第3章檢測(cè)儀表與傳感器

第三章檢測(cè)儀表與傳感器

—壓力測(cè)量化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院石新雨湖北民族學(xué)院概述1

壓力檢測(cè)及儀表2

流量檢測(cè)及儀表3第3章檢測(cè)儀表與傳感器物位檢測(cè)及儀表4

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與傳感器的發(fā)展6

溫度檢測(cè)及儀表5√√本章基本要求：了解壓力單位及測(cè)壓儀表的幾種分類；了解液柱式壓力計(jì)與活塞式壓力計(jì)的基本原理；初步掌握電氣式和彈性式壓力計(jì)的基本原理及其選用方法。了解各種流量計(jì)的測(cè)量原理；重點(diǎn)掌握差壓式流量計(jì)及轉(zhuǎn)子流量計(jì)的基本原理和應(yīng)用。了解各種液位測(cè)量方法；掌握差壓式液位計(jì)的工作原理；初步掌握液位測(cè)量中零點(diǎn)遷移的意義及計(jì)算方法。掌握熱電偶溫度計(jì)及熱電阻溫度計(jì)的測(cè)溫原理。熟悉熱電偶溫度測(cè)量中的冷端溫度補(bǔ)償?shù)淖饔眉胺椒ā?.1概述一、測(cè)量過程與測(cè)量誤差二、儀表的性能指標(biāo)三、檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成四、工業(yè)儀表的分類第3章檢測(cè)儀表與傳感器一、測(cè)量過程與測(cè)量誤差1.測(cè)量過程實(shí)質(zhì)：將被測(cè)參數(shù)與其相應(yīng)的測(cè)量單位進(jìn)行比較的過程。而測(cè)量?jī)x表就是實(shí)現(xiàn)這種比較的工具。誤差不能消除，只能減小。式中：Δ－測(cè)量的絕對(duì)誤差；xi－測(cè)量所得值；

xt－待測(cè)參數(shù)真值。絕對(duì)誤差反映了測(cè)量的精度。

準(zhǔn)確度：測(cè)量值與被測(cè)量真值的接近程度；（1）絕對(duì)誤差：測(cè)量值與被測(cè)量真值之差Q:什么是真值?什么是約定真值?相對(duì)真值?答:真值是一個(gè)變量本身所具有的真實(shí)值，它是一個(gè)理想的概念，一般是無法得到的，所以在計(jì)算誤差時(shí)，一般用約定真值或相對(duì)真值來代替。約定真值是一個(gè)接近真值的值，它與真值之差可忽略不計(jì)。實(shí)際測(cè)量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測(cè)量值之平均值作為約定真值。相對(duì)真值是指當(dāng)高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器的誤差僅為低一級(jí)的1/3～1/20時(shí)，可認(rèn)為高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)儀器或儀表示值為低一級(jí)的相對(duì)真值。相對(duì)誤差用來評(píng)價(jià)不同被測(cè)值的精度。1）實(shí)際相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值之比；2）示值相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與儀表指示值之比；3）引用相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與儀表滿刻度值之比。允許誤差：最大引用相對(duì)誤差。（2）相對(duì)誤差定義：絕對(duì)誤差Δ與標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量所得值的比較。ε－相對(duì)誤差。數(shù)值越大，精度越低，利用這一原則來統(tǒng)一規(guī)定儀表的精度等級(jí)，將允許誤差的“±”和“％”號(hào)去掉，表示儀表之精度等級(jí)。我國的儀表精度等級(jí)：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0。二、儀表的性能指標(biāo)1、精確度（精度）

衡量?jī)x表準(zhǔn)確程度的指標(biāo)，是相對(duì)百分誤差的最大值。

Δmax＝(x上－x下

)K％＝(1200一600)×0.5％＝3℃

最大允許絕對(duì)誤差為3℃，而校驗(yàn)時(shí)某點(diǎn)的最大絕對(duì)誤差是4℃，大于3℃，所以此表不合格、應(yīng)重新進(jìn)行檢查修理。例1：一臺(tái)精度等級(jí)為0.5級(jí)，量程范圍為600～1200℃的電子電位差計(jì)，它的最大允許絕對(duì)誤差是多少?校驗(yàn)時(shí)，如其中的某一點(diǎn)最大絕對(duì)誤差是4℃

，問此表是否合格?解：根據(jù)得例2：檢定一塊1.5級(jí)刻度為0～100Pa的壓力表，發(fā)現(xiàn)在50Pa處的誤差最大，為1.4Pa，其他刻度處的誤差均小于1.4Pa，問這塊壓力表是否合格?

