自动检测技术与装置

1、测量范困和量程每台检测仪表都有一个测量范围，仪表工作在这个范围内，可以保证仪表 不会被损坏，而且仪表输出值的准确度能符合所规定的值。这个范围的最小 值和最大值分别称为测量下限和测量上限。测量上限和测量下限的代数差称 为仪表的量程即量程二测量上限值-测量下限值灵敏度灵敏度S是检测仪表对被测量变化的灵敏程度，常以在被测量改变 时，经过足够时间检测仪表输出值达到稳定状态后，仪表输出变化量与引起 此变化的输人变化量之比表示，即回差也称变差，是指检测仪表对于N被测量在其上升和下降时对应输出 值间的最大误差，如图1.5所示。由于特性曲线像环状一样，回差有时也 称“滞环。回差的存在使得检测仪表在同一被测量时

2、有不止一个的输出 值，从而出现误差。绝对误差是仪表输出值与被测参数真值之间的差值Ax相对误差：仪表的绝对误差与约定真值比的百分数8 引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程比的百分数8 仪表的准确度通常是用仪表满刻度相对误差的大小来衡量。准确度常常 也称精度或精确度。按照国家有关标准的规定，仪表的准确度划分为若干等级.称准确度等级 国家统一规定所划分的等级有0. 05, 0. 1, 0.25, 0.35, 0. 5, 1. 0, 1. 5,5, 4. 0,。仪表的准确度等级按以下方法确定，辞先用仪表满刻度相 对 误差略去其百分号（%）作为仪表的准确度*再根据国家统一划分的准确度 等级.例一：有一台

3、压力仪表，其量程为lOOkpa,经检验发现仪表的基本误差为 0.6kpa,问这台压力仪表的准确度为多少？准确度等级为多少？解：由题意可以算出仪表的满刻度相对误差为0.6%,略去其百分号，则该 压力仪表的准确度为0.6.由于0.6大于准确度等级0.5,而小于1.0,所 以该仪表的准确度等级为1. 0级。例二：拟对某压力容器的压力进行测量，正常压力在150kpa左右，要求 压力测量误差不大于4. 5kpa,问应选择什么样的压力检测仪表才能满足测 量要求？解：由题意，选择的压力仪表的基本误差应小于4.5kpa才能满足测量要 求，另一方面，压力检测仪表的量程一般应比正常压力大30%以上，可选 择压力仪

4、表的量程为250kpa,则仪表满刻度相对误差应小于4. 5/250=1. 8%, 从而选择的压力仪表的准确度等级应为1. 5级。测量误差的分类与测量不确定度按误差本身因次分类绝对误差和相对误差按误差出现的规律分类 系统误差、随机误差、粗大误差。按使用的工作条件分类基本误差和附加误差按误差的特性分类静态误差和动态误差。测量不确定度的定义是对测量结果分散性的描述，是对测量结果误差限的估计。测量不确定度是有一些不确定度分量组成的：A类不确定度：有测量列按统计理论计算得到的是可测得，B类不确定度：由非统计分析方法，即由其他方法估计的这类不确定度 的估计主要用于不能通过多次重复性测量，由测量列确定不确定

5、度的情况。 所用的方法主要有以前的测量数据、有关的技术资料和数据等。测量不确定度与测量误差没有必然的联系。电容元件的结构和特性变极距式电容器：某个被测量变化时，会引起动极板的位移，从而改 变极板间的距离，导致电容量的变化。变面枳式电容器：当可动极板在被测量的作用下发生移位，使两极板 相对有效面积改变，则会导致电容器的电容量的变化。变介电常数是电容器：当两极板间介电常数变化，由此引起的电容量 改变。热电偶检测元件将两种不同的导体A B连成闭合回路，将他们的两个节点分别置于温度为 T及TO （设TTO）的热源中，则在该回路内就会产生热电动势。这种现象 称之为热电效应。将两种材料的导体组合称为热电偶

6、。导体A和B称为热 电极。温度高的接点T称为热端（工作端），温度低的TO称为冷端（自由 端）。热电偶回路中所产生的电动势由两部分组成：其一是不同材料的两 种导体之间的接触电势；其二是单一导体两端温度不同而形成的温差电势。 热电动势的大小只与热电极材料及两端温度有关，与热电极的几何尺寸无 关。热电偶必须由两种材料不同的两个电极构成。热电极材料确定之后，热电势的大小只与T, TO有关，若保持TO 一定， 则热电偶回路总热电时就可以看成是温度T的单值函数。这就是用热电偶 测温的基本原理。热电偶的基本定律（1） 均质导体定律有一种均质导体的闭合回路，不论导体的横截面枳，长度以及温度分布如何，均不产生热

