仪表及自动化第三章检测仪表与传感器

1、仪表及自动化第三章 检测仪表与传感器 教学要求掌握仪表精度的意义及与测量误差的关系初步掌握仪表的性能指标掌握压力检测仪表的基本原理初步掌握压力表的选用方法了解智能型压力变送器重 点精度的意义与测量误差的关系弹簧管压力表的基本原理霍尔片式压力传感器的基本原理电容式压力变送器第一节 概述用来检测这些参数的技术工具称为检测仪表。用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号的仪表通常称为传感器。近来把传感器直接定义为:能感知，并检测出被测对象之信息的机器。也就是说,传感器能够代替人的五官(视、听、嗅、味、触) 来完成某些功能的机器。同时，即使人的五官不能感知的现象(例如红外线、电磁波、超声波等)也能感知。

2、当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。第一节 概述1.1 测量过程与测量误差 测量过程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种比较的工具。 检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换，最后得到便于测量的信号形式，然后与相应的测量单位进行比较，由指针位移或数字形式显示出来。 一次敏感元件变换显示装置传输处理测量电路被测参数第一过程第二过程 例如，用水银温度计测量水温过程：首先水的热能传给玻璃，再由玻璃传递给水银，水银受热则水银柱升高，水的热能转换成水银柱的位能。这是能量形式的一次转换；在温度计读数时是拿水银柱的高度与玻璃上标

3、准温度刻度进行比较而显示出读数。这是测量单位的比较过程。该检测系统除被测对象外，只包括有一次敏感元件（水银）和显示装置（玻璃刻度）二部分组成。第一节 概述第一节 概述绝对误差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 测量误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。 第一节 概述1.2 仪表的性能指标(1) 精确度（简称精度）说明：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

4、对误差和仪表的测量范围相对百分误差允许误差第一节 概述 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，等。小结第一节 概述举例例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 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。由于国家规定的精度等级中没有级仪表，同时，该仪表的误差超过了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级。 第一节 概述例2某台测温仪表的测温范围为1000

5、。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 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，其数值介于之间，如果选择精度等级为级的仪表，其允许的误差为，超过了工艺上允许的数值，故应选择级仪表才能满足工艺要求。第一节 概述仪表的精度等级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。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。举例如：第一节 概述 根据仪表校验数据来确定仪表

6、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。 小结第一节 概述(2) 变差 变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 测量仪表的变差第一节 概述(3) 灵敏度与灵敏限 仪表的灵敏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

7、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。 注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中，往往用分辨力表示。 第一节 概述(4)分辨率 对于数字式仪表，分辨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高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表的分辨力指标。当数字式仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率。第一节 概述(5) 线性度

8、 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。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）。 第一节 概述(6) 反应时间 反应时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

9、出信号由开始变化到新稳态值的（95）所用的时间，可用来表示反应时间。第一节 概述1.3 工业仪表的分类(1) 按仪表使用的能源分类气动仪表、电动仪表、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，更有利于电动仪表的安全使用。 一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。 优点缺点常用第一节 概述(2) 按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检测仪表 作用是获取信息，并进行适当的转换。 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 包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。控制仪表 可以根据需

10、要对输入信号进行各种运算。 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。 第一节 概述图3-3 各类仪表的作用第一节 概述(3) 按仪表的组成形式分类 基地式仪表特点是将测量、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 第一节 概述 生产过程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 单元组合仪表是将对参数的

11、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。 第二节 压力检测及仪表2.1 压力单位及测量仪表压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）第二节 压力检测及仪表 为了使大家了解国际单位制中的压力单位（Pa或MPa）与过去的单位之间的关系，下面给出几种单位之间的换算关系表。 压力单位帕/Pa兆帕/ MPa工程大气压/ (kgf/cm2)物理大气压/ atm汞柱/ mmHg水柱/ mH2

12、O（磅/英寸2）/ （1b/in2）巴/bar帕111061.019710-59.86910-67.50110-31.019710-41.45010-4110-5兆帕1106110.1979.8697.5011031.01971021.45010210工程大气压9.8071049.80710-210.9678735.610.0014.220.9807物理大气压1.01331050.101331.0332176010.3314.701.0133汞柱1.33321021.333210-41.359510-31.315810-310.01361.93410-21.333210-3水柱9.806103

13、9.80610-30.10000.0967873.5511.4220.09806（磅/英寸2）6.8951036.89510-30.070310.0680551.710.703110.06895巴11050.11.01970.9869750.110.19714.501表3-1 各种压力单位换算表第二节 压力检测及仪表p表P真P绝P绝大气压力线绝对压力的零线在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分。 当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示。图3-4绝对压力、表压、负压（真空度）的关系第二节 压力检测及仪表测量压力或真空度的仪表按照其转换原理的不同，分为四类。(1)液柱式压力

14、计 它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。 按其结构形式的不同 有U形管压力计、单管压力计等 优点这类压力计结构简单、使用方便 缺点 其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。 第二节 压力检测及仪表第二节 压力检测及仪表U形管压力计第二节 压力检测及仪表(2) 弹性式压力计 它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。例如：弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。 它可以用来测量几十至几千Pa正压或负压。通常用来测量风压、烟道、烟囱和炉膛的压力等。第二节 压力检测及仪表膜式微压计第二节 压力检测及仪表(3

