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测量控制与仪器仪表前沿技术及发展趋势测量控制与仪器仪表工程师资格认证培训7 现代仪器仪表的设计与制造第2篇 测量控制与仪器仪表前沿技术范铠上海工业自动化仪表研究院 副院长7.1 先进设计制造技术对仪器仪表的作用 优良的设计是产品成功的基础广义广义“设计设计”覆盖产品生命周期的全过程覆盖产品生命周期的全过程狭义狭义“设计设计”特指产品外观和功能的设计特指产品外观和功能的设计 设计缺陷往往是制造与检验无法克服的 广义的产品质量包括：结构性能、工作性能、制造性能结构性能、工作性能、制造性能参见表参见表 1-11-1，p.10p.10（或表或表 2-2 2-2，p.50p.50）7.2 仪器仪表的现代设计技术设计工具的现代化 计算机辅助设计工具（机械、电子、芯片、光计算机辅助设计工具（机械、电子、芯片、光 学、可靠性、智能等，以及各种计算工具）学、可靠性、智能等，以及各种计算工具）计算机仿真设计工具（机械、电子、电磁波、计算机仿真设计工具（机械、电子、电磁波、传热等传热等设计理念的现代化 以人为本的理念、可靠性理念、傻瓜化理念、以人为本的理念、可靠性理念、傻瓜化理念、信息化理念等信息化理念等7.2.1 光机电一体化设计光机电一体化是由光学、机械学、微电子学、信息处理与控制和软件等各种相关技术交叉融合而构成的群体技术组成：本体结构、计算机控制器、驱动装置、传感器（见图 7-2，p.200，或p.221）7.2.1 光机电一体化设计光机电一体化的特点：1.小型化、轻型化小型化、轻型化2.高精度、智能化、柔性化高精度、智能化、柔性化3.高可靠性高可靠性光机电一体化的相关技术 机械、光学、系统集成、检测与传感、信息处机械、光学、系统集成、检测与传感、信息处 理、自动控制、伺服驱动（机械、流体）理、自动控制、伺服驱动（机械、流体）光机电一体化的发展趋势 微型化、智能化、模块化、数字化、集成化、微型化、智能化、模块化、数字化、集成化、信息化信息化7.2.2 智能化设计智能（Intelligence）仪器仪表：以微型计算机、微处理器微核心，数据采集与传感器系统相结合的仪器仪表系统？智能化以一系列智能功能来体现人工智能（Artificial Intelligence,AI）包括：信息的获取，知识的表达、继承、管理、协调和使用，具有对信息和知识的分析、综合和推理过程7.2.2 智能化设计智能化设计的主要内容和基本问题 建模建模 智能设计软件系统的研究开发智能设计软件系统的研究开发智能化设计的主要方法 数字化数字化 并行化并行化 虚拟化虚拟化7.2.3 信息化设计信息能量传输的最佳偶合设计 尽量减少信号传输环节尽量减少信号传输环节 建立传输环节的偶合关系，确保信号有效传输建立传输环节的偶合关系，确保信号有效传输信息传输通道的无失真优化信息融合设计增加仪表的信息量网络化分布式信息获取、储存和处理方式7.2.4 产品与系统的创新设计创新设计技术 实现前人未曾实现过的功能、要求，更新现有实现前人未曾实现过的功能、要求，更新现有产品的工作原理、主要结构、材料、工艺。以产品的工作原理、主要结构、材料、工艺。以提高该产品的竞争能力提高该产品的竞争能力 仿生法、智爆法、联想法、德尔菲法、形象思仿生法、智爆法、联想法、德尔菲法、形象思维法、阵列法维法、阵列法可制造设计 设计阶段决定了设计阶段决定了70%80%70%80%的制造生产率和的制造生产率和70%85%70%85%的产品成本的产品成本7.2.4 产品与系统的创新设计可维护设计 强化可维护的设计（见图强化可维护的设计（见图 7-3 7-3，p.208p.208，或，或p.229p.229）免维护设计、一次性使用免维护设计、一次性使用人因学设计外观设计 人所感知的信息人所感知的信息80%80%来自视觉来自视觉软件的质量保证7.2.5 可靠性设计可靠性是对象在指定条件下、规定时间内完成规定功能的能力基本可靠性平均故障间隔时间（mean time between failures,MTBF）任务可靠性任务可靠度（mission reliability,MR）、致命性故障间隔任务时间（mission time between failures,MTBCF）固有可靠性、使用可靠性7.2.5 