过程参数检测及仪表 常太华

（一）绪论

测量过程有三要素：一是测量单位；二是测量方法；三是测量工具。

测量的定义：测量是利用某种工具并以实验或计算的方法获取被测参数数值的过程。

绝对误差：仪表的测量值和真实值之间的代数差。

示值误差：示值误差是指仪表的某一个测量值（示值）的误差，它反映在该点仪表示值的准确性。

基本误差：在规定的正常工作条件下，仪表整个量程范围内各点示值误差中绝对值最大的误差称为仪表的基本误差。

允许误差：按计量部门的规定，仪表厂家保证某一类仪表的基本误差不超过某个规定的数值，此数值就被称为仪表的允许误差（容许误差）注意: 允许误差是一种极限误差，在仪表刻度范围内各点的示值误差均应保证小于至多等于允许误差值。

测量误差的来源有三个方面：测量仪器的精度，观测者技术水平，外界条件的影响。该三个方面条件相同的观测称为等精度测量。

精确度等级:以引用误差（γa）的形式表示的允许误差去掉百分号剩下的数值就称为仪表的精确度等级（或准确度等级），俗称精度级。

仪表的灵敏度：仪表的灵敏度是指其输出信号的变化值与对应的输入信号变化值的比值。线性度反映仪表的输入一输出特性曲线与选用的对比直线之间的偏离程度。线性度又称为非线性误差。# 输入量上升和下降时，同一输入量相应的两输出量平均值之间的最大偏差与量程之比的百分数称为仪表的回差。产生的原因：它通常是由于仪表运动系统的摩擦、间隙、弹性元件的弹性滞后等原因造成的。

分辨率反映仪表对输入量微小变化的反应能力。

重复性：同一工作条件下，按同一方向输入信号，并在全量程范围内多次变换信号时，对应同一输入值，仪表输出值的一致性成为重复性。

仪表的可靠性：保险期：仪表使用后能有效地完成规定任务的期限，超过了这一期限可靠性就逐渐降低。有效性：仪表在规定时间内能正常工作的概率。概率的大小取决于系统故障率的高低、发现故障的快慢和故障修复时间的长短。狭义可靠性：由结构可靠性和性能可靠性两部分组成。前者指仪表在工作时不出故障的概率，后者指仪表能满足原定要求的概率。定量描述检测仪表可靠性的度量指标有可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均故障修复时间等。

仪表的检定方法：（l）标准物质检定法：标准物质是指能提供某一种参数的标准量值的物质。用被检定仪表去测标准物质提供的标准量以确定其性能的方法就称为标准物质检定法。（2）示值比较检定法:这种方法是用标准表对被检定仪表进行检定。被检表和标准表同时测同一被测量，把标准表的示值当成真值（约定真值），比较二者的示值以确定被检仪表有关性能指标，这就是示值比较检定法。

(二)温度测量

定量地表示物体温度数值大小的尺度称为温度标尺，简称温标。建立温标（1）选定测温物质的性质；（2）定义固定点温度（3）确定内插仪器和公式，得到温度的单位。

热电偶测温特点：热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。

热电偶由两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成。A、B是热偶丝，也叫热电极。

放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。理论和实践都证实，热电现象中产生的热电势是由接触电势和温差电势两种电势的综合效果。

（1）热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。（2）如果保持热电偶冷端温度t0恒定不变，对一定材料的热电偶，其eAB（t0）亦为常数，设为C，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关，若测得EAB(t,t0) 值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即EAB(t,t0)=fAB(t) –C

热电偶的基本定律：1、均质导体定律：该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势2、中间导体定律：该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。3、中间温度定律：热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和，即EAB（t1，t3）＝EAB（t1，t2）＋EAB（t2，t3）

我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。

标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶。

非标准化热电偶是为适应更高或更低的温度以及特殊的介质气氛而出现的,它们没有统一的国家标准和统一的分度号。它们是标准化热电偶的补充。

对热电偶冷端温度进行处理的原因：热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，

热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。 常用的热电偶冷端温度处理办法：1、计算修正法2、仪表机械零点调整法3、恒温法：恒

温法分为冰点槽法和恒温箱法4、补偿电桥法（冷端补偿器）：补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。5、补偿导线法。

热电偶测温的误差分析（1）热电偶的分度误差（2）热电偶冷端温度补偿误差 3）显示仪表误差 （4）总误差

热电偶的校验： 一种是定点法，就是在国际温标规定的定点温度下进行校验。这种方法的特点是精确度高，但设备复杂、校验点数少，而且校验操作复杂。该方法只用于对高精确度的铂铑一铂热电偶的校验。另一种是比较法，它是广泛采用的方法，可用于实验室和工业用热电偶的校验。

热电阻测温特点:准确度高；在中低温下（ 500℃以下）测温, 它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。组成:由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘套管和保护套管等主要部件组成。

三线制接法（平衡） 热电阻引线的三线制

热电阻的误差分析（1）动态误差（2）连线电阻变化引起测量误差（3）热电阻通电发热引起误差（4）机械力带来的误差（5）氧化带来的误差(6) 淬火效应的误差

（三）非接触式测温 特点：不存在因接触传热而产生的测温传热误差；理论上讲，测温上限不受测温传感器材料的限制，可高达2000℃以上；动态性能好，反应快等,可测运动物体的温度。因低温下物体的辐射能力很弱，因此辐射式仪表多用来测700℃以上的高温。但用红外测量仪表，也可测低达100℃左右的温度。

光学高温计 理论依据：普朗克定律 由光学系统与电气系统两部分组成。光学系统包括物镜、目镜、灯泡、红色滤光片、灰色吸收玻璃等。电气系统包括灯泡、电源、调整电阻及测量线路。

如全辐射体的单色亮度与温度为T 的实际物体的单色亮度相等，则全辐射体的温度称为该实际物体的亮度温度，并以Ts 表示。

影响光学高温计测量精确度的因素比较多，主要有以下几个：1）发射率ελ的影响2）中间介质的影响

光电高温计由光学系统与测量、放大显示两大部分组成。

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