过程检测仪表
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第2章 过程检测仪表
主要内容
♦ 检测仪表的组成和信号标准 ♦ 过程检测仪表的接线方式
3
♦ 测量误差和精度等级 ♦ 常用的数字滤波方法 ♦ 安全防爆的基本概念 ♦ 温度、压力、流量、物位和成分检测仪表的选型和安装 ♦ 过程控制中的软测量技术
1
2.1 检测仪表组成及接线方式
f(t)
r(t) e(t)
u(t)
0.5 100% 1%
50
m
0.5 100% 100
0.5%
最大引用误差
m
0.45 100
100%
0.45%
精度等级 0.5级
10
2.2 测量误差及处理
EX2: 误差和精度求解II
某根据控制系统工艺设计要求，需要选择一个量程为 0～100kPa的压力表，压力检测误差小于±0.45kPa ， 应该选择何种精度等级的压力表？
1.说明图中R、E、Q、C、F所代表的专业术语内容。 2.说明Z、I、P的信号范围。
3.气动执行器的输入、输出各是什么物理量？
被测对象
被测对象
传感器
变送器
显示装置
3
2.1 检测仪表组成及接线方式
变送器的标准信号 电动信号
4-20mA电流信号（远距离3~5Km） 1-5V电压信号（近距离） 气动信号 20-100kPa气压信号 注意：控制器和执行器的标准信号与变送器的相同
4
2.1 检测仪表组成及接线方式
2.1.2 过程检测仪表的接线方式
q(t)
y(t)
控制器
执行器
被控过程
z(t)
测量变送
• 过程控制的“眼睛”；
• 许多过程控制系统不能长期使用的主要原 因就在于传感器故障！
2
2.1 检测仪表组成及接线方式
2.1.1 检测仪表组成
功能 用于确定被控变量的当前值
组成
传感器 感受被控参数的变化，传送出相应的信号 变送器 将检测信号进行处理后，调制成标准信号
13
2.2 测量误差及处理
2.2.3 测量信号的处理
测量信号的处理包括对测量信号进行线性化处理和滤波处理
1.测量信号的滤波处理
• 过程控制系统中，测量信 号往往带有噪声；
• 关于测量信号的滤波，可 以采用模拟滤波电路，还 可以采用软件数字滤波来 消除噪声。
14
2.2 测量误差及处理
2.数字滤波
• 数字滤波即程序滤波，通过计算机软件滤去干扰信号， 提高信号的真实性。
A
100%
δ:相对误差
△:绝对误差
A:约定或相对真值
引用误差 仪表绝对误差与仪表量程的百分比。
m
X
100%
δm:引用误差 △:绝对误差 X:仪表的量程
8
2.2 测量误差及处理
3.仪表精度等级
把仪表允许的最大引用误差去掉“±”号和“％”号，
便可以用来确定仪表的精度等级。
仪表的最大引用误差
电流二线制、四线制
电流三线制
+过
+过
4~20mA
程
E
程
RL
检 测 仪
—表
A
RL 4~20mA
传
检ห้องสมุดไป่ตู้
A
感
测
器
仪
现 场
—
表
传
感
器
E
现
场
二线制若线仅路采简用单两，根节导省线电将缆热电阻四接线入制电仪桥表，的工作电源可为直流，
将会由于远距离连接导线的也电可阻为而交引流入误差。
5
2.1 检测仪表组成及接线方式
• 在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰。
• 常用的数字滤波有如下几种：
– 1.算术平均值滤波 – 2.程序判断滤波 – 3.中位值法滤波
Y
1 n
n i 1
Xi
– 4.一阶惯性滤波
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2.2 测量误差及处理
数字滤波使用时注意的问题：
• 根据具体情况选择采用。在实际应用中，一般先对采样 值进行程序判断滤波，然后再应用算术平均滤波或一阶 惯性滤波等方法处理；
某压力表刻度0～100kPa，在50kPa处测量值为49.5kPa， （1）求在50kPa处仪表示值的绝对误差、相对误差、引用误差 （2）如果用该仪表进行多次测量，误差分别为-0.45、0.3、0.2、
-0.1kPa，求该仪表的精度等级？
绝对误差 50 49.5 0.5kpa
相对误差 引用误差
最大引用误差
m
0.45 100
100%
0.45%
精度等级 0.4级
11
2.2 测量误差及处理
2.2.2 测量变送中的几个问题
1.信号滞后问题
• 测量元件安装位置不当及测量仪 表本身特性等容易引入纯滞后， 应力求避免。
• 测量滞后问题，主要由测量元件 的惯性造成，在系统设计中应尽 可能选用快速测量元件。
• 应保证测量值的实时性和真实性。
• 对于存在较大干扰的信号，应从抑制干扰角度去考虑， 而不是仅仅滤波！
16
2.2 测量误差及处理
EX3: 换热器温度控制系统
F
R
E 电动 I 控制器
电-气 P 转换器
气动 Q 执行器
换热器
C
-
Z
测量变送
• 某换热器的温度控制系统方块图。系统的被控参数 为出口物料温度，要求保持在（200±20）℃，控 制参数为加热蒸汽的流量。
