工业自动化仪表第2章第三次课

1、 第 二 章 检测仪表与变送器小 结误差误差根据误差的性质及产生的原因，分为根据误差的性质及产生的原因，分为系统误系统误差差、随机误差随机误差、疏忽误差疏忽误差三类三类 。绝对误差和相对误差绝对误差和相对误差重点：重点：性能指标性能指标静态特性静态特性精确度精确度（相对百分误差相对百分误差、允许误差允许误差）稳定性稳定性输入输入输出特性输出特性主要取决于误差的形成误差的形成及其误差特性误差特性动态特性动态特性灵敏度与灵敏限灵敏度与灵敏限线性度线性度变差变差重复性重复性 2-12-1 基本概念基本概念 2-22-2 传感器与变送器传感器与变送器 2-32-3 温度检测仪表温度检测仪表 2-42-

2、4 压力检测仪表压力检测仪表 2-52-5 流量检测仪表流量检测仪表 2-62-6 物位检测仪表物位检测仪表第二章 检测仪表与变送器一、基本概念测量仪表测量仪表2-1 2-1 基本概念基本概念 用来检测生产过程中的各个有关参数的技术工用来检测生产过程中的各个有关参数的技术工具称为检测仪表。具称为检测仪表。变送器变送器传感器传感器 用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号（例如电信号或气压信号）的仪表通常称为传感器。（例如电信号或气压信号）的仪表通常称为传感器。 将传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准将传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号（信号制）

3、时，通常称为变送器。信号（信号制）时，通常称为变送器。二、检测仪表的基本结构 检测仪表包括检测仪表包括信号获取信号获取、信号处理信号处理及及信号的显示信号的显示输出输出三部分。三部分。 根据仪器的安装，检测仪表分为信号获取部分根据仪器的安装，检测仪表分为信号获取部分及信号处理输出部分两大块。及信号处理输出部分两大块。三、检测仪表的测量方法 根据根据被测对象被测对象、测量环境测量环境和和对象参数特性对象参数特性要求等，要求等，检测仪表的测量方法有电工检测仪表的测量方法有电工/电磁学法、半导体法、光电磁学法、半导体法、光学法、红外线法、超声波法、激光法、紫外线法等。学法、红外线法、超声波法、激光法

4、、紫外线法等。 根据测量所得结果的显示，检测仪表的测量方根据测量所得结果的显示，检测仪表的测量方法分为法分为直接测量直接测量和和间接测量间接测量。与同类基准进行简单的比较，就能得到测量值的检与同类基准进行简单的比较，就能得到测量值的检测方法称为测方法称为直接检测直接检测。比如：用电压表测电压、温度计比如：用电压表测电压、温度计测温度等。测温度等。直接测量一般可以直接读出被测量的量值。直接测量一般可以直接读出被测量的量值。直接测量直接测量间接测量间接测量间接检测间接检测就是测量与被测量有一定关系的就是测量与被测量有一定关系的2 2个或个或2 2个个以上物理量，然后再推算出被测量。以上物理量，然后

5、再推算出被测量。比如，测量电流和比如，测量电流和电阻求电压电阻求电压。间接测量需要进行间接测量需要进行2 2次以上的测量，一般要次以上的测量，一般要分析误差的传递。分析误差的传递。一、传感器分类2-2 2-2 传感器与变送器传感器与变送器 根据输入物理量分为位移传感器、温度传感器、根据输入物理量分为位移传感器、温度传感器、压力传感器等。压力传感器等。温度传感器温度传感器压力传感器压力传感器流量传感器流量传感器物位传感器物位传感器与被测对象进行实体接触，其敏感元件得到的是被与被测对象进行实体接触，其敏感元件得到的是被测对象在接触点上的变化率的测量方式称为测对象在接触点上的变化率的测量方式称为接触

6、式测量接触式测量。比如：直接接触人体皮肤测量温度。比如：直接接触人体皮肤测量温度。接触式测量接触式测量非接触式测量非接触式测量二、传感器的测量方法与被测对象进行非实体接触，其敏感元件得到的是与被测对象进行非实体接触，其敏感元件得到的是被测对象所形成的一个场内感知变化的测量方式称为非被测对象所形成的一个场内感知变化的测量方式称为非接触式测量接触式测量。比如：磁场、声场等。比如：磁场、声场等。将各种物理量转换成统一的将各种物理量转换成统一的标准信号标准信号，以输入和输，以输入和输出出呈线性关系呈线性关系的标准的标准电电信号为技术点。信号为技术点。 由由010mA(05V,010V) 420mA(1

