仪器仪表及自动化理论知识Word文档下载推荐.docx
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物理大气压等于水银密度为１３．５９５１克／ｊ米３，和重力加速度为９８０．６６５厘米/秒2时，高度为７６０ｍｍ的汞柱作用在底面上所产生的力。
四、压电效应、压磁效应、压电阻效应。
１、什么是压电效应？
当某些晶体受压发生机械变形时，在其相对的两个面上产异性电荷，这种没有外电场存在，由于变形而引起的电现象叫压电效应。
2、什么是压磁效应？
当铁磁物质受压后，不仅材料内部的机械应力随压力变化，而且材料的导磁系数也随之发生变化，这种现象称压磁效应。
３、什么是压电阻效应？
当半导体晶体受压时，会暂时改变晶体结构的对称性，从而改变了半导体的导电机构，表现为其电阻率的变化，这一效应称压电阻效应。
五、模拟显示仪表、数字显示仪表、图像显示仪表。
1、模拟显示仪表：
是以指针（记录笔）的偏转角或位移量来模拟显示被测参数的连续变化，缺点是传动机构多，精度低，速度慢。
模拟显示仪表有：
动圈显示仪表、自协平衡式显示仪表、自动平衡式显示仪表。
2、数字显示仪表：
直接从数字形式显示出被测参数值，精度高，速度快。
3、图象显示仪表：
用屏幕的方法直接用图形、字符、曲线以及数字等方式进行显示。
第二节常用仪表的测量工作原理及操作
一、概述
生产过程自动化系统包括工业电子计算机系统和常规模拟仪表系统。
它是伴随着科学技术的发展和工业生产过程的需要而迅速发展起来的新领域。
在工业生产过程中，自动化是保证生产稳产、高质、高产、低耗的必要条件，是提高劳动生产率的重要手段，是工业企业现代化的重要标志。
仪表和自动化技术的发展，经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展过程。
在许多生产过程中，管道和设备容器的环境往往是在高温、真空、深冷条件下，并在易燃、易爆、有腐蚀、有毒性的情况下进行连续操作的。
因此要把各项工艺参数维持在某一最佳范围内，就必须实现生产过程自动化。
仪表自动化在20世纪40年代开始出现，那时的仪表体积大，精度低。
随着科学技术的不断发展，生产向大规模、高效率、连续、综合性方面发展。
20世纪50年代开始采用0.02～0.1MPa统一气压信号的气动仪表和20～40mA直流信号的电动仪表，从而实现集中控制。
20世纪60年代后期、随着半导体和集成电路的进一步发展，开是出现了DDZ-Ⅰ、DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ仪表，仪表信号也由0～10mA、1～5V演变成现在的4～20mA的信号，传输方式由串联（电流传送、电流接收）演变成现在的并联（电流传送、电压接收），供电方式由AC220V单边供电演变成现在的DC24V集中供电，并有断电备用电源（UPS）。
以微处理器为基础的过程控制仪表，把自动化水平推到了一个更高的水平。
自动化内容包括：
自动检测、自动信号报警与联锁保护、自动操纵、自动控制（自动调节）。
其中自动检测和自动控制是核心部分，在生产中应用的最为广泛。
二、仪表常识
1、自控仪表的分类
由于自控仪表种类繁多，分类方法也较多，现按生产过程信息形成方式划分如下：
检测仪表：
利用声、光、电、磁、热辐射来实现工艺参数测量的仪表，是信息获得的工具，如传感器、变送器等。
主要基本量有温度、压力、流量、物位等。
转换器：
信息转换的工具，如放大、转换器、即电/气、气/电、模拟/数字、数字/模拟、电压/电流、光/电等转换器。
显示仪表：
显示被测参数数据信息的工具。
按显示方式可分为指示仪、记录仪、信号报警器；
按显示类别可分为模拟式显示、数字显示和字符图形显示三大类。
控制仪表：
信息处理的工具，如调节器、计算器、信号选择器、信号处理器、顺序控制器、批量控制器、输入输出装置等。
执行器：
是直接改变生产变量信息执行的工具。
执行器由执行机构和调节机构两部分组成，执行机构接受控制信号，并将信号转换成位移以驱动调节机构，按工作原理可分为气动执行机构、电动执行机构和液动执行机构三大类。
2、自动化设备一般具有的性能
计量方面：
计量方面的特性，如精度等级、复现性和漂移性等，这些指标会直接影响测量结果的准确性和精密性。
使用方面：
