第三章检测仪表与传感器

1、第三章第三章 检测仪表与传感器检测仪表与传感器 返回首页返回首页n 学习目标学习目标 ：能用性能：能用性能指标评价仪表的好坏，指标评价仪表的好坏，掌握仪表校验数据的掌握仪表校验数据的处理方法；掌握四大处理方法；掌握四大热工变量的测量方法热工变量的测量方法和相应检测仪表的测和相应检测仪表的测量原理及组成；掌握量原理及组成；掌握检测仪表的外特性及检测仪表的外特性及使用方法；了解各种使用方法；了解各种新型检测仪表。新型检测仪表。n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 压力检测及仪表压力检测及仪表n第三节第三节 流量检测及仪表流量检测及仪表n第四节第四节 物位检测及仪表物位检测及仪表n第五节第五节 温

2、度检测及仪表温度检测及仪表第一节第一节 概述概述n一、测量过程与测量误差一、测量过程与测量误差 n1 1、测量过程、测量过程n 在生产过程中，变量的测量方法很多。但在生产过程中，变量的测量方法很多。但从测量过程的实质来看，不论哪一种测量仪表，从测量过程的实质来看，不论哪一种测量仪表，被测变量都需经过一次或多次信号能量形式的被测变量都需经过一次或多次信号能量形式的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，通过指针位移或数字的形式显示出来。所以各通过指针位移或数字的形式显示出来。所以各种检测仪表的测量过程，实质上就是被测变量种检测仪表的测量过程，实质上就是

3、被测变量信号能量的不断变换和传递，并将它与相应的信号能量的不断变换和传递，并将它与相应的测量单位进行比较的过程。而检测仪表就是实测量单位进行比较的过程。而检测仪表就是实现这种比较的工具。现这种比较的工具。n例如玻璃管温度计；例如玻璃管温度计；n而温度控制中各种中、高温温度的测量，而温度控制中各种中、高温温度的测量，常利用热电偶的热电效应，把被测温度常利用热电偶的热电效应，把被测温度（热能）转换成直流毫伏信号（电能），（热能）转换成直流毫伏信号（电能），然后变为毫伏检测仪表上的指针位移，然后变为毫伏检测仪表上的指针位移，并与温度标尺相比较而显示出被测温度并与温度标尺相比较而显示出被测温度的数值。

4、的数值。 （二）测量误差（二）测量误差n 测量的目的是希望获得被测变量的测量的目的是希望获得被测变量的“真实值真实值”。但是无论怎样努力（包括。但是无论怎样努力（包括从原理、测量方法和仪表精度等方面），从原理、测量方法和仪表精度等方面），都只能是尽量接近却无法测得都只能是尽量接近却无法测得“真实真实值值”。也就是说，测量值与真实值之间。也就是说，测量值与真实值之间始终存在着一定的差值。这个差值就是始终存在着一定的差值。这个差值就是测量误差。测量误差。n测量误差有多种分类方法：测量误差有多种分类方法：n1 1按误差出现的规律来分按误差出现的规律来分 可分为系统误差、可分为系统误差、过失误差和随机

5、误差三类。过失误差和随机误差三类。n（1 1）系统误差（又叫规律误差）系统误差（又叫规律误差） 即大小和即大小和方向均不改变的误差。产生这种误差的原因，方向均不改变的误差。产生这种误差的原因，主要是仪表本身的缺陷、观测者的习惯或偏主要是仪表本身的缺陷、观测者的习惯或偏向、单因素环境条件的变化等。这种误差在向、单因素环境条件的变化等。这种误差在测量中是容易消除和修正的，因为它有规律。测量中是容易消除和修正的，因为它有规律。n （2 2）过失误差（又叫疏忽误差）过失误差（又叫疏忽误差） 过失误过失误差是由于测量者在测量过程中疏忽大意造差是由于测量者在测量过程中疏忽大意造成的。比较容易被发现，可以避

