1、化工仪表自动化,四川理工学院电信系自动化教研室,第三章 检测仪表与传感器,3.1 概述 3.2 压力检测及仪表 3.3 流量检测及仪表 3.4 物位检测及仪表 3.5 温度检测及仪表 3.6 现代检测技术与传感器的发展,3.1 概述,2,仪表的性能指标,3,测量过程与测量误差,1,工业仪表的分类,测量过程与测量误差,检测（Detection）定义：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测。,测量过程与测量误差（续）,测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这
2、种比较的工具。,被测量 基准量,国际单位制（SI）,长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 光量,实物单位-千克标准原器,米,-光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485,单位,测量：,SI 基本单位：,倍数（结果）,七个物理量单位 - 相互独立,（m）,（kg）,（s）,（A）,（K）,（mol）,（cd）,测量过程与测量误差（续）,各种测量仪表不论采用哪一种原理，它们都是要将被测参数经过一次或多次的信号能量的转换，最后获得一种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。,测量过程与测量误差（续）,由仪表读得的被测值与被测量真值之间，总是存在定的差距，这一差距就称
3、为测量误差。 在测量过程中，由于所使用的测量工具本身不够准确，观测者的主观性和周围环境的影响等等、使得测量的结果不可能绝对准确。 误差产生的因素分类：系统误差、疏忽误差 、随机误差。 误差表示方法：绝对误差、相对误差、引用误差。,补充,系统误差：在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化的误差。 特点：系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。 产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。,补充,产生系统误
4、差的一个例子,夏天摆钟变慢的原因是什么？,补充,疏忽误差：明显偏离真值的误差称为过失误差，也叫粗大误差、粗差。 特点：无任何规律可循。 产生原因：引起的原因主要是由于操作者的粗心（如读错、算错数据等）、不正确操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙测试等原因所造成的。这时含有粗差的测量值称为异常值或坏值，一般均应从测量结果中剔除。,补充,产生疏忽误差的一个例子,补充,随机误差：在相同条件下多次重复测量同一量时，误差的大小、符号均为无规律变化，又称偶然误差。 特点：变化难以预测，无法修正。就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。 产生原因：随机误差主要是由于测量过程中某种
5、尚未认识的或无法控制的各种随机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结果。,补充,随机误差的正态分布规律,长度相对测量值,次数统计,测量过程与测量误差（续）,绝对误差在理论上是指仪表指示值xi和被测量的真值xt之间的差值，可表示为： = xixt 所谓真值是指被测物理量客观存在的真实数值，它是无法得到的理论值。因此所谓测量仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误差，一般是指用被校表(精确度较低)和标准表(精确度较高)同时对同一被测量进行测量所得到的两个读数之差，可用下式表示： =xxo 绝对误差；x被校表的读数值；xo标准表的读数值。,测量过程与测量误差（续）,某采购员分别在三家商店购买
6、100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？ 下图那个表更准？,测量过程与测量误差（续）,相对误差等于某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值xo之比。可表示为：y仪表在xo处的相对误差。,测量过程与测量误差（续）,引用误差：测量点的绝对误差与仪表满刻度值之比，即引用误差； 仪表量程。,仪表的性能指标,1精确度(简称精度) 仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值max。 仪表的精确度不仅与绝对误差有关，而且还与仪表的测量范围有关。因此，工业上经常将绝对误差折合成仪表测量
7、范围的百分数表示。称为相对百分误差，即,仪表的性能指标（续）,根据仪表的使用要求，规定一个在正常情况下允许的最大误差，这个允许的最大误差就叫允许误差。 允许误差一般用相对百分误差来表示，即某一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值，即仪表的允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的允越小，表示仪表的精确度越高。,仪表的性能指标（续）,国家统一规定的仪表精确度(精度)等级：将仪表的允许相对百分误差去掉“”号及“”号，可以用来确定仪表的精确度等级。 精度等级,0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0,1.5,1.5,精度
8、等级符号,仪表的性能指标（续）,例1 ：某台测温仪表的测温范围为200700。校验该表时得到的最大绝对误差为+4 ，试确定该仪表的精度等级。 解：该仪表的相对百分误差为如果将该仪表的去掉“”号与“”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。,仪表的性能指标（续）,例2 ：某台测温仪表的测温范围为01000 。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过7 ，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足工艺要求？ 解：根据工艺上的要求，仪表的允许误差为如果将仪表的允许误差去掉“”号与“”号。其数
9、值介于0.51.0之间、如果选择精度等级为1.0级的仪表。其允许的误差为1.0，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。,仪表的性能指标（续）,根据仪表校验数据来确定仪表精度等级，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得到的相对百分误差； 根据工艺要求确定仪表精度等级，仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。 0.05级以上的仪表，常用来作为标准表，工业现场用的测量仪表，其精度大多是0.5级以下的。,仪表的性能指标（续）,2变差 在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。
10、两者绝对值之差的最大值和仪表量程之比的百分数称为变差，也称回差。,被测参数,产生原因：仪表内部的某些元件具有储能效应，例如弹性变形、磁滞现象等。,仪表的性能指标（续）,由于传动机构的摩擦和间隙等，产生死区效应。使得在仪表输入在一定范围内部引起输出变化，这段区域称为死区，也叫不灵敏区。,补充,重复性：在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输入值进行测量所得到的多个输出值之间相互一致的程度。,补充,再现性：仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示。,仪表的性能指标（续）,3灵敏度与灵敏限 仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量之比
