第3章检测仪表与传感器

第三章检测仪表与传感器

—压力测量化学与环境工程学院石新雨湖北民族学院概述1

压力检测及仪表2

流量检测及仪表3第3章检测仪表与传感器物位检测及仪表4

现代检测技术与传感器的发展6

温度检测及仪表5√√本章基本要求：了解压力单位及测压仪表的几种分类；了解液柱式压力计与活塞式压力计的基本原理；初步掌握电气式和弹性式压力计的基本原理及其选用方法。了解各种流量计的测量原理；重点掌握差压式流量计及转子流量计的基本原理和应用。了解各种液位测量方法；掌握差压式液位计的工作原理；初步掌握液位测量中零点迁移的意义及计算方法。掌握热电偶温度计及热电阻温度计的测温原理。熟悉热电偶温度测量中的冷端温度补偿的作用及方法。3.1概述一、测量过程与测量误差二、仪表的性能指标三、检测系统的构成四、工业仪表的分类第3章检测仪表与传感器一、测量过程与测量误差1.测量过程实质：将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。而测量仪表就是实现这种比较的工具。误差不能消除，只能减小。式中：Δ－测量的绝对误差；xi－测量所得值；

xt－待测参数真值。绝对误差反映了测量的精度。

准确度：测量值与被测量真值的接近程度；（1）绝对误差：测量值与被测量真值之差Q:什么是真值?什么是约定真值?相对真值?答:真值是一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的，所以在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。约定真值是一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。相对真值是指当高一级标准仪器的误差仅为低一级的1/3～1/20时，可认为高一级的标准仪器或仪表示值为低一级的相对真值。相对误差用来评价不同被测值的精度。1）实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比；2）示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比；3）引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。允许误差：最大引用相对误差。（2）相对误差定义：绝对误差Δ与标准表测量所得值的比较。ε－相对误差。数值越大，精度越低，利用这一原则来统一规定仪表的精度等级，将允许误差的“±”和“％”号去掉，表示仪表之精度等级。我国的仪表精度等级：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0。二、仪表的性能指标1、精确度（精度）

衡量仪表准确程度的指标，是相对百分误差的最大值。

Δmax＝(x上－x下

)K％＝(1200一600)×0.5％＝3℃

最大允许绝对误差为3℃，而校验时某点的最大绝对误差是4℃，大于3℃，所以此表不合格、应重新进行检查修理。例1：一台精度等级为0.5级，量程范围为600～1200℃的电子电位差计，它的最大允许绝对误差是多少?校验时，如其中的某一点最大绝对误差是4℃

，问此表是否合格?解：根据得例2：检定一块1.5级刻度为0～100Pa的压力表，发现在50Pa处的误差最大，为1.4Pa，其他刻度处的误差均小于1.4Pa，问这块压力表是否合格?

所以，这块压力表合格。解：该表的最大允许误差δ允为在规定的条件下对同一参数进行重复测量时，各次读数之间存在着差值，其中最大的差值称为仪表的变差，变差是衡量仪表显示数值的重复性(或叫复现性)、稳定性的一个品质指标。x正－x反被测参数仪表示值2、变差在实际工作中，测量仪表变差是对同一被测参数从不同方向进行正、反行程的测量。读数中两者最大差值的绝对值对仪表量程范围的百分数，称为仪表的变差，则用γ表示变差、则仪表允许变差的数值应等于或小于仪表的精度。例3：校验一台量程为0～250mmH2O的差压变送器，差压由0上升至100mmH2O时，差压变送器的读数为98mmH2O。当从250mmH2O下降至100mmH2O时，读数为103mmH2O，问此仪表在该点的变差是多少?解：所以，该点的变差为2％。3、灵敏度与灵敏限

仪表对被测参数变化的灵敏程度。它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化Δα与引起此输出信号变的被测参数(输入信号)变化量Δx之比，用S表示灵敏度，则

因此，仪表的灵敏度可用一个比值即输出量、被测量(输入量)的比来表示。在数值上就等于单位被测参数变化量所引起的仪表指针移动的距离(或转角)。

仪表的灵敏限是指能够引起仪表指示值(输出信号)发生变化(动作)的被测参数(输入信号)的最小(极限)变化量。一般仪表的灵敏限的数值应不大于仪表允许误差绝对值的一半。表示仪表灵敏度（灵敏限）的大小。定义：数字显示器最末一位数字间隔所代表的被测参数变化量。不同量程的分辨力也不同，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也称灵敏度。分辨率：当数字式仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，就是其分辨率。4、分辨力表征线性刻度仪表输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。仪表示值被测变量△fmax5、线性度

