第三章檢測儀表與傳感器

第三章檢測儀表與傳感器返回首頁[學(xué)習(xí)目標(biāo)]：能用性能指標(biāo)評價儀表的好壞，掌握儀表校驗數(shù)據(jù)的處理方法；掌握四大熱工變量的測量方法和相應(yīng)檢測儀表的測量原理及組成；掌握檢測儀表的外特性及使用方法；了解各種新型檢測儀表。第一節(jié)概述第二節(jié)壓力檢測及儀表第三節(jié)流量檢測及儀表第四節(jié)物位檢測及儀表第五節(jié)溫度檢測及儀表第一節(jié)概述一、測量過程與測量誤差1、測量過程在生產(chǎn)過程中，變量的測量方法很多。但從測量過程的實質(zhì)來看，不論哪一種測量儀表，被測變量都需經(jīng)過一次或多次信號能量形式的轉(zhuǎn)換，最后獲得一種便于測量的信號能量形式，通過指針位移或數(shù)字的形式顯示出來。所以各種檢測儀表的測量過程，實質(zhì)上就是被測變量信號能量的不斷變換和傳遞，并將它與相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比較的過程。而檢測儀表就是實現(xiàn)這種比較的工具。例如玻璃管溫度計；而溫度控制中各種中、高溫溫度的測量，常利用熱電偶的熱電效應(yīng)，把被測溫度（熱能）轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號（電能），然后變?yōu)楹练鼨z測儀表上的指針位移，并與溫度標(biāo)尺相比較而顯示出被測溫度的數(shù)值。（二）測量誤差

測量的目的是希望獲得被測變量的“真實值”。但是無論怎樣努力（包括從原理、測量方法和儀表精度等方面），都只能是盡量接近卻無法測得“真實值”。也就是說，測量值與真實值之間始終存在著一定的差值。這個差值就是測量誤差。測量誤差有多種分類方法：1．按誤差出現(xiàn)的規(guī)律來分可分為系統(tǒng)誤差、過失誤差和隨機誤差三類。（1）系統(tǒng)誤差（又叫規(guī)律誤差）即大小和方向均不改變的誤差。產(chǎn)生這種誤差的原因，主要是儀表本身的缺陷、觀測者的習(xí)慣或偏向、單因素環(huán)境條件的變化等。這種誤差在測量中是容易消除和修正的，因為它有規(guī)律。

（2）過失誤差（又叫疏忽誤差）過失誤差是由于測量者在測量過程中疏忽大意造成的。比較容易被發(fā)現(xiàn)，可以避免。（3）隨機誤差（又叫偶然誤差）就是在同樣條件下反復(fù)測量多次，每次結(jié)果均不重復(fù)的誤差。這種誤差是由偶然性因素引起的，不易被發(fā)覺和修正。

系統(tǒng)誤差和過失誤差是可以避免也是必須避免的，而隨機誤差則由于測試手段本身精確度的限制以及各種不可控制的偶然性因素的影響，是一種不可避免的誤差，但卻具有一定的分布規(guī)律，可用數(shù)理統(tǒng)計的方法進(jìn)行識別。2．按誤差的表示方式分可分為絕對誤差、相對誤差和引用誤差。（1）絕對誤差為儀表指示值xi與被測量真值xt之間的差值。但由于真值無法獲得，所以常用精度較高的標(biāo)準(zhǔn)表的測量值x0代替。它是以被測量單位表示的誤差，可表示為：

e＝xi－xt≈xi－ｘ0（3-1）顯然，絕對誤差只能表示指示值誤差的大小，而無法表示測量結(jié)果的可信程度，也不能用來衡量不同量程同類儀表的準(zhǔn)確度。（2）相對誤差為儀表指示值的絕對誤差與標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)之比，用符號E表示。E=e/x0

（3-2）它是一個無量綱值，表示儀表在x0處的相對誤差。相對誤差比絕對誤差更能說明測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。但是僅憑絕對誤差和相對誤差來評價一臺儀表的準(zhǔn)確與否還是不夠的。

