自動化儀表與系統(tǒng)基礎知識引論

上海第二工業(yè)大學

電子與電氣工程學院

自動化系鄭璞自動化儀表與系統(tǒng)第一頁，共四十七頁。教材：《自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)》第一講課程簡介內容：1.測量的基礎知識2.傳感器知識(重點)

3.控制系統(tǒng)自動化儀表與系統(tǒng)第二頁，共四十七頁。

自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)第一編基礎知識引論1緒論

2誤差分析基礎

3檢測技術及方法分析第一講第三頁，共四十七頁。1緒論

任何一個工業(yè)控制系統(tǒng)都必然要應用一定的檢測技術和相應的儀表單元。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，并通過相應的單元實現(xiàn)對被控變量的調節(jié)。隨著新技術的不斷出現(xiàn)，二者趨向融合,相輔相成的，它們是控制系統(tǒng)的重要基礎。

第一講第四頁，共四十七頁。1緒論第一講測量：用實驗的方法或專門的設備，將被測物理量與該變量的已知測量單位（標準量）進行比較．以求得二者比值，進而求得被測物理量的量值。1960年10月十一屆國際計量大會確定了國際通用的國際單位制，簡稱SI制。

SI制：七個基本單位：長度m，時間s，質量kg，熱力學溫度（Kelvin溫度）K，電流單位A，光強度單位cd（坎德拉），物質量mol第五頁，共四十七頁。1.1檢測儀表控制系統(tǒng)：1.1.1典型儀表控制系統(tǒng)實例：用天然氣做原料生產合成氨的控制系統(tǒng)為例。需對天然氣脫硫處理在脫硫塔中進行下面以一典型工業(yè)儀表控制系統(tǒng)實例為分析對象，給出常規(guī)檢測儀表系統(tǒng)的組成及結構,并介紹有關檢測和儀表相關技術必需的基本要領和名詞術語。第一講第六頁，共四十七頁。①.脫硫塔控制流程圖：

由三個單參數(shù)壓力、液位和流量調節(jié)控制系統(tǒng)組成。壓力控制：PC液位控制：LC流量控制：FC1.1檢測儀表控制系統(tǒng)：1.1.1.典型儀表控制系統(tǒng)實例：第一講第七頁，共四十七頁。②.壓力調節(jié)控制（PC）的單參數(shù)控制子系統(tǒng)介紹：

系統(tǒng)結構框圖1.1.檢測儀表控制系統(tǒng)：1.1.1典型儀表控制系統(tǒng)實例：第一講第八頁，共四十七頁。②.壓力調節(jié)控制（PC）的單參數(shù)控制子系統(tǒng)介紹：控制過程：

首先測量進入脫硫塔的天然氣壓力，檢測到的信號經轉換后，以標準信號制式傳輸?shù)綄崿F(xiàn)調節(jié)運算調節(jié)單元；1.1檢測儀表控制系統(tǒng)：1.1.1典型儀表控制系統(tǒng)實例：

調節(jié)單元在接受到測量信號后，即與給定單元的設定壓力值進行比較，并根據(jù)設定的控制規(guī)律計算出實現(xiàn)控制調節(jié)作用所需的控制信號；調節(jié)單元輸出的控制信號經執(zhí)行單元轉換后，驅動相應的設備實現(xiàn)對被控變量的調節(jié)。第一講第九頁，共四十七頁。③.流量調節(jié)控制（FC）的單參數(shù)控制子系統(tǒng)介紹：

系統(tǒng)結構框圖

控制過程：1.1檢測儀表控制系統(tǒng)：1.1.1典型儀表控制系統(tǒng)實例：流量變送單元用于流量檢測信號轉換和傳輸;安全柵的增加則是為了實現(xiàn)安全火花防爆特性。第一講第十頁，共四十七頁。④.小結1.1檢測儀表控制系統(tǒng)：1.1.1典型儀表控制系統(tǒng)實例：

