1 热工绪论.ppt

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1、绪绪论（论（Introduction）一、热工测量仪表一、热工测量仪表(thermalmeasurement instrument)简介简介1.热工参数热工参数(thermalvariable)：压力（压力（P)、温温度度(T)、流量流量(F)、物位（物位（L)等。等。2.热工测量仪表热工测量仪表:在生产中自动检测热工参数的在生产中自动检测热工参数的仪表。仪表。二、测量的基本知识二、测量的基本知识1、测量的概念：用实验的方法和专门设备取得某项、测量的概念：用实验的方法和专门设备取得某项需要确定其数量概念需要确定其数量概念的参数（称被测量）与定义的参数（称被测量）与定义其数值为一的同类参数（称为

2、单位）的比值。其数值为一的同类参数（称为单位）的比值。2、测量的意义、测量的意义3、测量的方法、测量的方法（1）按如何取得测量结果进行分类（计算误差时用）按如何取得测量结果进行分类（计算误差时用）直接测量法直接测量法间接测量法间接测量法组合测量法组合测量法三三测量分类测量分类1、静态测量和动态测量、静态测量和动态测量2、等精度测量和不等精度测量、等精度测量和不等精度测量3、电量测量和非电量测量、电量测量和非电量测量4、工程测量与精密测量、工程测量与精密测量四、测量误差与测量不确定度四、测量误差与测量不确定度1.误差分类：粗大误差、随机误差、系统误差。误差分类：粗大误差、随机误差、系统误差。2、

3、误差的来源、误差的来源3.误差的表示方法及用途误差的表示方法及用途（1）绝对误差（）绝对误差（absoluteerror）：x=x-x测量值测量值x-真实值真实值绝对误差一般只用于标准量具或标准仪表对一般绝对误差一般只用于标准量具或标准仪表对一般仪表的校验。仪表的校验。（2）相对误差（相对误差（relativeerror）：）：i：示值绝对误差（示值绝对误差（i=1,2,)max：所有示值绝对误差中的最大值所有示值绝对误差中的最大值示值相对误差：示值相对误差：（满度相对误差用来确定仪表精度等级）（满度相对误差用来确定仪表精度等级）（满度）相对误差：满度）相对误差：五、测量系统五、测量系统（一）

4、测量系统组成（一）测量系统组成1、传传感感器器(sensor)也也常常被被称称作作敏敏感感元元件件、一一次次仪仪表表)：感感受受到到被被测测参参数数的的变变化化及及时时的的转转化化成成相相应应可可测测信信号号输输出。出。2、变变换换器器(converter)：对对传传感感器器传传来来的的信信号号进进行行传传递递、放大、转换。放大、转换。3、显显示示装装置置(display,indicator)：显显示示器器、指指示示器器或或记记录录仪。仪。4、传传送送元元件件（transmissionelement）：导导线线，导导管管，光光导纤维，无线电通信。导纤维，无线电通信。（二）测量系统的基本特性（二

5、）测量系统的基本特性1、准确度（精度准确度（精度accuracy）：表征仪表示值与真实值）：表征仪表示值与真实值的接近程度，用相对误差表示。的接近程度，用相对误差表示。2、测量仪表的误差、测量仪表的误差3、测量范围和量程、测量范围和量程4、灵敏度灵敏度(sensitivity)：仪表在稳定状态下输出微仪表在稳定状态下输出微小变化与输入微小变化值比小变化与输入微小变化值比S=dy/dx5.迟滞误差：仪表的正向特性与反向特性不一致的程度。迟滞误差：仪表的正向特性与反向特性不一致的程度。6、线性度（非线性误差、线性度（非线性误差non-linearerror）对于理论上线性）对于理论上线性输入输出特

