自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與裝置

1、測(cè)量范圍和量程每臺(tái)檢測(cè)儀表都有一個(gè)測(cè)量范圍，儀表工作在這個(gè)范圍內(nèi)，可以保證儀表不 會(huì)被損壞，而且儀表輸出值的準(zhǔn)確度能符合所規(guī)定的值。這個(gè)范圍的最小值和最 大值分別稱為測(cè)量下限和測(cè)量上限。測(cè)量上限和測(cè)量下限的代數(shù)差 稱為儀表的量程即量程=測(cè)量上限值-測(cè)量下限值靈敏度 靈敏度S是檢測(cè)儀表對(duì)被測(cè)量變化的靈敏程度，常以在被測(cè)量改變時(shí)，經(jīng)過(guò)足夠時(shí)間檢測(cè)儀表輸出值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，儀表輸出變化量與引起此變化的輸人變化量之比表示，即S=yx回差也稱變差，是指檢測(cè)儀表對(duì)于N被測(cè)量在其上升和下降時(shí)對(duì)應(yīng) 輸出值間的最大誤差，如圖1.5所示。由于特性曲線像環(huán)狀一樣，回差有時(shí)也稱 “滯環(huán)。回差的存在使得檢測(cè)儀表在同一被

2、測(cè)量時(shí)有不止一個(gè)的輸出值，從而出 現(xiàn)誤差。絕對(duì)誤差是儀表輸出值與被測(cè)參數(shù)真值之間的差值x相對(duì)誤差：儀表的絕對(duì)誤差與約定真值比的百分?jǐn)?shù)引用誤差：儀表的絕對(duì)誤差與儀表的量程比的百分?jǐn)?shù)儀表的 準(zhǔn)確度通常是用儀表滿刻度相對(duì)誤差的大小來(lái)衡量。準(zhǔn)確度常常也稱精度或精確度。按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，儀表的準(zhǔn)確度劃分為若干等級(jí).稱準(zhǔn)確度等 級(jí)國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的等級(jí)有0.05, 0.1, 0.25, 0.35, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0,。儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)按以下方法確定，辭先用儀表滿刻度相 對(duì)誤差略去其百分號(hào)（)作為儀表的準(zhǔn)確度*再根據(jù)國(guó)家統(tǒng)一劃分的準(zhǔn)確度等級(jí).例一：有一臺(tái)壓力儀表，其量程

3、為100kpa，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)儀表的基本誤差為0.6kpa，問(wèn)這臺(tái)壓力儀表的準(zhǔn)確度為多少？準(zhǔn)確度等級(jí)為多少？解：由題意可以算出儀表的滿刻度相對(duì)誤差為0.6%，略去其百分號(hào)，則該壓力儀表的準(zhǔn)確度為準(zhǔn)確度等級(jí)0.5，而小于1.0，所以該儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0級(jí)。例二：擬對(duì)某壓力容器的壓力進(jìn)行測(cè)量，正常壓力在150kpa左右，要求壓力測(cè)量誤差不大于4.5kpa，問(wèn)應(yīng)選擇什么樣的壓力檢測(cè)儀表才能滿足測(cè)量要求？解：由題意，選擇的壓力儀表的基本誤差應(yīng)小于4.5kpa才能滿足測(cè)量要求，另一方面，壓力檢測(cè)儀表的量程一般應(yīng)比正常壓力大30%以上，可選擇壓力儀表的量程為250kpa，則儀表滿刻度相對(duì)誤差應(yīng)小于4.5

4、/250=1.8%，從而選擇的壓力儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)為1.5級(jí)。測(cè)量誤差的分類與測(cè)量不確定度按誤差本身因次分類 絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類 系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差。按使用的工作條件分類 基本誤差和附加誤差按誤差的特性分類 靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。測(cè)量不確定度的定義是對(duì)測(cè)量結(jié)果分散性的描述，是對(duì)測(cè)量結(jié)果誤差限的估計(jì)。測(cè)量不確定度是有一些不確定度分量組成的：1.A類不確定度：有測(cè)量列按統(tǒng)計(jì)理論計(jì)算得到的是可測(cè)得，2.B類不確定度：由非統(tǒng)計(jì)分析方法，即由其他方法估計(jì)的這類不確定度的估計(jì)主要用于不能通過(guò)多次重復(fù)性測(cè)量，由測(cè)量列確定不確定度的情況。所用的方法主要有以前的測(cè)量數(shù)據(jù)、有關(guān)的技術(shù)

