第一讲 自动控制系统与测量的基本概念

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测量的基本概念
（4）误差的计算方法： 关键在于真值的求取（算术平均值或 标准表的读数）
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测量的基本概念
随机误差的正态分布：
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测量的基本概念 二、仪表的性能指标 1、精度；2、变差；3、灵敏度 与灵敏限（模拟仪表）；4、分辨 力（数字仪表）；5、线性度；6 重复性；7、反应时间（动态误 差）。
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[例2] 某台测温仪表的量程是600-1100℃，工艺要求该仪表指示值的误差不 得超过±4 ℃，应选精度等级为多少的仪 表才能满足工艺要求。 解 为 根据工艺要求，仪表的最大允许误差
max
4 100% 0.8% 1100 600
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±0.8% 介 于 允 许 误 差 ±0.5% 与 ±1.0% 之 间 ， 如 果 选 择 允 许 误 差 为 ±1.0%, 则其精度等级应为 1.0 级。量程 为 600 ～ 1100℃ ，精确度为 1.0 级的仪表， 可能产生的最大绝对误差为±5℃，超过 了工艺的要求。所以只能选择一台允许 误差为±0.5%，即精确度等级为0.5级的 仪表，才能满足工艺要求。


控制器：常规调节器、智能调节器、计算机系统
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0引言----检测过程
（步骤）
测量是以确定被测量的量值为目的 的 一组操作； 量值一般是由一个数乘计量单位所表示的特定量的大小； 真值是指被测量的真实值。
参数检测（测量）就是用专门的技术工具，
依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。
被测 传送放大 被测对象 变量 检测环节 环节 显示环节
mV、V、mA、Ω、Hz、位移、力等等。
传感器--非电量转换成电量的器械
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0引言----检测过程
（步骤）
由于检测元件的输出信号种类很多，而且信号往往 很微弱，一般需要经过变送环节的进一步处理，输出转 换成如0～ 10mA、4～20mA等标准统一的模拟量信号或 者满足特定标准的数字量信号。信号送往显示仪表，指 示或记录工艺变量，或同时送往控制器对被控变量进行
仪表的精度等级是根据仪表的相对误差来定义的。 具体做法：相对误差去掉“±”号及“%”后，系 列化圆整后的数值。仪表精度等级数值越小，说 明仪表测量准确度越高。
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目前我国生产的仪表的精度等级有： 0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0, 1.5,2.5,4.0等。
显然 仪表精度等级数值越小，说明仪表测 量准确度越高。
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[例1] 某台测温仪表的量程是600--1100℃， 其最大绝对误差为±4 ℃，试确定该仪表的精 度等级。
解 仪表的最大相对误差为
max
4 100% 0.8% 1100 600
由于国家规定的精度等级中没有0.8级 仪表，而该仪表的最大引用误差超过了 0.5级仪表的允许误差，所以这台仪表的 精度等级应定为1.0级。
电气测试技术
主讲：
刘志成
自动化系
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电气测试技术
什么是自动化？ 仪表与自动化的关系？ 测量仪表在自动化中的地位？
测量的基本知识
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自动化的概念

