测 控 基 础(1)

1、主讲人：隋秀香主讲人：隋秀香20092009年年4 4月月学习本课程意义学习本课程意义 测控是一门综合性的技术学科。测控是一门综合性的技术学科。 测控与生产过程有紧密的联系。测控与生产过程有紧密的联系。 测控系统充分利用了计算机技术。测控系统充分利用了计算机技术。绪绪 论论 科学的利用测量仪表是获取可靠信息的主要途径科学的利用测量仪表是获取可靠信息的主要途径和手段。和手段。 测量技术的应用：测量技术的应用： 日常生活中：汽车日常生活中：汽车 钻井生产中：综合录井仪，随钻测量钻井生产中：综合录井仪，随钻测量 航空航天中：阿波罗航空航天中：阿波罗1010号号 控制和测量一样在生活和生产中发挥重要作

2、用。控制和测量一样在生活和生产中发挥重要作用。控制技术的应用：控制技术的应用： 日常生活中：例如汽车日常生活中：例如汽车 化工生产中：压力控制化工生产中：压力控制课程意义课程意义课程意义课程意义泥浆循环系统泥浆池泥浆泵立管水龙带空气包排出口泥浆净化池振动筛泥浆返出口水龙头钻杆井眼除泥器除砂器除气器砂泵泥浆返出口泥浆吸入管泥浆灌注泵砂泵关乎安全生产中的测控关乎安全生产中的测控 现场数据时实传输，对现场进行实时监测。钻台钻台泥浆池泥浆池泵仓泵仓振动筛振动筛信信 号号WOHRPMTRQSPPWHPDEPTHH2SPIT#1PIT#2PIT#3.MW(in)TPM(in)RES(in)H2SPMP#1

3、PMP#2MW(O)TMP(O)RES(O)RTNSDEGSH2SALSCUTTINGS上海基地上海基地关乎安全生产中的测控关乎安全生产中的测控关乎安全生产中的测控关乎安全生产中的测控课题一课题一:毒性气体检测毒性气体检测点火井 喷重点测量课题二课题二:钻井防碰测量与识别系统钻井防碰测量与识别系统 预测的钻井轨迹到达目的层预测的钻井轨迹到达目的层,减少复杂地层钻井减少复杂地层钻井的碰撞事故；使钻井周期缩短；有利于保护油气层的碰撞事故；使钻井周期缩短；有利于保护油气层和快速钻井。和快速钻井。 不同的传感器安装位置不同的传感器安装位置振动传感器振动传感器数据传输数据传输井下流量计：井下流量计：准确

4、地测量出不同层段的准确地测量出不同层段的注水量。注水量。井下产量计：井下产量计：准确地测量出油不同层段准确地测量出油不同层段的产量。的产量。 对于摸清井下状况，指导油田开发、对于摸清井下状况，指导油田开发、生产，具有十分重要的意义。生产，具有十分重要的意义。关乎提高生产效率的测控关乎提高生产效率的测控第一章第一章 测控基本概念（测控基本概念（2)2) 第一节第一节 生产过程自动化生产过程自动化 第二节第二节 测量过程、仪表的性能指标测量过程、仪表的性能指标第二章第二章 压力的测量与变送（压力的测量与变送（4 4）第三章第三章 物位的测量与变送（物位的测量与变送（4 4）第四章第四章 流量的测量

5、与变送（流量的测量与变送（4 4）第五章第五章 温度的测量变送与显示（温度的测量变送与显示（6 6）第六章第六章 密度的测量与变送密度的测量与变送（4)4)第七章第七章 计算机控制系统计算机控制系统（6 6）第八章第八章 数据采集（数据采集（2)杜鹃，杜鹃，测量仪表与自动化测量仪表与自动化，石油大学出版社，石油大学出版社，20022002年年1010月月王家帧等，王家帧等，传感器与变送器传感器与变送器，清华大学出版社，清华大学出版社，19961996年年李华等，李华等，MCSMCS5151系列单片计实用接口技术系列单片计实用接口技术，北京，北京航空航天大学出版社，航空航天大学出版社，19931

