第一章第二节检测仪表的分类和基本性能指标.ppt

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第二节检测仪表的分类和基本性能指标,一、检测仪表的分类二、检测仪表的基本性能指标,一、检测仪表的分类检测仪表按照技术特点或使用范围的不同有各种的分类方法，以下是常见的分类方法。

1按被测参数分类：

每个检测仪表一般被用来测量某个特定的参数。

根据这些被测参数的不同，检测仪表可分为:

温度检测仪表（简称温度仪表）、压力检测仪表、流量检测仪表、物位检测仪表等。

2按对被测参数的响应形式分类：

检测仪表可分为连续式检测仪表和开关式检测仪表（连续作用的检测仪表和位式作用的检测仪表）。

前者是指检测仪表的输出值随被测参数的变化按比例地连续改变。

开关式检测仪表是指在被测参数整个变化范围内其输出响应只有两种状态，这两种状态可以是电路的通或断，可以是电压或空气压力的高和低,3按仪表中使用的能源和主要信息的类型分类：

检测仪表可分为机械式仪表、电式仪表、气式仪表和光式仪表。

（1）机械式仪表一般不需要使用外部能源，通常利用敏感元件带动仪表的传动机构，使指针产生偏转，通过仪表盘上的刻度显示被测参数的大小。

这种仪表一般安装在现场，属就地显示式仪表。

（2）电式仪表又称电动仪表这类检测仪表用电源作为仪表能源，其输出信号也是电信号。

现在绝大部分使用的检测仪表都为电式仪表。

（3）气式仪表这类仪表多用压缩空气作为仪表的能源和信号的传递介质。

由于仪表中没有使用电源，这类仪表可以使用在周围环境有易燃易爆气体或粉尘的场所。

但是用压缩空气传递信号，滞后比较大,传递信号的气管路上的任何泄露或堵塞会导致信号的衰减或消失。

（4）光式仪表它是近年来发展起来的一种新型检测仪表，它不仅有气式仪表的优点，而且信号传递的速度非常快。

目前，光电结合形成了新的光电式仪表，它充分利用了光的良好的抗干扰和绝缘隔离能力，以及电的易放大和处理能力强的特点，实现仪表的信号处理、信号隔离、信号传输和信号显示。

4按是否具有远传功能分类：

检测仪表分为就地测量显示仪表和远传式仪表。

（1）就地测量显示仪表特点是显示装置与敏感元件不能分离，仪表不具有其他形式的输出功能。

（2）远传式仪表是指显示装置可以远离敏感元件。

在这种检测仪表中，对敏感元件输出的信息进行进一步的放大和转换，使之成为可以远传的信号。

远传信号的形式一般有空气压力、电压、电流、电抗、光强等。

随着科学技术的发展，远传信号还可以是无线的。

为了便于现场观察和维护，有些远传式的检测仪表不仅能将信号远传，在远距离显示被测参数值，而且在就地也有相应的显示装置。

5按信号的输出（显示）形式分类：

检测仪表可分为模拟式仪表和数字式仪表。

（1）模拟式仪表是指仪表的输出或显示是一个模拟量

（2）数字式仪表是指仪表的显示直接以数字（或数码）的形式给出，或是以二进制等编码形式输出和传输。

由于目前绝大多数的敏感元件、传感器都是模拟式的，所以在数字式仪表中一般要有模/数（A/D）转换器件，实现从模拟信号到数字信号的变换。

也有一些传感器的输出的直接是数字量，而不需要A/D转换。

例如，用来测风速的风速仪将风速转换成叶片的转动速度，而叶片每转动一周，风速仪就输出一个脉冲，其频率正比于风速的大小。

随着计算机技术的应用日益普遍，数字式仪表将增多。

另外，为了满足不同使用者的需要，有些仪表既有数字功能，同时又有模拟式仪表的功能。

例如，现在使用的很多变送器除了有现场数字显示（参数设定）功能外，它还能产生可以远传的420mA的模拟信号。

这类仪表一般也归到数字仪表，但严格说应该是数字-模拟混合型仪表。

20世纪90年代发展起来的总线式仪表被认为是全数字式的仪表。

6根据安装场所有无易燃易爆气体及危险程度，检测仪表分为普通型、隔爆型及本安型。

（1）普通型仪表不考虑防爆措施，只能用在非易燃易爆场所;

（2）隔爆型仪表在内部电路和周围易燃介质之间采取了隔爆措施，允许使用在有一定危险性的环境里;（3）本安型仪表依靠特殊设计的电路保证在正常工作及意外故障状态下均不会引起燃爆事故，可用在易燃易爆严重的场所。

