基础,本章介绍检测技术的地位发展和测量仪表的作用、测量的基本概念、及仪表性能指标的计算方法和测量误差的基本理论；分析了测量误差的产生原因及处理方法；测量准确度的评定与表示方法。,.,主要内容：1.1检测技术概述1.1.1检测技术的基本概念1.1.2检测技术的地位和作用1.1.3检测系统构成1.1.4检测技术的主要研究内容1.1.5检测技术的发展方向1.2检测技术基础1.2.1检测方法1.2.2检测仪表的基本功能1.2.3检测仪表的基本性能指标,1.3测量误差,.,1.1.1检测技术的基本概念,式中：x被测量值；q标准量，即测量单位；n比值（纯数），含有测量误差。,检测：以确定被测对象属性量值为目的的全部操作。所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较,确定被测量对标准量的倍数。即依靠实验和计算找到被测量的值，它可由下式表示:,或：,检测技术：也称测试技术，是具有试验性质的测量，泛指测量和试验两个方面的技术。,检测目的：为了在限定的时间内，尽可能正确地收集被测对象的有关信息，以便获取被测对象的参数，从而管理和控制生产。,.,被测量:（被测对象的属性量值）,全部操作：,一个完整的检测过程包括信息的提取、信号的转换存储与传输、信号的显示记录、信号处理和分析,物理量（光、电、力、热、磁、声、）,被测对象：,宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）,化学量（PH、成份）,生物量（酶、葡萄糖、）,1.1.1检测技术的基本概念,.,例一、确定某人的身高,通常采用标准长度的米尺(一个预定标准)对其进行测量，通过被测量与预定标准之间的定量比较，从而得到此人实际的身高(被测对象的数值结果)。,1.1.1检测技术的基本概念,.,例二、汽车乘坐舒适性的台架试验,一、检测技术的基本概念,.,信息流是客观世界的一个主流,二、检测技术的地位和作用,物料流能量流信息流,客观世界,.,信息流组成,信息获取是信息流的一环。,获取信息是仪器科学的基本任务仪器仪表是信息产业的重要组成部分仪器仪表是信息工业的源头,1.1.2检测技术的地位和作用,.,检测技术的作用,1.1.2检测技术的地位和作用,工业生产的倍增器,科学研究的先行官,社会上的物化法官,.,a）机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。,密歇根大学的机械手装配模型,机器狗,检测技术在工业生产领域的应用,1.1.2检测技术的地位和作用,.,b)生产加工过程参数监测,切削力测量，机床振动测量、加工噪声传感器，转速、扭矩测量、温度测量、机架及受力件的应力测量、电机参数测量等。,密歇根大学数字化工厂,1.1.2检测技术的地位和作用,.,c)流程工业设备运行状态监控,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,基于设备的检查和检测，通过计算机处理数据，掌握和评估设备状态、预测故障。,1.1.2检测技术的地位和作用,.,检测技术在日常生活中的应用与日俱增,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测-压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器,1.1.2检测技术的地位和作用,.,科学研究的先行官,1.1.2检测技术的地位和作用,许多重要的科学分支的确立和发展归功于重要的科学仪器装置的研制成功。色谱仪的发明产生了色谱学，光谱仪的发明产生了光谱学。诺贝尔奖获得者R.R.Ernst说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”。,科学仪器是科学技术发展的重要前提和根本保障；,约有三分之一的诺贝尔物理和化学奖授予了那些在测试仪器方面有创新的科学家。,.,检测技术在航天领域举足轻重,“神舟七号”载人航天工程由测控通信系统、着陆场系统、发射场系统、航天员系统、飞船系统、火箭系统、空间应用系统七大部分组成。,测控通信系统主要任务是跟踪和获取航天器的各种信息，进行计算、处理和分析，从而对航天器进行控制和管理。要负责运载火箭和神舟七号载人飞船的轨道测量、图像及遥测监视、遥控操作、话音通信、飞行控制等。如果没有测控通信系统，飞船就会像断线的风筝一样失去控制，后果将不堪设想。因此可以说，测控通信系统是对飞船进行指挥控制的灵魂，在载人航天工程中起着举足轻重的作用。,1.1.2检测技术的地位和作用,.,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数坐标、速度、加速度、温度、压力、振动、流量、应变、航天员的生理参数等。,神州飞船：,185台（套）仪器装置,飞行器测控-飞船飞行轨道及姿态的计算与控制、设备的工作状态监测,火箭测控-检测火箭飞行状况、姿态、轨迹,1.1.2检测技术的地位和作用,.,社会的“物化法官”,1.1.2检测技术的地位和作用,检查产品质量,监测环境污染,识别指纹假钞,查服违禁药物,.,总结：检测技术广泛应用于工农业生产、科学研究、航空航天、交通运输、医疗卫生及日常生活的每一个领域，是人类科学认知客观世界的手段，起着人的感官的作用。