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1、关于检测仪表与传感器第1页,此课件共49页哦第一节第一节 概述概述n一、测量过程与测量误差一、测量过程与测量误差 n1 1、测量过程、测量过程n 在生产过程中,变量的测量方法很多。但在生产过程中,变量的测量方法很多。但从测量过程的实质来看,不论哪一种测量仪表,从测量过程的实质来看,不论哪一种测量仪表,被测变量都需经过一次或多次信号能量形式的被测变量都需经过一次或多次信号能量形式的转换,最后获得一种便于测量的信号能量形式,转换,最后获得一种便于测量的信号能量形式,通过指针位移或数字的形式显示出来。所以各通过指针位移或数字的形式显示出来。所以各种检测仪表的测量过程,实质上就是被测变量种检测仪表的测
2、量过程,实质上就是被测变量信号能量的不断变换和传递,并将它与相应的信号能量的不断变换和传递,并将它与相应的测量单位进行比较的过程。而检测仪表就是实测量单位进行比较的过程。而检测仪表就是实现这种比较的工具。现这种比较的工具。第2页,此课件共49页哦n例如玻璃管温度计;例如玻璃管温度计;n而温度控制中各种中、高温温度的测量,而温度控制中各种中、高温温度的测量,常利用热电偶的热电效应,把被测温度常利用热电偶的热电效应,把被测温度(热能)转换成直流毫伏信号(电能),(热能)转换成直流毫伏信号(电能),然后变为毫伏检测仪表上的指针位移,然后变为毫伏检测仪表上的指针位移,并与温度标尺相比较而显示出被测温度
3、并与温度标尺相比较而显示出被测温度的数值。的数值。第3页,此课件共49页哦(二)测量误差(二)测量误差n 测测量量的的目目的的是是希希望望获获得得被被测测变变量量的的“真真实实值值”。但但是是无无论论怎怎样样努努力力(包包括括从从原原理理、测测量量方方法法和和仪仪表表精精度度等等方方面面),都都只只能能是是尽尽量量接接近近却却无无法法测测得得“真真实实值值”。也也就就是是说说,测测量量值值与与真真实实值值之之间间始始终终存存在在着着一一定定的的差差值值。这这个个差差值值就就是是测测量误差。量误差。第4页,此课件共49页哦n测量误差有多种分类方法:测量误差有多种分类方法:n1 1按按误误差差出出
4、现现的的规规律律来来分分 可可分分为为系系统统误误差差、过失误差和随机误差三类。过失误差和随机误差三类。n(1 1)系系统统误误差差(又又叫叫规规律律误误差差)即即大大小小和和方方向向均均不不改改变变的的误误差差。产产生生这这种种误误差差的的原原因因,主主要要是是仪仪表表本本身身的的缺缺陷陷、观观测测者者的的习习惯惯或或偏偏向向、单单因因素素环环境境条条件件的的变变化化等等。这这种种误误差差在在测量中是容易消除和修正的,因为它有规律。测量中是容易消除和修正的,因为它有规律。第5页,此课件共49页哦n (2 2)过过失失误误差差(又又叫叫疏疏忽忽误误差差)过过失失误误差差是是由由于于测测量量者者
5、在在测测量量过过程程中中疏疏忽忽大大意意造造成的。比较容易被发现,可以避免。成的。比较容易被发现,可以避免。n (3 3)随随机机误误差差(又又叫叫偶偶然然误误差差)就就是是在在同同样样条条件件下下反反复复测测量量多多次次,每每次次结结果果均均不不重重复复的的误误差差。这这种种误误差差是是由由偶偶然然性性因因素素引引起的,不易被发觉和修正。起的,不易被发觉和修正。第6页,此课件共49页哦n 系系统统误误差差和和过过失失误误差差是是可可以以避避免免也也是是必必须须避避免免的的,而而随随机机误误差差则则由由于于测测试试手手段段本本身身精精确确度度的的限限制制以以及及各各种种不不可可控控制制的的偶偶
