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第一章仪表概述•1.自动化仪表及其发展概况•自动化仪表作为一类专门的仪表，最早出现于上世纪40年代初，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表组装在一个表壳里的所谓“基地式”自动化仪表。随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展，人们发现基地式仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，制成若干种能独立完成一定职能的标准单元，各单元之间以规定的标准信号相互联系，这样，仪表的精度容易提高。在使用中可以根据需要，选择一定的单元，积木式地把仪表组合起来，构成各种复杂程度不同的自动控制系统。这种积木式的仪表就称为“单元组合式”仪表。•2.仪表的基本技术指标•自动化仪表和其它仪表一样，在保证可靠工作的前提下，有如下一些衡量其性能优劣的基本指标。•2.1精确度•任何仪表都有一定的误差。因此，使用仪表时必须先知道该仪表的精确程度，以便估计测量结果与真实值的差距，即估计测量值的误差大小。•模拟式仪表的精确度一般不宜用绝对误差（测量值与真实值的差）和相对误差（绝对误差与该点的真实值之比）来表示，因为前者不能体现对不同量程仪表的合理要求，后者很容易引起任何仪表都不可能相信的误解。例如，对一只满量程为100mA的电流表，在测量零电流时，由于机械摩擦使表针的示数略偏离零位而得到0.2mA的读数，若按上述相对误差的算法，那么该点的相对误差即为无穷大，似乎这个仪表是完全不能使用的；但在工程人员看来，这样的测量误差是很容易理解的，根本不值得大惊小怪，它可能还是一只比较精密的仪表呢！•模拟式仪表的合理精确度，应该以测量范围中最大的绝对误差和该仪表的测量范围之比来衡量，这种比值称为相对（于满量程的）百分误差。例如某温度计的刻度由-50℃到+150℃，即其测量范围为200℃，若在这个测量范围内，最大测量误差不超过3℃，则其相对百分误差σ为：•σ==1.5%•仪表工业规定，去掉上式中相对百分误差的“%”，称为仪表的精确度。它划分成若干等级，如0.1级，0.2级,0.5级,1.0级,1.5级,2.5级等。上述温度计的精确度即为1.5级。•仪表的误差还根据使用条件分为基本误差和附加误差两种。基本误差是指仪表在正常工作条件下的最大相对百分误差。若仪表不在规定的正常条件下工作，例如因周围温度、电源电压等偏高或偏低而引起的额外误差，称为附加误差。仪表的精确度等级都是根据其基本误差确定的•2.2灵敏度和灵敏限•灵敏度表示测量仪表对被测参数变化的敏感程度,常以仪表输出,例如指示装置的直线位移或角位移与引起此位移的被测参数变化量之比表示,即:•灵敏度=△a/△x•式中：，△a—仪表指示装置的直线位移或角位移；•△x—被测参数的变化值。•仪表的灵敏度可用增加放大系统的放大倍数来提高。但是，单纯提高仪表的灵敏度并不一定能提高仪表的精确度，例如，把一个电流表的指针接得很长，虽然可把直线位移的灵敏度提高，但其读数的精确度并不一定提高。相反，可能由于平衡状况变坏而精确度反而下降。为了防止这种虚假灵敏度，常规定仪表读数标尺的分格值不能小于仪表允许误差的绝对值。•仪表的灵敏限，是指仪表能感受并发生动作的输入量的最小值。•2.3变差•在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测参量进行反复测量（正行程和反行程）时，所产生的最大差值与测量范围之比称为变差。造成变差的原因很多，例如传动机构间存在的间隙和摩擦力，弹性元件的弹性滞后等。在设计和制造仪表时，必须尽量减少变差的数值。一个仪表的变差越小，其输出的重复性和稳定性越好。第二章常用检测仪表•各种不同的部门在实现自动化时需要检测的工艺参数种类很多。例如：在热工过程中，最常遇到的是温度、压力、流量、物位四种参数的检测问题；在化工过程中，除上述四大参数外，还常需进行成分分析和某些物理化学性质如密度、粘度、酸度等的测量；在冶金、钢铁、机械工业中则又需对某些机械参数如重量、力、加速度、位移、厚度等进行检测；在电厂中则还有频率、相位、功率因数等电工量需要测定等等。