可靠性设计浴盆曲线（产品寿命曲线）浴盆曲线（产品寿命曲线）可靠性工程的过程（贯彻产品生命周期的全过程）可靠性工程的过程（贯彻产品生命周期的全过程）可靠性预计（计数法），可靠性分析（故障树法），可靠性预计（计数法），可靠性分析（故障树法），可靠性验证试验，可靠性增长试验可靠性验证试验，可靠性增长试验7.2.5 可靠性设计可靠性工程的内容可靠性工程的内容 元器件、零部件的选择与控制元器件、零部件的选择与控制 降额设计（电压、功率、温度、机械环境等）降额设计（电压、功率、温度、机械环境等）热设计热设计 简化设计简化设计 冗余设计冗余设计 环境防护设计环境防护设计 人机工程设计人机工程设计 电磁兼容设计电磁兼容设计 容错设计容错设计容错设计容错设计7.3 仪器仪表的前沿制造技术基于计算机控制的各种先进制造技术先进机械制造技术先进电子制造技术表面安装技术（表面安装技术（SMTSMT）、无氟无氯清洗技术、）、无氟无氯清洗技术、无铅焊接技术、柔性和多层电路板技术，电路无铅焊接技术、柔性和多层电路板技术，电路板测试技术和防护技术等板测试技术和防护技术等先进制造管理技术7.3.1 计算机集成制造系统技术计算机集成制造（computer-integrated manufacturing,CIM）现代集成制造（contemporary integrated manufacturing,CIM）递阶控制结构（参见图 7-4，p.219，或p.239）总体发展趋势 集成化、数字化集成化、数字化/虚拟化、智能化、敏捷化、虚拟化、智能化、敏捷化、网络化、绿色化网络化、绿色化7.3.1 计算机集成制造系统技术组成 管理信息系统（管理信息系统（Management information Management information system,MISsystem,MIS），），制造资源计划（制造资源计划（Manufacture Manufacture Resource PlanningResource Planning，MRP IIMRP II）工程信息系统（工程信息系统（Engineering Information Engineering Information System,EISSystem,EIS）柔性制造系统（柔性制造系统（Flexible Manufacturing Flexible Manufacturing System,FMSSystem,FMS）质量信息系统（质量信息系统（Quality Information System,Quality Information System,QISQIS）7.3.2 柔性制造系统硬件组成 两台以上加工中心或数控机床两台以上加工中心或数控机床 自动物料储运系统自动物料储运系统软件组成 FMSFMS运动控制系统运动控制系统 FMSFMS建模与仿真建模与仿真 数据管理数据管理7.3.3 虚拟制造技术虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology,VMT）是以虚拟现实（VR）和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工、和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真虚拟企业（Virtual Enterprise,VE）是虚拟制造环境下的一种企业生产模式和组织模式，是一种企业合作形式7.3.4 绿色制造技术绿色制造（Green Manufacturing,GM）是综合考虑环境影响和资源效率的制造制造模式，目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小、资源效率最高，使企业经济效益与社会效益协调、优化7.4 微米纳米制造技术与现代仪器科学7.4.1 微米纳米技术1 nm=110-6 m加工技术的发展与摩尔定律的关系（参见图 7-1，p.199，或p.220）MEMS技术（Micro Electro Mechanical System,微电子机械系统）MEMS技术主要应用于传感器、光学器件、射频器件、微流体与生物器件7.4.2 微米纳米制造技术三种典型技术 以美国为代表的硅微机械加工技术（表面牺牲以美国为代表的硅微机械加工技术（表面牺牲层工艺）层工艺）以德国为代表的以德国为代表的LIGALIGA（光刻、电铸成型、塑铸（光刻、电铸成型、塑铸成型）技术成型）技术 以日本为代表的精密机械加工技术以日本为代表的精密机械加工技术纳米技术 