工業(yè)自動化儀表 第2章 第三次課

第二章檢測儀表與變送器小結誤差根據(jù)誤差的性質(zhì)及產(chǎn)生的原因，分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差、疏忽誤差三類。絕對誤差和相對誤差重點：性能指標靜態(tài)特性精確度（相對百分誤差、允許誤差）穩(wěn)定性輸入——輸出特性主要取決于誤差的形成及其誤差特性動態(tài)特性靈敏度與靈敏限線性度變差重復性§2-1基本概念§2-2傳感器與變送器§2-3溫度檢測儀表§2-4壓力檢測儀表§2-5流量檢測儀表§2-6物位檢測儀表第二章檢測儀表與變送器一、基本概念測量儀表§2-1基本概念用來檢測生產(chǎn)過程中的各個有關參數(shù)的技術工具稱為檢測儀表。變送器傳感器用來將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為一定的便于傳送的信號（例如電信號或氣壓信號）的儀表通常稱為傳感器。將傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標準信號（信號制）時，通常稱為變送器。二、檢測儀表的基本結構檢測儀表包括信號獲取、信號處理及信號的顯示輸出三部分。根據(jù)儀器的安裝，檢測儀表分為信號獲取部分及信號處理輸出部分兩大塊。三、檢測儀表的測量方法根據(jù)被測對象、測量環(huán)境和對象參數(shù)特性要求等，檢測儀表的測量方法有電工/電磁學法、半導體法、光學法、紅外線法、超聲波法、激光法、紫外線法等。根據(jù)測量所得結果的顯示，檢測儀表的測量方法分為直接測量和間接測量。

與同類基準進行簡單的比較，就能得到測量值的檢測方法稱為直接檢測。比如：用電壓表測電壓、溫度計測溫度等。直接測量一般可以直接讀出被測量的量值。

直接測量間接測量

間接檢測就是測量與被測量有一定關系的2個或2個以上物理量，然后再推算出被測量。比如，測量電流和電阻求電壓。間接測量需要進行2次以上的測量，一般要分析誤差的傳遞。一、傳感器分類§2-2傳感器與變送器根據(jù)輸入物理量分為位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。溫度傳感器壓力傳感器流量傳感器物位傳感器

與被測對象進行實體接觸，其敏感元件得到的是被測對象在接觸點上的變化率的測量方式稱為接觸式測量。比如：直接接觸人體皮膚測量溫度。

接觸式測量非接觸式測量二、傳感器的測量方法

與被測對象進行非實體接觸，其敏感元件得到的是被測對象所形成的一個場內(nèi)感知變化的測量方式稱為非接觸式測量。比如：磁場、聲場等。

將各種物理量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號，以輸入和輸出呈線性關系的標準電信號為技術點。由0~10mA(0~5V,0~10V)→4~20mA(1~5V)直流 變送器的信號變送器的發(fā)展三、變送器首先是傳感器和變送器分離。傳感器是借助敏感元件按一定的規(guī)律（物理、化學等）將非電物理量形式的信號轉(zhuǎn)換成電信號。變送器是將傳感器輸出的電信號（微弱的電流、電壓等）轉(zhuǎn)換成標準信號?，F(xiàn)在是傳感器和變送器功能合一。變送器為輸出標準信號的傳感器，由于微機械加工技術和微電子技術的發(fā)展，敏感元件和信號調(diào)理電路一體化，構成集成變送器或智能變送器。一、溫度與溫標§2-3溫度傳感器溫度

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度標志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。

模擬圖：在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！

溫標：一個用來衡量溫度的標準尺度，就是溫度的數(shù)值表示方法。

溫標的三要素：測溫物質(zhì)性質(zhì)、固定點的溫度數(shù)值和溫度單位。國際上規(guī)定的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標等。

（1）攝氏溫標（℃）—汞隨溫的線性體膨脹

攝氏溫標規(guī)定在標準大氣壓下，水的冰點為零點，水的沸點為100度，并將兩固定點之間等分100份，每一份稱為一攝氏度，一般用“℃”表示攝氏度數(shù)。（2）華式溫標（F）—汞隨溫的線性體膨脹

