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1、第五章 工艺参数检测,要使一个控制系统正常有效运行，需要检测元件和变送器迅速、准确的测出被测参数的值，反映出被控参数的变化，调节器应根据被控参数的变化正确及时的发出相应的控制信号,本章主要介绍温度、压力、流量和物位的常用检测方法及仪表。,第一节 检测技术基础知识,5.1.1 误差的基本概念1、误差的来源与误差的概念 每一参数的测量都是由测试人员使用一定仪器，在一定环境条件下按照一定测量方法和程序进行。任何测量过程都存在测量误差，即检测仪表指示值与被测参数真实值之间的差异。,5.1.1 误差的基本概念1、误差的来源与误差的概念在任何测量中都存在误差，是不可避免的。因此，对所得到的每一测量结果必须
2、指出其误差范围，否则该测量结果就无价值。,5.1.1 误差的基本概念2、误差的定义及表示法 测量误差定义为测量值与被测值的真值之差。检测系统(仪器)的基本误差有以下几种表示形式：(1)绝对误差 检测系统的测量值与被测量的真值之间的代数差值。,5.1.1 误差的基本概念2、误差的定义及表示法(2)相对误差 检测系统的测量值的绝对误差与被测参量真值的比值，常用百分数表示。,5.1.1 误差的基本概念2、误差的定义及表示法(3)引用误差 检测系统的测量值的绝对误差与系统量程的比值，常用百分数表示。,5.1.1 误差的基本概念2、误差的定义及表示法(4)最大引用误差 在规定的工作条件下，当被测量平稳增
3、加或减少时，在检测系统全量程所有测量值引用误差(绝对值)的最大者。即所有测量值中最大绝对误差(绝对值)与量程的比值的百分数，称为该系统的最大引用误差。最大引用误差是检测系统基本误差的主要形式。,5.1.2 检测仪器的精度等级 人为规定：取最大引用误差的分子作为检测仪器精度等级的标志，即用最大引用误差去掉正负号和百分号后的数字来表示精度等级，用符号G表示。国标GB776-76规定，G分0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。,5.1.2 检测仪器的精度等级例1：量程为01000V的数字电压表，其整个量程中最大绝对误差为0.5V，(1)试说明国家标准GB776-76规定的测
4、量指示仪表的精度等级G分几个等级？(2)试说明按照什么原则得到检测仪器的精度等级？(3)在上述已知条件下，该数字电压表的精度等级G是几级？,5.1.2 检测仪器的精度等级例2：被测电压实际值约为21.7V，现有四种电压表：1.5级、量程为030V的A表；1.5级、量程为050V的B表；1.0级、量程为050V的C表；1.2级、量程为0360V的D表。请问选用哪种规格的电压表进行测量产生的测量误差较小？,例1.,例2,B表有,C表有,D表有,答：四者比较，选用A表的测量误差通常较小。,A表有,由上例知，检测仪表产生的测量误差不仅与所选仪表精度等级G有关，而且与所选仪表的量程有关。通常量程L和测量
5、值X相差愈小，测量准确度较高。所以，在选择仪表时，应选择测量值尽可能接近的仪表量程。,第二节 温度检测,温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数；从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志；温度与人们日常生活紧密相关。,第二节 温度检测,热力学第零定律指出：具有相同温度的两个物体，它们必然处于热平衡状态；当两个物体分别与第三个物体处于热平衡状态时，这两个物体也处于热平衡状态，即这三个物体处于同一温度。温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热不同而变化的特性，来加以间接测
6、量。,5.2.1 测温方法分类及其特点,根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。接触式温度测量非接触式温度测量,接触式温度测量,测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低；由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。,非接触式温度测量,感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度;非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点
7、。,接触式与非接触式测温特点比较,各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围,5.2.2 热膨胀式测温方法,根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀式，热阻式、热电(包括热电偶和PN结)式等多种形式。膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。,5.2.2 热膨胀式测温方法,(1)玻璃温度计(2)压力温度计(3)双金属温度计,玻璃温度计,玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9、测温上限为53
8、8。玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录。,玻璃棒式温度计,V形工业玻璃温度计,压力温度计,压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。压力温度计的典型结构示意图,这类压力温度计其毛细管细而长(规格为160m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。,电接点压力式温度计,XH-105压力式温度计,压力温度计,压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐
9、腐蚀性较差等特点。,双金属温度计,固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：,双金属温度计原理图,双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80600，精度等级通常为1.5级左右。双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。,双金属温度计,基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度
10、变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性。,5.2.3 热阻式测温方法,热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。,5.2.3 热阻式测温方法,5.2.3 热阻式测温方法,工业上常用的热电阻有铂电阻和铜电阻两种。(1)铂电阻测温(2)铜电阻和热敏电阻测温,(1)铂电阻测温,概述铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻温
11、度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。当 时 当时,热电阻的结构,1-出线孔密封圈；2-出线孔螺母；3-链条；4-盖；5-接线柱；6-盖的密封圈；7-接线盒；8-接线座；9-保护管；10-绝缘管；11-内引线；12-感温元件,热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝材料应具备如下条件：电阻温度系数大、线性好、性能稳定；使用温度范围广、加工方便；固有电阻大，互换性好，复制性强。,热电阻的引线形式内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连
12、接。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种。,两线制,感温元件的引线形式,两线制热电阻测量电桥,三线制,感温元件的引线形式,三线制热电阻测量电桥,四线制,四线制热电阻测量电桥,感温元件的引线形式,(2)铜电阻和热敏电阻测温,铜电阻 铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻一般工作温度为-40120。其电阻值与温度的关系为：当时,铜电阻,半导体热敏电阻,热敏电阻的优点：灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12个数量级；很好地与各种电路匹配，而且远距离测
13、量时几乎无需考虑连线电阻的影响；体积小；热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动。,热敏电阻的主要缺点：阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0150范围，使用时必须注意。,热敏电阻图示：,5.2.4 热电式测温方法 热电偶测温,热电偶是温度测量应用最多的器件，它的特点是测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。,1.测温原理,热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两
14、个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种热电效应现象是1821年塞贝克（Seeback）首先发现提出，又 称塞贝克效应。,热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差。,热电偶两热电极分别叫 A（为正极）和B（为负极），两端温度分别为，且；则热电偶回路总电势为：,2.热电偶分类及特性,为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有以下性能：(1)优良的
15、热电特性；(2)良好的物理性能；(3)优良的化学性能；(4)优良的机械性能；(5)足够的机械强度和长的使用寿命；(6)制造成本低，价值比较便宜。,工业用热电偶测温范围,3.热电偶结构,热电偶通常主要由四部分组成：热电极、绝缘管、保护管和接线盒。,1-出线孔密封圈；2-出线孔螺母；3-链条；4-盖；5-接线柱；6-盖的密封圈；7-接线盒；8-接线座；9-保护管；10-绝缘管；11-内引线,4.热电偶温度测量,补偿导线补偿导线的优点：改善热电偶测温线路的机械与物理性能降低测量线路的成本节省贵金属材料，便于安装与敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可减少测量回路电阻。,补偿导线使用须注意事项如
16、下：各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定的使用温度范围；由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因此两连接点温度必须相同；在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值，以保证测量精度。,参比端处理,经常使用的热电偶分度表，都是以热电偶参比端为0条件下制作的。在工业测温现场一般不能使参比端保持0。现在由于计算机尤其是微处理器和单片机推广普及，因而，智能化测温仪普遍按下述以软件为主的补偿方式：,5.3 辐射法测温,幅射测温的基本原理5.3.2光谱辐射温度计5.3.3比色高温计5.3.4红外测温5.3.5 红外成像测温仪,任何物体，其温度
17、超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触。,红外辐射测温仪HY-303,光谱辐射温度计,依据物体光谱辐射出射度或辐射亮度和其温度T的关系，可以测出物体的温度。目前国内外使用的光谱辐射温度计都是根据被测物体的光谱辐射亮度来确定物体的温度。分类：光学高温计光电高温计硅辐射温度计,红外测温,红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。,红外成像测温仪,红外成像原理红外摄像管：将物体的红外辐射转换成电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。图是热释电摄像管的结构简图：,Ti30热像仪,