7、电动势。中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体 的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。中间温度定律Eab (T, T0)= Eab(T, Tc)+ Eab (Tc, TO)用锲格一镣硅热电偶测炉温。当冷端温度TO=30度时，测得热电势为E( T, TO) = 39. 17mv,若被测温度不变，而冷端温度为-20度，则该热电偶测得的热电 势为多少己知该热电偶有E(30. 0)=1. 2mv, E(20. 0)=0. 77mv ?根据中间温度定律Eab (T, TO)= Eab(T, Tc)+ Eab (Tc, TO)其中 TO=-20, Tc=30；所以：

8、Eab (Tc, TO)= Eab (Tc, 0)- Eab (TO, 0)=1. 2- ( -0. 77) =1. 97Eab (T, TO)=39. 17 + 1. 97=41. 14 mv得到冷端温度为-20度时，测得的热电势应为41.14mv。所以用热电偶测量温 度时必须考虑冷端的温度，否则会引起误差。压电效应某些材料在沿一定方向受外力作用时，不仅几何尺寸变化而发生变形，而旦 材料内部电荷分布发生变化，从而使得在其定的两个相时表面上产生得号相 反、当外力去掉后，它们又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。 所受的作用力越大，则机械变形越大，所产生的电荷量越多。压电效应是可 逆的。光

9、电效应是指光照射到物质上引起其电特性(电子发射、电导率、电位、电配等)发生变化的现象。分为外光电效应和内无电效应。()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称为外光电效应，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，但这些电子并不溢出物体表面， 而仍然留在内部，从而导致物体的电阻率发生变化或产生电动势，这种现象 称为内光电效应。使电阻率发生变化的现象称为光电导效应，基于光电导效 应的光电器件有光敏电阻。而产生电动势的现象称为光生伏特效应，基于该 效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。（2）光敏电阻的主要参数及基本

10、特性主要参数暗电阻和暗电流。所谓暗电阻是指在无光照时所测的电阻值。这时在给定工作电压下流过光敏电阻的电流称为暗电流。亮电阻与亮电流。在受光照时，光敏电阻的阻值称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。光敏电阻的基本特性包括光照特性、伏安特性、光谱特性、温度特性。检测仪表的组成：图3. 1示出了检测仪表或检测系统一般组成形式，主要有敏感元件、信号变 换、处理传输、数据存储以及显示装置等功能模块。图3.1检测仪表的组成形式需要指出的是：同种检测仪表（指敏感元件相同），由于使用要求和条件的不 同，在组成测量系统的结构形式上也不完全相同。检测仪表的设计方法按结构形式来划分主要有直接串联式（直接变换式）、差 动

11、式、参比式和平衡（反馈）式为四种方法。直接串联式（直接变换式）、差 动式、参比式等属开环结构设计法，而平衡（反馈）式属于闭环结构设计法。 四种仪表设计方法都有优缺点。温度检测仪表在根据敏感元件与被测介质接触与否，可以分成接触式和非接 触式两大类。接触式检测仪表主要包括基于物体受热体枳膨胀或长度伸缩性 质的膨胀式温度检测仪表（如玻璃管水银温度计、双金属温度计），基于导 体或半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表，基于热电效应的热电 偶温度检测仪表等。非接触式检测仪表是利用物体的热辐射特性与温度之间 的对成关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法。热电偶温度计3.3 S型热电

12、偶在工作室自由端温度tO=30度，现测得热电偶的电势为 7.5mv,求被测介质实际温度？解：由题意热电偶测得的电势为E（t,30）,即E（t, 30）=7. 5mv,其中t为 被测介质温度，由分度表可查到E（30, 0）=0. 173mv,则E（t, O）=E（t, 3O）+E（3O, 0）=7. 5 + 0. 173 = 7. 673mv在由分度表中查出与其对应的实际温度为830度。热电偶自由端温度的处理（1）补偿导线法在使用补偿导线时必须注意以卜.问题。补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0 100度）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