5、資料和數(shù)據(jù)等。測(cè)量不確定度與測(cè)量誤差沒(méi)有必然的聯(lián)系。電容元件的結(jié)構(gòu)和特性1. 變極距式電容器：某個(gè)被測(cè)量變化時(shí)，會(huì)引起動(dòng)極板的位移，從而改變極板間的距離，導(dǎo)致電容量的變化。2. 變面積式電容器：當(dāng)可動(dòng)極板在被測(cè)量的作用下發(fā)生移位，使兩極板相對(duì)有效面積改變，則會(huì)導(dǎo)致電容器的電容量的變化。3. 變介電常數(shù)是電容器：當(dāng)兩極板間介電常數(shù)變化，由此引起的電容量改變。熱電偶檢測(cè)元件將兩種不同的導(dǎo)體A B連成閉合回路，將他們的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別置于溫度為T及T0（設(shè)T>T0）的熱源中，則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱之為熱電效應(yīng)。將兩種材料的導(dǎo)體組合稱為熱電偶。導(dǎo)體A和B稱為熱電極。溫度高的接點(diǎn)T稱

6、為熱端（工作端），溫度低的T0稱為冷端（自由端）。熱電偶回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)由兩部分組成：其一是不同材料的兩種導(dǎo)體之間的接觸電勢(shì)；其二是單一導(dǎo)體兩端溫度不同而形成的溫差電勢(shì)。熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與熱電極材料及兩端溫度有關(guān)，與熱電極的幾何尺寸無(wú)關(guān)。熱電偶必須由兩種材料不同的兩個(gè)電極構(gòu)成。熱電極材料確定之后，熱電勢(shì)的大小只與T，T0有關(guān)，若保持T0一定，則熱電偶回路總熱電時(shí)就可以看成是溫度T的單值函數(shù)。這就是用熱電偶測(cè)溫的基本原理。熱電偶的基本定律（1） 均質(zhì)導(dǎo)體定律有一種均質(zhì)導(dǎo)體的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積，長(zhǎng)度以及溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。（2） 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的

7、導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。（3）中間溫度定律 Eab(T,T0)= Eab(T,Tc)+ Eab(Tc,T0)用鎳鉻鎳硅熱電偶測(cè)爐溫。當(dāng)冷端溫度T0=30度時(shí)，測(cè)得熱電勢(shì)為E（T,T0）=39.17mv，若被測(cè)溫度不變，而冷端溫度為-20度，則該熱電偶測(cè)得的熱電勢(shì)為多少已知該熱電偶有E(30.0)=1.2mv，E(-20.0)=-0.77mv？根據(jù)中間溫度定律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得到冷端溫度為-20度時(shí)，測(cè)得的熱電勢(shì)應(yīng)為41.14mv。所以用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)必須考慮冷端的溫度，否則會(huì)引起誤差。(1)壓電效應(yīng)某些材料在沿一定方向受外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸變化而發(fā)生變形，而且材料內(nèi)部電荷分布發(fā)生變化，從而使得在其定的兩個(gè)相時(shí)表面上產(chǎn)生得號(hào)相反、當(dāng)外力去掉后，它們又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。所受的作用力越大，則機(jī)械變形越大，所產(chǎn)生的電荷量越多。壓電效應(yīng)是可逆的。光電效應(yīng)是指光照射到物質(zhì)上引起其電特性(電子發(fā)射、電導(dǎo)率、電位、電配等)發(fā)生變化的現(xiàn)象。分為外光電效應(yīng)和內(nèi)無(wú)電效應(yīng)。()外光電效應(yīng)在

9、光線作用下.使其內(nèi)部電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。（2）內(nèi)光電效應(yīng)物體在光線作用下，其內(nèi)部的原子釋放電子，但這些電子并不溢出物體表面，而仍然留在內(nèi)部，從而導(dǎo)致物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。使電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于該效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管等。(2) 光敏電阻的主要參數(shù)及基本特性主要參數(shù)暗電阻和暗電流。所謂暗電阻是指在無(wú)光照時(shí)所測(cè)的電阻值。這時(shí)在給定工作電壓下流過(guò)光敏電阻的電流稱為暗電流。亮電阻與亮電流。

10、在受光照時(shí)，光敏電阻的阻值稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。光敏電阻的基本特性包括光照特性、伏安特性、光譜特性、溫度特性。檢測(cè)儀表的組成：圖3.1示出了檢測(cè)儀表或檢測(cè)系統(tǒng)一般組成形式，主要有敏感元件、信號(hào)變換、處理傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及顯示裝置等功能模塊。需要指出的是：同種檢測(cè)儀表（指敏感元件相同），由于使用要求和條件的不同，在組成測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式上也不完全相同。檢測(cè)儀表的設(shè)計(jì)方法按結(jié)構(gòu)形式來(lái)劃分主要有直接串聯(lián)式（直接變換式）、差動(dòng)式、參比式和平衡（反饋）式為四種方法。直接串聯(lián)式（直接變換式）、差動(dòng)式、參比式等屬開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法，而平衡（反饋）式屬于閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法。四種儀表設(shè)計(jì)方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。溫度