,1.1.2检测技术的地位和作用,.,1.1.3检测系统构成,典型测试系统框图,检测系统：包含对被测量进行检出、变换、传输、分析、处理、判断和显示等不同功能环节所构成的一个总体。,.,检测的两个过程：能量形式的一次或多次转换过程；被测变量与其相应的测量单位进行比较,第一过程,第二过程,由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量,.,检测系统包括被测对象级检测的全过程。检测元件和显示装置使必需的，其他部分视具体结构而定。,检测元件显示装置,光纤温度传感器,.,1.1.4检测技术的主要研究内容,1、发现和应用新的测量原理，从事相应传感器的开发研究；2、选择合适的测量原理，确定测量方法；如：电测法和非电测法、直接测量与间接测量、绝对测量与相对测量、开环测量与闭环测量等。3、设计或选用各类装置组成测试系统；4、测量数据的分析处理，得出符合客观实际的结论。,测试技术是指测试过程中所涉及的测试理论、测试方法、测试设备等。,.,1.1.5现代检测技术的发展趋势,提高自动检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性；利用新技术新原理研制新型传感器，以组成新型的自动检测系统和填补自动检测系统的空白；微电子技术、微型计算机技术与传感器技术相结合构成新一代的智能化自动检测系统；采用多传感器去探索检测线的、面的和体的空间参数及综合参数，以构成特殊的自动检测系统。,智能化、虚拟化、网络化、微型化、多参数化,.,.,.,1.2.1检测方法,直接检测法：用测量精确程度较高的仪器测量被测量，直接得到测量结果的方法。间接检测法：利用被测量与某些物理量间的函数关系，先测出这些物理量（间接量），再得出被测量数值的方法。组合检测法：被测量与多个量存在多元函数关系时，可以直接测量出这几个相关的量，然后解方程组求出被测量。,.,1.2.2检测仪表的基本功能,1.变换功能：利用物质的物理、化学性质，把被测量转变成便于测量、传输和处理的另一种物理量的过程。,2.选择功能：实现测量，在设计制造仪表或变换元件时，应使其具有选择的功能，即选择有用测量信号而抑制其他干扰信号的功能。,3.比较功能:被测量与标准量进行比较的方法。,4.显示功能：测量仪表将测量结果指示或记录下来的功能。,.,1.2.3检测仪表的基本性能指标,1、静态性能指标,（1）基本误差和精度,（2）变差,（3）非线性误差,（4）灵敏度和灵敏限,2、动态性能指标,.,（1）基本误差和精度,在测量仪表量程范围内，输出量和理论值的最大偏差与量程比值的百分数，称做仪表的基本误差（相对百分误差）。即：,用来表征测量仪表基本误差允许值等级的量，称做仪表的精度。例如：0.5级精度的仪表，其允许基本误差是-0.5%允0.5%；也就是说，精度数值前加上正、负号后加即为其允许误差范围。反过来，把允许误差限值去掉正负号及即为精度。,1、静态性能指标,.,国家规定划分的等级有：,0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0,所谓的1级就是仪表允许的最大相对百分误差为1%。,例1-1：有一台测压仪器，测量标尺范围为0-500Kpa，绝对误差最大值为4Kpa，确定该仪表的精度等级。解：先计算,仪表最大误差大于0.5%，小于1%，按仪表精度等级划分，仪表精度为1级。若绝对误差不变，测量范围改为200-400kpa，则最大相对百分误差为：,按仪表精度等级划分，该仪表的精度为2.5级。也说明，仪表的绝对误差相等时，测量范围大的仪表精度高，反之精度低。,.,解：该测温仪表的最大误差为,去掉%后，该表的精度值为0.6，介于国家规定的精度等级中0.5和1.0之间，而0.5级表和1.0级表的允许误差表允分别为0.5%和1.0%。则这台测温仪表的精度等级只能定为1.0级。,例1-2某台温度检测仪表的测温范围为100600，校验该表时得到的最大绝对误差为3，试确定该仪表的精度等级。,例题,.,例1-3现需选择一台测温范围为0500的测温仪表。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过4，试问：应选哪一级精度等级的仪表？,解：工艺允许相对误差为,去掉和%后，该表的精度值为0.8，也是介于0.51.0之间，而0.5级表和1.0级表的允许误差表允分别为0.5%和1.0%。应选择0.5级的仪表才能满足工艺上的要求。,例题,.,（2）变差,变差：是指测量仪表在同一输入量下，其上行程与下行程输出量的最大差值。变差通常也表示成相对百分数的形式，即：,原因：主要由于传动机构的间隙、摩擦或者仪表元器件吸收、释放能量所造成的。,.,测量仪表的非线性误差,（3）非线性误差理论上具有线性特性的检测仪表，各种原因使实际特性偏离线性，是指仪表的特性曲线与端基直线最大输出偏差值的绝对值与量程比值的百分数，即：,量程=Y上-Y下,测量量程=X上-X下,实际特性偏离线性程度的指标,.,（4）灵敏度和灵敏限,在稳定状态下，仪表的输出增量对输入增量的比值，称为仪表的灵敏度。表征检测仪器对被测参数变化的灵敏程度，指被测参数单位变化时，仪表所指示值的变化。