檢測儀表基本知識羅 1

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第三章第三章 檢測儀表與傳感器檢測儀表與傳感器 被測顯示、控制儀表(裝置)變量傳感器參數(shù)檢測的基本過程被測對象變送器Pam15VDC420mA010mAmVHzuA被測量傳感器變送器顯示、控制儀表(裝置)測量過程與測量誤差測量過程與測量誤差測量測量是用實(shí)驗(yàn)的方法是用實(shí)驗(yàn)的方法, ,求出某個量的大小。求出某個量的大小。 qVQ 舉例測一段導(dǎo)線的長度直接測量直接測量間接測量間接測量測量實(shí)質(zhì)：測量實(shí)質(zhì)：是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比較的過程。較的過程。 2秒的定義秒的定義v 古代天文學(xué)家及物理學(xué)家利用觀測日影的變化或水位的變古

2、代天文學(xué)家及物理學(xué)家利用觀測日影的變化或水位的變化來計(jì)時。隨著科技進(jìn)步，近代科學(xué)家發(fā)明單擺鐘及石英化來計(jì)時。隨著科技進(jìn)步，近代科學(xué)家發(fā)明單擺鐘及石英振蕩器，利用單擺或石英晶體的振蕩周期來計(jì)時。但上述振蕩器，利用單擺或石英晶體的振蕩周期來計(jì)時。但上述計(jì)時方式易受環(huán)境、溫度、材質(zhì)、電磁場甚至觀測者觀測計(jì)時方式易受環(huán)境、溫度、材質(zhì)、電磁場甚至觀測者觀測角度等影響，穩(wěn)定度不佳，須由天體（地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、角度等影響，穩(wěn)定度不佳，須由天體（地球自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、月球公轉(zhuǎn)）周期來校正月球公轉(zhuǎn)）周期來校正 v 二十世世紀(jì)中葉，由于量子力學(xué)的發(fā)展以銫原子二十世世紀(jì)中葉，由于量子力學(xué)的發(fā)展以銫原子(133)(133)的

3、的原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射9,192,631,7709,192,631,770周所周所持續(xù)的時間。持續(xù)的時間。 千克的定義千克的定義v 以鉑銥合金制成、底面直徑為以鉑銥合金制成、底面直徑為3939毫米、高為毫米、高為3939毫米的國際毫米的國際千克原器（圓柱體）的質(zhì)量被規(guī)定為千克原器（圓柱體）的質(zhì)量被規(guī)定為1 1千克。目前它保存千克。目前它保存在法國巴黎的國際計(jì)量局里。在法國巴黎的國際計(jì)量局里。 一米是怎樣定義的一米是怎樣定義的 v 國際單位制中長度的單位，是七個基本單位之一。國際單位制中長度的單位，是七個基本單位之一。19831983年年被定義為光在真

4、空中被定義為光在真空中1/2997924581/299792458秒的時間內(nèi)所通過的距秒的時間內(nèi)所通過的距離。（第離。（第1717屆國際計(jì)量大會，第一號決議）屆國際計(jì)量大會，第一號決議） 測量過程與測量誤差測量過程與測量誤差測量誤差：測量誤差：由儀表讀得的被測值由儀表讀得的被測值 ( (測量值測量值) )與被測參與被測參數(shù)的真實(shí)值之間的差距。數(shù)的真實(shí)值之間的差距。 測量誤差按其測量誤差按其產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因的不同的不同, ,可以分為三類：可以分為三類：系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差 疏忽誤差疏忽誤差偶然誤差偶然誤差3測量過程與測量誤差測量過程與測量誤差絕對誤差ttIxxxxxxx或000tIxx xI：儀表指

5、示值, xt：被測量的真值0 xx由于真值無法得到 x：被校表的讀數(shù)值，x0 ：標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)值 相對誤差4檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)5說明：說明：儀表的測量誤差可以用絕對誤差儀表的測量誤差可以用絕對誤差來表示。但是，來表示。但是，儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點(diǎn)不相同儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點(diǎn)不相同。因此，常說。因此，常說的的“絕對誤差絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大值指的是絕對誤差中的最大值max。 兩大影響因素兩大影響因素絕對誤差和儀表的標(biāo)尺范圍絕對誤差和儀表的標(biāo)尺范圍檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)%100max標(biāo)尺下限值標(biāo)尺上限值%100標(biāo)尺下限值標(biāo)尺上限值差值儀表

6、允許的最大絕對誤允6maxmaxmin100%xx最大絕對誤差量程檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)%8 . 0%10020070048舉例例1-1某臺測溫儀表的測溫范圍為200700，校驗(yàn)該表時得到的最大絕對誤差為4，試確定該儀表的相對百分誤差與準(zhǔn)確度等級。 解解 該儀表的相對百分誤差為該儀表的相對百分誤差為 如果將該儀表的如果將該儀表的去掉去掉“”號與號與“”號，其數(shù)值為號，其數(shù)值為0.80.8。由于國家規(guī)定的精度等級中沒有由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.80.8級儀表，同時，該儀表的誤級儀表，同時，該儀表的誤差超過了差超過了0.50.5級儀表所允許的最大誤差，所以，這臺測溫儀表的級儀表

