测量仪表基本知识.ppt

要控制一个生产过程，首先必须实时检测生产过程中的有关参数。例如温度、压力、流量、液位等。用来检测这些参数的工具称为检测仪表，其中包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的测量变送器。,第一篇 化工检测仪表,一、测量过程与测量误差,1、测量过程,所谓测量，就是用实验的方法，求出某个量的大小。即利用一定的工具（测量仪表），查明某一个物理量的大小。,第一章 测量仪表基本知识,2、测量误差,（1）测量误差的定义 在测量的过程中，由于所使用的测量工具本身不够准确、观测者的主观性和周围环境的影响等，使得测量的结果不可能绝对准确。由仪表读得的被测量值与被测参数的真实值之间，总是存在一定的差距，这种差距就被称为测量误差。（2）测量误差的分类 按其产生的原因和性质的不同，可分为三类：系统误差、疏忽误差和偶然误差,系统误差（规律误差）：在相同的测量条件下，多次测量同一量值时，误差的大小或者不变，或者按一定的规律变化。疏忽误差：测量过程中，由于测量者在测量过程中疏忽大意所造成的测量误差。偶然误差：指在同样的测量条件下，多次测量同一量值时，每次结果都不重复的误差。这种误差是由于一些随机的因素引起的，亦称随机误差。偶然误差的大小反映了测量过程的精密度。,测量误差：仪表测得的测量值 与被测真值 之差，称为绝对误差：,由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的两个读数之差。即：,x0标准表读数,（3）测量误差的表示形式,测量误差的几种表示形式：,绝对误差,相对误差,二、测量仪表的品质指标,1、测量仪表的准确度（精确度）,一台测量范围01000kPa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0400kPa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？,虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。,由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:,仪表的允许误差：是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。,仪表量程=测量上限测量下限 附加误差：是仪表未在规定的工作条件下使用时，测量过程中出现的额外误差。,仪表的基本误差：仪表在规定的工作条件下使用时，测量过程中出现的最大误差。,仪表的精确度等级,仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。把仪表允许的最大相对百分误差去掉“”号和“”号，便可以用来确定仪表的精度等级。目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。,所谓的0.5级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为0.5，以此类推。精度等级一般用一定的符号表示在仪表面板上：,1.5,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。,仪表的精确度等级,例：某压力变送器测量范围为0400kPa，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,去掉和%为1.25，因此该变送器精度等级为1.5级,例：根据工艺要求选择一测量范围为040m3/h的流量计，要求测量误差不超过0.5 m3/h，请确定该仪表的精度等级。,解：同样，先求最大相对百分误差,因此该流量计必须选择1.0级的流量计,结论：工艺要求的允许误差 仪表的允许误差 校验所得到的相对百分误差,2、检测仪表的恒定度变差,在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程（即逐渐由小到大和由大到小）测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不相等，二者之差的绝对值即为变差。,变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,注意：对于一块合格的测量仪表，其变差的大小，不能超过仪表的允许误差。,3、灵敏度和分辨力,灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，是指仪表输出变化量和输入变化量之比，即,灵敏度y/x,分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表最低量程上最末一位改变一个数所表示的被测参数的变化量。,例如：七位数字电压表，若在最低量程时，满度值为1V，则该数字式电压表的分辨力为0.1V。数字仪表能稳定显示的位数越多，则分辨力就越高。分辨率是指数字仪表显示的最小数值与最大数值之比。例如：最小测量范围为0999.9 的数字温度显示仪表，最小显示 0.1(末位跳变1个字)，最大显示999.9，则分辨率为0.01。显然，分辨力为分辨率与最低量程的乘积，即该仪表的分辨力为0.01 999.9=0.1。,4、非线性误差线性度,在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。,通常非线性误差用实际测得的输入输出特性曲线（也称为校准曲线）与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,5、重复性 重复性表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得的标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致，重复性就好，重复性误差就小。,6、动态误差,相对百分误差、非线性误差、变差都是静态误差。动态误差是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。