它就是仪表静态特性曲线上相应点的斜率：,灵敏限：引起仪表示值可见变化的被测变量的最小变化值。一般应不大于仪表允许误差绝对值的一半。,.,2、动态性能指标,仪表的输入量随时间而变化的工作状态，称为动态。仪表在动态下工作出现的输出特性，称为动态特性。仪表输入发生变化，必然引起输出值的变化，即引起动态响应。输出值随时间变化的曲线，称为动态响应曲线。（1）阶跃响应（2）频率响应,实际测量过程中，大部分被测量是随时间变化的动态信号，仪表不仅要精确地反映出被测量的大小，还应该正确再现被测量随时间变化的规律。动态特性反映了输出值真实再现变化着的输入量的能力。,.,（1）阶跃响应,上升时间tr：y(t)从10%yH到达90%yH所需的时间。,峰值时间tp：y(t)到达第一次峰值所需要的时间，称为峰值时间。,稳定时间ts：y(t)到达误差允许范围5%所需的时间称为稳定时间。,二阶仪表阶跃响应性能指标,.,（2）频率响应,当测量仪表的输入信号为一定频率和幅值的波动信号时，其输出值所引起的响应，称做频率响应。若仪表的频率响应性能不好，会使仪表输出值的差动加大，甚至引起共振，使仪表不能正常工作。,.,3、检测仪表的可靠性,（1）可靠度：仪表在规定的条件和规定的时间内，实现规定功能（2）失效率,（3）平均无故障工作时间,(t)-t曲线,可靠性：仪表在规定的条件和规定的时间内，实现规定功能的能力。,.,1.3测量误差,1.3.1误差存在的绝对性,1.3.2误差的分类,1.3.3误差处理的基本方法,.,1按误差出现的规律分类（1）系统误差,系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度（准确度）。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,夏天摆钟变慢的原因是什么？,1.3.2误差的分类,.,（2）随机误差,随机误差也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小（精密度）。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化。,例如：测粉笔的长度或直径,长度相对测量值,.,（3）粗大误差,就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。,如：读书读错，突然外界条件干扰等,.,2.按误差本身因次（单位）分类：绝对误差相对误差,绝对误差=测量值真值,仪表指示值的绝对误差与被测量的真值的比值,相对百分误差实际相对误差标称相对误差,绝对误差：不能作为仪表测量精度的比较尺度。,.,3.按使用的工作条件分类基本误差：规定正常工作条件下所产生的误差附加误差：偏离规定的正常工作条件所产生的误差,按误差的特性分类静态误差：被测量处于稳定不变时的测量误差。动态误差：被测量处于变化过程中，检测所产生的瞬时误差。误差产生原因系统误差环境误差人员误差,.,1.3.3误差处理的基本方法,一、误差分析粗大误差是人为造成的，可以通过加强责任感避免，也可以通过某些判据发现并剔除随机误差表现出单次测量的随机性与测量总体误差分布的规律性特征，因此可通过统计处理的方法对误差进行最可信估计系统误差存在与否的检验是系统误差分析与评价的核心问题，因为系统误差的规律性决定其处理与补偿的有效性。,.,随机误差的估计与统计处理n次重复测量，各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布，即为测量值与约定真值之间的误差，即随机误差，均方根误差（标准误差）,特点：误差的对称性误差的单峰性误差的有界性误差的抵偿性,.,标准差的计算n趋于无穷大n为有限时,.,粗大误差的判别拉依达（）法（只能用于n30)格拉布斯（Grubbs）法系统误差实验对比法残余误差观察法标准差判据,.,二、误差的处理系统误差的合成设检测系统的待测参数为,随机误差的合成在间接测量情况下，设间接测量量（待测参数）误差的总合成,.,三、消除和减少误差的一般方法减小随机误差的方法提高检测系统准确度抑制噪声干扰对测量结果的统计处理,.,三、仪表的误差补偿及线性化系统误差补偿恒值修正法差动法相互抵消法滤波法减小随机误差方法抑制噪声干扰对测量结果的统计处理仪表的线性化直接刻度缩小工作范围修正法,.,一、自然规律与检测方法,守恒定律：能量、动量、电荷量场定律：运动场、电磁场物质定律：如电阻等统计法则：统计方法，如热噪声型温度检测方法,参数检测的一般方法和原理,检测系统能够正确传递信息、进行信号转换、实现参数的检测，是因为利用了自然规律中的各种定律、法则和效应。,.,二、基础效应,应变效应光导效应压阻效应压电效应热电效应霍尔效应.,参数的检测离不开敏感元件，敏感元件是按照一定的原理把被测量的信息转换为另外一种可进一步进行处理或表示的信息，这个转换过程一般是利用了诸多的效应：物理效应、化学效应和生物效应。,.,第2章温度的测量,本章介绍了温标的概念，然后按照测量方法的分类，分别介绍了各种测温方法和仪表：包括接触式测温仪表、非接触式测温仪表、新型温度传感器和仪表系列温度变送器。