纳米电子学、纳米材料、纳米机械、纳米化学、纳米电子学、纳米材料、纳米机械、纳米化学、纳米生物学、纳米加工技术纳米生物学、纳米加工技术7.4.3 微米纳米的融合7.4.4 微米纳米技术对现代仪器的影响MEMS技术是纳米科学走向纳米技术的桥梁Top-Down技术（由大到小）MEMSMEMS技术技术Bottom-Up技术（由大到小）将对分析科学、生化仪器、医疗仪器及整个仪器仪表科学技术产生影响8典型工业过程参数检测与控制系统的发展趋势第 3 篇 典型测量控制与仪器仪表的发展趋势范铠上海工业自动化仪表研究院 副院长8.1 地位、作用和特点 检测、控制、执行三大环节分步螺旋发展 执行对象运动对象、能量对象运动对象、能量对象固体对象、流体对象（气体、液体、电流）固体对象、流体对象（气体、液体、电流）执行器机械手、机器人等机械机构机械手、机器人等机械机构泵、阀、风机、电触发器泵、阀、风机、电触发器 驱动方式（开关控制、功率控制、变频调速）8.1 地位、作用和特点 连续过程（PA）、离散过程（FA）、间歇过程 过程控制、离散控制、批量控制 控制系统占工程总投资约5%20%，对工程效益的贡献约40%60%控制系统是生产工艺控制和企业管理的不可分割的组成部分 国内企业对先进控制系统的追求超过国外 8.2 典型工业过程参数检测的发展趋势8.2.0 有关检测的两个理念8.2.0.1 应用理念从应用角度将检测分为：计量检测计量检测控制检测控制检测检测的分类计量检测要求：精确度高（线性度、重复性、回差）、要求：精确度高（线性度、重复性、回差）、或（测量）不确定度小或（测量）不确定度小用途：贸易、健康、安全、环保、科学研究用途：贸易、健康、安全、环保、科学研究控制检测（报警检测）要求：重复、稳定、单调、响应速度合适要求：重复、稳定、单调、响应速度合适 （高度可靠、鲁棒）（高度可靠、鲁棒）用途：生产过程的控制和管理用途：生产过程的控制和管理控制测量案例控制测量案例国内某水泥厂要求对回转窑外壳测温用红外温度计测得外表面温度约430用户根据实行了20多年的工艺文件，认为应该低于300 经过验证应该是430 以上我们注意到用了20多年的工艺文件，将实际400多度的温度，误认为不到300度。这样的情况并没有影响20多年的生产和产品质量控制测量案例国内某水泥厂要求对回转窑外壳测温用红外温度计测得外表面温度约430用户根据实行了20多年的工艺文件，认为应该低于300 经过验证应该是430 以上我们注意到用了20多年的工艺文件，将实际400多度的温度，误认为不到300度。这样的情况并没有影响20多年的生产和产品质量控制测量案例因为影响产品质量的是原料在指定“热状态”下持续的时间，只要“热状态”是合适的，无论该状态叫多少度，都能够保证产品的质量如果控制测量结果接近计量测量结果，将方便学术交流、缩短工艺调试时间“控制测量”偏离“计量测量”是会付出代价的控制测量案例因为影响产品质量的是原料在指定“热状态”下持续的时间，只要“热状态”是合适的，无论该状态叫多少度，都能够保证产品的质量如果控制测量结果接近计量测量结果，将方便学术交流、缩短工艺调试时间“控制测量”偏离“计量测量”是会付出代价的8.2.0.1 应用理念三类不同的高水平仪表高性能指标仪表仪表的综合性能指标水平高，（比较全面、平衡）商业化高水平仪表个别指标高得超出了实际需要高应用水平应用技术的重要性远超过仪表性能，制造企业在仪表产品之外还可提供高水平的解决方案，解决应用中的重点、难点问题8.2.0.2 评价理念对仪表评价的概念发生重大变化仪表评价经历的历程 计量性能（测量精度、重复性等）全性能（环境影响量、响应性等）可靠性（MTBF等）电磁兼容性（抗干扰能力、电磁骚扰等）下一个重点可能是容错能力等指标外等指标外性能性能8.2.0.2 评价理念现代仪表评价分三方面：性能、功能和服务性能：除前述性能外，下一个重点可能是容错能力等指标外性能功能：功能评价是结合服务进行的，包括客观评价和主观评价附件：仪表的部分性能、功能是与附件密不可分的，在工业辐射温度计中尤其重要8.2.0.2 评价理念服务：要评价样本、说明书、操作手册、帮助文件、演示文件、网页、传真和技术人员的现场服务由于含机器代码的器件增多，许多评价不仅对最终仪表整机进行，还要评价设计过程软、硬件可靠性、安全性等评价都包括设计过程中的内容8.2.0.2 