6、性曲线的仪表，实际特性曲线往往偏离线性输入输出特性曲线的仪表，实际特性曲线往往偏离线性关系。它们间的最大差值于量程范围值比的百分数称为关系。它们间的最大差值于量程范围值比的百分数称为线性度线性度 7、稳定性、稳定性(stability)：仪表示值不随时间和使用仪表示值不随时间和使用条件变化的性能。条件变化的性能。8、重复性、重复性(repeatability)：相同的条件下对同一相同的条件下对同一被测量多次重复测量其示值不一致的程度被测量多次重复测量其示值不一致的程度9、复现性（、复现性（reproducibility）变化的条件下对同一）变化的条件下对同一被测量多次重复测量其示值不一致的程度

7、被测量多次重复测量其示值不一致的程度10.动态性能动态性能(dynamicperformance)：仪表示仪表示值跟随被测量随时间变化的能力值跟随被测量随时间变化的能力稳态值t示值六六发展状况发展状况（一）集成化、微型化和智能化（一）集成化、微型化和智能化1、敏感元件（传感器）：依赖材料、敏感元件（传感器）：依赖材料2、光导纤维技术：传输，灵敏度，小型化、光导纤维技术：传输，灵敏度，小型化3、加工技术、加工技术（二）拓展测量范围，提高准确度和可靠性（二）拓展测量范围，提高准确度和可靠性（三）测量原理和测量手段的重大突破（三）测量原理和测量手段的重大突破1、现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性

8、大致划分为、现代仪器仪表按其应用领域和自身技术特性大致划分为6个大类，个大类，工业自动化仪表与控制系统：工业，特别是工业自动化仪表与控制系统：工业，特别是流程产业生流程产业生产过程产过程中应用的各类检测仪表、执行机构与自动控制系中应用的各类检测仪表、执行机构与自动控制系统装置统装置科学仪器：应用于科学研究、教学实验、计量测试、环科学仪器：应用于科学研究、教学实验、计量测试、环境监测、质量和安全检查等各个方面的仪器仪表。境监测、质量和安全检查等各个方面的仪器仪表。现代仪器设计技术的研究现状与发展趋势现代仪器设计技术的研究现状与发展趋势电子与电工测量仪器：主要指低频、高频、超高频、微电子与电工测量

9、仪器：主要指低频、高频、超高频、微波等各个频段测试计量专用和仪器仪表波等各个频段测试计量专用和仪器仪表医疗仪器：用于生命科学研究和临床诊断治疗的仪器。医疗仪器：用于生命科学研究和临床诊断治疗的仪器。各类专用仪器：农业、气象、水文、地质、海洋、核工各类专用仪器：农业、气象、水文、地质、海洋、核工业、航空、航天等各个领域应用的专用仪器。业、航空、航天等各个领域应用的专用仪器。传感器与仪器仪表元器件及材料传感器与仪器仪表元器件及材料2、工业自动化仪表发展趋势、工业自动化仪表发展趋势1）智智能能化化：从从工工业业自自动动化化仪仪表表的的发发展展趋趋势势看看，智智能能化化是是其核心部分其核心部分，所谓智

10、能化表现在其具有，所谓智能化表现在其具有多种新功能多种新功能。过过去去当当流流量量仪仪表表需需要要进进行行温温度度，压压力力的的补补偿偿时时需需要要分分别别测测量量流流量量，温温度度和和压压力力的的三三台台变变送送器器，并并且且需需要要运运算算器器来来计计算算，而而现现在在一一台台智智能能化化的的流流量量变变送送器器就就可可以以完完成。成。v一一台台智智能能化化执执行行器器，由由于于具具有有多多种种的的自自诊诊断断功功能能，使使维维修修预预报报成成为为可可能能。如如当当执执行行器器调调节节阀阀的的阀阀杆杆行行程程累累计计超超过过一一定定长长度度时时，就就会会发出信号通知维修人员进行密封填料的更

