自動檢測儀表第一章

自動控制系測控技術(shù)與儀器教研室主講人：盧艷軍檢測技術(shù)及自動化儀表2/1/20231測控教研室課程說明及課程要求：教材：張毅、張寶芬等編著《自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)》化學(xué)工業(yè)出版社2005.3該課程為學(xué)科基礎(chǔ)課，考核方式：閉卷考試。學(xué)時分配：理論教學(xué)48學(xué)時，同時設(shè)置單列實驗8學(xué)時?？记谌毕种徽呋蜃鳂I(yè)不完成超過三分之一者取消參加期末考試資格。成績評定：平時成績10%，期末考試成績90%。2/1/20232測控教研室本課程的主要內(nèi)容

本課程是關(guān)于過程參數(shù)檢測和自動化儀表系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的知識。共分為三個部分：

1、基礎(chǔ)知識引論

2、過程參數(shù)檢測技術(shù)

3、儀表系統(tǒng)分析

2/1/20233測控教研室第一篇基礎(chǔ)知識引論1.緒論

檢測（Detection)是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研和生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。檢測單元完成對各種過程參數(shù)的測量，并實現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理；儀表單元則是實現(xiàn)各種控制作用的手段和條件，它將檢測得到的數(shù)據(jù)進行運算處理，并通過相應(yīng)的單元實現(xiàn)對被控變量的調(diào)節(jié)；測量（Measurement)是借助專門的技術(shù)和儀表設(shè)備，采用一定的方法取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的實踐過程。2/1/20234測控教研室本章主要內(nèi)容典型的檢測儀表控制系統(tǒng)及工業(yè)檢測儀表控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)檢測和儀表中常用的基本性能指標測量范圍、上下限、量程；零點遷移和量程遷移；靈敏度和分辨率；誤差；精確度；滯環(huán)、死區(qū)和回差檢測儀表技術(shù)發(fā)展趨勢2/1/20235測控教研室1.1檢測儀表控制系統(tǒng)

下面以天然氣脫硫的過程為例，來了解一下典型檢測儀表控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中需要控制的參數(shù)分別為壓力、液位和流量，這將構(gòu)成PC、LC、FC三個單參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1.1.1典型的檢測儀表控制系統(tǒng)2/1/20236測控教研室

其中PC的作用是實現(xiàn)對天然氣壓力的調(diào)節(jié)，對于實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的單參數(shù)控制子系統(tǒng)PC，結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示：壓力參數(shù)檢測，實現(xiàn)檢測信號轉(zhuǎn)換和傳輸實現(xiàn)被控量控制實現(xiàn)調(diào)節(jié)規(guī)律計算2/1/20237測控教研室同理，流量調(diào)節(jié)控制子系統(tǒng)FC的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-3所示：圖1-3脫硫塔流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖實現(xiàn)安全火花防爆檢測流量并對檢測信號進行轉(zhuǎn)換和傳輸2/1/20238測控教研室

可見：在無特殊條件要求下，常規(guī)工業(yè)檢測儀表控制系統(tǒng)的構(gòu)成基本相同，而與具體采用的儀表類型無關(guān)。

由此可見：無論是壓力還是流量調(diào)節(jié)控制，都需要進行參數(shù)檢測及信號轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膯卧兯蛦卧?；需要實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制規(guī)律的單元——調(diào)節(jié)單元；需要實現(xiàn)被控變量控制作用的單元——執(zhí)行單元；這樣才能完成一個參數(shù)調(diào)節(jié)的全過程。

2/1/20239測控教研室閉環(huán)回路控制系統(tǒng)1.1.2檢測儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析被控（被測）對象是控制系統(tǒng)的核心，它可以是單輸入單輸出對象，也可以是多輸入多輸出。檢測單元是控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)作用的基礎(chǔ)，它完成對所有被測變量的直接或間接測量。變送單元完成對被測變量信號的轉(zhuǎn)換和傳輸。調(diào)節(jié)單元完成調(diào)節(jié)控制規(guī)律的運算。執(zhí)行單元是實現(xiàn)控制的執(zhí)行機構(gòu)，接收控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)被控變量顯示單元是控制系統(tǒng)的附屬單元。