常規(guī)工業(yè)檢測儀表控制系統(tǒng)的構成基本相同，而與具體采用的儀表類型無關?；緲嫵砂ū豢貙ο?、變送器、顯示儀表、調節(jié)器、給定器和執(zhí)行器等。由于各控制子系統(tǒng)被控變量的不同，各子系統(tǒng)采用的變送器和調節(jié)器的控制規(guī)律因而有所不同。（通過例子，告訴我們系統(tǒng)是復雜的，而我們學習、研究從簡單的開始。）第一講第十一頁，共四十七頁。1.1.2檢測儀表控制系統(tǒng)結構分析：說明：①.

閉環(huán)回路控制系統(tǒng)。②.

檢測單元：實現(xiàn)控制調節(jié)作用的基礎，它完成對所有被控變量的直接測量，包括溫度、壓力、流量、液位、成分等1.1檢測儀表控制系統(tǒng)：第一講第十二頁，共四十七頁。1.1.2檢測儀表控制系統(tǒng)結構分析：說明：1.1檢測儀表控制系統(tǒng)：③.顯示單元：是控制系統(tǒng)的附屬單元④.調節(jié)單元：完成調節(jié)控制規(guī)律的運算。它將變送器傳輸來的測量信號與給定值進行比較，并對比較結果進行調節(jié)運算，以輸出作為控制信號。調節(jié)單元采用的常規(guī)控制規(guī)律包括位式調節(jié)和PID調節(jié)⑤.執(zhí)行單元：實施控制策略的執(zhí)行機構，有電動、氣動、液動等方式第一講第十三頁，共四十七頁。1.2基本概念：請思考：什么是測量？測量值、真值、約定真值、示值（儀表）有幾個基本物理量？對象、檢測、變送、調節(jié)、執(zhí)行、自動控制系統(tǒng)中檢測是基礎，是我們這門課的重點內容。工業(yè)自動控制系統(tǒng)中，從被控對象歸納出六大參數(shù)。第一講第十四頁，共四十七頁。1.2基本概念：1.2.1測量范圍、上下限、量程：1、測量范圍：

儀表按規(guī)定的精度進行測量的被測變量的范圍。用其上、下限來表示，每個測量儀表都有測量范圍。2、上、下限：

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，簡稱下限和上限。3、量程：測量上限值－測量下限值說明：給出儀表的上下限，便知儀表的測量范圍及量程，反之只給出儀表的量程，卻無法確定其上下限及測量范圍。測量儀表的另一表示方法：給出儀表的零點（即下限值）及量程第一講第十五頁，共四十七頁。1.2基本概念：1.2.2零點遷移和量程遷移：

在實際使用中，由于測量要求或測量條件的變化，需要改變儀表的測量范圍，即改變儀表的零點或量程，為此需要對儀表進行零點和量程的調整。通常將零點的變化稱為零點遷移，而量程的變化則稱為量程遷移。

通過遷移可以擴大儀表的通用性。但是，在何種條件下遷移，以及能夠有多大的遷移量，還需視具體儀表的結構和性能而定。

零點遷移和量程遷移可通過儀表的標尺特性來反映。第一講第十六頁，共四十七頁。1.2基本概念：2、標尺特性：以被測變量值相對于量程的百分數(shù)為橫坐標記為X，以儀表指針位移或轉角相對于標尺長度的百分數(shù)為縱坐標記為Y，可得到儀表的標尺特性曲線X－Y.3、實例說明：第一講第十七頁，共四十七頁。1.2基本概念：3、實例說明：

