儀表及自動化第三章檢測儀表與傳感器

1、儀表及自動化第三章 檢測儀表與傳感器 教學要求掌握儀表精度的意義及與測量誤差的關系初步掌握儀表的性能指標掌握壓力檢測儀表的基本原理初步掌握壓力表的選用方法了解智能型壓力變送器重 點精度的意義與測量誤差的關系彈簧管壓力表的基本原理霍爾片式壓力傳感器的基本原理電容式壓力變送器第一節(jié) 概述用來檢測這些參數的技術工具稱為檢測儀表。用來將這些參數轉換為一定的便于傳送的信號的儀表通常稱為傳感器。近來把傳感器直接定義為:能感知，并檢測出被測對象之信息的機器。也就是說,傳感器能夠代替人的五官(視、聽、嗅、味、觸) 來完成某些功能的機器。同時，即使人的五官不能感知的現象(例如紅外線、電磁波、超聲波等)也能感知。

2、當傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標準信號時，通常稱為變送器。第一節(jié) 概述1.1 測量過程與測量誤差 測量過程都是將被測參數與其相應的測量單位進行比較的過程，而測量儀表就是實現這種比較的工具。 檢測過程的實質在于被測參數都要經過能量形式的一次或多次轉換，最后得到便于測量的信號形式，然后與相應的測量單位進行比較，由指針位移或數字形式顯示出來。 一次敏感元件變換顯示裝置傳輸處理測量電路被測參數第一過程第二過程 例如，用水銀溫度計測量水溫過程：首先水的熱能傳給玻璃，再由玻璃傳遞給水銀，水銀受熱則水銀柱升高，水的熱能轉換成水銀柱的位能。這是能量形式的一次轉換；在溫度計讀數時是拿水銀柱的高度與玻璃上標

3、準溫度刻度進行比較而顯示出讀數。這是測量單位的比較過程。該檢測系統除被測對象外，只包括有一次敏感元件（水銀）和顯示裝置（玻璃刻度）二部分組成。第一節(jié) 概述第一節(jié) 概述絕對誤差xi：儀表指示值， xt：被測量的真值由于真值無法得到 x：被校表的讀數值，x0 ：標準表的讀數值 相對誤差 測量誤差指由儀表讀得的被測值與被測量真值之間的差距。通常有兩種表示方法，即絕對誤差和相對誤差。 第一節(jié) 概述1.2 儀表的性能指標(1) 精確度（簡稱精度）說明：儀表的測量誤差可以用絕對誤差來表示。但是，儀表的絕對誤差在測量范圍內的各點不相同。因此，常說的“絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大值max。 兩大影響因素絕

4、對誤差和儀表的測量范圍相對百分誤差允許誤差第一節(jié) 概述 儀表的允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的允越小，表示儀表的精確度越高。將儀表的允許相對百分誤差去掉“”號及“”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，等。小結第一節(jié) 概述舉例例1某臺測溫儀表的測溫范圍為200700，校驗該表時得到的最大絕對誤差為4，試確定該儀表的精度等級。 解 該儀表的相對百分誤差為 如果將該儀表的去掉“”號與“”號，其數值為。由于國家規(guī)定的精度等級中沒有級儀表，同時，該儀表的誤差超過了級儀表所允許的最大誤差，所以，這臺測溫儀表的精度等級為級。 第一節(jié) 概述例2某臺測溫儀表的測溫范圍為1000

5、。根據工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過，試問應如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？ 解 根據工藝上的要求，儀表的允許誤差為 如果將儀表的允許誤差去掉“”號與“”號，其數值介于之間，如果選擇精度等級為級的儀表，其允許的誤差為，超過了工藝上允許的數值，故應選擇級儀表才能滿足工藝要求。第一節(jié) 概述儀表的精度等級是衡量儀表質量優(yōu)劣的重要指標之一。 精度等級數值越小，就表征該儀表的精確度等級越高，也說明該儀表的精確度越高。級以上的儀表，常用來作為標準表；工業(yè)現場用的測量儀表，其精度大多在以下。 儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標志在儀表面板上。舉例如：第一節(jié) 概述 根據儀表校驗數據來確定儀表

