第 3章 过程参数的检测
概述
压力检测
温度检测
流量检测
物位检测
成分和物性参数的检测
软测量技术简介
3.1 概述检测过程与测量误差过程参数的一般检测原理变送器的基本特性和构成原理变送器的若干共性问题
3.1.1 检测过程与测量误差检测过程参数检测就是用专门的技术工具,依靠能量的变换,实验和计算找到被测量的值 。
被测变量 传感器参数检测的基本过程被测对象 变送器 显示装置传感器 又称为检测元件或敏感元件,它直接响应被测变量,经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号,如 mV,V,mA、
Ω,Hz,位移,力等等 。
由于传感器的输出信号种类很多,而且信号往往很微弱,一般都需要经过变送环节的进一步处理,把传感器的输出转换成如 0～ 10mA,4～ 20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号,这种检测仪表称为 变送器 。
有些时候,传感器可以不经过变送环节,直接通过显示装置把被测量显示出来 。
测量误差测量误差 —— 仪表测得的 测量值 与 被测真值 之差
ix tx it
xx
由于真值在理论上是无法真正被获取的,因此,测量误差就是指检测仪表 （ 精度较低 ） 和标准表 （ 精度较高 ） 在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的 2个读数之差 。 即：
0ixx
x0—— 标准表读数测量误差的几种表示形式,绝对误差 0ixx
实际相对误差 1 100%
tx
标称相对误差
2
0
100%x
相对百分误差 3
m a x m in
100%xx
检测仪表的主要性能指标仪表的精确度一台测量范围 0～ 1000kPa的压力测量仪表,其最大绝对误差 10kPa(在整个量程范围内 ),另一台测量范围 0～
400kPa的压力测量仪表,其最大绝对误差 5kPa,请问哪一台压力检测仪表的精度更高？
虽然后者的最大绝对误差较小,但这并不说明后者较前者精度高 。 在自动化仪表中,通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度,定义仪表的精度等级 。
由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，
因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差,
m a x
m a x m in
100%xx最大绝对误差 ＝量程仪表的 精度等级 （ 精确度等级 ）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。
检测仪表的主要性能指标
☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
仪表的精度等级 （ 精确度等级 ） 是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差 。 把仪表允许的最大相对百分误差去掉,±,号和,％,号,便可以用来确定仪表的精度等级 。
目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：
0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5，
4.0等。
所谓的 0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为 ± 0.5％，以此类推
1.51.0
仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 。
精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。
精度等级数值小于等于 0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于 0.5。
精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：
检测仪表的主要性能指标 ☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
例 1：某压力变送器测量范围为 0～ 400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误差为 — 5kPa，请确定该仪表的精度等级。
解：先求最大相对百分误差
5 *1 0 0 % 1,2 5 %
4 0 0 0?
去掉?和 %为 1.25，因此该变送器精度等级为 1.5级例 2,根据工艺要求选择一测量范围为 0~40m3/h的流量计，要求测量误差不超过?0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。
解：同样，先求最大相对百分误差
0,5 * 1 0 0 % 1,2 5 %
4 0 0?
因此该流量计必须选择 1.0级的流量计结论：
工艺要求得允许误差 ≥ 仪表的允许误差 ≥ 校验所得到的相对百分误差检测仪表的主要性能指标 ☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
例 3：某被测温度信号在 70～ 80℃ 范围内变化，工艺要求测量误差不超过
± 1％，现有两台温度测量仪表，精度等级均为 0.5级，其中一台仪表的测量范围是 0～ 100℃,另一台仪表的测量范围是 0～ 200℃,试问这两台仪表能否满足上述测量要求。
解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：
|△ max|＝ 70× 1％＝ 0.7℃
测量范围为 0～ 100℃ 的仪表的最大允许绝对误差为：
|△ max|1＝ 100× 0.5％＝ 0.5℃
测量范围为 0～ 200℃ 的仪表的最大允许绝对误差为：
|△ max|2＝ 200× 0.5％＝ 1.0℃
根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为 0.5级，但只有测量范围是 0～ 100℃ 的温度测量仪表才满足本题的测量要求。
检测仪表的主要性能指标非线性误差在通常情况下,总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系 。 测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度 。
通常非线性误差用实际测得的输入－输出特性曲线 （ 也称为校准曲线 ） 与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：
被测变量仪表输出理论实际
max
m a x 100
f?
