自动检测技术基本概念 (2)精品文稿.ppt

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1、自动检测技术基本概念自动检测技术基本概念第1页，本讲稿共28页教材教材 刘元扬刘元扬.自动检测和过程控制自动检测和过程控制(第第3 3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（第四版）化工仪表及自动化（第四版）.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第2页，本讲稿共28页课程内容：课程内容：本课程主要介绍工业过程参数（本课程主要介绍工业过程参数（温度、压力、流量、物位、温度、压力、流量、物位、成分等）成分等）的自动检测与自动控制。的自动检测与自动控制。具体内容如下：

2、具体内容如下：过过过过程程程程检检检检测测测测基基基基础础础础温温温温度度度度检检检检测测测测仪仪仪仪表表表表压压压压力力力力检检检检测测测测仪仪仪仪表表表表显显显显示示示示仪仪仪仪表表表表流流流流量量量量检检检检测测测测仪仪仪仪表表表表物物物物位位位位检检检检测测测测仪仪仪仪表表表表自自自自动动动动控控控控制制制制仪仪仪仪 表表表表 过过过过程程程程控控控控制制制制概概概概念念念念自自自自动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统第3页，本讲稿共28页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：第4页，本讲稿共28页2.检测及控制技

3、术在各领域的应用检测及控制技术在各领域的应用第5页，本讲稿共28页换热器的控制丙烯冷却器的控制反应器的控制精馏塔的控制第6页，本讲稿共28页第7页，本讲稿共28页夜视瞄准机系统（非冷却红外传感器技术）；夜视瞄准机系统（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）第8页，本讲稿共28页阿波罗阿波罗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（185 185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

4、、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）第9页，本讲稿共28页第一章第一章第一章第一章 过程检测技术基础过程检测技术基础过程检测技术基础过程检测技术基础第10页，本讲稿共28页本章主要内容：本章主要内容：1.1 1.1 过程检测的基本概念过程检测的基本概念 检测的概念和基本方法检测的概念和基本方法 检测仪表的组成、主要性能指标和分类检测仪表的组成、主要性能指标和分类 检测技术及仪表的发展。检测技术及仪表的发展。1.2 1.2 测量误差及处理方法测量误差及处理方法 误差概念、分类、分析与处理方法误差概念、分类、分析与处理方法1.3 1.3 测

5、量不确定度的评定测量不确定度的评定(不讲不讲)第11页，本讲稿共28页1.1 1.1 过程检测的基本概念过程检测的基本概念1.1.1 1.1.1 检测检测测量：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过程：检测过程：信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理检测技术：检测技术：检测方法、检测结构、检测信号处理检测方法、检测结构、检测信号处理 综合性技术综合性技术检测：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（极为重要）信号检出（极为重要）1.1.2

6、1.1.2 检测的基本方法检测的基本方法1.1.2.1 1.1.2.1 接触测量与非接触测量与非接触测量接触测量接触测量：接触测量：检测元件与被测对象（或介质）直接接触，感受被检测元件与被测对象（或介质）直接接触，感受被 测量的作用或变化，从而获得测量信号。测量的作用或变化，从而获得测量信号。非接触测量：非接触测量：不直接接触被测对象（或介质），而是间接感受不直接接触被测对象（或介质），而是间接感受 被测量的作用或变化达到检测目的。被测量的作用或变化达到检测目的。第12页，本讲稿共28页1.1.2.2 1.1.2.2 直接测量、间接测量与组合测量直接测量、间接测量与组合测量直接测量：直接测量：

7、直接将被测量与标准量进行比较直接将被测量与标准量进行比较间接测量：间接测量：通过通过测量与被测量有一定函数关系的参量，进而由计算测量与被测量有一定函数关系的参量，进而由计算 获得被测量获得被测量如测导线的导电率如测导线的导电率的的测量：量：组合测量组合测量：为了同时确定多个未知量，将各个未知量组合成不同的：为了同时确定多个未知量，将各个未知量组合成不同的 函数形式，用直接测量或间接测量方法获得一组数据，函数形式，用直接测量或间接测量方法获得一组数据，通过解方程组来求得被测量的方法通过解方程组来求得被测量的方法。第13页，本讲稿共28页1.1.2.3 1.1.2.3 偏差法、零位法和微差法偏差法