華式溫標規(guī)定在標準大氣壓下，水的冰點為32度，水的沸點為212度，在這兩個固定點之間劃分180等份，每一份稱為華式一度。華式溫標與攝氏溫標有如下的關系：m=1.8n+32(F)式中，m、n分別表示華式溫度值和攝氏溫度值。(3)熱力學溫標（K）—以熱力學為基礎

熱力學溫標是建立在熱力學第二定律基礎上的最科學的溫標，是由開爾文（Kelvin）根據(jù)熱力學定律提出來的，因此又稱開氏溫標。它的符號是T，單位是開爾文（K）

。熱力學溫標規(guī)定在標準大氣壓下，水的三相點為273.16℃，沸點與三相點之間劃分100等份，每一份稱為一度。T=t+273.16

T是熱力學溫標，t是攝氏度

(4)1990國際溫標(ITS-90)

從1990年1月1日開始在全世界范圍內(nèi)采用1990年國際溫標，簡稱ITS-90。它定義了一系列溫度的固定點，測量和重現(xiàn)這些固定點的標準儀器以及計算公式。

幾種溫標的對比例如：某點攝氏溫度為100℃，將該溫度轉(zhuǎn)換為華式溫標和國標溫標。m=1.8n+32(F)=1.8*100+32=212FT90=t90+273.15=100+273.15=373.15K溫度概念的建立及測量以熱平衡為基礎的溫度最本質(zhì)的性質(zhì)當兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導熱換熱即熱交換過程，換熱結束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。●●溫度測量范圍甚廣，有的處于接近絕對零度的低溫，有的要在幾千度的高溫下進行，這樣寬的測量范圍，需要各種不同的測溫方法和測溫儀表。

按測量方式分為接觸式和非接觸式按工作原理分為膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計。二、溫度傳感器的分類測溫方式溫度計種類優(yōu)點缺點使用范圍／℃接觸式測溫儀表玻璃液體溫度計結構簡單、使用方便、測量準確、價格低廉容易破損、讀數(shù)麻煩、一般只能現(xiàn)場指示,不能記錄與遠傳-100～100（150）有機液體0～350（-30～

650）水銀雙金屬溫度計結構簡單、機械強度大、價格低、能記錄、報警與自控精度低、不能離開測量點測量,量程與使用范圍均有限0～300（-50～

600）壓力式溫度計結構簡單、不怕震動、具有防爆性、價格低廉、能記錄、報警與自控精度低、測量距離較遠時,儀表的滯后性較大、一般離開測量點不超過10米0～500（-50～

600）液體型0～100（-50～

200）蒸汽型電阻溫度計測量精度高,便于遠距離、多點、集中測量和自動控制結構復雜、不能測量高溫,由于體積大,測點溫度較困難-150～500（-200～

600）鉑電阻0～100（-50～

150）銅電阻-50～150（180）鎳電阻-100～200（300）熱敏電阻熱電偶溫度計測溫范圍廣,精度高,便于遠距離、多點、集中測量和自動控制需冷端溫度補償,在低溫段測量精度較低-20～1300（1600）鉑銠10-鉑-50～1000（1200）鎳鉻-鎳硅-40～800（900）鎳鉻-銅鎳-40～300（350）銅-銅鎳非接觸式測溫儀表光學高溫計攜帶用、可測量高溫、測溫時不破壞被測物體溫度場測量時,必須經(jīng)過人工調(diào)整,有人為誤差,不能作遠距離測量,記錄和自控900～2000（700～

2000）輻射高溫計測溫元件不破壞被測物體溫度場,能作遠距離測量、報警和自控、測溫范圍廣只能測高溫,低溫段測量不準,環(huán)境條件會影響測量精度,連續(xù)測高溫時須作水冷卻或氣冷卻100～2000（50～

