宋彤《过程检测技术及仪表》检测技术小结

检测技术与仪表课程小结,第1章,1.知识要点1.1检测技术与检测仪表检测过程:能量转换+与标准单位比较检测系统的构成(方框图)。1.2检测仪表的基本性能概念及描述式准确度与精度等级仪表的准确度通常用仪表满刻度相对百分误差略去百分号来表示，也称精度或精确度。精度等级的数值越小，仪表的准确度越高，或者说仪表的测量误差越小。,灵敏度S检测仪表对被测量变化的灵敏程度，即在被测量改变时，经过足够时间检测仪表输出值达到稳定状态后，仪表输出变化量匀与引起此变化的输人变化量酝之比;回差(变差)反映检测仪表对于同一被测量在其上升和下降时对应输出值之间的差值。线性度衡量检测仪表实际输入一输出特性偏离线性的程度，用非线性误差来表示，它是实际值与理论值之间的绝对误差的最大值.,1.3测量误差的理论基础（1）误差定义、分类及产生原因误差分类（表示法）：绝对误差、相对误差、相对百分误差、最大相对百分误差等系统误差、随机误差和粗大误差。,系统误差在同一条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，所出现的误差在数值和符号上都相同，或者按一定规律变化的误差称为系统误差，前者称为恒值系统误差，后者称为变值系统误差。产生系统误差的主要原因测量原理或测量方法的不完善、标准量值的不准确、仪表本身的缺陷及环境条件的变化等。系统误差是可以通过修正来补偿，但不能完全排除。,随机误差在同一测量条件下，多次重复测量同一被测量时，其误差绝对值和符号以不可预定的随机性的方式变化，此误差称为随机误差。随机误差的产生可能是由于人们尚未认识的原因，或目前尚无法控制的某些因素（如电子线路中的噪声）的影响，即偶然因素所引起的。随机误差不能通过修正方式消除，只能利用统计方式估计。最大随机误差:3,粗大误差超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差。此误差值较大，明显表现为测量结果异常。产生原因：测量时读错、记错仪表指示值，仪表操作失误，测量数据计算错误等。含粗大误差的测量结果毫无意义，应该剔除。,（2）系统误差的合成考虑测量模型Xi为被测参数或外界影响因素。当函数关系明确，各个影响量的测量误差xi已知，则待测量y的总误差y为，,第2章检测技术与检测元件,2.1各种元件的工作原理及特点知识要点（1）机械式检测元件机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号（如位移、振动频率、转角等），主要有弹性式检测元件和振动式检测元件。,（2）电阻式检测元件电阻式检测元件的基本原理是将被测物理量转换成元件的电阻值的变化。常用的检测元件有电阻应变元件、热电阻等。应变式检测元件（电阻应变片）电阻应变片是基于“应变效应”工作的，即导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形，引起其电阻值的改变。热电阻式检测元件物质的电阻率随温度的变化而变化的特性称为热电阻效应，利用热电阻效应制成的检测元件称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。,金属热电阻常用的金属热电阻有铂电阻和铜电阻等。a.铂电阻铂电阻有很好的化学稳定性，且复现性好，可作为基准电阻和标准热电阻，温度测量范围为-200850。b.铜电阻铜电阻具有电阻温度系数大，易加工，线性好等优点。但易被氧化，测量范围一般为-50150。,热敏电阻热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热敏元件。种类：负温度系数（NTC）热敏电阻、正温度系数(PTC）热敏电阻、临界温度（CTR）热敏电阻三种。热敏电阻的电阻值高，且电阻温度系数大，化学稳定性好，测温范围在-100300之间。,（3）电容式检测元件电容式检测元件实际上是一种可变电容器，它能将被测量的变化转换为电容量的变化。变极距式电容器变面积式电容器变介电常数式电容器利用电容式检测元件可测量压力、差压、物位等参数。在构成检测仪表时要注意温度和寄生电容等的影响，并采取必要的补偿和抗干扰措施，以提高测量准确度。,（4）热电式检测元件热电偶检测元件热电偶的热电势主要由接触电势产生，所以闭合回路的总电势可表示为,热电偶基本定律，均质导体定律热电势与导体的几何尺寸、接点以外处的温度无关。中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相同，则该导体的接入不会改变原热电偶回路的总电势。