第1章 检测技术基本概念.ppt

刘玉长刘玉长自动检测及控制自动检测及控制自动检测及控制自动检测及控制2011.022011.022011.022011.02内蒙古科技大学信息学院刘玉长刘玉长教材教材 刘玉长刘玉长.自动检测和过程控制自动检测和过程控制(第第4 4版版).).冶金工业出版社冶金工业出版社主要参考书：主要参考书：厉玉鸣厉玉鸣.化工仪表及自动化（第化工仪表及自动化（第4 4版）版）.化学工业出版社化学工业出版社 潘永湘潘永湘.过程控制与自动化仪表过程控制与自动化仪表.机械工业出版社机械工业出版社刘玉长刘玉长自动检测及控制的实际应用自动检测及控制的实际应用 1.1.人与机器的机能对应关系：人与机器的机能对应关系：刘玉长刘玉长2.检测及控制技术在各领域的应用检测及控制技术在各领域的应用刘玉长刘玉长换热器的控制换热器的控制丙烯冷却器的控制丙烯冷却器的控制反应器的控制反应器的控制精馏塔的控制精馏塔的控制刘玉长刘玉长刘玉长刘玉长夜夜视瞄准机系统（非冷却红外传感器技术）；视瞄准机系统（非冷却红外传感器技术）；激光测距仪（可精确的定位目标）激光测距仪（可精确的定位目标）刘玉长刘玉长阿波罗阿波罗1010（火箭部分（火箭部分20772077个传感器；飞船部分个传感器；飞船部分12181218个传感器）个传感器）神州飞船神州飞船（185185台（套）仪器装置）台（套）仪器装置）飞行器测控飞行器测控 （检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵）（检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵）火箭测控火箭测控（检测火箭状况、姿态、轨迹检测火箭状况、姿态、轨迹）刘玉长刘玉长上篇 自动检测自动检测技术主要介绍工业过程控制中自动检测技术主要介绍工业过程控制中温度、温度、压力、流量、物位、成分、机械量等压力、流量、物位、成分、机械量等的检测原的检测原理、方法与检测仪表。内容如下：理、方法与检测仪表。内容如下：检测技术基础流量测量与仪表物位检测仪表成分分析仪表温度检测与仪表压力检测与仪表机机械械量量测测量量与仪表显示仪表新型检测技术与仪表 刘玉长刘玉长第一章第一章 自动检测技术基础自动检测技术基础本章介绍自动检测技术、仪表的基本章介绍自动检测技术、仪表的基本概念与有关测量误差及处理的基本原本概念与有关测量误差及处理的基本原理与方法。理与方法。第一节第一节 自动检测的基本概念自动检测的基本概念第二节第二节 测量误差及处理方法测量误差及处理方法 第三节第三节 测量不确定度测量不确定度刘玉长刘玉长第一节 自动检测的基本概念一、检测一、检测检测即测量，是为准确获取表征被测对象特征的检测即测量，是为准确获取表征被测对象特征的某些参数的定量信息，利用专门的技术工具，运用适当某些参数的定量信息，利用专门的技术工具，运用适当的实验方法，将被测量与同种性质的标准量的实验方法，将被测量与同种性质的标准量(即单位量即单位量)进行比较，确定被测量对标准量的倍数，找到被测量数进行比较，确定被测量对标准量的倍数，找到被测量数值大小的过程。值大小的过程。测量：测量：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测：检测：是意义更为广泛的测量，检测是意义更为广泛的测量，检测=测量测量+信号检出（极信号检出（极 为重要）为重要）刘玉长刘玉长二、检测的基本方法检测方法是实现检测过程所采用的具检测方法是实现检测过程所采用的具体方法。根据检测仪表与被测对象的特点，体方法。根据检测仪表与被测对象的特点，检测方法主要有以下几种：检测方法主要有以下几种：(1)(1)接触式与非接触式接触式与非接触式;(2)(2)直接、间接与组合测量；直接、间接与组合测量；(3)(3)偏差式、零位式与微差式测量。偏差式、零位式与微差式测量。v 还有其他的分类还有其他的分类 (如根据物理量、检测原理如根据物理量、检测原理)。刘玉长刘玉长三、检测仪表的组成 检测仪表是实现检测过程的物质手段，是测量检测仪表是实现检测过程的物质手段，是测量方法的具体化，它将被测量经过一次或多次的信号方法的具体化，它将被测量经过一次或多次的信号或能量形式的转换，再由仪表指针、数字或图像等或能量形式的转换，再由仪表指针、数字或图像等显示出量值，从而实现被测量的检测。