13、接点处要保持同温度。补偿导线有正、负极，需分别与热电偶的正、负极相连。G补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度t0不等于0时， 还需进行其他补偿与修正。（2）计算修正法（3）自由端恒温法（4）自动补偿法 目前主要采用补偿电桥利用不平衡电桥产生的电势来 补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。图3. 45补偿电桥；补偿毯身!品示伙表图3. 45补偿电桥；补偿毯身!品示伙表见电涡；L图X. 46 一个实际的热庖例测海系统【例3.H 有一个实际的热电偶测温系统，如图3.46所示。两个热电极的 材料为媒错和镰硅，。）和乙分别是配镣铭-镣硅热电偶的补偿导线，测量系统 配用K型厢电偶

14、的温度航示仪表（带补偿电桥来显示被测温度的大小。设芯= 300笆，L=50C, 4 = 20P,求测度回路的总电势以及温度显示仪表的诿数。如果补傍导线为普通铜导线；或显示仅表为阮E型热电的，则测昼回路的 冶电势和温度的显芯值乂各为多少？僭 由题意可知，使用的热电偶的分皮号为K刑，则回路总电势为E=Ek（，4）+Ekh（以，M+ E社（，u 0）式中，Ek = EK（/ *0）把/ = 300r代入匕式，并查K型热电隅的分度表，彳导8=12. 209mV。显 然,显小仅去的读数应该为300C,当补偿与线为普通铜导线时（显小仪表为配K型热电偈），则踪补（A=0 那么回路总电势为F=EkH,）+ E

15、M；iO）jEk（300,50）+Ek（20.0= （12. 209-2. 023）十（0. 798- 0） = 10* 984mV杏K型热电偶分度表可得，w=270.3C。当显示仪表为配E型热电偶（补偿导线接法正确）时.则E补食，。）= 弘撰），那么回路的总电势为E=Ek （小。+1孔（1 ,h） + 洗（。，。）=12. 209 2. D23 + 2. 023 0. 798 + 1. 192 0= 12. 603mV由于显示仪表是配E型热电偶，因此，显示仪&的读数值要根据上述计算得到的电势值查巳型热电偶的分度表，可得山攻= 188. 9T 通过该题的计算可以发现，在热屯偶测屋系统中不正确的

16、补偿导线的接法， 或配用的显示仪表的型号不对等都会引起错误的测髡结果。 . ， 、契金属热电阻的分度号与分度表金属热电阻的检测仪表主要有伯电阻温度计和铜电阻温度计，钳电阻和铜 电阻的电阻值都是随温度的升高而增大。由于热电阻在温度t时的电阻值与R0有关，所以对R0的允许误差有严格 的要求。另外RO的大小也有相应的规定。R0愈大，则电阻体体积增大， 不仅需要较多的材料，而且使测量的时间常数增大，同时电流通过电阻税 产生的热量也增加，但引线电阻及其变化的影响变小。反之亦然。因此， 需要综合考虑选用合适的R0,目前，我国规定工业用钳电阻温度计有R0=10 欧和100欧，其分度号分别为Pt 10和Ptl

17、OO.铜电阻温度计也有R0二50欧 和100欧两种，分度号分别为Cu50和CulOO。类似于热电偶的分度表，用表格形式给出在不同温度下各种热电阻分度号 的电阻值称为热电阻的分度表。铜电阻的特性比较接近直线，而伯电阻的 特性呈现一定的非线性，温度越高，电阻的变化率越小。图3M2热电阻的二线制接法为了减小引线电阻的影响，引线采用三线制接法，如图3. 52所示，其中 两根引线来自热电阻的一个引出端，另一根引线接至热电阻的另一个引出 端。三根引线分别接到变送器或显示器仪表输入电路的电桥的电源和两个 桥臂。由于引线分别接在电桥的两个桥臀上，受到温度或长度的变化引起 引线电阻的变化将同时影响两个桥臂的电阻

18、，但对电桥的输出影响不大， 从而较好地消除了引线电阻的影响，提高测量的准确度。所以工业上多采 用三线制接法。温度检测仪表的使用在大大多数场合采用的是接触式温度仪表，由于价格较高，结构复杂和低 温段温度测量性能无优势等因素，全辐射高温计，光电温度计，比色温度 计和红外温度计等辐射式非接触式温度计测量仪表主要用于实际生产过 程中接触式温度测量仪表不能胜任的测量场合。基于热电偶和金属热电阻的温度测量仪表，用于集中显示，记录和过程控 制，是目前应用最为广泛的主流工业温度检测仪表。热电阻（尤其是伯电 阻）由于精度高和性能稳定，工业生产和科学研究中常作为标准来使用。工业玻璃管温度计、压力式温度计和双金属温