6、然然性性因因素素的的影影响响,是是一一种种不不可可避避免免的的误误差差,但但却却具具有有一一定定的的分分布布规规律律,可用数理统计的方法进行识别。可用数理统计的方法进行识别。第7页,此课件共49页哦n2 2按按误误差差的的表表示示方方式式分分 可可分分为为绝绝对对误误差差、相对误差和引用误差。相对误差和引用误差。n (1 1)绝绝对对误误差差 为为仪仪表表指指示示值值x xi i与与被被测测量量真真值值x xt t之之间间的的差差值值。但但由由于于真真值值无无法法获获得得,所所以以常常用用精精度度较较高高的的标标准准表表的的测测量量值值x x0 0代代替替。它是以被测量单位表示的误差,可表示为
7、:它是以被测量单位表示的误差,可表示为:n e ex xi ix xt txxi i0 0 (3-13-1)n 显显然然,绝绝对对误误差差只只能能表表示示指指示示值值误误差差的的大大小小,而而无无法法表表示示测测量量结结果果的的可可信信程程度度,也也不能用来衡量不同量程同类仪表的准确度。不能用来衡量不同量程同类仪表的准确度。第8页,此课件共49页哦n(2 2)相相对对误误差差 为为仪仪表表指指示示值值的的绝绝对对误误差差与与标准表读数之比,用符号标准表读数之比,用符号E E表示。表示。nE=e/xE=e/x0 0 (3-23-2)n它是一个无量纲值,表示仪表在它是一个无量纲值,表示仪表在x x
8、0 0处的相对处的相对误差。相对误差比绝对误差更能说明测量结误差。相对误差比绝对误差更能说明测量结果的准确程度。但是仅凭绝对误差和相对误果的准确程度。但是仅凭绝对误差和相对误差来评价一台仪表的准确与否还是不够的。差来评价一台仪表的准确与否还是不够的。第9页,此课件共49页哦n 因为仪表的测量范围各不相同,即使有因为仪表的测量范围各不相同,即使有相同的绝对误差,也不能说两块仪表一样准相同的绝对误差,也不能说两块仪表一样准确。在仪表测量范围内各点绝对误差也不相确。在仪表测量范围内各点绝对误差也不相同,相对误差也不是一个定值,它们将随被同,相对误差也不是一个定值,它们将随被测量值的大小而改变。特别是
9、当测量值趋于测量值的大小而改变。特别是当测量值趋于零时,相对误差在理论上将趋于无穷大。所零时,相对误差在理论上将趋于无穷大。所以亦无法用相对误差来衡量仪表的准确程度。以亦无法用相对误差来衡量仪表的准确程度。所以,工业上常用仪表的所以,工业上常用仪表的“引用误差引用误差”来表来表示其测量的准确程度。示其测量的准确程度。第10页,此课件共49页哦n(3 3)引引用用误误差差 也也叫叫相相对对百百分分误误差差,是是仪仪表表指指示示值值的的绝绝对对误误差差与与仪仪表表量量程程之之比比的的百百分分数数,可表示为:可表示为:n (3-33-3)n式中式中 e e仪表的绝对误差;仪表的绝对误差;n E E引
10、引仪表的引用误差;仪表的引用误差;n R RS S仪表的量程(仪表的量程(R RS S=x=xmaxmaxx xmin min)。)。第11页,此课件共49页哦n 其中,其中,x xmaxmax与与x xminmin是仪表量程的上限是仪表量程的上限值与下限值。例如,一温度计的测量范值与下限值。例如,一温度计的测量范围为(围为(-50-50250250),则其量程为,则其量程为300300。对于测量下限为零的仪表,其。对于测量下限为零的仪表,其量程就是测量范围的上限值,普通压力量程就是测量范围的上限值,普通压力表就是如此。表就是如此。第12页,此课件共49页哦n 3 3按按误误差差的的测测试试条
