第三章检测仪表与传感器

第三章检测仪表与传感器 在化工生产中的主要参数有压力、流量、物位及温度等,这些量统称为热工量，另外还有成分量、物性量等。用来检测这些参数的技术工具称为检测仪表。用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号(例电信号或气压信号)的仪表通常称为传感器。当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时．通常称为变送器。本章将主要介绍有关压力、流量、物位、温度等参数的检测方法、检测仪表及相应的传感器或变送器。

第一节概述 测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。一、测量过程与测量误差各种测量仪表不论采用哪一种原理，它们都是要将被测参数经过一次或多次的信号能量的转换，最后获得—种便于测量的信号能量形式，并由指针位移或数字形式显示出来。在测量过程中．由于所使用的测量工具本身不够准确，观测者的主观性和周围环境的影响等等、使得测量的结果不可能绝对准确。由仪表读得的被测值与被测量真值之间，总是存在—定的差距，这一差距就称为测量误差。

测量误差通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。测量误差通常有两种表示方法，即绝对误差和相对误差。绝对误差在理论上是指仪表指示值xi和被测量的真值xt之间的差值,可表示为： Δ=xi—xt (3—1) 所谓真值是指被测物理量客观存在的真实数值，它是无法得到的理论值。因此所谓测量仪表在其标尺范围内各点读数的绝对误差，一般是指用被校表(精确度较低)和标准表(精确度较高)同时对同一被测量进行测量所得到的两个读数之差，可用下式表示： Δ=x—xo (3—2) 式中 Δ——绝对误差； x——被校表的读数值； xo——标准表的读数值。

测量误差还可以用相对误差来表示。相对误差等于某一点的绝对误差Δ与标准表在这一点的指示值xo之比。可表示为：测量误差还可以用相对误差来表示。相对误差等于某一点的绝对误差Δ与标准表在这一点的指示值xo之比。可表示为：（3—3）式中 y——仪表在xo处的相对误差。

二、仪表的性能指标 仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此，常说的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。 1．精确度(简称精度) 仪表的精确度不仅与绝对误差有关，而且还与仪表的测量范围有关。因此，工业上经常将绝村误差折合成仪表测量范围的百分数表示。称为相对百分误差δ，即

仪表的测量范围上限值与下限值之差，称为该仪表的量程。仪表的测量范围上限值与下限值之差，称为该仪表的量程。根据仪表的使用要求，规定一个在正常情况下允许的最大误差，这个允许的最大误差就叫允许误差。允许误差一般用相对百分误差来表示，即某一台仪表的允许误差是指在规定的正常情况下允许的相对百分误差的最大值，即仪表的δ允越大，表示它的精确度越低；反之，仪表的δ允越小，表示仪表的精确度越高。国家统一规定的仪表精确度(精度)等级：将仪表的允许相对百分误差去掉“±”号及“％”号，可以用来确定仪表的精确度等级。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. 5，2.5，4.0等。

例1 某台测温仪表的测温范围为200一700℃．校验该表时得到的最大绝对误差为十4 oC，试确定该仪表的精度等级。解该仪表的相对百分误差为如果将该仪表的δ去掉“十”号与“％”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。

例2 某台测温仪表的测温范围为0一1000 oC。根据工艺要求,温度指示值的误差不允许超过±7 oC,试问应如何选择仪表的精度等级才能满足工艺要求? 解根据工艺上的要求，仪表的允许误差为如果将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号。其数值介于0.5—1.0之间、如果选择精度等级为1.0级的仪表．其允许的误差为±1.0％，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。

注意：仪表的允许误差与工艺允许误差之间的差别。注意：仪表的允许误差与工艺允许误差之间的差别。 0.05级以上的仪表，常用来作为标准表，工业现场用的测量仪表，其精度大多是0.5级以下的。

2．变差 变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程(即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小)测量时，被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差，如图3—1所示。