6、993强锡富，强锡富， 传感器传感器，机械工业出版社，机械工业出版社，19881988 第一章第一章 测控基本概念测控基本概念 通常采用的生产过程自动化系统可分为以下几类：通常采用的生产过程自动化系统可分为以下几类： （1 1）自动检测系统：对生产过程的各个参数进行检）自动检测系统：对生产过程的各个参数进行检测，并把测量结果自动的指示和记录下来。测，并把测量结果自动的指示和记录下来。 （2 2）自动报警和保护系统：生产过程不正常时可能引）自动报警和保护系统：生产过程不正常时可能引起事故，必要时要采取紧急措施，如：打开安全阀起事故，必要时要采取紧急措施，如：打开安全阀或切断某些通路，以防事故发生

7、和扩大。或切断某些通路，以防事故发生和扩大。 （3 3）自动操纵系统：按预先规定的步骤，对生产设备进自动操纵系统：按预先规定的步骤，对生产设备进行周期性的操作。行周期性的操作。4 4）自动调节系统：是生产过程自动控制的主要组成部分。自动调节系统：是生产过程自动控制的主要组成部分。生产中某些工艺条件发生变化引起生产过程偏离正常状生产中某些工艺条件发生变化引起生产过程偏离正常状态时，需要调节装置对某些重要参数进行调节使其能自态时，需要调节装置对某些重要参数进行调节使其能自动调回到规定的数值范围，生产能自动维持正常状态。动调回到规定的数值范围，生产能自动维持正常状态。 例例1 1：以液位储槽的控制系

8、统为例，假设：以液位储槽的控制系统为例，假设A A、B B是需要控制是需要控制 液位的最高点和最低点。液位的最高点和最低点。 先设先设H H恰好在恰好在A A、B B之间，系之间，系 统处于平衡，阀门开度不变。当统处于平衡，阀门开度不变。当 由于某种原因使由于某种原因使q1q1增大，增大，H H高过高过A A 点，变送器输出较大信号，调节点，变送器输出较大信号，调节 器通过与给定值比较，发出一个器通过与给定值比较，发出一个 指令，使阀门开大，流出液体指令，使阀门开大，流出液体q2q2 变大，液位逐渐下降。反之亦然变大，液位逐渐下降。反之亦然。 例例2 2：炉温控制系统，在热处理过程中，常需要炉

9、温保炉温控制系统，在热处理过程中，常需要炉温保持恒值或按一定规律变化，如在矽钢片热处理过程中，持恒值或按一定规律变化，如在矽钢片热处理过程中，常需要连续常需要连续1010个小时以上保持个小时以上保持6806805 5的恒温，其控的恒温，其控制原理如图所示：制原理如图所示： 电位器电位器W1W1给出电压给出电压U1,U1,它比例与给定的炉温它比例与给定的炉温6806805 5 ，是个定值。热电偶是炉温的测量元件，把实际炉温是个定值。热电偶是炉温的测量元件，把实际炉温T T转换成转换成相应的电压相应的电压U2U2，两个电压在放大器的输入端进行比较，产生，两个电压在放大器的输入端进行比较，产生的差值

10、电压经放大器放大后，输出电压的差值电压经放大器放大后，输出电压U3U3，加在热处理炉的，加在热处理炉的加热电阻丝两端。加热电阻丝两端。 在正常情况下，电阻丝产生的热量与炉子向周围环境散在正常情况下，电阻丝产生的热量与炉子向周围环境散发的热量相等，使炉内温度保持在某一数值发的热量相等，使炉内温度保持在某一数值T T上，如果环境上，如果环境温度下降，散热增加，炉内温度降低，于是温度下降，散热增加，炉内温度降低，于是U2U2减小，则减小，则U1U1和和U2U2差值变大，加到电阻丝上的电压差值变大，加到电阻丝上的电压U3U3变大，将会产生更变大，将会产生更多的热量，炉内温度会自动上升。反之，如果环境温