约定真值 无系统误差情况下，多次测量的平均值。 相对真值 标准仪表的测量值。
2.测量误差 测量值与真值之间存在的差别。
绝对误差
相对误差
引用误差
7
2.2 测量误差及处理
绝对误差 仪表测量值与被测参数真实值之差。 M A △:绝对误差 M:测量值 A:约定或相对真值
相对误差 仪表绝对误差与真实值的百分比。
现场总线方式 • 现场总线是新近发展的一种通信协议方式； • 以HART为例，在一条电缆上同时传输直流4～
20mA的模拟信号和数字信号。
频移键控（FSK）
在直流4～20mA基础上叠加幅值为 ±0.5mA的正弦调制波作为数字信号。6
2.2 测量误差及处理
2.2.1 测量误差的基本概念
1.真值 变量本身所具有的真实值，一般无法得到。
• 多路循环测量时，应保证每路信 号控制的实时性。
12
2.2 测量误差及处理
2.传感器信号传输距离问题
• 电流信号较电压信号抗干扰 能力强，传输距离远；
• 不同电流信号传输距离视变 送器带载能力而定，带载能 力一般在250-750Ω之间；
• 采用通信方式时，信号有时 需加转换器或中继器以延长 传输距离。
去掉“±”号
去掉“％” 号
仪表的准确度等级
我国仪表精度等级有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、 0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。
级数越小，精度越高；级数越大，精度越低。
仪表的精度等级应视工艺需求而定，不能片面追求高精度。
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2.2 测量误差及处理
EX1: 误差和精度求解I
主要内容
♦ 检测仪表的组成和信号标准 ♦ 过程检测仪表的接线方式
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♦ 测量误差和精度等级 ♦ 常用的数字滤波方法 ♦ 安全防爆的基本概念 ♦ 温度、压力、流量、物位和成分检测仪表的选型和安装 ♦ 过程控制中的软测量技术
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2.1 检测仪表组成及接线方式
f(t)
r(t) e(t)
u(t)
0.5 100% 1%
50
m
0.5 100% 100
0.5%
最大引用误差
m
0.45 100
100%
0.45%
精度等级 0.5级
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2.2 测量误差及处理
EX2: 误差和精度求解II
某根据控制系统工艺设计要求，需要选择一个量程为 0～100kPa的压力表，压力检测误差小于±0.45kPa ， 应该选择何种精度等级的压力表？
1.说明图中R、E、Q、C、F所代表的专业术语内容。 2.说明Z、I、P的信号范围。
3.气动执行器的输入、输出各是什么物理量？
被测对象
被测对象
传感器
变送器
显示装置
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2.1 检测仪表组成及接线方式
变送器的标准信号 电动信号
4-20mA电流信号（远距离3~5Km） 1-5V电压信号（近距离） 气动信号 20-100kPa气压信号 注意：控制器和执行器的标准信号与变送器的相同
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2.1 检测仪表组成及接线方式
2.1.2 过程检测仪表的接线方式
q(t)
y(t)
控制器
执行器
被控过程
z(t)
测量变送
• 过程控制的“眼睛”；
• 许多过程控制系统不能长期使用的主要原 因就在于传感器故障！
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2.1 检测仪表组成及接线方式
2.1.1 检测仪表组成
功能 用于确定被控变量的当前值
组成
传感器 感受被控参数的变化，传送出相应的信号 变送器 将检测信号进行处理后，调制成标准信号
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2.2 测量误差及处理
2.2.3 测量信号的处理
测量信号的处理包括对测量信号进行线性化处理和滤波处理
1.测量信号的滤波处理
• 过程控制系统中，测量信 号往往带有噪声；
• 关于测量信号的滤波，可 以采用模拟滤波电路，还 可以采用软件数字滤波来 消除噪声。
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2.2 测量误差及处理
2.数字滤波
• 数字滤波即程序滤波，通过计算机软件滤去干扰信号， 提高信号的真实性。
A
100%
δ:相对误差
△:绝对误差
A:约定或相对真值
引用误差 仪表绝对误差与仪表量程的百分比。
m
X
100%
