第一章 基础知识(热力设备)

检测技术与仪表第一章基础知识主

要

内

容1.1检测技术及仪表概述1.2电厂热工检测技术及仪表1.3典型仪表控制系统组成1.4测量的相关概念1.5仪表的组成及其性能指标1.1检测技术及仪表概述1.1.1检测技术及仪表的重要性

仪表是人们认识世界的工具，机器是人们改造世界的工具，认识世界是改造世界的前提——王大珩（两院院士、“两弹一星”元勋，“863计划”倡导者之一）；仪器仪表是信息产业（IT），是现代信息链的源头技术（信息的获取、处理、传输和应用）。钱学森院士：“新技术革命的关键是信息技术，信息技术是由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成，测量技术则是关键和基础”；测量蕴含在人类生产生活的各个方面，长短、快慢、轻重、冷热、亮暗、浓淡……仪器仪表工业是国民经济的“倍增器”，是科学研究的“催化剂”，是军事上的“战斗力”。现代仪器仪表是集光、机、电为一体，综合物理、化学、生物、材料、计算机等多学科发展的高新技术领域；测量与科学技术的发展相互制约、相互促进。检测技术的任务：在复杂的环境或者环境背景噪声下，准确的检出或测出某一特定的量。检测技术是研究信息如何提取、如何转换以及信号如何处理等相关理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。仪器仪表的功能：用物理、化学、生物的方法，获取被测对象的组分、状态、运动及变化等信息，通过对信息进行转换和处理，使其以量化形式成为易于人们阅读、识别和表达，或使其进一步信号化、图像化，通过显示系统以利于人们观察、存档或进入其他自动控制系统的具体装置。月球车中国空间设计院牵头研制的月球车在进行沙漠实验。

前苏联设计制造了第一辆月球车

2007年，中国登月计划即将跨出第一步。随着这一梦想的付诸实施，一大批国内自制的航天探测器将陆续进入公众的视野。

2012年，“嫦娥工程”将实现“落地”，月球车、着陆器也将发挥重要角色。“

在月球表面行驶并且对月球考察收集分析样品的专用车辆，我们叫它月球车。月球探测器的着陆舱是在月球表面上实现降陆，是为了要对月球进行深入研究，不仅要有人在月球上取样品，而且要对月球进行详细考察。所以，月球车可以分为无人驾驶月球车以及有人驾驶月球车。

无人驾驶月球车是由轮式基盘以及仪器舱组成，用太阳电池以及蓄电池联合供电。月球车可以根据地球上的遥控指令，并且在高低不平的月面上进行行驶。当遇到紧急情况，月球车上有一套特别装置可以避免颠覆。而在仪器舱内分别装有土壤采集分析装置以及自动光谱测量仪、辐射剂量仪、照相机、电视摄像机以及通信收发设备等，它们都可以自动进行工作。有人驾驶月球车是宇航员驾驶在月面上行走的，作用是用来扩大宇航员的活动范围以及减少宇航员的体力消耗，存放以及运输由宇航员采集的各种土壤以及岩石标本。它的动力主要是由蓄电池供应的。

在1970年11月17日，苏联人把世界上第一个无人驾驶的“月球车”1号送上了月球。直到1971年9月30日，美国“阿波罗”15号飞船也登上月球，并有2名宇航员驾驶月球车在月面上行驶了27千米和35千米。安全检查1.1.2我国检测技术与仪器仪表技术的发展

新中国成立以来，我国的工业建设蓬勃发展，检测技术及仪器仪表制造技术得到了国家的充分重视。20世纪50年代初期，在数十个高等学校设立了相关专业，50多年来培养了数十万名检测技术及仪器仪表方面的专业技术人员，在我国的各个行业从事生产、科学研究工作。检测技术与仪器仪表制造技术在我国工农业、国防建设中发挥了不可取代的作用。1.1.3开设本课程的意义