8、、零位法和微差法偏差法：偏差法：利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示 测量的数值测量的数值零位法：零位法：利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值微差法：微差法：偏差法偏差法和和零位法零位法的结合的结合第14页，本讲稿共28页1.1.3 1.1.3 检测仪表的组成检测仪表的组成传输通道传感器变换器显示仪表传输通道被测量传感器传感器（transducer）：将被测物理量将被测物理量(

9、如温度如温度)检出并转换为电量。检出并转换为电量。变换器变换器（transmitter）：对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理：对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理 或经或经A/DA/D变换后用软件进行变换后用软件进行信号分析。信号分析。显示仪表显示仪表：将测量结果显示出来，提供给观察者。有模拟显示、数字显：将测量结果显示出来，提供给观察者。有模拟显示、数字显 示和屏幕显示之分。示和屏幕显示之分。检测仪表由传感器、变换器和显示仪表三部分组成。检测仪表由传感器、变换器和显示仪表三部分组成。第15页，本讲稿共28页1.1.4 1.1.4 检测仪表的主要性能指标检测仪表的主要性能指标1.1.4.

10、1 1.1.4.1 测量范围与量程测量范围与量程 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测量的被测量值的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，测量范围用下限值至上限值来表示总范围，测量范围用下限值至上限值来表示a ab b；测量量程测量量程:测量范围上限测量范围上限a a与下限与下限b b的代数差。的代数差。1.1.4.2 1.1.4.2 准确度准确度 定义定义：准确度也称精确度，是指测量结果与实际值相一致的程度，是测准确度也称精确度，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。量的一个基本特征。式中，式中，maxmax仪表所允许的误差

11、界限，即允许误差；仪表所允许的误差界限，即允许误差；a a和和b b分别为仪表测量范围的上限值与下限值。分别为仪表测量范围的上限值与下限值。第16页，本讲稿共28页 准确度等级准确度等级 l准确度等级也叫精度等级。仪表的精度等级按国家规定的允许误差的准确度等级也叫精度等级。仪表的精度等级按国家规定的允许误差的大小划分为若干等级大小划分为若干等级。我国自动化仪表准确度等级：我国自动化仪表准确度等级：0.005 0.005、0.020.02、0.050.05、0.10.1、0.20.2（标准仪表标准仪表）0.5 0.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、4.04.0（工业仪表工业仪表）实例

12、：某压力表的量程为实例：某压力表的量程为10MPa，测量值的允许误差为，测量值的允许误差为0.03MPa，求仪表的准确度等级。求仪表的准确度等级。解：解：0.03/10100%=0.3%精度等级中没有精度等级中没有0.3级仪表级仪表，所以，所以仪表的准确度等级为仪表的准确度等级为0.5级。级。第17页，本讲稿共28页1.1.4.3 1.1.4.3 线性度线性度 定义：定义：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 的偏离程度的偏离程度 理想检测系统理想检测系统-输出与输入为比例关系：输出与输入为比例关系：y(t)=kx(t)实际检测系

13、统实际检测系统-输出与输入不是理性的线性关系输出与输入不是理性的线性关系 式式中中，f为为线线性性度度（又又称称非非线线性性误误差差）；fmax为为校校准准曲曲线线对对于于理理论论直直线线的的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。最大偏差（以仪表示值的单位计算）。第18页，本讲稿共28页1.1.4.4 1.1.4.4 变差变差 变差变差也叫回差，是指在外界条件不变的情况下，同一台仪表对也叫回差，是指在外界条件不变的情况下，同一台仪表对某一参数在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间的某一参数在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间的示值之差。变差反映仪表的上升曲线和下降曲线的不重合

14、程度。示值之差。变差反映仪表的上升曲线和下降曲线的不重合程度。产生原因：产生原因：弹性元件的弹性滞后、弹性元件的弹性滞后、传动机构中的间隙、运动部件的摩传动机构中的间隙、运动部件的摩擦、磁性材料的磁滞等。擦、磁性材料的磁滞等。最大相对变差最大相对变差 第19页，本讲稿共28页1.1.4.5 1.1.4.5 重复性重复性 重复性重复性指在测量装置在同一工作环境，被测对象参量不变的条件下，输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（三次以上）全量程变化时，输入输出特性曲线的一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。致程度。第20