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等。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等。变差的大小，用在同一被测参数值下，正反行程间仪表指示值的最大绝对差值与仪表量程之比的百分数表示，即必须指出，仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则，否则应及时检修。

3．灵敏度与灵敏限 a) 仪表指针的线位移或角位移，与引起这个位移的被测参数变化量之比值称为仪表的灵敏度，用公式表示如下： (3—7) 式中 S——仪表的灵敏度； Δα——指针的线位移或角位移； Δx——引起Δα所需的被测参数变化量。所以仪表的灵敏度，在数值上就等于单位被测参数变化量所引起的仪表指针移动的距离(或转角)。

b) 仪表的灵敏限，是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。值得注意的是、上述指标仅适用于指针式仪表。在数值式仪表中，往往用分辨力来表示仪表灵敏度(或灵敏限)的大小。

4．分辨力 对于数字式仪表，分辨力是指数字显示器的最未位数字间隔所代表的被测参数变化量。如数字电压表显示器末位一个数字所代表的输入电压值。显然，不同量程的分辨力是不同的，相应于最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力，也叫灵敏度。通常以最高分辨力作为数字电压表分辨力指标。当数字式仪表的灵敏度用它与量程的相对值表示时，便是分辨率。分辨率与仪表的有效数字位数有关。如—台仪表的有效数字位数为三位，其分辨率便为千分之一。

5. 线性度 线性度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻台程度，如图3—2所示。

线性度通常用实际测得的输入—输出特件曲线(称为校准曲线)与理论直线之间的最大偏差与测量仪表量程之比的百分数表示，即线性度通常用实际测得的输入—输出特件曲线(称为校准曲线)与理论直线之间的最大偏差与测量仪表量程之比的百分数表示，即

6. 反应时间 反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反应出参数变化的品质指标。仪表的反应时间有不同的表示方法。当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。仪表的输出信号(即指示值)由开始变化到新稳态值的63．2％所用的时间(相当于时间常数T)，可用来表示反应时间，也有用变化到新稳态值的95％所用的时间来表示反应时间的(相当于3T）。

三、工业仪表的分类 (1)电动仪表电动仪表以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；近年来，电动仪表也可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。但电动仪表一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。 1．按仪表使用的能源分类 (2)气动仪表气动仪表的结构比较简单、直观；工作比较可靠；对温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响的抗干扰能力较强；能防火、防爆；价格比较便宜。但气动仪表信号传递速度慢、传输距离短、管线安装与检修不便，不宜实现远距离大范围的集中显示与控制；与计算机联用比较困难。

2．按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 (1)检测仪表检测仪表的主要作用是获取信息，并进行适当的转换。在生产过程中，检测仪表主要用来测量某些工艺参数，如温度、压力、流量、物位以及物料的成分、物性等，将被测参数的大小成比例地转换成电的信号(电压、电流、频率等)或气压信号。 (2)显示仪表显示仪表的作用是将由检测仪表获得的信息显示出来，包括各种模拟量、数字量的电动、气动指示仪、记录仪和积算器、以及工业电视、图象显示器等。 (3)集中控制装置包括各种巡回检测仪、巡回控制仪、程序控制仪、数据处理机、电子计算机以及仪表控制盘和操作台等。 (4)控制仪表控制仪表可以根据需要对输入信号进行各种运算，例如放大、积分、微分等。控制仪表包括各种电动、气动的控制器以及用来代替模拟控制仪表的微处理机等。

(5)执行器 执行器可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作人员的指令，对生产过程进行操作或控制。执行器包括各种气动、电动、液动执行机构和控制阀。上述各类仪表在信息传递过程中的关系可以用图3—3来表示。