此時儀表量程不變，其斜率亦保持不變，線段2只是線段1的平移，理論上零點遷移到了原輸入值的-25%，終點遷移到了原輸入值的75%，而量程則仍為100%。但由于標尺特性受限于輸入通道對信號的限制（不能為負值），所以實際標尺有效使用范圍（縱坐標Y）遷移到原來的25%-100%，測量范圍（橫坐標X）遷移到原來的0-75%。單純的零點遷移時的標尺特性線段2:第一講第十八頁，共四十七頁。1.2基本概念：3、實例說明：線段3、單純的量程遷移時的標尺特性。線段4:此時零點不變，線段仍過坐標系原點，但斜率發(fā)生了變化。線段3：理論上量程遷移到了原來的70%。由于受儀表標尺長度的限制，實際標尺將仍保持到原來有效范圍（縱坐標）的0-100%，而不能超過100%，對應的測量范圍遷移到原來的0~70%。靈敏度提高。線段4:量程遷移到原來的140%，斜率變化；盡管量程變大了，但實際標尺的有效范圍只有原來的71.4%，測量范圍仍為0~100%。第一講第十九頁，共四十七頁。1.2基本概念：1.2.3靈敏度和分辨率：1、靈敏度：是儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。常以在被測參數(shù)改變時，經過足夠時間儀表指示值達到穩(wěn)定狀態(tài)后，儀表輸出變化量△Y與引起此變化的輸入變化量△U之比表示，即定義為：2、分辨率：指儀表輸出能響應和分辨的最小輸入量，又稱儀表靈敏限，是靈敏度的一種反映。

第一講第二十頁，共四十七頁。1.2基本概念：1、靈敏度：是儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。2、分辨率：儀表輸出能響應和分辨的最小輸入量。

3、討論：①靈敏度和標尺特性的關系：靈敏度等于標尺特性曲線的斜率。因此，量程遷移就意味著靈敏度的改變；而如果僅僅是零點遷移則靈敏度不變。第一講第二十一頁，共四十七頁。1.2基本概念：1、靈敏度：是儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。2、分辨率：儀表輸出能響應和分辨的最小輸入量。

3、討論：①靈敏度和標尺特性的關系：②靈敏度和儀表放大倍數(shù)的關系：由靈敏度的定義表達式可知：靈敏度大小等同于儀表的放大倍數(shù)。只是由于△Y、△U都有具體量綱，所以靈敏度也有量綱，且由△Y、△U

確定；而放大倍數(shù)沒有量綱。所以靈敏度的含義比放大倍數(shù)要廣泛得多。

第一講第二十二頁，共四十七頁。1.2基本概念：1、靈敏度：是儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。2、分辨率：儀表輸出能響應和分辨的最小輸入量。

3、討論：①靈敏度和標尺特性的關系：②靈敏度和儀表放大倍數(shù)的關系：

③靈敏度和分辨率的關系

分辨率是靈敏度的一種反映，一般說儀表的靈敏度高，則其分辨率同樣也高。因此實際中主要希望提高儀表的靈敏度，從而保證其分辨率較好。第一講第二十三頁，共四十七頁。1.2基本概念：1、靈敏度：是儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。2、分辨率：儀表輸出能響應和分辨的最小輸入量。

3、討論：①靈敏度和標尺特性的關系：②靈敏度和儀表放大倍數(shù)的關系：

④靈敏度的可傳遞性在由多個儀表組成的測量或控制系統(tǒng)中，靈敏度具有可傳遞性。例如首尾串聯(lián)的儀表系統(tǒng)即前一個儀表的輸出是后一個儀表的輸入，其總靈敏度是各儀表靈敏度的乘積。第一講第二十四頁，共四十七頁。1.2基本概念：1.2.4誤差1、基本名詞：

①.被測真值：被測量的真實值，是一個理論值，因為無論采用何種儀表測到的值都有誤差。實際中常將用適當精度的儀表（一般指高一等級精度的儀表）測出的或用特定的方法確定的約定真值代替真值。又稱為約定真值。某些特殊情況下是可知的，如圓周角為360度。②.示值：指示裝置所顯示的被測值第一講第二十五頁，共四十七頁。1.2基本概念：2、絕對誤差：通常可簡稱為誤差。