中间温度定律设在热电偶两接点A、B间有一点C，则存在,热电偶回路电势同时与两点温度T,T0有关，所以在使用时T0必须保持恒定或进行补偿，使得热电势只与被测温度有关。晶体管温度检测元件晶体二极管的PN结正向电压Ud和晶体三极管的基极、发射极间的电压Ube与温度T有关，利用这个原理可制成晶体管温度检测元件。,(5)压电式检测元件某些材料在沿一定方向受外力作用时，在特定两个相对表面上产生符号相反，数值相等的电荷现象称为正压电效应。电荷量与所受作用力成正比。压电式检测元件就是基于压电效应利用压电材料作为敏感元件来实现参数测量的。,(6)光电式检测元件光电效应分为外光电效应和内光电效应。外光电效应在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。内光电效应物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，从而导致物体的电阻率发生变化或产生电动势的现象称为内光电效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。,（7）霍尔检测元件霍尔检测元件是一种基于霍尔效应的检测元件，它可将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成霍尔电压。（8）核辐射式检测元件核辐射式检测元件是利用被测物质对射线的吸收、散射、反射或射线对被测物质的电离作用而工作的，当射线通过物质时，因能量被吸收其强度逐渐减弱，通过厚度为x的物质后的辐射强度I可表示：,2.2检测仪表的信号变换（1）常见信号变换方式信号变换按结构形式来分主要有简单直接式变换、差动式变换、参比式变换和平衡（反馈）式变换。简单直接式变换,简单直接式的特点简单直接式变换仪表是一种开环式仪表，结构简单，工作可靠，但仪表的准确度较低，信息能量传递效率较低。,差动式变换差动式变换是采用两个转换元件同时感受敏感元件的输出量，并把它转换成两个性质相同，但沿反方向变化的物理量（一般为电学量），如右上图所示。通过转换电路进行差动放大。右下图是两个典型的应用实例。差动式变换特点：有效输出信号提高一倍，信噪比得到改善；非线性误差减小；易于实现初始状态（“零”输人）的零输出；能消除部分环境因素的影响。,参比式变换参比式变换中采用两个性能完全相同的检测元件，它们同时感受环境条件量，但只有一个感受被测量。采用参比式变换可以较好地消除干扰来源明确的环境条件量的影响。,平衡（反馈）式变换,变换环节的信号输人、输出关系可近似为反馈系数的倒数。当反馈系数比较稳定时，整个变换环节就可以达到比较高的准确度。根据平衡时比较器的输入信号xi和xf之间是否有差值，有无差随动式变换和有差随动式变换之分。,（2）检测仪表中常见的信号变换方法位移与电信号的变换常用的转换元件如下。.霍尔元件:将霍尔元件置于非匀强磁场中（一般为线性的），并与敏感元件自由端（产生位移端）相连。当敏感元件的自由端产生位移，并带动霍尔元件时，由于霍尔元件所受磁场强度的变化而改变霍尔电势。.电容器:电容器由固定极板和动极板组成，当动极板随敏感元件自由端变化时，电容器的电容量随之而变，从而把位移转换成电容量。.差动变压器:将敏感元件自由端与位于差动变压器骨架中间的铁芯相连，敏感元件自由端（也就是铁芯）的位移变化改变变压器的互感系数，使变压器副边线圈的感应电动势发生变化。,电阻与电压的变换电阻是一种很常见的敏感元件，电阻与电压的变换较多地采用电桥.,根据初始状态下各桥臂的阻值是否相等，不平衡电桥分等臂电桥和不等臂电桥。根据桥臂的工作方式则有单臂工作、双臂工作和四臂工作方式。,电容与电压的变换把电容量转换成电压信号主要有四种方式。.桥式电路.脉宽调制电路.运算放大器电路.谐振电路电压一电流的变换,第三章参数检测仪表,1温度检测仪表1.1知识要点温标热电偶8种热电偶（主要：K、E、S）测温范围、补偿导线应用、冷端温度补偿、热电阻金属热电阻：铂电阻、铜铜电阻半导体热敏电阻测温范围、接线方式、温度系数,1.2例题分析习题1如图所示的热电偶回路，只将电极B一根丝插入冷筒中作为冷端，t为待测温度，问C这段导线应采用哪种导线（是A、B还是铜线）？说明原因。对t1和t2有什么要求？为什么？,解答：这段导线应用A导线代替，并且要求t1=t2因为这相当于由A和B两种材料组成的热电回路，t为热端，0是冷端，加入第三根导线是铜线，在接点处温度t1=t2时测量回路电势不变，仍为EAB(t,0）。这就是热电偶的中间导体定律。,题2用分度号为K的镍铬一镍硅热电偶测量温度，在没有采取冷端温度补偿的情况下，显示仪表指示值为500，而这时冷端温度为60。