,引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常采用时间常数T和过渡时间两个参数表示，即反应时间。有时也用纯滞后时间表示。它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间的不利影响，会远远超过时间常数T的影响。,三、测量系统中的常见信号类型,作用于测量装置输入端的被测信号，要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型：1、位移信号：模拟仪表 是一种机械信号，包括直线位移和角位移。在测量力、压力、质量、振动等物理量时，要先把它们转换成位移量再处理。2、压力信号：气动、液动仪表 包括气压信号和液压信号，工业检测中主要应用气压信号。,3、电气信号：模拟、数字仪表 有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等。传送快、滞后小、可远距离传递、便于和电子计算机联接。4、光信号：包括光通量信号、干涉条纹信号、衍射条纹信号、莫尔条纹信号等。可以是连续的，也可以是断续（脉冲）式的。,四、测量系统中信号的传递形式,从传递信号的连续性的观点来分，在检测系统中传递信号的形式可以分为模拟信号、数字信号和开关信号：1、模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号。可以变换为电信号，即是平滑地、连续地变化的电压或电流信号。例如：连续变化的温度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连续变化的电势信号。,2、数字信号：是一种以离散形式出现的不连续信号，通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲和高低电平交替变化的电压信号。连续变化的工艺参数（模拟信号）可以通过数字式传感器直接转换成数字信号。然而，大多数情况是首先把这些参数变换成电形式的模拟信号，然后再利用模拟-数字（A/D）转换技术把电模拟量转换成数字量。,3、开关信号：用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。例如：用水银触点温度计来检测温度的变化时，可利用水银触点的“断开”与“闭合”来判断温度是否达到给定值。在自动检测技术中，利用开关式传感器（如干簧管、电触点式传感器）可以将模拟信号变换成开关信号。,五、检测仪表与测量方法的分类,1、根据所测参数的不同，分成压力（差压、负压）测量仪表、流量测量仪表、物位（液位）测量仪表、温度测量仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。2、按表达示数的方式不同，分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。3、按精度等级及使用场合的不同，分成实用仪表、范型仪表和标准仪表，分别使用在现场、实验室、标定室。,（一）检测仪表的分类,（二）测量方法的分类,按照测量结果的获得过程，测量方法可以分为直接测量和间接测量。1、直接测量 利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，并可以直接从显示结果获得被测参数的具体数值。根据被测参数获得方式的不同，直接测量又有偏差法与平衡法(零位法)之分。,偏差法测量时仪表示值偏离零位或静态平衡位置的具体数值，就反映了被测参数的大小。偏差法优点：仪表的结构比较简单、读数简便、直观。缺点是一般来说，精度较低。平衡法是将被测量与标准量进行比较，二者的差值为零值时，标准量的读数就是被测量的大小。平衡法具有很高的测量精度，但响应较慢、测量时间较长。,另外，还有一种将平衡法与偏差法结合起来的一种组合测量方法，称为微差法。这种方法它的测量精度较高，响应比较快。2、间接测量 当被测量不宜直接测量时，可通过测量与被测量有关的几个相关量后，再经计算来确定被测量的大小。间接测量比直接测量要复杂，但随着计算机的应用，仪表功能的加强，测量过程中的数据处理完全可以由计算机快速而准确地完成。,六、化工检测的发展趋势,1、检测技术的现代化：随着科技的发展，新技术、新材料、新工艺不断涌现，新的检测方法不断应用。如激光、微波、超声波、红外线、放射性同位素等非接触检测技术的应用。压敏、热敏、光敏、湿敏、化学敏等器件被不断应用于新型传感器中。此外，仿生传感学作为一门新型学科也正在得到迅速发展。,2、检测仪表的集成化、数字化、智能化 传感器、集成电路、电子化、数字化、微机技术的应用，出现了“材料、器件、电路、仪表”一体化固态传感器。由于电于技术和数字化技术的迅速发展，采用数字式传感器直接输出数字量，是检测仪表发展的动向之一。采用微处理器或单片微型计算机，仪表具有自校准、自调零、自选量程、自动测试以及信息变换、统计处理数据等多种功能，从而实现智能化。,3、软测量技术和虚拟仪器 软测量技术，也称为软仪表技术，是把自动控制理论与生产工艺过程知识有机结合起来，应用计算机技术，对于一些难于测量或暂时不能测量的重要变量（称之为主导变量），选择另外一些容易测量的变量（称之为辅助变量），通过构成某种数学关系来推断和估计，以软件来代替硬件功能。,虚拟仪器技术发展非常迅速，所有测量测试仪器的主要功能可由数据采集数据测试和分析结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出是由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器。虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。,例题分析：2、某台测温仪表的测温范围为2001000，工艺上要求测温误差不能大于5，试确定应选仪表的准确度等级。解：工艺上允许的相对百分误差为：允=5/（1000-200）100%=0.625%要求所选的仪表相对百分误差不能大于工艺上的允，才能保证测温误差不大于5，所以所选仪表的准确度等级应为0.5级。仪表的准确度等级越高，能使测温误差越小，但为了不增加投资费用，不宜选用过高准确度的仪表。,本章作业：P13习题与思考题18,