过程参数检测及仪表第一章

一台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级为1级。
• 例2
某台测温仪表的工作范围为0~500℃，
工艺要求测温时测量误差不超过±4℃，试 问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？ 解 根据工艺要求，仪表的最大引用误差为
max
4 100 % 0.8% 500 0
应选择0.5级的仪表才能满足要求
误差-------测量值和真实值之间的差值 误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环
境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因.
研究误差目的 ：
– – – – – – 认识和掌握误差规律 评价检测装置和测量结果 提高测量的准确度 计量基准 准确度高一级等级仪表 等精度测量条件下有限次测量的平均值
值 记为：
L L上 L下
例1：一个温度测量仪表的下限值是 -50℃， 上限值是150℃ ，则其测量范围可表示为50～150℃，量程为200℃。
•由此可见，给出仪表的测量范围便知其上 下限及量程，反之，如果只给出仪表的量程， 却无法确定其上下限及测量范围。
例2：某秤测量范围为：0～100公斤，则量程为100 公斤，秤的上下限分别为：100公斤、0公斤。
自动控制系统的构成：自动装置+被控过程
• “人眼”：检测环节液位变送器对水位进行检测 • “人脑”：控制器接受测量信号并与设定值比较产生偏差 • “人手”：执行器根据偏差信号使调节阀开度变化，变化 给水量
• 过程参数测量仪表就是在过程控制系统中 用于检测表征生产过程运行状况的重要参 数的自动化装置或仪器，在系统中的作用 相当于人工控制中的眼睛。 • 这门课的主要任务就是介绍生产过程中五 大参数的测量原理和技术，以及常用的测 量装置。
• 小结：在确定一个仪表的精度等级时，要 求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校 验时所得到的最大引用误差；而根据工艺
要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允
许误差应该小于或等于工艺上所允许的最
大引用误差。
测量范围、上下限、量程
• 测量范围(measuring range)：是仪表按规 定的精度进行测量的被测变量的范围。 • 测量范围的最小值和最大值分别称为测量 下限(lower range limit)和测量上限(upper range limit)； 测量范围表示法：下限值～上限值。 • 仪表的量程：是测量上限与下限值的代数 差，即：量程=测量上限值-测量下限
量程
反行程
仪表示值
"max
正行程 被测参数
测量范围：是指测试装置能正常测 量最小输入量和最大输入量之间的 范围。 稳定性：是指在一定工作条件下， 当输入量不变时，输出量随时间 变化的程度。漂移
可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关 的一种描述。保持原有技术性能的能力指标。
第三节 测量误差的理论基础
图像显示（续）
带RS-232接口的万用表及图像显示 特点——
能在 计算机中 存储测量 到的波形 及数据， 可随时重 放，价格 适中。
记录仪 主要用来 记录被检 测对象的 动态变化 过程。
无纸记录仪
主要用来记 录和存储被 检测对象的 动态变化过 程。
数据处理装置 数据处理 装置主要 是指计算 机，将复 杂的系统 用到频谱 分析仪。
能将温度转换为电压的传感器—热电偶
为提高测量精度和 自动化程度，以便 于和其它环节一起 构成自动化装置， 通常先将被测物理 量转换为电量，再 对电信号进行处理 和输出。如图所示 的声级计。
烟雾传感器
亮度传感器
红外人体探测器
目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显
示、图象显示及记录仪等
模拟显示的 特点：直观
•
灵敏度与灵敏限
灵敏度 表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表 达到稳态后输出增量与输入增量之比，即
y S x
S——仪表的灵敏度 Δy——仪表输出变量的增量 Δx——仪表输入变量的增量
数字式仪表常用分辨力来表示灵敏度。
分辨力是指数字仪表在最低量程上最末位数字改变一个字时所对应的 物理量数值，它反映了数字仪表能够检测到的被测参数中最小变化 的能力。
灵敏限 指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。
线性度
标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。
非线性度=B/A×100% y B
x
• 回差
在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）
和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常 常不相等。两者绝对值之差的最大值和仪表量程之比的百 分数称为回差，也称变差。 当 变差 允许误差时，被检表合 格
“约定真值”的得到：
测量误差的分类及产生原因
烟雾传感器
亮度传感器
红外人体探测器
5、家庭与办公自动化
在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用 了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。
全自动洗衣机中的传感器： 衣物重量传感器，衣质传 感器，水温传感器，水质 传感器，透光率光传感器 (洗净度) 液位传感器，电 阻传感器(衣物烘干检测)。
指纹传感器
检测技术的工程应用
1、工业自动化中的应用
在各种自动控制系统中，检测环节起着系统感官的作 用，是其重要组成部分。
a)机械手、机器人中的传感器
转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听 觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、 嗅觉传感器。
密歇根大学的机械手装配模型
广州中鸣数码的机器狗
b) AGV自动送货车
光柱也属于模拟显示
光柱显示的特点： 一目了然
数字式仪表
数字式仪表 的特点： 准确，但最 后一位经常 跳动不止。
热敏电阻
LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高，
但不利于夜间观察。
带背光板的LCD可以在夜间观看
图像显示
特点—— 能显示复杂的 图形和曲线，
但价格昂贵。
4、楼宇控制与安全防护
为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工 作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在 楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温 度监测、电梯运行状况。
图示为某公司楼宇自动化系 统。该系统分为：电源管理、 安全监测、照明控制、空调 控制、停车管理、水/废水管 理和电梯监控。
