(3)--过程检测技术及仪表过程检测技术及仪表.ppt

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1、过程检测技术及仪表过程检测技术及仪表第一章 基础知识1.1 检测技术及仪表概述 1.2 电厂热工检测技术及仪表 1.3 典型仪表控制系统组成1.4 测量的相关概念1.5 仪表的组成及其性能指标1.2 电厂热工检测技术及仪表 自然界里有各种各样的物体，它们都具有不同形状、大小、状态和运动性质，人们在生活和生产实践中，要想了解它们的特性，就必须对它们进行检测。自然科学的产生和发展离不开检测，科学技术的进步更是与检测方法、检测技术的完善密不可分。1.1.1检测技术及仪表的重要性 从科学技术发展史和仪器仪表的发展史来看科技发展与仪器仪表的关系，我国近代科学家张之桐先生早就明确指出“没有望远镜就没有天文

2、学”、“没有显微镜就没有细胞学”、“没有指南针就没有航海”。1.1 检测技术及仪表概述科学，只有当人类懂得测量时才开始。科学，只有当人类懂得测量时才开始。门捷列夫门捷列夫新技术革命的关键是信息技术，信息技术新技术革命的关键是信息技术，信息技术是由测量技术、计算机技术和通信技术三是由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成，测量技术则是关键和基础。部分组成，测量技术则是关键和基础。钱学森（院士）钱学森（院士）仪表是人们认识世界的工具，仪表是人们认识世界的工具，机器是人们改造世界的工具，机器是人们改造世界的工具，认识世界是改造世界的前提。认识世界是改造世界的前提。王大珩（两院院士、王大珩（两院院士

3、、“两弹一星两弹一星”元勋，元勋，“863计划计划”倡导者之一）倡导者之一）名人语录1.1 检测技术及仪表概述自动化技术保证自动化技术保证倍增器国民经济产品竞争力产品竞争力国家、地区的竞争力国家、地区的竞争力经济竞争力经济竞争力企业竞争力企业竞争力1.1 检测技术及仪表概述科学研究2020世纪：诺贝尔全部获奖中，实验成果的比例如下世纪：诺贝尔全部获奖中，实验成果的比例如下：所有实验都必须借助于先进的科学仪器所有实验都必须借助于先进的科学仪器催化剂1.1 检测技术及仪表概述军事国防战斗力中国在传感器领域的现状及进展目前为止，信息产业链中的信息应用（自动化与控制技术）、信息传输（通信技术）和信息处

4、理（计算机技术）这些与人们对信息的利用接近的部分得到了很好的发展，与之距离相对较远的传感器与检测技术的发展相对滞后。我国仪器仪表科学技术取得了重大进展，在仪器仪表产品微型化、集成化、智能化、总线化等发展方向上紧跟国际发展步伐，并加大具有自主知识产权的先进仪器仪表的研制力度。当前，我国仪器仪表科学技术取得了重大进展，在仪器仪表产品但是从产品开发、产品生产工艺和设备、产品的质量、规模和种类、以及传感器的人才储备等方面来看，国内传感器技术和国外差距是显而易见的。中国在传感器领域的现状及进展按照国家新的国民经济分类标准，仪器仪表产品有20小类，可归纳为工业自动化仪表和控制系统、科学测试仪器、常用仪器仪

5、表和专用仪器仪表4类。其中对国民经济支柱产业和重大装备影响最大、代表行业水平的是自动化控制系统及主干现场仪表、关键精密测试仪器两大部分。自动化控制系统及主干现场仪表方面，应用于中、小工程项目，国产基本已与国外产品接近，有较高的市场占有率，并在不断上升；而以国家重点工程为主的大型工程项目采用的高中档产品，目前绝大部分仍采用三资企业和进口的产品。关键精密测试仪器方面，国产可以满足一般性需求，大部分市场被跨国公司占领。我国现阶段整体达到上世纪90年代初中期技术水平。1.2 电厂热工检测技术及仪表电厂热工检测和控制设备检测仪表：传感器、变送器显示仪表：指示、记录、报警 调节仪表：按预定的控制规律控制执