使用方面一般是指使用、操作、维护与检修是否方便，对安装条件和自动化水平情况有一定要求。
抗干扰能力和防护能力方面：
抗干扰能力的强弱直接影响到测量特性；
防护能力一般指自动化仪表设备的安全性、耐用性和可靠性。
从以下几方面考虑：
a、机械特性：
如振动、撞击、加速度和挤压等的承受能力。
b、电气特性：
如耐压、绝缘性、抗电气干扰的能力。
c、防辐射、防电磁场的性能。
d、防爆性能：
如使用在易燃易爆的环境中，是否有防护安全措施。
e、气象环保能力：
如灰尘、潮湿、腐蚀、霉蛀和温度波动等恶劣环境条件下的防护能力。
f、设备本身能量的消耗及被测对象能量的消耗，特别是被测能量消耗大时，会直接影响测量的精度。
3、仪表的品质指标
测量仪表的精确度：
精确度是用来表示仪表测量结果可靠程度的指标，它用引用误差来表示，这是因为精确度不仅与绝对误差值的大小有关，还与仪表的量程有关。
测量仪表的恒定度：
测量仪表的恒定度常用变差（又称回差）来表示。
指仪表在外界条件不变的情况下，用同一仪表对某一参数值进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，仪表正反行程指示值之间存在的差值，此差值即为变差，即
变差=最大绝对差值/（标尺上限值-标尺下限值）×
100%
造成变差的原因很多。
例如，传动机构的间隙、动件摩擦、弹性气件的弹性滞后的影响等。
变差值不能超过精度允许的误差范围，否则为超差仪表。
测量仪表的灵敏度（静态特性）：
灵敏度是表示仪表对被测量变化的灵敏程度，是仪表的静态特性。
当仪表到达稳定后，输出增量△Y（指针位移量）与输入增量△X（被测变量的变化量）之比来表示，即
灵敏度=△Y/△X
测量仪表的反应时间（动态特性）：
“时间常数”指在参数值做阶跃变化后仪表示值达到参数变化值63.2%所用的时间。
“阻尼时间”指仪表突然输入参数值到仪表增大值与输入值之差为该标尺范围±
1%为止的时间间隔。
漂移：
漂移一般发生在电动单元组合仪表或电子仪表中，指在保持一定输入信号的工作条件下，经过一段时间后输出的变化。
漂移越小越好，漂移发生在起始点，称为零点漂移。
4、仪表的静态特性
在稳定状态下，仪表的输出（如显示值）与输入量之间的关系为代数方程，不含时间变量，称为仪表的静态特性。
灵敏度：
表达测量仪表对被测量变化的灵敏程度。
灵敏限：
指能引起仪表输出变化（如指针动作）的被测量的最小（极限）变化量，又称分辨率。
线性度：
说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离理想线性刻度特性的程度。
变差：
在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某被测量进行正、反行程测量时，在通过仪表同一刻度时两次测量实际值之差，称为该仪表的示值变差。
三、测量仪表的工作原理
测量仪表根据被测参数的不同，其种类也很多，工业生产过程中常见的被测参数有温度、压力流量、液位、料位、湿度、浓度、位移、转速等。
其工作原理见图：
四、测量过程及误差
检测是指在生产过程中，为及时监视控制生产过程而对其中一些量进行的定性检查和定量测量和分析，也就是意义更为广泛的测量。
例如：
对蒸汽流量的测量，常用标准孔板发出差压信号输入差压变送器，转换成电量或气量信号，通过导线或压缩空气传输信号至显示仪表，显示被测流量值。
1、生产过程检测的特点
被测介质形态多样，有气态、液态、固态及混合态，并具有高温、高压、高黏度、高速度、强腐蚀、强辐射等特殊性质。
被测量的量值有恒定量、变化量，量值范围也十分广泛。
因此要求有多种检测原理和测量手段，如接触式、非接触式；
单参数或多参数；
好要有良好的静态特性和动态特性。
检测有断续进行的，也有长期连续进行的。
因此要求检测仪表有很高的再现性和可靠性。
检测环境一般都在工业现场，环境比较恶劣，存在着较多较大的干扰和影响，如电源电压、频率波动、温度、湿度、光照、辐射、烟雾、粉尘等，这些要求检测仪表有稳定的工作特性、高的抗干扰能力和相应的防护措施。
检测出来的信号要便于显示、记录、调节。
因此检测仪表常具有信号放大整流、微分、积分、模/数及数/模转换等环节。
2、检测系统的组成及特点
检测系统一般由检测元件、变送器（一次仪表）、显示仪表（二次仪表）信号传送线路和取源部件及辅助件组成。