15、) 电气式压力计 它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。 压力传感器：能检测压力值并提供远传电信号的装置。 第二节 压力检测及仪表(4) 活塞式压力计 它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。 优点缺点测量精度很高，允许误差可小到0.05%0.02%。 结构较复杂，价格较贵。 第二节 压力检测及仪表活塞式压力计是校验、标定压力表和压力传感器等的标准仪器之一，也是一种标准压力发生器。 活塞式压力计 第二节 压力检测及仪表2.2 弹性式压力计定义 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用

16、下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。 优点 具有结构简单、使用可靠、读数清晰价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。 可用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力。 第二节 压力检测及仪表(1) 弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。 图3-5 弹性元件示意图 弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示。第二节 压力检测及仪表(2) 弹簧管压力表 分类使用的测压元件 单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。 用途 普通弹簧管压力表，耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压

17、力表等。 1弹簧管；2 拉杆；3 扇形齿轮；4 中心齿轮；5 指针；6 面板；7 游丝；8 调整螺丝；9 接头弹簧压力表第二节 压力检测及仪表基本测量原理 单圈弹簧管是一根弯成270圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。 注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示

18、出来。 第二节 压力检测及仪表第二节 压力检测及仪表 在生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。 警惕！第二节 压力检测及仪表图3-7 电接点信号压力表1，4 静触点；2 动触点；3 绿灯；5 红灯 压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红

19、灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。 第二节 压力检测及仪表2.3 电气式压力计定义电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。 优点1. 该仪表的测量范围较广，分别可测710-5Pa至5102MPa的压力，允许误差可至0.2； 2. 由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。 第二节 压力检测及仪表图3-8 电气式压力计组成方框图组成 一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。 第二节 压力检测

20、及仪表几种常见的传感器或变送器：2.3.1 霍尔片式压力传感器 霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。 图3-9 霍尔效应 霍尔电势可用下式表示 式中，UH为霍尔电势；RH为霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关；B为磁感应强度；I为控制电流的大小。 第二节 压力检测及仪表注意 霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH，但两者都有一定限度，一般I为320mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。 导体也有霍尔效应，不过它们的霍尔电势远比半导体的霍尔电势小得多。 第二节 压力

21、检测及仪表 将霍尔元件与弹簧管配合，就组成了霍尔片式弹簧管压力传感器，如图3-10所示。 图3-10 霍尔片式压力传感器1弹簧管；2 磁钢；3 霍尔片 当被测压力引入后，在被测压力作用下，弹簧管自由端产生位移，因而改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置，使所产生的霍尔电势与被测压力成比例。 利用这一电势即可实现远距离显示和自动控制。第二节 压力检测及仪表2.3.2 应变片压力传感器 应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸）应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显

22、示出被测压力，从而组成应变片式压力计。 图3-11 应变片压力传感器示意图1应变筒；2外壳；3密封膜片第二节 压力检测及仪表2.3.3 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。 采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。 当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。 工作原理第二节 压力检测及仪表图3-12 压阻式压力传感器1基座；2单晶硅片；3导环；4螺母；5密封垫圈；6等效电阻特点 精度高、工作可

23、靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单； 便于实现显示数字化； 可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。 第二节 压力检测及仪表2.3.4 电容式压力变送器 电容式压力变送器是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高等优点，其输出信号是标准的420mA（DC）电流信号。 工作原理图3-14 电容式差压变送器原理图1隔离膜片；2，7固定电极；3硅油；4测量膜片；5玻璃层；6底座；8引线先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量。 第二节 压力检测及仪表 电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片，当差压过大并超过允许测量范围时，测

24、量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达级。 小结第二节 压力检测及仪表2.4 智能型压力变送器 智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。 可进行远程通信 利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。 特点第二节 压力检测及仪表举例以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。图3-15 3051C型智能差压变送器（42

25、0mA）方框图第二节 压力检测及仪表图3-16 手持通信器的连接示意图 3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。 实现的功能（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断第二节 压力检测及仪表 要对智能型差压变送器每五年校验一次，智能型差压变送器与手持通信器结合使用，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，给变送器的运行和维护带来了极大的方便。 注意常见压力传感器外形 工业压力变送器数字压力变送器通用压力变送器隔离压力变送

26、器高温压力变送器隔离压差变送器隔离液位变送器微压变送器电容压力变送器隔膜压力变送器绝压变送器双膜压差变送器微型探针压力计暖风空调压力计湿式压力变送器本安压力变送器OEM血压计OEM压力芯片第二节 压力检测及仪表2.5 压力计的选用及安装2.5.1 压力计的选用 压力计的选用应根据工艺生产过程对压力测量的要求，结合其他各方面的情况，加以全面的考虑和具体的分析， 一般考虑以下几个问题。 仪表类型的选用 仪表精度级的选取 仪表测量范围的确定（1）仪表的类型的选用工艺要求：现场检测、远传、自动记录、报警介质性质：腐蚀性、温度、粘度、压力、易燃易爆性环境条件：高温、电磁场、振动（2）仪表的测量范围的确定测量稳定压力：低压：上限值测量脉动压力：上限值高压：上限值第二节 压力检测及仪表被测压力的最小值：（3）仪表的精度的选取选择原则：仪表允许误差工艺允许最大误差第二节 压力检测及仪表第二节 压力检测及仪表举例 例3 某台往复式压缩机的出口压力范围为2528MPa，测量误差不得大于1MPa。工艺上要求就地观察，并能高低限报警，试正确选用一台压力表，指出型号、精度与测量范围。 解由于往复式压缩机的出口压力脉动较大，所以选择仪表的上限值为 根据就地观察及能进行高低限报警的要求，由本章附录一，可查得选用YX-150型电接点压力表，测量范围为060MP