对隔爆型和本安型仪表的具体要求以及相应的等级详见国家有关标准的规定。

7根据使用的对象，检测仪表有民用的、工业用的和军事用的。

（1）民用仪表一般在常温、常压下工作，对仪表的准确度要求较低。

（2）工业用仪表由于应用场合的不同，有耐高温仪表、耐腐蚀仪表、防水仪表等。

工业用仪表一般对仪表准确度和可靠性均有较高的要求。

（3）军事用仪表的性能有更高的要求，除了工业用仪表中要考虑的各种因素外，还要特别考虑仪表的抗振性能、抗电磁干扰的性能，另外还要求仪表有很高的可靠性和较短的响应时间。

8按仪表的结构方式分类，检测仪表可分为开环结构仪表和闭环结构仪表。

有的仪表是两种结构兼有。

作业一：

1、什么是敏感元件？

什么是传感器？

什么是变送器？

举例说明。

2、什么是位式作用的检测仪表？

什么是连续作用的检测仪表？

3、仪表的结构分为开环结构和闭环结构。

开环结构仪表和闭环结构仪表各有什么特点？

二、检测仪表的基本性能指标,

（一）上下切换值、切换中值及切换差

（二）测量范围、测量上下限和量程（三）精确度等级和相对百分误差（四）非线性误差（五）灵敏度和灵敏度限变差（六）死区（七）变差（八）可靠性（九）重复性误差和再现性误差（十）动态误差,评价检测仪表的指标较多，各种性能指标的重要程度随不同应用场合和不同的仪表而异，本节介绍如下一些重要概念和性能指标。