3．按仪表的组成形式分类 (1)基地式仪表这类仪表的特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里、形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。 (2)单元组合仪表将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表(简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等)。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。化工生产中的单元组合仪表有电动单元组合仪表和气动单元组合仪表两种。国产的电动单元组合仪表以“电”、“单”、“组”三字的汉语拼音字头为代号，简称DDZ仪表；同样，气动单元组合仪表简称QDZ仪表。本章将介绍几个主要工艺参数的检测方法及仪表。显示仪表、控制仪表及执行器将分别在第四、五、六章中介绍。

第二节压力检测及仪表 在工业生产过程中，特别是在化工、炼油等生产过程中，压力是重要的操作参数之一。经常会遇到压力和真空度的测量，其中包括比大气压力高很多的高压、超高压和比大气压力低很多的真空度的测量。如果压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，有时还会造成严重的生产事故。此外，压力测量的意义还不局限于它自身，有些其他参数的测量，如物位、流量等往往是通过测量压力或差压来进行的，即测出了压力或差压，便可确定物位或流量。

一、压力单位及测压仪表 由于压力是指均匀垂直地作用在单位面积上的力，故可用下式表示： (3—9) 式中p表示压力，F表示垂直作用力，S表示受力面积。根据国际单位制(代号为SI)规定。压力的单位为帕斯卡，简称帕（Pa）, 1帕为1牛顿每平方米，即 1Pa＝1N/m2 (3—10) 帕所表示的压力较小。工程上经常使用兆帕(MPa)。帕与兆帕之间的关系为； 1MPa＝l×106 Pa (3—11)

过去使用的压力单位比较多，根据1984年2月27日国务院“关于在我国统一实行法定计量单位的命令”的规定，这些单位将不再使用。国际单位制中的压力单位(Pa或MPa)与过去的单位之间的关系，参见教材中的各种压力单位换算表3—1。过去使用的压力单位比较多，根据1984年2月27日国务院“关于在我国统一实行法定计量单位的命令”的规定，这些单位将不再使用。国际单位制中的压力单位(Pa或MPa)与过去的单位之间的关系，参见教材中的各种压力单位换算表3—1。在压力测量中，常有表压、绝对压力、负压或真空度之分，其关系见图3—4。

工程上所用的压力指示值，大多为表压(绝对压力计的指示值除外)。表压是绝对压力和大气压力之差，即工程上所用的压力指示值，大多为表压(绝对压力计的指示值除外)。表压是绝对压力和大气压力之差，即当被测压力低于大气压力时，一般用负压或真空度来表示，它是大气压力与绝对压力之差，即因为各种工艺设备和测量仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力。所以，工程上经常用表压或真空度来表示压力的大小。以后所提到的压力，除特别说明外，均指表压或真空度。

测量压力或真空度的仪表，按照其转换原理的不同，可分为四大类。测量压力或真空度的仪表，按照其转换原理的不同，可分为四大类。 1．液柱式压力计根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。结构形式：U型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。特点：结构简单、使用方便。缺点：精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量校低压力、真空度或压力差。 2．弹性式压力计它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。例如弹簧管压力计、波纹管压力计及膜式压力计等。

3．电气式压力计 它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表，例如各种压力传感器和压力变送器。 4．活塞式压力计它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。它的测量精度很高，允许误差可小到0.05％一0.02％。但结构较复杂，价格较贵。一般作为标难型压力测量仪器、来检验其他类型的压力计。

二、弹性式压力计 弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹件元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。这种仪表具有结构简单、使用可靠、读数清晰、牢固可靠、价格低廉、测量范围宽以及有足够的精度等优点。若增加附加装置，如记录机构、电气变换装置、控制元件等，则可以实现压力的记录、远传、信号报警、自动控制等。弹性式压力计可以用来测量几百帕到数千兆帕范围内的压力，因此在工业上是应用最为广泛的一种测压仪表。

1．弹性元件 弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。它不仅是弹性式压力计的测压元件，也经常用来作为气动单元组合仪表的基本组成元件。常用的几种弹性元件的结构如图3—5所示。