显示出量值，从而实现被测量的检测。电量电量/数字量数字量电量电量物理量物理量检测仪表的组成框图检测仪表的组成框图被被测测对象对象传感器传感器变送器变送器显示、记显示、记录装置录装置刘玉长刘玉长(一)传感器 传感器也称敏感元件，一次元件，其作用是感传感器也称敏感元件，一次元件，其作用是感受被测量的变化并产生一个与被测量呈某种函数关受被测量的变化并产生一个与被测量呈某种函数关系的输出信号。系的输出信号。传感器分类：传感器分类：根据被测量性质根据被测量性质分为机械量传感分为机械量传感器、热工量传感器、化学量传感器及生物量传感器器、热工量传感器、化学量传感器及生物量传感器等；等；根据输出量性质根据输出量性质分为无源电参量型传感器分为无源电参量型传感器(如电如电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等)与发与发电型传感器电型传感器(如热电偶传感器、光电传感器、压电传如热电偶传感器、光电传感器、压电传感器等感器等)。刘玉长刘玉长(二)变送器 其作用是将敏感元件输出信号变换成既保存原始信其作用是将敏感元件输出信号变换成既保存原始信号全部信息又更易于处理、传输及测量的变量，因此要号全部信息又更易于处理、传输及测量的变量，因此要求变换器能准确稳定的实现信号的传输、放大和转化。求变换器能准确稳定的实现信号的传输、放大和转化。(三)显示(记录)仪表 也称二次仪表，其将测量信息转变成人感官所能接也称二次仪表，其将测量信息转变成人感官所能接受的形式，是实现人机对话的主要环节。显示仪表可实受的形式，是实现人机对话的主要环节。显示仪表可实现瞬时或累积量显示，越限和极限报警，测量信息记录，现瞬时或累积量显示，越限和极限报警，测量信息记录，数据自动处理，甚至参量调节功能。一般有模拟显示、数据自动处理，甚至参量调节功能。一般有模拟显示、数字显示与屏幕显示三种形式。数字显示与屏幕显示三种形式。刘玉长刘玉长四、检测仪表的分类v按被测参数性质分：过程参数按被测参数性质分：过程参数(温度、压力、流量、温度、压力、流量、物位、成份物位、成份)、电气参数、电气参数(电能、电流、电压等电能、电流、电压等)与机与机械量械量(位移、速度、振动等位移、速度、振动等)；v按使用性质分类：实用型、范型和标准型；按使用性质分类：实用型、范型和标准型；v其他分类方式：其他分类方式：工作原理工作原理不同，分为模拟式、数字式不同，分为模拟式、数字式和图像式等；按和图像式等；按仪表功能仪表功能的不同，可分为指示仪、记的不同，可分为指示仪、记录仪、积算仪等；按仪表系统的录仪、积算仪等；按仪表系统的组成方式组成方式的不同，分的不同，分为基地式仪表和单元组合式仪表；按为基地式仪表和单元组合式仪表；按仪表结构仪表结构的不同，的不同，分为开环式仪表与闭环式分为开环式仪表与闭环式(反馈式反馈式)仪表。仪表。刘玉长刘玉长五、检测仪表的主要性能指标v静态性能指标静态性能指标:不必考虑仪表输入量与输出量之间的动态关系而只不必考虑仪表输入量与输出量之间的动态关系而只需考虑静态关系，联系输入量与输出量之间的关系式中需考虑静态关系，联系输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。不含有时间变量。v动态性能指标动态性能指标:是测量仪表在动态工作过程中所呈现出的特性，其是测量仪表在动态工作过程中所呈现出的特性，其反映测量仪表对随时间变化的被测量所响应的性能，通反映测量仪表对随时间变化的被测量所响应的性能，通常采用常采用时域特性时域特性与与频域特性频域特性等来表征。等来表征。以下仅介绍以下仅介绍静态性能指标静态性能指标。刘玉长刘玉长(一)测量范围与量程测量范围测量范围:指在正常工作条件下，检测系统或仪表能够指在正常工作条件下，检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围，测量范围用下限值测量的被测量值的总范围，测量范围用下限值ymin至至上限值上限值ymax来表示来表示，即，即ymin ymax。