,.,教学目录：,2.1,概述,2.2,接触式测温方法及仪表,2.3,非接触式测温方法及仪表,2.4,新型温度传感器,2.5,温度变送器,.,2.1概述,2.1.1温度和温标,2.1.2测温方法分类,重点：几种常用温标的定义。难点：各种温标之间的换算。,重点：分类原则、各种测温方法的优缺点。,.,2.1.1温度和温标,1.温度的基本概念温度是表征物体冷热程度的物理量。,2.温标温标就是量度物体温度高低的标尺，是温度的一种数值表示。温标包含两方面：一是温度数值化的一套规则和方法；二是温度的测量单位。,.,三种常用温标：（1）经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度的变化的关系，用实验方式或经验公式所确定的温标称作经验温标。主要有摄氏温标和华氏温标，都是根据水银受热后体积膨胀的性质建立起来的。摄氏温标（）摄氏温标规定在标准大气压下，水的冰点为0，水的沸点为100，并将两固定点之间等分100份，每一份称为摄氏一度，一般用“”表示摄氏度数。华氏温标（）华氏温标规定在标准大气压下，水的冰点为32，水的沸点为212，在这两个固定点之间划分180等份，每一份称为华氏一度，用“”表示。华氏温标与摄氏温标有如下关系：m=1.8n+32式中，m、n分别表示华氏温度值和摄氏温度值。,2.1.1温度和温标,.,（2）热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础之上的一种理想温标，它与物质性质无关。是纯理论性的，无法直接加以实现。（3）90国际温标（ITS90）ITS90同时使用国际开尔文温度（符号T90）和国际实用摄氏温度（符号t90）。T90与t90的关系为：t90=T90273.15式中，T90的单位是开尔文（K），t90的单位是摄氏度（）。这里摄氏度与开尔文温度分度值相同，即温度间隔lK等于1。,2.1.1温度和温标,.,例题,例2-1已知某点温度为10，将该温度转换为华式温标和90国际温标。,解：根据各种温标间的关系m=1.8n+32=(1.810+32)=50T90=t90+273.15=(10+273.15)K=283.15K,.,2.1.2测温方法分类,1.接触式测温：直接接触充分的热交换，达到热平衡,2.非接触式测温：被测物的热辐射实现能量交换,膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计等。,不改变被测物的温度分布，热惯性小，便于测量运动的物体和温度变化快的物体。光学高温计、光电高温计、辐射高温计和比色高温计等。,敏感元件与被测介质是否接触：接触式和非接触式,.,2.2.1膨胀式温度计,2.2.2压力式温度计,2.2.3热电偶温度计,2.2.4热电阻温度计,2.2接触式测温方法及仪表,2.2.5接触式测温实例,.,2.2.1膨胀式温度计,1.液体膨胀式温度计,液体膨胀式温度计是一种直读式的、应用最早的温度测量仪表，最常见的是玻璃管式温度计。,1安全包2标尺3毛细管4感温包,图2-1玻璃管式温度计,.,2.固体膨胀式温度计（1）杆式温度计测温管6的膨胀系数大于传递管7，温度升高或降低时，传递杆的上端向下或向上移动，通过摇板2使指针3转动，指示出被测温度的值。,1拉簧、2摇板、3指针、4外壳、5弹簧、6测温管、7传递杆,.,（2）双金属式温度计是固体膨胀式温度计中应用较多的一种，感温元件是由两片膨胀系数不同的金属片叠焊在一起，受热后，由于膨胀系数不同产生弯曲，温度越高，产生的线膨胀长度差也就越大，引起的弯曲角度也就越大。,.,2.2.2压力式温度计,测量原理：是基于封闭在容器中的液体、气体或某种低沸点的饱和蒸气受热后体积膨胀而使压力发生变化的性质。特点：简单、可靠、抗震性好，具有良好的防爆性，常应用在飞机、汽车上，也可以作为温度控制装置，但动态特性能差，示值的滞后性较大，不易测量迅速变化的温度。毛细管2与7一端相连，温度计内腔压力变化使弹簧管7的自由端产生角位移，通过拉杆4、齿轮传动机构6和8带动指针10偏移，在刻度盘9上指示出被测温度值。,1温包、2毛细管、3基座、4拉杆、5外壳、6扇形齿轮、7弹簧管、8齿轮轴、9刻度盘、10指针,.,重点：热电偶的基本定律应用、冷端温度补偿、热电偶的选型、安装。难点：冷端温度补偿、热电偶的选型。组成:由热电偶、连接导线和显示仪表（电位差计或动圈仪表）组成。优点：结构简单、制造方便、测量范围宽（271.152800）、热惯性小、精度高、适于远距离测量和便于自动控制等。,2.2.3热电偶温度计,.,2.2.3热电偶温度计,1.热电偶的测温原理,2.热电偶回路特性,3.热电极材料,4.热电偶的种类,5.热电偶的结构形式,6.热电偶的冷端温度补偿,7.热电偶的实用测温电路,8.热电偶的校验,.,1.热电偶的测温原理,参比端（冷端或自由端）,热电势,热电极A,热电极B,测量端（热端或工作端）,热电效应：把两种不同材料的金属导体（或半导体）A和B连接成闭合回路，若两个接点温度t与t0不相等，则回路中就会产生热电动势，这一现象称为热电效应。所产生的热电动势由温差电动势和接触电动势两部分组成。,.,（1）温差电动势：,tUA(t),t0UA(t0),UA(t,t0),tt0UA(t,t0)=UA(t)-UA(t0),1.