6、免。成的。比较容易被发现，可以避免。n （3 3）随机误差（又叫偶然误差）随机误差（又叫偶然误差） 就是在就是在同样条件下反复测量多次，每次结果均不同样条件下反复测量多次，每次结果均不重复的误差。这种误差是由偶然性因素引重复的误差。这种误差是由偶然性因素引起的，不易被发觉和修正。起的，不易被发觉和修正。n 系统误差和过失误差是可以避免也系统误差和过失误差是可以避免也是必须避免的，而随机误差则由于测试是必须避免的，而随机误差则由于测试手段本身精确度的限制以及各种不可控手段本身精确度的限制以及各种不可控制的偶然性因素的影响，是一种不可避制的偶然性因素的影响，是一种不可避免的误差，但却具有一定的分布

7、规律，免的误差，但却具有一定的分布规律，可用数理统计的方法进行识别。可用数理统计的方法进行识别。n2 2按误差的表示方式分按误差的表示方式分 可分为绝对误差、可分为绝对误差、相对误差和引用误差。相对误差和引用误差。n （1 1）绝对误差）绝对误差 为仪表指示值为仪表指示值x xi i与被测量与被测量真值真值x xt t之间的差值。但由于真值无法获得，之间的差值。但由于真值无法获得，所以常用精度较高的标准表的测量值所以常用精度较高的标准表的测量值x x0 0代替。代替。它是以被测量单位表示的误差，可表示为：它是以被测量单位表示的误差，可表示为：n e ex xi ix xt txxi i0 0

8、（3-13-1）n 显然，绝对误差只能表示指示值误差的显然，绝对误差只能表示指示值误差的大小，而无法表示测量结果的可信程度，也大小，而无法表示测量结果的可信程度，也不能用来衡量不同量程同类仪表的准确度。不能用来衡量不同量程同类仪表的准确度。n（2 2）相对误差）相对误差 为仪表指示值的绝对误差为仪表指示值的绝对误差与标准表读数之比，用符号与标准表读数之比，用符号E E表示。表示。nE=e/ xE=e/ x0 0 （3-23-2）n它是一个无量纲值，表示仪表在它是一个无量纲值，表示仪表在x x0 0处的相对处的相对误差。相对误差比绝对误差更能说明测量结误差。相对误差比绝对误差更能说明测量结果的准

9、确程度。但是仅凭绝对误差和相对误果的准确程度。但是仅凭绝对误差和相对误差来评价一台仪表的准确与否还是不够的。差来评价一台仪表的准确与否还是不够的。 n 因为仪表的测量范围各不相同，即使有因为仪表的测量范围各不相同，即使有相同的绝对误差，也不能说两块仪表一样准相同的绝对误差，也不能说两块仪表一样准确。在仪表测量范围内各点绝对误差也不相确。在仪表测量范围内各点绝对误差也不相同，相对误差也不是一个定值，它们将随被同，相对误差也不是一个定值，它们将随被测量值的大小而改变。特别是当测量值趋于测量值的大小而改变。特别是当测量值趋于零时，相对误差在理论上将趋于无穷大。所零时，相对误差在理论上将趋于无穷大。所

10、以亦无法用相对误差来衡量仪表的准确程度。以亦无法用相对误差来衡量仪表的准确程度。所以，工业上常用仪表的所以，工业上常用仪表的“引用误差引用误差”来表来表示其测量的准确程度。示其测量的准确程度。 n（3 3）引用误差）引用误差 也叫相对百分误差，是仪也叫相对百分误差，是仪表指示值的绝对误差与仪表量程之比的百分表指示值的绝对误差与仪表量程之比的百分数，可表示为：数，可表示为：n （3-33-3）n式中式中 e e仪表的绝对误差；仪表的绝对误差；n E E引引仪表的引用误差；仪表的引用误差；n R RS S仪表的量程（仪表的量程（R RS S= x= xmaxmaxx xmin min ）。）。n

11、其中，其中，x xmaxmax与与x xminmin是仪表量程的上限是仪表量程的上限值与下限值。例如，一温度计的测量范值与下限值。例如，一温度计的测量范围为（围为（-50-50250250），则其量程为，则其量程为300300。对于测量下限为零的仪表，其。对于测量下限为零的仪表，其量程就是测量范围的上限值，普通压力量程就是测量范围的上限值，普通压力表就是如此。表就是如此。 n 3 3按误差的测试条件分按误差的测试条件分 可分为基本误差可分为基本误差和附加误差。和附加误差。n （1 1）基本误差）基本误差 是仪表在规定的正常条件是仪表在规定的正常条件（如温度、湿度、振动、电源电压、频率等）（如温