6、精度等級和根據工藝要求來選擇儀表精度等級，情況是不一樣的。根據儀表校驗數據來確定儀表精度等級時，儀表的允許誤差應該大于（至少等于）儀表校驗所得的相對百分誤差；根據工藝要求來選擇儀表精度等級時，儀表的允許誤差應該小于（至多等于）工藝上所允許的最大相對百分誤差。 小結第一節(jié) 概述(2) 變差 變差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進行正反行程（即被測參數逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時，被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的最大偏差。 圖3-1 測量儀表的變差第一節(jié) 概述(3) 靈敏度與靈敏限 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

7、數變化量的比值。即 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變化量。 儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數的最小變化量。通常儀表靈敏限的數值應不大于儀表允許絕對誤差的一半。 注意：上述指標僅適用于指針式儀表。在數字式儀表中，往往用分辨力表示。 第一節(jié) 概述(4)分辨率 對于數字式儀表，分辨力是指數字顯示器的最末位數字間隔所代表的被測參數變化量。 不同量程的分辨力是不同的，相應于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力，也叫靈敏度。通常以最高分辨力作為數字電壓表的分辨力指標。當數字式儀表的靈敏度用它與量程的相對值表示時，便是分辨率。第一節(jié) 概述(5) 線性度

8、 線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準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系。 圖3-2 線性度示意圖 式中，f為線性度（又稱非線性誤差）；fmax為校準曲線對于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計算）。 第一節(jié) 概述(6) 反應時間 反應時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數變化的品質指標。反應時間長，說明儀表需要較長時間才能給出準確的指示值，那就不宜用來測量變化頻繁的參數。 儀表反應時間的長短，實際上反映了儀表動態(tài)特性的好壞。 儀表的反應時間有不同的表示方法 當輸入信號突然變化一個數值后，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

9、出信號由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的（95）所用的時間，可用來表示反應時間。第一節(jié) 概述1.3 工業(yè)儀表的分類(1) 按儀表使用的能源分類氣動儀表、電動儀表、液動儀表 以電為能源，信號之間聯系比較方便，適宜于遠距離傳送和集中控制；便于與計算機聯用；現在電動儀表可以做到防火、防爆，更有利于電動儀表的安全使用。 一般結構較復雜；易受溫度、濕度、電磁場、放射性等環(huán)境影響。 優(yōu)點缺點常用第一節(jié) 概述(2) 按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過程分類 檢測儀表 作用是獲取信息，并進行適當的轉換。 顯示儀表 作用是將由檢測儀表獲得的信息顯示出來。 集中控制裝置 包括各種巡回檢測儀、巡回控制儀等?？刂苾x表 可以根據需

10、要對輸入信號進行各種運算。 執(zhí)行器 可以接受控制儀表的輸出信號或直接來自操作員的指令，對生產過程進行操作或控制。 第一節(jié) 概述圖3-3 各類儀表的作用第一節(jié) 概述(3) 按儀表的組成形式分類 基地式儀表特點是將測量、顯示、控制等各部分集中組裝在一個表殼里，形成一個整體。這種儀表比較適于在現場做就地檢測和控制，但不能實現多種參數的集中顯示與控制。這在一定程度上限制了基地式儀表的應用范圍。 分為基地式儀表和單元組合儀表 第一節(jié) 概述 生產過程中的單元組合儀表有電動單元組合儀表和氣動單元組合儀表兩種。國產的電動單元組合儀表簡稱DDZ儀表；氣動單元組合儀表簡稱QDZ儀表。注意 單元組合儀表是將對參數的

11、測量及其變送、顯示、控制等各部分，分別制成能獨立工作的單元儀表（簡稱單元，例如變送單元、顯示單元、控制單元等）。這些單元之間以統一的標準信號互相聯系，可以根據不同要求，方便地將各單元任意組合成各種控制系統，適用性和靈活性都很好。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表2.1 壓力單位及測量儀表壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力。壓力的單位為帕斯卡，簡稱帕（Pa）第二節(jié) 壓力檢測及儀表 為了使大家了解國際單位制中的壓力單位（Pa或MPa）與過去的單位之間的關系，下面給出幾種單位之間的換算關系表。 壓力單位帕/Pa兆帕/ MPa工程大氣壓/ (kgf/cm2)物理大氣壓/ atm汞柱/ mmHg水柱/ mH2