7、5V)010mA(05V,010V) 420mA(15V)直流直流 变送器的信号变送器的信号变送器的发展变送器的发展三、变送器 首先是传感器和变送器分离。传感器是借助敏感元件首先是传感器和变送器分离。传感器是借助敏感元件按一定的规律（物理按一定的规律（物理、化学等）将非电物理量形式的信号化学等）将非电物理量形式的信号转换成电信号。变送器是将传感器输出的电信号（微弱的转换成电信号。变送器是将传感器输出的电信号（微弱的电流电流、电压等）转换成标准信号。电压等）转换成标准信号。 现在是传感器和变送器功能合一。变送器为输出标准现在是传感器和变送器功能合一。变送器为输出标准信号的传感器，由于微机械加工技

8、术和微电子技术的发展，信号的传感器，由于微机械加工技术和微电子技术的发展，敏感元件和信号调理电路一体化，构成集成变送器或智能敏感元件和信号调理电路一体化，构成集成变送器或智能变送器。变送器。一、温度与温标2-3 2-3 温度传感器温度传感器温度温度 温度温度是表征物体冷热程度的物理量。是表征物体冷热程度的物理量。温度温度标志着物质内部大量标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。内部分子热运动越剧烈。 模拟图模拟图：在一个密闭的空：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快

9、！的运动速度比低温时快！ 温标：温标：一个用来衡量温度一个用来衡量温度的标准尺度，就是温度的数的标准尺度，就是温度的数值表示方法。值表示方法。 温标的三要素温标的三要素：测温物质测温物质性质性质、固定点的温度数值固定点的温度数值和和温度单位温度单位。 国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。标、热力学温标等。 （1 1）摄氏温标（）摄氏温标（）汞随温的线性体膨胀汞随温的线性体膨胀 摄氏温标规定在标准大气压下，摄氏温标规定在标准大气压下，水水的的冰点冰点为为零点零点，水的水的沸点沸点为为100100度度，并将两固定点之间等分，并将两固定点之间等分

10、100100份，每份，每一份称为一摄氏度，一般用一份称为一摄氏度，一般用“”表示摄氏度数。表示摄氏度数。（2 2）华式温标（）华式温标（F F） 汞随温的线性体膨胀汞随温的线性体膨胀 华式温标规定在标准大气压下，华式温标规定在标准大气压下，水水的的冰点冰点为为3232度度，水的，水的沸沸点点为为212212度度，在这两个固定点之间划分，在这两个固定点之间划分180180等份，每一份称为等份，每一份称为华式一度。华式温标与摄氏温标有如下的关系：华式一度。华式温标与摄氏温标有如下的关系：m=1.8n+32(F)m=1.8n+32(F)式中，式中，m m、n n分别表示华式温度值和摄氏温度值。分别表

11、示华式温度值和摄氏温度值。(3)(3)热力学温标（热力学温标（K K）以热力学为基础以热力学为基础 热力学温标是建立在热力学温标是建立在热力学第二定律基础热力学第二定律基础上的最科学上的最科学的温标，是由开尔文（的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（单位是开尔文（K） 。热力学温标规定在标准大气压下，热力学温标规定在标准大气压下，水水的的三相点三相点为为273.16273.16，沸点与三相点之间划分沸点与三相点之间划分100100等份，每一份称为一度。等份，每一份称为一度。T=

12、t+273.16T是热力学温标， t是摄氏度(4) 1990国际温标国际温标( (ITS-90) ) 从从1990年年1月月1日开始在全世界范围内采用日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式。准仪器以及计算公式。 几种温标的对比几种温标的对比 例如：例如：某点摄氏温度为某点摄氏温度为100100，将该温度转换，将该温度转换为华式温标和国标温标。为华式温标和国标温标。m=1.8n+32(F)=1.8*100+32=212FT90=t90+

13、273.15=100+273.15=373.15K温度概念的建立及测量温度概念的建立及测量以热平衡为基础的以热平衡为基础的温度最本质的性质温度最本质的性质 当两个冷热程度不同的物体接触后就会产当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热即生导热换热即热交换过程热交换过程，换热结束后两物体，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。 温度测量范围甚广，有的处于接近绝对零度的低温，温度测量范围甚广，有的处于接近绝对零度的低温，有的要在几千度的高温下进行，这样宽的测量范围，需有的要在几千度的高温下进行，这样宽的测量范围，需要各种不同的测温方法和测温

