【正文】 第三章 檢測儀表與傳感器 在化工生產(chǎn)中的主要參數(shù)有壓力 、 流量 、 物位及溫度等 ,這些量統(tǒng)稱為熱工量 ， 另外還有成分量 、 物性量等 。 用來檢測這些參數(shù)的技術(shù)工具稱為檢測儀表 。 用來將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為一定的便于傳送的信號 (例電信號或氣壓信號 )的儀表通常稱為傳感器 。 當(dāng)傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號時 ． 通常稱為變送器 。 本章將主要介紹有關(guān)壓力 、 流量 、 物位 、 溫度等參數(shù)的檢測方法 、檢測儀表及相應(yīng)的傳感器或變送器 。 第一節(jié) 概 述 一 、 測量過程與測量誤差 測量過程在實質(zhì)上都是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比較的過程 ， 而測量儀表就是實現(xiàn)這種比較的工具 。 各種測量儀表不論采用哪一種原理 ， 它們都是要將被測參數(shù)經(jīng)過一次或多次的信號能量的轉(zhuǎn)換 ， 最后獲得 —種便于測量的信號能量形式 ， 并由指針位移或數(shù)字形式顯示出來 。 在測量過程中 ． 由于所使用的測量工具本身不夠準(zhǔn)確 ， 觀測者的主觀性和周圍環(huán)境的影響等等 、 使得測量的結(jié)果不可能絕對準(zhǔn)確 。由儀表讀得的被測值與被測量真值之間 ， 總是存在 —定的差距 ， 這一差距就稱為測量誤差 。 測量誤差通常有兩種表示方法 ， 即絕對誤差和相對誤差 。 絕對誤差在理論上是指儀表指示值 xi和被測量的真值 xt之間的差值 ,可表示為： Δ=xi—xt (3—1) 所謂真值是指被測物理量客觀存在的真實數(shù)值 ， 它是無法得到的理論值 。 因此所謂測量儀表在其標(biāo)尺范圍內(nèi)各點讀數(shù)的絕對誤差 ，一般是指用被校表 (精確度較低 )和標(biāo)準(zhǔn)表 (精確度較高 )同時對同一被測量進(jìn)行測量所得到的兩個讀數(shù)之差 ， 可用下式表示： Δ=x—xo (3—2) 式中 Δ——絕對誤差； x——被校表的讀數(shù)值； xo——標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)值 。 測量誤差還可以用相對誤差來表示 。 相對誤差等于某一點的絕對誤差 Δ與標(biāo)準(zhǔn)表在這一點的指示值 xo之比 。 可表示為： 000 xxxxy???? （ 3—3） 式中 y——儀表在 xo處的相對誤差 。 二 、 儀表的性能指標(biāo) 1． 精確度 (簡稱精度 ) 儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點上是不相同的 ， 因此 ， 常說的 “ 絕對誤差 ” 指的是絕對誤差中的最大值 Δmax。 儀表的精確度不僅與絕對誤差有關(guān) ， 而且還與儀表的測量范圍有關(guān) 。 因此 ， 工業(yè)上經(jīng)常將絕村誤差折合成儀表測量范圍的百分?jǐn)?shù)表示 。 稱為相對百分誤差 δ， 即 儀表的測量范圍上限值與下限值之差 ， 稱為該儀表的量程 。 根據(jù)儀表的使用要求 ， 規(guī)定一個在正常情況下允許的最大誤差 ，這個允許的最大誤差就叫允許誤差 。 允許誤差一般用相對百分誤差來表示 ， 即某一臺儀表的允許誤差是指在規(guī)定的正常情況下允許的相對百分誤差的最大值 ， 即 儀表的 δ允越大 ， 表示它的精確度越低；反之 ， 儀表的 δ允越小 ，表示儀表的精確度越高 。 國家統(tǒng)一規(guī)定的儀表精確度 (精度 )等級：將儀表的允許相對百分誤差去掉 “ 177。 ”號及 “ ％ ” 號 ， 可以用來確定儀表的精確度等級 。目前 ， 我國生產(chǎn)的儀表常用的精確度等級有 ， ， ， ， ， ， ， 1. 5， ， 。 例 1 某臺測溫儀表的測溫范圍為 200一 700℃ ． 校驗該表時得到的最大絕對誤差為十 4 oC， 試確定該儀表的精度等級 。 解 該儀表的相對百分誤差為 如果將該儀表的 δ去掉 “ 十 ” 號與 “ ％ ” 號 ， 其數(shù)值為 。 由于國家規(guī)定的精度等級中沒有 ， 同時 ， 該儀表的誤差超過了 ， 所以 ， 這臺測溫儀表的精度等級為 。 例 2 某臺測溫儀表的測溫范圍為 0一 1000 oC。 根據(jù)工藝要求 ,溫度指示值的誤差不允許超過 177。 7 oC,試問應(yīng)如何選擇儀表的精度等級才能滿足工藝要求 ? 解 根據(jù)工藝上的要求 ， 儀表的允許誤差為 如果將儀表的允許誤差去掉 “ 177。 ”號與 “ ％ ” 號 。 其數(shù)值介于— 、 如果選擇精度等級為 ． 其允許的誤差為177。 ％ ， 超過了工藝上允許的數(shù)值 ， 故應(yīng)選擇 工藝要求 。 注意：儀表的允許誤差與工藝允許誤差之間的差別 。 ， 常用來作為標(biāo)準(zhǔn)表 ， 工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表 ，其精度大多是 。 2． 變差 變差是指在外界條件不變的情況下 ， 用同一儀表對被測量在儀表全部測量范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程 (即被測參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到小 )測量時 ， 被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的最大偏差 ， 如圖 3—1所示 。 造成變差的原因：傳動機(jī)構(gòu)間存在的間隙和摩擦力 、 彈性元件的彈性滯后等等 。 變差的大小 ， 用在同一被測參數(shù)值下 ， 正反行程間儀表指示值的最大絕對差值與儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)表示 ， 即 必須指出 ， 儀表的變差不能超出儀表的允許誤差 ， 否則 ， 否則應(yīng)及時檢修 。 3． 靈敏度與靈敏限 a) 儀表指針的線位移或角位移 ， 與引起這個位移的被測參數(shù)變化量之比值稱為儀表的靈敏度 ， 用公式表示如下： 式中 S——儀表的靈敏度； Δα——指針的線位移或角位移； Δx——引起 Δα所需的被測參數(shù)變化量 。 xS ??? ? (3—7) 所以儀表的靈敏度 ， 在數(shù)值上就等于單位被測參數(shù)變化量所引起的儀表指針移動的距離 (或轉(zhuǎn)角 )。 b) 儀表的靈敏限 ， 是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數(shù)的最小變化量 。 通常儀表靈敏限的數(shù)值應(yīng)不大于儀表允許絕對誤差的一半 。 值得注意的是 、 上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表 。 在數(shù)值式儀表中 ，往往用分辨力來表示儀表靈敏度 (或靈敏限 )的大小 。 4． 分辨力 對于數(shù)字式儀表 ， 分辨力是指數(shù)字顯示器的最未位數(shù)字間隔所代表的被測參數(shù)變化量 。 如數(shù)字電壓表顯示器末位一個數(shù)字所代表的輸入電壓值 。 顯然 ， 不同量程的分辨力是不同的 ， 相應(yīng)于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力 ， 也叫靈敏度 。 通常以最高分辨力作為數(shù)字電壓表分辨力指標(biāo) 。 當(dāng)數(shù)字式儀表的靈敏度用它與量程的相對值表示時 ， 便是分辨率 。分辨率與儀表的有效數(shù)字位數(shù)有關(guān) 。 如 —臺儀表的有效數(shù)字位數(shù)為三位 ， 其分辨率便為千分之一 。 5. 線性度 線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準(zhǔn)曲線與理論直線的吻臺程度 ， 如圖 3—2所示 。 線性度通常用實際測得的輸入 —輸出特件曲線 (稱為校準(zhǔn)曲線 )與理論直線之間的最大偏差與測量儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)表示 ， 即 6. 反應(yīng)時間 反應(yīng)時間就是用來衡量儀表能不能盡快反應(yīng)出參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo) 。 儀表的反應(yīng)時間有不同的表示方法 。 當(dāng)輸入信號突然變化一個數(shù)值后 ， 輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值 。 儀表的輸出信號 (即指示值 )由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的 63． 2％ 所用的時間 (相當(dāng)于時間常數(shù) T)， 可用來表示反應(yīng)時間 ， 也有用變化到新穩(wěn)態(tài)值的 95％所用的時間來表示反應(yīng)時間的 (相當(dāng)于 3T） 。 三 、 工業(yè)儀表的分類 1． 按儀表使用的能源分類 (1)電動儀表 電動儀表以電為能源 ， 信號之間聯(lián)系比較方便 ， 適宜于遠(yuǎn)距離傳送和集中控制；便于與計算機(jī)聯(lián)用；近年來 ， 電動儀表也可以做到防火 、 防爆 ， 更有利于電動儀表的安全使用 。 