19、度计由于具有结构坚固、耐 震和价格低廉现场就地显示应用尤其广泛。半导体热敏电阻和集成温度传感器由于价格低，使用方便，在各种非工业 生产过程领域使用较为广泛。接触式温度检测仪表在实际使用时注意：正确选择测温位置同等条件下尽可能缩小温度敏感元件和保护套管的体积准确地安装以保证被测介质与敏感元件间充分的热交换为解决工业现场的温度检测和控制问题一体型温度变送器和智能温度变 送器得到了十分广泛的使用。一体型温度变送器是将测温元件（例如热电阻或热电偶）和变送器模块集 成为一个整体，并输出反应温度测量信息的统一标准信号（一般为42OmA 的标准直流电流信号）。由于测温元件和变送器模块为一个整体，一体型 温度

20、变送器可以直接安装在被测温度的工艺设备上，具有体积小、重量轻、 现场安装方便、节省安装费以及抗干扰能力强便于远距离传输等优点智能型温度变送器可作为单纯的温度变送模块使用也可集成测温元件以 构成一体型的温度检测仪表。优点：适用性和通用性强。具有各种补偿功能。标准信号输出和通信。操作使用方便灵活具有自诊断功能。可实现简单的现场就地控制。液体压力计是以流体静力学原理为基础的。压力计一般由U型玻璃管或单 管构成，管内用己知密度的水银或水为工作液。常用于低压，负压或差压的检测o图3. 64 U形玻璃管压 力计的工作原理图3. 64 U形玻璃管压 力计的工作原理X 3.2液体压力计液体压力计是以流体眇力学

21、原理为基础.压力汁一 般由U形玻璃管或单管构成，管内用巳知密度的水银 或水为工作液。常用于低压、负压或差压的检浏(1)工作原理图3. 64所示为U形玻璃管压力计的工作原理它 的两个管口分别接压力化和P日当Px=P时，左右两 管的液体的高度相等，如图3. 64 (a)所示。当仑队时.U形管的两管内的液面便会产生高度差人，如图3.64 (b)所示。根据湫体静力学原理，有P? = pi +pgh(3. J00)式中，P为U形管内所充工作液的密度；g为u形管所在地的重力加速度; h为U形管左右两管的液面高度差。式(3. 100)可改写为h C pz p)(3- 101)fg这说明U形管内两边液面的高度

22、差入与两管LJ的被测压力之若成正比c如果将0管通大气,即A、=P。，则(3. 102)式中，p = pl P。为大管的表压。由此可见，用U形管压力计可以检测两 被测压力之间的差值(即是压)，或检测某个表压。在U形管的中间有一标尺，分别读取两液柱的高度，并求出它们之间的差 值，即得人值。由式3- 102)可知，若提高U形管工作液的密度外则在相同斜管式液体压力计的压力作用F，先值将下降，因此，提高工作液密度 将增大压力的测量范围-但灵敏度要降低。图3. 63单管式僚休压力计为了改班U形管压力计在读取液柱高度差时需 读两次数的缺陷，可采用单管式液体床力计，如图 3. 65所示。它由一杯形容器与一玻璃

23、管组成，在玻 紧管一州单边读取液柱高度“设液璃管开口刨通大 气，则被河压力p图3. 63单管式僚休压力计 = gA（】 + $）（3. 103）式中，d为玻璃管的内直径；D为杯形容器的内直径。如果杯形容器的直径图3. 66制管式液体压力计远大于玻脚管直径，即D,则式（3.103） 的第二项可忽略不计，即布L时图3. 66制管式液体压力计当被测压力较小时液面高度差随之减 小，读数误差时测量结果的影响将显著增大。 为了减小这一影响，可采用斜管式液体压力 计，其工作原理如图3.啊所示“设倾斜管的体角为。，斜管中液柱长度为 被O = pgL测压力为如则O = pgL(3. 104)显然.。越小，则相同

24、液柱长度对应的被测压力就越小，有利于提高测量微小压 力的准确度，一般任为！53（）二DDZ-III型差压变送器的结构原理图：图3. ?0所示为一个差压变送器的结构原理（有关DDZ- H型差压变送器的结 构原理洋见3.1.2中的内容），弹性元件为膜片3,膜片与主杠杆5刚性连接。 蛮送器有岛、低压室2、1,当两个压室有差压存在时膜片将向低压室方向产 生位移，并对主杠杆5下端施以力使主杠杆以轴封膜片4为支点顺时针偏 转，同时以力E沿水平方向推动矢信机构8,矢量机构将推力F】分解成F?利 凡，已使矢量机构的推板向上偏转，并带动副杠忏11以支点M逆时针偏转. 这使固定在副杠杆上的衔轶12靠近是动变压器1