1）自动化专业的主要专业内容之一：自动化专业学生在专业阶段将要学习的主要内容及工作方向如图1所示：计算机软、硬件，网络技术等检测技术及仪表+自控理论及装置感知并以可观测的方式表达被测参数（检测技术及仪表、现代测试技术、…）利用仪表装置完成控制策略，实现对生产过程的干预，使其按照预定的要求运行。达到安全、经济、高效（自控原理、控制系统、模糊、神经元…）实现智能功能的工具和手段（计算机原理、计算机控制系统、单片机、网络、DCS、PLC…）2）保证生产过程安全、经济运行及实现自动化的前提条件和必要条件3）改善劳动条件、提高劳动效率和设备可靠性的重要依据4）创业、就业的重要方向：研究开发-制造生产-代理销售-成套设计-运行维护为运行人员提供操作依据为自动化装置提供准确即时的测量信号为宏观技术管理、经济管理提供参考依据1.1.4主要内容测量、误差、测量仪表的基本概念；过程工业主要测量参数的测量原理、测量仪表；调节器、执行器等自动化装置介绍；检测领域新技术介绍。1.1.5特点及学习方法本课程以工程测量为背景研究和解决测量原理及测量仪表问题（区别于实验室精密测量仪器和计量）；测量参数划分章节，各章之间相对独立，联系较少；内容涉及学科多，是各学科内容的综合，讲授的只能为典型知识，不可能面面俱到，因此，纯理论知识不深，着重强调知识的应用性；学习时，应掌握课程特点，善于理解、掌握实质、记忆与推理结合，及时预习，带着问题听课，有疑难及时与教师沟通。强化基本概念、理论、方法的掌握，避免“压题”、“突击”、“参考往届试题”等投机式学习。1.2电厂热工检测技术及仪表自动化的含义：用广义的机器来部分代替、完全取代甚至超越人的体力和智力活动。电厂自动化的内涵：主要包括自动检测、自动控制（自动调节）、自动保护、顺序控制和自动化管理等项内容。电厂热工过程自动化的发展20世纪50年代，机、炉、电各自独立地进行控制；20世纪60年代和70年代，机炉集中控制；目前，大型机组采用机、炉、电集中控制方式。电厂热工自动化系统由大量热工检测和控制设备有机构成，根据信息的获得、传递、反映和处理的过程，热工检测和控制设备共分为如下五类：

检测仪表显示仪表调节仪表与集中控制装置集中控制装置执行器1.3典型仪表控制系统组成被调量给定单元调节单元执行单元调节对象测量变送单元自动调节系统的组成框图1.4测量的相关概念1.4.1测量的基本概念一、测量的定义测量的定义：用实验的方法，把被测量与所选定的测量单位进行比较，求其比值以获得被测量数值的过程。三要素：测量的基本方程式：

X=αx-δ

其中：X为被测量；α为比值；x为测量单位；δ为测量误差。αx常被称为仪表读数、指示值、示值等测量单位：必须预先确定；（计量学科的主要内容）测量工具：单位的实物复现形式；测量方法：进行比较的实验；