6、行器动作 集中控制装置：自成体系的控制装置，如DAS、FSSS、SCS 执行器：完成控制动作1.2 电厂热工检测技术及仪表 热工是一门专业。技术性很强、高科技含量很高、知识涵盖面广、发展非常迅速。什么是热工？比较确切的名称应该是工业自动化仪表及其控制。包括对各种工业设备的工况检测、生产过程的自动控制（包括程序控制）和设备运行中的自动保护。1.2 电厂热工检测技术及仪表 50年代刚解放，我国工业从无到有，加之西方世界的封锁，工业设备几乎都从前苏联引进，当时前苏联称发电厂中的锅炉、汽轮机及其辅助设备都叫热工设备，而用于监控热工设备运行状况的仪表称之为热工仪表，从事热工仪表及其控制的专业叫热工专业，

7、一直沿用。热工仪表最早的来源，是“热机工程控制仪表”，最早是从锅炉的仪表开始的，水位、压力，后来扩展到热力工程控制仪表。凡是工业自动化控制相关的都习惯称热工。1.3 典型仪表控制系统组成被调量被调量给定单元给定单元调节调节单元单元执行执行单元单元调节调节对象对象测量变送单元测量变送单元自动控制系统的组成1.3 典型仪表控制系统组成1.4 测量的相关概念 用实验的方法，把被测量与所选定的测量单位进行比较，求其比值以获得被测量数值的过程。一、一、测量的定义测量单位：测量单位：必须预先确定（计量）必须预先确定（计量）测量的三要素测量工具：测量工具：单位的实物复现形式单位的实物复现形式测量方法：测量方

8、法：进行比较的实验进行比较的实验1.4.1 测量的基本概念1.4 测量的相关概念测量的基本方程式为被测量为比值为测量单位为测量误差以确定量值为目的的一组操作，对非量化事物的量化过程1.4 测量的相关概念二、二、测量的分类一般测量（生活测量）：对测量结果无需给出误差值或估计测得值的 可信度。1）按测量用途分类）按测量用途分类工业测量（技术测量）：对测量结果只需考虑误差的最大可能性。精密测量（实验室测量）：对取得的测量结果要估计器误差，并评定 其不确定度1.4 测量的相关概念直接测量：单位与被测量直接比较即可获得比值2）按测量方法分类）按测量方法分类间接测量：测量值函数运算后才能获得被测量组合测量

9、：几个参数测得值组合运算得出结果软 测 量：利用较易测量的辅助变量和离线分析信息去估计不可测或 难测变量的方法。1.4 测量的相关概念接触测量：测量工具直接接触被测对象，感受其变化后得出测量结果3）按测量工具与被测量的关系分类）按测量工具与被测量的关系分类非接触测量：测量工具无需直接接触被测对象就能感受其变化得出测量结果能量变换型：将被测参数的能量转换成另一种易测量的能量类型（电、光等）能量控制型：被测参数的变化使其它参数发生变化，从而控制外部能量4）按测量机理分类）按测量机理分类1.4 测量的相关概念偏位法测量：被测参数使测量装置的参数产生偏差，以此进行刻度；（开环）5）按测量示值产生的状态

10、分类）按测量示值产生的状态分类平衡法测量：上述偏差用已知参数进行平衡，偏差为零时由已知量刻度被测量；（闭环）微差法测量：综合上两种方法的优点，当被测量和已知量相比较后，测出剩余偏差，达到测量目的。偏位法平衡法1.4 测量的相关概念静态测量：被测量在测量过程中无需考虑时间因素6）被测参数时变状态分类）被测参数时变状态分类动态测量：测量过程中被测量处于时变状态中等精度测量：在相同条件下进行测量，数据无论偏差大小，具有相同的可信度不等精度测量：在不同的条件下测量的数据7）按测量条件分类）按测量条件分类1.4 测量的相关概念三、常见的过程检测量三、常见的过程检测量热工量热工量温度、热量、压力、真空度、