因為儀表的測量范圍各不相同，即使有相同的絕對誤差，也不能說兩塊儀表一樣準(zhǔn)確。在儀表測量范圍內(nèi)各點絕對誤差也不相同，相對誤差也不是一個定值，它們將隨被測量值的大小而改變。特別是當(dāng)測量值趨于零時，相對誤差在理論上將趨于無窮大。所以亦無法用相對誤差來衡量儀表的準(zhǔn)確程度。所以，工業(yè)上常用儀表的“引用誤差”來表示其測量的準(zhǔn)確程度。（3）引用誤差也叫相對百分誤差，是儀表指示值的絕對誤差與儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)，可表示為：（3-3）式中e——儀表的絕對誤差；

E引——儀表的引用誤差；

RS——儀表的量程（RS=xmax－xmin

）。

其中，xmax與xmin是儀表量程的上限值與下限值。例如，一溫度計的測量范圍為（-50～250）℃，則其量程為300℃。對于測量下限為零的儀表，其量程就是測量范圍的上限值，普通壓力表就是如此。3．按誤差的測試條件分可分為基本誤差和附加誤差。（1）基本誤差是儀表在規(guī)定的正常條件（如溫度、濕度、振動、電源電壓、頻率等）下工作時，儀表本身所具有的誤差。（2）附加誤差為儀表在偏離規(guī)定的正常工作條件下使用時附加產(chǎn)生的誤差。此時儀表的實際誤差等于基本誤差與附加誤差之和。由于儀表在工作條件改變時會產(chǎn)生附加誤差，所以使用時，應(yīng)盡量滿足儀表規(guī)定的工作條件。二、檢測儀表的基本知識（一）檢測儀表的分類檢測儀表是實現(xiàn)變量檢測的工具。它有多種分類方法。1．根據(jù)敏感元件與被測介質(zhì)是否接觸可分為接觸式檢測儀表和非接觸式檢測儀表。2．按精度等級及使用場合的不同可分為標(biāo)準(zhǔn)儀表、范型儀表及實用儀表，分別用于標(biāo)定室、實驗室和現(xiàn)場。3．按被測變量分類可分為壓力檢測儀表、物位檢測儀表、流量檢量儀表、溫度檢測儀表、成分分析儀表等。本章我們就按這種分類方法將內(nèi)容展開。（二）檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)

儀表的品質(zhì)指標(biāo)是評價儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要依據(jù)，也是正確選擇和使用儀表所必須具備的知識。工程上常用以下指標(biāo)來衡量。1．精確度（準(zhǔn)確度）

儀表的精確度簡稱精度，是表示測量結(jié)果與真值一致的程度。儀表的精度，是儀表最大引用誤差去掉正負(fù)號和百分號后的數(shù)值。

化工儀表的精確度常用儀表的精度等級來表示。是按照儀表的精確度高低劃分的一系列標(biāo)稱值。國家規(guī)定的儀表精度等級有：Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)表——0.005、0.02、0.05；Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)表——0.1、0.2、0.35、0.5；一般工業(yè)用儀表——1.0、1.5、2.5、4.0。所以，利用儀表最大引用誤差求取的精度還需系列化。

儀表精度等級值越小，精確度越高，就意味著儀表既精密、又準(zhǔn)確，即隨機誤差和系統(tǒng)誤差都小。精度等級確定后，儀表的允許誤差也就隨之確定了。儀表的允許誤差在數(shù)值上等于“±精度%”。例如精度為1.5級的儀表，其最大允許誤差的引用誤差形式為E表允=±1.5％，如果該儀表的量程為4MPa，則根據(jù)式3-3，儀表允許誤差的絕對形式為e表允=E表允×RS=±1.5％×4=±0.06（Mpa）。下面通過例題來說明確定儀表精度和選擇儀表精度的方法?！纠}3-1】某臺溫度檢測儀表的測溫范圍為（100～600）oC，校驗該表時得到的最大絕對誤差為3oC，試確定該儀表的精度等級。解：由式3-3可知，該測溫儀表的最大引用誤差為：

去掉%后，該表的精度值為0.6，介于國家規(guī)定的精度等級中0.5和1.0之間，而0.5級表和1.0級表的允許誤差E表允分別為±0.5％和±1.0％。所以，這臺測溫儀表的精度等級只能定為1.0級?！纠}3-2】現(xiàn)需選擇一臺測溫范圍為0～500℃的測溫儀表。根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過±4℃，試問應(yīng)選擇一臺精度等級為幾級的儀表才能滿足工藝要求？解：工藝允許誤差為：

