第1章-檢測技術基本知識

第1章-檢測技術基本知識綜述化工自動化的意義及目的加快生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質量。減輕勞動強度、改善勞動條件。能夠保證生產(chǎn)安全，防止事故發(fā)生或擴大，達到延長設備使用壽命，提高設備利用率、保障人身安全的目的。生產(chǎn)過程自動化的實現(xiàn)，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術水平，以適應當代信息技術革命和信息產(chǎn)業(yè)革命的需要?；ぷ詣踊陌l(fā)展20世紀40年代以前絕大多數(shù)化工生產(chǎn)處于手工操作狀況，操作工人根據(jù)反映主要參數(shù)的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產(chǎn)過程單憑經(jīng)驗進行。低效率，花費龐大。20世紀50年代到60年代人們對化工生產(chǎn)各種單元操作進行了大量的開發(fā)工作，使得化工生產(chǎn)過程朝著大規(guī)模、高效率、連續(xù)生產(chǎn)、綜合利用方向迅速發(fā)展。20世紀70年代以來，化工自動化技術水平得到了很大的提高20世紀70年代，計算機開始用于控制生產(chǎn)過程，出現(xiàn)了計算機控制系統(tǒng)20世紀80年代末至90年代，現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展化工儀表及自動化系統(tǒng)的分類按功能不同，分四類：檢測儀表(包括各種參數(shù)的測量和變送)顯示儀表(包括模擬量顯示和數(shù)字量顯示)控制儀表(包括氣動、電動控制儀表及數(shù)字式控制器)執(zhí)行器(包括氣動、電動、液動等執(zhí)行器)各類儀表之間的關系自動檢測系統(tǒng)中主要的自動化裝置敏感元件傳感器顯示儀表對被測變量作出響應,把它轉換為適合測量的物理量。對檢測元件輸出的物理量信號作進一步信號轉換將檢測結果以指針位移、數(shù)字、圖像等形式,準確地指示、記錄或儲存。8圖0-2熱交換器自動檢測系統(tǒng)示意圖本學科的作用通過本門課程的學習,應能了解主要工藝參數(shù)(溫度、壓力、流量及物位)的檢測方法及其儀表的工作原理及特點;能根據(jù)工藝要求,正確地選用和使用常見的檢測儀表及控制儀表;能了解化工自動化的初步知識,理解基本控制規(guī)律,懂得控制器參數(shù)是如何影響控制質量的;能根據(jù)工藝的需要,和自控設計人員共同討論和提出合理的自動控制方案;能為自控設計提供正確的工藝條件和數(shù)據(jù);能在生產(chǎn)開停車過程中,初步掌握自動控制系統(tǒng)的投運及控制器的參數(shù)整定;能了解檢測技術和控制技術的發(fā)展趨勢和最新發(fā)展動態(tài)。第1章檢測技術的基本知識

第1節(jié)概述1、檢測的概念定義：生產(chǎn)過程，定性、定量檢測。目的：自動調節(jié)或操縱。檢測特點：1）形態(tài)多樣2）參數(shù)性質多樣3）變量變化范圍寬4）檢測方式多樣5）檢測環(huán)境惡劣第1章檢測技術的基本知識

第1節(jié)概述2、測量的單位1000《國際單位制（）》（1991年第六版）。名稱單位名稱 單位符號長度米 m質量千克（公斤） 時間秒 s電流安[培] A熱力學溫度開[爾文] K物質的量摩[爾] 發(fā)光強度坎[德拉] 第1章檢測技術的基本知識

第2節(jié)檢測儀表分類及組成傳感器、變送器、一體機分類方法1）被測量溫度、壓力、流量、物位、機械量、過程分析2）測量原理電容、電磁、壓電、光電、超聲波、核輻射3）輸出信號模擬式、數(shù)字式、檢測開關4）結構和功能測量結果顯示、是否有微處理器（虛擬儀器）第1章檢測技術的基本知識

第3節(jié)檢測儀表的品質指標1、靈敏度輸出增量與輸入增量的比值△△X2、線性度理想特性曲線為直線01023、分辨率能檢測出被測量量的最小變化的能力，可用絕對值和百分比表示4、滯環(huán)、死區(qū)和回差滯環(huán)-由于儀器材料特性造成的上升曲線與下降曲線不重合的情況死區(qū)-超出儀器元件的最小檢測能力，不引起一起響應的區(qū)域回差-實際上升曲線和下降曲線間存在的最大差值，又稱變差、來回差第1章檢測技術的基本知識

