检测仪表与传感器-绪论课件

化工仪表及过程控制第四章检测仪表与传感器 内容提要1、概述2、压力检测及仪表3、流量检测及仪表4、物位检测及仪表5、温度检测及仪表6、现代检测技术与传感器的发展7、显示仪表概述：测量过程与测量误差、概述：测量过程与测量误差、仪表的性能指标、仪表的性能指标、工业仪表的分类。工业仪表的分类。第一节 概述 检测(Detection)的定义：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。测量测量是用实验的方法,求出某个量的大小。举例直接测量直接测量间接测量间接测量测量实质：测量实质：是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。一、测量过程与测量误差长方体的长宽高长方体的长宽高长方体的体积长方体的体积。测量实质：测量实质：是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。测量误差：测量误差：由仪表读得的被测值(测量值)与被测参数的真实值之间的差距。测量误差按其测量误差按其产生原因产生原因的不同的不同,可以分为三类：可以分为三类：系统误差 疏忽误差偶然误差3 测测量量误误差差指由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。3（1 1）仪器误差）仪器误差 这是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使这是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的。如仪器的零点不准，仪器未调整好，外界环用仪器而造成的。如仪器的零点不准，仪器未调整好，外界环境（光线、温度、湿度、电磁场等）对测量仪器的影响等所产境（光线、温度、湿度、电磁场等）对测量仪器的影响等所产生的误差。生的误差。（2 2）理论误差（方法误差）理论误差（方法误差）这是由于测量所依据的理论公式这是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或者是实验方法本身不完善所带来的误差。例如热学实验中没或者是实验方法本身不完善所带来的误差。例如热学实验中没有考虑散热所导致的热量损失，伏安法测电阻时没有考虑电表有考虑散热所导致的热量损失，伏安法测电阻时没有考虑电表内阻对实验结果的影响等。内阻对实验结果的影响等。（3 3）个人误差）个人误差 这是由于观测者个人感官和运动器官的反应或这是由于观测者个人感官和运动器官的反应或习惯不同而产生的误差，它因人而异，并与观测者当时的精神习惯不同而产生的误差，它因人而异，并与观测者当时的精神状态有关。状态有关。绝对误差：在理论上是指仪表值和被测量的真值之间的差值。xi：仪表指示值,xt：被测量的真值由于真值无法得到 x：被校表的读数值，x0：标准表的读数值 相对误差二、仪表的性能指标1.1.精确度（简称精度）精确度（简称精度）说说明明：仪表的测量误差可以用绝对误差来表示。但是，仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值max。两大影响因素绝对误差和仪表的测量范围相对百分误差允许误差 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。将仪表的允许相对百分误差去掉“”号及“”号，便可以用来确定仪表的精确度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。小结小结举例例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。例例2某台测温仪表的测温范围为1000。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？解解 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。仪表的精度等级仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。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，其精度大多在0.5以下。仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。举例举例1.51.0如：根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，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。小结小结2.2.变差变差 变变差差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。图3-1 测量仪表的变差3.3.灵敏度与灵敏限灵敏度与灵敏限 仪仪表表的的灵灵敏敏度度是指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的比值。即 式中，S为仪表的灵敏度；为指针的线位移或角位移；x为引起所需的被测参数变化量。仪仪表表的的灵灵敏敏限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。注注意意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力(分辨率)表示。4.4.分辨率分辨率 对于数字式仪表，分分辨辨力力是指数字显示器的最末位数字间隔所代表的被测参数变化量。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最高高分分辨辨力力，也叫灵灵敏敏度度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。分辨率与仪表的有效数字位数有关。5.5.线性度线性度 线线性性度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。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。图3-2 线性度示意图 式式中中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。6.6.反应时间反应时间 反反应应时时间间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。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。仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2（95）所用的时间，可用来表示反应时间。7.7.7.7.重复性重复性重复性重复性 重复性重复性表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致,重复性就好,重复性误差就小。图1-3 重复性示意图三、工业仪表的分类1.按仪表使用的能源分类按仪表使用的能源分类气动仪表、气动仪表、电动仪表电动仪表、液动仪表、液动仪表 以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于以电为能源，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；现远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。仪表的安全使用。一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。放射性等环境影响。优点优点缺点缺点常用常用常用常用在气动仪表中，弹性元件作为检测元件或转换元件。2.按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检测仪表检测仪表 作用是获取信息，并进行适当的转换。显示仪表显示仪表 作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。集中控制装置集中控制装置 包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。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。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员的指令，对生产过程进行操作或控制。图3-3 各类仪表的作用3.3.按仪表的组成形式分类按仪表的组成形式分类 基基地地式式仪仪表表特点是将测量、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。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。分为基地式仪表和单元组合仪表分为基地式仪表和单元组合仪表 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简称DDZ仪表；气动单元组合仪表简称QDZ仪表。注意注意 单元组合仪表是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、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。检测系统中的常见信号类型作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型种便于传输和显示的信号类型1.位移信号2.压力信号3.电气信号4.光信号检测系统中信号的传递形式 （1 1）.模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 在时间上是连续变化的,即在任何瞬时都可以确定其数值的信号。（2 2）.数字信号数字信号数字信号数字信号 数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号,通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。（3 3）.开关信号开关信号开关信号开关信号 用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。例题分析1.某台具有线性关系的温度变送器,其测温范围为 0200,变送器的输出为 420mA。对这台温度变送器进行校验,得到下列数据:输入信号输入信号标准温度标准温度/0 05050100100150150200200输出信号输出信号/mA/mA正行程读数正行程读数x正正反行程读数反行程读数x反反4 44.024.028 88.108.1012.0112.0112.1012.1016.0116.0116.0916.09202020.0120.01试根据以上校验数据确定该仪表的变差、准确度等级与线性度。解解:该题的解题步骤如下。(1)根据仪表的输出范围确定在各温度测试点的输出标准值x标。任一温度值的标准输出信号(mA)为 例如,当温度为50时,对应的输出应为 其余类推。(2)算出各测试点正、反行程时的绝对误差正与反,并算出正、反行程之差变,分别填入下表内(计算变时可不考虑符号,取正值)。输入信号输入信号/0 05050100100150150200200输出信号输出信号/mA/mA正行程读数正行程读数x正正反行程读数反行程读数x反反标准值标准值4 44.024.024 48 88.108.108 812.0112.0112.1012.10121216.0116.0116.0916.091616202020.0120.012020绝对误差绝对误差/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变变 0.020.020.100.100.090.090.080.080.010.01(3)由上表找出最大的绝对误差max,并计算最大的相对百分误差max。由上表可知 去掉max的“”号及“%”号后,其数值为0.625,数值在0.51.0之间,由于该表的max已超过0.5级表所允许的允,故该表的准确度等级为1.0级。(4)计算变差 由于该变差数值在1.0级表允许的误差范围内,故不影响表的准确度等级。注意若变差数值变max超过了绝对误差max,则应以变max来确定仪表的准确度等级。(5)由计算结果可知,非线性误差的最大值fmax=0.10,故线性度f为 注意注意 在具体校验仪表时,为了可靠起见,应适当增加测试点与实验次数,本例题只是简单列举几个数据说明问题罢了。2.某台测温仪表的测温范围为2001000,工艺上要求测温误差不能大于5,试确定应选仪表的准确度等级。解解解解:工艺上允许的相对百分误差为 要求所选的仪表的相对百分误差不能大于工艺上的允,才能保证测温误差不大于5,所以所选仪表的准确度等级应为0.5级。当然仪表的准确度等级越高,能使测温误差越小,但为了不增加投资费用,不宜选过高准确度的仪表。