2000）各種溫度計的優(yōu)缺點及使用范圍1．接觸法測溫：敏感元件直接與被測對象接觸，通過傳導或?qū)α鬟_到熱平衡，反映被測對象的溫度。優(yōu)點：直觀、可靠。缺點：①存在負載效應，②受到測量條件的限制，不能充分接觸，使檢測元件溫度與被測對象溫度不一致。③熱量傳遞需要一定時間造成測溫滯后現(xiàn)象。（動態(tài)誤差）2．非接觸法測溫：檢測部分與被測對象不直接接觸，所以不破壞原有溫度場。通常用來測量1000℃以上的移動、旋轉(zhuǎn)、或反映迅速的高溫物體。膨脹式溫度計是基于物體受熱時體積膨脹的性質(zhì)制成的，測溫敏感元件在受熱后尺寸或體積發(fā)生變化，采取一些簡便方法，測出它的尺寸或體積變化的大小。分類：液體膨脹式、氣體膨脹式、固體膨脹式三、膨脹式溫度計（一）工作原理利用玻璃管內(nèi)液體的體積隨溫度的升高而膨脹的原理。組成：液體感應包、毛細管、標尺三部分。液體可為：水銀、酒精、甲苯等。當溫度超過300℃時，應采用硅硼玻璃，500℃以上要采用石英玻璃。4玻璃管液體溫度計玻璃棒溫度計工作液體的熱膨脹計算

式中：△V—工作液體在t1、t2溫度下的體積差

α—工作液體體膨脹系數(shù)α’—玻璃的體膨脹系數(shù)（一）工作原理與結構形式1原理

壓力式溫度計是利用密封系統(tǒng)中測溫物質(zhì)的壓力隨溫度變化來測溫；2分類按所充物質(zhì)相態(tài)分充氣式、充液式、蒸發(fā)式按功能分：指示式、記錄式、報警式和溫度調(diào)節(jié)式等壓力式溫度計利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進行測量。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)；毛細管：傳遞壓力；彈簧管：顯示壓力（溫度）。抗震壓力表3組成

溫包、毛細管、感壓元件（彈簧管、波紋管等）（二）使用方法與特點對毛細管采取保護措施，防止損壞；注意安裝方式與位置對精度的影響。特點：結構簡單，價格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，示值滯后時間長，毛細管易損壞。河北凱瑞賀儀表廠壓力式溫度計它的感溫元件是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固地結合在一起制成。可作溫度繼電控制、極值溫度控制信號固定端自由端雙金屬溫度計雙金屬溫度計熱電阻溫度計組成1、熱電阻2、顯示儀表3、連接導線四、熱電阻溫度計

熱電阻溫度計特點在-200到+500攝氏度范圍內(nèi)精度高,性能穩(wěn)定可靠,不需要冷端溫度補償,測溫范圍比熱電偶低,存在非線性.適用于中低溫測量。TRt鉑電阻熱敏電阻對于一個給定電阻，其電阻值是溫度的單值函數(shù)，因而可以通過測量電阻值來推算溫度。

熱電阻溫度計測量原理金屬導體的電阻值隨溫度變化

T

R熱電阻溫度t℃時的電阻值

電阻溫度系數(shù)

溫度0℃時的電阻值

電阻值與溫度的關系為電阻溫度系數(shù)：在某一溫度間隔內(nèi)，溫度變化1℃時的電阻相對變化量，單位為1/℃。

平均電阻溫度系數(shù)金屬導體電阻溫度系數(shù)一般為正值純金屬一般為0.38~0.68%，金屬純度越高，其電阻溫度系數(shù)越大特點：準確度高，穩(wěn)定性好、性能可靠、有較高電阻率，廣泛應用于基準、標準化儀器中，是目前測溫復現(xiàn)性最好的一種。使用范圍：-200～850℃，在90年國際溫標中規(guī)定平衡氫三相點13.8k到凝固點961.78℃標準儀器應用鉑電阻。鉑熱電阻在0～630.74℃范圍內(nèi)，金屬鉑的電阻值與溫度的關系為工業(yè)上用的鉑電阻有兩種，一種是R0=10Ω，對應的分度號位Pt10。另一種是R0=100Ω，對應的分度號為Pt100。結構(1）電阻絲(2)絕緣管(3)保護套管(4)接線盒鉑電阻普通型鉑熱電阻薄膜型鉑熱電阻小型鉑熱電阻防爆型鉑熱電阻特點：線性度高、電阻溫度系數(shù)高、價格便宜、電阻率低、易氧化。使用范圍：-50～180℃。電阻值與溫度關系標準化熱電阻Cu50,Cu100銅熱電阻銅熱電阻分類：平衡電橋二線制不平衡電橋三線制