测量范围上限－测量范围下限 ％
检测仪表的主要性能指标变 差在外界条件不变的情况下,使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程 （ 即逐渐由小到大和逐渐由大到小 ） 测量时,对应于同一被测值的仪表输出可能不等,二者之差的绝对值即为变差 。
被测变量仪表输出 下行程上行程
max
m a x 100
测量范围上限－测量范围下限变差 ％
变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示,
检测仪表的主要性能指标灵敏度和分辨力灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度,它是指仪表输出变化量和输入变化量之比,即灵敏度＝ Δy/Δx
分辨力又称为灵敏限,是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量,它也是灵敏度的一种反映 。 对数字式仪表来说,分辨力就是数字显示仪表变化一个 LSB（ 二进制最低有效位 ） 时输入的最小变化量 。
检测仪表的主要性能指标动态误差引起该误差的原因 是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的 。 衡量各种运动惯性的大小,以及能量传递的快慢常采用时间常数 T和传递滞后时间 （ 纯滞后时间 ） τ 两个参数表示 （ 这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数 T和纯滞后时间 τ 的数学含义是一致的 ）
相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。
动态误差 是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。
它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间 τ 的不利影响会远远超过时间常数 T的影响。
3.1.2 过程参数的一般检测原理参数检测离不开敏感元件 （ 传感器 ）,敏感元件是按照一定的原理把被测变量的信息转换成另一种可进行进一步处理或表示的信息 。
守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律,它包括 能量守恒,动量守恒等等 。 例如：孔板流量计,转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变化 (能量守恒 )来测量流体的流速 。
这个转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应,
场的定律如静电场,电磁场的感应定律,动力场的运动定律等等 。
典型例子：电容传感器 。
d
ε
SC
d
Ε -两平行板间物质的介电常数,S-板面积,d-两平行板之间的距离 。 如果把一个极板固定,把另一个极板与可产生位移的敏感元件相连,即可将敏感元件的位移转换成电容量的大小 。
过程参数的一般检测原理热电效应把两种不同的导体或者半导体连接成闭合的回路,如果将两个接点分别放置于不同的温度,则该回路内部会产生热电势,这种现象称为热电效应,
t0 t
A
B
利用导体的热电效应,可将两种不同的导体制成热电偶用于温度检测,这也是一种工业上普遍使用的温度检测方法之一 。
电阻的热效应电阻的热效应是指金属导体的电阻值随温度变化而发生变化的现象 。 通常,电阻值和温度之间可以建立如下的简化关系式
0 0[ 1 ( )]ttR R t t
Rt为温度 t时的电阻值,Rt0为温度 t0时的电阻值,α 为温度系数 。 可见,温度的变化可以导致电阻体的电阻发生变化,因此只要设法测量出电阻值的变化就可以达到测量温度的目的,
这也是另一种工业上普遍使用的温度检测方法 。
过程参数的一般检测原理压电效应 当某些材料受压发生机械形变时,在两个相对的面上会产生异号电荷 。 这种在没有外电场存在,由于形变引起的电现象称为压电效应 。
应变效应和压阻效应利用金属导体和半导体材料制成的电阻体,其阻值 R可以表示成
lR
A
可见，利用压电效应可进行力、压力的测量。
1.某压力测量仪表的测量范围是 0～ 1000KPa，根据工艺要求，压力测量的绝对误差不得超过 ± 8 KPa，
试问选择何种精度等级的压力检测仪表才能满足以上要求？
2.某测温仪表测温范围为 600～ 1100° C，已知其最大绝对误差为 ± 6° C,则其精度等级为多少？
3.采用移位寄存器设计一个周期为 31的 M序列。
并写出 M序列和它的自相关函数矩阵。
课堂作业电阻体的电阻值变化归结为两个因素：
由尺寸变化引起的 （ 如 l,A）,称为应变效应；
由电阻率变化引起的,称为压阻效应 。
对于金属材料,以前者为主；对于半导体材料,以后者为主 。
当电阻体材料的电阻率、长度或者截面积发生变化，可引起电阻体电阻值发生变化利用材料的应变效应和压阻效应制成的敏感元件可用于压力等参数的测量。
3.1.3 变送器的基本特性和构成原理传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下,把被测变量转化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号,如电压,电流,
电阻,频率,位移,力等等 。
但由于传感器的输出信号种类很多,而且信号往往十分微弱并伴有非线性,因此,除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外,多数情况下都要利用变送器来把 传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号,送到显示装置以指针,数字,曲线等形式把被测量显示出来,或者同时送到控制器对其实现控制 。
变送器基本的输入输出特性对于一个检测系统来说,传感器 和 变送器 可以是两个独立的环节,也可以是一个有机的整体 。
但是,变送器的输入输出特性通常是指包括敏感元件和变送环节的整体特性,原因：
一是人们往往更关心检测系统的输出与被测物理量之间的对应关系,
二是敏感元件的某些特性往往需要通过变送环节进行处理和补偿以提高测量精度,例如：线性化处理,环境温度的补偿等等 。
变送器基本的输入输出特性变送器的理想输入输出特性
ymin
ymax
0(xmin) xmax
y
x
xmax和 xmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值
ymax和 ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值对于 模拟式 变送器,
ymax和 ymin即为统一标准信号的上限值和下限值对于 智能式变送器：
ymax和 ymin即为输出数字信号范围的上限值和下限值
m i n
m a x m i n m i n
m a x m i n
()xxy y y y
xx
—— 模拟变送器的构成原理测量部分放大器 反馈部分
x 测量部分
Ki
模拟式 变送器的组成,
zi 放大器
Ko
y
反馈部分
Kf
zf
+
－
m i n
m a x m i n m i n
m a x m i n
()xxy y y yxx
零点调整零点迁移
+z0
关键环节,
m i ny K x y
当满足 KoKf>>1的条件时
ff
i
K
zx
K
Ky 0
y?