透光率传感器
温湿度传感器
温度传感器
5、其他应用
航天 农业
交通
医学
6、PC机中的测试技术应用
鼠标:光电位移传感器
摄象头:CCD传感器 声位笔:超声波传感器
麦克风:电容传声器
声卡:A/D卡 + D/A卡
软驱:速度,位置伺服
第一章
检测技术与检测仪表
本章内容
检测技术的基本概念： 检测系统的提出 检测仪表的概念：
敏感元件1 敏感元件2 ……. 敏感元件n 信号 变换 处理
显示 装置
由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量
天然气脱硫的过程
其中PC的作用是实现对天然气压力的调节，对 于实现压力调节的单参数控制子系统PC，结构框图
如图1-2所示：
实现调节规 律计算 压力参数检测，实 现检测信号转换和 传输
实现被控 量控制
检测的目的是获取信息以此作为生产判断和决策的依
据，能正确指导生产和实现生产过程自动化；
例：曹冲称象
方法：比较法； 装置：船、石头、小秤； 检查、测量，从而得到： 定性、定量的结果。
• 检测的两个过程： 简单的测试系统可以只 1）用敏感元件（电子技 有一个模块，如玻璃管 术、数字技术）将被 温度计。它直接将被温 测参数的信息转换成 度变化转化液面示值。 另一种形式的信息， 没有电量转换和分析电 实质为能量形式的一 路，很简单，但精度底， 次或多次转换； 无法实现测量自动化。 2）通过显示或其他形式 被人们所认识，实质 为比较
检测仪表的分类
• • • • • • 按参数分类 按响应形式分类 按使用的能源分类 按信号的输出形式分类 按应用的领域场所分类 按仪表结构分类
检测仪表的基本技术性能指标
• 精度等级 仪表的精确度是描述仪表测量结果准确程度的指标； 工业仪表即以最大引用误差值的大小来划分精度等级，并 规定用最大引用误差去掉百分号(％)后的数字系列化后表 示精度等级。 国家规定电工仪表精度等级分为0.1，0.2，0.5，1.0， 1.5，2.5，5.0七级。 •精度等级符号
联锁保护系统：达到危险状态，打开安全阀或切断某些通路， 必要时紧急停车
过程控制的主要内容
自动操纵及自动开停车系统 自动操纵系统：根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某
种周期性操作
自动开停车系统：按预先规定好的步骤将生产过程自动的投入 运行或自动停车 自动控制系统： 利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制，使 他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规 定范围。 常见的测控参数：温度T、压力P、液位L、流量F、成分A （五大参数）
超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在 位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别； 条形码传感器，货品识别。
香港理工AGV模型
c) 生产加工过程监测
切削力传感器，加 工噪声传感器，超 声波测距传感器、 红外接近开关传感 器等。
密歇根大学数字化工厂
Leabharlann Baidu
2、流程工业设备运行状态监控
在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上 设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在 线监测系统。
绪
论
过程控制的主要内容
生产过程自动控制（简称过程控制）是自动控制技术在石油、化 工、电力、冶金、机械、轻工、纺织等生产过程的具体应用， 是自动化技术的重要组成部分。 自动检测系统 利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录 自动信号和联锁保护系统
自动信号系统：当工艺参数超出要求范围，自动发出声光信号
检测仪表的组成；
仪表的分类； 仪表的性能评价指标； 测量误差的理论基础
检测（Detection）定义：
利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装 置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检
查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检
测技术。检测技术是进行各种科学实验研究和生产过 程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。
检测仪表组成：
敏感 元件 信号 变换 传输 处理 非线性 运算
显示装置
检测环节: 是检出元件或传感器，直接感受被测变量，并
将它变换成适于测量的信号形式。
转换放大环节: 对信号进行转换、放大等处理，并传送
给显示部分进行 指示或记录。
显示部分: 就地指示型仪表、单元组合型仪表、数字式显示仪表
检测系统组成：
1.0，1.5，2.5，4.0
1.5 1.5
0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，
• 例1 有两台测温仪表，它们的测温范围分别为 0~100℃和100~300℃，校验表时得到它们的最大绝 对误差均为2℃，试确定这两台仪表的精度等级。 解 这两台仪表的最大引用误差分别为 2 1 100% 2% 100 0 2 2 100% 1% 300 100
例题:
1. 在正常情况下，用0.5级、量程为100℃温度表来测量温度时，可 能产生的最大绝对误差是多少？ Δm=(±0.5%)×100=±0.5℃ 2. 现有精度为0.5级的0～300℃的和精度为1.0级的0～100℃的两个 温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计更好？ 首先考察被测量是否在仪表的测量范围内，再求最大允许误差： Δm1=(±0.5%)×300=±1.5℃ Δm2=(±1.0%)×100=±1.0℃ 可见，选用1.0级的0～100℃的温度计更好。 3. 某压力表精度为2.5级，量程为0～1.5MPa，试求（1）该表的最大 引用误差是多少？（2）可能出现的最大绝对误差是多少？（3） 测量结果显示为0.70MPa时，其相对误差是多少？ (1) 最大引用误差±2.5%。 (2) 最大绝对误差Δm=(±2.5%)×(1.5-0)=0.0375MPa (3) 其最大相对误差为0.0375/0.70=5.4%
石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄露检测。
3、产品质量测量
在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时， 必须对其性能质量进行测量和出厂检验。
汽车扭距测量
图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数 包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力 及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试， 工程师可以了解产品质量。 机床加工精度测量