《化工仪表及自动化》 第三章 检测仪表与传感器 主讲人：史继斌 E-mail: [email protected] 第三章 检测仪表与传感器 返 回首页 [学习目标]：能用性 能指标评价仪表的好 坏，掌握仪表校验数 据的处理方法；掌握 四大热工变量的测量 方法和相应检测仪表 的测量原理及组成； 掌握检测仪表的外特 性及使用方法；了解 各种新型检测仪表。 第一节 第二节 表 第三节 表 第四节 表 第五节 表 概述 压力检测及仪 流量检测及仪 物位检测及仪 温度检测及仪 第一节 概述 一、测量过程与测量误差 1、测量过程 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，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，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 就是实现这种比较的工具。 例如玻璃管温度计； 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 （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， 并与温度标尺相比较而显示出被测温度 的数值。 （二）测量误差 测量的目的是希望获得被测变量 的“真实值”。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），都只能是尽量接近却无法测得 “真实值”。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 值就是测量误差。 测量误差有多种分类方法： 1．按误差出现的规律来分 可分为系统误 差、过失误差和随机误差三类。 （1）系统误差（又叫规律误差） 即大小 和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。 （2）过失误差（又叫疏忽误差） 过失 误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，可以避免。 （3）随机误差（又叫偶然误差） 就是 在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 引起的，不易被发觉和修正。 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。 2．按误差的表示方式分 可分为绝对误差、 相对误差和引用误差。 （1）绝对误差 为仪表指示值xi 与被 测量真值xt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x0 代替。它是以被测量单位表示的误差，可表 示为： e ＝ xi － xt≈xi － ｘ 0 （3-1） 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， （2）相对误差 为仪表指示值的绝对误差 与标准表读数之比，用符号E表示。 E=e/ x0 （3-2） 它是一个无量纲值，表示仪表在x0处的相对 误差。相对误差比绝对误差更能说明测量 结果的准确程度。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。 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“引用误差”来表示其测量的准确程 度。 （3）引用误差 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 分数，可表示为： 式中 （3-3） e——仪表的绝对误差； E引——仪表的引用误差； RS——仪表的量程（RS= xmax－xmin.
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《化工仪表及自动化》 第三章 检测仪表与传感器 主讲人：史继斌 E-mail: [email protected] 第三章 检测仪表与传感器 返 回首页 [学习目标]：能用性 能指标评价仪表的好 坏，掌握仪表校验数 据的处理方法；掌握 四大热工变量的测量 方法和相应检测仪表 的测量原理及组成； 掌握检测仪表的外特 性及使用方法；了解 各种新型检测仪表。 第一节 第二节 表 第三节 表 第四节 表 第五节 表 概述 压力检测及仪 流量检测及仪 物位检测及仪 温度检测及仪 第一节 概述 一、测量过程与测量误差 1、测量过程 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，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，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 就是实现这种比较的工具。 例如玻璃管温度计； 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 （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， 并与温度标尺相比较而显示出被测温度 的数值。 （二）测量误差 测量的目的是希望获得被测变量 的“真实值”。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），都只能是尽量接近却无法测得 “真实值”。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 值就是测量误差。 测量误差有多种分类方法： 1．按误差出现的规律来分 可分为系统误 差、过失误差和随机误差三类。 （1）系统误差（又叫规律误差） 即大小 和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。 （2）过失误差（又叫疏忽误差） 过失 误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，可以避免。 （3）随机误差（又叫偶然误差） 就是 在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 引起的，不易被发觉和修正。 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。 2．按误差的表示方式分 可分为绝对误差、 相对误差和引用误差。 （1）绝对误差 为仪表指示值xi 与被 测量真值xt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x0 代替。它是以被测量单位表示的误差，可表 示为： e ＝ xi － xt≈xi － ｘ 0 （3-1） 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， （2）相对误差 为仪表指示值的绝对误差 与标准表读数之比，用符号E表示。 E=e/ x0 （3-2） 它是一个无量纲值，表示仪表在x0处的相对 误差。相对误差比绝对误差更能说明测量 结果的准确程度。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。 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“引用误差”来表示其测量的准确程 度。 （3）引用误差 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 分数，可表示为： 式中 （3-3） e——仪表的绝对误差； E引——仪表的引用误差； RS——仪表的量程（RS= xmax－xmin ）。 