x K
i
zi K
o
y
Kfzf
+
－
+
z0
011
i o o
o f o f
K K Ky x z
K K K K
0
i o o
o f o f
K K Ky x z
K K K K
变送器的 输入输出关系
ff
i
K
zx
K
Ky 0
0
m in()
i
ff
Kzy x x
KK
0
m in()
ii
f f f
K z Ky x x
K K K
m in m a x[]x x x?,
如果,[ymin,ymax] 与 [xmin,xmax],如何调整？？
1.调整 Ki,Kf可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点
2.调整 z0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移
miny
i
f
Kyx
K
—— 数字式变送器的构成原理
x 检测元件 A/D转换 CPU 通信电路 数字信号存储器一般形式
x 检测元件 A/D转换 CPU
通信电路
FSK信号存储器
D/A转换
Frequency shift keying
采用 HART协议通信方式数字式 变送器软件部分 包括,
A/D采样程序量程转换程序工程量变换程序滤波 程序误差校正程序
D/A输出程序通讯 程序辅助功能程序数字变送器的 软件组成
3.1.4 变送器的一些共性问题零点调整和零点迁移线性化变送器信号传输方式量程调整
—— 量程调整量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率,也就是改变 变送器输出信号 y与输入信号 x之间的比例系数
x
y
xmin xmax
ymin
ymax
使变送器的输出信号上限值 ymax与测量范围的上限值 xmax相对应
—— 量程调整的方法改变反馈部分的反馈系数 Kf
改变测量部分转换系数 Ki
软件实现模拟式变送器数字式变送器
Kf ↑
Ki↑
量程量程
↑
↓
ff
i
K
zx
K
Ky 0
x
y
xmin xmax
ymin
ymax
—— 零点调整零点调整的方法
·模拟变送器,调 Z0
·数字变送器：软件使变送器的输出信号下限值 ymin与测量范围的下限值 xmin=0相对应
x
y
0 xmax
ymin
ymax
ff
i
K
zx
K
Ky 0
—— 零点迁移使变送器的输出信号下限值 ymia与测量范围的下限值 xmin相对应，
在 xmin=0时，称为零点调整，在 xmin≠0时，称为零点迁移当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；
当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移
·零点调整使变送器的测量起始点为零
·零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值,
xmin x
y
xmax
ymin
ymax
0 xmaxxmin xmax
零点迁移的方法
·模拟变送器,调 Z0
·数字变送器：软件
—— 线性化 原因,传 感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系模拟式变送器 非线性补偿方法,
1.使反馈部分与 传 感器组件 具有相同的非线性特性
2.使测量部分与 传 感器组件具有相反的非线性特性数字式变送器 非线性补偿方法,软件实现
—— 变送器信号传输气动变送器,
电动模拟式变送器,
HART通讯 协议方式数字式变送器,
两根气动管线（气源和信号）
二线制四线制双向 全数字量传输信号
(现场总线通信方式 )
二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流 信号二线制四线制 供电电源和输出信号分别用二根导线传输
RL四线制变送器
Io
电源二线制变送器 RL
E
r
r Io
电动模拟式变送器信号传输方式节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰二线制变送器的条件：
工作电流：
minII 0?
工作电压,
m i n 0 m a x m a x( 2 )TLV E I R
—— 二线制二线制优点：
目前大多数变送器均为二线制变送器二线制变送器
RL
E
r
r Io
+
VT
—
—— 数字 式变送器信号传输方式
HART（ Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种过渡性协议，它采用 FSK技术，在 4～ 20mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通讯能同时进行，即在一条电缆上同时传输 4～ 20mA的模拟信号和数字信号，互不干扰。我国目前工业现场中 4～ 20mA标准的模拟仪表仍大量存在,HART协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。
HART通讯协议,
物理层 数据链路层 应用层
HART通信协议是依照国际标准化组织 (ISO)的开放式系统互连 (OSI)参考模型，简化并引用其中三层：
这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由 Rosemount公司开发并得到 80多家著名仪表公司的支持,于 1 993年成立了 HART通信基金会。
物理层规定了信号的传输方法和传输介质传送速率为 1200 bit/s
FSK信号相位连续，均值＝ 0，则叠加上的信号对模拟信号没有影响信号传输,基于 Bell 202 通讯标准，采用频移键控 FSK方法，
在 4～ 20mA基础上叠加幅度为 ± 0.5mA的正弦调制波作为数字信号物理层传输介质,
单芯带屏蔽双绞电缆 3000米多芯带屏蔽双绞电缆 1500米短距离可使用非屏蔽电缆规定了数据帧的格式和数据通讯规程定界符定义了帧的类型和寻址格式地址有短格式 (1字节 )和长格式 (5字节 )