所以，這塊壓力表合格。解：該表的最大允許誤差δ允為在規(guī)定的條件下對(duì)同一參數(shù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量時(shí)，各次讀數(shù)之間存在著差值，其中最大的差值稱為儀表的變差，變差是衡量?jī)x表顯示數(shù)值的重復(fù)性(或叫復(fù)現(xiàn)性)、穩(wěn)定性的一個(gè)品質(zhì)指標(biāo)。x正－x反被測(cè)參數(shù)儀表示值2、變差在實(shí)際工作中，測(cè)量?jī)x表變差是對(duì)同一被測(cè)參數(shù)從不同方向進(jìn)行正、反行程的測(cè)量。讀數(shù)中兩者最大差值的絕對(duì)值對(duì)儀表量程范圍的百分?jǐn)?shù)，稱為儀表的變差，則用γ表示變差、則儀表允許變差的數(shù)值應(yīng)等于或小于儀表的精度。例3：校驗(yàn)一臺(tái)量程為0～250mmH2O的差壓變送器，差壓由0上升至100mmH2O時(shí)，差壓變送器的讀數(shù)為98mmH2O。當(dāng)從250mmH2O下降至100mmH2O時(shí)，讀數(shù)為103mmH2O，問此儀表在該點(diǎn)的變差是多少?解：所以，該點(diǎn)的變差為2％。3、靈敏度與靈敏限

儀表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的靈敏程度。它是指儀表在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，儀表輸出信號(hào)變化Δα與引起此輸出信號(hào)變的被測(cè)參數(shù)(輸入信號(hào))變化量Δx之比，用S表示靈敏度，則

因此，儀表的靈敏度可用一個(gè)比值即輸出量、被測(cè)量(輸入量)的比來表示。在數(shù)值上就等于單位被測(cè)參數(shù)變化量所引起的儀表指針移動(dòng)的距離(或轉(zhuǎn)角)。

儀表的靈敏限是指能夠引起儀表指示值(輸出信號(hào))發(fā)生變化(動(dòng)作)的被測(cè)參數(shù)(輸入信號(hào))的最小(極限)變化量。一般儀表的靈敏限的數(shù)值應(yīng)不大于儀表允許誤差絕對(duì)值的一半。表示儀表靈敏度（靈敏限）的大小。定義：數(shù)字顯示器最末一位數(shù)字間隔所代表的被測(cè)參數(shù)變化量。不同量程的分辨力也不同，相應(yīng)于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力，也稱靈敏度。分辨率：當(dāng)數(shù)字式儀表的靈敏度用它與量程的相對(duì)值表示時(shí)，就是其分辨率。4、分辨力表征線性刻度儀表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。儀表示值被測(cè)變量△fmax5、線性度

線性度通常用實(shí)際測(cè)得的輸入－輸出特性曲線（稱校準(zhǔn)曲線）與理論直線之間的最大偏差與測(cè)量?jī)x表量程之比的百分?jǐn)?shù)來表示。式中：

δf－－線性度；

Δfmax－－校準(zhǔn)曲線對(duì)于理論直線的最大偏差。測(cè)量時(shí)被測(cè)量突然變化后，儀表指示值總要經(jīng)過一段時(shí)間才能準(zhǔn)確顯示出來。反應(yīng)時(shí)間用來衡量?jī)x表能不能盡快地反應(yīng)出參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo)。反映了儀表動(dòng)態(tài)特性的好壞。表示方法：

(1)當(dāng)輸入信號(hào)突然變化一數(shù)值后，輸出信號(hào)將由原始值逐漸變化到新穩(wěn)態(tài)值。儀表的輸出信號(hào)(即指示值)由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63.2％所用的時(shí)間，即為反應(yīng)時(shí)間。

