自动检测技术与装置

1、测量范围和量程每台检测仪表都有一个测量范围，仪表工作在这个范围内，可以保证仪表不 会被损坏，而且仪表输出值的准确度能符合所规定的值。这个范围的最小值和最 大值分别称为测量下限和测量上限。测量上限和测量下限的代数差 称为仪表的量程即量程=测量上限值-测量下限值灵敏度 灵敏度S是检测仪表对被测量变化的灵敏程度，常以在被测量改变时，经过足够时间检测仪表输出值达到稳定状态后，仪表输出变化量与引起此变化的输人变化量之比表示，即S=yx回差也称变差，是指检测仪表对于N被测量在其上升和下降时对应 输出值间的最大误差，如图1.5所示。由于特性曲线像环状一样，回差有时也称 “滞环。回差的存在使得检测仪表在同一被

2、测量时有不止一个的输出值，从而出 现误差。绝对误差是仪表输出值与被测参数真值之间的差值x相对误差：仪表的绝对误差与约定真值比的百分数引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程比的百分数仪表的 准确度通常是用仪表满刻度相对误差的大小來衡量。准确度常常也称精度或精确度。按照国家有关标准的规定，仪表的准确度划分为若干等级.称准确度等 级国家统一规定所划分的等级有0.05, 0.1, 0.25, 0.35, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0,。仪表的准确度等级按以下方法确定，辞先用仪表满刻度相 对误差略去其百分号（)作为仪表的准确度*再根据国家统一划分的准确度等级.例一：有一台压力仪表，其量程

3、为100kpa，经检验发现仪表的基本误差为0.6kpa，问这台压力仪表的准确度为多少？准确度等级为多少？解：由题意可以算出仪表的满刻度相对误差为0.6%，略去其百分号，则该压力仪表的准确度为准确度等级0.5，而小于1.0，所以该仪表的准确度等级为1.0级。例二：拟对某压力容器的压力进行测量，正常压力在150kpa左右，要求压力测量误差不大于4.5kpa，问应选择什么样的压力检测仪表才能满足测量要求？解：由题意，选择的压力仪表的基本误差应小于4.5kpa才能满足测量要求，另一方面，压力检测仪表的量程一般应比正常压力大30%以上，可选择压力仪表的量程为250kpa，则仪表满刻度相对误差应小于4.5

4、/250=1.8%，从而选择的压力仪表的准确度等级应为1.5级。测量误差的分类与测量不确定度按误差本身因次分类 绝对误差和相对误差按误差出现的规律分类 系统误差、随机误差、粗大误差。按使用的工作条件分类 基本误差和附加误差按误差的特性分类 静态误差和动态误差。测量不确定度的定义是对测量结果分散性的描述，是对测量结果误差限的估计。测量不确定度是有一些不确定度分量组成的：1.A类不确定度：有测量列按统计理论计算得到的是可测得，2.B类不确定度：由非统计分析方法，即由其他方法估计的这类不确定度的估计主要用于不能通过多次重复性测量，由测量列确定不确定度的情况。所用的方法主要有以前的测量数据、有关的技术

5、资料和数据等。测量不确定度与测量误差没有必然的联系。电容元件的结构和特性1. 变极距式电容器：某个被测量变化时，会引起动极板的位移，从而改变极板间的距离，导致电容量的变化。2. 变面积式电容器：当可动极板在被测量的作用下发生移位，使两极板相对有效面积改变，则会导致电容器的电容量的变化。3. 变介电常数是电容器：当两极板间介电常数变化，由此引起的电容量改变。热电偶检测元件将两种不同的导体A B连成闭合回路，将他们的两个节点分别置于温度为T及T0（设T>T0）的热源中，则在该回路内就会产生热电动势。这种现象称之为热电效应。将两种材料的导体组合称为热电偶。导体A和B称为热电极。温度高的接点T称

6、为热端（工作端），温度低的T0称为冷端（自由端）。热电偶回路中所产生的电动势由两部分组成：其一是不同材料的两种导体之间的接触电势；其二是单一导体两端温度不同而形成的温差电势。热电动势的大小只与热电极材料及两端温度有关，与热电极的几何尺寸无关。热电偶必须由两种材料不同的两个电极构成。热电极材料确定之后，热电势的大小只与T，T0有关，若保持T0一定，则热电偶回路总热电时就可以看成是温度T的单值函数。这就是用热电偶测温的基本原理。热电偶的基本定律（1） 均质导体定律有一种均质导体的闭合回路，不论导体的横截面积，长度以及温度分布如何，均不产生热电动势。（2） 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的

