(8)--工业过程控制-第3章过程参数检测仪表及变送器.pdf
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1、第第3 3章章过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器3.1 3.1 测量误差与仪表的基本技术指标测量误差与仪表的基本技术指标3.1 3.1 测量误差与仪表的基本技术指标测量误差与仪表的基本技术指标测量误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值之间的差值。测量误差是指检测仪表的测量值与被测物理量的真值之间的差值。它的大小反映了检测仪表的检测精度。它的大小反映了检测仪表的检测精度。一、测量误差的分类一、测量误差的分类1.1.按误差出现的规律来分，可分为系统误差、随机误差、缓变误差等。按误差出现的规律来分，可分为系统误差、随机误差、缓变误差等。2.2.按误差出现的原因来分，可分为工具误差、
2、方法误差。按误差出现的原因来分，可分为工具误差、方法误差。3.3.按误差本身因次来分，可分为绝对误差、相对误差和归算误差。按误差本身因次来分，可分为绝对误差、相对误差和归算误差。4.4.按被测量与时间的关系来分，可分为静态误差、动态误差。按被测量与时间的关系来分，可分为静态误差、动态误差。5.5.按仪表使用条件来分，可分为基本误差、附加误差。按仪表使用条件来分，可分为基本误差、附加误差。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器二、仪表误差二、仪表误差1.1.真值真值所谓真值是指被测物理量的所谓真值是指被测物理量的真实（或客观）取值真实（或客观）取值。记为。记为xa2.2
3、.最大绝对误差最大绝对误差指仪表的实测示值指仪表的实测示值x x与真值与真值x xa a的的最大差值最大差值，记为，记为，即即=x-xa3.3.相对误差相对误差相对误差一般用百分数给出，记为相对误差一般用百分数给出，记为，即，即由于被测量的真实值无法知道，实际测量时通常用测量值代替真由于被测量的真实值无法知道，实际测量时通常用测量值代替真实值进行计算，这时的相对误差称为标称相对误差，记为实值进行计算，这时的相对误差称为标称相对误差，记为，即即100%ax100%x第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器4.4.引用误差引用误差引用误差是仪表中通用的一种误差表示方式，它是
4、引用误差是仪表中通用的一种误差表示方式，它是相对相对仪表满量程仪表满量程的一种误差，记为，即的一种误差，记为，即5.5.基本误差基本误差基本误差是指仪表在基本误差是指仪表在国家规定的标准条件下国家规定的标准条件下使用时所出使用时所出现的误差。基本误差通常由仪表制造厂在国家规定的使用标准条件下现的误差。基本误差通常由仪表制造厂在国家规定的使用标准条件下确定。确定。6.6.附加误差附加误差附加误差是指仪表的使用条件附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件偏离了规定的标准条件所所出现的误差。通常有温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附出现的误差。通常有温度附加误差、频率附加误差、电源电压波
5、动附加误差等。加误差等。maxmin100%xx第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器三、仪表的基本技术指标三、仪表的基本技术指标1.1.精确度及其等级精确度及其等级仪表的精确度（简称精度）是仪表检测误差的一种工程表示，仪表的精确度（简称精度）是仪表检测误差的一种工程表示，是用来衡量仪表测量结果可靠性程度最重要的指标。是用来衡量仪表测量结果可靠性程度最重要的指标。在自动化仪表中，在自动化仪表中，仪表的精度通常在规定的使用条件下，由最仪表的精度通常在规定的使用条件下，由最大引用误差来度量大引用误差来度量。例如，某仪表的最大引用误差为例如，某仪表的最大引用误差为，则该仪表
6、的精度等级，则该仪表的精度等级即为即为0.50.5级；又如，某仪器的最大引用误差不超过级；又如，某仪器的最大引用误差不超过，则该仪表，则该仪表的精度等级即为的精度等级即为1.01.0级。级。按照自动化仪表行业的规定，仪表精度的等级可分为：按照自动化仪表行业的规定，仪表精度的等级可分为：0.0010.001级，级，0.0050.005级，级，0.020.02级，级，0.050.05级，级，0.10.1级，级，0.20.2级，级，0.40.4级，级，0.50.5级，级，1.01.0级，级，1.51.5级，级，2.52.5级等。级等。等级数越小，精度越高等级数越小，精度越高；反之亦然。；反之亦然。0