工业自动化的概念： 工业自动化是化工、炼油、食品、 轻工、电力等流程工业生产过程自动 化的简称。在生产设备上，配上一些 自动化装置（仪表），代替操作人员 的部分直接劳动，使生产在不同程度 上自动地进行，并达到预定的目标， 这种用自动化装置来管理生产过程的 办法，称为生产过程自动化。
为0.5级，但只有测量范围是0～100℃的温度测量
仪表才满足本题的测量要求。
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仪表精度与量程有关，量程是 根据所要测量的工艺变量来确定的。 在仪表精度等级一定的前提下适当 缩小量程，可以减小测量误差，提 高测量准确性。
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测量的基本概念 2、变差：对于某一输入量，测量仪表
在正行程时的输出量明显地、有规律 地不同于其在反行程时在同一输入量 下的输出量，被测量值正行程和反行 程所得到的两条特性曲线之间的最大 偏差。造成变差的原因有多种，如磁 性材料的磁滞、弹性材料的内摩擦、 运动部件的干摩擦及间隙等。
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测量的基本概念
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测量的基本概念
变差可用测量仪表正行程和反行程特性之间 之间的最大差值，以满量程输出的百分比 来表示：
ymax H 100% yFS
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测量的基本概念 3、灵敏度与灵敏限（模拟仪表中常 用）：灵敏度是指测量仪表在静态工作
条件下，输出量的变化与引起该变化量的 输入变化量之比，其表达式为：
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☆☆仪表的精确度等级☆☆ 习题1：某压力变送器测量范围为0～400kPa，在 校验该变送器时测得的最大绝对误差为— 5kPa，请确定该仪表的精度等级。 解：先求最大相对百分误差
5 *100% 1.25% 400 0
去掉和%为1.25，因此该变送器精度等级为1.5级
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☆☆仪表的精确度等级☆☆ 习题2：根据工艺要求选择一测量范围为 0~40m3/h的流量计，要求测量误差不超过
0.5 m3/h，请选择该仪表的精度等级。
解：同样，先求最大相对百分误差
0.5 *100% 1.25% 40 0
因此该流量计必须选择1.0级的流量计
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☆☆仪表的精确度等级☆☆
例3：某被测温度信号在70～80℃范围内变化，
工艺要求测量误差不超过±1％，现有两台 温度测量仪表，精度等级均为0.5级，其中 一台仪表的测量范围是0～100℃，另一台 仪表的测量范围是0～200℃，试问这两台 仪表能否满足上述测量要求。
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测量的基本概念
一、测量过程的实质与测量误差
（以温度，电阻测量为例说明）
1、测量过程实质上是被测参数信号能量形 式的一次或多次不断变化或传送，并将被 测参数与相应的测量单位进行比较的过程， 而测量仪表就是实现变换、比较的工具。
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测量的基本概念
2、 测量误差: 是被测量的真值与测量值的差值。 有测量就有误差。 （1）误差产生的原因； （2）误差的特点及分类； （3）误差的表示方法：绝对误差和相对误差 （4）误差的计算方法：真值的求取（算术平均值 或标准表的读数）
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测量的基本概念 1、精度：绝对误差能够在一定程度 上反应仪表的精度；相对误差能 够更有效地反应仪表的精度。这 是由于…。
因此，工业上常将绝对误差折合成仪 表测量范围的百分数，称为相对百分 误差。实践中，就是根据该相对百分 误差确定仪表的精度等级。
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精度等级（精度）
——表示仪表测量结果的可靠程度。
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测量的基本概念
系统误差：在重复性条件下，对同一被测量进行 无限次测量所得结果的平均值与被测量的真值之 差。系统误差的共同特点是确定的变化规律，成 因不同，变化规律也不同。按其变化规律系统误 差可分为定值系统误差、线性变化的系统误差、 周期变化的系统误差和复杂规律变化的系统误差。 对于成因已知的系统误差，可以通过工艺途径、 防护隔离等措施使之得到改善和消除；对于变化 规律已知的，还可以通过修正补偿使之改善和消 除。但是系统误差及其产生原因和变化规律不能 完全获知，很难做到完全消除。
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测量的基本概念
（1）误差产生的原因：
b 一般把来源于测量仪表的外部，可能改变 检测仪表的基本工作特性的误差叫做影响 误差或附加误差。
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测量的基本概念
（1）误差产生的原因： 由上面看出：测量误差主要由
基本特性误差和影响误差两种形 式反映出来，从误差的特性来看， 前者综合了检测仪表结构组合性 能，后者则体现检测仪表的适应 性能。
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自动化的概念