2/1/202310測控教研室1.2.1測量范圍、上下限、量程測量范圍：是儀表按規(guī)定的精度進行測量的被測變量的范圍。測量范圍的最小值和最大值分別稱為測量下限和測量上限；

測量范圍表示法：下限值～上限值。儀表的量程：是測量上限與下限值的代數(shù)差，即：量程=測量上限值-測量下限值記為：1.2基本概念2/1/202311測控教研室例如，一個溫度測量儀表的下限值是-50℃，上限值是150℃，則其測量范圍可表示為-50~150℃，量程為200℃。 由此可見，給出儀表的測量范圍便知其上下限及量程，反之，如果只給出儀表的量程，卻無法確定其上下限及測量范圍。又例如：某秤測量范圍為：0～100公斤，則量程為100公斤，秤的上下限分別為：100公斤、0公斤2/1/202312測控教研室1.2.2零點遷移和量程遷移儀表的零點：指測量下限。儀表測量范圍的另一種常用的表示方法：是給出儀表的零點和量程。零點遷移：通常將零點的變化稱為零點遷移；量程遷移：量程的變化稱為量程遷移。例如，一把直尺的測量范圍為0～10cm。（此時零點為0cm）；如果把2cm處作為測量的起點，這時，測量范圍變?yōu)?2～8cm。（此時零點為-2cm）2/1/202313測控教研室上圖為典型的單純零點遷移情況。線段1為原來直尺的測量特性曲線。線段2為零點遷移后的測量特性。二者斜率相同?？梢?，零點遷移至-2cm，而量程不變。010cm10被測量真實長度直尺顯示長度cm-28212被測量真實值儀表顯示值遷移前遷移后上圖為單純量程遷移的示意圖。量程遷移前與遷移后線段的斜率有所變化。零點遷移與量程遷移并存的情況較多，可擴大儀表的通用性。2/1/202314測控教研室1.2.3靈敏度和分辨率靈敏度：是儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。表示方法為：儀表輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。在穩(wěn)態(tài)條件下即靈敏度的特點：可見量程遷移靈敏度的改變；零點遷移則靈敏度不變。靈敏度有量綱，靈敏度具有可傳遞性：儀表分辨率（稱儀表靈敏限、靈敏閾）。它表示引起輸出值變化的最小輸入量變化值。當(dāng)輸入有微小變化時輸出就有變化，則說明分辨率高。靈敏度高，則分辨率高。思考題：靈敏度與分辨率的關(guān)系。2/1/202315測控教研室1.2.4誤差示值和約定真值、絕對誤差和相對誤差、引用誤差、最大引用誤差和允許誤差、誤差、靜態(tài)誤差與動態(tài)誤差示值和約定真值示值：儀表指示裝置所顯示的被測值稱為示值。約定真值：實際中，常用精度等級比較高的儀表測出的，或用特定方法確定的約定真值代替被測量的真值。絕對誤差和相對誤差絕對誤差：絕對誤差=示值-約定真值。

相對誤差：常用百分數(shù)表示，即相對誤差越小，精度越高2/1/202316測控教研室例如：測量L1=10mm的尺寸，誤差δ1=±8μmT2=80℃的溫度，誤差δ2=±0.005℃比較兩次測量精度的高低。（不可用絕對誤差表示）解：∴測溫試驗的精度高。相對誤差可用來比較測量不同的被測量的精度高低。2/1/202317測控教研室引用誤差引用誤差：用量程取代相對誤差公式中的約定真值得引用誤差，即