二、测量的分类按测量用途分类一般测量：对测量结果无需给出误差值或估计测得值的可信度。（生活测量）工业测量：对测量结果只需考虑误差的最大可能性。（技术测量）精密测量：对取得的测量结果要估计其误差，并评定其不确定度（实验室测量）按测量方法分类按测量工具与被测量的关系分类直接测量：单位与被测量直接比较即可获得比值。间接测量：通过某一物理或化学性能随被测量变化而变化的关系，间接地反映被测量的大小。组合测量法：先测出几个参数，然后把所测得的数值组合起来进行数学运算，最后得出被测结果。软测量法：是一种利用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息去估计不可测或难测变量的方法。接触测量：测量工具直接接触被测对象，感受其变化后得出测量结果。非接触测量：测量工具无需直接接触被测对象，就能感受其变化得出测量结果。按测量机理分类按测量示值产生的状态分类能量变换型：将被测参数的能量转换成另一种易测量的能量类型。（电、光等）能量控制型：被测参数的变化使其它参数发生变化，从而控制外部能量。偏位法测量：被测参数使测量装置的参数产生偏差，以此进行刻度；（开环）平衡法测量：上述偏差用已知参数进行平衡，偏差为零时由已知量刻度被测量；微差法测量：综合上两种方法的优点。按被测参数时变状态分类按测量条件分类静态测量：被测量在测量过程中无需考虑时间因素。动态测量：测量过程中，被测量处于时变状态中。等精度测量：在相同条件下进行测量，数据无论偏差大小，具有相同的可信度不等精度测量：在不同的条件下测量的数据。三、常见的过程检测量生产过程中的参数测量常被称为过程检测。（在线检测）热工量温度、热量、压力、真空度、压差、流量、物位等电工量电压、电流、电阻、电感、电容、电功率、频率等物性与成分量成分、浓度、黏度、粒度、浊度、湿度、露点、水分、密度、酸碱度、分子量、纯度等状态量机械运转状态：启停、振动、位移、声音等设备异常状态：过热、泄漏、变形、裂纹、磨损、过负荷等产品在线检测：表面质量、疵品形状等仪表装置状态：绝缘、断线、电源等1.4.2测量的误差与测量的不确定度1、测量误差的表示形式绝对误差定义：测量结果减被测量真实值所得的偏差称为测量的真误差，简称误差。公式：相对误差定义：绝对误差除以被测量的真值的百分数。公式：真实值（真值）：与给定的特定量定义一致的值。严格讲用测量的方法无法获得。常用真值：1）理论真值（理论值、定义值）：根据一定的理论，在严格的条件下按定义确定的真值。2）约定真值（相对真值、代替真值、指定值）：国际计量大会认定，得到大家公认的各种基准、标准或相当于标准的指示值。3）最佳估计值：常数委员会给出的物理常量与常数，如真空中光速等。4）传递值（参考值、实际值）：由计量网传递下来的标准仪器、标准量器和标准物质所给出的值。2、误差产生的原因（测量仪表精度测量精度）原理误差：测量原理及测量方法本身先天存在的误差。装置误差：使用的测试设备本身固有的误差环境误差：环境因素对测量工作的影响（温度、湿度、大气压、电场、磁场、振动…）人员误差：测量人员的操作过程引入的误差。（感官、习惯、技术水平、反应滞后、粗心、误读、…），——[特异功能]3、误差的种类系统误差：测量误差的大小、方向都是恒定或有规律变化误差。有规律，可预知，可补偿（因机理复杂，只能减小误差但不能完全消除误差）随机误差：测量误差的大小、方向都是随机变化的误差。不可预知、不能控制，多次测量符合统计规律。粗大误差：明显歪曲测量结果的误差。仪器故障、人员疏忽、重大干扰等。多数情况属于坏值，可根据一定的规则加以剔除。4、测量的不确定度