第3節(jié)檢測儀表的品質指標5、重復性和再現(xiàn)性多次相同測試其結果一致的的程度6、精確度被測量的結果與真實值之間的一致程度，有相應的精度等級P6表1-3-17、長期穩(wěn)定性在規(guī)定時間內保持不超過允許誤差范圍的能力8、動態(tài)特性被測量隨時間變化時，儀器輸出追隨被測量變化的特性 精度等級0.10.20.51.01.52.02.55.0允許誤差/(%)0.10.20.51.01.52.02.55.0引用誤差/(%)≤0.1≤0.2≤0.5≤1.0≤1.5≤2.0≤2.5≤5.0工業(yè)常見儀表精度等級(國家規(guī)定為12級)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第1章檢測技術的基本知識

第4節(jié)測量誤差及誤差分析 檢測儀表不可能絕對精確，測量原理的局限、測量方法的不盡完善、環(huán)境因素和外界干擾的存在以及測量過程可能會影響被測對象的原有狀態(tài)等，也使得測量結果不能準確地反映被測量的真值而存在一定的偏差，這個偏差就是測量誤差。1、研究誤差的意義 誤差始終存在，不可消除，但我們可使之越來越小，1）提高認識，正視來源，努力消除或減小誤；2）正確處理數(shù)據(jù)，合理計算結果，使之接近真實值；3）監(jiān)測系統(tǒng)組成正確、設計合理，儀表與檢測方法正確。第1章檢測技術的基本知識

第4節(jié)測量誤差及誤差分析2、誤差的定義1）真值 a、真值一個量嚴格定義的理論值通常叫理論真值 b、約定真值根據(jù)國際計量委員會通過并發(fā)布的各種物理參量單位的定義，利用當今最高科學技術復現(xiàn)的這些實物單位基準，被公認為國際或國家基準，稱為約定真值。 c、相對真值如果高一級檢測儀器(計量器具)的誤差僅為低一級檢測儀器的誤差的3～10，則可認為前者是后者的相對真值。2）標稱值計量或測量器具上標注的量值，稱為標稱值。3）示值檢測儀器（或系統(tǒng)）指示或顯示（被測參量）的數(shù)值叫示值，也叫測量值或讀數(shù)。第1章檢測技術的基本知識

第4節(jié)測量誤差及誤差分析3、誤差分類根據(jù)測量誤差的性質、產(chǎn)生測量誤差的原因，可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差三類。1）系統(tǒng)誤差在相同條件下，多次重復測量同一被測參量時，其測量誤差的大小和符號保持不變，或在條件改變時，誤差按某一確定的規(guī)律變化。定值系統(tǒng)誤差、變值系統(tǒng)誤差。2）隨機誤差測量誤差的大小與符號均無規(guī)律變化。通常用精密度精密度越高，隨機誤差越小。3）疏忽誤差疏忽誤差是指明顯超出規(guī)定條件下預期的誤差，特點是誤差數(shù)值大，明顯歪曲了測量結果。正常的測量數(shù)據(jù)應是剔除了疏忽誤差的數(shù)據(jù)，因此我們通常研究的測量結果誤差中僅包含系統(tǒng)和隨機兩類誤差。第1章檢測技術的基本知識

第4節(jié)測量誤差及誤差分析4、誤差的表示方法1)絕對誤差 測量值X與真值L之間的代數(shù)差值Δ稱為檢測系統(tǒng)測量值的絕對誤差：±Δ 真值=測量值+修正值(儀器校準時使用)2)相對誤差絕對誤差Δ與真值L的比值，稱為檢測系統(tǒng)測量的相對誤差δ，常用百分數(shù)表示： δ=Δ×100%≈Δ×100%3)引用誤差 指示值的絕對誤差Δ與儀表量程B之比值 δΔ×100%第1章檢測技術的基本知識

第4節(jié)測量誤差及誤差分析5、準確度、精密度和精確度 準確度系統(tǒng)誤差大小的程度 精密度測量隨機誤差大小

精確度是測量的準確度與精密度的總稱，在實際測量中，影響精確度的可能主要是系統(tǒng)誤差，也可能主要是隨機誤差

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第5節(jié)系統(tǒng)誤差的消除方法系統(tǒng)誤差及分類系統(tǒng)誤差又稱可測定誤差或恒定誤差。 具單向性（大小、正負一定）、可消除（原因固定）、重復測定重復出現(xiàn)。 （1）方法誤差 （2）儀器誤差 （3）試劑誤差 （4）操作誤差第1章檢測技術的基本知識