(2)用變化到新穩(wěn)態(tài)值的95％所用的時(shí)間來表示反應(yīng)時(shí)間。

6、反應(yīng)時(shí)間 三、檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成被測(cè)參數(shù)敏感元件信號(hào)變換信號(hào)傳輸信號(hào)測(cè)量顯示記錄控制+-A/DPLC1、按儀表使用的能源分類：氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)儀表2、按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過程分類：

檢測(cè)儀表、顯示儀表、集中控制儀表、控制儀表、執(zhí)行器3、按儀表的組成形式分類

基地式儀表、單元組合儀表（DDZ、QDZ）四、工業(yè)儀表的分類3.2壓力檢測(cè)及儀表一、壓力單位及測(cè)壓儀表

1.什么是壓力，其法定計(jì)量單位？

壓力是垂直均勻地作用在單位面積上的力。它的法定計(jì)量單位是帕斯卡(簡(jiǎn)稱帕)，符號(hào)為Pa。等同于物理學(xué)上的壓強(qiáng)。1）絕對(duì)壓力：絕對(duì)真空下的壓力稱為絕對(duì)零壓，以絕對(duì)零壓為基準(zhǔn)來表示的壓力叫絕對(duì)壓力。2）表壓力：當(dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，絕對(duì)壓力高于大氣壓力的數(shù)值稱為表壓力，簡(jiǎn)稱表壓。3）真空度：當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，絕對(duì)壓力低于大氣壓力的數(shù)值稱為真空度或負(fù)壓。2.絕對(duì)壓力、表壓及真空度的概念。3.絕對(duì)壓力、表壓及真空度的相互關(guān)系。絕對(duì)零壓p1絕對(duì)壓力p1負(fù)壓（真空度）p2絕對(duì)壓力p20p2p大氣壓力表壓1p14.壓力（壓強(qiáng)）的單位工程上的“壓力”與力學(xué)中的“壓力”不表示同一個(gè)概念。（1）液柱式壓力計(jì)（2）活塞式壓力計(jì)（3）電氣式壓力計(jì)（4）彈性式壓力計(jì)5.壓力計(jì)分類二、液柱式壓力計(jì)與活塞式壓力計(jì)1.液柱式壓力計(jì)

測(cè)量原理：P=h

所以h=P/

2.活塞式壓力計(jì)二、液柱式壓力計(jì)與活塞式壓力計(jì)測(cè)量原理：

P=G/S

所以：G=P?S精確度高；常用作標(biāo)準(zhǔn)儀表，檢驗(yàn)其它壓力計(jì)。三、彈性式壓力計(jì)（機(jī)械式壓力表）1.原理：彈性變形的原理（采用彈性元件將壓強(qiáng)大小轉(zhuǎn)換為位移量，再通過機(jī)械傳動(dòng)和放大，推動(dòng)指針偏移。）2.特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便可靠、讀數(shù)清晰、價(jià)格低廉、測(cè)量范圍寬、精度較高。3.分類：彈性元件—彈性式壓力表的核心根據(jù)敏感原件的不同，可分為以下三種：

Ⅰ.彈簧管式：測(cè)壓范圍寬，可達(dá)1000MPa。為了增加自由端位移（提高靈敏度），可制成多圈。

彈簧管壓力表

Ⅱ.薄膜式：分膜片式和膜盒式

Pp膜片式膜盒式Ⅲ.波紋管式：

易于變形，用于微壓或低壓測(cè)量（小于1MPa）

p

4.電接點(diǎn)信號(hào)壓力表

主要用途：在生產(chǎn)中常需要把壓力控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。若超出了這個(gè)范圍，就會(huì)破壞正常的工藝過程，甚至發(fā)生事故，此情況下可采用電接點(diǎn)壓力表。電接點(diǎn)壓力表實(shí)際上是在彈簧管壓力表的基礎(chǔ)上加裝電接點(diǎn)裝置。當(dāng)壓力低于下限值p1時(shí)(見圖3-7所示)。壓力表指針上的動(dòng)觸頭和下限給定指針上的靜觸頭相碰，使電路接通，發(fā)出相應(yīng)的下限燈光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)高于上限值p2時(shí)，則和上限給定指針上的靜觸頭相碰，發(fā)出上限的燈光報(bào)警信號(hào)。電接點(diǎn)壓力表的電氣線路如右圖所示。供電電壓可以是直流和交流，但交流電壓不可超過380V、直流電壓不可超過220V，通過觸頭最大電流為1A。將彈性元件、液柱式壓力計(jì)所產(chǎn)生的微小位移或活塞式壓力計(jì)所產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的一類壓力計(jì)。

