第三章檢測(cè)儀表與傳感器

第三章檢測(cè)儀表與傳感器返回首頁(yè)[學(xué)習(xí)目標(biāo)]：能用性能指標(biāo)評(píng)價(jià)儀表的好壞，掌握儀表校驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法；掌握四大熱工變量的測(cè)量方法和相應(yīng)檢測(cè)儀表的測(cè)量原理及組成；掌握檢測(cè)儀表的外特性及使用方法；了解各種新型檢測(cè)儀表。第一節(jié)概述第二節(jié)壓力檢測(cè)及儀表第三節(jié)流量檢測(cè)及儀表第四節(jié)物位檢測(cè)及儀表第五節(jié)溫度檢測(cè)及儀表第一節(jié)概述一、測(cè)量過程與測(cè)量誤差1、測(cè)量過程在生產(chǎn)過程中，變量的測(cè)量方法很多。但從測(cè)量過程的實(shí)質(zhì)來看，不論哪一種測(cè)量?jī)x表，被測(cè)變量都需經(jīng)過一次或多次信號(hào)能量形式的轉(zhuǎn)換，最后獲得一種便于測(cè)量的信號(hào)能量形式，通過指針位移或數(shù)字的形式顯示出來。所以各種檢測(cè)儀表的測(cè)量過程，實(shí)質(zhì)上就是被測(cè)變量信號(hào)能量的不斷變換和傳遞，并將它與相應(yīng)的測(cè)量單位進(jìn)行比較的過程。而檢測(cè)儀表就是實(shí)現(xiàn)這種比較的工具。例如玻璃管溫度計(jì)；而溫度控制中各種中、高溫溫度的測(cè)量，常利用熱電偶的熱電效應(yīng)，把被測(cè)溫度（熱能）轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號(hào)（電能），然后變?yōu)楹练鼨z測(cè)儀表上的指針位移，并與溫度標(biāo)尺相比較而顯示出被測(cè)溫度的數(shù)值。（二）測(cè)量誤差

測(cè)量的目的是希望獲得被測(cè)變量的“真實(shí)值”。但是無論怎樣努力（包括從原理、測(cè)量方法和儀表精度等方面），都只能是盡量接近卻無法測(cè)得“真實(shí)值”。也就是說，測(cè)量值與真實(shí)值之間始終存在著一定的差值。這個(gè)差值就是測(cè)量誤差。測(cè)量誤差有多種分類方法：1．按誤差出現(xiàn)的規(guī)律來分可分為系統(tǒng)誤差、過失誤差和隨機(jī)誤差三類。（1）系統(tǒng)誤差（又叫規(guī)律誤差）即大小和方向均不改變的誤差。產(chǎn)生這種誤差的原因，主要是儀表本身的缺陷、觀測(cè)者的習(xí)慣或偏向、單因素環(huán)境條件的變化等。這種誤差在測(cè)量中是容易消除和修正的，因?yàn)樗幸?guī)律。

（2）過失誤差（又叫疏忽誤差）過失誤差是由于測(cè)量者在測(cè)量過程中疏忽大意造成的。比較容易被發(fā)現(xiàn)，可以避免。（3）隨機(jī)誤差（又叫偶然誤差）就是在同樣條件下反復(fù)測(cè)量多次，每次結(jié)果均不重復(fù)的誤差。這種誤差是由偶然性因素引起的，不易被發(fā)覺和修正。

系統(tǒng)誤差和過失誤差是可以避免也是必須避免的，而隨機(jī)誤差則由于測(cè)試手段本身精確度的限制以及各種不可控制的偶然性因素的影響，是一種不可避免的誤差，但卻具有一定的分布規(guī)律，可用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行識(shí)別。2．按誤差的表示方式分可分為絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差。（1）絕對(duì)誤差為儀表指示值xi與被測(cè)量真值xt之間的差值。但由于真值無法獲得，所以常用精度較高的標(biāo)準(zhǔn)表的測(cè)量值x0代替。它是以被測(cè)量單位表示的誤差，可表示為：

e＝xi－xt≈xi－ｘ0（3-1）顯然，絕對(duì)誤差只能表示指示值誤差的大小，而無法表示測(cè)量結(jié)果的可信程度，也不能用來衡量不同量程同類儀表的準(zhǔn)確度。（2）相對(duì)誤差為儀表指示值的絕對(duì)誤差與標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)之比，用符號(hào)E表示。E=e/x0

（3-2）它是一個(gè)無量綱值，表示儀表在x0處的相對(duì)誤差。相對(duì)誤差比絕對(duì)誤差更能說明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。但是僅憑絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差來評(píng)價(jià)一臺(tái)儀表的準(zhǔn)確與否還是不夠的。