15、页，本讲稿共28页1.1.5 1.1.5 检测仪表的分类检测仪表的分类1.1.5.1 1.1.5.1 按被测参数性质分类：按被测参数性质分类：电气参数：电气参数：电能、电流、电压、频率等；电能、电流、电压、频率等；机械参数：机械参数：重量、距离、振动、缺陷检查、故障诊断等重量、距离、振动、缺陷检查、故障诊断等;过程参数：过程参数：主要指热工参数，包括主要指热工参数，包括 温度温度、压力压力、流量流量、物位物位、成成 份分析份分析等。等。1.1.5.2 1.1.5.2 按使用性质分类按使用性质分类 实用型：实用型：用于实际测量，包括工业用表与实验用表；用于实际测量，包括工业用表与实验用表；范范

16、型：型：用于复现和保持计量单位，或用于对实用仪表进行校准用于复现和保持计量单位，或用于对实用仪表进行校准 和刻度；和刻度；标准型：标准型：具有更高准确度的范型仪表，用以保持和传递国家计量具有更高准确度的范型仪表，用以保持和传递国家计量 标准，并用于对范型仪表的定期检定。标准，并用于对范型仪表的定期检定。第21页，本讲稿共28页1.1.5.3 1.1.5.3 其他分类方式其他分类方式 按仪表功能：按仪表功能：指示仪指示仪、记录仪记录仪、积算仪积算仪等等 按仪表系统的组成方式按仪表系统的组成方式：基地式基地式和和单元组合式单元组合式。按仪表结构按仪表结构：开环式开环式与与 闭环式闭环式（反馈式）（

17、反馈式）第22页，本讲稿共28页1.1.6 1.1.6 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏感元件）敏感元件）1）新原理、新材料、新工艺）新原理、新材料、新工艺 新功能传感器新功能传感器化学传感器、化学传感器、微生物传感器、微生物传感器、仿生传感器（代替视觉、嗅觉、仿生传感器（代替视觉、嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器极端参数的新型传感器2）新领域、新需求）新领域、新需求 新型传感器新

18、型传感器检测技术检测技术重要手段重要手段科学研究科学研究相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等新的检测理论、方法和技术手段新的检测理论、方法和技术手段推动实验研究和发展推动实验研究和发展形成形成第23页，本讲稿共28页 利利用用新新发发现现的的材材料料和和新新发发现现的的生生物物、物物理理、化化学学效效应应开开发出的新型传感器发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量第24页，本讲稿共28页传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算

19、机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器第25页，本讲稿共28页1.2 1.2 误差理论及数据处理误差理论及数据处理定义：定义：测量值与其真值之差。测量值与其真值之差。定量表示定量表示x 测量误差；测量误差；x i 测量值；测量值；x0 真值真值 绝对误差绝对误差1.2.1 测量误差测量误差 相对误差相对误差定义：定义：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：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：实际

20、相对误差：实际相对误差：绝对误差绝对误差(测量误差测量误差)除以被测量的真值。除以被测量的真值。第26页，本讲稿共28页 给出值相对误差给出值相对误差：绝对误差：绝对误差(测量误差测量误差)除以被测量的给出值。除以被测量的给出值。式中的给出值可以是式中的给出值可以是“测量结果测量结果”、“标称值标称值”、“实验值实验值”、“示示值值”或或“刻度值刻度值”等。等。引用误差：引用误差：用示值误差与仪表量程之比的百分比来表示。用示值误差与仪表量程之比的百分比来表示。第27页，本讲稿共28页1.2.2 1.2.2 测量误差的性质与分类测量误差的性质与分类(2)(2)随机误差随机误差(random error)1.2.2.1 1.2.2.1 按误差出现的规律分按误差出现的规律分(1)(1)系统误差系统误差(system error)(3)(3)粗大误差粗大误差(abnormal error)1.2.2.2 1.2.2.2 按仪表工作条件分按仪表工作条件分(1)(1)基本误差基本误差(2)(2)附加误差附加误差第28页，本讲稿共28页