1999年5月1日起，国内正式实施国家计量技术规范JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》代替旧规范JJF1027-1991《测量误差及数据处理》中的有关误差部分内容，与国际惯例接轨。测量不确定度含义：表示测量结果正确与否的可疑程度，是给定条件下测量结果的分散性描述，表明了随机效应和系统效应对测量结果所造成影响的大小。不确定度与误差的区别：表示方法比较内容测量误差测量不确定度定义性质测量结果减真值给定条件下测量结果的分散性表达符号非正即负，必有其一恒为正分量的分类随机误差，系统误差A类不确定度评定B类不确定度评定分量的合成代数和方根和自由度不存在存在同测量结果的关系有关无关同测量程序的关系无关有关理论上能否确切地给出不能在给定的条件下能确切的给出评定中与测量结果的分布关系无关有关1.5仪表的组成及其性能指标1.5.1仪表的基本组成1、传感器（敏感元件、一次元件、感受件、测量元件、发送器等）：与被测对象直接联系，感受被测量的变化，并发出一个与被测量相对应的可观测信号作为输出。如：波纹管测压力。对传感器的要求：单值性：输出与被测量单值关系，最好是线性关系；复现性：在不同的测量条件下测量值应在一定的准确度内一致；选择性：传感器输出只对被测量变化敏感，否则将产生差；超然性：对被测量的干扰尽可能小；灵敏性：输出信号尽可能大；稳定性：在规定的工作条件下保持其恒定的计量性能（物理、化学性质稳定）；经济性：价格可被接受。2、变换器：对传感器的输出信号进行某种形式的加工处理。如放大、变换信号性质、信号线性化等，以便于远传、显示或信号统一。变送器：凡输出标准信号的变换器就称之为变送器（4-20mA、0-10mA、20-100kP、标准协议的数字信号等）要求：信号处理后无失真。3、显示装置（二次仪表）：向观测者显示出被测量的数值（就地或远传显示）。要求：便于读数（模拟式、数字式、屏幕式）。1.5.2仪表的性能指标用户关心的内容计量性能可靠性（抗干扰能力、防护能力）防爆性能能耗使用方便性价格用户的选表原则满足计量指标、使用安全可靠、维护量小、投资少；反对盲目追求高、精、尖。一、反映仪表计量性能的主要性能指标1、测量范围及量程：在允许的误差范围内，仪表所能给出的被测量值的集合——测量范围；测量范围的最高值和最低值——测量上限、测量下限；测量上限与测量下限代数差的模——仪表的量程。2、仪表的输入输出特性（如下图所示）：仪表的输入信号作为横坐标输出信号作为纵坐标画出的曲线—输入/输出特性；零点迁移：通过仪表的调零机构，使特性曲线平移的过程（量程保持不变）；量程调整：通过仪表的调量程机构，使特性曲线斜率发生变化的过程。（1）0100100（2）80（3）-257513030（5）（4）输入（%）输出（%）零点迁移和量程调整示意图3、仪表的滞环和回差：滞环：仪表的实际上升曲线与下降曲线不重合时，形成的环状输入/输出特性；（弹性元件的变形、磁滞效应等引起，同一输入量对应两个输出量）回差（变差）：上升曲线和下降曲线在同一输入量下最大的差值。量程上升曲线下降曲线最大回差输入输出死区4、灵敏度（S）仪表输出相应的变化与输入激励的变化,在x处的比值。说明：灵敏度就是仪表输入/输出特性曲线的斜率，仅当特性曲线为线性时，灵敏度为常数，且若不能保证线性特性，上式称为平均灵敏度。

5、分辨率（灵敏限）：使测量仪表产生可察觉响应变化的最小激励变化值。6、死区（不灵敏区）：使测量仪表产生可察觉响应时的最小激励值（下限处）。7、线性度（非线性误差）：对于理论上具有线性“输入—输出”实际特性曲线的仪表，由于各种因素的影响，实际特性曲线往往偏离线性关系，它们之间的最大差值与量程的百分比。8、重复性：同一工作条件下，多次按照同一方向输入信号作全量程范围变化时，对应于同一输入值输出的最大值和最小值的差与量程范围之比的百分数来表示。9、漂移：在保持一定的输入信号和工作条件下，经过一段时间后输出的变化称为漂移。它以整个仪表量程输出的最大变化量与量程之比的百分数来表示。10、反应时间：仪表测量时，要经过一段时间后，指示值才能准确的显示出来，这段时间称为仪表的反应时间。11、仪表的引用误差：用测量仪表的量程代替真值所得到的相对误差。仪表的最大引用误差（%）=量程中最大绝对误差/量程*100%12、仪表的基本误差和允许误差仪表的基本误差：在规定的技术条件下，在仪表的量程范围内，各点出现的示值误差绝对值最大者（可用绝对、相对、引用误差来表示）。仪表的允许误差：在规定的条件下，允许仪表具有的误差最大值。仪表的允许误差是随其精度等级而确定的。13、仪表的精度等级用引用误差表示的仪表允许误差（即仪表的最大引用误差）去掉%后的数字经过圆整后的数值。按照国际法制计量组织（OIML）建议书No.34的推荐，仪表的精度等级采用以下数字，1×10n、1.5×10n、1.6×10n、2×10n、2.5×10n、3×10n、4×10n、5×10n和6×10n（n=1、0、-1、-2、-3等）。仪表合格的标准：仪表的基本误差≤仪表的允许误差<例>有一块温度表，测量范围为0--2000C，1.0级精度，经校验结果如下：问：此表基本误差是多少？是否合格？X0（oC）0