响应码在变送器向主设备通信时才有，表示数据通信状态和变送器工作状态数据帧 格式,由链路同步信息、寻址信息、用户信息及校验和组成校验和数据字节响应码字节长度命令号地址定界符链路同步码数据链路层供参考
HART协议按主 /从方式通讯即：只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息。
通信由主设备发起，即发出请求 (指令 )，被访问的从设备 (即现场仪表 )负责解析指令并返回对指令的响应。
HART的介质访问控制本质是上一种令牌总线技术，它的最大优点是保证数据在总线上传输时不发生冲突 (只是取得令牌，才有权发起通信 )，同时保证在限定时间内任一站点可以取得链路控制权。
HART的令牌是隐含的，即没有“令牌帧”的存在，而是定义了与令牌作用相似的时限 (定时 )规则。
供参考点对点模式 ---在一条电缆上 同时传输 4～ 20mADC的模拟信号和数字信号多点模式 ---一条电缆连接多个现场设备，这是 全数字通信模式阵发模式 ---允许总线上有一个从站自动、连续地发送标准的 HART响应信息有三种通讯模式：
从设备可以被主设备组态为阵发模式 (Burstmode)，即自动执行某一特定指令并给出响应无需得到请求，只有在此模式下从设备可以发起通信，
从而可能引起与主设备间对链路控制权的争用，否则从设备持续非活动
(等待 )状态，仅能对请求作出响应。同一链路上只能有一个阵发模式从设备与主设备，包括一个第一主设备和一个第二主设备，同时存在从 从 从 从 从主主第一 第二阵发逻辑环供参考第一主站可以是 DCS,PLC、基于计算机的控制或监测系统，
第二主站可以是手持终端，手持终端几乎可以连接在网络任何地方，在不影响第一主站通信的情况下与任何一个现场设备通信。
从 从 从 从 从主主第一 第二阵发逻辑环供参考规定了通讯命令的内容命令 类型：
通用命令通用操作命令特殊命令适用于所有符合 HART协议的现场仪表包括制造厂商和仪表类型、变量值和单位、阻尼时间、系列号等适用于大部分符合 HART协议的现场仪表包括读变量、改变上 /下限值、调零和调量程、仪表自检等各制造厂的产品自己所特有的命令用于对仪表中的专门参数或仪表的特有功能进行自由定义，如开始、结束或清累积，读写校正系数，使能 PID，改变给定值等应用层供参考
CPU DAC(AD421)
HART
MODEM
BELL 202
波形整形电路
HART通讯方式的实现方法
Io(4~20mA)
RL
E
带通滤波器
FSK
FSK 供参考被测参数 x经传感器组件，由 A/D转换器转换为数字信号送入微处理器中进行数据处理。存储器中除存放系统程序、功能模块和数据外，还存放传感器特性、
变送器的输入输出特性以及变送器的识别数据，用于变送器在信号转换时的各种补偿和零点与量程的调整。微处理器将数据处理后，再传送给 D/A转换器转换为
4～ 20mADC输出,D/A转换器还将通信电路送来的数字信号叠加在 4～ 20mADC上输出。通信电路对 4～ 20mADC回路进行监测，将其中叠加的数字信号转换为二进制数字信号后，再传送给微处理器。
输出波形整形电路：满足 HART物理层规范所要求的信号波形上升沿 /
下降沿的时间，较平缓的上升沿 /下降沿的时间可以降低与其它 HART网络间的串扰。
带通滤波器,抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为 1200 Hz～
2200Hz
CPU DAC(AD421)
HART
MODEM
BELL 202
波形整形电路
Io(4~20mA)
RL
E
带通滤波器
FSK
FSK
HART通讯模块
HART通讯模块实现 二进制的数字信号与 FSK信号之间的相互转换
HT2012是 SMAR公司专门为 HART产品而设计生产的通讯模块
HT2012功能 框图调制器解调器时基电路载波监测
ITXD
INRTS
460.8kHz
IRXA
OXTA
19.2kHz
ORXD
OCD
HT2012功能框图供参考
ITXD从 CPU异步串行输出口获得数字信号，经调制后在 OTXA输出
FSK信号,FSK信号经整形后加载到 4～ 20mA输出回路上。
调制器解调器
ITXD
IRXA
OXTA
ORXD
通过 IRXA获得 FSK信号,FSK信号经解调后在 ORXD输出数字信号，
ORXD直接与 CPU的异步串行输入口相连。
供参考
INRTS：调制、解调器的控制端
INRTS＝ 0时，调制器工作，解调器输出不定
INRTS＝ 1时，解调器工作，调制器输出呈高阻状态上述机制说明 HART是半双工的。
载波监测
INRTS 调制器解调器
ITXD
IRXA
OXTA
ORXD
OCD
OCD作为载波侦听输出，当存在数字信号时,OCD＝ 0，启动 CPU1
读取 ORXD处的解调信号供参考时基电路：产生调制、即跳起所需要的时钟信号同时还提供一路 19.2kHz的时钟输出时基电路
460.8kHz 19.2kHz
调制器解调器载波监测
ITXD
INRTS
IRXA
OXTA
ORXD
OCD
供参考调制器 ITXD,二进制数字信号输入
OXTA,FSK信号输出解调器 IRXA,FSK信号输入 (由信号回路 )
ORXD,二进制数字信号 输出
INRTS：控制端
,0”,调制器 工作，解调器输出不定；
,1”,解调器工作，调制器输出呈高阻状态。
载波监测电路用于检测 4～ 20mA直流 信号中是否叠加有数字信号,侦听网络和启动接收时基电路 产生调制器和解调器所需的时间基准信号，同时还提供
19.2kHz 的脉冲输出供参考
概述
压力检测
温度检测
流量检测
物位检测
成分和物性参数的检测
软测量技术简介
3.1 概述检测过程与测量误差过程参数的一般检测原理变送器的基本特性和构成原理变送器的若干共性问题
3.1.1 检测过程与测量误差检测过程参数检测就是用专门的技术工具,依靠能量的变换,实验和计算找到被测量的值 。
被测变量 传感器参数检测的基本过程被测对象 变送器 显示装置传感器 又称为检测元件或敏感元件,它直接响应被测变量,经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号,如 mV,V,mA、
Ω,Hz,位移,力等等 。