（一）上下切换值、切换中值及切换差,这些概念是针对位式作用仪表而言的。

上切换值在输入变量由小增大时，使输出信号状态改变的输入信号值。

下切换值在输入变量由大减小时，使输出信号状态改变的输入信号值。

切换中值上切换值和下切换值之间的中值。

切换差（差隙）上切换值和下切换值之间的代数差。

切换中值是位式作用仪表所在系统的控制目标值。

切换差越小意味着仪表越灵敏。

但在输入变量经常变动时，输出信号改变过分频繁也未必有利，应视具体情况选择切换差的大小。

引起切换差的原因：

传动机构的间隙、运动部件间的摩擦、磁性元件间的磁滞现象。

（二）测量范围、测量上下限和量程,测量范围对连续作用的检测仪表来说，能够按规定的精确度进行传感或变送的被测变量的范围。

测量范围的最低值和最高值分别叫做测量下限和测量上限，简称为下限和上限。

测量范围表示法：

下限值至上限值下限值上限值例如：

0至100或0100。

量程测量上限值和测量下限值的代数差。

测量范围为-50至+100时，量程为：

100-（-50）=150（）,（三）精确度等级和相对百分误差,测量值与真值接近的程度称为精度（精确度）。

任何仪表都无法准确测量被测量的“真值”，测量值和“真值”必然存在误差。

误差是评定精度的尺度，误差越小，说明精度越高。

绝对误差=被测值-真值，真值一般通过理论计算或用精确度更高的标准仪表获得（标准值或约定真值）。

相对误差=（绝对误差/标准值）100%仪表的精度通常用相对百分误差（又叫引用相对误差）的大小来衡量.=（绝对误差/量程）100%,精度等级：

检测仪表出厂时，都要标示精度等级。

它是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。

精度等级为仪表最大相对百分误差去掉后的数字经圆整后即为仪表的精度等级数。

按照国际法制计量组织（）建议书No.34的推荐，仪表精度等级采用以下数字：

110n、1.510n、1.610n、210n、2.510n、310n、410n、510n和610n，其中n=1、0、-1、-2、-3等。

上述数列中禁止同时选用1.510n和1.610n，310n也只有证明必要和合理时才选用。

精度等级代表着允许误差的大小，它决不意味着实际测量中出现的误差。

所谓1级表，就是该仪表允许的最大相对百分误差为1%，其余类推。

代表精度等级的数字越小，仪表的精度越高。

精度等级的一般表示方法。

有的仪表不在面板上标示精度等级，而是在说明书上给出在规定的使用条件下的基本误差的最大允许值和在特殊条件下的附加误差。

基本误差仪表在规定的正常工作条件下（例如周围介质温度、湿度、振动、电源电压等）所产生的误差。

一般用相对百分误差表示。

（举例）附加误差当仪表在偏离正常的条件下使用所产生的误差。

允许误差仪表在规定的正常工作条件下使用时允许出现的误差限值。

允许绝对误差=量程精度等级所示的相对百分误差。

允许的相对百分误差为精度等级所示的相对百分误差。

举例1有一台测温仪表，测量范围为0400，已知绝对误差最大值为tmax=5，则相对百分误差为：

=（tmax/400）100%=1.25%精度等级为1.5级举例2同一台测温仪表（与上例相同），测量范围改为0200，其它条件相同，则相对百分误差为：

=（tmax/200）100%=2.5%精度等级为2.5级可见，同一台仪表，绝对误差（最大值）相同时，仪表量程大时，精度高；量程小时，精度低。

举例3（选择题）：

1.5级的仪表精度等级可表示为：

A：

1.5级C：

B：

1.5级D：

举例4（选择题）：

仪表的精度级别指的是仪表的A：

误差B：

基本误差C：

最大误差D：

允许误差E：

基本误差的最大允许值,答案为E,答案为A、C、D,举例5：

什么叫精确度和精确度等级？

答案：

精确度指的是测量结果与实际值的一致程度。

精确度高意味着系统误差和随机误差都小。

精确度等级是仪表按精确度高低分成的等级，它决定了仪表在规定的使用条件下的误差限，也就是仪表基本误差的最大允许值。

（四）非线性误差,对于理论上输入输出特性为线性关系（即静态输入输出特性是线性特性）的仪表，在实际测量其输入输出特性曲线时，会得到如左图所示的结果。

图中max为实际值与理论值之间的绝对误差的最大值。

非线性误差=（max/量程）100%它是衡量仪表特性偏离线性程度的指标。

（五）灵敏度和灵敏限,灵敏度是表征测量仪表对被测参数变化的灵敏程度，是指仪表在稳态条件下输出变化对输入变化的比值，用S表示。

S=/X为仪表输出示值的变化量X为被测参数的变化量S是仪表静态特性曲线上的各点斜率，若输入输出特性为线性特性，S为常数，否则S为一变量，S是有量纲的。

灵敏限引起仪表示值可见变化的被测参数的最小变化量。

灵敏限又称为分辨率，它表示检测仪表（或系统）响应或分辨输入量微小变化的能力。

一般说来，仪表的灵敏限应不大于仪表允许绝对误差的一半。

对于数字仪表来说，它的大小等于最后一位的1个单位值；对于模拟仪表来讲，等于标尺最小刻度值的一半大小。

（六）死区,死区是指检测仪表的输入量（输入量很小时）的变化不致引起输出量可察觉的变化的有限区间，在这个区间内，仪表的灵敏度为零。

引起死区的原因主要有电路的偏置不当，机械传动中的摩擦和间隙等。

死区也叫“不灵敏区”，由于不灵敏区的存在，导致被测参数的有限变化不易被检测到。

但是，有时却故意要将仪表的死区适当调大，以防止仪表的输出随输入量的变化过大或过快。

（七）变差（回差）,仪表在外界条件不变的情况下，被测参数由小变大（正行程）测得的正向特性和被测参数由大变小（反行程）测得的反向特性的不一致程度用变差来衡量。

变差定义为同一被测变量下正反向特性间仪表指示值的最大差值与量程之比的百分数。

变差=（max/量程）100%在计算变差时，max要与量程的量纲要一致。

（尤其是当仪表的输入和输出的物理量不一样时）,仪表变差产生的原因：

传动机构的间隙、运动部件的摩擦、弹性元件的弹性滞后、磁性元件的磁滞现象。

变差和切换差有相似之处，切换差是位式作用的（开关式）仪表特性，变差是连续作用的（连续式）仪表的特性。

举例6：

在进行精度等级为0.5级温度变送器（输出电流为420mA）校验时，温度信号测量范围为0400，输入温度信号和输出电流信号的大小见下表。

请你计算实验结果的相对百分误差和变差，并说明该变送器是否合格。

在进行精度等级为0.5级温度变送器校验时，温度信号测量范围为0400，输入温度信号和输出电流信号的大小见下表。

请你计算实验结果的相对百分误差和变差，并说明该变送器是否合格。

（答案）该变送器不合格。

上一节讲的检测仪表的基本性能指标,

（一）上下切换值、切换中值及切换差

（二）测量范围、测量上下限和量程（三）精确度等级和相对百分误差（四）非线性误差（五）灵敏度和灵敏度限（六）死区（七）变差,（八）可靠性,可靠性是一门内容丰富的学科。

仪表的可靠性是仪表的很重要的性能指标，原因在于仪表在控制系统中起着重要的作用。

下面介绍衡量可靠性的几个指标。

可靠度：

举例说明，有100台同样类型的传感器，工作1000小时后，大约有99台仍能正常工作，这批产品工作1000小时后的可靠度就是99%。

平均故障间隔时间（MTBF-MeanTimeBetweenFailure）表示相邻两次故障间隔时间的平均值（用发生故障后再发生故障的平均间隔时间）。

该指标是针对可修复的仪表而言的。

平均无故障时间MTTF（MeanTimetoFailure）表示开始工作到发生故障前的平均时间，该指标是针对不可修复的仪表而言的。

对于可修复的仪表，用（MTTR-MeanTimetoRepair）代表平均修复时间，这个时间越长，化在维修上的时间越长，有效的使用时间就越短。

有效度：

用A表示A=MTBF/（MTTR+MTBF）例如有两台变送器:

第一台变送器的MTBF=2000h，MTTR=20h第二台变送器的MTBF=1000h，MTTR=5h计算得：

A1=0.99，A2=0.995，结果表明第二台变送器的有效度高，有效的使用时间长。

（九）重复性和再现性,重复性：

在相同测量条件下，对同一被测量，按同一方向（由小到大或由大到小）多次测量时，检测仪表提供相近输出值的能力称为检测仪表的重复性。

这些条件应包括相同的测量程序、相同的观察者、相同的测量设备、在相同的地点以及在短的时间内重复。

仪表的再现性是指在相同的测量条件下，在规定的相对较长的时间内，对同一被测量从两个方向（由小到大以及由大到小）上重复测量时，检测仪表的各输出值之间的一致程度。

仪表的重复性和再现性由全测量范围内对同一被测量重复测量中仪表输出值之间的最大差值与量程比的百分数来表示。

数值越小，说明仪表的质量越高，但并不意味着仪表的准确度高。

重复性和再现性的优良只是保证仪表准确度的必要条件。

重复性不包括回差，它是衡量仪表不受随机干扰的能力，而再现性包括了回差，也包括了重复性。

解答问题：

1右图是对同一台仪表，在相同条件下，多次检验所得的输入输出曲线。

请在图上象征性地标示出仪表的重复性误差和再现性误差。

解答问题1：

右图是对同一台仪表，在相同条件下，多次检验所得的输入输出曲线。

请在图上象征性地标示出仪表的重复性误差和再现性误差。

答案如下,再现性误差是包括重复性误差、滞环、死区和漂移的综合性指标。

解答问题2：

什么是仪表的滞环、死区和回差，它们之间有什么关系？

答：

仪表的滞环是由输入量值增大的上升段和减小的下降段构成的特性曲线所表征的现象，即仪表实际上升曲线和下降曲线不重合，而形成环状，称为滞环。

死区是输入量的变化不致引起输出量有任何可觉察的变化的有限区间。

死区用输入量程的百分数表示。

回差（变差）是当输入量上升和下降时，同一输入的两相应输出值间（若无其他规定，则指全范围行程）的最大差值。

回差包括滞环和死区，按输出量程的百分数表示。

解答问题3：

右图是根据仪表校验数据所画出的输入输出特性曲线。

请在图上象征性地标示出该仪表的滞环、死区和回差。

答：

如图所示，滞环为a+c段，用输出量程的百分数表示时为:

死区为d段，用输入量程的百分数表示时为:

回差为a+b+c段，用输出量程的百分数表示时为:

（十）动态误差,相对百分误差、非线性误差和变差都是指仪表在检测过程中仪表输出达到稳态后的误差，它们是稳态误差。

动态误差指检测系统中被测参数处于变动状态下，仪表示值跟不上与被测参数的变化所产生的误差。

动态误差产生的原因；测量元件和检测系统中各种运动惯性以及能量传递需要时间。

常用时间常数和传递滞后时间（纯滞后时间）来衡量运动惯性的大小以及能量传递的快慢。

时间常数：

当被测变量作阶跃变化后，仪表示值达到被测量变化值的63.2%时所需的时间。

见下页图。

纯滞后时间：

被测变量产生阶跃变化后，仪表示值在经过该段时间后才开始发生变化。

阻尼时间：

是指从给仪表突然输入其标尺一半的相应被测量值开始，到仪表示值与该被测量值之差为该标尺范围的1%时为止的时间间隔。

它反映了仪表示值跟随输入量变化从一个稳定工作点到另一个稳定工作点所需的时间长短。

当阻尼时间短时，仪表示值的稳定时间短，说明系统稳定性好。

作业二,1什么是仪表的灵敏度、灵敏限？

2一台电子自动电位差计，精度等级为0.5级，测量范围为0500，经校验发现其最大绝对误差为4，问该仪表合格吗？

应定为几级？

3量程为0.21.0MPa，精度为1.0级的压力表在规定工作条件下使用时在0.61.0MPa的范围内测量，实际测量结果最大可能的误差是多少？

如果仪表量程改为01.0MPa，精度等级和测量范围不变，其结果是否相同？

4现有一台精度等级为0.5级的测量仪表，测量范围为01000，在正常情况下进行校验，其绝对误差为6，求该仪表的最大引用误差、基本误差、允许误差，问该仪表的精度是否合格？

5一台精度为0.5级的电桥，下限刻度值为负值，为全量程的25%，该表允许绝对误差是1，试求该表刻度的上下限。

6有两台测温仪表，其测量范围分别为0800和6001100，已知其最大绝对误差均为6，试分别确定它们的精度等级。

7、有一块04Mpa，1.5级的普通弹簧管压力表，其校验结果如下：

计算变差和最大相对百分误差，并确定此表是否合格。