热电偶的测温原理,一根匀质金属导体一端加热，另外一端保持原态，两端用电流表连接起来，有电流流过，说明导体两端产生一个电动势，原因：高温端电子能量大于低温端，自由电子运动。,温差电动势比接触电动势小的多，可以忽略不计,.,（2）接触电动势电子密度较大的导体A与电子密度比较小的导体B接触时，从A向B扩散的电子比从B向A扩散的电子数目多，A带+，B带-，形成电位差。,.,（3）热电偶回路的总电动势,当t0为一定时，,为常数C，则对确定的热电偶电极，其总电势只与温度t成单值函数关系,0时用实验方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同工作温度下所产生的热电动势，列成分度表，温度与热电动势之间的关系也可以用函数表示，称为参考函数,热电偶回路的热电动势仅是热电偶两端温度的函数差，而不是热电偶两端温度差的函数。,.,2.热电偶基本定律,（1）中间导体定律在热电偶回路中引入第三种导体C，只要第三种导体两端的温度相同（t0），则此第三种导体的引入不会影响热电偶回路的热电动势。,注意：热电偶自由端接仪表和连接导线时，要保证两个连接点的温度一致，不影响热电偶的输出,中间导体定律具有如下实用价值：,（1）为在热电偶回路中连接各种仪表、连接导线提供理论依据。只要保证接入时两端温度相同，就不影响热电动势。,.,中间导体定律具有如下实用价值：,（2）可以采用开路热电偶测量温度。电极A和电极B可以直接插入到金属表面进行测量，只要保证电极A和电极B插入位置的温度相等（或极为相近）,1显示仪表、2连接导线、3热电极A、4热电极B、5液态金属、6固态金属,.,（2）均质导体定律,由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和各处的温度如何分布，均不产生热电势。说明热电偶必须由不同性质的材料构成。,.,（3）中间温度定律,中间温度定律具有如下实用价值：,1）为在热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。2）为制定和使用热电偶分度表奠定了基础。,热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势EAB（t，t0）等于热电偶AB在接点温度为t，tc和tc、t0的热电势之和,.,例2-2用镍铬镍硅（K型）热电偶测量炉温，热电偶的冷端温度为40，测得的热电动势为35.72mV，问被测炉温为多少?,解：查K型热电偶分度表知E(40,0)=1.611mV测得：E(t,40)=35.72mV则：E(t,0)=E(t,40)+E(40,0)=(35.72+1.611)mV=37.33mV查分度表知t=900.1，则被测炉温为900.1。,.,（4）标准电极定律,实用价值：只要知道某两种金属导体分别与标准电极相配的分度表，就可以计算出这两种导体组成的热电偶的分度表。实际应用中一般选择易提纯，物理、化学性质稳定，复现性好、熔点较高的铂作为标准电极。,在接点温度均为t，t0时，用导体A、B组成的热电偶电动势等于由导体A、C组成的热电偶和由导体C、B组成的热电偶的热电势的代数和（C称为标准电极）,.,3.热电极材料,1）热电动势及热电动势率要大，保证足够的灵敏度。2）热电特性最好是线性或近似线性的单值函数关系。3）能在较宽的温度范围内使用，物理、化学性质要稳定。4）要有高的电导率、小的电阻温度系数及小的导热系数。5）复制性要好，即用同一种材料制成的热电偶其热电特性要一致，这样便于制作统一的分度表。6）材料组织要均匀，具有良好的韧性，焊接性能好，以便热电偶的制作。7）资源要丰富，价格低廉。,.,4.热电偶的种类标准化热电偶,1）铂铑10铂热电偶（S型）2）铂铑13铂热电偶（R型）3）铂铑30铂铑6热电偶（B型）4）镍铬镍硅热电偶（K型）5）镍铬硅镍硅热电偶（N型）6）镍铬康铜（E型）7）铁康铜（J型）8）铜康铜（T型）,.,5.热电偶的冷端温度补偿,（1）补偿导线法,补偿导线：在100以下的温度范围内，热电特性与所配热电偶相同且价格便宜的导线，称为补偿导线。补偿导线的作用：就是延长热电极，即将热电偶的冷端延伸到温度相对稳定区。补偿导线的型号：延伸型补偿导线用于廉金属热电偶；补偿型补偿导线用于贵金属热电偶和某些非标准热电偶。补偿导线使用注意事项,.,补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0-100）与热电偶的热电势相等或相近。不同型号的热电偶有不同的补偿导线。热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度。补偿导线有正、负极，需要分别于热电偶的正、负极连接。补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端的温度t0不等0时，还需要进行其他补偿与修正。,.,5.热电偶的冷端温度补偿,例2-3,用镍铬镍硅热电偶测量某一实际为1000的对象温度。所配用仪表在温度为20的控制室里，设热电偶冷端温度为50。当热电偶与仪表之间用补偿导线或普通铜导线连接时，测得温度各为多少?又与实际温度相差多少?,.,5.热电偶的冷端温度补偿,解：查K型热电偶分度表，得E(1000,0)=41.269mV，E(50,0)=2.022mV，E(20,0)=0.798mV。