由于传感器的输出信号种类很多,而且信号往往很微弱,一般都需要经过变送环节的进一步处理,把传感器的输出转换成如 0～ 10mA,4～ 20mA等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号,这种检测仪表称为 变送器 。
有些时候,传感器可以不经过变送环节,直接通过显示装置把被测量显示出来 。
测量误差测量误差 —— 仪表测得的 测量值 与 被测真值 之差
ix tx it
xx
由于真值在理论上是无法真正被获取的,因此,测量误差就是指检测仪表 （ 精度较低 ） 和标准表 （ 精度较高 ） 在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的 2个读数之差 。 即：
0ixx
x0—— 标准表读数测量误差的几种表示形式,绝对误差 0ixx
实际相对误差 1 100%
tx
标称相对误差
2
0
100%x
相对百分误差 3
m a x m in
100%xx
检测仪表的主要性能指标仪表的精确度一台测量范围 0～ 1000kPa的压力测量仪表,其最大绝对误差 10kPa(在整个量程范围内 ),另一台测量范围 0～
400kPa的压力测量仪表,其最大绝对误差 5kPa,请问哪一台压力检测仪表的精度更高？
虽然后者的最大绝对误差较小,但这并不说明后者较前者精度高 。 在自动化仪表中,通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度,定义仪表的精度等级 。
由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，
因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差,
m a x
m a x m in
100%xx最大绝对误差 ＝量程仪表的 精度等级 （ 精确度等级 ）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。
检测仪表的主要性能指标
☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
仪表的精度等级 （ 精确度等级 ） 是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差 。 把仪表允许的最大相对百分误差去掉,±,号和,％,号,便可以用来确定仪表的精度等级 。
目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：
0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5，
4.0等。
所谓的 0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为 ± 0.5％，以此类推
1.51.0
仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 。
精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。
精度等级数值小于等于 0.05的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于 0.5。
精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：
检测仪表的主要性能指标 ☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
例 1：某压力变送器测量范围为 0～ 400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误差为 — 5kPa，请确定该仪表的精度等级。
解：先求最大相对百分误差
5 *1 0 0 % 1,2 5 %
4 0 0 0?
去掉?和 %为 1.25，因此该变送器精度等级为 1.5级例 2,根据工艺要求选择一测量范围为 0~40m3/h的流量计，要求测量误差不超过?0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。
解：同样，先求最大相对百分误差
0,5 * 1 0 0 % 1,2 5 %
4 0 0?
因此该流量计必须选择 1.0级的流量计结论：
工艺要求得允许误差 ≥ 仪表的允许误差 ≥ 校验所得到的相对百分误差检测仪表的主要性能指标 ☆☆ 仪表的精确度等级 ☆☆
例 3：某被测温度信号在 70～ 80℃ 范围内变化，工艺要求测量误差不超过
± 1％，现有两台温度测量仪表，精度等级均为 0.5级，其中一台仪表的测量范围是 0～ 100℃,另一台仪表的测量范围是 0～ 200℃,试问这两台仪表能否满足上述测量要求。
解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差为：
|△ max|＝ 70× 1％＝ 0.7℃
测量范围为 0～ 100℃ 的仪表的最大允许绝对误差为：
|△ max|1＝ 100× 0.5％＝ 0.5℃
测量范围为 0～ 200℃ 的仪表的最大允许绝对误差为：
|△ max|2＝ 200× 0.5％＝ 1.0℃
根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均为 0.5级，但只有测量范围是 0～ 100℃ 的温度测量仪表才满足本题的测量要求。
检测仪表的主要性能指标非线性误差在通常情况下,总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系 。 测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度 。
通常非线性误差用实际测得的输入－输出特性曲线 （ 也称为校准曲线 ） 与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：
被测变量仪表输出理论实际
max
m a x 100
f?