评价理念性性能能基本基本性能性能测量性能测量性能测量范围、准确度、重复性、分辨力、回差、稳定性测量范围、准确度、重复性、分辨力、回差、稳定性环境环境适应适应性性对象适应对象适应性性响应时间、导热性、热容量、工作波长、目标大小、背景响应时间、导热性、热容量、工作波长、目标大小、背景辐射、光路吸收辐射、光路吸收动力环境动力环境电源（电压、电流、频率、功率），气源（压力、流量等）电源（电压、电流、频率、功率），气源（压力、流量等）负载能力负载能力负载变化、过载能力负载变化、过载能力气候环境气候环境温度、湿度、盐雾、霉菌、粉尘、雨水、太阳辐照温度、湿度、盐雾、霉菌、粉尘、雨水、太阳辐照机械环境机械环境振动、冲击、摇摆、跌落、运输振动、冲击、摇摆、跌落、运输化学环境化学环境腐蚀、催化腐蚀、催化爆炸环境爆炸环境燃气环境、粉尘环境燃气环境、粉尘环境电磁环境电磁环境电磁敏感度、电磁骚扰、传导影响、静电、共摸、串模电磁敏感度、电磁骚扰、传导影响、静电、共摸、串模可靠可靠性性安全性安全性电气安全（绝缘电阻、绝缘强度等），功能安全电气安全（绝缘电阻、绝缘强度等），功能安全可靠性可靠性MTBFMTBF、可维护性、寿命、可维护性、寿命通信通信通信性能通信性能 通信的一致性、可互操作性通信的一致性、可互操作性功功能能操作功能操作功能 参数设置、量程、运算、线性化、环境影响修正、参数设置、量程、运算、线性化、环境影响修正、滤波、校验、滤波、校验、人机交互人机交互功能功能显示方式、显示内容显示方式、显示内容管理功能管理功能 工位描述、安装描述、维护校准记录工位描述、安装描述、维护校准记录维护功能维护功能 自动调零、自诊断、自校准、预测性维护自动调零、自诊断、自校准、预测性维护保护功能保护功能 报警、连锁、故障追忆报警、连锁、故障追忆服服务务售前服务售前服务 支持文档、技术培训、因特网文档和咨询支持等支持文档、技术培训、因特网文档和咨询支持等售后服务售后服务 维护服务、修理服务、升级服务、远程服务支持等维护服务、修理服务、升级服务、远程服务支持等8.2.0.2 评价理念8.2.0.2 评价理念部分软件性能独立于硬件单独评价部分软件性能独立于硬件单独评价对软件的评价不仅看结果还检查设计过程对软件的评价不仅看结果还检查设计过程通过工具软件来评价软件的功能和性能通过工具软件来评价软件的功能和性能文档成为智能仪表不可分割的组成部分参文档成为智能仪表不可分割的组成部分参与评价（既是评价的依据又是评价的对象）与评价（既是评价的依据又是评价的对象）参与评价的文档包括：样本、操作手册、参与评价的文档包括：样本、操作手册、技术标准和其它技术支持文档技术标准和其它技术支持文档8.2.0.2 评价理念评价的场所不仅限于试验室，还包括设计、评价的场所不仅限于试验室，还包括设计、制造和使用场所制造和使用场所制造商的技术支持能力也成为评价内容制造商的技术支持能力也成为评价内容评价需要评价机构、设计制造者与最终用评价需要评价机构、设计制造者与最终用户结合进行户结合进行评价是一个持续不断的积累过程，复杂性评价是一个持续不断的积累过程，复杂性增长过快，需要发展简化有效的评价方法增长过快，需要发展简化有效的评价方法跨国制造商与最终用户之间激烈争夺对评跨国制造商与最终用户之间激烈争夺对评价主动权与发言权价主动权与发言权8.2.0.2 评价理念评价理念变革的核心是扩大评价面，最大的变化是对服务的评价新理念带来产品成本的变化，产品全生命周期成本包括立项调研成本（上升）立项调研成本（上升）研究开发成本（上升）研究开发成本（上升）生产制造成本（大幅下降）生产制造成本（大幅下降）市场营销成本（下降）市场营销成本（下降）售前售后服务成本（上升）售前售后服务成本（上升）关于精度的描述关于精度的描述精确度精确度精确度高意味着精确度限小、或不精确度小、或误差小精确度精确度测量误差由一致性误差、重复性、回差（滞回误差+死区）构成精度的另一种描述精度的另一种描述测量不确定度测量不确定度定义：与测量结果相联系的参数，表征合理地赋予测量之值的分散性测量结果表达为一个区间，实际值在区间内呈某种概率分布测量不确定度不确定度的基础知识测量不确定度分为A类和B类不确定度的A类评定通过测量列中测量结果的统计分布评定，以实通过测量列中测量结果的统计分布评定，以实验标准偏差表征验标准偏差表征不确定度的B类评定基于经验或其它信息，按估计的概率分布（先基于经验或其它信息，按估计的概率分布（先验分布）评定，也用标准差表征验分布）评定，也用标准差表征不确定度的基础知识合成不确定度A A类、类、B