自动检测技术与仪表控制系统-绪论

教材及参考书教材：张宝芬主编《自动检测技术及仪表控制系统》化学工业出版社2000.8参考书：黄长艺等编《机械工程测试技术基础》机械工业出版社1995.10严钟豪等编《非电量电测技术》机械工业出版社1994.10吴勤勤主编《控制仪表及装置》化学工业出版社2002.8课程性质：考试课学时分配：48学时讲授24学时实验本课程的主要组成部分误差与检测方面的基础知识过程参数检测技术仪表系统分析系统控制技术误差与检测方面的基础知识误差如何评定、误差的分类、不同误差的不同处理方法、误差的合成（传递）、最小二乘法检测方法、检测系统模型、提高检测精度的方法等过程参数检测技术温度检测（热电偶、热电阻、辐射测温仪表等的结构、工作原理及测量方法）压力检测（各种压力计工作原理及其使用）流量检测（流量检测的原理及方法）物位检测（常用的物位检测仪表）各种机械量检测（长度、位移、速度、转角、转速、力、力矩、振动等）成分检测（混合气体成分、酸度、湿度仪表系统分析常用仪表的分类和特性仪表系统的建模（时域、频域）仪表系统时域和频域特性分析各种仪表单元的结构及工作原理（变送单元、显示单元、调节控制单元、执行单元）系统控制技术计算机仪表控制系统现场总线控制系统第一篇基础知识引论1.绪论 任何一个工业控制系统都必然要应用一定的检测技术和相应的仪表单元，检测技术和仪表两部分是紧密相关和相辅相成的，他们是控制系统的重要基础。

检测单元完成对各种过程参数的测量，并实现必要的数据处理；

仪表单元则是实现各种控制作用的手段和条件，它将检测得到的数据进行运算处理，并通过相应的单元实现对被空变量的调节；

测量就是用实验的方法，借助一定的仪器或设备，得到被测量数值大小的过程。为了准确获取表征对象特征的定量信息还要对实验结果进行数据处理和误差分析，估计结果的可靠性；主要内容典型的检测仪表控制系统及工业检测仪表控制系统的一般结构检测和仪表中常用的基本性能指标测量范围、上下限、量程；零点迁移和量程迁移；灵敏度和分辨率；误差；精确度；精确度；滞环、死区和回差检测仪表技术发展趋势1.1典型的检测仪表控制系统 下图为天然气脱硫的过程。需要控制的参数分别为压力、液位和流量，这将构成PC、LC、FC三个单参数调节系统。对于实现压力调节的单参数控制子系统PC，结构框图如图1-2所示：压力参数检测，实现检测信号转换和传输实现调节规律计算实现被控量控制

PC的作用是实现对天然气压力的调节，工作过程为：首先测量进入脱硫塔的天然气的压力，检测到的信号经压力变送单元的转换后，以标准信号的形式传输到调节单元，调节单元接受到测量信号后，与给定单元的设定压力值进行比较，并根据设定的控制规律计算出实现调节作用所需要的控制信号，该控制信号借助专用的执行单元机构实现控制信号的转换与保持。同理，控制子系统FC的结构框图如图1-3所示图1-3脱硫塔流量控制系统结构框图在无特殊条件要求下，常规工业检测仪表控制系统的构成基本相同，而与具体采用的仪表类型无关。检测流量并对检测信号进行转换和传输实现安全火花防爆从以上情况，我们可以总结出常规情况下的工业检测仪表控制系统的一般结构可概括如图1-4所示：显然，这是一个闭环回路控制系统被控（被测）对象是控制系统的核心，它可以是单输入单输出对象，也可以是多输入多输出。检测单元是控制系统实现控制调节作用的基础，它完成对所有被测变量的直接或间接测量。变送单元完成对被测变量信号的转换和传输。调节单元完成调节控制规律的运算。执行单元是实现控制的执行机构，接收控制信号驱动执行机构调节被控变量显示单元是控制系统的附属单元。1.2基本概念检测和仪表中常用的基本性能指标一、测量范围、上下限、量程二、零点迁移和量程迁移三、灵敏度和分辨率四、误差五、精确度六、滞环、死区和回差一、测量范围、上下限、量程测量范围：是仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限；测量范围表示法：下限值～上限值。仪表的量程：是测量上限与下限值的代数差，即

