第2章 检测仪表-温度

过程控制系统第2章过程检测仪表过程控制系统第2章2第2章检测仪表要控制一个生产过程，必须实时检测生产过程中的有关参数，例如温度、压力、流量、液位等。给定值被控参数y(t)干扰f（t）控制器变送器执行器被控对象+实测值－过程控制系统原理方框图u(t)q(t)z(t)x(t)e(t)过程控制系统第2章3第2章检测仪表检测仪表——用来检测这些参数的工具；检测仪表包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的测量变送器。2.1检测仪表的基本技术指标2.2温度检测及仪表2.3压力检测及仪表2.4流量检测及仪表2.5物位检测及仪表2.6成分检测及仪表过程控制系统第2章42.1检测仪表的基本技术指标检测仪表种类繁多，但目的都是快速、准确地测量某种物理量。因此，必须了解误差的分类和衡量检测仪表的通用的评价性能指标。1.绝对误差和相对误差2.系统误差、随机误差、疏忽误差测量误差分类3.基本误差、附加误差、允许误差1、精确度（精度）2、灵敏度和分辨率3、变差4、响应时间性能指标过程控制系统第2章51.绝对误差和相对误差1）绝对误差绝对误差Δ是指检测仪表的指示值X与被测量真值Xt之间存在的差值称为。表示为：2.1.1测量误差将仪表在其标尺范围内读数最大的绝对误差称为最大绝对误差Δmax。Δ=X－Xt真值由于真值是无法得到的理论值。实际计算时，可用精确度较高的标准表所测得的实际值X0代替真值Xt，表示为：Δ=X－X0实际值过程控制系统第2章62.1.1测量误差1.绝对误差和相对误差2）相对误差相对误差：指绝对误差与被测变量的真值之比的百分数。%100%10000xxx真值绝对误差实际相对误差标称相对误差引用相对误差根据分母分为——指绝对误差与仪表的量程之比——指绝对误差与仪表指示值之比——指绝对误差与被测量的真值之比过程控制系统第2章7在相对误差中最常用的是引用相对误差或相对百分误差。定义为：而：仪表量程=测量上限－测量下限2）相对误差%100%1000baxx仪表量程绝对误差仪表量程仪表的基本误差表明了在规定的工作条件下测量时，允许出现的最大误差。过程控制系统第2章81．精确度（精度）2.1.2检测仪表的基本技术指标%100)(%100max0maxbaxx仪表量程绝对误差的最大值仪表精度——用测量范围内最大的绝对误差与该仪表的仪表量程之比的百分数来衡量。仪表精度的确定方法：将仪表的基本误差去掉“±”号及“％”号，套入规定的仪表精度等级系列。过程控制系统第2章91．精确度（精度）某台仪表的最大引用误差为±1.0％，则确认该表的精确度等级符合1.0级；如果某台仪表的最大引用误差为±1.3％，则该表的精确度等级符合1.5级。2.1.2检测仪表的基本技术指标为了便于量值传递，国家规定了仪表的精确度（精度）等级系列。如0.005级、0.02级……0.5级，1.0级，1.5级等。例如：过程控制系统第2章10例1：某台测温仪表的测温范围为－100～700℃，校验该表时测得全量程内最大绝对误差为＋5℃，试确定该仪表的精度等级。解：该仪表的基本误差为：5100%0625%700100．将该表的δ去掉“十”号与“％”号，其数值为0.625。由于国家规定的精度等级中没有0.625级仪表，而该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大绝对误差。故：这台测温仪表的精度等级为1.0级。过程控制系统第2章11例2:某台测压仪表的测压范围为0～8MPa。根据工艺要求，测压示值的误差不允许超过±0.05MPa，问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？解：根据工艺要求，仪表的最大允许误差为：005MPa100%0625%8MPa．＝．去掉“±”和“％”号后，0.625介于0.5～1.0之间。若选精度为1.0级的仪表，其允许的最大绝对误差为±0.08MPa。超过了工艺允许的数值。故：应选择0.5级的表。过程控制系统第2章12例3:某工业管道内蒸汽温度在400~500℃之间，现有两支温度计。一支温度计测量范围为0~600℃，精度1级；另一支为0~800℃，1级。若要求测量误差△MAX≤10℃，选哪支仪表？故：应选择测量范围为0~800℃，精度1级的表。%67.1%100600101%25.1%100800102600℃×2/3=400℃800℃×2/3=533.3℃过程控制系统第2章13目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5等。精度等级数值越小，表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。仪表的精度等级一般用符号标志在仪表面板上。如0.05级以上的仪表，常用来作为标准校准表；工业现场测量仪表，其精度一般为0.5级~4级精度。过程控制系统第2章14灵敏度表示指针式测量仪表对被测参数变化的敏感程度，常以仪表输出（如指示装置的直线位移或角位移）与引起此位移的被测参数变化量之比表示：灵敏限表示指针式仪表在量程起点处，能引起仪表指针动作的最小被测参数变化值。S－仪表灵敏度；ΔY－仪表指针位移的距离（或转角）；ΔX－引起ΔY的被测参数变化量。YSX×100℃2、灵敏度和分辨率2.1.2检测仪表的基本技术指标过程控制系统第2章15分辨率表示仪表显示值的精细程度。对于数字式仪表，则用分辨率和分辨力表示灵敏度和灵敏限。2、灵敏度和分辨率例如：一台温度指示仪，最末一位数字表示的温度值为0.1℃，即该表的分辨力为0.1℃。例如:一台仪表的显示位数为四位，其分辨率便为千分之一。数字仪表的显示位数越多，分辨率越高。分辨力是指仪表能够显示的、最小被测值。过程控制系统第2章163、变差在外界条件不变的情况下，同一仪表对被测量进行往返测量时（正行程和反行程），产生的最大差值与测量范围之比称为变差。变差=量程正反行程最大差值×100%2.1.2检测仪表的基本技术指标∆ymaxyxminxmaxOx过程控制系统第2章173、变差造成变差的原因:传动机构间存在的间隙和摩擦力;弹性元件的弹性滞后等。