因?yàn)閮x表的測(cè)量范圍各不相同，即使有相同的絕對(duì)誤差，也不能說兩塊儀表一樣準(zhǔn)確。在儀表測(cè)量范圍內(nèi)各點(diǎn)絕對(duì)誤差也不相同，相對(duì)誤差也不是一個(gè)定值，它們將隨被測(cè)量值的大小而改變。特別是當(dāng)測(cè)量值趨于零時(shí)，相對(duì)誤差在理論上將趨于無窮大。所以亦無法用相對(duì)誤差來衡量?jī)x表的準(zhǔn)確程度。所以，工業(yè)上常用儀表的“引用誤差”來表示其測(cè)量的準(zhǔn)確程度。（3）引用誤差也叫相對(duì)百分誤差，是儀表指示值的絕對(duì)誤差與儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)，可表示為：（3-3）式中e——儀表的絕對(duì)誤差；

E引——儀表的引用誤差；

RS——儀表的量程（RS=xmax－xmin

）。

其中，xmax與xmin是儀表量程的上限值與下限值。例如，一溫度計(jì)的測(cè)量范圍為（-50～250）℃，則其量程為300℃。對(duì)于測(cè)量下限為零的儀表，其量程就是測(cè)量范圍的上限值，普通壓力表就是如此。3．按誤差的測(cè)試條件分可分為基本誤差和附加誤差。（1）基本誤差是儀表在規(guī)定的正常條件（如溫度、濕度、振動(dòng)、電源電壓、頻率等）下工作時(shí)，儀表本身所具有的誤差。（2）附加誤差為儀表在偏離規(guī)定的正常工作條件下使用時(shí)附加產(chǎn)生的誤差。此時(shí)儀表的實(shí)際誤差等于基本誤差與附加誤差之和。由于儀表在工作條件改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加誤差，所以使用時(shí)，應(yīng)盡量滿足儀表規(guī)定的工作條件。二、檢測(cè)儀表的基本知識(shí)（一）檢測(cè)儀表的分類檢測(cè)儀表是實(shí)現(xiàn)變量檢測(cè)的工具。它有多種分類方法。1．根據(jù)敏感元件與被測(cè)介質(zhì)是否接觸可分為接觸式檢測(cè)儀表和非接觸式檢測(cè)儀表。2．按精度等級(jí)及使用場(chǎng)合的不同可分為標(biāo)準(zhǔn)儀表、范型儀表及實(shí)用儀表，分別用于標(biāo)定室、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)。3．按被測(cè)變量分類可分為壓力檢測(cè)儀表、物位檢測(cè)儀表、流量檢量?jī)x表、溫度檢測(cè)儀表、成分分析儀表等。本章我們就按這種分類方法將內(nèi)容展開。（二）檢測(cè)儀表的品質(zhì)指標(biāo)

儀表的品質(zhì)指標(biāo)是評(píng)價(jià)儀表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要依據(jù)，也是正確選擇和使用儀表所必須具備的知識(shí)。工程上常用以下指標(biāo)來衡量。1．精確度（準(zhǔn)確度）

儀表的精確度簡(jiǎn)稱精度，是表示測(cè)量結(jié)果與真值一致的程度。儀表的精度，是儀表最大引用誤差去掉正負(fù)號(hào)和百分號(hào)后的數(shù)值。

化工儀表的精確度常用儀表的精度等級(jí)來表示。是按照儀表的精確度高低劃分的一系列標(biāo)稱值。國(guó)家規(guī)定的儀表精度等級(jí)有：Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表——0.005、0.02、0.05；Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表——0.1、0.2、0.35、0.5；一般工業(yè)用儀表——1.0、1.5、2.5、4.0。所以，利用儀表最大引用誤差求取的精度還需系列化。

儀表精度等級(jí)值越小，精確度越高，就意味著儀表既精密、又準(zhǔn)確，即隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差都小。精度等級(jí)確定后，儀表的允許誤差也就隨之確定了。儀表的允許誤差在數(shù)值上等于“±精度%”。例如精度為1.5級(jí)的儀表，其最大允許誤差的引用誤差形式為E表允=±1.5％，如果該儀表的量程為4MPa，則根據(jù)式3-3，儀表允許誤差的絕對(duì)形式為e表允=E表允×RS=±1.5％×4=±0.06（Mpa）。下面通過例題來說明確定儀表精度和選擇儀表精度的方法?！纠}3-1】某臺(tái)溫度檢測(cè)儀表的測(cè)溫范圍為（100～600）oC，校驗(yàn)該表時(shí)得到的最大絕對(duì)誤差為3oC，試確定該儀表的精度等級(jí)。解：由式3-3可知，該測(cè)溫儀表的最大引用誤差為：

去掉%后，該表的精度值為0.6，介于國(guó)家規(guī)定的精度等級(jí)中0.5和1.0之間，而0.5級(jí)表和1.0級(jí)表的允許誤差E表允分別為±0.5％和±1.0％。所以，這臺(tái)測(cè)溫儀表的精度等級(jí)只能定為1.0級(jí)?！纠}3-2】現(xiàn)需選擇一臺(tái)測(cè)溫范圍為0～500℃的測(cè)溫儀表。根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過±4℃，試問應(yīng)選擇一臺(tái)精度等級(jí)為幾級(jí)的儀表才能滿足工藝要求？解：工藝允許誤差為：