B类不确定度各包含若干分量，类不确定度各包含若干分量，合成的方法是：合成的方法是：or扩展不确定度标准不确定度乘标准不确定度乘“包含因子包含因子k k”得扩展不确得扩展不确定度定度包含因子包含因子k k与置信概率相关，在正态分布下与置信概率相关，在正态分布下k k=1(68.3%),=1(68.3%),k k=2(95.4%),=2(95.4%),k k=3(99.7%)=3(99.7%)不确定度的基础知识不确定度的基础知识测量结果的表达 或或 1/3法则在进行方和根运算时，如果一个分量小于另在进行方和根运算时，如果一个分量小于另一分量的一分量的1/31/3，则该分量可以忽略，则该分量可以忽略工业现场测量的不确定度分析工业现场测量的不确定度分析A类多次测量的标准差，反映测量的重复性多次测量的标准差，反映测量的重复性仪表重复性因素（仪表重复性因素（0.5%0.5%）非稳定性影响因素非稳定性影响因素B类测量仪表的校准误差（测量仪表的校准误差（0.5%0.5%）环境（温度等）对测量仪表的影响（环境（温度等）对测量仪表的影响（0.5%/100.5%/10）测量仪表的安装类误差（应尽量消除或补偿）测量仪表的安装类误差（应尽量消除或补偿）环境对被测对象的影响环境对被测对象的影响工业现场测量的不确定度分析工业现场测量的不确定度分析不确定度分量，直接与测量仪表相关的有A A类：仪表测量重复性类：仪表测量重复性B B类：仪表校准误差（一致性、回差和校准差）类：仪表校准误差（一致性、回差和校准差）环境对的仪表影响环境对的仪表影响以0.5级表为例，仪表在合成不确定度中的影响约0.5%2.5%如果仪表以外的影响因素影响大于8%，仪表对于测量的影响就可以忽略当前主流测量仪表的精度为0.1%工业现场测量的不确定度分析工业现场测量的不确定度分析工业现场测量的合成不确定度uc现在大部分情况仪表的因素已经小到可以忽略了所谓控制测量，就是忽略测量中固定的影响因素只关心重复和稳定因素工业现场测量的关键技术是克服非稳定环境对测量的影响8.2.1 温度测量七个基本物理量之一温度单位：开尔文（K），水三相点热力学温度的1/273.16。表达式：1990年国际温标（ITS-90）温标的三要素 定义固定点（定义固定点（16+116+1）、内差仪器（）、内差仪器（4 4种）、内种）、内差方程差方程8.2.1 温度测量温标的范围（0.65K普郎克测温的上限）测温原理生物学、化学、膨胀、压力、电阻、电势、频生物学、化学、膨胀、压力、电阻、电势、频率、相位、电噪声、相变、磁学、光学率、相位、电噪声、相变、磁学、光学测温方式：接触式、非接触式8.2.1 温度测量8.2.1.1 红外测温红外测温属于光学测温法，非接触式测温基本原理是普朗克辐射定律：8.2.1.1 红外测温微红色微红色 500 500 血红色血红色580 580 深樱桃色深樱桃色635 635 中樱桃色中樱桃色690 690 樱桃色樱桃色750 750 亮樱桃色亮樱桃色790 790 橙红色橙红色850 850 深橙色深橙色890 890 橙色橙色940 940 柠檬色柠檬色1000 1000 亮黄色亮黄色1080 1080 白色白色1200 1200 红外测温的优点：非接触式测温非接触式测温测温范围宽（测温范围宽（-505030003000）快速、抗电磁干扰快速、抗电磁干扰红外测温的缺点：测量表观温度而非真实温度测量表观温度而非真实温度影响测量的因素多影响测量的因素多目标辐射率、光路吸收和遮挡、目标辐射率、光路吸收和遮挡、背景辐射和透射背景辐射和透射选择和使用技术较复杂选择和使用技术较复杂8.2.1.1 红外测温8.2.1.1 红外测温表观温度亮度温度辐射温度比色温度广义表观温度8.2.1.1 红外测温 35 1232 774 控制测量案例控制测量案例第1台是（814）m的低温表，在这个波段，玻璃的透过率很低，不透明，因此测的是玻璃表面温度第2台是0.9 m的短波、大视场、高温表，在这个波段，玻璃是透明的，因此测的是炉膛内大区域的平均温度第3台是0.9 m的小目标、高温表，测的是炉管的表面温度3台类似的仪表对着同一个对象得出完全不同的表观参数测量结果控制测量案例控制测量案例不同仪表或相同仪表在不同条件下，表观参数测量的结果可以是不一样的，因此用仪表时一定要搞清楚“在做什么？”评价表观参数测量的好坏，主要用“重复性”和“稳定性”影响因素是妨碍计量测量的“缺陷”，但是我们正确的利用了，就变成了仪表的“特点”测量时还要强调，想要测量的目标对象是什么，以便突出对象因素，抑制影响因素8.2.1.1 红外测温红外辐射测温在我国的应用落后于世界30年。