(1)弹簧管式弹性元件 弹簧管式弹性元件的测压范围较宽，可测量高达1000MPa的压力。单圈弹簧管是弯成圆弧形的金属管子，它的截面做成扁圆形或椭圆形，如图3—5(a)所示。为了增加自由端的位移，可以制成多圈弹簧管，如图3—5(b)所示。 (2)薄膜式弹性元件薄膜式弹性元件根据其结构不同还可以分为膜片与膜盒等。它的测压范围较弹簧管式的为低。图3—5(c)为膜片式弹性元件，它是由金属或非金属材料做成的具有弹性的一张膜片(有平膜片与波纹膜片两种形式)，在压力作用下能产生变形。有时也可以由两张金属膜片沿周口对焊起来，成一薄壁盒子，内充液体(例如硅油)，称为膜盒，如图3—5(d)所示。 (3)波纹管式弹性元件波纹管式弹性元件是一个周围为波纹状的薄壁金属筒体，如图3—5(e)所示。这种弹性元件易于变形，而且位移很大，常用于微压与低压的测量(—般不超过1Mpa)。

2．弹簧管压力表 弹簧管压力表的测量范围极广，品种规格繁多。按其所使用的测压元件不问，可有单圈弹簧管压力表与多圈弹簧管压力表。按其用途水同，除普通弹簧管压力表外．还有耐腐蚀的氨用压力表、禁油的氧气压力表等。

弹簧管压力表的结构原理如图3—6所示。

将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。

三、电气式压力计 电气式压力计是—种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表。这种仪表的测量范围较广，分别可测7×10-5 Pa至5×102 MPa的压力，允许误差可至0.2％。由于可以远距离传送信号，所以在工业生产过程中可以实现压力自动控制和报警，并可与工业控制机联用。

电气式压力计一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。图3—8是电气式压力计的组成方框图。电气式压力计一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。图3—8是电气式压力计的组成方框图。

压力传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。压力传感器的作用是把压力信号检测出来，并转换成电信号进行输出，当输出的电信号能够被进一步变换为标准信号时，压力传感器又称为压力变送器。标准信号是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如直流电流4—20mA DC、空气压力0.02一0.1Mpa都是当前通用的标准信号。我国还有一些变送器以直流电流0一10mA DC为输出信号。下面简单介绍霍尔片式、应变片式、压阻式压力传感器和力平衡式．电容式压力变送器。

1．霍尔片式压力传感器 霍尔片式压力传感器是根据霍尔效应制成的，即利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量。霍尔片为一半导体(如锗)材料制成的薄片。如图3—9所示，在霍尔片的Z轴方向加一磁感应强度为B的恒定磁场、在Y轴方向加一外电场(接入直流稳压电源)。便有恒定电流沿Y轴方向通过。电子在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一个端面上正电荷过剩，于是在霍尔片的X轴方向上出现电位差，这一电位差称为霍尔电势，这样一种物理现象就称为“霍尔效应”。

霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流(一般称为控制电流)、磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸等因素有关，可用下式表示：霍尔电势的大小与半导体材料、所通过的电流(一般称为控制电流)、磁感应强度以及霍尔片的几何尺寸等因素有关，可用下式表示：（3—12）式中 UH——霍尔电势； RH——霍尔常数，与霍尔片材料、几何形状有关； B——磁感应强度 I——通过的电流。由式(3—12)可知，霍尔电势与磁感应强度和电流成正比。提高B和I值可增大霍尔电势UH。但两者都有一定限度，一般I为3—20mA，B约为几千高斯，所得的霍尔电势UH约为几十毫伏数量级。

如果选定了霍尔元件，并使电流保持恒定，则在非均匀磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所受到的磁感应强度也将不同，这样就可得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移—电势的线性转换。如果选定了霍尔元件，并使电流保持恒定，则在非均匀磁场中，霍尔元件所处的位置不同，所受到的磁感应强度也将不同，这样就可得到与位移成比例的霍尔电势，实现位移—电势的线性转换。