若用补偿导线，仪表测得热电动势值为E(1000,20)=E(1000,0)E(20,0)=40.471mV查分度表得对应的温度为979.6若用铜导线，仪表测得热电动势值为E(1000,50)=E(1000,0)E(50,0)=39.247mV查分度表得对应的温度为948.4两种方法测得的温度相差31.2，测量误差分别为20.4和51.6。,.,5.热电偶的冷端温度补偿,（2）计算校正法,1）准确计算校正法根据中间温度定律，对测得热电动势进行修正。适用于实验室中用直流电位差计来测温的情况。2）近似计算校正法K的取值：K型热电偶，在01000范围内，K1；S型热电偶，在8001300，K=0.60.5t冷端温度，t仪表的指示温度,.,5.热电偶的冷端温度补偿,例2-4,用分度号为S的铂铑10铂热电偶测炉温，其冷端温度为30，而直流电位差计测得的热电动势为9.481mV，试求被测温度。,.,5.热电偶的冷端温度补偿,例2-5,解：在l000左右，铂铑10铂热电偶的校正系数可近似取0.55，因此按式（2-9）可得炉温t为t=t+Ktc=(991+0.5530)=1007.5与例2-4相比可以看出，近似计算法仅比准确计算方法相差1。这说明此种方法在一些精度要求不高的现场是可以使用的。,用S型热电偶测炉温，其冷端温度为30，显示仪表的指示值为991，试求炉温。,.,5.热电偶的冷端温度补偿,（3）自由端恒温法,工业应用时，一般把补偿导线的末端（自由端）引导到某一恒温器中，维持某一恒定的温度。,1）冰浴法（保持0）2）恒温箱法3）恒温室法,.,5.热电偶的冷端温度补偿,（4）补偿电桥法,补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电动势变化。,.,5.热电偶的冷端温度补偿,（5）仪表机械零点调整法,用热电偶测温时，若t0=tn0，要使指示值不偏低，可先将显示仪表指针调整到相当于热电偶冷端温度tn的位置上。,应用于：一些精度要求不高、冷端温度不经常变化的情况下。,.,6.热电偶的结构形式,（1）装配式热电偶（2）铠装型热电偶（3）薄膜型热电偶（4）快速微型热电偶,铠装型热电偶可长达上百米,.,7.热电偶的实用测温电路,（1）工业用热电偶测温的基本线路（2）热电偶的串联,1）热电偶的正向串联,若将多支热电偶的测量端置于同一测量点上构成热电堆（如辐射温度计），测量微小温度变化或辐射能时，可大大提高灵敏度。,.,7.热电偶的实用测温电路,2）热电偶的反向串联,将两支同型号的热电偶反接起来，可以测量两点间的温差。注意：用这种差动电路测量温差时，两支热电偶的热电特性必须相同且成线性，否则会引起测量误差。,.,7.热电偶的实用测温电路,（3）热电偶的并联,三支同型号的热电偶的并联线路，此时输入到显示仪表的电动势值为：E=(E1+E2+E3)/3。,.,2.2.4热电阻及测温原理,1.热电阻,2.半导体热敏电阻,重点：标准化热电阻型号、选型，接线制。难点：接线制。,重点：热敏电阻的特性及分类。,.,1.热电阻,（1）热电阻的测温原理,当温度发生改变时，热电阻的阻值随之变化。通过变化的电阻值可间接地测得温度的变化量，这就是热电阻的测温原理。这种电阻随温度变化的特性可用如下三种方法表示：1）列表法（分度表）2）作图法（特性曲线）3）数学表示法,.,1.热电阻,（2）热电阻的结构,普通工业用铂电阻和铜电阻由电阻体、引出线、绝缘管、保护管和接线盒等组成。,1）电阻体（无感双绕法）,1外壳或绝缘片、2铂丝、3骨架、4引出线,.,（3）热电阻的结构,2）热电阻的引出线：,两线制。引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。三线制。可以较好地消除引线电阻的影响，测量准确度高于两线制，所以应用较广。四线制。精度高，但是麻烦。,.,（4）标准化热电阻,1）铂电阻,优点：铂是一种贵金属，具有准确度高、稳定性好、性能可靠以及抗氧化性很强。在259.3467961.78的温域内以铂电阻温度计作为标准仪器。缺点：铂电阻的电阻值与温度为非线性关系，电阻温度系数比较小，。工业用铂电阻温度计的使用范围：200850分度号：Pt10、Pt100,.,（4）标准化热电阻,2）铜电阻,优点：价格低廉，具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，具有较好的复制性，容易加工成绝缘的铜丝，铜的电阻值与温度的关系在测量范围内几乎是线性的。缺点：易氧化，氧化后即失去其线性关系。工业用铜电阻温度计的使用范围：50150分度号：Cu50、Cu100,.,（5）金属热电阻的特点（与热电偶比）,1）同样温度下输出信号大，易于测量；2)热电阻的阻值测量必须借助于外加电源（把电阻值变化转化为电压输出）；3）同类材料做成的热电阻不如热电偶测温上限高，但在低温区（p1时，右边管中液面下降，左边管中液面上升，一直到液面的高度差H产生的压力与被测差压平衡为止。根据流体静力学原理有如果将两管分别通大气压p0和被测压力pa，则测得压力为表压力。,3.2.1U形管压力计,.,3.2.2单管压力计,1.单管压力计的结构,单管压力计结构图,它是U型管压力计的一种变形。