去掉±和%后，該表的精度值為0.8，也是介于0.5～1.0之間，而0.5級(jí)表和1.0級(jí)表的允許誤差E表允分別為±0.5％和±1.0％。所以，應(yīng)選擇0.5級(jí)的儀表才能滿足工藝上的要求。

從以上兩個(gè)例子可以看出，根據(jù)儀表校驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級(jí)時(shí)，儀表的精度等級(jí)應(yīng)向低靠（取大值）；根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級(jí)時(shí)，儀表精度等級(jí)應(yīng)向高靠（取小值）。儀表的精度等級(jí)在儀表面板上的表示符號(hào)通常為：等。2．變差

也叫回差，用來表示測(cè)量?jī)x表的恒定度。變差說明了儀表的正向（上升）特性與反向（下降）特性的不一致程度。

當(dāng)工作條件不變時(shí)，使用同一塊儀表對(duì)某一被測(cè)變量進(jìn)行由小到大（即正行程或上行程）測(cè)量和由大到?。ǚ葱谐袒蛳滦谐蹋y(cè)量時(shí)，對(duì)同一個(gè)被測(cè)量值來說，正反行程中儀表的指示值之差，就是儀表的變差，如圖3-1所示，它的絕對(duì)表示法為：

e’=x上-x下（3-6）變差也可以用引用誤差的形式表示，則有：（3-7）

和最大絕對(duì)誤差一樣，儀表的最大變差也不能大于儀表的允許誤差。即：│emax’│≤│e表允│（3-8）或│E引max’│≤│E表允│（3-9）造成變差的原因很多，如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間存在的間隙和摩擦力、彈性元件的彈性滯后等。3．靈敏度與靈敏限

儀表的靈敏度是儀表在穩(wěn)定狀態(tài)下，其輸出變化量（即儀表指針的線位移或角位移）與引起這個(gè)變化的輸入（即被測(cè)變量）變化量的比值。儀表靈敏度的大小反映了儀表對(duì)被測(cè)量幅值的敏感程度。線性刻度標(biāo)尺儀表的靈敏度等于常數(shù)，而非線性刻度標(biāo)尺儀表的靈敏度各點(diǎn)不相同。

提高儀表對(duì)信號(hào)的放大能力，就可以提高靈敏度。但這樣并不能提高精度、減少測(cè)量誤差。所以一般規(guī)定儀表標(biāo)尺的分度值不小于儀表最大允許絕對(duì)誤差。表示儀表靈敏性能的另一指標(biāo)是靈敏限。靈敏限是指能引起儀表指示值發(fā)生變化的被測(cè)量的最小改變量，單位與被測(cè)量單位相同。一般來說，靈敏限的數(shù)值不應(yīng)大于儀表最大允許絕對(duì)誤差的一半。4．線性度

對(duì)于理論上具有線性刻度特性的儀表,即輸入量與輸出量呈線性關(guān)系，但在使用中會(huì)因各種因素的影響，使儀表的實(shí)際特性偏離其理論上的線性特性，如圖3-2所示。這種偏差稱為非線性誤差。檢測(cè)儀表的性能指標(biāo)還有一些，在此就不一一介紹了。（三）檢測(cè)儀表的發(fā)展方向

化工檢測(cè)技術(shù)及儀表的發(fā)展是相當(dāng)迅速的。其主要表現(xiàn)為：

1．檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)代化隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，新的檢測(cè)方法也不斷被開發(fā)出來。如激光、微波、超聲波、紅外線、放射性同位素等非接觸檢測(cè)技術(shù)，近年來都得到了較快的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體陶瓷、光導(dǎo)纖維以及其他新型材料的使用，使得大量的新型傳感器、變送器問世。許多基于物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的檢測(cè)器件（如壓敏、熱敏、光敏、濕敏、化學(xué)敏器件）也被不斷應(yīng)用于新型傳感器中。此外，仿生傳感學(xué)作為一門新型學(xué)科也正在得到迅速的發(fā)展。2．檢測(cè)儀表的數(shù)字化、集成化和智能化

由于電子技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展迅速，采用數(shù)字式傳感器直接輸出數(shù)字量，是目前檢測(cè)儀表的發(fā)展方向之一。這樣既可以提高儀表的精度，也便于與計(jì)算機(jī)直接連接。另外，為了將模擬儀表的連續(xù)直觀和數(shù)字儀表的高精度相結(jié)合，人們正在將模擬-數(shù)字混合測(cè)量法應(yīng)用于新型儀表。如果將光導(dǎo)纖維傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)應(yīng)用于儀表，也必將會(huì)推動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)儀表的新進(jìn)展。

檢測(cè)儀表在半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了“材料、器件、電路、儀表”的一體化，出現(xiàn)了固態(tài)傳感器，開創(chuàng)了檢測(cè)儀表的新途徑，集成化的檢測(cè)儀表使得整體構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、使用方便