2．应变片式压力传感器 应变片式压力传感器是利用电阻应变原理构成的。电阻应变片有金属应变片(金属丝或金属箔)和半导体应变片两类。被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩应变时，其阻值减小；当应变片产生拉伸应变时，其阻值增加。应变片阻值的变化，再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力计。

应变片r1和r2与两个固定电阻r3和r4组成桥式电路，如图3—1l(b)所示。由于r1和r2的阻值变化而使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压ΔU作为传感器的输出信号，在桥路供给直流稳压电源最大为10V时，可得最大ΔU为5mV的输出。应变片r1和r2与两个固定电阻r3和r4组成桥式电路，如图3—1l(b)所示。由于r1和r2的阻值变化而使桥路失去平衡，从而获得不平衡电压ΔU作为传感器的输出信号，在桥路供给直流稳压电源最大为10V时，可得最大ΔU为5mV的输出。传感器的被测压力可达25Mpa。由于传感器的固有频率在25000Hz以上，故有较好的动态性能．适用于快速变化的压力测量。传感器的非线性及滞后误差小于额定压力的1％。

3．压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成、其工作原理如图3—12所示。

采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单品硅的特定方向扩散—组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时、单品硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信导。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单品硅的特定方向扩散—组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时、单品硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信导。压阻式压力传感器具有精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单等特点，可以适应恶劣的环境条件下工作，便于实现显示数字化。压阻式压力传感器不仅可以用来测量压力，稍加改变，就可以用来测量差压、高度、速度、加速度等参数。

4．力矩平衡式压力变送器 力矩平衡式压力变送器是一种典型的自平衡检测仪表，它利用负反馈的工作原理克服元件材料、加工工艺等不利因素的影响，使仪表具有较高的测量精度(一般为0.5级)、工作稳定可靠、线性好、不灵敏区小等一系列优点。下面以DDZ—Ⅲ型电动力矩平衡压力变送器为例加以介绍。

DDZ—Ⅲ型系列为直流24V供电,输出4—20mA(DC),两线制，本质安全防爆。

通过推倒，可以得到输出电流与被测压力之间的关系： （3—20）其中，K为转换比例系数，当变送器的结构及电磁特性确定后，K为一常数。上式说明，当矢量机构的角度θ确定后，变送器的输出电流I0与输入压力p成对应关系。如图所示，调节量程调整螺钉5，可改变矢量机构的夹角θ，从而能连续改变两杠杆间的传动比，也就是能调整变送器的量程。通常、矢量角θ可以在4o一15o之间调整，tgθ变化约4倍，因而相应的量程也可以改变4倍，调节弹黄12的张力，可起到调整零点的作用。如果将以上压力变送器的测压弹性元件稍加改变，就可以用来连续测量差压或绝村压力，其工作原理基本上是一样的。

5．电容式压力变送器 20世纪70午代初由美国最先投放市场的电容变送器，是一种开环检测仪表，具有结构简单、过载能力强、可靠性好、测量精度高、体积小、重量轻、使用方便等一系列优点、目前已成为最受欢迎的压力、差压变达器，其输出信号也是标准的4—20mA(DC)电流信号。电容式压力变送器是先将压力的变化转换为电容量的变化，然后进行测量的。

图3—14是电容式差压变送器的原理图，将左右对称的不锈钢底座的外侧加工成环状波纹沟槽，并焊上波纹隔离膜片。

电容式差压变送器的结构可以有效地保护测量膜片， 当差压过大并超过允许测量范围时，测量膜片将平滑地贴靠在玻璃凹球面上，因此不易损坏，过载后的恢复特性很好，这样大大提高了过载承受能力。与力矩平衡式相比，电容式没有杠杆传动机构，因而尺寸紧凑，密封性与抗振性好，测量精度相应提高，可达0.2级。

第三章 检测仪表与传感器