11、度上升，多的热量，炉内温度会自动上升。反之，如果环境温度上升，则炉内温度会自动下降。则炉内温度会自动下降。W-55789A型双节流控制箱-POWERCHOKES INC,TEXAS 一般说来，自动调节系统都是由一般说来，自动调节系统都是由调节对象，变送器、调节对象，变送器、调节器和执行器调节器和执行器组成，形成了一个反馈系统，调节作用组成，形成了一个反馈系统，调节作用就是通过这种反馈作用来实现的。就是通过这种反馈作用来实现的。调节系统的术语介绍：调节系统的术语介绍： 调节对象：生产工艺设备调节对象：生产工艺设备 被调参数：保持不变的工艺参数被调参数：保持不变的工艺参数 给定值：被调参数需保持的

12、工艺指标规定的数值给定值：被调参数需保持的工艺指标规定的数值 测量值：被调参数实测值测量值：被调参数实测值 检测变送环节：直接测量被调参数元件，将检测元件信号检测变送环节：直接测量被调参数元件，将检测元件信号转换成标准统一信号的仪表转换成标准统一信号的仪表 调节单元：测量信号和给定信号比较所得偏差，按一定数调节单元：测量信号和给定信号比较所得偏差，按一定数学规律输出调节信号去控制执行器。学规律输出调节信号去控制执行器。 干扰：引起被调参数变化的各种因素。干扰：引起被调参数变化的各种因素。一、变量的测量一、变量的测量 在生产过程中为了对各种变量进行检测和控制，首先在生产过程中为了对各种变量进行检

13、测和控制，首先把这些变量转换成容易比较且便于传送的信息，这就要把这些变量转换成容易比较且便于传送的信息，这就要用到敏感元件、传感器、变送器、转换器。按照传统观用到敏感元件、传感器、变送器、转换器。按照传统观念，传感器归于检测技术，变送器则归于自动化。念，传感器归于检测技术，变送器则归于自动化。 敏感元件：敏感元件： 能够敏感的感受被测变量并做出响应的元件。能够敏感的感受被测变量并做出响应的元件。 如：铂电阻感受温度的升降而改变阻值，它是温度敏感如：铂电阻感受温度的升降而改变阻值，它是温度敏感元件。弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变，是压力元件。弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变，是压力敏感元件

14、。敏感元件。 敏感元件的输出响应与输入量之间如果是线性的正比敏感元件的输出响应与输入量之间如果是线性的正比或反比关系最便于使用。即使是非线性关系，只要这种或反比关系最便于使用。即使是非线性关系，只要这种关系不随时间而变化也可以满足使用的基本要求。关系不随时间而变化也可以满足使用的基本要求。第二节第二节 测量基本概念测量基本概念 传感器：传感器： 具有对被测量敏感，而且具有将被测量的响应传送出具有对被测量敏感，而且具有将被测量的响应传送出去的功能。绝大多数传感器的输出为便于远传是电量形式。去的功能。绝大多数传感器的输出为便于远传是电量形式。如：电压、电阻、频率等。也有利用压缩空气的压力大小如：电

15、压、电阻、频率等。也有利用压缩空气的压力大小传送信息的，这种方法在抗电磁干扰和防爆安全方面比电传送信息的，这种方法在抗电磁干扰和防爆安全方面比电传要优越，但气源和管路投资大，传送速度低。传要优越，但气源和管路投资大，传送速度低。 传感器的输出物理量不拘一格，数值范围没有限制，只传感器的输出物理量不拘一格，数值范围没有限制，只要便于传送，且其它仪表易于接收所传送的信息，就满足要便于传送，且其它仪表易于接收所传送的信息，就满足生产和科研的应用生产和科研的应用。测量基本概念（续）测量基本概念（续） 变送器：变送器：变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一

