第3章檢測儀表與傳感器

第三章檢測儀表與傳感器

—壓力測量化學與環(huán)境工程學院石新雨湖北民族學院概述1

壓力檢測及儀表2

流量檢測及儀表3第3章檢測儀表與傳感器物位檢測及儀表4

現(xiàn)代檢測技術(shù)與傳感器的發(fā)展6

溫度檢測及儀表5√√本章基本要求：了解壓力單位及測壓儀表的幾種分類；了解液柱式壓力計與活塞式壓力計的基本原理；初步掌握電氣式和彈性式壓力計的基本原理及其選用方法。了解各種流量計的測量原理；重點掌握差壓式流量計及轉(zhuǎn)子流量計的基本原理和應用。了解各種液位測量方法；掌握差壓式液位計的工作原理；初步掌握液位測量中零點遷移的意義及計算方法。掌握熱電偶溫度計及熱電阻溫度計的測溫原理。熟悉熱電偶溫度測量中的冷端溫度補償?shù)淖饔眉胺椒ā?.1概述一、測量過程與測量誤差二、儀表的性能指標三、檢測系統(tǒng)的構(gòu)成四、工業(yè)儀表的分類第3章檢測儀表與傳感器一、測量過程與測量誤差1.測量過程實質(zhì)：將被測參數(shù)與其相應的測量單位進行比較的過程。而測量儀表就是實現(xiàn)這種比較的工具。誤差不能消除，只能減小。式中：Δ－測量的絕對誤差；xi－測量所得值；

xt－待測參數(shù)真值。絕對誤差反映了測量的精度。

準確度：測量值與被測量真值的接近程度；（1）絕對誤差：測量值與被測量真值之差Q:什么是真值?什么是約定真值?相對真值?答:真值是一個變量本身所具有的真實值，它是一個理想的概念，一般是無法得到的，所以在計算誤差時，一般用約定真值或相對真值來代替。約定真值是一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。相對真值是指當高一級標準儀器的誤差僅為低一級的1/3～1/20時，可認為高一級的標準儀器或儀表示值為低一級的相對真值。相對誤差用來評價不同被測值的精度。1）實際相對誤差：絕對誤差與被測量真值之比；2）示值相對誤差：絕對誤差與儀表指示值之比；3）引用相對誤差：絕對誤差與儀表滿刻度值之比。允許誤差：最大引用相對誤差。（2）相對誤差定義：絕對誤差Δ與標準表測量所得值的比較。ε－相對誤差。數(shù)值越大，精度越低，利用這一原則來統(tǒng)一規(guī)定儀表的精度等級，將允許誤差的“±”和“％”號去掉，表示儀表之精度等級。我國的儀表精度等級：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0。二、儀表的性能指標1、精確度（精度）

衡量儀表準確程度的指標，是相對百分誤差的最大值。

Δmax＝(x上－x下

)K％＝(1200一600)×0.5％＝3℃

最大允許絕對誤差為3℃，而校驗時某點的最大絕對誤差是4℃，大于3℃，所以此表不合格、應重新進行檢查修理。例1：一臺精度等級為0.5級，量程范圍為600～1200℃的電子電位差計，它的最大允許絕對誤差是多少?校驗時，如其中的某一點最大絕對誤差是4℃

，問此表是否合格?解：根據(jù)得例2：檢定一塊1.5級刻度為0～100Pa的壓力表，發(fā)現(xiàn)在50Pa處的誤差最大，為1.4Pa，其他刻度處的誤差均小于1.4Pa，問這塊壓力表是否合格?

所以，這塊壓力表合格。解：該表的最大允許誤差δ允為在規(guī)定的條件下對同一參數(shù)進行重復測量時，各次讀數(shù)之間存在著差值，其中最大的差值稱為儀表的變差，變差是衡量儀表顯示數(shù)值的重復性(或叫復現(xiàn)性)、穩(wěn)定性的一個品質(zhì)指標。x正－x反被測參數(shù)儀表示值2、變差在實際工作中，測量儀表變差是對同一被測參數(shù)從不同方向進行正、反行程的測量。讀數(shù)中兩者最大差值的絕對值對儀表量程范圍的百分數(shù)，稱為儀表的變差，則用γ表示變差、則儀表允許變差的數(shù)值應等于或小于儀表的精度。例3：校驗一臺量程為0～250mmH2O的差壓變送器，差壓由0上升至100mmH2O時，差壓變送器的讀數(shù)為98mmH2O。當從250mmH2O下降至100mmH2O時，讀數(shù)為103mmH2O，問此儀表在該點的變差是多少?解：所以，該點的變差為2％。3、靈敏度與靈敏限

儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。它是指儀表在達到穩(wěn)定狀態(tài)以后，儀表輸出信號變化Δα與引起此輸出信號變的被測參數(shù)(輸入信號)變化量Δx之比，用S表示靈敏度，則

因此，儀表的靈敏度可用一個比值即輸出量、被測量(輸入量)的比來表示。在數(shù)值上就等于單位被測參數(shù)變化量所引起的儀表指針移動的距離(或轉(zhuǎn)角)。

儀表的靈敏限是指能夠引起儀表指示值(輸出信號)發(fā)生變化(動作)的被測參數(shù)(輸入信號)的最小(極限)變化量。一般儀表的靈敏限的數(shù)值應不大于儀表允許誤差絕對值的一半。表示儀表靈敏度（靈敏限）的大小。定義：數(shù)字顯示器最末一位數(shù)字間隔所代表的被測參數(shù)變化量。不同量程的分辨力也不同，相應于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力，也稱靈敏度。分辨率：當數(shù)字式儀表的靈敏度用它與量程的相對值表示時，就是其分辨率。4、分辨力表征線性刻度儀表輸出量與輸入量的實際校準曲線與理論直線的吻合程度。儀表示值被測變量△fmax5、線性度

線性度通常用實際測得的輸入－輸出特性曲線（稱校準曲線）與理論直線之間的最大偏差與測量儀表量程之比的百分數(shù)來表示。式中：

δf－－線性度；

Δfmax－－校準曲線對于理論直線的最大偏差。測量時被測量突然變化后，儀表指示值總要經(jīng)過一段時間才能準確顯示出來。反應時間用來衡量儀表能不能盡快地反應出參數(shù)變化的品質(zhì)指標。反映了儀表動態(tài)特性的好壞。表示方法：

(1)當輸入信號突然變化一數(shù)值后，輸出信號將由原始值逐漸變化到新穩(wěn)態(tài)值。儀表的輸出信號(即指示值)由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63.2％所用的時間，即為反應時間。

(2)用變化到新穩(wěn)態(tài)值的95％所用的時間來表示反應時間。

6、反應時間 三、檢測系統(tǒng)的構(gòu)成被測參數(shù)敏感元件信號變換信號傳輸信號測量顯示記錄控制+-A/DPLC1、按儀表使用的能源分類：氣動、電動和液動儀表2、按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過程分類：

檢測儀表、顯示儀表、集中控制儀表、控制儀表、執(zhí)行器3、按儀表的組成形式分類

基地式儀表、單元組合儀表（DDZ、QDZ）四、工業(yè)儀表的分類3.2壓力檢測及儀表一、壓力單位及測壓儀表

1.什么是壓力，其法定計量單位？

壓力是垂直均勻地作用在單位面積上的力。它的法定計量單位是帕斯卡(簡稱帕)，符號為Pa。等同于物理學上的壓強。1）絕對壓力：絕對真空下的壓力稱為絕對零壓，以絕對零壓為基準來表示的壓力叫絕對壓力。2）表壓力：當絕對壓力大于大氣壓力時，絕對壓力高于大氣壓力的數(shù)值稱為表壓力，簡稱表壓。3）真空度：當絕對壓力小于大氣壓力時，絕對壓力低于大氣壓力的數(shù)值稱為真空度或負壓。2.絕對壓力、表壓及真空度的概念。3.絕對壓力、表壓及真空度的相互關(guān)系。絕對零壓p1絕對壓力p1負壓（真空度）p2絕對壓力p20p2p大氣壓力表壓1p14.壓力（壓強）的單位工程上的“壓力”與力學中的“壓力”不表示同一個概念。（1）液柱式壓力計（2）活塞式壓力計（3）電氣式壓力計（4）彈性式壓力計5.壓力計分類二、液柱式壓力計與活塞式壓力計1.液柱式壓力計

測量原理：P=h

所以h=P/

2.活塞式壓力計二、液柱式壓力計與活塞式壓力計測量原理：

P=G/S

所以：G=P?S精確度高；常用作標準儀表，檢驗其它壓力計。三、彈性式壓力計（機械式壓力表）1.原理：彈性變形的原理（采用彈性元件將壓強大小轉(zhuǎn)換為位移量，再通過機械傳動和放大，推動指針偏移。）2.特點：結(jié)構(gòu)簡單、方便可靠、讀數(shù)清晰、價格低廉、測量范圍寬、精度較高。3.分類：彈性元件—彈性式壓力表的核心根據(jù)敏感原件的不同，可分為以下三種：