试问实际温度应为多少？如果热端温度不变，设法使冷端温度保持在20，此时显示仪表的指示值应为多少？解显示仪表指示值为500时，查表可得此时显示仪表的实际输入电势为20.644mV,由于这个电势是由热电偶产生的，即,同样，查表可得,则,2.压力检测仪表2.1知识要点弹性式压力检测仪表常见的弹性式压力表有弹簧管压力表、波纹管压力表、膜盒（片）压力表等，其中弹簧管压力表是最常用的一种指示式压力检测仪表。电容式差压变送器应变式压力传感器、压阻式压力传感器（将所感受的应力转换成电阻的变化）基于应变效应压电式压力传感器（压电元件为敏感元件，将所感受的作用力转换成压电元件的表面电荷）基于压电效应,压力检测仪表的使用（1）压力检测仪表的选用其中在量程选择时，一般应使工作压力在仪表满量程的1/32/3范围内；在准确度等级选择时，应满足仪表的基本误差小于实际被测压力允许的最大绝对误差。（2）压力检测仪表的应用在压力检测仪表使用时应注意取压口位置的选取；引压管路的设计和敷设。对于特殊介质（如腐蚀介质、易结块或颗粒性易堵介质和两相流介质）还需采取特殊的方式以保证压力的传递和压力的准确测量。当压力表与被测对象不在同一水平面上时，必须考虑由于压力表到被测对象间液柱高度引起的附加压力，并进行相应的修正。,2.2例题分析若被测压力变化范围为0.51.4MPa，要求测量误差不大于压力示值的士5。可供选择的压力表规格有量程为01.6MPa、02.5MPa、04MPa，精度等级为1.0级、1.5级、2.5级三种。试选择合适量程和精度的压力表。解:考虑选择量程为02.5MPa的压力表根据要求：所以选测量范围为02.5MP，精度为1.0级,3.物位检测仪表3.1知识要点物位包括液位（液体介质液面的高低）、界面（两种液体介质的分界面）和料位（块状、颗粒状物质的堆积高度）三类，相应的检测仪表称为液位计、界面计和料位计，统称为物位计。物位测量有连续测量和定点测量两种，前者能连续测出物位的任何高度，后者只能给出物位是否到达某一个高度。,(1)静压式液位计差压计是液位计的重要组成部分，根据流体静力学原理，差压计所感受的差压与液位高度有如下关系，即,特别注意：如果差压计的安装位置不在液位零面水平线上应考虑应用零点迁移。迁移量：当H=0时，差压计感受的差压值。迁移方向：根据H=0时差压计所感受差压值的正负，迁移有正迁移和负迁移。,(2)浮力式液位计浮力式液位计有恒浮力式和变浮力式两种：恒浮力式液位计采用漂浮于液面上的浮子，由浮子带动其他显示装置指示液面的高低；变浮力式液位计利用沉浸在被测液体中的浮筒所受的浮力与液面的位置有关检测液位。,特点：变浮式液位计能测量液位、界位，测量精度较高。测量值易受介质密度的影响；由于浮筒不可能做得很长，液位测量范围比较有限；这种液位计的维护比较麻烦。,(3)电容式物位计物位变化改变平均介电常数从而改变电容量。通过对电容量的测量获取物位信息。能测量液位、界位和料位。注意对于导电解质物位测量的问题。,(4)超声波物位计利用超声波在物位界面的反射特性，通过测出超声探头从发出声波到接收到反射声波t时间求得物位。超声波物位计可以测量液位，也可以测量料位。超声波传播速度般与介质和温度有关，所以在测量时必须对声速变化的影响进行补偿。补偿方法。温度补偿法测出被测介质的温度，根据已知的声速与温度之间的关系自动补偿。设置校正具法先通过安装在介质内固定距离的一组探头测出声波在介质中的速度，进而用测量探头得到物位。,(5)射线式物位计射线穿过厚度为H的介质，由于部分能量被吸收，所穿透的射线强度随着所通过的介质厚度的增加而减弱，射线式物位计可以实现非接触式测量，特别是用于极低温、高温、高压容器的高粘度、高腐蚀性、易燃、易爆等特殊测量对象（介质）的物位检测。,例题分析根据已学的知识分析下列情况的物位测量，可采用哪些物位检测仪表普通容器的液位测量；粘性大、易结晶介质的液位测量；粉末状固体颗粒的料位测量；强腐蚀、有害有毒介质的液位测量。,4.流量仪表4.1知识要点流量是指单位时间内流体流经管道某一截面的数量，也称瞬时流量。在某一段时间内流过的流体总和称为累积流量。流体流过的量用体积表示的称为体积流量，用质量表示的称为质量流量。,(1)节流式流量计节流式流量计由节流装置（节流元件及取压装置）、差压变送器和显示仪表组成。常见的节流元件有孔板、文丘里管和喷嘴等检测原理由流体力学原理可知，流体流过节流元件时，在节流元件前后要产生一定的差压，差压的大小与取压方式（位置）、节流件的形式和流量的大小等因素有关。对于孔板，流过节流元件的流量与节流元件前后的差压有如下关系，即,节流式流量计是目前应用最广泛的一种流量计，可测气体、液体和蒸汽等各种流体的流量。