美国辐射测温仪表的销售额占温度仪表总销售额30%，这个占有率在我国是0.7%我国仅冶金行业是批量使用辐射测温仪表国内普遍认为红外辐射测温是不准的过去辐射测温仪表的许多缺点现在都成为它的特点了辐射测温基本公式辐射测温基本公式 辐射测温误差辐射测温误差8.2.1.1 红外测温红外辐射仪表见图 8-1(p.244,或p.262)光学接收器（光学系统）：物镜辐射调制器：工业测温系统中大部分没有该部分，盘式旋转系统、片式振动系统红外探测器（传感器）：不要对着太阳！信号处理：包括调理和处理及智能功能显示：模拟指示、数字显示、记录结构原理见图8-2、8-3（p.246或p.264）8.2.1.1 红外测温红外光学系统聚集辐射能量、限制外部能量、选择工作波长透射式、反射式、薄膜费涅尔透镜、小孔式光学材料光学玻璃、石英、氟化镁、氟化钙、氧化镁、光学玻璃、石英、氟化镁、氟化钙、氧化镁、氧化铝、锗、硅、热压硫化锌、塑料薄膜氧化铝、锗、硅、热压硫化锌、塑料薄膜8.2.1.1 红外测温红外探测器（见表 8-1，p.246或p.264）热探测器（热电堆、热敏电阻、热释电）优点：光谱响应范围宽而平坦、常温工作优点：光谱响应范围宽而平坦、常温工作缺点：探测率低、响应速度慢、热释电型必须缺点：探测率低、响应速度慢、热释电型必须调制调制光（量）子探测器（光电导、光伏、光电磁、红外场效应）优点：探测率高、响应速度快、噪声低优点：探测率高、响应速度快、噪声低缺点：光谱响应范围窄、需要制冷缺点：光谱响应范围窄、需要制冷 8.2.1.2 热成像技术工作原理与红外测温相同常用形式：照相、夜视仪、热像仪扫描方法：机械扫描、电扫描（CCD）用途：遥感、医用、工业故障诊断介于点于面之间的图象红外温度计红外图象温度计红外图象温度计红外图象温度计红外图象温度计红外图象温度计红外图象温度计红外图象温度计红外图象温度计8.2.2 压力测量压力变送器电阻应变式（压阻式）金属电阻、扩散硅电阻、陶瓷电阻等金属电阻、扩散硅电阻、陶瓷电阻等电容式金属电容、陶瓷电容、硅电容金属电容、陶瓷电容、硅电容电感式振弦式金属弦、硅谐振梁金属弦、硅谐振梁8.2.2.1 电阻应变式压力变送器电阻应变式（压阻式）8.2.2.1 电阻应变式压力变送器介绍影响压阻系数大小的因素，即晶向、晶向指数以及零点、灵敏度漂移与补偿价格低、使用方便承受过压能力有限8.2.2.1 电阻应变式压力变送器8.2.2.2 电容式压力变送器精度高、可靠性好8.2.2.2 电容式压力变送器8.2.2.3 电感式压力变送器8.2.2.4 振弦式压力变送器差压差压/压力变送器压力变送器 主要趋势：量程比的竞争趋缓 精度、长期稳定性的竞争凸现 多传感器集成补偿环境影响 多参数（P、P、t）多功能（标准态流量或质量流量计算及流量积算等）产品发展迅速差压差压/压力变送器压力变送器 使用中不要过分追求量程比，要注意的是保持精度的有效量程比 国产Smart差压/压力变送器发展很快，年产约两万件8.2.3 流量测量8.2.3.1 两相流测量技术两相流是在流体中有两种不同物质同时存在的运动两相流体流量分为：两相流的总流量、各相流量8.2.3.1 两相流测量技术相关流量计8.2.3.1 两相流测量技术过程层析成像技术（Process Tomograpgy）8.2.3.1 两相流测量技术过程层析成像技术（Process Tomograpgy）8.2.3.2 粒子图象测速技术粒子图象测速技术（PIV）技术分类按成像介质分类基于模拟介质的图形基于模拟介质的图形粒子图象测速（GPIV）基于CCD的数字粒子图象测速（DPIV）按粒子密度分类激光散斑激光散斑测速技术（LSV）粒子图象测速仪（PIV）粒子跟踪测速仪（PTV）速度提取算法 见表 8-2，p.257或p.275流量仪表流量仪表 我国目前流量仪表生产企业约300家，约占仪表行业企业数的15%涡街流量计生产企业上百家，电磁流量计生产企业超过40家，科氏流量计产量上万 世界上所有通用流量计我国都有企业生产，可以满足国内的基本需求 在石油、化工领域的新上项目中，进口流量计占主导地位流量仪表流量仪表11 21世纪前十年，新测量原理流量计的研发进入平稳期，各种流量计的发展主要是性能提高、功能增加以及应用技术的发展1 蔡武昌，流量仪表应用开发动态，2003流量仪表流量仪表 1.