第5節(jié)系統(tǒng)誤差的消除方法1、消除根源方法原理的正確；儀表設計加工合理；正確使用；環(huán)境優(yōu)化。2、結果修正定期檢測保證儀表正常并得出修正值（與測量誤差的絕對值相等而符號相反的值）；Δ3、特殊方法測量1）恒定系差消除法零示法，替代法，交換法2）變值系差消除法等時距對稱觀測法，半周期偶數(shù)觀測法第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值 可以通過不同方法消除的系統(tǒng)誤差與隨機誤差通常同時發(fā)生。1、隨機誤差的分布規(guī)律及統(tǒng)計特性 隨機誤差的數(shù)值事先是無法預料的，它受各種復雜的隨機因素的影響，通常把這類依隨機因素而變、以一定概率取值的變量稱為隨機變量。根據(jù)概率論的中心極限定理:如果一個隨機變量是由大量微小的隨機變量共同作用的結果，那么只要這些微小隨機變量是相互獨立或弱相關的，且均勻地小(即對總和的影響彼此差不多)，則無論它們各自服從于什么分布，其總和必然近似于正態(tài)分布。顯然，隨機誤差不過是隨機變量的一種具體形式，當隨機誤差是由大量的、相互獨立的微小作用因素所引起時，通常都遵從正態(tài)分布規(guī)律。

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第6節(jié)隨機誤差及其估值

隨機誤差的正態(tài)分布概率密度函數(shù)的數(shù)學表達式為稱為高斯公式。

ε—隨機誤差，是測量值x與被測量真值L之差;

p(ε)—隨機誤差的概率密度函數(shù);

σ—標準偏差。

正態(tài)分布曲線。

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第6節(jié)隨機誤差及其估值隨機誤差的統(tǒng)計特性表現(xiàn)在以下4個方面:

(1)有界性：在一定條件下的有限測量值中，誤差的絕對值不會超過一定的界限。

(2)單峰性：絕對值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。

(3)對稱性：絕對值相等的正誤差和負誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相等。

(4)抵償性：相同條件下對同一量進行多次測量，隨機誤差的算術平均值隨著測量次數(shù)n的無限增加而趨于零，即誤差平均值的極限為零。其表達式為有些誤差并不完全滿足上述特性，根據(jù)具體情況，仍可按隨機誤差處理。第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值2、測量值的算術平均值與標準偏差1）算術平均值與被測量真值的估計值 當被測量的真值未知時，只能通過多次重復測量獲得的觀側值，來求取被測量真值的估計值，并估算其誤差的大小。 在無系差和粗差的條件下，對某一被測量x進行n次等精度側量(即在相同條件下，用相同的儀表和測量方法，由同一測量者以同樣的細心程度進行多次測量)，得到n個觀測值。通常以這些觀測值的算術平均值作為被測量真值的最佳估計值，下面分析算術平均值與被測量真值的關系。 由概率論知，隨機變量的數(shù)學期望表征了隨機變量的位置特征，定義為第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值 可以證明，對于等精度無系差測量，當測量次數(shù)n時，觀測值的算術平均值依概率收斂于數(shù)學期望，即 數(shù)學期望對某一被測量進行無限次測量時所得到的統(tǒng)計平均值。幾何意義是概率密度曲線與橫軸所包圍面積重心的橫坐標。 測量值一般都是離散型隨機變量，而且測量次數(shù)也不可能無限地多。如果對于某個具有未知真值L的物理量，重復進行n次等精度、獨立、無系統(tǒng)誤差的測量，得到n個觀測值?！薜?章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值 由于觀側值不含有系統(tǒng)誤差，每個觀測值的誤差為 將上式兩邊分別對i求和并除以n，則得 根據(jù)隨機誤差的抵償性表達式 于是可知第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值 由式(1-5)和式(1-6)可知，在消除了系統(tǒng)誤差之后，無限次測量的統(tǒng)計平均值就是被測量的真值。由于無限次測量在實際上是做不到的，通常把多次等精度測量結果的算術平均值作為被測量真值L的最佳估計值。 在實際測量工作中，在未知被測量真值的情況下，通常以算術平均值代替真值作為測量結果。用殘差(又稱剩余誤差)代替測量誤差。 以算術平均值代替真值作為測量結果具有最小殘差平方和，因此算術平均值是被測量真值的最佳估計值。 以上以等精度測量為前提，精確度越高的側量數(shù)據(jù)越接近被測量的真值，因此在算術平均值中占有更大的權重，于是有“加權平均值”的概念。加權平均值又稱廣義算術平均值，是不等精度測量條件下被測量真值的最佳估計值。第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值2）標準偏差