Ⅰ.彈簧管式：測壓范圍寬，可達1000MPa。為了增加自由端位移（提高靈敏度），可制成多圈。

彈簧管壓力表

Ⅱ.薄膜式：分膜片式和膜盒式

Pp膜片式膜盒式Ⅲ.波紋管式：

易于變形，用于微壓或低壓測量（小于1MPa）

p

4.電接點信號壓力表

主要用途：在生產(chǎn)中常需要把壓力控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。若超出了這個范圍，就會破壞正常的工藝過程，甚至發(fā)生事故，此情況下可采用電接點壓力表。電接點壓力表實際上是在彈簧管壓力表的基礎(chǔ)上加裝電接點裝置。當壓力低于下限值p1時(見圖3-7所示)。壓力表指針上的動觸頭和下限給定指針上的靜觸頭相碰，使電路接通，發(fā)出相應的下限燈光報警信號。當高于上限值p2時，則和上限給定指針上的靜觸頭相碰，發(fā)出上限的燈光報警信號。電接點壓力表的電氣線路如右圖所示。供電電壓可以是直流和交流，但交流電壓不可超過380V、直流電壓不可超過220V，通過觸頭最大電流為1A。將彈性元件、液柱式壓力計所產(chǎn)生的微小位移或活塞式壓力計所產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的一類壓力計。

1.組成方框圖：傳感器的作用：把壓力信號檢測出來并進行輸出。標準信號：指物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標準的信號，直流：4～20mA，壓力0.02～0.1MPa等。變送器：能把輸出信號變換成標準信號的傳感器。四、電氣式壓力計說明：電氣式壓力計常由兩部分組成：一次儀表（壓力探頭）：將壓力轉(zhuǎn)換為微弱電參數(shù)；二次儀表：將微弱電參數(shù)轉(zhuǎn)換為標準電信號。

在DDZ一Ⅱ型儀表中，現(xiàn)場與控制室之間采用4～20mA電流信號，而控制室內(nèi)部都采用1～5V電壓信號。

4～20mA電流信號適宜在現(xiàn)場和控制室之間遠距離傳輸，可以避免傳輸導線上壓降損失引起曲誤差。

1～5V電壓信號適于控制室內(nèi)部短距離聯(lián)絡(luò)，儀表之間可以并聯(lián)連接，便于設(shè)計安裝和維修。電氣式壓力計一次探頭：常用電參數(shù)有：電阻、電感、電容、電壓等。常見壓力變換器（壓力探頭）：應變式壓力變換器；壓電電阻式壓力變換器；電感式壓力變換器；電容式壓力變換器；霍爾片式壓力變換器。電氣壓力計二次儀表：作用：將傳感器信號轉(zhuǎn)換為標準通訊信號。DDZ-Ⅲ型儀表標準通訊信號為：4~20mA。智能型壓力傳感器在二次儀表中另外附加一些功能，如：模/數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)通訊，工程單位轉(zhuǎn)換，信號（變化）阻尼，故障診斷等。

2.儀表（電氣式壓力計）特點：測量范圍寬，可測7×10-5Pa～5×102

MPa；測量精度高，可達0.2％；能遠程傳送，便于實現(xiàn)自動控制盒遠程報警。

3.電氣式壓力計分類：Ⅰ.霍爾片式壓力傳感器：利用霍爾效應制成。

a.

霍爾效應：（1879/霍爾/美國）將通電的金屬或半導體置于磁場中會產(chǎn)生電動勢或電阻的改變。RH：霍爾系數(shù)

I：控制電流

B：磁感應強度

d：霍爾元件厚度

VH：霍爾電勢霍爾電勢與磁感應強度和電流成正比，一般I為3～20mA，B為幾千高斯，所得的霍爾電勢為幾十毫伏。Ⅰ.

霍爾片式壓力傳感器

a.

霍爾效應：Ⅰ.霍爾片式壓力傳感器：

b.