11、值称为仪表的灵敏度，用公式表示如下：S仪表的灵敏度； 指针的线位移或角位移； x引起所需的被测参数变化量。,仪表的性能指标（续）,仪表的灵敏限，是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。 值得注意的是，上述指标仅适用于指针式仪表。在数值式仪表中，往往用分辨力来表示仪表灵敏度(或灵敏限)的大小。,仪表的性能指标（续）,4分辨力 指仪表能检出被测信号的最小变化量。对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最未位数字间隔所代表的被测参数变化量。 当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可
12、以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。如数字电压表显示器末位一个数字所代表的输入电压值。,仪表的性能指标（续）,显然，不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表分辨力指标。,仪表的性能指标（续）,5. 线性度 线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。 线性度又称非线性误差，是指检测仪表实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与测量范围内的输出之百分比。,仪表的性能指标（续）,作图法求线性度演示,（ 1拟合曲线 2实际特性曲线 ）,仪表的性能指标（续）,6. 反应时
13、间 反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反应出参数变化的品质指标。 仪表的反应时间有不同的表示方法。当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。仪表的输出信号(即指示值)由开始变化到新稳态值的632所用的时间(相当于时间常数T)，可用来表示反应时间，也有用变化到新稳态值的95所用的时间来表示反应时间的(相当于3T）。,仪表的性能指标（续）,其它指标： 可靠性：可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。 表征仪表可靠性的尺度有多种，最基本的是可靠度。它是衡量仪表能够正常工作并发挥其功能的程度。 简单地来说，如果有100台同样的仪表，
14、工作1000小时后约有99台仍能正常工作，则可以说这批仪表工作1000小时后的可靠度是99。,补充,MTBF 和 MTTR 平均无故障工作时间MTBF (Mean Time Between Failure)：仪表在相邻两次故障间隔内有效工作时的平均时间。 平均故障修复时间 MTTR (Mean Time to Repair)：仪表出现故障到恢复工作时的平均时间。,补充,有效度 即在要求平均无故障工作时间尽可能长的同时，又要求平均故障修复时间尽可能短，综合评价仪表的可靠性，引出综合性指标有效度，其定义如下：有效度=,平均无故障工作时间+平均故障修复时间,平均无故障工作时间,工业仪表的分类,1按仪
15、表使用的能源分类 电动仪表 电动仪表以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；近年来，电动仪表也可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。但电动仪表一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。,工业仪表的分类（续）,气动仪表 气动仪表的结构比较简单、直观；工作比较可靠；对温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响的抗干扰能力较强；能防火、防爆；价格比较便宜。但气动仪表信号传递速度慢、传输距离短、管线安装与检修不便，不宜实现远距离大范围的集中显示与控制；与计算机联用比较困难。,工业仪表的分类（续）,2按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检
16、测仪表 检测仪表的主要作用是获取信息，并进行适当的转换。在生产过程中，检测仪表主要用来测量某些工艺参数，如温度、压力、流量、物位以及物料的成分、物性等，将被测参数的大小成比例地转换成电的信号(电压、电流、频率等)或气压信号。 显示仪表 显示仪表的作用是将由检测仪表获得的信息显示出来，包括各种模拟量、数字量的电动、气动指示仪、记录仪和积算器、以及工业电视、图象显示器等。,工业仪表的分类（续）,集中控制装置 包括各种巡回检测仪、巡回控制仪、程序控制仪、数据处理机、电子计算机以及仪表控制盘和操作台等。 控制仪表 控制仪表可以根据需要对输入信号进行各种运算，例如放大、积分、微分等。控制仪表包括各种电动
17、、气动的控制器以及用来代替模拟控制仪表的微处理机等。 执行器 执行器可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作人员的指令，对生产过程进行操作或控制。执行器包括各种气动、电动、液动执行机构和控制阀。,工业仪表的分类（续）,上述各类仪表在信息传递过程中的关系可以用图33来表示。,工业仪表的分类（续）,3按仪表的组成形式分类 基地式仪表 这类仪表的特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里、形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。 单元组合仪表 将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表(简称单元，例如变送单元、
18、显示单元、控制单元等)。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。,工业仪表的分类（续）,化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表以“电”、“单”、“组”三字的汉语拼音字头为代号，简称DDZ仪表；同样，气动单元组合仪表简称QDZ仪表。,补充：检测系统的构成,被测参数,敏感元件,信号变换,信号传输,信号测量,显示,记录,控制,+,-,A/D,PLC,智能电子警察监测系统,补充：检测系统的构成,号,补充：检测系统的构成,练习题1,1、一台温度测量仪表的测量范围是100600，校
19、验该表时，得到的最大绝对误差是6，试确定该表的精度等级。,题解：,最大引用误差=最大绝对误差 / 量程=1.2% 该仪表的精度在1.0和1.5之间，往差的方向靠，确定仪表的精度为1.5级。,练习题2,2、已知待测拉力约为70N，现有两只测压表，一只精度0.5级，量程0-500N；另一只精度1.0级，量程0-100N。问选择哪个更好？为什么？,题解：,提示：选择仪表时，不仅要考 虑精度，一定也要考虑量程。,练习题3,3、有一温度计，它的测量范围为0200，精度为0.5级。求 1) 该表可能出现的最大绝对误差 2) 当示值分别为20 、100 时的相对误差？,题解：,提示：示值接近测量下限时，产生的相对误差大， 因此选择仪表时，尽可能使待测值接近测量上限。,练习题4,4.如果有一台压力表，其测量范围为010MPa，经校验得出下列数据：(1)求该压力表的变差； (2)问该压力表是否符合1.0级精度要求？为什么？,题解：,（1）变差为：（2）不符合。,提示：仪表的变差不能超过仪表的允许误差,Thank You !,