11、压差、流量、物位等温度、热量、压力、真空度、压差、流量、物位等电工量电工量电压、电流、电阻、电感、电容、电功率、频率等电压、电流、电阻、电感、电容、电功率、频率等物性与成分物性与成分量量成分、浓度、黏度、粒度、浊度、湿度、露点、水成分、浓度、黏度、粒度、浊度、湿度、露点、水分、密度、酸碱度、分子量、纯度等分、密度、酸碱度、分子量、纯度等状态量状态量机械运转状态：启停、振动、位移、声音等机械运转状态：启停、振动、位移、声音等设备异常状态：过热、泄漏、变形、裂纹、磨损、设备异常状态：过热、泄漏、变形、裂纹、磨损、过负荷等过负荷等产品在线检测：表面质量、疵品形状等产品在线检测：表面质量、疵品形状等仪

12、表装置状态：绝缘、断线、电源等仪表装置状态：绝缘、断线、电源等1.4 测量的相关概念1.4.2 测量的误差与不确定度测量的误差与不确定度绝对误差：测量结果减被测量真实值所得的偏差称为测量的绝对误差，简称误差。1）测量误差的表示形式）测量误差的表示形式相对误差：绝对误差除以被测量的真值的百分数1.4 测量的相关概念真实值（真值）真实值（真值）与给定的特定量定义一致的值（计量学范畴）1）理论真值（理论值、定义值）根据一定的理论，在严格的条件下按定义确定的真值，如“平面三角形三个内角之和的真值等于弧度”2）约定真值（相对真值、代替真值、指定值）国际计量大会认定，得到大家公认的各种基准、标准或相当于标

13、准的指示值1.4 测量的相关概念3）最佳估计值 国际数据委员会(CODATA)给出的物理常量与常数（如推荐的真空光速、阿伏加德罗常量等特定量的最新值）4）传递值（参考值、实际值）由计量网传递下来的标准仪器、标准量器和标准物质所给出的值 在实际测量中，根据误差理论中的微小误差准则，往往把标准仪器的误差与测量仪表相比，若为其13110，则认为前者的示值为被测量的真值。1.4 测量的相关概念 误差存在的必然性是公认的事实，其原因可以从两个角度作简单解释其一，测量过程可视为信号的传递、变换与处理过程，由于测量方法、测量仪表的不完善及测量环境等因素的影响，信号不可避免地会有失真、畸变和能量损失；其二，测

14、量可看成是人类借助某些工具观察、了解客观事物的过程，由于科学技术水平对人类认识水平的限制，决定了观察、认识事物必然存在偏差。2、误差产生的原因1.4 测量的相关概念（1）原理误差：测量原理及测量方法本身先天存在的误差对被测对象认识不足，未考虑到一些因素客观条件限制，只能近似测量测量原理本身的近似性测量设备干扰被测对象常数近似、有效数字的取舍动态参数用静态方法测量 误差来源包括原理误差、装置误差、环境误差和人员误差四类：1.4 测量的相关概念（2）装置误差：使用的测试设备本身固有的误差：测量用的仪器仪表本身，在设计、制造、安装等方面存 在的误差。（3）环境误差：环境因素对测量工作的影响：测量环境

15、不同于规定的标准状态，温度、湿度、大气压、电场、磁场、振动（4）人员误差：测量人员的操作过程引入的误差：感官分辨率、生理变化、精神状态、技术水平、责任心、反应速度测量仪表精度测量仪表精度 测量精度测量精度1.4 测量的相关概念3、误差的种类（性质）系统误差：测量误差的大小、方向都是恒定或有规律变化误差。有规律，可预知，可补偿（因机理复杂，只能减小误差但不能完全消除误差）随机误差：测量误差的大小、方向都是随机变化的误差。不可预知、不能控制，多次测量符合统计规律。粗大误差：明显歪曲测量结果的误差。仪器故障、人员疏忽、重大干扰等。多数情况属于坏值，可根据一定的规则加以剔除。1.4 测量的相关概念系统

16、误差1.4 测量的相关概念（a）（b）（c）1.4 测量的相关概念4、测量的不确定度 表示测量结果正确与否的可疑程度，是给定条件下测量结果的分散性描述，表明了随机效应和系统效应对测量结果所造成影响的大小。1999年5月1日起，国内正式实施国家计量技术规范JJF1059-1999测量不确定度评定与表示代替旧规范JJF1027-1991测量误差及数据处理中的有关误差部分内容，与国际惯例接轨。1.4 测量的相关概念误差与不确定度的差别明察秋毫，尊重科学惰性气体的发现 19世纪末期，英国物理学家瑞利发现利用空气除杂制得的氮气和从氨制得的氮气的密度有大约是千分之一的差别。他在英国自然杂志上发表了他的发现