14、仪表。要各种不同的测温方法和测温仪表。 按测量方式分为接触式和非接触式按测量方式分为接触式和非接触式 按工作原理分为膨胀式温度计、压力式温度计、热按工作原理分为膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计。电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计。二、温度传感器的分类接接触触式式测测温温仪仪表表玻璃液体玻璃液体温度计温度计 结构简单、使用方便、测结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉量准确、价格低廉 容易破损、读数麻烦、一般只容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示能现场指示 , ,不能记录与远传不能记录与远传-100-100100100（150150）有机液体）有机液体0 0

15、350350（-30 -30 650650）水银）水银双金属温双金属温度计度计结构简单、机械强度大、结构简单、机械强度大、价价格低、能记录、报警与自格低、能记录、报警与自控控 精度低、不能离开测量点测量精度低、不能离开测量点测量 , ,量程与使用范围均有限量程与使用范围均有限 0 0 300300（-50 -50 600600）压力式温压力式温度计度计结构简单、不怕震动、具结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控记录、报警与自控 精度低、测量距离较远时精度低、测量距离较远时 , ,仪表仪表的滞后性较大、一般离开测量点的滞后性较大、一般离开测量点不超过不

16、超过 1010米米 0 0 500500（-50 -50 600600）液体型）液体型0 0 100100（-50 -50 200200）蒸汽型）蒸汽型电阻温度电阻温度计计测量精度高测量精度高 , ,便于远距离、便于远距离、多点、集中测量和自动控多点、集中测量和自动控制制 结构复杂、不能测量高温结构复杂、不能测量高温 , ,由于由于体积大体积大 , ,测点温度较困难测点温度较困难 -150 -150 500500（-200 -200 600600）铂电阻）铂电阻0 0 100100（-50 -50 150150）铜电阻）铜电阻-50 -50 150150（180180）镍电阻）镍电阻-100

17、-100 200200（300300）热敏电阻）热敏电阻热电偶温热电偶温度计度计测温范围广测温范围广 , ,精度高精度高 , ,便于便于远距离、多点、集中测量远距离、多点、集中测量和自动控制和自动控制 需冷端温度补偿需冷端温度补偿 , ,在低温段测量在低温段测量精度较低精度较低 -20 -20 13001300（16001600）铂铑）铂铑1010- -铂铂-50 -50 10001000（12001200）镍铬）镍铬- -镍硅镍硅-40 -40 800800（900900）镍铬）镍铬- -铜镍铜镍-40 -40 300300（350350）铜）铜- -铜镍铜镍非接非接触式触式测温测温仪表仪表

18、光学高温光学高温计计携带用、可测量高温、测携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度温时不破坏被测物体温度场场 测量时测量时 , ,必须经过人工调整必须经过人工调整 , ,有人有人为误差为误差 , ,不能作远距离测量不能作远距离测量 , ,记录记录和自控和自控 900 900 20002000（700 700 20002000）辐射高温辐射高温计计测温元件不破坏被测物体测温元件不破坏被测物体温度场温度场 , ,能作远距离测量、能作远距离测量、报警和自控、测温范围广报警和自控、测温范围广 只能测高温只能测高温, ,低温段测量不准低温段测量不准, ,环环境条件会影响测量精度境条件会影响测量精度,

19、 ,连续测高连续测高温时须作水冷却或气冷却温时须作水冷却或气冷却 100 100 20002000（50 50 20002000）1接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度。导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度。优点：直观、可靠。优点：直观、可靠。缺点：缺点：存在负载效应，存在负载效应， 受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测 元件温度与被测对象温度不一致。元件温度与被测对象温度不一致。 热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。热量传递需要一定时间造成测温滞后现象

20、。（动态误差）（动态误差）2非接触法测温：检测部分与被测对象不直接接触，所非接触法测温：检测部分与被测对象不直接接触，所以不破坏原有温度场。通常用来测量以不破坏原有温度场。通常用来测量1000以上的移以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体。动、旋转、或反映迅速的高温物体。 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质制成的，测温敏感元件在受热后尺寸或体积性质制成的，测温敏感元件在受热后尺寸或体积发生变化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或发生变化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或体积变化的大小。体积变化的大小。分类：分类：液体膨胀式、气体膨胀式、固体膨胀式液体

21、膨胀式、气体膨胀式、固体膨胀式三、膨胀式温度计（一）工作原理（一）工作原理w利用玻璃管内液体的体积随温度利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。的升高而膨胀的原理。w组成：液体感应包、毛细管、标组成：液体感应包、毛细管、标尺三部分。尺三部分。w液体可为：水银、酒精、甲苯等。液体可为：水银、酒精、甲苯等。w当温度超过当温度超过300300时，应采用硅硼时，应采用硅硼玻璃，玻璃，500500以上要采用石英玻璃。以上要采用石英玻璃。4玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计玻璃棒温度计玻璃棒温度计工作液体的热膨胀计算工作液体的热膨胀计算 )(-120tttVV）（式中：式中：V工作液体在工作液体在t