7、.5%1%第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器2.2.非线性误差非线性误差测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。对于理论上具有线性特性的实际对应关系与理论直线的吻合程度。对于理论上具有线性特性的检测仪表，由于各种因素的影响，其实际特性可能偏离线性，如图检测仪表，由于各种因素的影响，其实际特性可能偏离线性，如图所示。所示。通常，非线性误差通常，非线性误差用实际测得的输用实际测得的输入入/输出特性曲线与理论直线之间的最大输出特性曲线与理论直线之间的最大偏差偏差和测量仪
8、表的测量范围之比的和测量仪表的测量范围之比的百分数表示，即百分数表示，即fmaxfmaxmaxmin100%ffxx第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器3.3.变差变差仪表的变差是指在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对仪表的变差是指在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测参数在测量范围内进行正、反方向（即逐渐由小到大或逐渐被测参数在测量范围内进行正、反方向（即逐渐由小到大或逐渐由大到小）测量时所产生的最大差值由大到小）测量时所产生的最大差值与仪表测量范围之比的与仪表测量范围之比的百分数，记为百分数，记为，即，即maxmaxmin100%bbxxmaxbb第第3
9、3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器4.4.灵敏度和分辨力灵敏度和分辨力测量仪表的灵敏度是指仪表输出量的增量测量仪表的灵敏度是指仪表输出量的增量y y与引起输出增量的与引起输出增量的输入增量输入增量x的比值，记为的比值，记为s s，即，即分辨力又称灵敏限，是指仪表输出能响应分辨力又称灵敏限，是指仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度的一种和分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度的一种反映。对数字仪表而言，分辨力就是数字显示仪反映。对数字仪表而言，分辨力就是数字显示仪表变化一个二进制最低有效位时输入的最小变化表变化一个二进制最低有效位时输入的最小变化量。量。ysx第第
10、3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器5.5.漂移漂移检测仪表在一定工作条件下，当输入信号保持不变时，输出信检测仪表在一定工作条件下，当输入信号保持不变时，输出信号会随时间或温度的变化而出现漂移。号会随时间或温度的变化而出现漂移。6.6.响应时间响应时间响应时间是用来衡量仪表能不能尽快反应出参数变化的品质指响应时间是用来衡量仪表能不能尽快反应出参数变化的品质指标。当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指标。当用仪表对被测量进行测量时，被测量突然变化以后，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确显示出来，这段时间称为响应示值总是要经过一段时间后才能准确显示出来，
11、这段时间称为响应时间。时间。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器第第3 3章章过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器3.2 3.2 温度检测及变送温度检测及变送3.2 温度检测及变送温度检测及变送温度是表征物体冷热程度的物理量，也是工业生产过程中最常见、温度是表征物体冷热程度的物理量，也是工业生产过程中最常见、最基本的参数之一。对温度的检测和控制是工业过程控制的重要任务之最基本的参数之一。对温度的检测和控制是工业过程控制的重要任务之一。一。温度检测方法很多，从温度检测方法很多，从测温元件与被测介质接触与否测温元件与被测介质接触与否可分为接触式可分为接触式测
12、温和非接触式测温两大类。测温和非接触式测温两大类。接触式测温接触式测温通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。非接触式测温非接触式测温通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。通过接受被测物体发出的热辐射热来感知温度。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器3.2.13.2.1温度检测仪表的分类及其测温范围温度检测仪表的分类及其测温范围一、接触式测温一、接触式测温1.1.接触式测温简单、可靠、测量精度高；接触式测温简单、可靠、测量精度高；2.2.测量常伴有时间上的滞后；测量常伴有时间上的滞后；3.3.测温元件有时可能破