在實際測量中，只知道測量值的算術平均值是不夠的，還需要對測量數(shù)據(jù)相對于算術平均值的離散程度加以說明，這可以用標準偏差來表示。

由概率論知，方差表征了隨機變量相對于數(shù)學期望的離散程度。方差愈大，隨機變量的值在數(shù)學期望左右分布得愈寬。被測量x的方差記作，并定義為 對于連續(xù)型隨機變量，上式可寫成第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值 標準偏差σ是方差的均方根值，又稱為均方根偏差。等精度的無限測量列，標準偏差可表示為

在實際測量中，真值無法知道，測量有限，此時，可借助貝塞爾公式用算術平均值和殘差來表示標準偏差的估計值，即 貝塞爾公式求出的標準偏差，可用來表征在給定的等精度條件下任一次測量結果的離散程度，又稱為單次測量的標準偏差。第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值3）算術平均值的標準偏差 對于有限次等精度測量，可以用有限個觀側數(shù)據(jù)的算術平均值作為測量結果。盡管算術平均值是被側量真值的最佳估計值，但由于實際的側量次數(shù)有限，算術平均值畢竟還不是真值，其本身也含有隨機誤差.假若各觀測值服從正態(tài)分布，則算術平均值也是服從正態(tài)分布的隨機變量?？梢宰C明，算術平均值的標準偏差為 式中σ算術平均值的標準偏差;σ單次測量的標準偏差;n測量次數(shù)。

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第6節(jié)隨機誤差及其估值 以估計值代替σ，即可得到算術平均值的標準偏差的估計值為 由上式可以看出，算術平均值的標準偏差比單次測量的標準偏差小倍。因此，用作為測量結果將比單次測量值，具有更高的精密度。測量次數(shù)n越多，值越小，側量結果的精密度也越高。但是，由于與測量次數(shù)n的平方根成反比，精密度的提高將隨著n的增加而越來越慢.因此，在實際測量中，一般取10~20次左右即可第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值3、置信區(qū)間與置信概率

當測量次數(shù)為有限時，只能求出算術平均值及估計值來分別作為被測量的真值及標準偏差的估計值。

因此，引出置信區(qū)間和置信概率的概念。

有限次側量結果的算術平均值也是一個隨機變量。用算術平均值來代替被測量的數(shù)學期望(被測量真值L)，會存在一個隨機誤差即 該誤差的絕對值小于給定的任一微小量的概率為 公式中的區(qū)間表示算術平均值在規(guī)定概率下可能的變化范圍，稱為置信區(qū)間。置信區(qū)間表明了側量結果的離散程度，可作為測量精密度的標志。第1章檢測技術的基本知識

第6節(jié)隨機誤差及其估值 算術平均值落入某一置信區(qū)間的概率表明測量結果的可靠性，亦即值得信賴的程度，稱為置信概率。 上公式表示在一定概率下隨機誤差的極限值，故稱為極限誤差(或稱誤差限)。在無系統(tǒng)誤差的情況下，δ也稱為隨機不確定度，通常表示為 式中—置信系數(shù); —算術平均值的標準偏差估計值。 置信系數(shù)又稱為分布因子，的數(shù)值可根據(jù)所要求的置信概率及測量次數(shù)而定，且可由分布表查得。 所謂分布又稱學生分布，是一種適用于小樣本(如有限次測量)的理論分布。一般來說，當測量次數(shù)較小時，分布與正態(tài)分布的差別較大，但當n＞30時，分布趨于正態(tài)分布。第1章檢測技術的基本知識

第7節(jié)誤差的綜合

在測量中，有些未知量是不能直接測出的，必須先測出一些其他的有關量，然后按一定的函數(shù)關系求得有關量。這樣的測量稱為間接測量。 由于直接測量存在誤差，所以根據(jù)直接測量值去計算的結果也必然帶來誤差。在已知各局部誤差的基礎上求函數(shù)的誤差，稱為誤差的綜合，也稱為誤差的傳遞。

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第8節(jié)測量結果的數(shù)據(jù)處理1、測量結果的表示方法與有效數(shù)字的處理原則1）測量結果的表示方法 在觀測值或多次測量觀測結果的算術平均值后加上相應的誤差限。同一測量結果采用不同的置信概率，測量結果的誤差限也不同。因此應該在相同的置信水平下，比較測量的精確程度。a、單次測量結果置信概率68.3%第1章檢測技術的基本知識

第8節(jié)測量結果的數(shù)據(jù)處理2）有效數(shù)字處理原則a、有效數(shù)字的概念從第一個非零數(shù)字起至右邊含有誤差的一位為止，中間的所有數(shù)字稱為有效數(shù)字。測量結果一般為被測真值的近似值，有效數(shù)