12、度、湿度、振动、电源电压、频率等）下工作时，仪表本身所具有的误差。下工作时，仪表本身所具有的误差。n （2 2）附加误差）附加误差 为仪表在偏离规定的正常为仪表在偏离规定的正常工作条件下使用时附加产生的误差。此时仪工作条件下使用时附加产生的误差。此时仪表的实际误差等于基本误差与附加误差之和。表的实际误差等于基本误差与附加误差之和。n由于仪表在工作条件改变时会产生附加误差，由于仪表在工作条件改变时会产生附加误差，所以使用时，应尽量满足仪表规定的工作条所以使用时，应尽量满足仪表规定的工作条件。件。二、检测仪表的基本知识二、检测仪表的基本知识n（一）检测仪表的分类（一）检测仪表的分类n 检测仪表是实

13、现变量检测的工具。检测仪表是实现变量检测的工具。它有多种分类方法。它有多种分类方法。n1 1根据敏感元件与被测介质是否接触根据敏感元件与被测介质是否接触 可分为接触式检测仪表和非接触式检测可分为接触式检测仪表和非接触式检测仪表。仪表。 n2 2按精度等级及使用场合的不同按精度等级及使用场合的不同 可分为可分为标准仪表、范型仪表及实用仪表，分别用于标准仪表、范型仪表及实用仪表，分别用于标定室、实验室和现场。标定室、实验室和现场。n3 3按被测变量分类按被测变量分类 可分为压力检测仪表、可分为压力检测仪表、物位检测仪表、流量检量仪表、温度检测仪物位检测仪表、流量检量仪表、温度检测仪表、成分分析仪表

14、等。本章我们就按这种分表、成分分析仪表等。本章我们就按这种分类方法将内容展开。类方法将内容展开。 （二）检测仪表的品质指标（二）检测仪表的品质指标n 仪表的品质指标是评价仪表质量优仪表的品质指标是评价仪表质量优劣的重要依据，也是正确选择和使用仪劣的重要依据，也是正确选择和使用仪表所必须具备的知识。工程上常用以下表所必须具备的知识。工程上常用以下指标来衡量。指标来衡量。 1 1精确度（准确度）精确度（准确度）n 仪表的精确度简称精度，是表示测仪表的精确度简称精度，是表示测量结果与真值一致的程度。量结果与真值一致的程度。n 仪表的精度，是仪表最大引用误差仪表的精度，是仪表最大引用误差去掉正负号和百

15、分号后的数值。去掉正负号和百分号后的数值。 n 化工仪表的精确度常用仪表的精度等化工仪表的精确度常用仪表的精度等级来表示。是按照仪表的精确度高低划分的级来表示。是按照仪表的精确度高低划分的一系列标称值。国家规定的仪表精度等级有：一系列标称值。国家规定的仪表精度等级有： n级标准表级标准表0.0050.005、0.020.02、0.050.05；n级标准表级标准表0.10.1、0.20.2、0.350.35、0.50.5；n一般工业用仪表一般工业用仪表1.01.0、1.51.5、2.52.5、4.04.0。n 所以，利用仪表最大引用误差求取的精所以，利用仪表最大引用误差求取的精度还需系列化。度还

16、需系列化。 n 仪表精度等级值越小，精确度越高，就意仪表精度等级值越小，精确度越高，就意味着仪表既精密、又准确，即随机误差和系统味着仪表既精密、又准确，即随机误差和系统误差都小。精度等级确定后，仪表的允许误差误差都小。精度等级确定后，仪表的允许误差也就随之确定了。仪表的允许误差在数值上等也就随之确定了。仪表的允许误差在数值上等于于“精度精度%”。 例如精度为例如精度为1.51.5级的仪表，其级的仪表，其最大允许误差的引用误差形式为最大允许误差的引用误差形式为E E表允表允=1.51.5，如果该仪表的量程为如果该仪表的量程为4MPa4MPa，则根据式，则根据式3-33-3，仪，仪表允许误差的绝对