7、导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。（3）中间温度定律 Eab(T,T0)= Eab(T,Tc)+ Eab(Tc,T0)用镍铬镍硅热电偶测炉温。当冷端温度T0=30度时，测得热电势为E（T,T0）=39.17mv，若被测温度不变，而冷端温度为-20度，则该热电偶测得的热电势为多少已知该热电偶有E(30.0)=1.2mv，E(-20.0)=-0.77mv？根据中间温度定律Eab(T,T0)= Eab(T,Tc)+ Eab(Tc,T0)其中T0=-20,Tc=30；所以：Eab(Tc,T0)= Eab(Tc,0)- Eab(T0，0)=1.2-（-0.77）=

8、1.97 Eab(T,T0)=39.17+1.97=41.14 mv得到冷端温度为-20度时，测得的热电势应为41.14mv。所以用热电偶测量温度时必须考虑冷端的温度，否则会引起误差。(1)压电效应某些材料在沿一定方向受外力作用时，不仅几何尺寸变化而发生变形，而且材料内部电荷分布发生变化，从而使得在其定的两个相时表面上产生得号相反、当外力去掉后，它们又恢复到不带电状态，这种现象称为正压电效应。所受的作用力越大，则机械变形越大，所产生的电荷量越多。压电效应是可逆的。光电效应是指光照射到物质上引起其电特性(电子发射、电导率、电位、电配等)发生变化的现象。分为外光电效应和内无电效应。()外光电效应在

9、光线作用下.使其内部电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。（2）内光电效应物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，但这些电子并不溢出物体表面，而仍然留在内部，从而导致物体的电阻率发生变化或产生电动势，这种现象称为内光电效应。使电阻率发生变化的现象称为光电导效应，基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。而产生电动势的现象称为光生伏特效应，基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管等。(2) 光敏电阻的主要参数及基本特性主要参数暗电阻和暗电流。所谓暗电阻是指在无光照时所测的电阻值。这时在给定工作电压下流过光敏电阻的电流称为暗电流。亮电阻与亮电流。

10、在受光照时，光敏电阻的阻值称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。光敏电阻的基本特性包括光照特性、伏安特性、光谱特性、温度特性。检测仪表的组成：图3.1示出了检测仪表或检测系统一般组成形式，主要有敏感元件、信号变换、处理传输、数据存储以及显示装置等功能模块。需要指出的是：同种检测仪表（指敏感元件相同），由于使用要求和条件的不同，在组成测量系统的结构形式上也不完全相同。检测仪表的设计方法按结构形式来划分主要有直接串联式（直接变换式）、差动式、参比式和平衡（反馈）式为四种方法。直接串联式（直接变换式）、差动式、参比式等属开环结构设计法，而平衡（反馈）式属于闭环结构设计法。四种仪表设计方法都有优缺点。温度

11、检测仪表在根据敏感元件与被测介质接触与否，可以分成接触式和非接触式两大类。接触式检测仪表主要包括基于物体受热体积膨胀或长度伸缩性质的膨胀式温度检测仪表( 如 玻璃管水银温度计、双金属温度计) ，基于导体或半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表，基于热电效应的热电偶温度检测仪表等。非接触式检测仪表是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法。热电偶温度计3.3 S型热电偶在工作室自由端温度t0=30度，现测得热电偶的电势为7.5mv，求被测介质实际温度？解：由题意热电偶测得的电势为E(t,30)，即E(t,30)=7.5mv，其中t为被测介

12、质温度，由分度表可查到E(30,0)=0.173mv，则E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=7.5+0.173=7.673mv在由分度表中查出与其对应的实际温度为830度。热电偶自由端温度的处理（1） 补偿导线法在使用补偿导线时必须注意以下问题。 补偿导线只能在规定的温度范围内( 一般为O 100度) 与热电偶的热电势相等或相近。 不同型号的热电偶有不同的补偿导线。 热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度。 补偿导线有正、负极，需分别与热电偶的正、负极相连。G 补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度t0不等于0 时，还需进行其他补偿与修正。（2） 计算修正法（3） 自由

13、端恒温法（4） 自动补偿法 目前主要采用补偿电桥利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。金属热电阻的分度号与分度表金属热电阻的检测仪表主要有铂电阻温度计和铜电阻温度计，铂电阻和铜电阻的电阻值都是随温度的升高而增大。由于热电阻在温度t时的电阻值与R0有关，所以对R0的允许误差有严格的要求。另外R0的大小也有相应的规定。R0愈大，则电阻体体积增大，不仅需要较多的材料，而且使测量的时间常数增大，同时电流通过电阻丝产生的热量也增加，但引线电阻及其变化的影响变小。反之亦然。因此，需要综合考虑选用合适的R0，目前，我国规定工业用铂电阻温度计有R0=10欧和100欧，其分