25、3,两者之间距离的变化量通过低频付移检测放大器15转换并放大为12（）mA的直流电流九，作为变送器的输 出，同时该也流又流过电磁反馈装置的反馈线圈16,产生电磁反馈力R,使副 杠杆顺时针偏转。当输入力与反馈力对杜杆系统所产生的力矩达到平衡时，变送 器便送到一个新的平衡状态这时.低州位移检测液大器的输出电流。反捞了 输入差压的大小。1A图3,70 DDZ- IB型差压变送器结构原理1-低床空；2高压室，3-膜片：4-轴封膜片；5主杠杆；6过载保护簧片；7静JK凋整郊钉；8矢最机构；9-零点迁移弹簧；10 -平衡锤，J1程调整螺勾：12-位移检测片（衔铁L3差动变爪器* 14副杠杆；】5低频位移检

26、测放大器；16反馈城圈；17永久成钢；18电源；19角载20-调零弹簧压力检测仪表的使用: 注意：压力仪表的选用；取压点及引压管路的设计一般在被测压力较稳定的情况下，最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4,在被测 压力波动较大或侧脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3,为了保证 测量准确度最小工作压力不应低于满量程的1/3,选择仪表流程时应首先要满足最大 工作压力条件。【例3.5】 有一个压力容器在正常工作时压力范闱为0.10.6MPa,要求使 用弹簧管压力表进行枪涎，并使测量误差不大于被测压力的4%,试确定该表的 量程和准确度等级。解 由题意可知，被测对象的压力比较稳定，设弹簧管

27、压力表的量程为川, 则根据最大匚作压力有A0 6个* = 08 MPa4根据最小工作压力有AV0.4：=1.2 MPa根据仪表的量程系列，口J选用量程范围为01.DMPa的弹簧管压力表。由题意，被测压力的允许最大绝对误差为4 =。. 4X4% =。. 016 MPa这就要求所选仪表的相对百分误差为原告普 X100% = L6%按照仪表的准确度等级，可选择1.5级的压力表。该仪表的基本误差为OXE 5% =(h O15MPa，小于允许的最大绝对误差0.016MP&,故所选仪表满 足测量要求。物位检测仪表：常用的物位检测方法静压式物位计浮力式物位计声学式物位计射线式物位计微波物位计电气式物位计 他

28、们可以归纳为以下几个检测原理基于力学原理基于相对变化原理基于某强度性物理量随物位的升高而增加原理静压式液位计检测原理基于液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化的原理。量程迁移例如采用法兰式差压变送器时，由于从膜盒至变送器的毛细管中充以硅油，无论差压 变送器安装在什么高度，一般均会产生附加静压。因此，在这些情况下，需要采用相 应的校正措施，工程中最常用的对压力（差压）变送器进行零点调整，使它在只受附 加静压（静压差）时输出为“零”，这种方法称为“量程迁移。量程迁移有无迁移、 负迁移、正迁移三种情况，正负迁移的实质是调整差压变送器的零点，作用是同时改变测量范困的上下限，而不 改变量程的大小。【

29、例3.6】 如图:95 （b）所示，用差压变送器检测液位。已知Q = 12O0kg/m，,伙=950kg/mL .知=L Cm, =液位变化的范围为。3.0m如果当地重力加速度求差压变送器的量程和迁移量。解 当液位在0-3. Dm变化时，差压的变化量为乩心心=3. 0X1200X9. 8=3528OPa根据差压变送器的量程系列，可选差变的量程为40kPa。由式（3.127）可知，当H =。时，有 =_（姻一白）= -（5.。一1.0） K95OK9. 8-37240 Pa所以，差压变送器需要进行负迁移，负迁移量为37.24kPa。迁移后该差度的测 量范围为一37. 242.76kPa。若选用DDZ-ffl型仪表，则当交送器输出】= 4mA 时，表示H = 0；当1= 20mA时，H = 40X3. 0/35.28=3. 4m，即实际可测液位 范围为。3.4m。例3. 6中，如果要求H=3.0m时差变输出满刻度（20mA）,则可在负迁移 后