11、檢測(cè)儀表在根據(jù)敏感元件與被測(cè)介質(zhì)接觸與否，可以分成接觸式和非接觸式兩大類。接觸式檢測(cè)儀表主要包括基于物體受熱體積膨脹或長(zhǎng)度伸縮性質(zhì)的膨脹式溫度檢測(cè)儀表( 如 玻璃管水銀溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)) ，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的熱電阻溫度檢測(cè)儀表，基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測(cè)儀表等。非接觸式檢測(cè)儀表是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)物體的溫度進(jìn)行檢測(cè)，主要有亮度法、全輻射法和比色法。熱電偶溫度計(jì)3.3 S型熱電偶在工作室自由端溫度t0=30度，現(xiàn)測(cè)得熱電偶的電勢(shì)為7.5mv，求被測(cè)介質(zhì)實(shí)際溫度？解：由題意熱電偶測(cè)得的電勢(shì)為E(t,30)，即E(t,30)=7.5mv，其中t為被測(cè)介

12、質(zhì)溫度，由分度表可查到E(30,0)=0.173mv，則E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=7.5+0.173=7.673mv在由分度表中查出與其對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為830度。熱電偶自由端溫度的處理（1） 補(bǔ)償導(dǎo)線法在使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意以下問(wèn)題。 補(bǔ)償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)( 一般為O 100度) 與熱電偶的熱電勢(shì)相等或相近。 不同型號(hào)的熱電偶有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線。 熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個(gè)接點(diǎn)處要保持同溫度。 補(bǔ)償導(dǎo)線有正、負(fù)極，需分別與熱電偶的正、負(fù)極相連。G 補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當(dāng)自由端溫度t0不等于0 時(shí)，還需進(jìn)行其他補(bǔ)償與修正。（2） 計(jì)算修正法（3） 自由

13、端恒溫法（4） 自動(dòng)補(bǔ)償法 目前主要采用補(bǔ)償電橋利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)來(lái)補(bǔ)償熱電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢(shì)的變化值。金屬熱電阻的分度號(hào)與分度表金屬熱電阻的檢測(cè)儀表主要有鉑電阻溫度計(jì)和銅電阻溫度計(jì)，鉑電阻和銅電阻的電阻值都是隨溫度的升高而增大。由于熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與R0有關(guān)，所以對(duì)R0的允許誤差有嚴(yán)格的要求。另外R0的大小也有相應(yīng)的規(guī)定。R0愈大，則電阻體體積增大，不僅需要較多的材料，而且使測(cè)量的時(shí)間常數(shù)增大，同時(shí)電流通過(guò)電阻絲產(chǎn)生的熱量也增加，但引線電阻及其變化的影響變小。反之亦然。因此，需要綜合考慮選用合適的R0，目前，我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑電阻溫度計(jì)有R0=10歐和100歐，其分

14、度號(hào)分別為Pt10和Pt100.銅電阻溫度計(jì)也有R0=50歐和100歐兩種，分度號(hào)分別為Cu50和Cu100。類似于熱電偶的分度表，用表格形式給出在不同溫度下各種熱電阻分度號(hào)的電阻值稱為熱電阻的分度表。銅電阻的特性比較接近直線，而鉑電阻的特性呈現(xiàn)一定的非線性，溫度越高，電阻的變化率越小。為了減小引線電阻的影響，引線采用三線制接法，如圖3.52所示，其中兩根引線來(lái)自熱電阻的一個(gè)引出端，另一根引線接至熱電阻的另一個(gè)引出端。三根引線分別接到變送器或顯示器儀表輸入電路的電橋的電源和兩個(gè)橋臂。由于引線分別接在電橋的兩個(gè)橋臂上，受到溫度或長(zhǎng)度的變化引起引線電阻的變化將同時(shí)影響兩個(gè)橋臂的電阻，但對(duì)電橋的輸出