霍爾片式壓力傳感器

保持霍爾片中電流恒定，在非均勻磁場中，霍爾元件所處的位置不同，所感受的磁場強度也不同，這樣可以得到與位移成比例的霍爾電勢，從而實現(xiàn)位移－電勢的線性轉(zhuǎn)換。壓力變化彈性變形電阻變化

3.電氣式壓力計分類：

Ⅱ.應變片式壓力傳感器（

壓阻式壓力傳感器）電線的電阻為：R=L/S當電線受到拉/應力作用時，L變大，S變小，R變大。當粘一組串聯(lián)平行細導線（電阻應變片）的金屬（彈性元件）因壓力變化而發(fā)生微小變形（應變）時，細導線的電阻隨之發(fā)生變化。從而，將壓力參數(shù)轉(zhuǎn)化為電阻參數(shù)。

Ⅱ.應變片式壓力傳感器：

材料的壓阻效應：

R－阻值ρ－電阻率

L－長度

A－截面積

微分得：而代入得：于是：（μ為泊松比）令：

K稱為應變片的縱向靈敏度。當應變片受到拉伸時，其阻值增加；受到壓縮時，其阻值下降。應變片阻值得變化可以通過電橋得到毫伏級輸出，并用記錄儀表記錄或顯示，就組成了電阻式壓力計。

3.電氣式壓力計分類：

Ⅲ.壓阻式壓力傳感器：

壓阻元件是指在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻。它是基于壓阻效應工作的，即當它受壓時，其電阻值隨電阻率的改變而變化。常用的壓阻元件有單晶硅膜片以及在N型單晶硅膜片上擴散P型雜質(zhì)的擴散硅等，也是依附于彈性元件而工作。結(jié)構(gòu)當某些材料受到某一方向的壓力作用而發(fā)生變形時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上就產(chǎn)生符號相反的電荷；當壓力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。壓電材料種類較多，有石英晶體、人工制造的壓電陶瓷，還有高分子壓電薄膜等。

1-絕緣體2-壓電元件3-殼體4-膜片

3.電氣式壓力計分類：

Ⅳ.壓電式壓力傳感器：

3.電氣式壓力計分類：

Ⅴ.電容式壓力傳感器：1）特點：結(jié)構(gòu)簡單、過載能力強、可靠性好、測量精度高、體積小、重量輕、使用方便等一系列優(yōu)點，目前已成為最受歡迎的壓力、差壓變送器。2）輸出信號：標準的4～20mA(DC)電流信號。3）結(jié)構(gòu)：電容式差壓變送器的結(jié)構(gòu)可有效保護測量膜片，當差壓過大并超過允許測量范圍時，測量膜片將平滑地貼靠在玻璃凹球面上，因此不易損壞，過載后的恢復特性很好，這樣大大提高了過載承受能力。

3.電氣式壓力計分類

Ⅵ.力矩平衡式壓力計：1）原理：力平衡的原理2）特點：測量精度高；工作穩(wěn)定；線性好；本質(zhì)防爆3）信號：DDZ－III型，24V直流，輸出4～20mADC。

4）工作原理分析：被測壓力p作用在測量膜片上，矢量機構(gòu)受力分析：將F1分解為F2和F3受力Fi為：主杠桿受力平衡矢量機構(gòu)受力分析：將F1分解為F2和F3副杠桿受力平衡Ff大小與通過反饋線圈的電流I0成正比K為常數(shù)，變送器的輸出電流I0與壓力p成正比；改變θ可以改變量程1～4倍。F3F1F21.儀表類型：根據(jù)工藝要求選擇Ⅰ.被測介質(zhì)：腐蝕性、溫度、粘度、臟污程度、易燃易爆等。如氨氣用壓力表材料不能采用銅合金，而采用碳鋼，因氨對銅強腐蝕。

氧用壓力表嚴格禁油，校驗時亦不能用變壓器油作為工作介質(zhì)，使用前最好用四氯化碳認真清洗。Ⅱ.功能：是否顯示、報警、記錄、傳送（數(shù)字、模擬）；Ⅲ.現(xiàn)場環(huán)境條件：高溫、磁場、振動、安裝條件等。

五、壓力計的選用及安裝2.測量范圍：根據(jù)測量參數(shù)大小和精度決定

I.為延長壽命，壓力計上限應高于生產(chǎn)中最大壓力。 穩(wěn)定壓力：工作壓力不超過上限2/3； 脈動壓力：工作壓力不超過上限的1/2； 高壓壓力：工作壓力不超過上限的3/5；

II.為保證精度，最小被測壓力不低于滿量程的1/3。III.根據(jù)①、②計算儀表上、下限，再圓整到國家標準數(shù)值。

—般工業(yè)部門的壓力測量采用1.5級、