去掉±和%后，該表的精度值為0.8，也是介于0.5～1.0之間，而0.5級表和1.0級表的允許誤差E表允分別為±0.5％和±1.0％。所以，應(yīng)選擇0.5級的儀表才能滿足工藝上的要求。

從以上兩個例子可以看出，根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級時，儀表的精度等級應(yīng)向低靠（取大值）；根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級時，儀表精度等級應(yīng)向高靠（取小值）。儀表的精度等級在儀表面板上的表示符號通常為：等。2．變差

也叫回差，用來表示測量儀表的恒定度。變差說明了儀表的正向（上升）特性與反向（下降）特性的不一致程度。

當(dāng)工作條件不變時，使用同一塊儀表對某一被測變量進(jìn)行由小到大（即正行程或上行程）測量和由大到小（反行程或下行程）測量時，對同一個被測量值來說，正反行程中儀表的指示值之差，就是儀表的變差，如圖3-1所示，它的絕對表示法為：

e’=x上-x下（3-6）變差也可以用引用誤差的形式表示，則有：（3-7）

和最大絕對誤差一樣，儀表的最大變差也不能大于儀表的允許誤差。即：│emax’│≤│e表允│（3-8）或│E引max’│≤│E表允│（3-9）造成變差的原因很多，如傳動機構(gòu)間存在的間隙和摩擦力、彈性元件的彈性滯后等。3．靈敏度與靈敏限

儀表的靈敏度是儀表在穩(wěn)定狀態(tài)下，其輸出變化量（即儀表指針的線位移或角位移）與引起這個變化的輸入（即被測變量）變化量的比值。儀表靈敏度的大小反映了儀表對被測量幅值的敏感程度。線性刻度標(biāo)尺儀表的靈敏度等于常數(shù)，而非線性刻度標(biāo)尺儀表的靈敏度各點不相同。

提高儀表對信號的放大能力，就可以提高靈敏度。但這樣并不能提高精度、減少測量誤差。所以一般規(guī)定儀表標(biāo)尺的分度值不小于儀表最大允許絕對誤差。表示儀表靈敏性能的另一指標(biāo)是靈敏限。靈敏限是指能引起儀表指示值發(fā)生變化的被測量的最小改變量，單位與被測量單位相同。一般來說，靈敏限的數(shù)值不應(yīng)大于儀表最大允許絕對誤差的一半。4．線性度

對于理論上具有線性刻度特性的儀表,即輸入量與輸出量呈線性關(guān)系，但在使用中會因各種因素的影響，使儀表的實際特性偏離其理論上的線性特性，如圖3-2所示。這種偏差稱為非線性誤差。檢測儀表的性能指標(biāo)還有一些，在此就不一一介紹了。（三）檢測儀表的發(fā)展方向

化工檢測技術(shù)及儀表的發(fā)展是相當(dāng)迅速的。其主要表現(xiàn)為：

1．檢測技術(shù)的現(xiàn)代化隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，新的檢測方法也不斷被開發(fā)出來。如激光、微波、超聲波、紅外線、放射性同位素等非接觸檢測技術(shù)，近年來都得到了較快的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體陶瓷、光導(dǎo)纖維以及其他新型材料的使用，使得大量的新型傳感器、變送器問世。許多基于物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的檢測器件（如壓敏、熱敏、光敏、濕敏、化學(xué)敏器件）也被不斷應(yīng)用于新型傳感器中。此外，仿生傳感學(xué)作為一門新型學(xué)科也正在得到迅速的發(fā)展。2．檢測儀表的數(shù)字化、集成化和智能化

由于電子技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展迅速，采用數(shù)字式傳感器直接輸出數(shù)字量，是目前檢測儀表的發(fā)展方向之一。這樣既可以提高儀表的精度，也便于與計算機直接連接。另外，為了將模擬儀表的連續(xù)直觀和數(shù)字儀表的高精度相結(jié)合，人們正在將模擬-數(shù)字混合測量法應(yīng)用于新型儀表。如果將光導(dǎo)纖維傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)應(yīng)用于儀表，也必將會推動檢測技術(shù)和檢測儀表的新進(jìn)展。

檢測儀表在半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)了“材料、器件、電路、儀表”的一體化，出現(xiàn)了固態(tài)傳感器，開創(chuàng)了檢測儀表的新途徑，集成化的檢測儀表使得整體構(gòu)造簡單、體積小、使用方便