12、O（磅/英寸2）/ （1b/in2）巴/bar帕111061.019710-59.86910-67.50110-31.019710-41.45010-4110-5兆帕1106110.1979.8697.5011031.01971021.45010210工程大氣壓9.8071049.80710-210.9678735.610.0014.220.9807物理大氣壓1.01331050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.33321021.333210-41.359510-31.315810-310.01361.93410-21.333210-3水柱9.806103

13、9.80610-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.8951036.89510-30.070310.0680551.710.703110.06895巴11050.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1 各種壓力單位換算表第二節(jié) 壓力檢測及儀表p表P真P絕P絕大氣壓力線絕對壓力的零線在壓力測量中，常有表壓、絕對壓力、負壓或真空度之分。 當被測壓力低于大氣壓力時，一般用負壓或真空度來表示。圖3-4絕對壓力、表壓、負壓（真空度）的關系第二節(jié) 壓力檢測及儀表測量壓力或真空度的儀表按照其轉換原理的不同，分為四類。(1)液柱式壓力

14、計 它根據流體靜力學原理，將被測壓力轉換成液柱高度進行測量。 按其結構形式的不同 有U形管壓力計、單管壓力計等 優(yōu)點這類壓力計結構簡單、使用方便 缺點 其精度受工作液的毛細管作用、密度及視差等因素的影響，測量范圍較窄，一般用來測量較低壓力、真空度或壓力差。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表第二節(jié) 壓力檢測及儀表U形管壓力計第二節(jié) 壓力檢測及儀表(2) 彈性式壓力計 它是將被測壓力轉換成彈性元件變形的位移進行測量的。例如：彈簧管壓力計、波紋管壓力計及膜式壓力計等。 它可以用來測量幾十至幾千Pa正壓或負壓。通常用來測量風壓、煙道、煙囪和爐膛的壓力等。第二節(jié) 壓力檢測及儀表膜式微壓計第二節(jié) 壓力檢測及儀表(3

15、) 電氣式壓力計 它是通過機械和電氣元件將被測壓力轉換成電量（如電壓、電流、頻率等）來進行測量的儀表。 壓力傳感器：能檢測壓力值并提供遠傳電信號的裝置。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表(4) 活塞式壓力計 它是根據水壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉換成活塞上所加平衡砝碼的質量來進行測量的。 優(yōu)點缺點測量精度很高，允許誤差可小到0.05%0.02%。 結構較復雜，價格較貴。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表活塞式壓力計是校驗、標定壓力表和壓力傳感器等的標準儀器之一，也是一種標準壓力發(fā)生器。 活塞式壓力計 第二節(jié) 壓力檢測及儀表2.2 彈性式壓力計定義 彈性式壓力計是利用各種形式的彈性元件，在被測介質壓力的作用

16、下，使彈性元件受壓后產生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。 優(yōu)點 具有結構簡單、使用可靠、讀數清晰價格低廉、測量范圍寬以及有足夠的精度等優(yōu)點。 可用來測量幾百帕到數千兆帕范圍內的壓力。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表(1) 彈性元件 彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。當測壓范圍不同時，所用的彈性元件也不一樣。 圖3-5 彈性元件示意圖 彈簧管式彈性元件如圖(a)和(b)所示，薄膜式彈性元件如圖(c)和(d)所示，波紋管式彈性元件如圖(e)所示。第二節(jié) 壓力檢測及儀表(2) 彈簧管壓力表 分類使用的測壓元件 單圈彈簧管壓力表與多圈彈簧管壓力表。 用途 普通彈簧管壓力表，耐腐蝕的氨用壓力表、禁油的氧氣壓

17、力表等。 1彈簧管；2 拉桿；3 扇形齒輪；4 中心齒輪；5 指針；6 面板；7 游絲；8 調整螺絲；9 接頭彈簧壓力表第二節(jié) 壓力檢測及儀表基本測量原理 單圈彈簧管是一根彎成270圓弧的橢圓截面的空心金屬管子。管子的自由端B封閉，另一端固定在接頭上。當通入被測的壓力p后，由于橢圓形截面在壓力p的作用下，將趨于圓形，而彎成圓弧形的彈簧管也隨之產生擴張變形。同時，使彈簧管的自由端B產生位移。輸入壓力p越大，產生的變形也越大。由于輸入壓力與彈簧管自由端B的位移成正比，所以只要測得B點的位移量，就能反映壓力p的大小。 注意：彈簧管自由端B的位移量一般很小，直接顯示有困難，所以必須通過放大機構才能指示