11、换。发出信号通知维修人员进行密封填料的更换。2）高精度化）高精度化由由于于工工业业生生产产对对成成品品质质量量的的要要求求日日益益提提高高，测测量量仪仪表表与与控控制制系系统统的的精精度度也也在在提提高高。例例如如变变送送器器的的精精度度，普普遍遍从从0.75%提提高高到到0.04%。用用于于贸贸易易交交换换计计量量的的科科氏氏质质量量流量计，精度已达到流量计，精度已达到0.05%。当当前前一一些些新新建建的的大大型型项项目目，在在招招标标时时，对对有有关关产产品品的的精度已提出明确的要求。精度已提出明确的要求。3）无线化）无线化现现场场总总线线本本来来是是一一种种非非常常有有前前途途的的技技

12、术术，但但由由于于国国际标准的过多际标准的过多，影响了推广。，影响了推广。随着生产规模越来越大，如火电机组已有随着生产规模越来越大，如火电机组已有100万万KW的超临界机组；测量和控制的点数不断增加，一般已达的超临界机组；测量和控制的点数不断增加，一般已达万点以上。如果现场仪表能够万点以上。如果现场仪表能够实现通信无线化，实现通信无线化，电缆和电缆和维护的工人量都会大大减少，因此研发维护的工人量都会大大减少，因此研发近距离，低功耗近距离，低功耗可靠无线通信可靠无线通信是当前的一个亮点。是当前的一个亮点。4）安全仪表系统（安全仪表系统（SISSafetyInstrumentSystem）一一些些

13、化化工工或或石石化化企企业业的的安安全全系系统统，如如ESD紧紧急急停停车车是是由由专专门门的的PLC如如TRICONES来来负负责责管管理理，这这样样企企业业的的控控制系统就由两大部分组成，即制系统就由两大部分组成，即DCS与专门的与专门的PLC。由由于于新新型型DCS（Distributedcontrolsystem）的的功功能能不不断断扩扩大大，已已经经有有了了安安全全仪仪表表系系统统（SIS），因因此此也也可可以以用一套具有用一套具有SIS功能的功能的DCS来统一管理。来统一管理。IEC（国国际际电电工工委委员员会会InternationalElectrotechnicalCommis

14、sion制制定定了了标标准准，将将安安全全等等级级分分为为四四级级:即即SIL14。其中。其中SIL4等级为最高。等级为最高。SIL（SafetyIntegrityLevel安安全全完完整整性性等等级级），由由每每小时发生的危险失效概率来区分小时发生的危险失效概率来区分:SIL110-610-5SIL210-710-6SIL310-810-7SIL310-910-8v生生产产过过程程所所需需要要的的安安全全等等级级由由专专门门的的生生产产工工艺艺公公司司来来评评估估确确定定。一一般般对对安安全全要要求求比比较较高高的的工工艺艺生生产产过过程程需需要要的的安全等级为安全等级为SIL3。v根根据据

15、目目前前的的制制造造水水平平，变变送送器器的的安安全全等等级级仅仅为为SIL2，若若要要满满足足SIL3的的要要求求，可可采采取取冗冗余余措措施施，至至于于DCS，目目前前一一些些大大的的DCS制制造造商商都都已已通通过过了了TUV（技技术术监监督督协协会会）认证，达到了认证，达到了SIL3。5）科学仪器的在线化科学仪器的在线化v科学仪器的结构日益简化，体积缩小，重量减轻，科学仪器的结构日益简化，体积缩小，重量减轻，操作也更方便，价格也逐步降低，而且能在工业条操作也更方便，价格也逐步降低，而且能在工业条件下操作。件下操作。v因此在过去只能在实验室内进行离线操作的科学仪因此在过去只能在实验室内进

16、行离线操作的科学仪器，现在可以在生产现场进行在线运行了。例如质器，现在可以在生产现场进行在线运行了。例如质谱仪居武钢的高炉上试用，用来分析炉顶煤气的成谱仪居武钢的高炉上试用，用来分析炉顶煤气的成分。分。6)新新型型仪仪表表不不断断涌涌现现过过去去认认为为不不能能检检测测的的禁禁区区，现现在在有有了突破。了突破。如如二二相相流流的的测测量量已已有有产产品品处处于于实实用用阶阶段段，如如德德国国SWR公公 司司 的的 微微 波波 气气，固固 二二 相相 流流 量量 计计，英英 国国SOLARTRON公公司司的的DUALSTR-EAMMKI气气液液二二相相流流量量计计，美美国国MALFIAID公公司