测量量程测量量程:为为测量范围上限与下限的代数差测量范围上限与下限的代数差，即，即 yFS=ymax-ymin（此处转到第二节）（此处转到第二节）刘玉长刘玉长(二)准确度定义定义：准确度也称精确度，是指测量结果与实际值相准确度也称精确度，是指测量结果与实际值相一致的程度，是测量的一个基本特征。一致的程度，是测量的一个基本特征。也是最大引用相对误差。也是最大引用相对误差。max仪表所允许的误差界限，即允许误差；仪表所允许的误差界限，即允许误差；yFS 仪表量程。仪表量程。通常用准确度通常用准确度(精度精度)等级来表示仪表的准确度，等级来表示仪表的准确度，其值为准确度去掉其值为准确度去掉“符号符号”及及“%”后的数字再经后的数字再经过圆整取较大的约定值。过圆整取较大的约定值。刘玉长刘玉长准确度等级(精度等级)国际法制计量组织国际法制计量组织(OIML)建议书建议书No.34推荐，仪表的准确度推荐，仪表的准确度等级采用以下数字：等级采用以下数字：(1,1.5,1.6,2,2.5,3,4,5,6)10n,n=1,0,-1,-2,-3等等 上述数列中禁止在一个系列中同时选用上述数列中禁止在一个系列中同时选用1.510n和和1.610n，310n也只有证明必要和合理时才采用。也只有证明必要和合理时才采用。我国自动化仪表精度等级我国自动化仪表精度等级【GB/T13283-2008】有有0.01、0.02、(0.03)、(0.05)、0.1、0.2、0.25、(0.3)、(0.4)、0.5、1.0、1.5、(2.0)、2.5、4.0、5.0等级别等级别(括号内的精确度等级不推荐采用括号内的精确度等级不推荐采用)。一般科学实验用的仪表精度等级在一般科学实验用的仪表精度等级在0.05级以上；工业检测用级以上；工业检测用仪表多在仪表多在0.15.0级，其中校验用的标准表多为级，其中校验用的标准表多为0.1或或0.2级，现场级，现场用多为用多为0.55.0级。级。刘玉长刘玉长 例例1：某台测温仪表的测温范围为：某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表校验该表时得到的最大绝对误差为时得到的最大绝对误差为+4 ，试确定该仪表的精度等级？，试确定该仪表的精度等级？精度等级在仪表面板上的表示方法；精度等级在仪表面板上的表示方法；确定精度等级的原则：确定精度等级的原则：升级选用，升级选用，降级校验或使用。降级校验或使用。例例2：某台测温仪表的测温范围为：某台测温仪表的测温范围为01000。根据工艺要求，。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过温度指示值的误差不允许超过7，试问应如何选择该仪表，试问应如何选择该仪表的精度等级才能满足上述要求？的精度等级才能满足上述要求？刘玉长刘玉长(三)线性度线性度仪表实测输入输出特性曲线仪表实测输入输出特性曲线与理想线性输入输出特性曲线的与理想线性输入输出特性曲线的偏离程度偏离程度(如图如图)。用实际输入输出用实际输入输出特性曲线与理想输入输出特性曲特性曲线与理想输入输出特性曲线间最大偏差值线间最大偏差值m与量程与量程yFS之之比百分数来表示，如图。比百分数来表示，如图。仪表线性度示意图仪表线性度示意图1-实测曲线实测曲线;2-理想曲线理想曲线图见化工图见化工36页页刘玉长刘玉长(四)变差 变差也称回差或迟滞误差，在外界条件不变的前提下，使用变差也称回差或迟滞误差，在外界条件不变的前提下，使用同一仪表对某一参数进行正反行程同一仪表对某一参数进行正反行程(即逐渐由小到大和逐渐由大即逐渐由小到大和逐渐由大到小到小)测量，两示值之差为变差，变差反映仪表检验时所得的上测量，两示值之差为变差，变差反映仪表检验时所得的上升曲线与下降曲线经常出现不重合的现象。升曲线与下降曲线经常出现不重合的现象。原因原因：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。擦、磁性材料的磁滞。刘玉长刘玉长(五)重复性重复性重复性指在测量装置在同一工作环境，被测对象重复性指在测量装置在同一工作环境，被测对象参量不变的条件下，输入量按同一方向做多次（三次参量不变的条件下，输入量按同一方向做多次（三次以上）全量程变化时，输入输出特性曲线的一致程度。