检测元件如热电偶、节流装置、热电阻、浮子、探头等，直接影响被测变量，并转换成适于测量的信号形式的仪表。
变送器用以接受检测元件的信息，使之转换为电量或气体压力等信号，也可带刻度指针。
继电器也接受检测元件的信息，但只设电气接点装置，不带指示，不起变送作用。
显示仪表接受变送器的信号（有的直接接受检测元件的信息）转变成指示、记录笔、积算器的动作，或数字显示信息，用以反映被测量的数值。
有时，显示仪表还带有附加的电气接点装置，当被监视的参数偏离允许值时，能通过电气回路自动发出声、光信号或对其他设备起控制作用。
信号传送线路指测量装置的传递部分（如管、线、电缆），辅助件主要是完成检测工作所必须的附属装置、容器，如热电偶的冷端补偿器等。
取源部件是指与被测介质直接接触的取出装置，如温度计插座、取样装置、取压装置、平衡容器、冷却器等。
3、误差理论
1）误差
示值绝对误差：
仪表的示值（或测量值）与被测量的真值之间的代数差值称为指示值的绝对误差。
示值相对误差：
示值的绝对误差与被测量的真值之比，称为示值相对误差，常用百分数表示。
示值引用误差：
示值的绝对误差与该仪表的量程范围之比称为示值引用误差，以百分数表示。
仪表基本误差：
为了表征仪表的准确度采用了仪表的基本误差概念，仪表测量值中的最大示值绝对误差与仪表量程范围的比值，亦取仪表的诸示值引用误差中的最大值，称为仪表基本误差。
2）仪表的精度等级
仪表精度等级是衡量仪表测量示值准确程度的重要标志。
仪表出厂根据设计及制造质量的不同，要求基本误差都不超过某一规定值，此规定即为基本误差，基本误差去掉百分号的数值称为仪表的精度等级。
精度等级是由国家计量检定规程规定的，其序列为0.005、0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。
具体根据新检定规程的要求，规定工业用一般弹簧管式压力表精度等级为1.6，温度类仪表中热电阻和热电偶例外（按检定规程规定工业用热电阻精度等级分为A、B，工业用廉金属热电偶和贵金属热电偶精度等级分为Ⅰ等、Ⅱ等）
仪表精度是指仪表测量结果与约定真值间的一致程度，用来表示仪表测量结果可靠程度的指示。
它用引用误差（即相对百分误差或允许误差）表示。
准确度高，意味着系统误差和随机误差都很小。
精度=（测量值-约定真值）/（标尺上限值-标尺下限值）×
100%或
精度=（绝对误差/测量范围）×
式中约定真值也就是标准器示值。
通常用精度等级表示仪表的精确程度，精度等级决定仪表在规定的标准条件下允许的最大基本误差的百分数。
在仪表调试中，仪表精度是作为仪表的一个重要指标来检查和调整的。
【例】一台测温仪表测量范围是600～1100℃。
其绝对误差是±
6℃，此表的精度等级计算：
6/（1100-600）×
100%=1.2%则仪表精度等级应是1.5级。
五、压力测量
1、概述
压力是连续生产过程的重要工艺参数。
例如在化工生产上，压力往往决定化学反应的方向和速率。
此外，压力测量的意义还不局限于它自身，所以压力的测量在自动化过程中具有特殊的地位。
物理上把单位面积上所受的作用力叫做压强，而把某一面积所受力的总和称之为压力。
2、压力单位
工程上，过去常用kgf/cm2作为压力单位，称为工程大气压（at），此外，有些场合还使用毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）、磅/英寸2（1b/in2）、巴（bar）、标准大气压（atm）、Psi、帕斯卡（N/m2）。
压力单位及其它非法定计量单位的换算关系：
1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8×
104Pa
1mH2O（米水柱）=9.8×
103Pa
1mmHg（毫米汞柱）=1.33×
102Pa
1bar（巴）=105Pa≈1.02kgf/cm2
1000KPa=145psi
3、压力表示方法
压力表示方法有两种：
绝对压力和相对压力
绝对压力是以绝对真空作为基准所表示的压力。
相对压力是以大气压力作为基准所表示的压力。
a、由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压，绝对压力与相对压力的关系为：
绝对压力=相对压力+大气压力
b、如果液体中某点处的绝对压力小于大气压，这时在这个点上的绝对压力比大气压小的部分数值称为真空度。