17、形式为表允许误差的绝对形式为ne e表允表允= E= E表允表允R RS S=1.51.54=4=0.060.06（MpaMpa）。）。n 下面通过例题来说明确定仪表精度和选择下面通过例题来说明确定仪表精度和选择仪表精度的方法。仪表精度的方法。 n【例题例题3-13-1】某台温度检测仪表的测温范围某台温度检测仪表的测温范围为（为（100100600600）o oC C，校验该表时得到的最，校验该表时得到的最大绝对误差为大绝对误差为3 3o oC C，试，试确定确定该仪表的精度等该仪表的精度等级。级。n 解：由式解：由式3-33-3可知，该测温仪表的最大引可知，该测温仪表的最大引用误差为：用误差

18、为：n n去掉去掉%后，该表的精度值为后，该表的精度值为0.60.6，介于国，介于国家规定的精度等级中家规定的精度等级中0.50.5和和1.01.0之间，而之间，而0.50.5级表和级表和1.01.0级表的允许误差级表的允许误差E E表允表允分别分别为为0.50.5和和1.01.0。所以，这台测温。所以，这台测温仪表的精度等级只能定为仪表的精度等级只能定为1.01.0级。级。 n【例题例题3-23-2】现需现需选择选择一台测温范围为一台测温范围为0 0500500的测温仪表。根据工艺要求，温度指示的测温仪表。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过值的误差不允许超过44，试问应选择一台，试问应

19、选择一台精度等级为几级的仪表才能满足工艺要求？精度等级为几级的仪表才能满足工艺要求？n 解：工艺允许误差为：解：工艺允许误差为： n 去掉去掉和和%后，该表的精度值为后，该表的精度值为0.80.8，也是介于也是介于0.50.51.01.0之间，而之间，而0.50.5级表和级表和1.01.0级表的允许误差级表的允许误差E E表允表允分别为分别为0.50.5和和1.01.0。所以，应选择。所以，应选择0.50.5级的仪表才级的仪表才能满足工艺上的要求。能满足工艺上的要求。 n 从以上两个例子可以看出，根据仪表从以上两个例子可以看出，根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的校验数据来确定仪表精度

20、等级时，仪表的精度等级应向低靠（取大值）；根据工艺精度等级应向低靠（取大值）；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表精度等要求来选择仪表精度等级时，仪表精度等级应向高靠（取小值）。级应向高靠（取小值）。n 仪表的精度等级在仪表面板上的表示仪表的精度等级在仪表面板上的表示符号通常为：符号通常为： 等。等。 2 2变差变差 n 也叫回差，用来也叫回差，用来表示测量仪表的恒定表示测量仪表的恒定度。变差说明了仪表度。变差说明了仪表的正向（上升）特性的正向（上升）特性与反向（下降）特性与反向（下降）特性的不一致程度。的不一致程度。 n 当工作条件不变时，使用同一块仪表对当工作条件不变时，使用同一块仪表对

21、某一被测变量进行由小到大（即正行程或上某一被测变量进行由小到大（即正行程或上行程）测量和由大到小（反行程或下行程）行程）测量和由大到小（反行程或下行程）测量时，对同一个被测量值来说，正反行程测量时，对同一个被测量值来说，正反行程中仪表的指示值之差，就是仪表的变差，如中仪表的指示值之差，就是仪表的变差，如图图3-13-1所示，它的绝对表示法为：所示，它的绝对表示法为：n e e =x=x上上-x-x下下 （3-63-6） n变差也可以用引用误差的形式表示，则有：变差也可以用引用误差的形式表示，则有：n （3-73-7）%100SReEn 和最大绝对误差一样，仪表的最大和最大绝对误差一样，仪表的最