δm:引用误差 △:绝对误差 X:仪表的量程
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2.2 测量误差及处理
3.仪表精度等级
把仪表允许的最大引用误差去掉“±”号和“％”号，
便可以用来确定仪表的精度等级。
仪表的最大引用误差
电流二线制、四线制
电流三线制
+过
+过
4~20mA
程
E
程
RL
检 测 仪
—表
A
RL 4~20mA
传
检ห้องสมุดไป่ตู้
A
感
测
器
仪
现 场
—
表
传
感
器
E
现
场
二线制若线仅路采简用单两，根节导省线电将缆热电阻四接线入制电仪桥表，的工作电源可为直流，
将会由于远距离连接导线的也电可阻为而交引流入误差。
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2.1 检测仪表组成及接线方式
• 在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰。
• 常用的数字滤波有如下几种：
– 1.算术平均值滤波 – 2.程序判断滤波 – 3.中位值法滤波
Y
1 n
n i 1
Xi
– 4.一阶惯性滤波
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2.2 测量误差及处理
数字滤波使用时注意的问题：
• 根据具体情况选择采用。在实际应用中，一般先对采样 值进行程序判断滤波，然后再应用算术平均滤波或一阶 惯性滤波等方法处理；
某压力表刻度0～100kPa，在50kPa处测量值为49.5kPa， （1）求在50kPa处仪表示值的绝对误差、相对误差、引用误差 （2）如果用该仪表进行多次测量，误差分别为-0.45、0.3、0.2、
-0.1kPa，求该仪表的精度等级？
绝对误差 50 49.5 0.5kpa
相对误差 引用误差
最大引用误差
m
0.45 100
100%
0.45%
精度等级 0.4级
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2.2 测量误差及处理
2.2.2 测量变送中的几个问题
1.信号滞后问题
• 测量元件安装位置不当及测量仪 表本身特性等容易引入纯滞后， 应力求避免。
• 测量滞后问题，主要由测量元件 的惯性造成，在系统设计中应尽 可能选用快速测量元件。
• 应保证测量值的实时性和真实性。
• 对于存在较大干扰的信号，应从抑制干扰角度去考虑， 而不是仅仅滤波！
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2.2 测量误差及处理
EX3: 换热器温度控制系统
F
R
E 电动 I 控制器
电-气 P 转换器
气动 Q 执行器
换热器
C
-
Z
测量变送
• 某换热器的温度控制系统方块图。系统的被控参数 为出口物料温度，要求保持在（200±20）℃，控 制参数为加热蒸汽的流量。
约定真值 无系统误差情况下，多次测量的平均值。 相对真值 标准仪表的测量值。
2.测量误差 测量值与真值之间存在的差别。
绝对误差
相对误差
引用误差
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2.2 测量误差及处理
绝对误差 仪表测量值与被测参数真实值之差。 M A △:绝对误差 M:测量值 A:约定或相对真值
相对误差 仪表绝对误差与真实值的百分比。
现场总线方式 • 现场总线是新近发展的一种通信协议方式； • 以HART为例，在一条电缆上同时传输直流4～
20mA的模拟信号和数字信号。
频移键控（FSK）
在直流4～20mA基础上叠加幅值为 ±0.5mA的正弦调制波作为数字信号。6
2.2 测量误差及处理
2.2.1 测量误差的基本概念
1.真值 变量本身所具有的真实值，一般无法得到。
• 多路循环测量时，应保证每路信 号控制的实时性。
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2.2 测量误差及处理
2.传感器信号传输距离问题
• 电流信号较电压信号抗干扰 能力强，传输距离远；
• 不同电流信号传输距离视变 送器带载能力而定，带载能 力一般在250-750Ω之间；
• 采用通信方式时，信号有时 需加转换器或中继器以延长 传输距离。
去掉“±”号
去掉“％” 号
仪表的准确度等级
我国仪表精度等级有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.4、 0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。
级数越小，精度越高；级数越大，精度越低。
仪表的精度等级应视工艺需求而定，不能片面追求高精度。
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2.2 测量误差及处理
EX1: 误差和精度求解I