主要缺点是阻力损失较大，可测的最大流量与最小流量之比（量程比）较小，一般只有3:1密度标定,(2)转子流量计常用的转子流量计是利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作的。转子流量计属于恒压差、变节流面积式流量计。被测流量与浮子的高度之间有如下关系,换算公式为改变量程改变转子材料（密度）。,转子流量计主要用于中小管径流量的测量，可以是直读式，也可以是电远传式,（3）涡街流量计工作原理是，流体流经一非流线型的物体时，在它的下游两侧就会交替出现旋涡，旋涡的频率f与柱体附近的流体流速v成正比，即,测出旋涡的频率就可以得到流体的流速，从而测得体积流量。涡街流量计可以测量气体、液体及蒸汽的流量，适用范围较广，量程比也较宽。,（4）电磁流量计根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的Ex=BDv感应电动势的大小直接反映了流量的大小。电磁流量计无可动或侵入部件，对流体几乎无压力损失，被测流体可以是含有颗粒、悬浮物等，量程比较宽。但是，电磁流量计不能用于气体、蒸汽及非导电的液体介质的流量侧量。,（5）容积式流量计是一种直接式流量测量方法，它是让被测流体充满具有一定容积的空间，然后再把这部分流体从出口排出，根据单位时间或一定时间内排出的流体体积得到相应的瞬时流量和累计流量。容积式流量计的测量准确度一般较高，但在测小流量时因泄漏而使测量误差较大，大流量时则压力损失较大，并随流体粘度的增加而加大。代表流量计椭圆齿轮流量计测量高粘度清洁流体。动能来自流体。,（6）质量流量计有间接法和直接法两种：间接法是通过体积流量与流体的密度的组合测得到的；直接法中有基于科氏力质量流量计和热式质量流量计等。科氏力质量流量计的测量准确度较高，主要用于粘度和密度相对较大的流体的流量测量。,5成分分析仪表5.1氧化锆氧量分析仪知识要点氧化锆测氧遵循的是固体电解质浓差电池的原理，高温下，氧化锆材料成可使氧离子顺利通过的固体电解质。如果电极两侧气体的氧含量（分压）不一样，则会产生电动势E称为氧浓差电动势。电动势的大小由下式确定。,测量条件恒定高温，600850测量时需要有浓度一定的参比气体，常用空气作为参比气体。测量时保证测量侧与参比侧总压相等且要保证被侧气体与参比气体均具有一定的流速。当参比气体用空气时，由于空气中的氧含量约为20.9，根据道尔顿分压定律有由式看出，氧浓差电势不仅与氧含量有关，也与探头所处的温度有关。,5.2热导式气体分析仪测量原理：利用混合气体的总热导率随被测组分的含量而变化的特性样品条件：被测混合气体待测组分的热导率与其他气体的热导率有较大差别，其他组分的热导率近似相等，关系式特点：简单、稳定、使用方便主要用于测量H2，SO2，CO2等气体的含量。,5.3红外式气体分析仪测量原理：主要利用了不同气体对红外线的波长有选择的可吸收性和热效应两个特点。主要包括：测量气室及参比气室和滤波气室，检测器其中参比气室主要作用为补偿光源波动等环境因素的影响。滤波气室的作用是消除混合气体中某些组分对红外线的吸收光谱与待测组分的相同或相近引起的干扰，保证测量结果不因其他组分的存在而改变。检测器采用薄膜电容器结构，它能把接收到的红外线强度转换成电容的大小，并进一步转变为电信号输出。,特点：灵敏度和准确度都较高，反应速度较快，主要用于测量CO，CO2，CH4，C2H2，C2H4，C2H6等气体的含量。,5.4色谱仪特点：色谱仪能鉴定气体或液体样品中是由哪些组分组成，并能测出样品中各组分的含量。色谱法的关键是混合物的分离，这是一种物理化学过程，由色谱柱来完成。色谱柱中的固定相对样品中的各组分具有不同的吸收或溶解能力，从而使各组分在沿色谱柱的流动中得到分离，并按照先后顺序流出色谱柱。检测器(热导仪、氢火焰）检测到某个组分流入时，将输出一个对应于该组分浓度（质量）大小的电信号，形成色谱图。色谱图分辨力,根据各组分在色谱图中出现的时间及峰值的大小可确定混合物的组成及各组分的浓度。定性分析方法：滞留时间法，加入纯物质法。定量分析：定量进样法面积归一化法工业色谱仪中一般配有若干根不同的色谱柱，以实现对各种组分的分离。改变色谱柱的工作温度也能改变各种组分的分离效果。,6.显示仪表在科学研究和生产过程中，为了使人们对所研究的对象有所了解，必须对过程进行检测并将信息显示出来，显示仪表就起到了人机联系的桥梁作用。从显示方式上看，可以分为模拟式显示、数字式显示、图形显示以及声、光报警等。6.1模拟式显示仪表以指针或记录笔的偏转角或位移量来显示被