22、大变差也不能大于仪表的允许误差。即：变差也不能大于仪表的允许误差。即：ne emaxmaxee表允表允 （3-83-8）n或或 E E引引maxmaxEE表允表允 （3-93-9）n 造成变差的原因很多，如传动机构造成变差的原因很多，如传动机构间存在的间隙和摩擦力、弹性元件的弹间存在的间隙和摩擦力、弹性元件的弹性滞后等。性滞后等。 3 3灵敏度与灵敏限灵敏度与灵敏限n 仪表的灵敏度是仪表在稳定状态下，仪表的灵敏度是仪表在稳定状态下，其输出变化量（即仪表指针的线位移或角其输出变化量（即仪表指针的线位移或角位移）与引起这个变化的输入（即被测变位移）与引起这个变化的输入（即被测变量）变化量的比值。量

23、）变化量的比值。n 仪表灵敏度的大小反映了仪表对被测仪表灵敏度的大小反映了仪表对被测量幅值的敏感程度。线性刻度标尺仪表的量幅值的敏感程度。线性刻度标尺仪表的灵敏度等于常数，而非线性刻度标尺仪表灵敏度等于常数，而非线性刻度标尺仪表的灵敏度各点不相同。的灵敏度各点不相同。 n 提高仪表对信号的放大能力，就可以提高仪表对信号的放大能力，就可以提高灵敏度。但这样并不能提高精度、减提高灵敏度。但这样并不能提高精度、减少测量误差。所以一般规定仪表标尺的分少测量误差。所以一般规定仪表标尺的分度值不小于仪表最大允许绝对误差。度值不小于仪表最大允许绝对误差。n 表示仪表灵敏性能的另一指标是灵敏表示仪表灵敏性能的

24、另一指标是灵敏限。灵敏限是指能引起仪表指示值发生变限。灵敏限是指能引起仪表指示值发生变化的被测量的最小改变量，单位与被测量化的被测量的最小改变量，单位与被测量单位相同。一般来说，灵敏限的数值不应单位相同。一般来说，灵敏限的数值不应大于仪表最大允许绝对误差的一半。大于仪表最大允许绝对误差的一半。 4 4线性度线性度n 对于理论上具有线性对于理论上具有线性刻度特性的仪表刻度特性的仪表, ,即输入量即输入量与输出量呈线性关系，但与输出量呈线性关系，但在使用中会因各种因素的在使用中会因各种因素的影响，使仪表的实际特性影响，使仪表的实际特性偏离其理论上的线性特性，偏离其理论上的线性特性，如图如图3-23

25、-2所示。这种偏差称所示。这种偏差称为非线性误差。为非线性误差。n 检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标还有一些，在此就不一一还有一些，在此就不一一介绍了。介绍了。 （三）检测仪表的发展方向（三）检测仪表的发展方向n 化工检测技术及仪表的发展是相当迅速的。其主化工检测技术及仪表的发展是相当迅速的。其主要表现为：要表现为：n 1 1检测技术的现代化检测技术的现代化n 随着科学技术的发展，新材料、新技术和新工艺随着科学技术的发展，新材料、新技术和新工艺不断涌现，新的检测方法也不断被开发出来。如激光、不断涌现，新的检测方法也不断被开发出来。如激光、微波、超声波、红外线、放射性同位素等非接触检测微波、

26、超声波、红外线、放射性同位素等非接触检测技术，近年来都得到了较快的发展。随着半导体陶瓷、技术，近年来都得到了较快的发展。随着半导体陶瓷、光导纤维以及其他新型材料的使用，使得大量的新型光导纤维以及其他新型材料的使用，使得大量的新型传感器、变送器问世。许多基于物质本身内在性质的传感器、变送器问世。许多基于物质本身内在性质的检测器件（如压敏、热敏、光敏、湿敏、化学敏器件）检测器件（如压敏、热敏、光敏、湿敏、化学敏器件）也被不断应用于新型传感器中。此外，仿生传感学作也被不断应用于新型传感器中。此外，仿生传感学作为一门新型学科也正在得到迅速的发展。为一门新型学科也正在得到迅速的发展。 2 2检测仪表的数字化、集成化和智能化检测仪表的数字化、集成化和智能化n 由于电子技术和数字化技术的发展迅速，由于电子技术和数字化技术的发展迅速，采用数字式传感器直接输出数字量，是目前检采用数字式传感器直接输出数字量，是目前检测