13、坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应，此时将引起不能允许的测量误差；反应，此时将引起不能允许的测量误差；4.4.接触式测温仪器的传感器因受到耐高温材料的限制，测温上限是接触式测温仪器的传感器因受到耐高温材料的限制，测温上限是有界的。有界的。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器二、非接触式测温二、非接触式测温1.1.测温元件不与被测温物体直接接触，测温上限原则上是不受限测温元件不与被测温物体直接接触，测温上限原则上是不受限制的；制的；2.2.误差小，反映速度快；误差小，反映速度快；3.3.易受被测物体热辐射
14、率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响，当应用不当时，会引起额外的测量误差。尘和水汽等）的影响，当应用不当时，会引起额外的测量误差。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器表表1 1 工业测温仪表的分类及测温范围工业测温仪表的分类及测温范围测温方式测温方式温度计类型温度计类型测温原理测温原理常用测温范围（常用测温范围（）主要特点主要特点接触式接触式膨胀式温度计：膨胀式温度计：液体膨胀式、液体膨胀式、固体膨胀式固体膨胀式利用液体（水银、酒精等）利用液体（水银、酒精等）或固体（金属片）受热时或固体（金属片
15、）受热时产生热膨胀的特性产生热膨胀的特性-200200-600600结构简单，价格低廉，适用结构简单，价格低廉，适用于就地测量于就地测量压力表式温度计：压力表式温度计：气体式、液体式、气体式、液体式、蒸汽式蒸汽式利用封闭在一定容积中的利用封闭在一定容积中的气体、液体或饱和蒸汽在气体、液体或饱和蒸汽在受热时体积或压力变化的受热时体积或压力变化的性质性质-120120-600600结构简单，具有防爆性，不结构简单，具有防爆性，不怕震动，适宜近距离传送，怕震动，适宜近距离传送，时间滞后较大，准确性不高时间滞后较大，准确性不高热电阻温度计热电阻温度计利用导体或半导体的电阻利用导体或半导体的电阻值随温度
16、变化的性质值随温度变化的性质-270270-900900准确度高，能远距离传送，准确度高，能远距离传送，适用于低、中温测量适用于低、中温测量热电偶温度计热电偶温度计利用金属的热点效应利用金属的热点效应-200200-18001800测温范围广，准确度高，能测温范围广，准确度高，能远距离传送，适于中、高温远距离传送，适于中、高温测量测量非接触式非接触式辐射式温度计：辐射式温度计：光学式、比色式、光学式、比色式、红外式红外式利用物体辐射能随温度变利用物体辐射能随温度变化的性质化的性质700700以上以上适用于不宜直接接触测温的适用于不宜直接接触测温的场合，测温范围广，测量准场合，测温范围广，测量准
17、确度受环境条件的影响确度受环境条件的影响第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器3.2.23.2.2热电偶热电偶一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理热电偶的构成：将热电偶的构成：将两种材质不同的导体或半导体两种材质不同的导体或半导体A A、B B连接成闭连接成闭合回路。合回路。热电偶的测温原理：热电偶的测温原理：基于热电效应基于热电效应。只要热电偶两端的温度不。只要热电偶两端的温度不同，则在热电偶闭合回路中就产生热电势，这种现象就称为热同，则在热电偶闭合回路中就产生热电势，这种现象就称为热电效应。电效应。特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测特点：结
18、构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量量50050016001600之间的温度。之间的温度。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器当热电偶两个结点温度不同时，回路中会产生热电势，热电势由当热电偶两个结点温度不同时，回路中会产生热电势，热电势由接触电势和温差电势组成。接触电势和温差电势组成。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示热电极热电极B B1 1、接触电势、接触电势当不同导体当不同导体A A、B B接触时，两边自由电子密接触时，两边自由电子密度不同，在交界面上产生电子相互扩散，使接度不同，在交
19、界面上产生电子相互扩散，使接触端产生接触电势。触端产生接触电势。其大小取决于两种材料的其大小取决于两种材料的种类和接触点的温度种类和接触点的温度。2 2、温差电势、温差电势热电效应示意图热电效应示意图对于同一金属对于同一金属，若其两端温度不同，则若其两端温度不同，则自由电子所具有的动能不同，也会产生相应自由电子所具有的动能不同，也会产生相应的电势，称为温差电势。的电势，称为温差电势。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器)t(e)t(e)t,t(E0ABAB0AB)t,t(e)t,t(e)t(e)t(e)t,t(E0A0B0ABAB0AB但温差电势值远小于接触电势，常