7、所允許的最大誤差，所以，這臺測溫儀表的精度等級為精度等級為1.01.0級。級。 例2. 某臺測溫儀表的測溫范圍為2001000,工藝上要求測溫誤差不能大于5,試確定應(yīng)選儀表的準(zhǔn)確度等級。 工藝上允許的相對百分誤差為工藝上允許的相對百分誤差為 %625. 0%10020010005允 要求所選的儀表的相對百分誤差不能大于工藝上的要求所選的儀表的相對百分誤差不能大于工藝上的允允, ,才能保證測溫誤差不大于才能保證測溫誤差不大于5,5,所以所選儀表的準(zhǔn)確度等所以所選儀表的準(zhǔn)確度等級應(yīng)為級應(yīng)為0.50.5級。當(dāng)然儀表的準(zhǔn)確度等級越高級。當(dāng)然儀表的準(zhǔn)確度等級越高, ,能使測溫誤差能使測溫誤差越小越小,

8、,但為了不增加投資費(fèi)用但為了不增加投資費(fèi)用, ,不宜選過高準(zhǔn)確度的儀表。不宜選過高準(zhǔn)確度的儀表。 32檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo) 儀表的儀表的允允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的的允允越小，表示儀表的精確度越高。將儀表的允許相對越小，表示儀表的精確度越高。將儀表的允許相對百分誤差去掉百分誤差去掉“”號及號及“”號，便可以用來確定儀表號，便可以用來確定儀表的精確度等級。目前常用的精確度等級有的精確度等級。目前常用的精確度等級有0.0050.005，0.020.02，0.050.05，0.10.1，0.20.2，0.40.4，0.50.5，1.0

9、1.0，1.51.5，2.52.5，4.04.0等。等。小結(jié)小結(jié)7檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)9儀表的準(zhǔn)確度等級儀表的準(zhǔn)確度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。 準(zhǔn)確度等級數(shù)值越小，就表征該儀表的準(zhǔn)確度等級越高，準(zhǔn)確度等級數(shù)值越小，就表征該儀表的準(zhǔn)確度等級越高，儀表的準(zhǔn)確度越高。工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表，其準(zhǔn)確度大多儀表的準(zhǔn)確度越高。工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表，其準(zhǔn)確度大多在在0.50.5級以下。級以下。 儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標(biāo)志在儀表面儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標(biāo)志在儀表面板上。板上。舉例舉例1.51.0如：如：檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢

10、測儀表的品質(zhì)指標(biāo)注意注意 在工業(yè)上應(yīng)用時在工業(yè)上應(yīng)用時, ,對檢測儀表準(zhǔn)確度的要求對檢測儀表準(zhǔn)確度的要求, ,應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)操作的實(shí)際情況和該參數(shù)對整個工藝應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)操作的實(shí)際情況和該參數(shù)對整個工藝過程的影響程度所提供的誤差允許范圍來確定過程的影響程度所提供的誤差允許范圍來確定, ,這樣才能保證生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。這樣才能保證生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。 10檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)%100標(biāo)尺下限值標(biāo)尺上限值最大絕對差值變差 變差變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對被是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對被測量在儀表全部測量范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即被測參數(shù)逐測量在儀表全部測量范圍

11、內(nèi)進(jìn)行正反行程（即被測參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到?。y量時，被測量值正行和反漸由小到大和逐漸由大到?。y量時，被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的差值。行所得到的兩條特性曲線之間的差值。 圖圖1-1 1-1 測量儀表的變測量儀表的變差差11檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)12 儀表的靈敏度儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移，與引起這個位移的被測參數(shù)變化量的比值。即xS 式中，S為儀表的靈敏度；為指針的線位移或角位移；x為引起所需的被測參數(shù)變化量。 儀表的靈敏限儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數(shù)的最小變化量。通常儀表靈敏限的數(shù)值應(yīng)不大于儀表允許絕對誤差的一半。

12、注意：注意：上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，往往用分辨率表示。往往用分辨率表示。 檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)%100max儀表量程ff14 線性度線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實(shí)際校準(zhǔn)曲線與理論直線的吻合程度。通常總是希望測量儀表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。 圖1-2 線性度示意圖 式中式中，f為線性度（又稱非線性誤差）；fmax為校準(zhǔn)曲線對于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計(jì)算）。 檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)13 反應(yīng)時間反應(yīng)時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo)。反應(yīng)時間長，說明儀表