11、条件件分分 可可分分为为基基本本误误差差和附加误差。和附加误差。n (1 1)基基本本误误差差 是是仪仪表表在在规规定定的的正正常常条条件件(如如温温度度、湿湿度度、振振动动、电电源源电电压压、频频率率等等)下工作时,仪表本身所具有的误差。下工作时,仪表本身所具有的误差。n (2 2)附附加加误误差差 为为仪仪表表在在偏偏离离规规定定的的正正常常工工作作条条件件下下使使用用时时附附加加产产生生的的误误差差。此此时时仪仪表的实际误差等于基本误差与附加误差之和。表的实际误差等于基本误差与附加误差之和。n由由于于仪仪表表在在工工作作条条件件改改变变时时会会产产生生附附加加误误差差,所所以以使使用用时
12、时,应应尽尽量量满满足足仪仪表表规规定定的的工工作作条条件。件。第13页,此课件共49页哦二、检测仪表的基本知识二、检测仪表的基本知识n(一)检测仪表的分类(一)检测仪表的分类n 检检测测仪仪表表是是实实现现变变量量检检测测的的工工具具。它有多种分类方法。它有多种分类方法。n1 1根据敏感元件与被测介质是否接触根据敏感元件与被测介质是否接触 可分为接触式检测仪表和非接触式检测可分为接触式检测仪表和非接触式检测仪表。仪表。第14页,此课件共49页哦n2 2按按精精度度等等级级及及使使用用场场合合的的不不同同 可可分分为为标标准准仪仪表表、范范型型仪仪表表及及实实用用仪仪表表,分分别别用用于于标定
13、室、实验室和现场。标定室、实验室和现场。n3 3按被测变量分类按被测变量分类 可分为压力检测仪表、可分为压力检测仪表、物位检测仪表、流量检量仪表、温度检测仪物位检测仪表、流量检量仪表、温度检测仪表、成分分析仪表等。本章我们就按这种分表、成分分析仪表等。本章我们就按这种分类方法将内容展开。类方法将内容展开。第15页,此课件共49页哦(二)检测仪表的品质指标(二)检测仪表的品质指标n 仪仪表表的的品品质质指指标标是是评评价价仪仪表表质质量量优优劣劣的的重重要要依依据据,也也是是正正确确选选择择和和使使用用仪仪表表所所必必须须具具备备的的知知识识。工工程程上上常常用用以以下下指标来衡量。指标来衡量。
14、第16页,此课件共49页哦1 1精确度(准确度)精确度(准确度)n 仪仪表表的的精精确确度度简简称称精精度度,是是表表示示测测量结果与真值一致的程度。量结果与真值一致的程度。n 仪表的精度,是仪表最大引用误差仪表的精度,是仪表最大引用误差去掉正负号和百分号后的数值。去掉正负号和百分号后的数值。第17页,此课件共49页哦n 化化工工仪仪表表的的精精确确度度常常用用仪仪表表的的精精度度等等级级来来表表示示。是是按按照照仪仪表表的的精精确确度度高高低低划划分分的的一系列标称值。国家规定的仪表精度等级有:一系列标称值。国家规定的仪表精度等级有:n级标准表级标准表0.0050.005、0.020.02、
15、0.050.05;n级标准表级标准表0.10.1、0.20.2、0.350.35、0.50.5;n一般工业用仪表一般工业用仪表1.01.0、1.51.5、2.52.5、4.04.0。n 所以,利用仪表最大引用误差求取的精所以,利用仪表最大引用误差求取的精度还需系列化。度还需系列化。第18页,此课件共49页哦n 仪表精度等级值越小,精确度越高,就意仪表精度等级值越小,精确度越高,就意味着仪表既精密、又准确,即随机误差和系统味着仪表既精密、又准确,即随机误差和系统误差都小。精度等级确定后,仪表的允许误差误差都小。精度等级确定后,仪表的允许误差也就随之确定了。仪表的允许误差在数值上等也就随之确定了。