单管压力计把其中一个管用一个较大直径的杯来代替，也称杯型压力计。由于杯的直径与管的直径相差较大，所以杯中液面高度下降h2可忽略不计，因此在测量时只要读数一次就够了，减小了读数误差。,.,2.单管压力计的工作原理测表压时，被测压力通到杯子一侧，当被测压力大于大气压时，玻璃管内液面上升，而杯中液面下降，液面高度差H=h+h2，由于杯内下降与细管上升液体体积相同，即,则,由于，可忽略不计。所以,3.2.2单管压力计,.,3.2.3斜管压力计,1.斜管压力计的结构,斜管压力计结构图,它是单管式压力计的一种变形。将单管倾斜一个角度，这样可以加长液柱长度，提高压力计的灵敏度。斜管压力计常用于测量微小的压力和负压。,.,2.斜管压力计的原理根据单管压力计原理可知，当d2D2时。,从式可知，它的读数比单管式压力计扩大1/sin倍，使读数精度有所提高。显然，在用同一种工作液体，仪表刻度标尺也相同的情况下，管子的倾斜角度愈小，灵敏度越高，但实际使用时，不能小于15，这是因为太小使得液面拉得太长，反而难于准确读数，增加读数误差。由于酒精有较小的密度，常用它做斜管微压计的工作液体。,3.2.2单管压力计,.,3.2.4液柱式压力计的使用,（1）压力计在使用前，一定要放置水平，要保证管子处于严格的铅垂位置，未测量时工作液面应处于标尺零位，否则将产生安装误差。（2）在确定液面高度差H时，可采用各种提高读数精度的辅助装置，如放大尺、游标尺、光学读数系统等，减小读数误差。（3）由于毛细管的作用使管内液体呈弯月形，对于浸润液体（如水），液面呈凹月面，对于非浸润液体（如汞），液面呈凸月面。因此，读数时视线一定要与弯月面顶点相切。（4）当使用地点的环境温度与重力加速度有较大偏差时，应注意修正。,.,弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件受压后变形产生的弹性力与被测表压或真空度相平衡的原理制成的。弹性元件的形变大小是压力的函数，通过测量弹性元件的形变就可以间接得到被测压力的大小。,3.3弹性式压力计,.,3.3弹性式压力计,3.3.1弹性元件,3.3.2弹簧管压力计,重点：弹性元件结构、总类。难点：各弹性元件的量程比较。,重点：弹簧管压力计的原理、结构、工作过程。难点：弹簧管压力计的检定。,.,3.3.1弹性元件,弹性元件是弹性式压力计的测压敏感元件，是压力位移转换元件。不同的弹性元件所适用的测压范围有所不同，工业上常用的弹性元件有膜片、膜盒、波纹管和弹簧管，结构如下图所示：,.,1.膜片膜片是一种沿外缘固定的片状测压弹性元件，测量时，将压力或差压转换成膜片中心位移或集中力输出，传给传动机构及指示机构就地指示。膜片的位移较小，灵敏度低，更多的应用是与压力变送器配合使用。有时膜片也被用来隔离仪表和被测介质，以保护仪表。膜片按其结构特征分为平膜片、波纹膜片。,3.3.1弹性元件,.,2.膜盒为增加膜片的中心位移量，提高仪表的灵敏度，可以把两块膜片沿周边对焊起来，成一薄膜盒子，称为膜盒。其挠变为单个膜片的两倍，在测微压时要使位移量更大，灵敏度更高，还可以把数个膜盒串在一起组成膜盒串作为弹性敏感元件。,膜盒按其结构特征可分为开口膜盒、真空膜盒和填充膜盒。,3.3.1弹性元件,.,3.波纹管波纹管是一种具有等间距同轴环状波纹，能沿轴向伸缩的测压弹性元件，又称波纹箱。波纹管在受到外力作用时，其膜面产生的机械位移量主要不是靠膜面的弯曲形变，而是靠波纹柱面的舒展或压屈来带动膜面中心作用点的移动。由于位移相对较大，一般可直接带动传动机构、就地指示。灵敏度高，可以用来测量较低的压力或压差。但波纹管迟滞误差较大，准确度最高仅为1.5级。,3.3.1弹性元件,.,4.弹簧管弹簧管是一根弯成270圆弧的空心金属管子，管子的截面呈扁圆形或椭圆形。管子封闭的一端（B）为自由端，即位移输出端，管子另一端（A）开口，并被固定在接头上，作为被测压力的输入端。,当被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的内腔时，椭圆或扁圆截面在被测压力p的作用下将趋向圆形。由于弹簧管长度一定，迫使弹簧管产生向外挺直的扩张变形，结果改变弹簧管的中心角，使其自由端产生位移。,3.3.1弹性元件,.,3.3.2弹簧管压力计,1.单圈弹簧管压力计结构弹簧管压力计主要由弹簧管、齿轮传动机构、指示机构以及表壳等几个部分组成。,1表壳、2弹簧管、3指针、4上夹板、5拉杆、6刻度盘、7接头、8示值调节螺钉、9扇形齿轮、10中心齿轮、11游丝、12下夹板、13固定游丝螺钉,.,3.3.2弹簧管压力计,2.多圈弹簧管压力计单圈弹簧管压力计由于自由端的位移和转动力矩小，只能作指示式仪表用，而在工业生产的压力测量中，往往还需要记录压力在某段时间的变化情况，因此需要使用压力记录仪，为了能带动记录机构的运动，就需要弹簧管自由端有较大位移和转动力矩，在设计时可以将单圈弹簧管改为多圈式的。多圈弹簧管也叫螺线管压力表，弹簧管的圈数一般有2.5圈至9圈，根据需要而定，管端的转角一般在54左右。,.,3.3.2弹簧管压力计,3.弹簧管压力表的检定弹簧管压力表在使用过程中要定期进行检定，确定其精度等级。压力表精度等级不同，对检定环境温度有严格要求。,检定各级压力表时环境温度要求,.,3.3.2弹簧管压力计,3.