多参数组合 科氏流量计通过测量介质密度，兼测混合液的浓度 超声流量计利用液体声阻抗与密度之间的关系计算质量流量 涡街流量计利用旋涡发生体的升力测量流体密度，进而测量质量流量流量仪表流量仪表2.一体化组合 各种流量计与温度计和流量积算器组合 差压变送器与阀组、孔板一体化流量仪表流量仪表 3.超声流量计 精度已提高到可用于贸易计量（液体0.15级、气体0.5级）外夹装式的气体超声流量计 蒸汽用超声流量计 小管径小流量超声流量计流量仪表流量仪表4.电磁流量计 二线制产品 电容电极产品 非满管产品 插入式产品 多电极可测流速二维分布的研究流量仪表流量仪表5.节流式流量计流量仪表流量仪表5.节流式流量计流量仪表流量仪表5.节流式流量计 ISO 5167的修订提高了精度 对前后直管段的要求提高 整流单元成为标准化元件 内锥流量计、槽道流量计等环形流道流量计、多孔节流元件大行其道8.2.4 物位测量液体介质液面高低液位液体液体、液体固体的分界面界位固体粉末或颗粒状物质的堆积高度料位液位、界位、料位通称物位8.2.4 物位测量超声波物位测量声波在不同介质中吸收率不同（透射式）声波在两相界面会发生反射（反射式）声波频率越高方向性越好、频率越低传输越远8.2.4 物位测量超声波物位测量8.2.4 物位测量微波物位测量与超声波式有许多类似之处常用脉冲法和连续波调频法8.2.4 物位测量容栅式阵列电极传感器测量原理8.2.4 物位测量容栅式阵列电极传感器测量原理8.2.4 物位测量电容电压变换电路8.2.4 物位测量多相界面测量算法确定相界所在电极序号确定相界所在电极序号8.2.4 物位测量多相界面测量算法确定相界在电极中的位置确定相界在电极中的位置物位仪表物位仪表物位开关和传统连续测量仪表应用稳定，其中国产压力式、投入式Smart变送器年产量相当大超声、激光和磁至伸缩类物位计应用广泛，微波物位计的发展很快接触式和非接触式物位计平行发展物位仪表物位仪表2部分物位仪表适用范围部分物位仪表适用范围2 胡再新，20038.3 工业过程控制的发展趋势8.3.1 过程工业的特点1.连续过程伴随着物理化学生化反应、相变过程、物质和能量的转换与传递，存在复杂性、不确定性和非线性2.常伴随苛刻的生产和环境条件，有时易燃易爆或有毒；对安全性可靠性有严格要求3.生产过程有实时性、整体性要求，要处理相互间的复杂偶合、制约关系8.3.2 过程控制发展的回顾阶段阶段70s70s以前以前70s70s 80s 80s90s90s以后以后控制理论控制理论经典控制理论经典控制理论 现代控制理论现代控制理论控制论、信息论、系统论、控制论、信息论、系统论、人工智能等学科交叉人工智能等学科交叉控制工具控制工具常规模拟仪表常规模拟仪表DDCDDC、SCSSCS分布式控制计算分布式控制计算机系统（机系统（DCSDCS）DCSDCS、PLCPLC、IPCIPC、PCSPCS、PASPAS、FCSFCS控制要求控制要求安全、平稳安全、平稳优质、高产、低优质、高产、低消耗消耗市场预测、快速响应、市场预测、快速响应、柔性生产、创新管理柔性生产、创新管理控制水平控制水平简单控制系统简单控制系统 先进控制系统先进控制系统过程控制过程控制+企业管理、企业管理、CIPSCIPS、ERPERP、MESMES8.3.3 过程控制的发展趋势简单控制向先进控制发展由分散自治的单变量控制各种复杂的、多变量的、由分散自治的单变量控制各种复杂的、多变量的、基于数学模型的先进控制转变基于数学模型的先进控制转变封闭的控制系统转向开放式控制系统开放性开放性ITIT技术的发展给控制系统带来了空前技术的发展给控制系统带来了空前的开放性，控制机、通信网络、基础软件平台、的开放性，控制机、通信网络、基础软件平台、标准等全面开放。但路还很远标准等全面开放。但路还很远智能化现场仪表智能化现场仪表数字信号传输数字信号传输彻底分散（现场总线的核心是信息处理现场化）彻底分散（现场总线的核心是信息处理现场化）ERPMESPCS8.3.3 过程控制的发展趋势单一控制系统向综合自动化系统发展企业资源计划和电子商务制造执行系统过程控制系统8.3.4 过程控制面临的问题过程建摸过程建摸的难点过程建摸的难点过程建摸的方法过程建摸的方法机理建摸、系统辨识（机理建摸、系统辨识（LSMLSM）、人工神经元网络建）、人工神经元网络建摸、模糊建摸、小波建摸等摸、模糊建摸、小波建摸等软测量技术控制方法PIDPID控制、预测控制、容错控制和鲁棒控制、控制、预测控制、容错控制和鲁棒控制、基于人工智能技术的控制、统计过程控制基于人工智能技术的控制、统计过程控制8.3.4 