2.1.2检测仪表的基本技术指标∆ymaxyxminxmaxOx变差=Xmax-Xmin△ymax×100%过程控制系统第2章18用仪表测量时，当被测量突然变化，仪表指示值总是要经过一段时间后才能准确显示出来。这段时间称为响应时间。响应时间的计算：从输入一个阶跃信号开始，到仪表的输出信号（即指示值）变化到新稳态值的95％所用的时间。txytp4、响应时间2.1.2检测仪表的基本技术指标过程控制系统第2章19温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。2.2温度检测及仪表2.2.1温度检测方法2.2.2热电偶2.2.3热电阻2.2.4集成温度传感器2.2.6温度变送器2.2.5温度显示与记录过程控制系统第2章20一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。2.2.1温度检测方法接触式测温——通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。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。过程控制系统第2章211、膨胀式温度计膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。1）液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。玻璃管温度计一、接触式测温仪表2.2.1温度检测方法电接点式玻璃管温度计过程控制系统第2章222）固体膨胀式温度计：用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制成双金属片。受热后，由于两金属片的膨胀程度不同而产生弯曲。若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。过程控制系统第2章23双金属片常用来做温度报警或控制随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。双金属片调节螺钉绝缘柱如图是一双金属温控器。继电器过程控制系统第2章24原理:封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。2、压力式温度计利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来测温。用压力表指示温度。过程控制系统第2章253、热电偶温度计利用物体的热电性质测温。4、热电阻温度计利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。5、半导体温度计利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性，通过测量感温器元件（结）电压变化来测量温度。过程控制系统第2章261、辐射式温度计通过测量物体热辐射功率来测量温度。2、红外式温度计通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。二、非接触式测温仪表红外线测温计光学高温计过程控制系统第2章27热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能将温度信号转换成电势信号（mV）。特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于远传。一般用于测量500～1600℃之间的温度。2.2.2热电偶过程控制系统第2章282.2.2.1热电偶的测温原理热电效应——将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此电势称为热电势。t热端ABt0冷端过程控制系统第2章291、接触电势当不同导体A、B接触时，两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散，致使在接触处产生接触电势。（假设NANB）eAB(t)=KtelnNA(t)NB(t)NA(t)、NB(t)—自由电子密度；e—单位电荷其大小取决于材料和接触点温度。t热端t0冷端AB过程控制系统第2章30tABt0冷端热端2、温差电势对于同一金属A（或B），其两端温度不同，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。热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。但温差电势值远小于接触电势，常忽略不计。过程控制系统第2章313、回路总电势热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成，表达为：此计算式中，有的常数很难确定，无法实用。实际中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结论：EAB（t，t0）=eAB（t）-eAB（t0）eAB(t)=KtelnNA(t)NB(t)对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温度有关。当冷端温度固定时，E(t，t0)是热端温度t的单值函数。过程控制系统第2章32镍铬—镍硅热电偶分度表（简表）分度号K（t0=0℃，E/mV）t/℃0010203040506070809000.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.63213.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26941.65742.04542.43242.81743.202