16、。变送器的任务是把各种非电量的工艺参数（如压力、一。变送器的任务是把各种非电量的工艺参数（如压力、流量、温度、液位等），变换成统一标准信号，然后根据流量、温度、液位等），变换成统一标准信号，然后根据系统的需要，传送到有关单元控制和显示或记录，即输出系统的需要，传送到有关单元控制和显示或记录，即输出标准信号的传感器。例如：直流电流标准信号的传感器。例如：直流电流4-20mA、0-10mA、空气压力：空气压力：20-100Kpa，都是通用的标准信号。，都是通用的标准信号。 有了统一的信号形式和数值范围，就便于把各种变送器和有了统一的信号形式和数值范围，就便于把各种变送器和其它仪表组成检测系统或调节

17、系统。其它仪表组成检测系统或调节系统。测量基本概念（续）测量基本概念（续）BP800BP800型压力变送器型压力变送器量程：量程：75Kpa75Kpa输出：输出：4-20mA4-20mA供电电压：供电电压：24VDC24VDC转换器转换器： 把非标准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号把非标准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号的输入电路或接口的仪表配套。如：气电转换器能把的输入电路或接口的仪表配套。如：气电转换器能把20-100kpa20-100kpa的空气压力转换成的空气压力转换成0-10mA0-10mA的直流电流。的直流电流。测量仪表：测量仪表： 是将被测参数信号经过一次或多次能量形

18、式变换和传是将被测参数信号经过一次或多次能量形式变换和传送，最后由指针或数字形式显示出来。送，最后由指针或数字形式显示出来。 虽然测量仪表的种类、使用条件、原理、结构不同，虽然测量仪表的种类、使用条件、原理、结构不同，但基本组成都如下图：但基本组成都如下图：测量基本概念（续）测量基本概念（续）如：电磁流量计测量基本概念（续）测量基本概念（续）COPA-XE流量计流量计QMAX:600 l/minPOWER:220VACOUT:4-20mADC:40二、测量过程二、测量过程1 1、测量概念、测量概念xUAg测量基本概念（续）测量基本概念（续）2 2、测量方法、测量方法测量过程测量过程2. 2.

19、测量方法（续）测量方法（续）测量过程测量过程非接触式测量：测量过程中测量仪表的任何部分都不与非接触式测量：测量过程中测量仪表的任何部分都不与被测介质接触就能得到测量结果的方法。它不干扰被测被测介质接触就能得到测量结果的方法。它不干扰被测对象，特别是在一些接触式测量方法不能胜任的场合，对象，特别是在一些接触式测量方法不能胜任的场合，例如：多普勒超声流量计例如：多普勒超声流量计。测量过程测量过程三、仪表的测量误差及性能指标三、仪表的测量误差及性能指标1 1、测量误差概念、测量误差概念 测量误差：某一参数的测量值与真实值之差。测量误差：某一参数的测量值与真实值之差。 测量过程中始终存在各种各样的影响

20、因素使得测量结测量过程中始终存在各种各样的影响因素使得测量结果不可能绝对准确，只能尽量接近真实值，测量值与真果不可能绝对准确，只能尽量接近真实值，测量值与真实值之间始终存在着一定差值，这一差值称为测量误差。实值之间始终存在着一定差值，这一差值称为测量误差。一个测量结果只有知道其测量误差或指明其误差范围时，一个测量结果只有知道其测量误差或指明其误差范围时，这种测量结果才有意义。这种测量结果才有意义。 测量基本概念（续）测量基本概念（续）2 2、误差的分类、误差的分类测量误差按其产生的原因不同，分为三类：测量误差按其产生的原因不同，分为三类：在同一条件下多次测量同一被测参数时，测在同一条件下多次测