絕對誤差＝示值－約定真值

誤差為正時表示儀表的示值偏大，反之偏小。3、相對誤差：絕對誤差與約定真值之比稱為相對誤差，常用百分數(shù)表示，即

用相對誤差大小來衡量儀表的精度比較合理。第一講第二十六頁，共四十七頁。1.2基本概念：

用水銀溫度計測得某一溫度為20.3℃，該溫度用高一等級的溫度計測得值為20.2℃，因后者精度高，故可認為20.2℃接近真實溫度，故水銀溫度計測量的絕對誤差:

相對誤差:

對于相同的被測量，絕對誤差可以評定其測量精度的高低，但對于不同的被測量以及不同的物理量，絕對誤差就難以評定其測量精度的高低，而采用相對誤差來評定較為確切。20.3℃-20.2℃=0.1℃舉例1:

第一講第二十七頁，共四十七頁。1.2基本概念：2、絕對誤差：簡稱為誤差。

絕對誤差＝示值－約定真值3、相對誤差：

4、引用誤差：雖然用絕對誤差占約定真值的百分數(shù)來衡量儀表的精度比較合理，但由于儀表多應用在測量接近上限值的量，為此引入引用誤差的概念，定義如下：

以百分數(shù)(％)表示第一講第二十八頁，共四十七頁。1.2基本概念：2、絕對誤差：簡稱為誤差。

絕對誤差＝示值－約定真值3、相對誤差：

4、引用誤差：5、最大引用誤差：最大引用誤差與儀表的具體示值無關，可以更好地說明儀表測量的精確程度。它是儀表基本誤差的主要形式，是儀表的主要質量指標之一。指整個量程內以百分數(shù)(％)表示第一講第二十九頁，共四十七頁。1.2基本概念：6、允許誤差Q：儀表在出廠時規(guī)定的引用誤差的允許值，簡稱允許誤差。

7、基本誤差：任何測量都是與環(huán)境條件相關的，這些環(huán)境條件包括環(huán)境溫度、相對濕度、電源電壓、安裝方式等。儀表應用時應嚴格按規(guī)定的環(huán)境條件即參比工作條件進行測量，此時獲得的誤差稱為基本誤差。8、附加誤差：儀表在非參比工作條件下進行測量，此時獲得的誤差除包含基本誤差外，還會包含額外的誤差，又稱附加誤差。第一講第三十頁，共四十七頁。1.2基本概念：9、靜態(tài)誤差：

指儀表靜止狀態(tài)時的誤差，或被測量變化十分緩慢時所呈現(xiàn)的誤差，此時不考慮儀表的慣性因素。10、動態(tài)誤差：

指儀表因慣性遲延所引起的附加誤差，或變化過程中的誤差。儀表靜態(tài)誤差的應用更為普遍。第一講第三十一頁，共四十七頁。1.2基本概念：1.2.5精確度：

任何儀表都有一定的測量誤差。因此，使用儀表時必須先知道該儀表的精確程度，以便估計測量結果與約定真值的差距，即估計測量值的大小。1、定義：用儀表允許的最大引用誤差去掉百分號后的數(shù)字來衡量該儀表的精確程度。用于估計測量結果與約定真值的差距2、精度等級劃分：

0.05級、0.1級、0.2級、0.25級、0.5級、1.0級、1.5級、2.5級。第一講第三十二頁，共四十七頁。1.2基本概念：1、定義：用儀表允許的最大引用誤差去掉百分號后的數(shù)字來衡量該儀表的精確程度。2、精度等級劃分：