16、仪表的允许误差在数值上等于于“精度精度%”。例如精度为例如精度为1.51.5级的仪表,级的仪表,其最大允许误差的引用误差形式为其最大允许误差的引用误差形式为E E表允表允=1.5=1.5,如果该仪表的量程为,如果该仪表的量程为4MPa4MPa,则根据式,则根据式3-33-3,仪表允许误差的绝对形式为,仪表允许误差的绝对形式为ne e表允表允=E=E表允表允RRS S=1.5=1.54=0.064=0.06(MpaMpa)。)。n 下面通过例题来说明确定仪表精度和选择下面通过例题来说明确定仪表精度和选择仪表精度的方法。仪表精度的方法。第19页,此课件共49页哦n【例例题题3-13-1】某某台台温
17、温度度检检测测仪仪表表的的测测温温范范围围为为(100100600600)o oC C,校校验验该该表表时时得得到到的的最最大大绝绝对对误误差差为为3 3o oC C,试试确确定定该该仪仪表表的的精精度度等等级。级。n 解解:由由式式3-33-3可可知知,该该测测温温仪仪表表的的最最大大引引用误差为:用误差为:n 第20页,此课件共49页哦n去掉去掉%后,该表的精度值为后,该表的精度值为0.60.6,介于国,介于国家规定的精度等级中家规定的精度等级中0.50.5和和1.01.0之间,而之间,而0.50.5级表和级表和1.01.0级表的允许误差级表的允许误差E E表允表允分别为分别为0.50.5
18、和和1.01.0。所以,这台测温仪。所以,这台测温仪表的精度等级只能定为表的精度等级只能定为1.01.0级。级。第21页,此课件共49页哦n【例例题题3-23-2】现现需需选选择择一一台台测测温温范范围围为为0 0500500的的测测温温仪仪表表。根根据据工工艺艺要要求求,温温度度指指示示值值的的误误差差不不允允许许超超过过44,试试问问应应选选择择一一台台精度等级为几级的仪表才能满足工艺要求?精度等级为几级的仪表才能满足工艺要求?n 解:工艺允许误差为:解:工艺允许误差为:第22页,此课件共49页哦n 去掉去掉和和%后,该表的精度值为后,该表的精度值为0.80.8,也是介于,也是介于0.50
19、.51.01.0之间,而之间,而0.50.5级表和级表和1.01.0级表的允许误差级表的允许误差E E表允表允分别为分别为0.50.5和和1.01.0。所以,应选择。所以,应选择0.50.5级的仪表才级的仪表才能满足工艺上的要求。能满足工艺上的要求。第23页,此课件共49页哦n 从从以以上上两两个个例例子子可可以以看看出出,根根据据仪仪表表校校验验数数据据来来确确定定仪仪表表精精度度等等级级时时,仪仪表表的的精精度度等等级级应应向向低低靠靠(取取大大值值);根根据据工工艺艺要要求求来来选选择择仪仪表表精精度度等等级级时时,仪仪表表精精度度等等级应向高靠(取小值)。级应向高靠(取小值)。n 仪表
20、的精度等级在仪表面板上的表示仪表的精度等级在仪表面板上的表示符号通常为:符号通常为:等。等。第24页,此课件共49页哦2 2变差变差 n 也叫回差,用来也叫回差,用来表示测量仪表的恒定表示测量仪表的恒定度。变差说明了仪表度。变差说明了仪表的正向(上升)特性的正向(上升)特性与反向(下降)特性与反向(下降)特性的不一致程度。的不一致程度。第25页,此课件共49页哦n 当当工工作作条条件件不不变变时时,使使用用同同一一块块仪仪表表对对某某一一被被测测变变量量进进行行由由小小到到大大(即即正正行行程程或或上上行行程程)测测量量和和由由大大到到小小(反反行行程程或或下下行行程程)测测量量时时,对对同同