1.組成方框圖：傳感器的作用：把壓力信號(hào)檢測(cè)出來并進(jìn)行輸出。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：指物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，直流：4～20mA，壓力0.02～0.1MPa等。變送器：能把輸出信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器。四、電氣式壓力計(jì)說明：電氣式壓力計(jì)常由兩部分組成：一次儀表（壓力探頭）：將壓力轉(zhuǎn)換為微弱電參數(shù)；二次儀表：將微弱電參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。

在DDZ一Ⅱ型儀表中，現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間采用4～20mA電流信號(hào)，而控制室內(nèi)部都采用1～5V電壓信號(hào)。

4～20mA電流信號(hào)適宜在現(xiàn)場(chǎng)和控制室之間遠(yuǎn)距離傳輸，可以避免傳輸導(dǎo)線上壓降損失引起曲誤差。

1～5V電壓信號(hào)適于控制室內(nèi)部短距離聯(lián)絡(luò)，儀表之間可以并聯(lián)連接，便于設(shè)計(jì)安裝和維修。電氣式壓力計(jì)一次探頭：常用電參數(shù)有：電阻、電感、電容、電壓等。常見壓力變換器（壓力探頭）：應(yīng)變式壓力變換器；壓電電阻式壓力變換器；電感式壓力變換器；電容式壓力變換器；霍爾片式壓力變換器。電氣壓力計(jì)二次儀表：作用：將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)通訊信號(hào)。DDZ-Ⅲ型儀表標(biāo)準(zhǔn)通訊信號(hào)為：4~20mA。智能型壓力傳感器在二次儀表中另外附加一些功能，如：模/數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)通訊，工程單位轉(zhuǎn)換，信號(hào)（變化）阻尼，故障診斷等。

2.儀表（電氣式壓力計(jì)）特點(diǎn)：測(cè)量范圍寬，可測(cè)7×10-5Pa～5×102

MPa；測(cè)量精度高，可達(dá)0.2％；能遠(yuǎn)程傳送，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制盒遠(yuǎn)程報(bào)警。

3.電氣式壓力計(jì)分類：Ⅰ.霍爾片式壓力傳感器：利用霍爾效應(yīng)制成。

a.

霍爾效應(yīng)：（1879/霍爾/美國）將通電的金屬或半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)或電阻的改變。RH：霍爾系數(shù)

I：控制電流

B：磁感應(yīng)強(qiáng)度

d：霍爾元件厚度

VH：霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流成正比，一般I為3～20mA，B為幾千高斯，所得的霍爾電勢(shì)為幾十毫伏。Ⅰ.

霍爾片式壓力傳感器

a.

霍爾效應(yīng)：Ⅰ.霍爾片式壓力傳感器：

b.

霍爾片式壓力傳感器

保持霍爾片中電流恒定，在非均勻磁場(chǎng)中，霍爾元件所處的位置不同，所感受的磁場(chǎng)強(qiáng)度也不同，這樣可以得到與位移成比例的霍爾電勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)位移－電勢(shì)的線性轉(zhuǎn)換。壓力變化彈性變形電阻變化

3.電氣式壓力計(jì)分類：

Ⅱ.應(yīng)變片式壓力傳感器（

壓阻式壓力傳感器）電線的電阻為：R=L/S當(dāng)電線受到拉/應(yīng)力作用時(shí)，L變大，S變小，R變大。當(dāng)粘一組串聯(lián)平行細(xì)導(dǎo)線（電阻應(yīng)變片）的金屬（彈性元件）因壓力變化而發(fā)生微小變形（應(yīng)變）時(shí)，細(xì)導(dǎo)線的電阻隨之發(fā)生變化。從而，將壓力參數(shù)轉(zhuǎn)化為電阻參數(shù)。