显然，要把所有的工艺参数检测方法都讨论是不可能的，下面将只对几种比较有普遍性的工艺参数进行示例性的讨论。通过一些典型例子，说明目前采用的主要检测手段和达到的技术水平，介绍组成检测仪表的基本原则和保证安全可靠工作的一般方法。•1.温度检测仪表•1.1温度基本概念•温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。•国际实用温标是一个国际协议性量标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。目前国际上通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的《1968年国际实用温标—1975年修订版》，记为：IPTS—68(Rev—75)。但由于IPTS—68温标存在一定的不足，国际计量委员会在18界国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过了1990年国际温标ITS—90，ITS—90温标替代IPTS—68。我国自1994年1月1日起全面实施ITS—90国际温际。•1.2温度的表示方法•●热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对0度，符号为K。它规定水的三相点热力学温度为273.15K。•●摄氏温标(℃)规定：在标准大气压下，冰的融点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为℃。•●华氏温标(T)规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为F。•1.3温度关系式•●摄氏温度=绝对温度－273.15•●华氏温度=9/5摄氏温度+32•●摄氏温度=5/9（华氏温度-32）•1.4测量温度的主要方法•温度是工业生产中最常见和最基本的工艺参数之一，任何化学反应或物理变化的进程都与温度密切相关，因此温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务之一。•测量温度的方法虽然很多，但从感受温度的途径来分，不外乎下面两大类：一类是接触式的，即通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度；另一类是非接触的，即通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度。•目前常见的接触式测量仪表有如下几种：•1.4.1膨胀式温度计•利用固体或液体热胀冷缩的特性测量温度。例如，常见的体温表便是液体膨胀式温度计；利用固体膨胀的，有根据热胀冷缩而使长度变化做成的杆式温度计和利用双金属片受热产生弯曲变形的双金属温度计。•1.4.2压力式温度计•它是根据密封在固定容器内的液体或气体，当温度变化时压力发生变化的特性，将温度的测量转化为压力的测量。它主要由两部分组成，一是温包，由盛液体或气体的感温固定容器构成；另一是反映压力变化的弹性元件。•1.4.3热电偶温度计•根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路时，若两个接点温度不同，回路中便出现毫伏级的热电势，这电势可准确反映温度。•1.4.4电阻式温度计•利用金属或半导体的电阻随温度变化的特性测量温度。•1.4.5非接触式测温仪表是根据物体发出的热辐射测量物体温度。常见的有根据物体在高温时发光亮度测定温度的光学高温计，以及将热辐射能量聚焦于感温元件上，再根据全频段辐射能的强弱测定温度的全辐射温度计。•非接触测温方法的优点是测量上限不受感温元件耐热程度的限制，因而最高可测温度原则上没有限制。事实上，目前对1800℃以上的高温，辐射温度计是唯一可用的测温仪表。近年来红外线测温技术的发展，使辐射测温方法由可见光向红外线扩展，对700℃以下不发射可见光的物体也能应用，使非接触测温下限向常温扩展，可用于低到0℃左右的温度测量，且分辨率很高。