21、一一个个被被测测量量值值来来说说,正正反反行行程程中中仪仪表表的的指指示示值值之之差差,就就是是仪仪表表的的变变差差,如如图图3-13-1所示,它的绝对表示法为:所示,它的绝对表示法为:n e e=x=x上上-x-x下下 (3-63-6)n变差也可以用引用误差的形式表示,则有:变差也可以用引用误差的形式表示,则有:n (3-73-7)第26页,此课件共49页哦n 和和最最大大绝绝对对误误差差一一样样,仪仪表表的的最最大大变差也不能大于仪表的允许误差。即:变差也不能大于仪表的允许误差。即:ne emaxmaxee表允表允 (3-83-8)n或或 E E引引maxmaxEE表允表允 (3-93-9
22、)n 造成变差的原因很多,如传动机构造成变差的原因很多,如传动机构间存在的间隙和摩擦力、弹性元件的弹间存在的间隙和摩擦力、弹性元件的弹性滞后等。性滞后等。第27页,此课件共49页哦3 3灵敏度与灵敏限灵敏度与灵敏限n 仪仪表表的的灵灵敏敏度度是是仪仪表表在在稳稳定定状状态态下下,其其输输出出变变化化量量(即即仪仪表表指指针针的的线线位位移移或或角角位位移移)与与引引起起这这个个变变化化的的输输入入(即即被被测测变变量)变化量的比值。量)变化量的比值。n 仪表灵敏度的大小反映了仪表对被测仪表灵敏度的大小反映了仪表对被测量幅值的敏感程度。线性刻度标尺仪表的量幅值的敏感程度。线性刻度标尺仪表的灵敏度
23、等于常数,而非线性刻度标尺仪表灵敏度等于常数,而非线性刻度标尺仪表的灵敏度各点不相同。的灵敏度各点不相同。第28页,此课件共49页哦n 提提高高仪仪表表对对信信号号的的放放大大能能力力,就就可可以以提提高高灵灵敏敏度度。但但这这样样并并不不能能提提高高精精度度、减减少少测测量量误误差差。所所以以一一般般规规定定仪仪表表标标尺尺的的分分度值不小于仪表最大允许绝对误差。度值不小于仪表最大允许绝对误差。n 表示仪表灵敏性能的另一指标是灵敏表示仪表灵敏性能的另一指标是灵敏限。灵敏限是指能引起仪表指示值发生变限。灵敏限是指能引起仪表指示值发生变化的被测量的最小改变量,单位与被测量化的被测量的最小改变量,
24、单位与被测量单位相同。一般来说,灵敏限的数值不应单位相同。一般来说,灵敏限的数值不应大于仪表最大允许绝对误差的一半。大于仪表最大允许绝对误差的一半。第29页,此课件共49页哦4 4线性度线性度n 对对于于理理论论上上具具有有线线性性刻刻度度特特性性的的仪仪表表,即即输输入入量量与与输输出出量量呈呈线线性性关关系系,但但在在使使用用中中会会因因各各种种因因素素的的影影响响,使使仪仪表表的的实实际际特特性性偏偏离离其其理理论论上上的的线线性性特特性性,如如图图3-23-2所所示示。这这种种偏偏差差称称为非线性误差。为非线性误差。n 检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标还有一些,在此就不一一还有一些
25、,在此就不一一介绍了。介绍了。第30页,此课件共49页哦(三)检测仪表的发展方向(三)检测仪表的发展方向n 化化工工检检测测技技术术及及仪仪表表的的发发展展是是相相当当迅迅速速的的。其其主主要要表表现为:现为:n 1 1检测技术的现代化检测技术的现代化n 随着科学技术的发展,新材料、新技术和新工艺不随着科学技术的发展,新材料、新技术和新工艺不断涌现,新的检测方法也不断被开发出来。如激光、微断涌现,新的检测方法也不断被开发出来。如激光、微波、超声波、红外线、放射性同位素等非接触检测技术,波、超声波、红外线、放射性同位素等非接触检测技术,近年来都得到了较快的发展。随着半导体陶瓷、光导纤近年来都得到