17、司的的LP多多相相流流量量计计等等。而而SWR公公司司的的气气、固固二二相相流流量量计计已已在在武武钢钢高高炉炉喷喷煤煤粉粉系系统统上试用。上试用。7）软测量技术正在发展软测量技术正在发展由由于于生生产产工工艺艺的的复复杂杂性性、工工业业环环境境的的恶恶劣劣性性，使使得得有有些些重重要要的的或或者者关关键键性性的的参参数数不不能能进进行行直直接接测测量量，只只能能借借助助计计算算机机技技术术，依依靠靠其其他他相相关关能能测测得得的的参参数数进进行行推推导导。用这样间接测量的方法称之为用这样间接测量的方法称之为虚拟仪表虚拟仪表。实现软测量技术的关键在于研发人员首先要了解工艺实现软测量技术的关键在

18、于研发人员首先要了解工艺生产，熟悉工艺操作，同时还要掌握测量和计算机的技生产，熟悉工艺操作，同时还要掌握测量和计算机的技术。术。容积式流量计容积式流量计vE+H公公司司推推出出的的科科里里奥奥流流量量计计，用用于于测测量量质质量量、体体积积、密密度度和和温温度度，液液体体中中质质量量流流量量 的的 测测 量量 精精 度度 为为0.15%，气气体体中中精精度度0.5%。液柱式压力计液柱式压力计（a)万能齿轮测量仪万能齿轮测量仪（b）便携式三坐标测量仪器）便携式三坐标测量仪器（C）线径测量仪器（）线径测量仪器（d）现代数控机床）现代数控机床电接点压力表电接点压力表MercapMercap 电容式物

19、位计电容式物位计 (siemens)(siemens)仪器的基本构成仪器的基本构成待测对象待测对象/控制对控制对象象传感器传感器/敏感敏感器器控制控制/执行器执行器输入操作面输入操作面板板信号处理电信号处理电路路中央处理器中央处理器显示与记录显示与记录控制反馈电控制反馈电路路变送与滤波变送与滤波电路电路A/D电路电路D/A电路电路其它接口电其它接口电路路外观造型外观造型仪器设计过程：仪器设计过程：（一）（一）设计原则设计原则1、根据设计对象的要求和实际的约束条件列出详细的设计、根据设计对象的要求和实际的约束条件列出详细的设计目标。目标。2、采用自上而下逐级分解的方法形成子任务。、采用自上而下逐

20、级分解的方法形成子任务。3、硬件、软件协调优化设计方案。、硬件、软件协调优化设计方案。4、发挥技术与设备潜力提高设计质量与开发速度。、发挥技术与设备潜力提高设计质量与开发速度。5、依照产品化规模确定部件和器件的级别。、依照产品化规模确定部件和器件的级别。6、设计自诊断与异常处理功能提高产品的可维护性。、设计自诊断与异常处理功能提高产品的可维护性。7、针对现场极限条件的防范措施与试运行。、针对现场极限条件的防范措施与试运行。（二）二）设计步骤（设计步骤（如图如图）常用的电路仿真软件：常用的电路仿真软件：PSPICE和和Multisim1、SPICE(Simulation Program with

21、 IntegratedCircuitEmphasis)是是70年年代代初初产产生生于于美美国国加加州州大大学学伯伯克克利利分分校校的的模模拟拟电电路路仿仿真真软软件件。SPICE经经过过不不断断改改进进和和完完善，已经成为事实上的电路分析模拟的标准方法。善，已经成为事实上的电路分析模拟的标准方法。vPSPICE是是基基于于SPICE的的电电路路模模拟拟软软件件中中的的一一种种，用用于于进进行行电电子子电电路路设设计计和和仿仿真真的的集集成成软软件件，最最初初由由美美国国MicroSim公公司司研研制制，现现在在已已经经并并入入美美国国Cadence公公司司电电路路设设计计与与模模拟拟系系列列软