Ⅱ.應(yīng)變片式壓力傳感器：

材料的壓阻效應(yīng)：

R－阻值ρ－電阻率

L－長(zhǎng)度

A－截面積

微分得：而代入得：于是：（μ為泊松比）令：

K稱為應(yīng)變片的縱向靈敏度。當(dāng)應(yīng)變片受到拉伸時(shí)，其阻值增加；受到壓縮時(shí)，其阻值下降。應(yīng)變片阻值得變化可以通過電橋得到毫伏級(jí)輸出，并用記錄儀表記錄或顯示，就組成了電阻式壓力計(jì)。

3.電氣式壓力計(jì)分類：

Ⅲ.壓阻式壓力傳感器：

壓阻元件是指在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻。它是基于壓阻效應(yīng)工作的，即當(dāng)它受壓時(shí)，其電阻值隨電阻率的改變而變化。常用的壓阻元件有單晶硅膜片以及在N型單晶硅膜片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)的擴(kuò)散硅等，也是依附于彈性元件而工作。結(jié)構(gòu)當(dāng)某些材料受到某一方向的壓力作用而發(fā)生變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)壓力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料種類較多，有石英晶體、人工制造的壓電陶瓷，還有高分子壓電薄膜等。

1-絕緣體2-壓電元件3-殼體4-膜片

3.電氣式壓力計(jì)分類：

Ⅳ.壓電式壓力傳感器：

3.電氣式壓力計(jì)分類：

Ⅴ.電容式壓力傳感器：1）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過載能力強(qiáng)、可靠性好、測(cè)量精度高、體積小、重量輕、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已成為最受歡迎的壓力、差壓變送器。2）輸出信號(hào)：標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA(DC)電流信號(hào)。3）結(jié)構(gòu)：電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可有效保護(hù)測(cè)量膜片，當(dāng)差壓過大并超過允許測(cè)量范圍時(shí)，測(cè)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(fù)特性很好，這樣大大提高了過載承受能力。

3.電氣式壓力計(jì)分類

Ⅵ.力矩平衡式壓力計(jì)：1）原理：力平衡的原理2）特點(diǎn)：測(cè)量精度高；工作穩(wěn)定；線性好；本質(zhì)防爆3）信號(hào)：DDZ－III型，24V直流，輸出4～20mADC。

4）工作原理分析：被測(cè)壓力p作用在測(cè)量膜片上，矢量機(jī)構(gòu)受力分析：將F1分解為F2和F3受力Fi為：主杠桿受力平衡矢量機(jī)構(gòu)受力分析：將F1分解為F2和F3副杠桿受力平衡Ff大小與通過反饋線圈的電流I0成正比K為常數(shù)，變送器的輸出電流I0與壓力p成正比；改變?chǔ)瓤梢愿淖兞砍?～4倍。F3F1F21.儀表類型：根據(jù)工藝要求選擇Ⅰ.被測(cè)介質(zhì)：腐蝕性、溫度、粘度、臟污程度、易燃易爆等。如氨氣用壓力表材料不能采用銅合金，而采用碳鋼，因氨對(duì)銅強(qiáng)腐蝕。

氧用壓力表嚴(yán)格禁油，校驗(yàn)時(shí)亦不能用變壓器油作為工作介質(zhì)，使用前最好用四氯化碳認(rèn)真清洗。Ⅱ.功能：是否顯示、報(bào)警、記錄、傳送（數(shù)字、模擬）；Ⅲ.現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件：高溫、磁場(chǎng)、振動(dòng)、安裝條件等。

五、壓力計(jì)的選用及安裝2.測(cè)量范圍：根據(jù)測(cè)量參數(shù)大小和精度決定

I.為延長(zhǎng)壽命，壓力計(jì)上限應(yīng)高于生產(chǎn)中最大壓力。 穩(wěn)定壓力：工作壓力不超過上限2/3； 脈動(dòng)壓力：工作壓力不超過上限的1/2； 高壓壓力：工作壓力不超過上限的3/5；

II.為保證精度，最小被測(cè)壓力不低于滿量程的1/3。III.根據(jù)①、②計(jì)算儀表上、下限，再圓整到國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

—般工業(yè)部門的壓力測(cè)量采用1.5級(jí)、