26、了较快的发展。随着半导体陶瓷、光导纤维以及其他新型材料的使用,使得大量的新型传感器、维以及其他新型材料的使用,使得大量的新型传感器、变送器问世。许多基于物质本身内在性质的检测器件变送器问世。许多基于物质本身内在性质的检测器件(如压敏、热敏、光敏、湿敏、化学敏器件)也被不断(如压敏、热敏、光敏、湿敏、化学敏器件)也被不断应用于新型传感器中。此外,仿生传感学作为一门新型应用于新型传感器中。此外,仿生传感学作为一门新型学科也正在得到迅速的发展。学科也正在得到迅速的发展。第31页,此课件共49页哦2 2检测仪表的数字化、集成化和智能化检测仪表的数字化、集成化和智能化n 由于电子技术和数字化技术的发展迅
27、速,采由于电子技术和数字化技术的发展迅速,采用数字式传感器直接输出数字量,是目前检测用数字式传感器直接输出数字量,是目前检测仪表的发展方向之一。这样既可以提高仪表的仪表的发展方向之一。这样既可以提高仪表的精度,也便于与计算机直接连接。另外,为了精度,也便于与计算机直接连接。另外,为了将模拟仪表的连续直观和数字仪表的高精度相将模拟仪表的连续直观和数字仪表的高精度相结合,人们正在将模拟结合,人们正在将模拟-数字混合测量法应用于数字混合测量法应用于新型仪表。如果将光导纤维传输技术和信息处新型仪表。如果将光导纤维传输技术和信息处理技术应用于仪表,也必将会推动检测技术和理技术应用于仪表,也必将会推动检测
28、技术和检测仪表的新进展。检测仪表的新进展。第32页,此课件共49页哦n 检检测测仪仪表表在在半半导导体体技技术术的的基基础础上上,进进一一步步实实现现了了“材材料料、器器件件、电电路路、仪仪表表”的的一一体体化化,出出现现了了固固态态传传感感器器,开开创创了了检检测测仪仪表表的的新新途途径径,集集成成化化的的检检测测仪仪表表使使得得整整体体构构造造简简单单、体体积积小小、使使用用方方便便、抗抗干干扰扰能能力力强强,有利于改善仪表的性能和降低成本。有利于改善仪表的性能和降低成本。第33页,此课件共49页哦n 微微处处理理器器(CPUCPU)的的普普及及应应用用将将导导致致仪仪表表技技术术的的革革
29、命命。在在检检测测仪仪表表中中,采采用用以以大大规规模模集集成成电电路路为为基基础础的的微微处处理理器器或或单单片片微微型型计计算算机机,可可以以使使仪仪表表具具有有自自动动校校准准、自自调调零零、自自选选量量程程、自自动动检检测测以以及及信信息息变变换换、数数据据的的统统计计处处理理等等多多种种功功能能,从从而而实实现现智智能能化化。智智能传感器被普遍应用于计算机控制系统中。能传感器被普遍应用于计算机控制系统中。n 3 3检测过程的模型化检测过程的模型化n 采用软测量技术和数据校正技术,建立采用软测量技术和数据校正技术,建立多变量动态过程模型,进行模型预测、组分多变量动态过程模型,进行模型预测、组分推断等。推断等。第34页,此课件共49页哦第35页,此课件共49页哦第36页,此课件共49页哦第37页,此课件共49页哦第38页,此课件共49页哦第39页,此课件共49页哦第40页,此课件共49页哦第41页,此课件共49页哦第42页,此课件共49页哦第43页,此课件共49页哦第44页,此课件共49页哦第45页,此课件共49页哦第46页,此课件共49页哦第47页,此课件共49页哦第48页,此课件共49页哦感感谢谢大大家家观观看看第49页,此课件共49页哦
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