但電動儀表一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；易受溫度 、 濕度 、 電磁場 、 放射性等環(huán)境影響 。 (2)氣動儀表 氣動儀表的結(jié)構(gòu)比較簡單 、 直觀；工作比較可靠；對溫度 、 濕度 、 電磁場 、 放射性等環(huán)境影響的抗干擾能力較強(qiáng)；能防火 、 防爆；價格比較便宜 。 但氣動儀表信號傳遞速度慢 、 傳輸距離短 、 管線安裝與檢修不便 ， 不宜實現(xiàn)遠(yuǎn)距離大范圍的集中顯示與控制；與計算機(jī)聯(lián)用比較困難 。 2． 按信息的獲得 、 傳遞 、 反映和處理的過程分類 (1)檢測儀表 檢測儀表的主要作用是獲取信息 ， 并進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換 。 在生產(chǎn)過程中 ， 檢測儀表主要用來測量某些工藝參數(shù) ， 如溫度 、壓力 、 流量 、 物位以及物料的成分 、 物性等 ， 將被測參數(shù)的大小成比例地轉(zhuǎn)換成電的信號 (電壓 、 電流 、 頻率等 )或氣壓信號 。 (2)顯示儀表 顯示儀表的作用是將由檢測儀表獲得的信息顯示出來 ， 包括各種模擬量 、 數(shù)字量的電動 、 氣動指示儀 、 記錄儀和積算器 、 以及工業(yè)電視 、 圖象顯示器等 。 (3)集中控制裝置 包括各種巡回檢測儀 、 巡回控制儀 、 程序控制儀 、 數(shù)據(jù)處理機(jī) 、 電子計算機(jī)以及儀表控制盤和操作臺等 。 (4)控制儀表 控制儀表可以根據(jù)需要對輸入信號進(jìn)行各種運(yùn)算 ，例如放大 、 積分 、 微分等 。 控制儀表包括各種電動 、 氣動的控制器以及用來代替模擬控制儀表的微處理機(jī)等 。 (5)執(zhí)行器 執(zhí)行器可以接受控制儀表的輸出信號或直接來自操作人員的指令 ， 對生產(chǎn)過程進(jìn)行操作或控制 。 執(zhí)行器包括各種氣動 、電動 、 液動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥 。 上述各類儀表在信息傳遞過程中的關(guān)系可以用圖 3—3來表示 。 3． 按儀表的組成形式分類 (1)基地式儀表 這類儀表的特點是將測量 、 顯示 、 控制等各部分集中組裝在一個表殼里 、 形成一個整體 。 這種儀表比較適于在現(xiàn)場做就地檢測和控制 ， 但不能實現(xiàn)多種參數(shù)的集中顯示與控制 。 (2)單元組合儀表 將對參數(shù)的測量及其變送 、 顯示 、 控制等各部分 ， 分別制成能獨(dú)立工作的單元儀表 (簡稱單元 ， 例如變送單元 、 顯示單元 、 控制單元等 )。 這些單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號互相聯(lián)系 ，可以根據(jù)不同要求 ， 方便地將各單元任意組合成各種控制系統(tǒng) ， 適用性和靈活性都很好 。 化工生產(chǎn)中的單元組合儀表有電動單元組合儀表和氣動單元組合儀表兩種 。 國產(chǎn)的電動單元組合儀表以 “ 電 ” 、 “ 單 ” 、 “ 組 ” 三字的漢語拼音字頭為代號 ， 簡稱 DDZ儀表；同樣 ， 氣動單元組合儀表簡稱 QDZ儀表 。 本章將介紹幾個主要工藝參數(shù)的檢測方法及儀表 。 顯示儀表 、 控制儀表及執(zhí)行器將分別在第四 、 五 、 六章中介紹 。 第二節(jié) 壓力檢測及儀表 在工業(yè)生產(chǎn)過程中 ， 特別是在化工 、 煉油等生產(chǎn)過程中 ， 壓力是重要的操作參數(shù)之一 。 經(jīng)常會遇到壓力和真空度的測量 ， 其中包括比大氣壓力高很多的高壓 、 超高壓和比大氣壓力低很多的真空度的測量 。 如果壓力不符合要求 ， 不僅會影響生產(chǎn)效率 ， 降低產(chǎn)品質(zhì)量 ， 有時還會造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故 。 此外 ， 壓力測量的意義還不局限于它自身 ， 有些其他參數(shù)的測量 ，如物位 、 流量等往往是通過測量壓力或差壓來進(jìn)行的 ， 即測出了壓力或差壓 ， 便可確定物位或流量 。 一 、 壓力單位及測壓儀表 由于壓力是指均勻垂直地作用在單位面積上的力 ， 故可用下式表示： SFp ? (3—9) 式中 p表示壓力 ， F表示垂直作用力 ， S表示受力面積 。 根據(jù)國際單位制 (代號為 SI)規(guī)定 。 壓力的單位為帕斯卡 ， 簡稱帕（ Pa） , 1帕為 1牛頓每平方米 ， 即 1Pa＝ 1N/m2 (3—10) 帕所表示的壓力較小 。 工程上經(jīng)常使用兆帕 (MPa)。 帕與兆帕之間的關(guān)系為； 1MPa＝ l 106 Pa (3—11) 過去使用的壓力單位比較多 ， 根據(jù) 1984年 2月 27日國務(wù)院 “ 關(guān)于在我國