20、忽但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。上式可以近似成：略不计。上式可以近似成：3 3、回路总电势、回路总电势热电偶回路总电势即为热电势，由接触电势和温差电势合成：热电偶回路总电势即为热电势，由接触电势和温差电势合成：01AB0tan,tconsttEt t由上式可知，当材质一定且冷端温度由上式可知，当材质一定且冷端温度不变时，不变时，热端温度与热电势成单值对应的热端温度与热电势成单值对应的反函数关系，反函数关系，即即由此表明，由此表明，只要测出热电势的大小，即可确定只要测出热电势的大小，即可确定被测温度的高低被测温度的高低，这就是热电偶的测温原理。，这就是热电偶的测温原理。第第3 3章章
21、过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器二、二、热电偶的基本定律热电偶的基本定律据据EAB(t，t0)=eAB(t)-eAB(t0)可导出：可导出：1 1、均质导体定律均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面和长度如由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面和长度如何，以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。何，以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。因此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成，但因此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体或半导体组成，但其截面和长度不限。其截面和长度不限。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变
22、送器过程参数检测仪表及变送器2 2、中间导体定律、中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，在热电偶回路中接入中间导体后，只要中间导体两端的温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，则对热电偶的热电势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的两端温度相同，也对热电偶的热电势没有只要保证接入的每种导体的两端温度相同，也对热电偶的热电势没有影响。影响。第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器3 3、中间温度定律中间温度定律一支热电偶在两接点温一支热电偶在两接点温度为度为t、t0时的热电势时的
23、热电势，等于两支同温度特等于两支同温度特性热电偶在接点温度为性热电偶在接点温度为t、tn和和tn、t0时时热电势的代数和热电势的代数和。即即EAB(t，to)=EAB(t,tn)+EAB(tn,to)根据这一定律，对于一种热电偶，只要给根据这一定律，对于一种热电偶，只要给出冷端为出冷端为0时的热电动时的热电动势和温度的关系（分度表），就可以求出冷端为任意温度势和温度的关系（分度表），就可以求出冷端为任意温度t0时时的热电动的热电动势，即势，即ABAB0AB0,0,0EtEt tEt+=ABt0t AB0t AB0t0第第3 3章章 过程参数检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器三、工业常用热
24、电偶结构形式和类型三、工业常用热电偶结构形式和类型热电动势输出时，必须将热电偶的闭合回路打开，实用的热电热电动势输出时，必须将热电偶的闭合回路打开，实用的热电偶从一个接点处打开。导体偶从一个接点处打开。导体A A和和B B称为热电偶的热电极。两热电极的称为热电偶的热电极。两热电极的焊接点称为热电偶的工作端或热端，置于被测温场中（温度为焊接点称为热电偶的工作端或热端，置于被测温场中（温度为t t）；）；打开的一端称为参考端或冷端，置于被测温场外（温度为打开的一端称为参考端或冷端，置于被测温场外（温度为t t0 0）。如图）。如图所示。所示。普通热电偶的构造普通热电偶的构造第第3 3章章 过程参数
25、检测仪表及变送器过程参数检测仪表及变送器不同材质的热电偶，其热电动势与热端温度的关系不同，如图不同材质的热电偶，其热电动势与热端温度的关系不同，如图所示，用分度号来区别不同的热电偶。所谓所示，用分度号来区别不同的热电偶。所谓热电偶分度号是表示热热电偶分度号是表示热电偶材料的标记符号电偶材料的标记符号。如表中的分度号。如表中的分度号S表明热电偶材料采用铂铑表明热电偶材料采用铂铑10-铂，即正极采用铂，即正极采用90%Pt（铂）、（铂）、10%Rh（铑）制成，负极采用（铑）制成，负极采用100%Pt制成，其它类推制成，其它类推。常用热电偶的温度特性（冷端温度为常用热电偶的温度特性（冷端温度为0)0
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