弹簧管压力表的检定压力表在检定过程中压力表指针的转动应在全量程范围内平稳无跳动或卡住现象。首先根据其量程范围确定检定点，这些点应均匀分布在整个分度盘上，对于精密压力表检定点不应少于8个，一般压力表不应少于5个。检定时逐渐增加压力或疏空，当示值达到测量上限后，须耐压3min，然后按原检定点倒序回检，检定时，每个检定点要进行两次读数，第一次在轻敲表壳前进行，第二次在轻敲表壳后进行。,.,3.3.2弹簧管压力计,3.弹簧管压力表的检定压力表检定要计算的误差有：（1）示值误差对每一检定点，在升压和降压检定时，轻敲表壳前、后的示值与标准值之差。（2）回程误差对同一检定点，在升压和降压时，轻敲表壳后的示值之差。（3）轻敲位移对每一检定点，在升压和降压检定时，轻敲表壳后引起的指针示值变动量。,.,电气式压力传感器是利用压力敏感元件将被测压力转换成各种电量，如电阻、频率、电荷量等来实现测量的。电气式压力计测量范围大，线性好，便于进行压力的连续测量及远传，实现自动控制，尤其适合于压力变化快和高真空、超高压的测量。,3.4电气式压力传感器,.,3.4电气式压力传感器,3.4.1应变式压力传感器,重点：应变效应、压阻效应、应变式压力传感器组成。难点：力-应变型弹性元件及应变片粘贴。,3.4.2压电式压力传感器,重点：压电效应、压电式压力传感器原理、结构。难点：压电材料特性、压电式压力传感器使用。,.,3.4.1应变式压力传感器,应变式压力计的工作原理是，被测压力引起弹性元件应变，通过粘贴在弹性元件上电阻应变片将应变转换为电阻值的变化，最后通过测量电路把电阻值的变化转换成电压或电流的变化。应变式压力计的核心敏感元件是电阻应变片，电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两种。,.,3.4.1应变式压力传感器,1.应变效应和压阻效应金属电阻丝在外力作用下发生机械变形，从而引起电阻值发生变化的现象称为应变效应。半导体电阻体材料在受到外力作用后，其晶格间距发生变化，从而使电阻率发生变化，压力也随之变化的现象称为压阻效应。,.,3.4.1应变式压力传感器,2.应变片的结构金属电阻应变片,栅丝式应变片结构,常用的金属电阻应变片有栅丝式、箔式和薄膜式等种类。结构如图，一般由敏感栅（金属丝或箔）、绝缘基底、覆盖层或保护膜、引出线等部分组成。,1引出线、2覆盖面、3基层、4电阻丝,.,3.4.1应变式压力传感器,2.应变片的结构半导体应变片,体型半导体应变片结构,半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓、砷化镓等，硅和锗由于压阻效应大，故多作为压阻式压力计的半导体材料。半导体应变片按结构可分为体型应变片、扩散型应变片和薄膜型应变片。,1硅条、2内引线、3基底、4电极、5外引线,.,3.电阻应变式压力传感器的组成,应变片的粘贴方法：一种是将应变片直接粘贴于压力位移型弹性元件的应变处（平膜片）。另一种是粘贴在力应变型弹性元件表面，通过压力位移弹性元件实现压力力的变换，再通过力应变型弹性元件实现力应变电阻值的转换。,3.4.1应变式压力传感器,.,1）力应变型弹性元件柱形弹性元件:,3.4.1应变式压力传感器,柱形弹性元件,此类弹性元件由于应变很小，测力量程较大，尤其是实心圆柱在径向尺寸较大时，测力上限可达数千吨，常作为荷重式压力传感器的敏感元件。,.,1）力应变型弹性元件悬臂梁:悬臂梁是一端固定、一端自由的测力弹性元件。其特点是结构简单，加工方便，其输出可以是应变，也可是挠度。它灵敏度比圆柱高，适于较小力的测量。根据截面形状，可分为等截面悬臂梁和变截面等强度悬臂梁两种。,梁形弹性元件,3.4.1应变式压力传感器,.,1）力应变型弹性元件薄壁环:,3.4.1应变式压力传感器,弹性元件为等截面圆环。薄壁环灵敏度高，用于测量较小的力，但加工困难，且在力F作用下，环的各部位应变不相等。,薄壁环弹性元件,.,2）桥式测量转换电路电桥的一个对角线结点接入电源电压Ui，另一个对角线结点为输出电压Uo。为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择4个桥臂电阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3，这就是电桥平衡的条件。,3.4.1应变式压力传感器,测量电路,.,2）桥式测量转换电路当每个桥臂电阻变化值Ri0即液位H为0时，差压变送器仍有一个固定输入差pgh，差压变送器在液位为零时会有一个相当大的输出值，为保持差压变送器的零点（输出下线）与液位零点的一致，要对差压变送器进行零点正迁移。,.,3.负迁移如图所示的液位测量系统，气相导压管中充满的不是气体而是冷凝水（其密度与容器中的水的密度近似相等）。这时，差压变送器差压输入为,4.3.4静压式液位计的零点迁移,pp1p2g(HH0)H=0时，p=gH0200mm，直管段较长及差压值较大的情况下。,5.2.2节流装置,1环室取压，2单独钻孔取压,.,5.2.2节流装置,（2）法兰取压：上、下游侧取压孔开在固定节流元件的法兰上，分别与节流元件前、后端面距离1吋（=25.4mm。适用于标准孔板。此法的法兰加工方便，管径较大