测量范围上限－测量范围下限 ％
检测仪表的主要性能指标变 差在外界条件不变的情况下,使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程 （ 即逐渐由小到大和逐渐由大到小 ） 测量时,对应于同一被测值的仪表输出可能不等,二者之差的绝对值即为变差 。
被测变量仪表输出 下行程上行程
max
m a x 100
测量范围上限－测量范围下限变差 ％
变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示,
检测仪表的主要性能指标灵敏度和分辨力灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度,它是指仪表输出变化量和输入变化量之比,即灵敏度＝ Δy/Δx
分辨力又称为灵敏限,是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量,它也是灵敏度的一种反映 。 对数字式仪表来说,分辨力就是数字显示仪表变化一个 LSB（ 二进制最低有效位 ） 时输入的最小变化量 。
检测仪表的主要性能指标动态误差引起该误差的原因 是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的 。 衡量各种运动惯性的大小,以及能量传递的快慢常采用时间常数 T和传递滞后时间 （ 纯滞后时间 ） τ 两个参数表示 （ 这两个参数的含义与上一章中对象数学模型中的时间常数 T和纯滞后时间 τ 的数学含义是一致的 ）
相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。
动态误差 是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。
它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间 τ 的不利影响会远远超过时间常数 T的影响。
3.1.2 过程参数的一般检测原理参数检测离不开敏感元件 （ 传感器 ）,敏感元件是按照一定的原理把被测变量的信息转换成另一种可进行进一步处理或表示的信息 。
守恒定律守恒定律是自然界最基本的定律,它包括 能量守恒,动量守恒等等 。 例如：孔板流量计,转子流量计等就是根据流体的动能和静压能之间的变化 (能量守恒 )来测量流体的流速 。
这个转换过程一般都是利用诸多的自然规律和基础效应,
场的定律如静电场,电磁场的感应定律,动力场的运动定律等等 。
典型例子：电容传感器 。
d
ε
SC
d
Ε -两平行板间物质的介电常数,S-板面积,d-两平行板之间的距离 。 如果把一个极板固定,把另一个极板与可产生位移的敏感元件相连,即可将敏感元件的位移转换成电容量的大小 。
过程参数的一般检测原理热电效应把两种不同的导体或者半导体连接成闭合的回路,如果将两个接点分别放置于不同的温度,则该回路内部会产生热电势,这种现象称为热电效应,
t0 t
A
B
利用导体的热电效应,可将两种不同的导体制成热电偶用于温度检测,这也是一种工业上普遍使用的温度检测方法之一 。
电阻的热效应电阻的热效应是指金属导体的电阻值随温度变化而发生变化的现象 。 通常,电阻值和温度之间可以建立如下的简化关系式
0 0[ 1 ( )]ttR R t t
Rt为温度 t时的电阻值,Rt0为温度 t0时的电阻值,α 为温度系数 。 可见,温度的变化可以导致电阻体的电阻发生变化,因此只要设法测量出电阻值的变化就可以达到测量温度的目的,
这也是另一种工业上普遍使用的温度检测方法 。
过程参数的一般检测原理压电效应 当某些材料受压发生机械形变时,在两个相对的面上会产生异号电荷 。 这种在没有外电场存在,由于形变引起的电现象称为压电效应 。
应变效应和压阻效应利用金属导体和半导体材料制成的电阻体,其阻值 R可以表示成
lR
A
可见，利用压电效应可进行力、压力的测量。
1.某压力测量仪表的测量范围是 0～ 1000KPa，根据工艺要求，压力测量的绝对误差不得超过 ± 8 KPa，
试问选择何种精度等级的压力检测仪表才能满足以上要求？
2.某测温仪表测温范围为 600～ 1100° C，已知其最大绝对误差为 ± 6° C,则其精度等级为多少？
3.采用移位寄存器设计一个周期为 31的 M序列。
并写出 M序列和它的自相关函数矩阵。
课堂作业电阻体的电阻值变化归结为两个因素：
由尺寸变化引起的 （ 如 l,A）,称为应变效应；
由电阻率变化引起的,称为压阻效应 。
对于金属材料,以前者为主；对于半导体材料,以后者为主 。
当电阻体材料的电阻率、长度或者截面积发生变化，可引起电阻体电阻值发生变化利用材料的应变效应和压阻效应制成的敏感元件可用于压力等参数的测量。
3.1.3 变送器的基本特性和构成原理传感器的作用是基于各种自然规律和基础效应的前提下,把被测变量转化为一个与之成对应关系的便于传送的输出信号,如电压,电流,
电阻,频率,位移,力等等 。
但由于传感器的输出信号种类很多,而且信号往往十分微弱并伴有非线性,因此,除了部分单纯以显示为目的的检测系统之外,多数情况下都要利用变送器来把 传感器的输出转换成遵循统一标准的模拟量或者数字量输出信号,送到显示装置以指针,数字,曲线等形式把被测量显示出来,或者同时送到控制器对其实现控制 。
变送器基本的输入输出特性对于一个检测系统来说,传感器 和 变送器 可以是两个独立的环节,也可以是一个有机的整体 。
但是,变送器的输入输出特性通常是指包括敏感元件和变送环节的整体特性,原因：
一是人们往往更关心检测系统的输出与被测物理量之间的对应关系,
二是敏感元件的某些特性往往需要通过变送环节进行处理和补偿以提高测量精度,例如：线性化处理,环境温度的补偿等等 。
变送器基本的输入输出特性变送器的理想输入输出特性
ymin
ymax
0(xmin) xmax
y
x
xmax和 xmin分别为变送器测量范围的上限值和下限值
ymax和 ymin分别为变送器输出信号的上限值和下限值对于 模拟式 变送器,
ymax和 ymin即为统一标准信号的上限值和下限值对于 智能式变送器：
ymax和 ymin即为输出数字信号范围的上限值和下限值
m i n
m a x m i n m i n
m a x m i n
()xxy y y y
xx
—— 模拟变送器的构成原理测量部分放大器 反馈部分
x 测量部分
Ki
模拟式 变送器的组成,
zi 放大器
Ko
y
反馈部分
Kf
zf
+
－
m i n
m a x m i n m i n
m a x m i n
()xxy y y yxx
零点调整零点迁移
+z0
关键环节,
m i ny K x y
当满足 KoKf>>1的条件时
ff
i
K
zx
K
Ky 0
y?