量程=测量上限值-测量下限值某秤测量范围为：0~100公斤则量程为100公斤 例如，一个温度测量仪表的下限值是-50℃，上限值是150℃，则其测量范围可表示为-50~150℃，量程为200℃。 由此可见，给出仪表的测量范围便知其上下限及量程，反之，如果只给出仪表的量程，却无法确定其上下限及测量范围。记为： 秤的量程为：L=100公斤二、零点迁移和量程迁移仪表的零点：指测量下限。仪表测量范围的另一种常用的表示方法：是给出仪表的零点和量程。在实际使用中，由于测量要求或测量条件的变化，需要改变仪表的零点或量程，为此，可以对仪表进行零点和量程的调整。零点迁移：通常将零点的变化称为零点迁移；量程迁移：量程的变化称为量程迁移。例如，一把直尺的测量范围为0~10cm。（此时零点为0cm） 如果把2cm处作为测量的起点，这时，测量范围变为-2~8cm。（此时零点为-2cm）右图为典型的单纯零点迁移情况。线段1为原来直尺的测量特性曲线。线段2为零点迁移后的测量特性。二者斜率相同。可见，零点迁移至-2cm，而量程不变（即量程未迁移）。010cm10被测量真实长度直尺显示长度cm-28212右图为单纯量程迁移的示意图。（迁移后的量程增加了）量程迁移前与迁移后线段的斜率有所变化。实际也有零点迁移与量程迁移并存的情况，可扩大仪表的通用性。以上情况通常均需要改变仪表显示值。被测量真实值仪表显示值迁移前迁移后三、灵敏度和分辨率灵敏度（）：是仪表对被测参数变化的灵敏程度。表示方法为：仪表输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。（在稳态条件下）即可见，灵敏度也就是以上两图特性曲线的斜率。因此，量程迁移就意味着灵敏度的改变；而如果仅仅是零点迁移则灵敏度不变。灵敏度的特点：由灵敏度的定义可知，由于仪表的输入和输出量的单位不一定相同，所以，灵敏度有量纲，且由X和Y的量纲确定。灵敏度具有可传递性：首尾串联的仪表系统，总灵敏度是个仪表灵敏度的乘积。容易与灵敏度混淆的概念是仪表分辨率（又称仪表灵敏限、灵敏阈）。它表示引起输出值变化的最小输入量变化值。当输入有微小变化时输出就有变化，则说明分辨率高。灵敏度高，则分辨率高。 四、误差示值和约定真值绝对误差和相对误差引用误差最大引用误差和允许误差误差静态误差与动态误差示值和约定真值示值：仪表指示装置所显示的被测值称为示值。它通常在很大程度上反映了被测真值。但是，严格的说，被测真值只是一个理论值，因为无论采用何种仪表测到的值都有误差。约定真值：实际中，常用精度等级比较高的仪表测出的，或用特定方法确定的约定真值代替被测量的真值。绝对误差和相对误差绝对误差：示值与公认的约定真值之差，通常简称误差。注意：误差值可正可负。绝对误差=示值-约定真值相对误差：绝对误差与约定真值之比。常用百分数表示，即相对误差可以用来比较测量不同的被测量的精度的高低。（相对误差越小，精度越高）例如：测量L1=10mm的尺寸，误差δ1=±8umT2=80℃的温度，误差δ2=±0.005℃比较两次测量精度的高低。（不可用绝对误差表示）解：∴测温试验的精度高。引用误差引用误差：由于仪表多应用在测量接近上限值的量，因而用量程取代相对误差公式中的约定真值得引用误差，即例如：量程为-10V~10V的电压表，在测5.02V的电压时，示值为5V，则此时，该电压表的引用误差为：最大引用误差

是仪表的基本误差，主要质量指标之一。

最大绝对误差是在仪表全量程内被测量平稳变化（增加和减小）时的最大绝对误差。允许误差：仪表在出厂时要规定引用误差的允许值，简称允许误差。若将仪表的允许误差记为Q，最大引用误差记为Qmax