线性度通常用实际测得的输入－输出特性曲线（称校准曲线）与理论直线之间的最大偏差与测量仪表量程之比的百分数来表示。式中：

δf－－线性度；

Δfmax－－校准曲线对于理论直线的最大偏差。测量时被测量突然变化后，仪表指示值总要经过一段时间才能准确显示出来。反应时间用来衡量仪表能不能尽快地反应出参数变化的品质指标。反映了仪表动态特性的好坏。表示方法：

(1)当输入信号突然变化一数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新稳态值。仪表的输出信号(即指示值)由开始变化到新稳态值的63.2％所用的时间，即为反应时间。

(2)用变化到新稳态值的95％所用的时间来表示反应时间。

6、反应时间 三、检测系统的构成被测参数敏感元件信号变换信号传输信号测量显示记录控制+-A/DPLC1、按仪表使用的能源分类：气动、电动和液动仪表2、按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类：

检测仪表、显示仪表、集中控制仪表、控制仪表、执行器3、按仪表的组成形式分类

基地式仪表、单元组合仪表（DDZ、QDZ）四、工业仪表的分类3.2压力检测及仪表一、压力单位及测压仪表

1.什么是压力，其法定计量单位？

压力是垂直均匀地作用在单位面积上的力。它的法定计量单位是帕斯卡(简称帕)，符号为Pa。等同于物理学上的压强。1）绝对压力：绝对真空下的压力称为绝对零压，以绝对零压为基准来表示的压力叫绝对压力。2）表压力：当绝对压力大于大气压力时，绝对压力高于大气压力的数值称为表压力，简称表压。3）真空度：当绝对压力小于大气压力时，绝对压力低于大气压力的数值称为真空度或负压。2.绝对压力、表压及真空度的概念。3.绝对压力、表压及真空度的相互关系。绝对零压p1绝对压力p1负压（真空度）p2绝对压力p20p2p大气压力表压1p14.压力（压强）的单位工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。（1）液柱式压力计（2）活塞式压力计（3）电气式压力计（4）弹性式压力计5.压力计分类二、液柱式压力计与活塞式压力计1.液柱式压力计

测量原理：P=h

所以h=P/

2.活塞式压力计二、液柱式压力计与活塞式压力计测量原理：

P=G/S

所以：G=P•S精确度高；常用作标准仪表，检验其它压力计。三、弹性式压力计（机械式压力表）1.原理：弹性变形的原理（采用弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。）2.特点：结构简单、方便可靠、读数清晰、价格低廉、测量范围宽、精度较高。3.分类：弹性元件—弹性式压力表的核心根据敏感原件的不同，可分为以下三种：

Ⅰ.弹簧管式：测压范围宽，可达1000MPa。为了增加自由端位移（提高灵敏度），可制成多圈。

弹簧管压力表

Ⅱ.薄膜式：分膜片式和膜盒式

Pp膜片式膜盒式Ⅲ.波纹管式：

易于变形，用于微压或低压测量（小于1MPa）

p

4.电接点信号压力表

主要用途：在生产中常需要把压力控制在规定的范围内。若超出了这个范围，就会破坏正常的工艺过程，甚至发生事故，此情况下可采用电接点压力表。电接点压力表实际上是在弹簧管压力表的基础上加装电接点装置。当压力低于下限值p1时(见图3-7所示)。压力表指针上的动触头和下限给定指针上的静触头相碰，使电路接通，发出相应的下限灯光报警信号。当高于上限值p2时，则和上限给定指针上的静触头相碰，发出上限的灯光报警信号。电接点压力表的电气线路如右图所示。供电电压可以是直流和交流，但交流电压不可超过380V、直流电压不可超过220V，通过触头最大电流为1A。将弹性元件、液柱式压力计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计。

1.组成方框图：传感器的作用：把压力信号检测出来并进行输出。标准信号：指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号，直流：4～20mA，压力0.02～0.1MPa等。变送器：能把输出信号变换成标准信号的传感器。四、电气式压力计说明：电气式压力计常由两部分组成：一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参数；二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。

在DDZ一Ⅱ型仪表中，现场与控制室之间采用4～20mA电流信号，而控制室内部都采用1～5V电压信号。

4～20mA电流信号适宜在现场和控制室之间远距离传输，可以避免传输导线上压降损失引起曲误差。

1～5V电压信号适于控制室内部短距离联络，仪表之间可以并联连接，便于设计安装和维修。电气式压力计一次探头：常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。常见压力变换器（压力探头）：应变式压力变换器；压电电阻式压力变换器；电感式压力变换器；电容式压力变换器；霍尔片式压力变换器。电气压力计二次仪表：作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。DDZ-Ⅲ型仪表标准通讯信号为：4~20mA。智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能，如：模/数转换与数据通讯，工程单位转换，信号（变化）阻尼，故障诊断等。

2.仪表（电气式压力计）特点：测量范围宽，可测7×10-5Pa～5×102

MPa；测量精度高，可达0.2％；能远程传送，便于实现自动控制盒远程报警。

3.电气式压力计分类：Ⅰ.霍尔片式压力传感器：利用霍尔效应制成。

a.

