第一節　概　　述

一、測量過程與測量誤差

在生產過程中需要測量的參數是多種多樣的，相應的檢測方法及儀表的結構原理也各不相同，但從測量過程的實質來看，卻都有相同之處。測量過程在實質上都是將被測參數與其相應的測量單位進行比較的過程，而測量儀表就是實現這種比較的工具。各種測量儀表不論采用哪一種原理，它們都是要將被測參數經過一次或多次的信號能量的轉換，最后獲得一種便于測量的信號能量形式，并由指針位移或數字形式顯示出來。例如各種爐溫的測量，常常是利用熱電偶的熱電效應，把被測溫度轉換成直流毫伏信號（電能），然后變為毫伏測量儀表上的指針位移，并與溫度標尺相比較而顯示出被測溫度的數值。

在測量過程中，由于所使用的測量工具本身不夠準確，觀測者的主觀性和周圍環境的影響等等，使得測量的結果不可能絕對準確。由儀表讀得的被測值與被測量真值之間，總是存在一定的差距，這一差距就稱為測量誤差。

測量誤差通常有兩種表示方法，即絕對誤差和相對誤差。

絕對誤差在理論上是指儀表指示值x_i和被測量的真值x_t之間的差值，可表示為

Δ=x_i-x_t　　（3-1）

所謂真值是指被測物理量客觀存在的真實數值，它是無法得到的理論值。因此，所謂測量儀表在其標尺范圍內各點讀數的絕對誤差，一般是指用被校表（精確度較低）和標準表（精確度較高）同時對同一被測量進行測量所得到的兩個讀數之差，可用下式表示

Δ=x-x₀　　（3-2）

式中，Δ為絕對誤差；x為被校表的讀數值；x₀為標準表的讀數值。

測量誤差還可以用相對誤差來表示。相對誤差等于某一點的絕對誤差Δ與標準表在這一點的指示值x₀之比。可表示為

　　（3-3）

式中，y為儀表在x₀處的相對誤差。

二、儀表的性能指標

一臺儀表性能的優劣，在工程上可用如下指標來衡量。

1.精確度（簡稱精度）

任何測量過程都存在一定的誤差，因此使用測量儀表時必須知道該儀表的精確程度，以便估計測量結果與真實值的差距，即估計測量值的誤差大小。

前面已經提到，儀表的測量誤差可以用絕對誤差Δ來表示。但是，必須指出，儀表的絕對誤差在測量范圍內的各點上是不相同的。因此，常說的“絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大值Δ_max。

事實上，儀表的精確度不僅與絕對誤差有關，而且還與儀表的測量范圍有關。例如，兩臺測量范圍不同的儀表，如果它們的絕對誤差相等的話，測量范圍大的儀表精確度較測量范圍小的為高。因此，工業上經常將絕對誤差折合成儀表測量范圍的百分數表示，稱為相對百分誤差δ，即

　　（3-4）

儀表的測量范圍上限值與下限值之差，稱為該儀表的量程。

根據儀表的使用要求，規定一個在正常情況下允許的最大誤差，這個允許的最大誤差就叫允許誤差。允許誤差一般用相對百分誤差來表示，即某一臺儀表的允許誤差是指在規定的正常情況下允許的相對百分誤差的最大值，即

　　（3-5）

儀表的δ_允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的δ_允越小，表示儀表的精確度越高。

事實上，我國就是利用這一辦法來統一規定儀表的精確度（精度）等級的。將儀表的允許相對百分誤差去掉“±”號及“%”號，便可以用來確定儀表的精確度等級。目前，我國生產的儀表常用的精確度等級有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。如果某臺測溫儀表的允許誤差為±1.5%，則認為該儀表的精確度等級符合1.5級。為了進一步說明如何確定儀表的精確度等級，下面舉兩個例子。