以上）全量程变化时，输入输出特性曲线的一致程度。用输入输出特性曲线间最大偏差值用输入输出特性曲线间最大偏差值R与量程与量程yFS之比百之比百分数来表示，如图。分数来表示，如图。XyFSxyDR0刘玉长刘玉长(六六)分辨力分辨力 分辨力分辨力是指仪器能检出和显示被测信号的是指仪器能检出和显示被测信号的最小变化量，是有量纲的数。最小变化量，是有量纲的数。分辨率分辨率是指仪器是指仪器分辨力除以仪表的量程。分辨力除以仪表的量程。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般认为该表的最后一位所表示的数值就是它一般认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。的分辨力。分辨力的数值小于仪表的最大绝对分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。误差。而最大示值的倒数为数字表的分辨率。而最大示值的倒数为数字表的分辨率。例如，例如，3位表的最大示值为位表的最大示值为1999，刘玉长刘玉长则分辨率为：则分辨率为：1/19991/2000=0.0005=0.05%即万分之五。即万分之五。衡量仪表质量优劣的指标有：衡量仪表质量优劣的指标有：刘玉长刘玉长第二节第二节 测量误差及处理方法测量误差及处理方法在测量过程中，由于测量方法的差异性，在测量过程中，由于测量方法的差异性，测量工具准确性，观测者的主观性、外界条测量工具准确性，观测者的主观性、外界条件的变化及某些偶然因素等的影响，使得被件的变化及某些偶然因素等的影响，使得被测量的测量结果与客观真值之间总存在一定测量的测量结果与客观真值之间总存在一定的差值，这种差值称为测量误差。的差值，这种差值称为测量误差。刘玉长刘玉长一、测量误差(一一)测量误差的表示方法测量误差的表示方法1、绝对误差、绝对误差被测量的测量值被测量的测量值(xi)与真值与真值(x0)之差。即之差。即=xi-x0真值真值x0是指被测量的客观真实值，有以下几种取法：是指被测量的客观真实值，有以下几种取法：理论真值：理论真值：理论上存在、计算推导出来，如三角形内角和理论上存在、计算推导出来，如三角形内角和180。约定真值：约定真值：国际上公认的最高基准值。如：基准米国际上公认的最高基准值。如：基准米,定义定义米是米是1299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。相对真值：相对真值：利用利用高一等级精度高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真的仪器或装置的测量结果作为近似真值标准仪器的测量标准差值标准仪器的测量标准差 1/3 测量系统标准差测量系统标准差 检定。检定。刘玉长刘玉长2、相对误差相对误差相对误差是指被测量的绝对误差与约定值的百是指被测量的绝对误差与约定值的百分比，通常有三种表示方式：分比，通常有三种表示方式：(1)实际相对误差实际相对误差：约定值为被测量的真值。：约定值为被测量的真值。实实=/x0 100%(2)给出值相对误差给出值相对误差：约定值可选：约定值可选“测量值测量值”、“标称值标称值”、“实验值实验值”、“示值示值”、“刻度值刻度值”等。等。给给=/x 100%(3)引用相对误差引用相对误差：约定值为仪表量程：约定值为仪表量程yFS。引引=/yFS 100%刘玉长刘玉长(二二)误差分类 误差产生的原因很多，表现形式也是多种多样，可误差产生的原因很多，表现形式也是多种多样，可从不同角度对测量误差进行分类从不同角度对测量误差进行分类:1、按误差出现规律分、按误差出现规律分分为系统误差、随机误差和粗大误差。分为系统误差、随机误差和粗大误差。(1)系统误差系统误差(system error)：指在偏离测量规定条件时或由于测量方法引入的因指在偏离测量规定条件时或由于测量方法引入的因素所引起的、素所引起的、按某确定规律变化的误差按某确定规律变化的误差，它反映了测量，它反映了测量结果对真值的偏离程度，可用结果对真值的偏离程度，可用“正确度正确度”的概念来表征。