即
真空度=大气压力-绝对压力
绝对压力、相对压力及真空度的相对关系如图：
4、压力检测仪表类型
压力检测仪表的分类：
按其作用原理可分为液柱式、弹性式、电气式及活塞式四大类。
液柱式压力计
主要特征及优缺点
a、按其工作原理和结构形式不同，可分为U型管式、倾斜式、杯式和补偿式等。
b、结构简单、使用方便
c、测量精度受工作液毛细管作用、密度及视差等因素影响。
d、若工作液是水银，则容易引起水银中毒。
e、测量范围较窄，只能测量低压和微压。
主要用途
用来测量低压力及真空度，或作标准计量仪器。
活塞式压力计
a、按其活塞的形式不同，可分为单活塞式和双活塞式两种。
b、测量精度很高，可达0.05%～0.02%
c、测量精度受浮力、温度和重力加速度的影响，故使用时需做修正。
d、结构较复杂，价格较贵。
用来检测低一级的活塞式压力计或检验精密压力表。
是一种主要的压力标准计量仪器。
弹性式压力计
a、按其弹性元件的不同，可分为弹簧管式（包括单圈和多圈）、膜片式、膜盒式、波纹管式。
b、使用范围广，测量范围宽（可以测量真空度、微压、低压、中压、高压）。
c、结构简单、价格低廉、使用方便。
用来测量压力及真空度，可以就地显示也可以远传、集中控制、记录、报警。
若采取膜片式或隔膜式结构可测量易结晶及腐蚀性介质的压力或真空度。
电气式压力计
a、按其作用原理不同可分为电位器式、应变片式、电感式、电容式、霍尔片式、振频式、压阻式、压电式。
b、输出信号根据不同的形式可以是电阻、电流、电压、频率。
c、输出信号需要通过测量线路或信号处理装置。
多用于压力信号的远传、发信或集中控制，广泛用于工业自动化和化工生产过程中。
六、物位测量
工业生产中常遇到料仓、罐、塔和槽等容器中的固定料位的测量和液体液位的测量，总称之为物位测量技术。
物位的测量方法很多，仪表种类也很多。
2、物位测量仪表的测量方法、分类及作用原理
浮子式液位计是利用浮子比重比所测量液体小，能使浮子漂浮在液面上并随液面升降测量液位。
浮子式液位计是应用最早的一类液位测量仪表，由于结构简单，价格便宜，至今仍有广泛的应用。
这类仪表可分为两中情况：
一种是测量过程中浮力维持不变的；
另一种浮力是变化的，根据浮筒在液体内所受的浮力不同浸没的程度不同来测量液位的高低。
静压式液位计是利用液柱高度与产生静压力成正比，测量该点的静压力可知液位高低。
静压式液位计分为压力式和差压式两种。
电容式物位计是将物位的变化转化成电容量的变化，来测量液体液位和固体料位。
在电容器的极板间充以不同的介质时，由于介电系数的差别，电容量也会不同。
超声波式物位计是利用超声波发射到液体或物料表面后产生反射、反射回波被声换能器接收。
将发射到接收时间间隔乘以声速求得高度，来测量液体液位和固体料位。
除此之外，还有核辐射式、光学式、称重式、重锤式、旋转翼板式、音叉式、吹气式、微波式、电阻式等物位测量仪表。
3、几种液位界面测量仪表特点及原理
类别
适用对象
测量方式
使用特性
安装方式
原理
直读式
玻璃板式
液位
连续
直观
侧面
利用连通器液柱静压平衡原理，液位高度由标尺读出
差压式
压力式
液位料位
用于大量程开口容器
侧面底面
液体静压力与液面高度成正比
差压式
液位界面
法兰式可用于粘性液体
容器液位与相通的差压计正负压室压力差相等
浮力式
浮子式
定点连续
受外界影响小
基于液体的浮力使浮子随液位变化而上升或下降、实现液位测量
翻板式
指示醒目
侧面弯通管
由连通管组件、浮子和翻板指示装置组成，装有永久磁铁
沉筒式
内外浮筒
测量用沉筒沉入介质中，当液位变化，沉筒位移变化，实现液位测量
压力变送器测量原理及操作。
原理：
薄膜金属应变测量元件。
操作：
在连线时，注意接线的正负极。
在使用时应缓慢的打开手阀，避免对膜盒的瞬间冲击，检查仪表接口有无泄露，以免引起测量误差。
在拆下时，应先关闭手阀，在确定手阀以关闭的情况下，缓慢的卸表，边卸边晃动变送器，以便放出剩余气体。
差压式液位计的工作原理。
充硅油的测量盒的膜片经两个偶合管脚联合，差压经操作棒造成一种引起扭曲杆变形的力，扭曲杆被放在薄膜式应变电阻被排列成为一惠斯登电桥以将压差转换为一均衡的电压信号。
电子放大器将测量室的信号转换为二线制4--20mADC输出信号并且可提供惠斯登电桥。