例1　某臺測溫儀表的測溫范圍為200～700℃，校驗該表時得到的最大絕對誤差為+4℃，試確定該儀表的精度等級。

解　該儀表的相對百分誤差為

如果將該儀表的δ去掉“+”號與“%”號，其數值為0.8。由于國家規定的精度等級中沒有0.8級儀表，同時，該儀表的誤差超過了0.5級儀表所允許的最大誤差，所以，這臺測溫儀表的精度等級為1.0級。

例2　某臺測溫儀表的測溫范圍為0～1000℃。根據工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過±7℃，試問應如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？

解　根據工藝上的要求，儀表的允許誤差為

如果將儀表的允許誤差去掉“±”號與“%”號，其數值介于0.5～1.0之間，如果選擇精度等級為1.0級的儀表，其允許的誤差為±1.0%，超過了工藝上允許的數值，故應選擇0.5級儀表才能滿足工藝要求。

由以上兩個例子可以看出，根據儀表校驗數據來確定儀表精度等級和根據工藝要求來選擇儀表精度等級，情況是不一樣的。根據儀表校驗數據來確定儀表精度等級時，儀表的允許誤差應該大于（至少等于）儀表校驗所得的相對百分誤差；根據工藝要求來選擇儀表精度等級時，儀表的允許誤差應該小于（至多等于）工藝上所允許的最大相對百分誤差。

儀表的精度等級是衡量儀表質量優劣的重要指標之一。精度等級數值越小，就表征該儀表的精確度等級越高，也說明該儀表的精確度越高。0.05級以上的儀表，常用來作為標準表；工業現場用的測量儀表，其精度大多是0.5級以下的。

儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標志在儀表面板上，如、等。

2.變差

變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對被測量在儀表全部測量范圍內進行正反行程（即被測參數逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時，被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的最大偏差，如圖3-1所示。

造成變差的原因很多，例如傳動機構間存在的間隙和摩擦力、彈性元件的彈性滯后等等。變差的大小，用在同一被測參數值下，正反行程間儀表指示值的最大絕對差值與儀表量程之比的百分數表示，即

　　（3-6）

必須注意，儀表的變差不能超出儀表的允許誤差，否則，應及時檢修。

3.靈敏度與靈敏限

儀表指針的線位移或角位移，與引起這個位移的被測參數變化量之比值稱為儀表的靈敏度，用公式表示如下

　　（3-7）

式中，S為儀表的靈敏度；Δα為指針的線位移或角位移；Δx為引起Δα所需的被測參數變化量。

所以儀表的靈敏度，在數值上就等于單位被測參數變化量所引起的儀表指針移動的距離（或轉角）。

所謂儀表的靈敏限，是指能引起儀表指針發生動作的被測參數的最小變化量。通常儀表靈敏限的數值應不大于儀表允許絕對誤差的一半。

值得注意的是，上述指標僅適用于指針式儀表。在數字式儀表中，往往用分辨力來表示儀表靈敏度（或靈敏限）的大小。

4.分辨力

對于數字式儀表，分辨力是指數字顯示器的最末位數字間隔所代表的被測參數變化量。如數字電壓表顯示器末位一個數字所代表的輸入電壓值。顯然，不同量程的分辨力是不同的，相應于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力，也叫靈敏度。通常以最高分辨力作為數字電壓表的分辨力指標。例如，某表的最低量程是0～1.0000V，五位數字顯示，末位一個數字的等效電壓為10μV，便可說該表的分辨力為10μV。當數字式儀表的靈敏度用它與量程的相對值表示時，便是分辨率。分辨率與儀表的有效數字位數有關，如一臺儀表的有效數字位數為三位，其分辨率便為千分之一。

5.線性度

線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準曲線與理論直線的吻合程度。如圖3-2所示。通常總是希望測量儀表的輸出與輸入之間呈線性關系。因為在線性情況下，模擬式儀表的刻度就可以做成均勻刻度，而數字式儀表就可以不必采取線性化措施。

線性度通常用實際測得的輸入-輸出特性曲線（稱為校準曲線）與理論直線之間的最大偏差與測量儀表量程之比的百分數表示，即

　　（3-8）

式中，δ_f為線性度（又稱非線性誤差）；Δf_max為校準曲線對于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計算）。