由于非接触测温仪表不需与被测物体进行传导热交换，因此不会因测量而改变原来的温度场，且测量速度快，可对运动物体进行测量。其缺点是对不同物体进行测量时，由于各种物体的辐射能力不同，必须根据物体不同的吸收系数对读数进行修正，一般误差较大。•1.5双金属温度计•在工业过程控制与技术测量过程中，由于双金属温度计结构简单、牢固、安全等特性，越来越广泛的应用于气体、液体及蒸汽的温度测量。•1.5.1测量原理•双金属温度计是由二种线膨胀系数不同的金属薄片叠焊在一起制成。若将双金属片一端固定，在其受热后由于二种金属片线膨胀系数不同而产生弯曲变形，弯曲的程度与温度高低成正比。•为提高仪表的灵敏度，工业上应用的双金属温度计是将双金属片制成螺旋状，一端固定在测量管下部，另一端为自由端，与插入螺旋形双金属片的中心轴焊接在一起。当被测温度发生变化时，双金属片自由端发生位移，使中心轴转动，经传动放大机构，由指针指示出被测温度值。双金属温度计•1.6热电偶•热电偶的原理可用图来说明。当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。•从物理上看，这一热电势主要是由接触电势组成的。当两种不同导体A、B接触时，由于两边的自由电子密度的不同，在交界面上产生电子的相互扩散。若A中自由电子密度大于B中的密度，那么在开始接触的瞬间，从A向B扩散的电子数目将比B向A扩散的多，使A失去较多的电子而带正电荷，相反，B带负电荷。致使在A、B接触处产生电场,以阻碍电子在B中的进一步积累,最后达到平衡。平衡时,在A、B两导体间的电位差称为接触电动势，其数值决定于两种材料的种类和接触点的温度。•图1-6.1表示的热电偶回路中，在温度不同的两个接点上，分别存在两个数值不同的接触电势eAB（T）及eAB(T0),回路中的总电势为•E(T，T0)=eAB（T）-eAB(T0)（1-1）•式中e的下标表示电势的方向，eAB表示由A到B的电势。•对一定的热电偶材料，若将一端温度T0维持恒定（这接点称为自由端或冷端），而将另一端插在需要测温的地方，则热电势E为测端温度T（这接点又称为工作端或热端）的单值函数，用电表或仪器测定此热电势的数值，便可确定被测温度T。图：1-6.1热电偶的原理图图1-6.2热电偶回路中插入第三种导体的情形•在实际使用热电偶测温时，总要在热电偶回路中插入测量仪表和使用各种导线进行连接，也就是说总要在热电偶回路中插入其它种类的导体。下面我们研究一下，插入另一种导体是否影响热电势的数值。在图中，除热电偶两种材料A、B外，又插入第三种导体C组成闭合回路，设A、B的接触温度为T，A、C和B、C两处接触点的温度为T0，则回路中总电数为•E=eAB（T）+eBC(T0)+eCA(T0)(1-2)•若各接点温度都相同，即T=T0，则由热力学第二定律可推断，此时总电势E必为零。因为如果有电势E存在，将必有电流流动，使回路中某一部分加热。在没有外界作功的条件下，这种热量自动由温度低处流向高处的现象是不可能发生的。•因此可写出：•eAB(T0)+eBC(T0)+eCA(T0)=0(1-3)•所以•eBC(T0)+eCA(T0)=-eAB(T0)(1-4)•代入式（1-2）得•E=eAB（T）-eAB(T0)•这仍然是式（1-1）的结果。由此可知，只要接入第三种导体的两个连接点温度相等，它的接入对回路电势毫无影响。这一结论在使用上有着重要的意义。据此，我们可放心地在回路中插入各种仪表和导线进行测量。•1.7热电阻•测量低于150℃的温度时，由于热电偶的电势较小，常使用金属电阻感温元件（简称热电阻）测量温度。测量精度比较高，在－200℃～＋500℃的温度范围内，获得极为广泛的应用。•热电阻测温仪表是根据金属导体的电阻随温度变化的特性进行测温的。例如，铜的电阻温度系数为4.25×10－3/℃，当温度由0℃上升到100℃时，铜电阻的阻值约增大42％。因此对确定的电阻，只要精确地测定其阻值的变化，便可知道温度的高低。•适合作电阻感温元件的材料应满足如下要求：电阻温度系数大，电阻与温度的关系线性度好，在测温范围内物理化学性能稳定。目前用得最多的是铂和铜两种材料，在低温及超低温测量中则使用铟电阻、锰电阻及碳电阻等。•铂电阻的特点是精度高，性能稳定