22、1 、t2温度下的体积差温度下的体积差 工作液体体膨胀系数工作液体体膨胀系数 玻璃的体膨胀系数玻璃的体膨胀系数（一）工作原理与结构形式一）工作原理与结构形式1 原理原理 压力式温度计是利用密封系统中压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压测温物质的压力力随随温度温度变化来测温；变化来测温；2 分类分类按所充物质相态分充气式、充液式、蒸发式按所充物质相态分充气式、充液式、蒸发式按功能分：指示式、记录式、报警式和温度按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等调节式等压力式温度计压力式温度计利用液体的蒸发或气体利用液体的蒸发或气体的膨胀而引起的压力变的膨胀而引起的压力变化进行测量。化进行测量。温

23、包：温包：传热、容纳膨传热、容纳膨胀介质；胀介质；毛细管：毛细管：传递压力；传递压力；弹簧管：弹簧管：显示压力显示压力（温度）。（温度）。抗抗震震压压力力表表3 组成组成 温包、毛细管、感压元件温包、毛细管、感压元件（弹簧管、波纹管等）（弹簧管、波纹管等）（二）（二）使用方法与特点使用方法与特点对毛细管采取保护措施，防对毛细管采取保护措施，防止损坏；注意安装方式与位止损坏；注意安装方式与位置对精度的影响。置对精度的影响。特点：结构简单，价格便宜，特点：结构简单，价格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，刻度清晰，防爆。精度差，示值滞后时间长，毛细管易示值滞后时间长，毛细管易损坏。损坏。河北凯瑞贺仪表厂

24、压力式温度计河北凯瑞贺仪表厂压力式温度计它的感温元件是由它的感温元件是由膨膨胀系数不同胀系数不同的两种金的两种金属片牢固地结合在一属片牢固地结合在一起制成。起制成。l可作温度继电控制、极可作温度继电控制、极值温度控制信号值温度控制信号固定端固定端自由端自由端BBAA双金属温度计双金属温度计双金属温度计双金属温度计热电阻温度计组成热电阻温度计组成1、热电阻、热电阻2、显示仪表、显示仪表3、连接导线、连接导线四、热电阻温度计 热电阻温度计特点热电阻温度计特点 在在-200-200到到+500+500摄氏度范围内精度高摄氏度范围内精度高, ,性能稳定可靠性能稳定可靠, ,不需要不需要冷端温度补偿冷端

25、温度补偿, ,测温范围比热电偶低测温范围比热电偶低, ,存在非线性存在非线性. .适用于适用于中低中低温温测量。测量。TRt铂电阻热敏电阻对于一个给定电阻，对于一个给定电阻，其电阻值是温度的其电阻值是温度的单值函数，因而可单值函数，因而可以通过以通过测量电阻值测量电阻值来推算温度。来推算温度。 热电阻温度计测量原理热电阻温度计测量原理金属导体的电阻值随温度变化金属导体的电阻值随温度变化 T R热电阻0)01(tRRt t温度t时的电阻值 电阻温度系数 温度0时的电阻值 电阻值与温度的关系为电阻值与温度的关系为电阻温度系数电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变化在某一温度间隔内，温度变化1时时的

26、电阻相对变化量，单位为的电阻相对变化量，单位为1/ 。 平均电阻温度系数平均电阻温度系数dtdRRt01tRRt0金属导体电阻温度系数一般为正值金属导体电阻温度系数一般为正值 纯金属一般为纯金属一般为0.380.68%，金属纯度越高，其电金属纯度越高，其电阻温度系数阻温度系数越大越大特点特点：准确度高，稳定性好、性能可靠、：准确度高，稳定性好、性能可靠、有较高电阻率，广泛应用于基准、标准化有较高电阻率，广泛应用于基准、标准化仪器中，是目前测温复现性最好的一种。仪器中，是目前测温复现性最好的一种。使用范围使用范围：-200850，在，在9090年国际温标年国际温标中规定平衡氢三相点中规定平衡氢三相点13.8k13.8k到凝固点到凝固点961.78961.78标准仪器应用铂电阻。标准仪器应用铂电阻。铂热电阻铂热电阻 在在0630.74范围内，金属铂的电阻值与温度范围内，金属铂的电阻值与温度 的关系为的关系为1 320CtBtAtRRt 工业上用的铂电阻有两种，一种是工业上用的铂电阻有两种，一种是R0=10，对，对应的分度