17、，并请大家帮他分析其中的原因。伦敦大学化学教授莱姆塞推断空气中的氮气里可能含有一种较重的未知气体。他们两人又各自做了大量的实验，终于发现了在空气中还存在一种密度几乎是氮气密度一倍半的未知气体。他们这种追求至真的作风使得，他在测定氮气密度时发现并抓住了“千分位的误差”，从而与拉姆塞共同发现了氩。明察秋毫，尊重科学惰性气体的发现 它也是最常见的惰性气体，占大气总量的1%。其他惰性气体几年之后才被发现，它们在地球上的含量很少。氩的发现是从千分之一微小的差别开始的，不少化学元素的发现，许多科学技术的发明创造，都是从这种微小的差别开始的。为表彰他们在稀有气体领域的发现，1904年，瑞利和拉姆塞分别获得诺

18、贝尔物理学奖和化学奖。瑞利有一句至理名言是:“一切科学上的最伟大的发现，几乎都来自精确的量度”。它也是最常见的惰性气体，占大气总量的1%。其他惰性气体几年之后才被发现，它们在地球上的含量很少。氩的发现是从千分之一微小的差别开始的，不少化学元素的发现，许多科学技术的发明创造，都是从这种微小的差别开始的。为表彰他们在稀有气体领域的发现，1904年，瑞利和拉姆塞分别获得诺贝尔物理学奖和化学奖。瑞利有一句至理名言是:“一切科学上的最伟大的发现，几乎都来自精确的量度”。明察秋毫，尊重科学惰性气体的发现1.5 仪表的组成及其性能 1.5.1 仪表的基本组成仪表的基本组成 由传感器、变换器和显示装置三个功能

19、环节组成传感器 与被测对象直接联系，感受被测量的变化，并发出一个与被测量相对应的可观测信号作为输出的装置。也称为：敏感元件、一次元件、感受件、测量元件、发送器等变换器 对传感器的输出信号进行某种形式的加工处理。如放大、变换信号性质、信号线性化等，以便于远传、显示或信号统一的装置 显示装置 向观测者显示出被测量的数值（就地或远传显示）的装置。1.5 仪表的组成及其性能 1、传感器的要求、传感器的要求单值性 输出与被测量单值关系最好是线性关系复现性 在不同的测量条件下测量值应在一定的准确度内一致选择性 传感器输出只对被测量变化敏感，否则将产生附加误差超然性 对被测量的干扰尽可能小灵敏性 输出信号尽

20、可能大稳定性 在规定的工作条件下保持其恒定的计量性能（物理、化学性 质稳定）经济性 价格可被接受1.5 仪表的组成及其性能 2、变换器的要求、变换器的要求 保证转换精度，即在信号处理中尽量减小信号的失真和畸变变送器 凡输出标准信号的变换器就称之为变送器（4-20mA、0-10mA、20-100kP、标准协议的数字信号等）3、显示装置的要求、显示装置的要求 显示装置由模拟式、数字式和屏幕显示等三种，对显示装置的要求就是便于读数1.5 仪表的组成及其性能 用户关心的内容计量性能可靠性（抗干扰能力、防护能力）防爆性能能耗使用方便性价格 用户的选表原则满足计量指标、使用安全可靠、维护量小、投资少；反对

21、盲目追求高、精、尖。1.5 仪表的组成及其性能 1.5.2 仪表的性能指标测量范围：在允许的误差范围内，仪表所能给出的被测量值的集合测量上限：测量范围的最高值测量下限：测量范围的最低值量程：测量上限与测量下限代数差 1 测量范围及量程 一、主要计量性能指标1.5 仪表的组成及其性能仪表的输入信号作为横坐标，输出信号作为纵坐标画出的曲线2 仪表的输入输出特性零点迁移：通过仪表的调零机构，使特性曲线平移的过程（量程保持不变）量程调整：通过仪表的调量程机构，使特性曲线斜率发生变化的过程。1.5 仪表的组成及其性能3 仪表的滞环和回差滞环：仪表的实际上升曲线与下降曲线不重合时，形成的环状输入/输出特性