霍尔效应：（1879/霍尔/美国）将通电的金属或半导体置于磁场中会产生电动势或电阻的改变。RH：霍尔系数

I：控制电流

B：磁感应强度

d：霍尔元件厚度

VH：霍尔电势霍尔电势与磁感应强度和电流成正比，一般I为3～20mA，B为几千高斯，所得的霍尔电势为几十毫伏。Ⅰ.

霍尔片式压力传感器

a.

霍尔效应：Ⅰ.霍尔片式压力传感器：

b.

霍尔片式压力传感器

保持霍尔片中电流恒定，在非均匀磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所感受的磁场强度也不同，这样可以得到与位移成比例的霍尔电势，从而实现位移－电势的线性转换。压力变化弹性变形电阻变化

3.电气式压力计分类：

Ⅱ.应变片式压力传感器（

压阻式压力传感器）电线的电阻为：R=L/S当电线受到拉/应力作用时，L变大，S变小，R变大。当粘一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数。

Ⅱ.应变片式压力传感器：

材料的压阻效应：

R－阻值ρ－电阻率

L－长度

A－截面积

微分得：而代入得：于是：（μ为泊松比）令：

K称为应变片的纵向灵敏度。当应变片受到拉伸时，其阻值增加；受到压缩时，其阻值下降。应变片阻值得变化可以通过电桥得到毫伏级输出，并用记录仪表记录或显示，就组成了电阻式压力计。

3.电气式压力计分类：

Ⅲ.压阻式压力传感器：

压阻元件是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。它是基于压阻效应工作的，即当它受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。常用的压阻元件有单晶硅膜片以及在N型单晶硅膜片上扩散P型杂质的扩散硅等，也是依附于弹性元件而工作。结构当某些材料受到某一方向的压力作用而发生变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上就产生符号相反的电荷；当压力去掉后，又重新恢复不带电状态。这种现象称为压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料种类较多，有石英晶体、人工制造的压电陶瓷，还有高分子压电薄膜等。

1-绝缘体2-压电元件3-壳体4-膜片

3.电气式压力计分类：

Ⅳ.压电式压力传感器：

3.电气式压力计分类：

Ⅴ.电容式压力传感器：1）特点：结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高、体积小、重量轻、使用方便等一系列优点，目前已成为最受欢迎的压力、差压变送器。2）输出信号：标准的4～20mA(DC)电流信号。3）结构：电容式差压变送器的结构可有效保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。

3.电气式压力计分类

Ⅵ.力矩平衡式压力计：1）原理：力平衡的原理2）特点：测量精度高；工作稳定；线性好；本质防爆3）信号：DDZ－III型，24V直流，输出4～20mADC。

4）工作原理分析：被测压力p作用在测量膜片上，矢量机构受力分析：将F1分解为F2和F3受力Fi为：主杠杆受力平衡矢量机构受力分析：将F1分解为F2和F3副杠杆受力平衡Ff大小与通过反馈线圈的电流I0成正比K为常数，变送器的输出电流I0与压力p成正比；改变θ可以改变量程1～4倍。F3F1F21.仪表类型：根据工艺要求选择Ⅰ.被测介质：腐蚀性、温度、粘度、脏污程度、易燃易爆等。如氨气用压力表材料不能采用铜合金，而采用碳钢，因氨对铜强腐蚀。

氧用压力表严格禁油，校验时亦不能用变压器油作为工作介质，使用前最好用四氯化碳认真清洗。Ⅱ.功能：是否显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；Ⅲ.现场环境条件：高温、磁场、振动、安装条件等。

五、压力计的选用及安装2.测量范围：根据测量参数大小和精度决定

I.为延长寿命，压力计上限应高于生产中最大压力。 稳定压力：工作压力不超过上限2/3； 脉动压力：工作压力不超过上限的1/2； 高压压力：工作压力不超过上限的3/5；

II.为保证精度，最小被测压力不低于满量程的1/3。III.根据①、②计算仪表上、下限，再圆整到国家标准数值。

—般工业部门的压力测量采用1.5级、