22、软件件的的一部分。一部分。v具具有有丰丰富富的的元元器器件件库库，能能够够快快速速精精确确地地分分析析复复杂杂电电路路的的性性能能参参数数，以以文文本本或或波波形形曲曲线线给给出出分分析结果析结果2、EWB(ElectronicsWorkbench，虚虚拟拟电电子子工工作作台台)及及其其升升级版软件级版软件Multisim：利利用用计计算算机机构构造造一一个个虚虚拟拟的的实实验验环环境境，具具有有许许多多电电路路分分析析与与设设计计中中需需要要的的电电子子仪仪器器，如如数数字字多多用用表表、示示波波器器，函函数数发发生生器器等等，并并带带有有发发光光二二极极管管和和数数码码管管等等显显示示器器

23、件件，可以直观地演示电路工作时的实际效果。可以直观地演示电路工作时的实际效果。高高版版本本可可以以进进行行简简单单的的PCB（印印刷刷电电路路板板）板板设设计计、简单的单片机仿真简单的单片机仿真。单片机仿真软件单片机仿真软件ProteusProteus是是由由英英国国Labcenterelectronics公公司司开开发发的的EDA工具软件。工具软件。Proteus主主要要由由两两个个程程序序组组成成：Ares和和Isis。前前者者主主要要用用于于PCB自自动动或或人人工工布布线线及及其其电电路路仿仿真真，后后者者主主要要采采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真。用原理布图的方法绘制电路并

24、进行相应的仿真。v电电路路仿仿真真是是互互动动的的：针针对对微微处处理理器器的的应应用用，可可以以直直接接在在基基于于原原理理图图的的虚虚拟拟原原型型上上编编程程，并并实实现现软软件件代代码码级级的的调调试试，还还可可以以直直接接实实时时动动态态地地模模拟拟按按钮钮、键键盘盘的的输输入入，LED、液液晶晶显显示示的的输输出出，同同时时配配合合虚虚拟拟工工具具如如示示波器、逻辑分析仪等进行相应的测量和观测。波器、逻辑分析仪等进行相应的测量和观测。vProteus软件的应用范围十分广泛，涉及软件的应用范围十分广泛，涉及PCB制版制版（简单电路）、（简单电路）、spice电路仿真、单片机仿真，在电路

25、仿真、单片机仿真，在6.9版本中又版本中又ARM7/LPC2000的仿真。的仿真。制作制作PCB板（印刷电路板，板（印刷电路板，PrintedCircuitBoard）软件）软件1、Altium有有 限限 公公 司司 （前前 称称 Protel InternationalLimited）PCB软件软件：Altium公公司司于于1999年年推推出出Protel99，升升级级版版Protel99SE、DXP2004等等版版本本。兼兼容容一一些些其其它它设设计计软软件件的的文文件件格格式式，如如ORCAD，PSPICE，EXCEL等等v2005年年底底，推推出出了了业业界界第第一一款款完完整整的的板

26、板级级设设计计工工具具AltiumDesigner6.0，将将PCB硬硬件件设设计计、FPGA以以及及基基于于处处理理器器的的嵌嵌入入式式软软件件开开发发功功能能整合在一起。整合在一起。v适适合合于于初初学学者者学学习习，界界面面比比较较友友好好，网网上上资资源源较多较多2、Cadence公司（合并公司（合并ORCAD公司）全球最大的电子公司）全球最大的电子设计技术设计技术(ElectronicDesignTechnologies)、程序方案服、程序方案服务和设计服务供应商。务和设计服务供应商。v集成了集成了Allegro制图软件，比较专业，适合于工程较大制图软件，比较专业，适合于工程较大的的