18、出來。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表第二節(jié) 壓力檢測及儀表 在生產過程中，常需要把壓力控制在某一范圍內，即當壓力低于或高于給定范圍時，就會破壞正常工藝條件，甚至可能發(fā)生危險。這時就應采用帶有報警或控制觸點的壓力表。將普通彈簧管壓力表稍加變化，便可成為電接點信號壓力表，它能在壓力偏離給定范圍時，及時發(fā)出信號，以提醒操作人員注意或通過中間繼電器實現壓力的自動控制。 警惕！第二節(jié) 壓力檢測及儀表圖3-7 電接點信號壓力表1，4 靜觸點；2 動觸點；3 綠燈；5 紅燈 壓力表指針上有動觸點2，表盤上另有兩根可調節(jié)指針，上面分別有靜觸點1和4。當壓力超過上限給定數值時，2和4接觸，紅色信號燈5的電路被接通，紅

19、燈發(fā)亮。若壓力低到下限給定數值時，2與1接觸，接通了綠色信號燈3的電路。1、4的位置可根據需要靈活調節(jié)。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表2.3 電氣式壓力計定義電氣式壓力計是一種能將壓力轉換成電信號進行傳輸及顯示的儀表。 優(yōu)點1. 該儀表的測量范圍較廣，分別可測710-5Pa至5102MPa的壓力，允許誤差可至0.2； 2. 由于可以遠距離傳送信號，所以在工業(yè)生產過程中可以實現壓力自動控制和報警，并可與工業(yè)控制機聯用。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表圖3-8 電氣式壓力計組成方框圖組成 一般由壓力傳感器、測量電路和信號處理裝置所組成。常用的信號處理裝置有指示儀、記錄儀以及控制器、微處理機等。 第二節(jié) 壓力檢測

20、及儀表幾種常見的傳感器或變送器：2.3.1 霍爾片式壓力傳感器 霍爾片式壓力傳感器是根據霍爾效應制成的，即利用霍爾元件將由壓力所引起的彈性元件的位移轉換成霍爾電勢，從而實現壓力的測量。 圖3-9 霍爾效應 霍爾電勢可用下式表示 式中，UH為霍爾電勢；RH為霍爾常數，與霍爾片材料、幾何形狀有關；B為磁感應強度；I為控制電流的大小。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表注意 霍爾電勢與磁感應強度和電流成正比。提高B和I值可增大霍爾電勢UH，但兩者都有一定限度，一般I為320mA，B約為幾千高斯，所得的霍爾電勢UH約為幾十毫伏數量級。 導體也有霍爾效應，不過它們的霍爾電勢遠比半導體的霍爾電勢小得多。 第二節(jié) 壓力

21、檢測及儀表 將霍爾元件與彈簧管配合，就組成了霍爾片式彈簧管壓力傳感器，如圖3-10所示。 圖3-10 霍爾片式壓力傳感器1彈簧管；2 磁鋼；3 霍爾片 當被測壓力引入后，在被測壓力作用下，彈簧管自由端產生位移，因而改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置，使所產生的霍爾電勢與被測壓力成比例。 利用這一電勢即可實現遠距離顯示和自動控制。第二節(jié) 壓力檢測及儀表2.3.2 應變片壓力傳感器 應變片式壓力傳感器利用電阻應變原理構成。電阻應變片有金屬和半導體應變片兩類，被測壓力使應變片產生應變。當應變片產生壓縮（拉伸）應變時，其阻值減?。ㄔ黾樱?，再通過橋式電路獲得相應的毫伏級電勢輸出，并用毫伏計或其他記錄儀表顯

22、示出被測壓力，從而組成應變片式壓力計。 圖3-11 應變片壓力傳感器示意圖1應變筒；2外殼；3密封膜片第二節(jié) 壓力檢測及儀表2.3.3 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應而構成。 采用單晶硅片為彈性元件，在單晶硅膜片上利用集成電路的工藝，在單晶硅的特定方向擴散一組等值電阻，并將電阻接成橋路，單晶硅片置于傳感器腔內。 當壓力發(fā)生變化時，單晶硅產生應變，使直接擴散在上面的應變電阻產生與被測壓力成比例的變化，再由橋式電路獲得相應的電壓輸出信號。 工作原理第二節(jié) 壓力檢測及儀表圖3-12 壓阻式壓力傳感器1基座；2單晶硅片；3導環(huán)；4螺母；5密封墊圈；6等效電阻特點 精度高、工作可