其中，xmax与xmin是仪表量程 的上限值与下限值。例如，一温度计的 测量范围为（-50～250）℃，则其量程 为300℃。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 力表就是如此。 3．按误差的测试条件分 可分为基本误差 和附加误差。 （1）基本误差 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）下工作时，仪表本身所具有的误差。 （2）附加误差 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 时仪表的实际误差等于基本误差与附加误差 之和。 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 二、检测仪表的基本知识 （一）检测仪表的分类 检测仪表是实现变量检测的工 具。它有多种分类方法。 1．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 仪表。 2．按精度等级及使用场合的不同 可分 为标准仪表、范型仪表及实用仪表，分别 用于标定室、实验室和现场。 3．按被测变量分类 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。 （二）检测仪表的品质指标 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 使用仪表所必须具备的知识。工程上常 用以下指标来衡量。 1．精确度（准确度） 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。 仪表的精度，是仪表最大引 用误差去掉正负号和百分号后的数值。 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 划分的一系列标称值。国家规定的仪表精 度等级有： Ⅰ级标准表——0.005、0.02、0.05； Ⅱ级标准表——0.1、0.2、0.35、0.5； 一般工业用仪表——1.0、1.5、2.5、4.0。 所以，利用仪表最大引用误差求 取的精度还需系列化。 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 上等于“±精度%”。 例如精度为1.5级的仪 表，其最大允许误差的引用误差形式为E表允 =±1.5％，如果该仪表的量程为4MPa，则根据 式3-3，仪表允许误差的绝对形式为 e表允= E表允×RS=±1.5％×4=±0.06（Mpa）。 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。 【例题3-1】某台温度检测仪表的测温范围 为（100～600）oC，校验该表时得到的最大 绝对误差为3oC，试确定该仪表的精度等级。 解：由式3-3可知，该测温仪表的最大 引用误差为： 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E表允分别 为±0.5％和±1.0％。所以，这台测温 仪表的精度等级只能定为1.0级。 【 例 题 3-2】 现 需 选 择 一 台 测 温 范 围 为 0 ～ 500℃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℃，试问应选择一台 精度等级为几级的仪表才能满足工艺要求？ 解：工艺允许误差为： 去掉±和%后，该表的精度值 为0.8，也是介于0.5～1.0之间，而0.5 级表和1.0级表的允许误差E表允分别为 ±0.5％和±1.0％。所以，应选择0.5 级的仪表才能满足工艺上的要求。 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 度等级应向高靠（取小值）。 仪表的精度等级在仪表面板上的 表示符号通常为： 等。 2．变差 也叫回差， 用来表示测量仪表的 恒定度。变差说明了 仪表的正向（上升） 特性与反向（下降） 特性的不一致程度。 当工作条件不变时，使用同一块 仪表对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）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，如图3-1所示，它的绝对表示 法为： e ’=x上-x下 （3-6） e E 100% 变差也可以用引用误差的形式表示，则有： R S 和最大绝对误差一样，仪表的 最大变差也不能大于仪表的允许误差。 即： │emax’│≤│e表允│ （3-8） 或 │E引max’│≤│E表允│ （39） 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 3．灵敏度与灵敏限 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 或角位移）与引起这个变化的输入（即被 测变量）变化量的比值。 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。 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。 表示仪表灵敏性能的另一指标是 灵敏限。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。 4．线性度 对于理论上具有 线性刻度特性的仪表,即输 入量与输出量呈线性关系， 但在使用中会因各种因素 的影响，使仪表的实际特 性偏离其理论上的线性特 性 ， 如 图 3-2 所 示 。 这 种 偏差称为非线性误差。 检测仪表的性能 指标还有一些，在此就不 一一介绍了。 （三）检测仪表的发展方向 化工检测技术及仪表的发展是相当迅速的。 其主要表现为： 1．检测技术的现代化 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、微波、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、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 生传感学作为一门新型学科也正在得到迅速的发展。 2．检测仪表的数字化、集成化和智能化 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 前检测仪表的发展方向之一。这样既可以提高 仪表的精度，也便于与计算机直接连接。另外， 为了将模拟仪表的连续直观和数字仪表的高精 度相结合，人们正在将模拟-数字混合测量法应 用于新型仪表。如果将光导纤维传输技术和信 息处理技术应用于仪表，也必将会推动检测技 术和检测仪表的新进展。 检测仪表在半导体技术的基础上， 进一步实现了“材料、器件、电路、仪表” 的一体化，出现了固态传感器，开创了检 测仪表的新途径，集成化的检测仪表使得 整体构造简单、体积小、使用方便、抗干 扰能力强，有利于改善仪表的性能和降低 成本。 微处理器（CPU）的普及应用将导致 仪表技术的革命。在检测仪表中，采用以大 规模集成电路为基础的微处理器或单片微型 计算机，可以使仪表具有自动校准、自调零、 自选量程、自动检测以及信息变换、数据的 统计处理等多种功能，从而实现智能化。智 能传感器被普遍应用于计算机控制系统中。 3．检测过程的模型化 采用软测量技术和数据校正技术， 建立多变量动态过程模型，进行模型预测、 组分推断等。 习题和思考题(92页): 第2、4、5、6题。