的概念来表征。v性质性质：有规律，可再现，可以预测。：有规律，可再现，可以预测。v原因原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差。：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差。v处理处理：理论分析、实验验证：理论分析、实验验证修正。修正。刘玉长刘玉长(2)随机误差(random error)指在实际条件下多次测量同一个量时，如果指在实际条件下多次测量同一个量时，如果误差的绝对值和符号以不可预定方式变化的误差，误差的绝对值和符号以不可预定方式变化的误差，它反映了测量结果的分散性，可用它反映了测量结果的分散性，可用“精密度精密度”的概的概念来表征。通常呈正态分布，如图。念来表征。通常呈正态分布，如图。v性质性质：对称性、单峰性、有界性与抵偿性。：对称性、单峰性、有界性与抵偿性。v原因原因：装置误差、环境误差、使用误差。：装置误差、环境误差、使用误差。v处理：处理：统计分析、计算处理统计分析、计算处理减小。减小。刘玉长刘玉长随机误差的正态分布及其性质对称性对称性:正、负误差出现的概率相等；正、负误差出现的概率相等；单峰性单峰性:小误差出现的概率大小误差出现的概率大(为为0时概率最大时概率最大)；有界性有界性:误差出现在误差出现在3范围以外的可能性几乎为范围以外的可能性几乎为0；抵偿性抵偿性:当测量次数足够多时，其算术平均值趋于当测量次数足够多时，其算术平均值趋于0。95.45%99.73%68.26%-3s -2s -s 0 s 2s 3sf(x-a)x-a刘玉长刘玉长(3)粗大误差粗大误差(abnormal error)：指由于错误的读取示值，错误的测量方法等指由于错误的读取示值，错误的测量方法等所造成，明显歪曲了测量结果的误差。这种测量所造成，明显歪曲了测量结果的误差。这种测量值一般称为坏值或异常值，应根据一定的规则加值一般称为坏值或异常值，应根据一定的规则加以判断后剔除。以判断后剔除。v性质性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起。数据混在一起。v原因原因：装置误差、使用误差。：装置误差、使用误差。v处理处理：判断、剔除。：判断、剔除。刘玉长刘玉长 在实际应用中在实际应用中,系统误差、随机误差、粗大误系统误差、随机误差、粗大误差三种误差的划分并非一成不变。差三种误差的划分并非一成不变。它们在一定条件它们在一定条件下可互相转化：下可互相转化：较为随机时较为随机时有规律时有规律时较大时较大时较多时较多时较大时较大时较多时较多时系统系统误差误差随机随机误差误差粗大粗大误差误差刘玉长刘玉长2、按仪表工作条件分 按仪表工作条件，误差可分为基本误差与附加按仪表工作条件，误差可分为基本误差与附加误差两类：误差两类：(1)基本误差基本误差:仪表在规定的正常工作条件下仪表在规定的正常工作条件下(例如例如电源电压和频率、环境温度和湿度等电源电压和频率、环境温度和湿度等)所具有的误差。所具有的误差。通常在正常工作条件下的示值误差就是指基本误差。通常在正常工作条件下的示值误差就是指基本误差。仪表的精确度等级通常是由基本误差所决定仪表的精确度等级通常是由基本误差所决定 (2)附加误差附加误差:仪表偏离规定的正常工作条件时所仪表偏离规定的正常工作条件时所产生的与偏离量有关的误差。产生的与偏离量有关的误差。二、二、误差的分析与处理刘玉长刘玉长v第一章作业;v1.简述检测仪表的组成和每部分的作用；v2.什么是测量误差？测量误差的表示方法有哪两种？各是什么含义？刘玉长刘玉长v3.如果有一台压力表，其测量范围为010MPa，经校验得出下列数据（单位：MPa）：标准表读数0246810被校表正行程读数01.983.965.947.979.99被校表反行程读数02.024.036.068.0310.01刘玉长刘玉长v（1）求出该压力表的变差v（2）问该压力表是否符合1.0级精度？v注：判断是否符合1.0级精度的标准：v通过确定仪表精度等级的原则来计算判断；v通过变差应小于仪表精度等级的规定来判断上述两条必须同时满足才算符合1.0级精度的标准。