3、精度等級確定方法：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，先計算儀表的最大引用誤差，然后從上面標準的精度等級中選取數(shù)值上最接近，但比該計算出的最大引用誤差去掉百分號的值大的精度等級做為該儀表的精確度等級。第一講第三十三頁，共四十七頁。1.2基本概念：舉例１：某彈簧管壓力表的測量范圍為０~１.６ＭＰa，精度等級為2．5級，校驗時，在某點出現(xiàn)的最大絕對誤差為０.０５ＭＰa，問該儀表是否合格？解：由已知條件可知：儀表量程為，最大絕對誤差為。其最大引用誤差為：由精度等級為2.5級，可知儀表允許的最大引用誤差為：2.5

％，所以不全格。１.６ＭＰa０.０５ＭＰa第一講第三十四頁，共四十七頁。1.2基本概念：舉例2：有一塊壓力表，其負向可測到-0.1MPa，正向可測到0.6MPa，現(xiàn)只校驗正向部份，其最大誤差發(fā)生在0.3MPa處，且上行和下行時，標準壓力表的指示值分別為0.305MPa和0.295MPa，問該表是否符合準確度等級為1.5級的要求？解：由已知條件可知：儀表量程為：測量誤差：有基本誤差為其最大引用誤差為：

0.6-（-0.1）＝0.7ＭＰa，Δ上＝0.305-0.3＝0.005Δ下＝0.3-0.295＝0.0050.005MPa符合第一講第三十五頁，共四十七頁。1.2基本概念：1.2.6滯環(huán)、死區(qū)和回差：1、滯環(huán)：由于儀表內部元件的儲能效應(如彈性變形、磁滯現(xiàn)象等)，造成儀表測量的實際上升曲線和實際下降曲線出現(xiàn)不重合，從而使得儀表的特性形成環(huán)狀，該種現(xiàn)象即稱為滯環(huán)。如圖。

在出現(xiàn)滯環(huán)現(xiàn)象時，儀表的同一輸入值對應多個輸出值，并出現(xiàn)誤差。第一講第三十六頁，共四十七頁。1.2基本概念：2、死區(qū)：

儀表內部的某些元件具有死區(qū)效應，例如傳動機構的摩擦和間隙等，其作用亦可使得儀表檢驗所得的實際上升曲線和實際下降曲線常出現(xiàn)不重合的情況。這種死區(qū)效應使得儀表輸入在小到一定范圍后不足以引起輸出的任何變化，而這一范圍則稱為死區(qū)。

存在死區(qū)的儀表要求輸入值大于某一限度才能引起輸出的變化，死區(qū)也稱為不靈敏區(qū)。理想情況下，不靈敏區(qū)的寬度是靈敏限的2倍。第一講第三十七頁，共四十七頁。1.2基本概念：3、回差：實際上升曲線和實際下降曲線間都存在差值，其最大的差值稱為回差，亦稱變差，或來回變差。第一講第三十八頁，共四十七頁。1.2基本概念：1、重復性：①概念：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性，它不包括滯環(huán)和死區(qū)。如圖。②物理意義：反映輸出一致性的程度。③取值：上升曲線的最大離散程度和下降曲線的最大離散程度兩者中的最大值。1.2.7重復性和再現(xiàn)性：第一講第三十九頁，共四十七頁。1.2基本概念：2、再現(xiàn)性：①概念：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，它包括滯環(huán)和死區(qū)。如圖。②物理意義：反映儀表的穩(wěn)定性。③取值：常取兩種曲線之間離散程度最大點的值來表示第一講第四十頁，共四十七頁。1.2基本概念：3、討論：

重復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，因而在評價某種儀表的性能時常同時要求其重復性和再現(xiàn)性。

重復性和再現(xiàn)性優(yōu)良的儀表并不一定精度高，但高精度的優(yōu)質儀表一定有很好的重復性和再現(xiàn)性。第一講第四十一頁，共四十七頁。1.2基本概念：1.2.8可靠性：1、概念：儀表的可靠性通過可靠度來衡量。它是衡量儀表能夠正常工作并發(fā)揮其功能的程度。是指儀表在確定的時期內和確定的外界條件下儀表工作在允許的性能水平（無故障）的概率。舉例：如果有100臺