50

100

150

200

δ（oC）0

+2

-3

+1

-4

二、仪表的可靠性定义：产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。这是一个定性的概念，没有具体的“量”的含义。下面为一组常用的可靠性量化指标。1、可靠度定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。设有N0个同样的产品，在同样的条件下同时开始工作，从开始运行到时间t之间有Nf(t)个发生故障，Ns(t)个未发生故障，则其可靠度R(t)可表示为2、失效率定义：系统运行到t时刻后的单位时间内发生故障的系统数与时刻t时完好的系统数之比。对于电子产品而言，λ(t)与时间t的关系如下图所示，这就是著名的“浴盆曲线”。3、平均寿命与平均维修时间平均寿命：对于电子产品，在偶然失效期内，λ(t)几乎与时间无关，即λ(t)=λ，故平均无故障时间（MTTF）:如果产品出现故障后无法修复，则其寿命m又可称为平均无故障时间。平均故障间隔时间（MTBF）:如产品故障可以修复，则其寿命m代表的是平均故障间隔时间。平均修复时间（MTTR）:对于可修复系统的一个重要的可靠性指标。一般来时MTTR<<MTBF。4、利用率（有效度）三、仪表的防爆问题1、基本概念易燃易爆环境下对电动仪表使用提出的要求。（指仪表本身能否影响环境）1）防爆途径隔离电路与环境—结构防爆（隔爆仪表）限制电路能量—本质安全防爆（安全火花防爆仪表）结构防爆的措施本安防爆的措施严密的外壳，符合规定的螺纹、高质量的密封；垫、导线出口采用密封结构、壳内留有气体膨胀空间；向壳内输送洁净空气维持内部正压，使环境易燃易爆气体无法进入壳内；壳内充油，带走热量、熄灭火花、隔离；壳内填充石英砂，熄弧隔热电压<1.2V,电流<0.1A且能量<20或功率<25mW—经检验后可直接用于任何场所（如热电偶、热电阻、光敏电池等）；配套仪表、导线要考虑限制能量；本安仪表本安系统（必要但不充分）。2）燃烧和爆炸机理

可见，仪表要注意自身的温升（变压器、元器件等）爆炸：物质在瞬间以机械功的形式释放出大量能量和气体的现象。

仪表引起的爆炸多为温度过高或出现火花引发的化学性爆炸。

燃烧自燃：受热自燃（外界加热使温度达到自燃点）；本身自燃（内部化学反应、物理、生物发热等引起，如煤堆）闪燃着火需要火源接触物理性：锅炉爆炸、爆管化学性：炸药

发生爆炸的条件：可燃气与空气混合物在一定浓度范围内才能遇火爆炸。浓度不同则程度不同。

<例>CO与空气的比例如下：

CO<12.5％不燃不爆＝12.5％轻度爆炸—爆炸下限

12.5％<CO<30.0% 燃爆逐渐加强＝30.0％最强

30.0％<CO<80.0% 燃爆逐渐减弱＝80.0％轻度燃爆—爆炸上限

>80.0%不燃不爆燃烧与爆炸的异同：发生火灾时，燃烧与爆炸往往相互转化相同点：都是可燃物的氧化反应；不同点：反应速度不同，发出功率不同。名称下限％上限％甲烷515乙烷3.2212.45丙烷2.739.5乙烯2.7528.6乙炔*2.580一氧化碳12.580氢气*474……常见可燃物气体的爆炸极限（20oC,101.3Pa）易爆混合物的最低引爆能量（点燃能量）：名称能量（mJ）甲烷0.47乙烷0.285丙烷0.305乙烯0.096乙炔0.019氢气0.017（易燃爆）氨*1000.0（不易燃爆）……说明：对工作在易爆气体中的仪表，无论正常或异常，都不能产生能量过大的火花—安全火花。粉尘的爆炸性：引爆能量相对较高，但危害较大铝粉、镁粉等—金属粉末煤粉、碳粉等—燃料粉末面粉、淀粉等—粮食粉末塑料、染料等—合成物粉末鱼粉、血粉等—饲料粉末棉花、烟草等—纤维粉末木屑、纸屑等—林产品粉末2、防爆等级和标志

1）危险场所的分类、易爆程度分级与引燃温度分组：类别

I类：由甲烷气体的煤矿井下；II类：有各种易燃易爆气体的工业生产场所；III类：有易燃易爆粉尘的场所。级别A级：难以引爆B级：中间状态C