15、影響不大，從而較好地消除了引線電阻的影響，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。所以工業(yè)上多采用三線制接法。溫度檢測(cè)儀表的使用在大大多數(shù)場(chǎng)合采用的是接觸式溫度儀表，由于價(jià)格較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜和低溫段溫度測(cè)量性能無(wú)優(yōu)勢(shì)等因素，全輻射高溫計(jì)，光電溫度計(jì)，比色溫度計(jì)和紅外溫度計(jì)等輻射式非接觸式溫度計(jì)測(cè)量?jī)x表主要用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中接觸式溫度測(cè)量?jī)x表不能勝任的測(cè)量場(chǎng)合。基于熱電偶和金屬熱電阻的溫度測(cè)量?jī)x表，用于集中顯示，記錄和過(guò)程控制，是目前應(yīng)用最為廣泛的主流工業(yè)溫度檢測(cè)儀表。熱電阻（尤其是鉑電阻）由于精度高和性能穩(wěn)定，工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中常作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)使用。工業(yè)玻璃管溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)和雙金屬溫度計(jì)由于具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、耐震和價(jià)

16、格低廉現(xiàn)場(chǎng)就地顯示應(yīng)用尤其廣泛。半導(dǎo)體熱敏電阻和集成溫度傳感器由于價(jià)格低，使用方便，在各種非工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程領(lǐng)域使用較為廣泛。接觸式溫度檢測(cè)儀表在實(shí)際使用時(shí)注意：1. 正確選擇測(cè)溫位置2. 同等條件下盡可能縮小溫度敏感元件和保護(hù)套管的體積3. 準(zhǔn)確地安裝以保證被測(cè)介質(zhì)與敏感元件間充分的熱交換為解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度檢測(cè)和控制問(wèn)題一體型溫度變送器和智能溫度變送器得到了十分廣泛的使用。一體型溫度變送器是將測(cè)溫元件（例如熱電阻或熱電偶）和變送器模塊集成為一個(gè)整體，并輸出反應(yīng)溫度測(cè)量信息的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（一般為420mA的標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)）。由于測(cè)溫元件和變送器模塊為一個(gè)整體，一體型溫度變送器可以直接安裝在被測(cè)

17、溫度的工藝設(shè)備上，具有體積小、重量輕、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、節(jié)省安裝費(fèi)以及抗干擾能力強(qiáng)便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)智能型溫度變送器可作為單純的溫度變送模塊使用也可集成測(cè)溫元件以構(gòu)成一體型的溫度檢測(cè)儀表。優(yōu)點(diǎn):1. 適用性和通用性強(qiáng)。2. 具有各種補(bǔ)償功能。3. 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出和通信。4. 操作使用方便靈活具有自診斷功能。5. 可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)就地控制。液體壓力計(jì)是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。壓力計(jì)一般由U型玻璃管或單管構(gòu)成，管內(nèi)用已知密度的水銀或水為工作液。常用于低壓，負(fù)壓或差壓的檢測(cè)。斜管式液體壓力計(jì)DDZ-III型差壓變送器的結(jié)構(gòu)原理圖：壓力檢測(cè)儀表的使用：注意：壓力儀表的選用；取壓點(diǎn)及引壓管路的設(shè)計(jì)一般在被

18、測(cè)壓力較穩(wěn)定的情況下，最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)儀表滿量程的3/4，在被測(cè)壓力波動(dòng)較大或側(cè)脈動(dòng)壓力時(shí)，最大工作壓力不應(yīng)超過(guò)儀表滿量程的2/3，為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3，選擇儀表流程時(shí)應(yīng)首先要滿足最大工作壓力條件。物位檢測(cè)儀表：常用的物位檢測(cè)方法1. 靜壓式物位計(jì)2. 浮力式物位計(jì)3. 聲學(xué)式物位計(jì)4. 射線式物位計(jì)5. 微波物位計(jì)6. 電氣式物位計(jì)他們可以歸納為以下幾個(gè)檢測(cè)原理1. 基于力學(xué)原理2. 基于相對(duì)變化原理3. 基于某強(qiáng)度性物理量隨物位的升高而增加原理靜壓式液位計(jì)檢測(cè)原理基于液位高度變化時(shí)，由液柱產(chǎn)生的靜壓也隨之變化的原理。量程遷移例如采用法蘭式差壓變送器時(shí)，由于從膜盒至變送器的毛細(xì)管中充以硅油，無(wú)論差壓變送器安裝在什么高度，一般均會(huì)產(chǎn)生附加靜壓。因此，在這些情況下，需要采用相應(yīng)的校正措施，工程中最常用的對(duì)壓力（差壓）變送器進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，使它在只受附加靜壓（靜壓差）時(shí)輸出為“零”，這種方法稱為“量程遷移。量程遷移有無(wú)遷移、負(fù)遷移、正遷移三種情況，正負(fù)遷移的實(shí)質(zhì)是調(diào)整差壓變送器的零點(diǎn)，作用是同時(shí)改變測(cè)量范圍的上下限，而