例如：量程為-10V～10V的電壓表，在測5.02V的電壓時，示值為5V，則此時，該電壓表的引用誤差為：

(5-5.02)/20=-0.1%最大引用誤差允許誤差：儀表在出廠時要規(guī)定引用誤差的允許值，簡稱允許誤差。2/1/202318測控教研室誤差誤差=基本誤差+附加誤差基本誤差：儀表在使用時按照嚴格規(guī)定的環(huán)境條件進行測量，而產(chǎn)生的誤差。附加誤差：儀表在超出規(guī)定的工作條件工作時，所產(chǎn)生的額外的誤差。靜態(tài)誤差與動態(tài)誤差靜態(tài)誤差：指儀表靜止?fàn)顟B(tài)時的誤差，或被測量變化十分緩慢時所呈現(xiàn)的誤差。即儀表的穩(wěn)態(tài)誤差。儀表靜態(tài)誤差應(yīng)用更普遍。動態(tài)誤差：指儀表因慣性延遲所引起的附加誤差，或變化過程中的誤差。2/1/202319測控教研室1.2.5精確度儀表的精確度：允許的最大引用誤差去掉百分號和±號后的數(shù)字來衡量的。例如：某儀表的最大引用誤差為-0.5%，則其精度等級為0.5級。精度等級：按儀表工業(yè)規(guī)定將精確度劃分為若干個等級，稱為精度等級。1.0級的意思是在規(guī)定條件下實際測量的絕對誤差不會超過量程的±1%。精度等級的數(shù)字越小，精度越高。圖為精度等級的確定方法2/1/202320測控教研室例題:在正常情況下,用0.5級、量程為100℃溫度表來測量溫度時，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差是多少？Δm=(±0.5%)×100=±0.5℃現(xiàn)有精度為0.5級的0～300℃的和精度為1.0級的0～100℃的兩個溫度計，要測量80℃的溫度，試問采用哪一個溫度計更好？某壓力表精度為2.5級，量程為0～1.5MPa，試求（1）該表的最大引用誤差是多少？（2）可能出現(xiàn)的最大絕對誤差是多少？（3）測量結(jié)果顯示為0.70MPa時，其相對誤差是多少？

2/1/202321測控教研室1.2.6滯環(huán)、死區(qū)和回差滯環(huán)：元件具有儲能效應(yīng)造成。死區(qū)效應(yīng)：也叫不靈敏區(qū)。儀表內(nèi)部的某些單元具有死區(qū)效應(yīng)所造成回差：亦稱變差，或來回變差。2/1/202322測控教研室1.2.7重復(fù)性和再現(xiàn)性重復(fù)性：在同一工作條件下，同方向連續(xù)多次對同一輸入值進行測量所得的多個輸出值之間相互一致的程度稱為儀表的重復(fù)性。再現(xiàn)性：再現(xiàn)性包括滯環(huán)和死區(qū)，它是儀表實際上升曲線和實際下降曲線之間離散程度的表示，常取兩種曲線之間離散程度最大點的值來表示，如圖1-10中所示。重復(fù)性是衡量儀表不受隨機因素影響的能力；再現(xiàn)性是儀表性能穩(wěn)定的一種標志。2/1/202323測控教研室1.2.8可靠性可靠度：表征儀表可靠性的尺度有多種，最基本的是可靠度。它是衡量儀表能夠正常工作并發(fā)揮其功能的程度。有效度：另一個表示儀表可靠性的綜合指標是有效度。

平均無故障工作時間為正常工作時相鄰兩次故障時間間隔的平均值；平均故障修復(fù)時間指儀表修復(fù)所用的平均時間。還有一些需要考慮的因素：漂移、上升時間等漂移：保持輸入信號不變時，輸出信號隨時間或溫度的緩慢變化。分為時漂和溫漂?？烧f明儀表工作的穩(wěn)定性能，如果儀表需要長時間運行，這一性能更為重要。2/1/202324測控教研室響應(yīng)時間：當(dāng)儀表輸入階躍變化時，輸出從一個穩(wěn)態(tài)值到另一個穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。由于傳感器響應(yīng)輸入量的變化需要時間，而各環(huán)節(jié)的信號放大、傳輸、和變換等均需要時間，因此在進行測量時，需要一個等待時間，它一定要大于儀表的響應(yīng)時間，故希望儀表的響