21、量同一被测参数时，测量结果的误差大小和符号均保持不变，或在条件改变时量结果的误差大小和符号均保持不变，或在条件改变时按某一确定规律变化的误差。按某一确定规律变化的误差。 产生原因：测量过程中仪表使用不当，元件老化、产生原因：测量过程中仪表使用不当，元件老化、外界条件变化等引起的一种误差。外界条件变化等引起的一种误差。 单纯增加测量次数是无法减少系统误差对测量结果的单纯增加测量次数是无法减少系统误差对测量结果的影响，但在找出误差原因后，可通过对测量结果引入适影响，但在找出误差原因后，可通过对测量结果引入适当的修正值加以消除。当的修正值加以消除。仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标仪表

22、的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标3 3、仪表的性能指标、仪表的性能指标绝对误差和相对误差绝对误差和相对误差表示表示仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标（1 1）绝对误差）绝对误差例题：例题：第一组：被测参数的实际值是第一组：被测参数的实际值是x x0 0=1000=1000o oc c ，被测参数，被测参数的测量值的测量值x=1005x=1005o oc c ，则其绝对误差是多少？，则其绝对误差是多少？ 第二组：第二组：x x0 0=100=100o oc x=105c x=

23、105o oc c，则其绝对误差是多，则其绝对误差是多少？少？ 仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标在工程上，要知道被测参数的真实值是困难的，在工程上，要知道被测参数的真实值是困难的，一般采用标准表（精确度较高的仪表）的指示值一般采用标准表（精确度较高的仪表）的指示值作为测量的真实值。作为测量的真实值。 （2 2）相对误差）相对误差 测量值的绝对误差与其真实值之比的百分数。测量值的绝对误差与其真实值之比的百分数。 X-X-被测参数的测量值；被测参数的测量值； X X0 0- -被测参数的真实值被测参数的真实值 %100*00 xxxr仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标

24、仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标 相对误差反映的是测量值在某一点上的准确相对误差反映的是测量值在某一点上的准确度，不能反映仪表在整个测量范围内的准确度。度，不能反映仪表在整个测量范围内的准确度。仪表的准确度不仅与绝对误差有关，还与仪表仪表的准确度不仅与绝对误差有关，还与仪表的测量范围有关，工业上一般采用引用误差来的测量范围有关，工业上一般采用引用误差来衡量仪表的准确度。衡量仪表的准确度。仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标引用误差引用误差%100%1000下上LLxxLaq仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指

25、标最大引用误差最大引用误差（又称（又称仪表的基本误差）仪表的基本误差） 在规定的工作条件下，当被测量平稳的增加或减少在规定的工作条件下，当被测量平稳的增加或减少时，仪表测量范围内各点绝对误差的最大时，仪表测量范围内各点绝对误差的最大者者a amaxmax与量程与量程L L之比的百分数称为该仪表的最大引用误差之比的百分数称为该仪表的最大引用误差q qmaxmax，即，即 它是仪表基本误差的主要形式，也是仪表的主要它是仪表基本误差的主要形式，也是仪表的主要性能指标之一，可以确切反映仪表的测量精度。性能指标之一，可以确切反映仪表的测量精度。%100maxmaxLaq仪表的测量误差及性能指标仪表的测量

26、误差及性能指标回差：回差： 在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程（被测参数由小到大和一参数进行正、反行程（被测参数由小到大和由大到小）测量时，所得仪表示值之间差值，由大到小）测量时，所得仪表示值之间差值，称为回差。称为回差。 回差的大小，一般用在同一被测参数数值下，回差的大小，一般用在同一被测参数数值下，正、反行程时仪表示值之间的最大差值与仪表正、反行程时仪表示值之间的最大差值与仪表量程之比的百分数表示。量程之比的百分数表示。仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标回差：回差： 一般用在同一被测参数数值下，正、反行程一般用

27、在同一被测参数数值下，正、反行程时仪表示值之间的最大差值与仪表量程之比的时仪表示值之间的最大差值与仪表量程之比的百分数表示，即百分数表示，即仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标%100maxLXXh）（反正 要求仪表的回差不能超出仪表精度等级所限定的要求仪表的回差不能超出仪表精度等级所限定的允许误差（即允许引用误差，是仪表出厂时所规定允许误差（即允许引用误差，是仪表出厂时所规定的引用误差的最大允许值）的引用误差的最大允许值） q q允允h hmaxmax例题例题:P13页页-8灵敏度：反映了仪表示值变化对被测参数变灵敏度：反映了仪表示值变化对被测参数变化的灵敏程度。化的灵敏程度。