14、度号分别为Pt10和Pt100.铜电阻温度计也有R0=50欧和100欧两种，分度号分别为Cu50和Cu100。类似于热电偶的分度表，用表格形式给出在不同温度下各种热电阻分度号的电阻值称为热电阻的分度表。铜电阻的特性比较接近直线，而铂电阻的特性呈现一定的非线性，温度越高，电阻的变化率越小。为了减小引线电阻的影响，引线采用三线制接法，如图3.52所示，其中两根引线来自热电阻的一个引出端，另一根引线接至热电阻的另一个引出端。三根引线分别接到变送器或显示器仪表输入电路的电桥的电源和两个桥臂。由于引线分别接在电桥的两个桥臂上，受到温度或长度的变化引起引线电阻的变化将同时影响两个桥臂的电阻，但对电桥的输出

15、影响不大，从而较好地消除了引线电阻的影响，提高测量的准确度。所以工业上多采用三线制接法。温度检测仪表的使用在大大多数场合采用的是接触式温度仪表，由于价格较高，结构复杂和低温段温度测量性能无优势等因素，全辐射高温计，光电温度计，比色温度计和红外温度计等辐射式非接触式温度计测量仪表主要用于实际生产过程中接触式温度测量仪表不能胜任的测量场合。基于热电偶和金属热电阻的温度测量仪表，用于集中显示，记录和过程控制，是目前应用最为广泛的主流工业温度检测仪表。热电阻（尤其是铂电阻）由于精度高和性能稳定，工业生产和科学研究中常作为标准来使用。工业玻璃管温度计、压力式温度计和双金属温度计由于具有结构坚固、耐震和价

16、格低廉现场就地显示应用尤其广泛。半导体热敏电阻和集成温度传感器由于价格低，使用方便，在各种非工业生产过程领域使用较为广泛。接触式温度检测仪表在实际使用时注意：1. 正确选择测温位置2. 同等条件下尽可能缩小温度敏感元件和保护套管的体积3. 准确地安装以保证被测介质与敏感元件间充分的热交换为解决工业现场的温度检测和控制问题一体型温度变送器和智能温度变送器得到了十分广泛的使用。一体型温度变送器是将测温元件（例如热电阻或热电偶）和变送器模块集成为一个整体，并输出反应温度测量信息的统一标准信号（一般为420mA的标准直流电流信号）。由于测温元件和变送器模块为一个整体，一体型温度变送器可以直接安装在被测

17、温度的工艺设备上，具有体积小、重量轻、现场安装方便、节省安装费以及抗干扰能力强便于远距离传输等优点智能型温度变送器可作为单纯的温度变送模块使用也可集成测温元件以构成一体型的温度检测仪表。优点:1. 适用性和通用性强。2. 具有各种补偿功能。3. 标准信号输出和通信。4. 操作使用方便灵活具有自诊断功能。5. 可实现简单的现场就地控制。液体压力计是以流体静力学原理为基础的。压力计一般由U型玻璃管或单管构成，管内用已知密度的水银或水为工作液。常用于低压，负压或差压的检测。斜管式液体压力计DDZ-III型差压变送器的结构原理图：压力检测仪表的使用：注意：压力仪表的选用；取压点及引压管路的设计一般在被

18、测压力较稳定的情况下，最大工作压力不应超过仪表满量程的3/4，在被测压力波动较大或侧脉动压力时，最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3，为了保证测量准确度最小工作压力不应低于满量程的1/3，选择仪表流程时应首先要满足最大工作压力条件。物位检测仪表：常用的物位检测方法1. 静压式物位计2. 浮力式物位计3. 声学式物位计4. 射线式物位计5. 微波物位计6. 电气式物位计他们可以归纳为以下几个检测原理1. 基于力学原理2. 基于相对变化原理3. 基于某强度性物理量随物位的升高而增加原理静压式液位计检测原理基于液位高度变化时，由液柱产生的静压也随之变化的原理。量程迁移例如采用法兰式差压变送器时，由于从膜盒至变送器的毛细管中充以硅油，无论差压变送器安装在什么高度，一般均会产生附加静压。因此，在这些情况下，需要采用相应的校正措施，工程中最常用的对压力（差压）变送器进行零点调整，使它在只受附加静压（静压差）时输出为“零”，这种方法称为“量程迁移。量程迁移有无迁移、负迁移、正迁移三种情况，正负迁移的实质是调整差压变送器的零点，作用是同时改变测量范围的上下限，而