x K
i
zi K
o
y
Kfzf
+
－
+
z0
011
i o o
o f o f
K K Ky x z
K K K K
0
i o o
o f o f
K K Ky x z
K K K K
变送器的 输入输出关系
ff
i
K
zx
K
Ky 0
0
m in()
i
ff
Kzy x x
KK
0
m in()
ii
f f f
K z Ky x x
K K K
m in m a x[]x x x?,
如果,[ymin,ymax] 与 [xmin,xmax],如何调整？？
1.调整 Ki,Kf可以改变线性关系的斜率，调试会影响零点
2.调整 z0可以改变零点，同时也会引起线性关系的平移
miny
i
f
Kyx
K
—— 数字式变送器的构成原理
x 检测元件 A/D转换 CPU 通信电路 数字信号存储器一般形式
x 检测元件 A/D转换 CPU
通信电路
FSK信号存储器
D/A转换
Frequency shift keying
采用 HART协议通信方式数字式 变送器软件部分 包括,
A/D采样程序量程转换程序工程量变换程序滤波 程序误差校正程序
D/A输出程序通讯 程序辅助功能程序数字变送器的 软件组成
3.1.4 变送器的一些共性问题零点调整和零点迁移线性化变送器信号传输方式量程调整
—— 量程调整量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率,也就是改变 变送器输出信号 y与输入信号 x之间的比例系数
x
y
xmin xmax
ymin
ymax
使变送器的输出信号上限值 ymax与测量范围的上限值 xmax相对应
—— 量程调整的方法改变反馈部分的反馈系数 Kf
改变测量部分转换系数 Ki
软件实现模拟式变送器数字式变送器
Kf ↑
Ki↑
量程量程
↑
↓
ff
i
K
zx
K
Ky 0
x
y
xmin xmax
ymin
ymax
—— 零点调整零点调整的方法
·模拟变送器,调 Z0
·数字变送器：软件使变送器的输出信号下限值 ymin与测量范围的下限值 xmin=0相对应
x
y
0 xmax
ymin
ymax
ff
i
K
zx
K
Ky 0
—— 零点迁移使变送器的输出信号下限值 ymia与测量范围的下限值 xmin相对应，
在 xmin=0时，称为零点调整，在 xmin≠0时，称为零点迁移当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移；
当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移
·零点调整使变送器的测量起始点为零
·零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值,
xmin x
y
xmax
ymin
ymax
0 xmaxxmin xmax
零点迁移的方法
·模拟变送器,调 Z0
·数字变送器：软件
—— 线性化 原因,传 感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系模拟式变送器 非线性补偿方法,
1.使反馈部分与 传 感器组件 具有相同的非线性特性
2.使测量部分与 传 感器组件具有相反的非线性特性数字式变送器 非线性补偿方法,软件实现
—— 变送器信号传输气动变送器,
电动模拟式变送器,
HART通讯 协议方式数字式变送器,
两根气动管线（气源和信号）
二线制四线制双向 全数字量传输信号
(现场总线通信方式 )
二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流 信号二线制四线制 供电电源和输出信号分别用二根导线传输
RL四线制变送器
Io
电源二线制变送器 RL
E
r
r Io
电动模拟式变送器信号传输方式节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰二线制变送器的条件：
工作电流：
minII 0?
工作电压,
m i n 0 m a x m a x( 2 )TLV E I R
—— 二线制二线制优点：
目前大多数变送器均为二线制变送器二线制变送器
RL
E
r
r Io
+
VT
—
—— 数字 式变送器信号传输方式
HART（ Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种过渡性协议，它采用 FSK技术，在 4～ 20mA过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通讯能同时进行，即在一条电缆上同时传输 4～ 20mA的模拟信号和数字信号，互不干扰。我国目前工业现场中 4～ 20mA标准的模拟仪表仍大量存在,HART协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。
HART通讯协议,
物理层 数据链路层 应用层
HART通信协议是依照国际标准化组织 (ISO)的开放式系统互连 (OSI)参考模型，简化并引用其中三层：
这种被称为可寻址远程传感高速通道最早由 Rosemount公司开发并得到 80多家著名仪表公司的支持,于 1 993年成立了 HART通信基金会。
物理层规定了信号的传输方法和传输介质传送速率为 1200 bit/s
FSK信号相位连续，均值＝ 0，则叠加上的信号对模拟信号没有影响信号传输,基于 Bell 202 通讯标准，采用频移键控 FSK方法，
在 4～ 20mA基础上叠加幅度为 ± 0.5mA的正弦调制波作为数字信号物理层传输介质,