27、PCB布板布板v最新版本最新版本CadenceSPB15.5.1，或，或AllegroSPB15.5.1，带有带有CadencePCB。vCadence公司的公司的PCB工具，能够完成原理图设计、工具，能够完成原理图设计、原理图符号的制作、原理图符号的制作、PCB板元件的封装设计、板板元件的封装设计、板框设定、元件的布局、框设定、元件的布局、PCB板的布线及输出文档。板的布线及输出文档。v3、MentorGraphics公司公司(收购收购PADSSoftwareInc）PCB软件：软件：ExpeditionPCB、BoardStation、PADs(PowerPCB)ProtelDXP2004

28、软件设计软件设计PCB过程：过程：1、原理图（、原理图（schematicdiagram）的设计：）的设计：v首首先先根根据据实实际际电电路路的的复复杂杂程程度度确确定定图图纸纸的的大大小小，即即建建立立工工作平面。作平面。v然然后后从从元元器器件件库库中中取取出出所所需需元元件件放放到到工工作作平平面面上上，并并给给它它们编号、对其封装进行定义和设定。们编号、对其封装进行定义和设定。v最最后后利利用用ProtelDXP提提供供的的工工具具、指指令令进进行行布布线线，将将工工作作平平面面上上的的元元器器件件用用具具有有电电气气意意义义的的导导线线、符符号号连连接接起起来来，对整个电路进行信号完

29、整性分析，确保整个电路无误。对整个电路进行信号完整性分析，确保整个电路无误。2、仿真、仿真v仿真是指在计算机上通过软件来模拟具体电路的实际工仿真是指在计算机上通过软件来模拟具体电路的实际工作过程，并计算出在给定条件下电路中各关键点的输出作过程，并计算出在给定条件下电路中各关键点的输出波形。波形。v电路的仿真是否成功取决于电路原理图、元件模型的仿电路的仿真是否成功取决于电路原理图、元件模型的仿真属性、电路的网表结构以及仿真设置等。真属性、电路的网表结构以及仿真设置等。3、产生网络表（产生网络表（netlist）：）：v网络表电路原理图设计与印制电路板设计之间的桥梁和纽网络表电路原理图设计与印制电

30、路板设计之间的桥梁和纽带，它是印制电路板设计中自动布线的基础。带，它是印制电路板设计中自动布线的基础。v网络表可以由电路原理图生成，也可以从已有的印刷电路网络表可以由电路原理图生成，也可以从已有的印刷电路板文件中提取。板文件中提取。4、印刷（制）电路板（、印刷（制）电路板（PCB，PrintedCircuitBoard）的）的设计设计v系系统统在在装装入入网网络络表表的的同同时时，将将自自动动进进行行布布线线、布布局局，并并把把所所有有元元器器件件放放在在电电路路板板的的边边框框内内。自自动动布布线线后后，还需进行人工调整进行修补。还需进行人工调整进行修补。v设设计计线线路路板板，除除了了要要

31、为为电电路路中中的的元元器器件件提提供供正正确确无无误的电气连接外，还要充分考虑线路的抗干扰性能。误的电气连接外，还要充分考虑线路的抗干扰性能。1、已知某台仪表理想输入输出特性为已知某台仪表理想输入输出特性为U=8x,实际实际测量时输入输出特性由下列一组数据表示，测量时输入输出特性由下列一组数据表示，vX(mm)012345vU(mv)08.016.1 24.1 31.6 39.7求：求：1.最大绝对误差、最大示值相对误差、并指出其最大绝对误差、最大示值相对误差、并指出其测量点。测量点。2.若仪表量程为若仪表量程为50mv,确定仪表精度等级。确定仪表精度等级。X(mm)012345U(mv)实际实际08.0 16.124.131.639.7U(mv)理想理想08.0 16243240差值差值000.10.1-0.4-0.3vmax=0.4