6.反應時間

當用儀表對被測量進行測量時，被測量突然變化以后，儀表指示值總是要經過一段時間后才能準確地顯示出來。反應時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數變化的品質指標。反應時間長，說明儀表需要較長時間才能給出準確的指示值，那就不宜用來測量變化頻繁的參數。因為在這種情況下，當儀表尚未準確顯示出被測值時，參數本身卻早已改變了，使儀表始終指示不出參數瞬時值的真實情況。所以，儀表反應時間的長短，實際上反映了儀表動態特性的好壞。

儀表的反應時間有不同的表示方法。當輸入信號突然變化一個數值后，輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩態值。儀表的輸出信號（即指示值）由開始變化到新穩態值的63.2%所用的時間，可用來表示反應時間，也有用變化到新穩態值的95%所用的時間來表示反應時間的。

三、工業儀表的分類

工業儀表種類繁多，結構形式各異，根據不同的原則，可以進行相應的分類。

1.按儀表使用的能源分類

按使用的能源來分，工業自動化儀表可以分為氣動儀表、電動儀表和液動儀表。目前工業上常用的為電動儀表。電動儀表是以電為能源，信號之間聯系比較方便，適宜于遠距離傳送和集中控制；便于與計算機聯用；現在電動儀表可以做到防火、防爆，更有利于電動儀表的安全使用。但電動儀表一般結構較復雜；易受溫度、濕度、電磁場、放射性等環境影響。

2.按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過程分類

從工業自動化儀表在信息傳遞過程中的作用不同，可以分為五大類。

（1）檢測儀表　檢測儀表的主要作用是獲取信息，并進行適當的轉換。在生產過程中，檢測儀表主要用來測量某些工藝參數，如溫度、壓力、流量、物位以及物料的成分、物性等，并將被測參數的大小成比例地轉換成電的信號（電壓、電流、頻率等）或氣壓信號。

（2）顯示儀表　顯示儀表的作用是將由檢測儀表獲得的信息顯示出來，包括各種模擬量、數字量的指示儀、記錄儀和積算器，以及工業電視、圖像顯示器等。

（3）集中控制裝置　包括各種巡回檢測儀、巡回控制儀、程序控制儀、數據處理機、電子計算機以及儀表控制盤和操作臺等。

（4）控制儀表　控制儀表可以根據需要對輸入信號進行各種運算，例如放大、積分、微分等。控制儀表包括各種電動、氣動的控制器以及用來代替模擬控制儀表的微處理機等。

（5）執行器　執行器可以接受控制儀表的輸出信號或直接來自操作人員的指令，對生產過程進行操作或控制。執行器包括各種氣動、電動、液動執行機構和控制閥。

上述各類儀表在信息傳遞過程中的關系可以用圖3-3來表示。

3.按儀表的組成形式分類

（1）基地式儀表　這類儀表的特點是將測量、顯示、控制等各部分集中組裝在一個表殼里，形成一個整體。這種儀表比較適于在現場做就地檢測和控制，但不能實現多種參數的集中顯示與控制。這在一定程度上限制了基地式儀表的應用范圍。

（2）單元組合儀表　將對參數的測量及其變送、顯示、控制等各部分，分別制成能獨立工作的單元儀表（簡稱單元，例如變送單元、顯示單元、控制單元等）。這些單元之間以統一的標準信號互相聯系，可以根據不同要求，方便地將各單元任意組合成各種控制系統，適用性和靈活性都很好。

化工生產中的單元組合儀表有電動單元組合儀表和氣動單元組合儀表兩種。國產的電動單元組合儀表以“電”、“單”、“組”三字的漢語拼音字頭為代號，簡稱DDZ儀表；同樣，氣動單元組合儀表簡稱QDZ儀表。

本章將介紹幾個主要工藝參數的檢測方法及儀表。顯示儀表、控制儀表及執行器將分別在第四章、第五章、第六章中介紹。