28、例题例题1：仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标 通常规定：仪表标尺刻度上最小分格值通常规定：仪表标尺刻度上最小分格值不能小于仪表允许的绝对误差值。不能小于仪表允许的绝对误差值。精度及其等级精度及其等级（1 1）精度精度 表示正常使用条件下所得结果的表示正常使用条件下所得结果的 可靠程度。一般用允许引用误差作为确定精度的尺度。可靠程度。一般用允许引用误差作为确定精度的尺度。 允许误差是仪表出厂时所规定的允许误差是仪表出厂时所规定的引用误差的最大允许引用误差的最大允许 值。值。 是根据仪表的最大引用误差是根据仪表的最大引用误差q qmaxmax与国家规定的精度等与国家规定的精度等级综

29、合后确定的，即：级综合后确定的，即： q q允允 q qmaxmax 允许误差去掉允许误差去掉号与号与%号，其数值即为仪表的精度。号，其数值即为仪表的精度。仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标精确度及其等级精确度及其等级（2 2）精度等级）精度等级 它是按国家统一规定的允许误差的大小而划分它是按国家统一规定的允许误差的大小而划分的。某一级仪表的允许误差是指的。某一级仪表的允许误差是指: : 在正常情况下，国家规定这类仪表所允许具有在正常情况下，国家规定这类仪表所允许具有的最大引用误差。的最大引用误差。 仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标精确度及其等级精确度及其等级（2

30、 2）精度等级）精度等级 例如：精度等级为例如：精度等级为1 1级的仪表，其允许误差为级的仪表，其允许误差为1%1%，也，也就是说仪表在测量范围内各点处的引用误差均不允许超就是说仪表在测量范围内各点处的引用误差均不允许超过过1%1%。 目前我国规定生产的仪表精度等级有：目前我国规定生产的仪表精度等级有：0.0050.005、0.020.02、0.050.05、0.10.1、0.20.2、0.250.25、0.40.4、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5。 凡属于同一等级的仪表均应满足它所规定的全部精度凡属于同一等级的仪表均应满足它所规定的全部精度要求。要求。 仪表的测量误差

31、及性能指标仪表的测量误差及性能指标根据仪表校验数据来确定仪表精度等级根据仪表校验数据来确定仪表精度等级 例例2 2：根据工艺要求来选择仪表精度等级根据工艺要求来选择仪表精度等级 例例3 3： 例题例题（精确度及其等级）（精确度及其等级）仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，要求是不同的。艺要求来选择仪表精度等级，要求是不同的。 1 1、根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，、根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应大于或至少等于仪表校验结仪表的允许误差应大于或

32、至少等于仪表校验结果所得到的最大引用误差；果所得到的最大引用误差； 2 2、根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于或至多等于工艺上所允表的允许误差应该小于或至多等于工艺上所允许的许的 最大引用误差最大引用误差。仪表的测量误差及性能指标仪表的测量误差及性能指标按使用能源方式分按使用能源方式分 （1 1）电动单元组合仪表）电动单元组合仪表 以电量为远传信号的仪表。以电量为远传信号的仪表。 DDZDDZ是能源为是能源为220V220V交流供电交流供电, , 输出信号为直流输出信号为直流0 010mA10mA DDZ DDZ是是24V24V直流供电直流供电, , 输出信号为直流输出信号为直流4 420mA20mA。 （2 2）气动单元组合仪表）气动单元组合仪表QDZQDZ 以清洁、干燥的压缩空气（或为能源，其压力大小为以清洁、干燥的压缩空气（或为能源，其压力大小为0.14MPa0.14MPa，它的统一信号为，它的统一信号为202010