单芯带屏蔽双绞电缆 3000米多芯带屏蔽双绞电缆 1500米短距离可使用非屏蔽电缆规定了数据帧的格式和数据通讯规程定界符定义了帧的类型和寻址格式地址有短格式 (1字节 )和长格式 (5字节 )
响应码在变送器向主设备通信时才有，表示数据通信状态和变送器工作状态数据帧 格式,由链路同步信息、寻址信息、用户信息及校验和组成校验和数据字节响应码字节长度命令号地址定界符链路同步码数据链路层供参考
HART协议按主 /从方式通讯即：只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息。
通信由主设备发起，即发出请求 (指令 )，被访问的从设备 (即现场仪表 )负责解析指令并返回对指令的响应。
HART的介质访问控制本质是上一种令牌总线技术，它的最大优点是保证数据在总线上传输时不发生冲突 (只是取得令牌，才有权发起通信 )，同时保证在限定时间内任一站点可以取得链路控制权。
HART的令牌是隐含的，即没有“令牌帧”的存在，而是定义了与令牌作用相似的时限 (定时 )规则。
供参考点对点模式 ---在一条电缆上 同时传输 4～ 20mADC的模拟信号和数字信号多点模式 ---一条电缆连接多个现场设备，这是 全数字通信模式阵发模式 ---允许总线上有一个从站自动、连续地发送标准的 HART响应信息有三种通讯模式：
从设备可以被主设备组态为阵发模式 (Burstmode)，即自动执行某一特定指令并给出响应无需得到请求，只有在此模式下从设备可以发起通信，
从而可能引起与主设备间对链路控制权的争用，否则从设备持续非活动
(等待 )状态，仅能对请求作出响应。同一链路上只能有一个阵发模式从设备与主设备，包括一个第一主设备和一个第二主设备，同时存在从 从 从 从 从主主第一 第二阵发逻辑环供参考第一主站可以是 DCS,PLC、基于计算机的控制或监测系统，
第二主站可以是手持终端，手持终端几乎可以连接在网络任何地方，在不影响第一主站通信的情况下与任何一个现场设备通信。
从 从 从 从 从主主第一 第二阵发逻辑环供参考规定了通讯命令的内容命令 类型：
通用命令通用操作命令特殊命令适用于所有符合 HART协议的现场仪表包括制造厂商和仪表类型、变量值和单位、阻尼时间、系列号等适用于大部分符合 HART协议的现场仪表包括读变量、改变上 /下限值、调零和调量程、仪表自检等各制造厂的产品自己所特有的命令用于对仪表中的专门参数或仪表的特有功能进行自由定义，如开始、结束或清累积，读写校正系数，使能 PID，改变给定值等应用层供参考
CPU DAC(AD421)
HART
MODEM
BELL 202
波形整形电路
HART通讯方式的实现方法
Io(4~20mA)
RL
E
带通滤波器
FSK
FSK 供参考被测参数 x经传感器组件，由 A/D转换器转换为数字信号送入微处理器中进行数据处理。存储器中除存放系统程序、功能模块和数据外，还存放传感器特性、
变送器的输入输出特性以及变送器的识别数据，用于变送器在信号转换时的各种补偿和零点与量程的调整。微处理器将数据处理后，再传送给 D/A转换器转换为
4～ 20mADC输出,D/A转换器还将通信电路送来的数字信号叠加在 4～ 20mADC上输出。通信电路对 4～ 20mADC回路进行监测，将其中叠加的数字信号转换为二进制数字信号后，再传送给微处理器。
输出波形整形电路：满足 HART物理层规范所要求的信号波形上升沿 /
下降沿的时间，较平缓的上升沿 /下降沿的时间可以降低与其它 HART网络间的串扰。
带通滤波器,抑制接收信号中的感应噪声，其频宽大约为 1200 Hz～
2200Hz
CPU DAC(AD421)
HART
MODEM
BELL 202
波形整形电路
Io(4~20mA)
RL
E
带通滤波器
FSK
FSK
HART通讯模块
HART通讯模块实现 二进制的数字信号与 FSK信号之间的相互转换
HT2012是 SMAR公司专门为 HART产品而设计生产的通讯模块
HT2012功能 框图调制器解调器时基电路载波监测
ITXD
INRTS
460.8kHz
IRXA
OXTA
19.2kHz
ORXD
OCD
HT2012功能框图供参考
ITXD从 CPU异步串行输出口获得数字信号，经调制后在 OTXA输出
FSK信号,FSK信号经整形后加载到 4～ 20mA输出回路上。
调制器解调器
ITXD
IRXA
OXTA
ORXD
通过 IRXA获得 FSK信号,FSK信号经解调后在 ORXD输出数字信号，
ORXD直接与 CPU的异步串行输入口相连。
供参考
INRTS：调制、解调器的控制端
INRTS＝ 0时，调制器工作，解调器输出不定
INRTS＝ 1时，解调器工作，调制器输出呈高阻状态上述机制说明 HART是半双工的。
载波监测
INRTS 调制器解调器
ITXD
IRXA
OXTA
ORXD
OCD
OCD作为载波侦听输出，当存在数字信号时,OCD＝ 0，启动 CPU1
读取 ORXD处的解调信号供参考时基电路：产生调制、即跳起所需要的时钟信号同时还提供一路 19.2kHz的时钟输出时基电路
460.8kHz 19.2kHz
调制器解调器载波监测
ITXD
INRTS
IRXA
OXTA
ORXD
OCD
供参考调制器 ITXD,二进制数字信号输入
OXTA,FSK信号输出解调器 IRXA,FSK信号输入 (由信号回路 )
ORXD,二进制数字信号 输出
INRTS：控制端
,0”,调制器 工作，解调器输出不定；
,1”,解调器工作，调制器输出呈高阻状态。
载波监测电路用于检测 4～ 20mA直流 信号中是否叠加有数字信号,侦听网络和启动接收时基电路 产生调制器和解调器所需的时间基准信号，同时还提供
19.2kHz 的脉冲输出供参考
