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。

2222d c f t εεεεε+++=辐射高温计原理：物体的辐射出射度与其温度的关系为M = εσT4对确定的物体，可近似认为其发射率ε为定值，那么M与T将呈单值对应关系，测出辐射出射度M与其发射率ε即可知其温度。

辐射高温计能连续自动测温。

组成：辐射高温计由辐射传感器和显示仪表组成，辐射传感器又由光学系统与辐射变换器两部分构成。

若温度为T的物体的辐射出射度与全辐射体在温度T0下的辐射出射度相等，则把全辐射体的温度Tp称为该物体的辐射温度。

影响辐射高温计测量精确度的主要因素如下：1）发射率ε的影响2）热电堆冷端温度的影响3）距离系数L／D的影响比色高温计原理：根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度。

温度为T的物体在波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值，与温度为Tc的全辐射体在同样的波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值如果相等，则把全辐射体的温度称为该物体的比色温度。

特点:它的测量准确度高，中间介质的影响小，可在恶劣环境下工作。

红外测温仪依据的是光谱辐射原理，以被测目标的红外辐射能量与温度成一定函数关系而制成的仪器。

由光学系统、红外探测器、信号处理放大部分及显示仪表和其他附属部分（包括目标瞄准器、供电电源与整体机械结构）等部分组成。

（四）压力测量绝对压力：以参考零点０所表示的压力称为绝对压力。

表压力：以大气压力为参考零点所表示压力称为表压力。

按压力表的工作原理可分为：液柱式压力计、弹性式压力计、物性式压力计、活塞式压力计等。

按压力表的功能可分为；指示式压力表、压力变送器。

液柱式压力计工作原理：液柱式压力计是利用一定高度的液柱所产生的压力平衡被测压力，而用相应的液柱高度去显示被测压力的。

有U形管压力计、单管压力计、多管压力计、斜管微压计、补偿式微压计、差动式微压计、钟罩式压力计、水银气压计等。

U形管压力计组成有三部分：U形的玻璃管、标尺及管内的工作液体(称为封液)。

单管压力计是由一个宽容器(杯形容器)、一支肘管、标尺、封液等构成的。

液体压力计的测量误差分析及其修正：1. 毛细现象2．温度变化对测量结果的影响与修正3．重力加速度对测量结果的影响与修正4．读数误差弹性式压力计特点：它的结构简单，使用操作方便，性能可靠，价格便宜，可以直接测量气体、油、水、蒸汽等介质的压力。

其测量范围很宽，可以从几十帕到数吉帕。

它可以测量正压、负压和差压。

分类：可分为机械弹性式压力计和弹性式压力变送器两类。

弹性式压力计主要由弹性元件、机械传动放大机构、指示机构、外壳、机座等部分构成。

弹性式压力计中的弹性元件主要有膜片、膜盒、弹簧管、波纹管等。

弹性元件的特性(1)蠕变和疲劳形变：弹性元件经过长时间的负荷作用，当负荷取消后，不能恢复原来的形态，这种特性称为弹性元件的蠕变。

(2)弹性迟滞：弹性元件在弹性范围内加负荷与减负荷时其弹性形变输出特性曲线不重合，这种特性称为弹性迟滞。

(3)弹性后效：当加在弹性元件上的负荷停止变化或被取消时，弹性元件的形变并不是立即就完成，而是要经过一定的时间才完成相应的形变，这种特性称为弹性后效。

（4）弹性特性（5）刚度和灵敏度（6）温度特性1151系列电容式压力(压差)变送器特点：它具有精确度高，性能稳定，单向过载保护性能好，调整方便，体积小，重量轻等一系列优点。