，则两者之间需满足如下关系：Qmax≤Q

即最大引用误差Qmax

不能超过允许误差Q。最大引用误差：误差基本误差：任何测量都是与环境条件相关的，如环境温度、湿度、安装方式等。仪表在使用时按照严格规定的环境条件进行测量，而产生的误差称为基本误差。附加误差：而如果仪表在超出规定的工作条件工作时，所产生的额外的误差，称为附加误差。显然，误差=基本误差+附加误差静态误差与动态误差静态误差：指仪表静止状态时的误差，或被测量变化十分缓慢时所呈现的误差，此时不考虑仪表的惯性因素。也就是仪表的稳态误差。仪表静态误差应用更普遍。动态误差：指仪表因惯性延迟所引起的附加误差，或变化过程中的误差。五、精确度仪表的精确度：通常是允许的最大引用误差去掉百分号和±号后的数字来衡量的。不是实际测量中出现的。例如：某仪表的最大引用误差为-0.5%，则此仪表的精度等级为0.5级。精度等级：按仪表工业规定将精确度划分为若干个等级，称为精度等级。1.0级的意思是在规定条件下实际测量的绝对误差不会超过量程的±1%。可见，精度等级的数字越小，精度越高。那么，仪表的精度等级是如何确定的？或者说最大引用误差如何确定？需要通过实验来计算。 仪表精度等级的确定过程如图所示。其中，线段OA示理想的输入输出特性曲线，曲线1是输入值由测量范围的下限到上限逐渐增大时获得的，称为实际上升曲线；曲线2是输入值由上限到下限逐渐减小是获得的，称为实际下降曲线。由曲线1和2与直线OA的偏差可分别得到最大实际正负偏差。虚线3和4是基本误差的上下限。用最大偏差与量程之比可得到最大引用误差。六、滞环、死区和回差滞环死区回差滞环滞环：仪表内部的某些元件具有储能效应，例如弹性变形、磁滞现象等，其作用使得仪表检验所得的实际上升曲线和实际下降曲线常出现不重合的情况，从而使得仪表的特性曲线形成环状，如下图所示这种现象称为滞环。 显然，在出现滞环现象时，仪表的同一输入值常对应多个输出值，并出现误差。死区死区效应：仪表内部的某些单元具有死区效应。例如传动机构的摩擦和间隙等，其作用亦可使得仪表检验所得的实际上升曲线和实际下降曲线常出现不重合的情况。如图1-8。死区：这种死区效应使得仪表输入在小到一定范围后，不足以引起输出的任何变化，而这一范围称为死区，也叫不灵敏区。理论上，不灵敏区的宽度是灵敏限的2倍。回差回差：如果某仪表既有储能效应，又有死区效应，其综合效应是二者的结合。此时的特性曲线如图1-9所示。在以上各种情况下，实际上升曲线和实际下降曲线间都存在差值，其最大的差值称为回差，亦称变差，或来回变差。七、重复性和再现性重复性再现性重复性重复性：在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输入值进行测量所得的多个输出值之间相互一致的程度称为仪表的重复性。（不考虑滞环和死区的影响）例如，在图1-10中列出了在同一工作条件下测出的仪表的实际上升曲线，其重复性就是指这三条曲线在同一输入值处的离散程度。实际上，某种仪表的重复性常选用上升曲线的最大离散程度和下降曲线的最大离散程度两者中的最大值来表示。图1-10重复性和再现性分析再现性再现性：再现性包括滞环和死区，它是仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示，如图1-10中所示。重复性是衡量仪表不受随机因素影响的能力；再现性是仪表性能稳定的一种标志；因而在评价某种仪表的性能时常同时要求其重复性和再现性。重复性和再现性优良的仪表并不一定精度高，但高精度的表一定有良好的重复性和再现性。八、可靠性（影响产品的质量和生产进度）可靠度： 表征仪表可靠性的尺度有多种，最基本的是可靠度。它是衡量仪表能够正常工作并发挥其功能的程度。简单来说，如果有100台同样的仪表，工作1000h后约有99台仍能正常工作，则可以说这批仪表工作1000h后的可靠度是99%。有效度： 另一个表示仪表可靠性的综合指标是有效度。

平均无故障工作时间为正常工作时相邻两次故障时间间隔的平均值；

平均故障修复时间指仪表修复所用的平均时间。九、漂移漂移：保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的缓慢变化。它可由多种因素引起，如弹性元件的时效、电子元件的老化、放大电路的温漂等。分为时漂和温漂。可说明仪表工作的稳定性能，如果仪表需要长时间运行，这一性能更为重要。十、响应时间响应时间：当仪表输入阶跃