过程控制面临的问题过程的优化稳态优化、最优控制、工艺设计与控制的整体稳态优化、最优控制、工艺设计与控制的整体考虑考虑生产管理与调度人的因素、数据集成人的因素、数据集成动态系统故障诊断包括故障检测和故障分离包括故障检测和故障分离实用软件的开发8.3.5 智能控制的发展工业界的智能技术生产自动化的四个阶段：劳动密集型、设备密生产自动化的四个阶段：劳动密集型、设备密集型、信息密集型、知识密集型集型、信息密集型、知识密集型人工智能（人工智能（AIAI）、专家系统）、专家系统智能工程智能工程将将AIAI技术应用于工程问题技术应用于工程问题从工程背景出发，开展从工程背景出发，开展AIAI研究研究8.3.5 智能控制的发展智能技术在工业控制系统中的必要性工业过程的病态结构问题工业过程的病态结构问题生产条件和要求频繁变化生产条件和要求频繁变化要对随机鼓掌进行紧急处理要对随机鼓掌进行紧急处理大量信息具有不确定性和模糊性大量信息具有不确定性和模糊性开发智能控制系统的步骤离线系统、在线监督系统、在线闭环系统离线系统、在线监督系统、在线闭环系统8.3.5 智能控制的发展智能工程系统的结构和技术符号推理系统符号推理系统偶合推理系统偶合推理系统人工神经网络人工神经网络集成分布式智能系统集成分布式智能系统8.4 智能化现场仪表8.4.1 什么是智能变送器智能类仪表的种类很多，各有不同的定义此处仅讨论过程控制用智能现场仪表 具有与外部系统和操作人员双向通信手段，用于发送测量、状态信息，接收和处理外部命令的变送器。双向通信 除测控信息外还要发送状态信息 能够接受外部命令的控制 与人工智能无关IEC 60770-3标准中智能变送器的定义智能化现场仪表模型智能化现场仪表模型四个外部域过程域、外部控制系统域、人机界面域、公共过程域、外部控制系统域、人机界面域、公共域（环境域、时间域）域（环境域、时间域）六个内部子系统传感器系统、数据处理系统、电输出系统、通传感器系统、数据处理系统、电输出系统、通信系统、人机界面系统、电源系统信系统、人机界面系统、电源系统 四个循环时间数据处理系统与另外四个实体功能系统间交换数据处理系统与另外四个实体功能系统间交换信息的时间信息的时间8.4.2 智能化现场仪表的基本职能提供尽可能多的信息过程对象的测量信息过程对象的测量信息多参数测量和处理信息多参数测量和处理信息仪表自身的信息（包括自诊断信息）仪表自身的信息（包括自诊断信息）传输质量的信息传输质量的信息将信息无障碍地传输网络的互连网络的互连系统的可互操作系统的可互操作多参数测量和处理信息压力仪表与节流装置差压、静压、温度差压、静压、温度 质量流量、热量、液位、容积质量流量、热量、液位、容积科氏力质量流量计质量流量、温度质量流量、温度密度密度温差计温度、温差温度、温差热量热量涡街流量计涡街频率、涡街发生体升力涡街频率、涡街发生体升力直接质量流量直接质量流量仪表自身和传输的信息由于需要对环境影响进行补偿，需要采集仪表所处环境信息仪表的自诊断信息对智能仪表的六个子系统分别诊断对智能仪表的六个子系统分别诊断判断传出的数据是否有效判断传出的数据是否有效针对故障给出：问题描述、预测信息、维修建针对故障给出：问题描述、预测信息、维修建议议判断传输是否出错即时做出处理或给出警告即时做出处理或给出警告网络的互连开放互连网络协议线形网络协议：线形网络协议：FFFF、ProfiBusProfiBus、HARTHART等等网状网络协议：网状网络协议：EthernetEthernet、LonWorksLonWorks不同种类的网络有不同的适用范围根据信息量分类（根据信息量分类（bitbit、bytebyte、informationinformation）根据访问方式分类（主根据访问方式分类（主/从、令牌、对等）从、令牌、对等）信息格式只占通信协议的一小部分，协议的复杂性表现在复杂环境下保证通信的可靠网络速度与响应时间三种速度概念网络传输速度，单位（网络传输速度，单位（bpsbps）网络响应时间，单位（网络响应时间，单位（s s）网络巡回时间，单位（网络巡回时间，单位（s s）传输速度快只是响应时间、巡回时间短的必要传输速度快只是响应时间、巡回时间短的必要条件条件实时性与时间确定性实时性指网络的平均响应时间实时性指网络的平均响应时间时间确定性指网络的极端响应时间时间确定性指网络的极端响应时间超越通信的网络管理通信成为影响仪表和系统性能的重要因素通信栈起到了网