22、（弹性元件的变形、磁滞效应等引起，同一输入量对应两个输出量）回差（变差）：上升曲线和下降曲线在同一输入量下最大的差值1.5 仪表的组成及其性能4 灵敏度 仪表输出相应的变化与输入激励的变化,在x处的比值 实质就是仪表输入/输出特性曲线的斜率，仅当特性曲线为线性时，灵敏度为常数。若不能保证线性特性，称为平均灵敏度。1.5 仪表的组成及其性能5 分辨率 使测量仪表产生未察觉的响应变化的最大激励变化值，又称灵敏限或分辨力 对于数字仪表来讲，它的大小等于最后一位的1个单位值。对于模拟仪表来讲，等于标尺最小刻度值的一半大小6 死区 使测量仪表产生可察觉响应时的最小激励值（下限处），又称不灵敏区1.5 仪

23、表的组成及其性能7 线性度 又称非线性误差。对于理论上具有线性“输入一输出”实际特性曲线的仪表，由于各种因素的影响，实际特性曲线往往偏离线性关系，它们之间的最大差值与量程范围之比的百分数称之为线性度。8 重复性 同一工作条件下，多次按同一方向输入信号作全量程范围的变化时，对应于同一输入值的仪表输出值的一致性称为重复性。重复性大小是以在全量程上，对应于同一输入值输出的最大值和最小值的差与量程范围之比的百分数表示的。1.5 仪表的组成及其性能9 漂移 在保持一定的输入信号和工作条件下，经过一段时间后输出的变化。它以整个仪表量程输出的最大变化量与量程之比的百分数来表示。10 反应时间 仪表测量时，要

24、经过一段时间后，指示值才能准确地显示出来。通常是由于电子元件的老化。弹性元件的时效性、节流元件的磨损、热电偶和热电阻元件的污染变质等原因引起的。由于仪表元件的机械惯性。热惯性、阻力等原因造成的。反映时间长的仪表不能用于测量参数变化频繁的工况。1.5 仪表的组成及其性能11 仪表的引用误差 是用测量仪表的量程代替真值所得到的相对误差，又称诱导相对误差或满度相对误差。仪表量程中最大的绝对误差和量程之比则称为仪表的最大引用误差。12 仪表的基本误差和允许误差基本误差 在规定的技术条件下，在仪表的量程范围内，各点出现的示值误差绝对值最大者。（最不准那一点的误差值）允许误差 在规定的条件下，允许仪表具有

25、的误差最大值。（仪表误差的设计允许值，人为确定）1.5 仪表的组成及其性能13 仪表的精度等级 用引用误差表示的仪表允许误差（最大引用误差）去掉%后的数字经过圆整后的数值。按照国际法制计量组织（按照国际法制计量组织（OIMLOIML）建议书）建议书No.34No.34的推荐，仪表的精度等级的推荐，仪表的精度等级采用以下数字：采用以下数字：110110n n、1.5101.510n n、1.6101.610n n、210210n n、2.5102.510n n、310310n n、410410n n、510510n n和和610610n n （n=1、0、-1、-2、-3等）。我国工业仪表等级分

26、为我国工业仪表等级分为 0.10.1，0.20.2，0.50.5，1.01.0，1.51.5，2.52.5，5.0 5.0 七个等级七个等级,1.5 仪表的组成及其性能仪表合格的标准仪表的基本误差 仪表的允许误差【例】有一块温度表，测量范围为0-200 0C，1.0级精度，经校验结果如表所示，问：此表基本误差是多少？是否合格？X0（oC）0 50 100 150 200（oC）0+2-3+1-4 由题意可知，该表量程为200 0C，精度为1.0，该表的允许误差为2 0C，各校验点的绝对误差绝对值最大的为4 0C，基本误差大于允许误差，所以不合格。1.5 仪表的组成及其性能 产品在规定的条件下和