随着现代科学技术的蓬勃发展， 炼油、化工、冶金、电力、生物、 制药等工业过程的生产规模越来越 大型化、复杂化，各种类型的自动 控制技术已经成了现代工业生产实 现安全、高效、优质、低耗的基本 条件和重要保证
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自动化的概念
进 料 口 调 节 器 变 送 器
执 行 器
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自动化的概念
进 料 口 调 节 器 变 送 器 进 料 口 控 制 站
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测量的基本概念
（1）误差产生的原因：
a 测量仪表的基本特性误差是由测量仪表的 设计和生产原因造成的，它反映了设计方 面的方法误差和结构工作原理有关的误差。 在生产方面有零部件加工误差、装配误差 和测量方法误差等。也就是说，基本特性 误差是由于传感器本身质量不高的因素造 成的，只有排除或减小各项误差因素，才 能提高其精确程度。
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测量的基本概念
随机误差：随机误差是指测量结果与在重
复条件下，对同一被测量进行无限多次测 量所得结果的平均值之差。随机误差的最 主要特征是随机性。与其它随机变量一样， 测量结果的随机误差分析是以概率论为基 础的，在大量重复试验和测量时，就其个 别来说具有偶然性，但就其总体来说，则 具有必然性即符合统计规律。如有正态分 布、均匀分布、二项分布 等
参数测量的基本过程
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0引言----检测过程
（步骤）
参数（检测测量）就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。
被测 被测对象 变量 检测环节 传送放大 环节 显示环节
参数测量的基本过程
检测环节（元件）又称为敏感元件，它直接响 应被测变量，经能量转换，并转化成一个与被
测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如
y k x
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测量的基本概念 3、灵敏度与灵敏限：
由于种种原因，会引起灵敏度变化， 从而产生灵敏度误差： k S 100% k 灵敏限是指能引起指示值发生变化被 测参数的最小变化量
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4、分辨力（数字仪表中常用）： 分辨力是指测量仪表能检测到的最小 的输入增量。测量仪表的输入输出关系 不可能做到绝对连续。有些测量仪表， （有时）输入量开始变化，但输出量并 不随之发生变化，而是输入量变化到一 定程度时输出才突然产生一小的阶跃变 化，表征了测量仪表的分辨力。
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测量的基本概念
随机误差的正态分布：
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测量的基本概念
随机误差的正态分布：
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测量的基本概念
（3）误差的表示方法： 绝对误差（测量结果与真值之差） 相对误差（相对于真值或量程） 一台测量范围0～1000kPa的压力测量仪表，其
最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内)，另一台测
量范围 0 ～ 400kPa 的压力测量仪表，其最大绝对误 差5kPa， 请问哪一台压力检测仪表的精度更高？
仪表的精度等级以一定的符号形式表 示在仪表标尺板上，如 1.0 外加一个圆圈 或三角形。精度等级 1.0 ，说明该仪表允 许误差为1.0%。
1.0 允许误差？
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1.0

仪表的精度等级是衡量仪表质量优 劣的重要指标之一。

精度等级数值越小，表示仪表的精 确度越高。 精度等级数值小于等于0.05的仪表 通常用来作为标准表，而工业用表 的精度等级数值一般大于等于0.5。
控制。
有些时候，检测环节可以不经过变送环节，
直接通过显示装置把被测量显示出来。
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检测——实施正确控制的第一步
变送——将检测元件输出的各种信号、微 弱信号转化成统一(标准)的电气信号。 显示或记录 过程控制对检测仪表要求： 静态：正确—— y(t) 正确反映 c(t)的值
可靠——长期工作
动态：迅速——y(t)迅速反映c(t)的变化
变 送 器

执 行 器 执 行 器
6
常见的测控参数：T、P、L、F、A（五大参数）
5.测控仪表的分类：变送器（传感器）、执行器、控制器三大类
温度T：温度变送器（热电偶、热电阻、集成温度传感器 ） 压力P：压力变送器 差压P：差压变送器 * 变送器 液位L：差压变送器 * 流量F：流量变送器（电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计 ） 成份A：成份分析仪（在线、离线） 电动调节阀 能源（动力） 气动调节阀 执行器 工作方式 连续0 ~ 100%：调节阀 通断On / Off ：开关阀
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解：由题意可知，被测温度的允许最大绝对误差 为：|△max|＝80×1％＝0. 8℃ 测量范围为0～100℃的仪表的最大允许绝对 误差为：|△max|1＝100×0.5％＝0.5℃ 测量范围为0～200℃的仪表的最大允许绝对 误差为：|△max|2＝200×0.5％＝1.0℃ 根据上述计算，虽然两台仪表的精度等级均
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测量的基本概念
（2）误差的特点及分类：
在测量过程中，存在诸多因素 都会导致测量误差。误差的成因 不同，以致误差的性质和表现出 的特征也不同，据此可将测量误 差分为系统误差和随机误差。
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补充概念
测量的重复性和复现性 测量的四要素：测量程序； 环境条件； 设备仪器； 操作人员 重复性：在相同的测量条件下，对同一被测量 进行连续多次的测量所得结果之间的一致性。 复现性：改变测量条件，同一被测量的测量结 果之间的一致性