13、需要較長時間才能給出準(zhǔn)確的指示值，那就不宜用來測量變化頻繁的參數(shù)。 儀表反應(yīng)時間的長短，實(shí)際上反映了儀表動態(tài)特性的好壞。 儀表的反應(yīng)時間有不同的表示方法 當(dāng)輸入信號突然變化一個數(shù)值后，輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值。 儀表的輸出信號由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63.2（95）所用的時間，可用來表示反應(yīng)時間。檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo) 重復(fù)性重復(fù)性表示檢測儀表在被測參數(shù)按同一方向作全量表示檢測儀表在被測參數(shù)按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得標(biāo)定特性曲線不一致的程度。若程連續(xù)多次變動時所得標(biāo)定特性曲線不一致的程度。若標(biāo)定的特性曲線一致標(biāo)定的特性曲線一致, ,重復(fù)性就好重復(fù)性就好, ,

14、重復(fù)性誤差就小。重復(fù)性誤差就小。 圖圖1-3 重復(fù)性示意圖重復(fù)性示意圖%100max儀表量程ZZ15例題分析例題分析1. 1. 某臺具有線性關(guān)系的溫度變送器某臺具有線性關(guān)系的溫度變送器, ,其測溫范圍為其測溫范圍為 0 0200,200,變送器的輸出為變送器的輸出為 4 420mA20mA。對這臺溫度變送器進(jìn)行校驗(yàn)。對這臺溫度變送器進(jìn)行校驗(yàn), ,得得到下列數(shù)據(jù)到下列數(shù)據(jù): : 輸入信號輸入信號 標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)準(zhǔn)溫度/0 05050100100150150200200輸出信號輸出信號/mA/mA正行程讀數(shù)正行程讀數(shù)x正正正行程讀數(shù)正行程讀數(shù)x反反4 44.024.028 88.108.1012.01

15、12.0112.1012.1016.0116.0116.0916.09202020.0120.01試根據(jù)以上校驗(yàn)數(shù)據(jù)確定該儀表的變差、準(zhǔn)確度等級與線性試根據(jù)以上校驗(yàn)數(shù)據(jù)確定該儀表的變差、準(zhǔn)確度等級與線性度。度。264輸入下限值輸入上限值輸出下限值）溫度值（輸出上限值I)(840200)420(50mAI解解: :該題的解題步驟如下。該題的解題步驟如下。 (1)(1)根據(jù)儀表的輸出范圍確定在各溫度測試點(diǎn)的輸出標(biāo)根據(jù)儀表的輸出范圍確定在各溫度測試點(diǎn)的輸出標(biāo)準(zhǔn)值準(zhǔn)值x標(biāo)。任一溫度值的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號標(biāo)。任一溫度值的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(mA(mA) )為為 例如例如, ,當(dāng)溫度為當(dāng)溫度為5050時時, ,對應(yīng)的

16、輸出應(yīng)為對應(yīng)的輸出應(yīng)為 其余類推。其余類推。 27(2)(2)算出各測試點(diǎn)正、反行程時的絕對誤差算出各測試點(diǎn)正、反行程時的絕對誤差正正與與反反 , ,并并算出正、反行程之差算出正、反行程之差變變 , ,分別填入下表內(nèi)分別填入下表內(nèi)( (計(jì)算計(jì)算變變時可時可不考慮符號不考慮符號, ,取正值取正值) )。 輸入信號輸入信號/ /0 05050100100150150200200輸出信號輸出信號/mA/mA正行程讀數(shù)正行程讀數(shù)x正正反行程讀數(shù)反行程讀數(shù)x反反標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)值4 44.024.024 48 88.108.108 812.0112.0112.1012.10121216.0116.0116.0

17、916.091616202020.0120.012020絕對誤差絕對誤差/mA/mA正行程正行程正正反行程反行程反反 0 00.020.020 00.100.100.010.010.100.100.010.010.090.090 00.010.01正反行程之差正反行程之差變變 0.020.020.100.100.090.090.080.080.010.0128 (3)(3)由上表找出最大的絕對誤差由上表找出最大的絕對誤差maxmax , ,并計(jì)算最并計(jì)算最大的相對百分誤差大的相對百分誤差maxmax。由上表可知。由上表可知 )(10. 0maxmA%625. 0%10042010. 0max

18、去掉去掉maxmax的的“”號及號及“%”%”號后號后, ,其數(shù)值為其數(shù)值為0.625 ,0.625 ,數(shù)數(shù)值在值在0.50.51.01.0之間之間, ,由于該表的由于該表的maxmax已超過已超過0.50.5級表所允許的級表所允許的允允, ,故該表的準(zhǔn)確度等級為故該表的準(zhǔn)確度等級為1.01.0級。級。 29%625. 0%100420max變變(4)(4)計(jì)算變差計(jì)算變差 由于該變差數(shù)值在由于該變差數(shù)值在1.01.0級表允許的誤差范圍內(nèi)級表允許的誤差范圍內(nèi), ,故不影響表的準(zhǔn)確度等級。注意若變差數(shù)值故不影響表的準(zhǔn)確度等級。注意若變差數(shù)值變變maxmax超過了絕對誤差超過了絕對誤差maxmax , ,則應(yīng)以則應(yīng)以變變maxmax來確定儀表的來確定儀表的準(zhǔn)確度等級。準(zhǔn)確度等級。 30(5)5)由計(jì)算結(jié)果可知由計(jì)算結(jié)果可知,