27、规定的时间内完成规定功能的概率。设有N0个同样的产品，在同样的条件下同时开始工作，从开始运行到时间t之间有Nf(t)个发生故障，Ns(t)个未发生故障，则其可靠度R(t)可表示为：1 可靠度 二、仪表的可靠性1.5 仪表的组成及其性能 系统运行到t时刻后的单位时间内发生故障的系统数与时刻t时完好的系统数之比。2 失效率 对于电子产品而言，(t)与时间t的关系如图所示著名的“浴盆曲线”1.5 仪表的组成及其性能 按照可靠度的定义，如果一种产品在时刻t 内正常工作的概率为R(t)，则按照统计学理论，该产品寿命的数学期望值,即平均寿命m 可表达为：3 平均寿命与平均维修时间 对于电子产品，在偶然失效

28、期内，(t)几乎与时间无关，即(t)=,故：1.5 仪表的组成及其性能若故障后无法修复，则其寿命m又可称作平均无故障时间（Mean Time To Failure)，简称MTTF；对可修复的系统，还有一个重要的可靠性指标，即平均修复时间(Mean Time To Repair)，亦称为MTTR。如可以修复，则其寿命m代表的是平均故障间隔时间(Mean Time Between Failure)，简称MTBF。多数仪表的故障均应是可以修复的，所以其平均寿命统称作MTBF。1.5 仪表的组成及其性能 利用率（有效度）是可修复产品的一个可靠性指标，由下式定义 4 利用率 是产品正常工作的时间占总时间

29、的比。为提高利用率，一方面要尽量提高 MTBF，另一方面还要努力减小 MTTR。仪表的使用过程1.5 仪表的组成及其性能 易燃易爆环境下对电动仪表使用提出的要求。（指仪表本身能否影响环境）三、仪表的防爆问题GB3836.1GB3836.1爆炸环境用防爆电器设备通用要求爆炸环境用防爆电器设备通用要求爆炸环境用防爆电器设备通用要求爆炸环境用防爆电器设备通用要求GB50058-92GB50058-92爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范1.5 仪表的组成及其性能p 结构防爆 隔离电路与环境（隔爆仪表）

30、p 本质安全防爆 限制电路能量（安全火花防爆仪表、本案防爆）防爆途径 1、结构防爆的措施 严密的外壳，隔绝内部电路和环境的接触；壳内填充石英砂，熄弧隔热。向壳内输送洁净空气维持内部正压，使环境易燃易爆气体无法进入；壳内充油，带走热量、熄灭火花、隔离；1.5 仪表的组成及其性能 2、本安防爆的措施 电压1.2V,电流0.1A 且能量20 J或功率 25mW，经检验后可直接用于任何场所（如热电偶、热电阻、光敏电池等）；本安仪表本安仪表 本安系统本安系统 必须注意，和其他仪表配套使用时，还要考虑配套仪表的安全性。1.5 仪表的组成及其性能防爆等级和标志1）危险场所的分类、易爆程度分级与引燃温度分组类

31、别类别I 类：由甲烷气体的煤矿井下；II 类：有各种易燃易爆气体的工业生产场所；III类：有易燃易爆粉尘的场所。级别级别A 级：难以引爆B 级：中间状态C 级：最易引爆分组分组T1组：最难自燃T2组T5组渐易T6组：最易自燃粉尘分组为T1-1T1-3 危险递增关系。1.5 仪表的组成及其性能2）防爆仪表的类型与等级标志GB3836.1的规定类型（8类）dein隔爆型隔爆型增安型增安型本安型本安型无火花型无火花型opqs充油型充油型正压型正压型充砂型充砂型特殊型特殊型【例】某仪表可用于乙烯生产场所，表面温度不超过200oC，隔爆类型，则标识应为什么？根据要求，通过查相关的表格最终确定应选用仪表标识为 dBT31.5 仪表的组成及其性能 仪表能否在指定环境下安全、稳定地运行（指环境能否影响仪表本身）四、仪表的防护问题国际标准：国际标准：国际标准：国际标准：IEC529IEC529；德国标准；德国标准；德国标准；德国标准DIN40050DIN40050国内标准：国内标准：国内标准：国内标准：GB4208GB4208外壳防护等级的分类外壳防护等级的分类外壳防护等级的分类外壳防护等级的分类（与国际标准兼容）（与国际标准兼容）（与国际标准兼容）（与国际标准兼容）标注方法及含义：数字08：表示对水侵入的防护数字06：接触防护和对外来物体侵入的防护防护标识I P 谢谢观看谢谢观看