23、靠、頻率響應高、遲滯小、尺寸小、重量輕、結構簡單； 便于實現顯示數字化； 可以測量壓力，稍加改變，還可以測量差壓、高度、速度、加速度等參數。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表2.3.4 電容式壓力變送器 電容式壓力變送器是一種開環(huán)檢測儀表，具有結構簡單、過載能力強、可靠性好、測量精度高等優(yōu)點，其輸出信號是標準的420mA（DC）電流信號。 工作原理圖3-14 電容式差壓變送器原理圖1隔離膜片；2，7固定電極；3硅油；4測量膜片；5玻璃層；6底座；8引線先將壓力的變化轉換為電容量的變化，然后進行測量。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表 電容式差壓變送器的結構可以有效地保護測量膜片，當差壓過大并超過允許測量范圍時，測

24、量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，過載后的恢復特性很好，這樣大大提高了過載承受能力。與力矩平衡式相比，電容式沒有杠桿傳動機構，因而尺寸緊湊，密封性與抗振性好，測量精度相應提高，可達級。 小結第二節(jié) 壓力檢測及儀表2.4 智能型壓力變送器 智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎上增加微處理器電路而形成的智能檢測儀表。 可進行遠程通信 利用手持通信器，可對現場變送器進行各種運行參數的選擇和標定；其精確度高，使用與維護方便。 特點第二節(jié) 壓力檢測及儀表舉例以美國費希爾-羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為例介紹其工作原理。圖3-15 3051C型智能差壓變送器（42

25、0mA）方框圖第二節(jié) 壓力檢測及儀表圖3-16 手持通信器的連接示意圖 3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤及液晶顯示器?？梢越釉诂F場變送器的信號端子上，就地設定或檢測，也可以在遠離現場的控制室中，接在某個變送器的信號線上進行遠程設定及檢測。 實現的功能（1）組態(tài)（2）測量范圍的變更（3）變送器的校準（4）自診斷第二節(jié) 壓力檢測及儀表 要對智能型差壓變送器每五年校驗一次，智能型差壓變送器與手持通信器結合使用，可遠離生產現場，尤其是危險或不易到達的地方，給變送器的運行和維護帶來了極大的方便。 注意常見壓力傳感器外形 工業(yè)壓力變送器數字壓力變送器通用壓力變送器隔離壓力變送

26、器高溫壓力變送器隔離壓差變送器隔離液位變送器微壓變送器電容壓力變送器隔膜壓力變送器絕壓變送器雙膜壓差變送器微型探針壓力計暖風空調壓力計濕式壓力變送器本安壓力變送器OEM血壓計OEM壓力芯片第二節(jié) 壓力檢測及儀表2.5 壓力計的選用及安裝2.5.1 壓力計的選用 壓力計的選用應根據工藝生產過程對壓力測量的要求，結合其他各方面的情況，加以全面的考慮和具體的分析， 一般考慮以下幾個問題。 儀表類型的選用 儀表精度級的選取 儀表測量范圍的確定（1）儀表的類型的選用工藝要求：現場檢測、遠傳、自動記錄、報警介質性質：腐蝕性、溫度、粘度、壓力、易燃易爆性環(huán)境條件：高溫、電磁場、振動（2）儀表的測量范圍的確定測量穩(wěn)定壓力：低壓：上限值測量脈動壓力：上限值高壓：上限值第二節(jié) 壓力檢測及儀表被測壓力的最小值：（3）儀表的精度的選取選擇原則：儀表允許誤差工藝允許最大誤差第二節(jié) 壓力檢測及儀表第二節(jié) 壓力檢測及儀表舉例 例3 某臺往復式壓縮機的出口壓力范圍為2528MPa，測量誤差不得大于1MPa。工藝上要求就地觀察，并能高低限報警，試正確選用一臺壓力表，指出型號、精度與測量范圍。 解由于往復式壓縮機的出口壓力脈動較大，所以選擇儀表的上限值為 根據就地觀察及能進行高低限報警的要求，由本章附錄一，可查得選用YX-150型電接點壓力表，測量范圍為060MP