在使用时，应先打开变送器的平衡阀，关闭高低压室的手阀，打开高低压室引压管线上的手阀，缓慢的打开高低压室的手阀，然后关闭平衡手阀即可。
差压变送器的工作原理
智能型DMU压差变送器：
七、温度测量
温度测量仪表是测量物体冷热程度的工业自动化仪表。
1709年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰点为32度、沸点为212度、中间分为180度的水银温度计，即至今仍沿用的华氏温度计。
1742年，瑞典的摄尔西乌斯制成另一种水银温度计，它以水的冰点为100度、沸点作为0度。
到1745年，瑞典的林奈将这两个固定点颠倒过来，这种温度计就是至今仍沿用的摄氏温度计。
早在1735年，就有人尝试利用金属棒受热膨胀的原理，制造温度计，到18世纪末，出现了双金属温度计；
1802年，查理斯定律确立之后，气体温度计也随之得到改进和发展，其精确度和测温范围都超过了水银温度计。
1821年，德国的塞贝克发现热电效应；
同年，英国的戴维发现金属电阻随温度变化的规律，这以后就出现了热电偶温度计和热电阻温度计。
1876年，德国的西门子制造出第一支铂电阻温度计。
辐射温度计和光学高温计是20世纪初，维思定律和普朗克定律出现以后，才真正得到实用。
从60年代开始，由于红外技术和电子技术的发展，出现了利用各种新型光敏或热敏检测元件的辐射温度计（包括红外辐射温度计），从而扩大了它的应用领域。
各种温度计产生的同时就规定了各自的分度方法，也就出现了各种温标，如原始的摄氏温标、华氏温标、气体温度计温标和铂电阻温标等。
为了统一温度的量值，以达到国际通用的目的，国际权度局最早规定以玻璃水银温度计为基准仪表，统一用摄氏温标。
后经数次改革，到1927年改用以热力学温度为基础、以纯物质的相变点为定义固定点的国际温标，以后又经多次修改完善。
一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。
在简单的温度测量仪表中，这两部分是连成一体的，如水银温度计；
在较复杂的仪表中则分成两个独立的部分，中间用导线联接，如热电偶或热电阻是检测部分，而与之相配的指示和记录仪表是显示部分。
2、温度测量仪表的测量原理及分类
按测量方式，温度测量仪表可分为接触式和非接触式两大类。
测量时，其检测部分直接与被测介质相接触的为接触式温度测量仪表；
非接触温度测量仪表在测量时，温度测量仪表的检测部分不必与被测介质直接接触，因此可测运动物体的温度。
例如常用的光学高温计、辐射温度计和比色温度计，都是利用物体发射的热辐射能随温度变化的原理制成的辐射式温度计。
1）便携式红外测温仪
由于电子器件的发展，便携式数字温度计已逐渐得到应用。
它配有各种样式的热电偶和热电阻探头，使用比较方便灵活。
便携式红外辐射温度计的发展也很迅速，装有微处理器的便携式红外辐射温度计具有存贮计算功能，能显示一个被测表面的多处温度，或一个点温度的多次测量的平均温度、最高温度和最低温度等。
2）热电偶
热电偶测量原理及操作。
两块不同的金属一头连接在一起，另两头之间就有电势差并且在一定的范围内其电势差与温度存在线性关系。
采用两线制，检查时，检测其阻值因很小。
工业用热电偶作为温度测量仪表，通常用来和显示仪、记录仪等配套使用，以直接测量各种生产过程中从0℃至+1800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。
3）热电阻
热电阻测量原理及操作。
利用热敏电阻在一定温度范围内，电阻值与温度值存在线性关系的测温原理。
常见的热电阻有：
铂电阻、铜电阻、锰电阻、碳电阻。
热电阻在测量传送电阻信号时，采用的三线制，这是为了在传送时，减少因导线阻值而引起的测量误差。
检查其阻值时，要注意哪两根线为公用线。
工业用热电阻作为温度测量仪表，通常用来和显示仪、调节仪等配套使用，直接测量各种生产过程中从-200℃～+500℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。
4）温度变送器
温度变送器是现场安装式温变送单元，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构，也
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