第一講1-測量概念.ppt

2020 2 17 1 工業(yè)裝備測控技術 第一講 1過程檢測技術測量基本知識 1 2020 2 17 2 概述 過程裝備控制是指在過程設備上 配上一些自動化裝置以及合適的自動控制系統(tǒng)來代替操作人員的部分或全部直接勞動 使設計 制造 裝配 安裝等在不同程度上自動地進行 這種利用自動化裝置來管理生產過程的方法就是生產過程自動化 過程裝備控制是生產過程自動化最重要的一個分支 是安全生產的重要保證 2020 2 17 3 生產過程自動化系統(tǒng)包含的內容 自動檢測系統(tǒng) 為了隨時了解生產過程中各工藝參數(shù)的變化情況 采用各種檢測儀器 如熱電偶 熱電阻 壓力傳感器等 自動連續(xù)地對各種工藝變量 如溫度 壓力 流量 液位等 進行測量 信號聯(lián)鎖系統(tǒng) 為了確保安全生產 常對這些關鍵性變量設置信號報警或聯(lián)鎖保護裝置 自動操縱系統(tǒng) 按預先規(guī)定的程序 自動地對生產設備進行某種周期性操作 極大地減輕操作人員的繁重或重復性體力勞動的裝置 自動控制系統(tǒng) 利用自動控制儀表及裝置 對生產過程中某一工藝變量進行自動調節(jié) 使它在受到外界干擾影響偏離正常狀態(tài)后 能夠自動地重新回復到規(guī)定的范圍之內 從而保證生產的正常進行 2020 2 17 4 測量基本知識 為實現(xiàn)對生產過程的自動控制 首先必須對生產過程的各參數(shù)進行可靠的測量 學習和掌握過程測試及應用 能夠在科研和生產中面臨的測試任務面前 正確的選擇測試原理和方法 正確的選擇所需要的技術工具 組成合適的測試系統(tǒng) 完成需要的測試任務 測量就是為取得任一未知參數(shù)而做的全部工作 測量的目的是為了準確地獲取表征被測對象特征的某些參數(shù)的定量信息 測量技術推動科學的新發(fā)現(xiàn) 在過程設備的控制中 測試是最重要的手段 測量是判斷事物質量指標的重要手段 測量技術的狀態(tài)反映了一個國家的經濟發(fā)展和科學技術水平 2020 2 17 5 測量方法 1 直接測量與間接測量直接測量法將被測量與單位能直接比較 立即得到比值 或者儀表能直接顯示出被測參數(shù)數(shù)值的測量方法被稱為直接測量法 間接測量法采用直接測量方法不能直接得到測量結果 而需要先測出一個或幾個與被測量有一定函數(shù)關系的其他量 然后根據(jù)此函數(shù)關系計算出被測量的數(shù)值 這種方法被稱為間接測量法 2020 2 17 6 2 等精度測量和不等精度測量等精度測量法在測量過程中 使影響測量誤差的各因素 環(huán)境條件 儀器儀表 測量人員 測量方法等 保持不變 對同 被測量值進行次數(shù)相同的重復測量 這種測量方法稱為等精度測量法 不等精度測量法在測量過程中 測量環(huán)境條件有部分不相同或全部不相同 如測量儀器精度 重復測量次數(shù) 測量環(huán)境 測量人員熟練程度等有了變化 所得測量結果的可靠程度顯然不同 這種方法稱為不等精度測量法 2020 2 17 7 3 接觸測量與非接觸測量接觸測量法儀表的某一部分 一般為傳感器部分 必須接觸被測對象 被測介質 非接觸測量法儀表的任何部分均不與被測對象接觸 過程檢測多數(shù)采用接觸測量法 2020 2 17 8 4 靜態(tài)測量與動態(tài)測量靜態(tài)測量在測量過程中 如被測參數(shù)恒定不變 則此種測量稱為靜態(tài)測量 動態(tài)測量被測參數(shù)隨時間變化而變 此種測量方法稱為動態(tài)測量 2020 2 17 9 檢測儀器與設備 1 感受件 傳感器 傳感器是檢測儀表與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部分 它的作用是感受被測量的變化 直接從對象中提取被測量的信息 并轉換成一相應的輸出信號 2 中間件 變送器或變換器 變換器是檢測儀表中的中間環(huán)節(jié) 它由若干個部件組成 它的作用是將傳感器的輸出信號進行變換 實現(xiàn)放大 遠距離傳送 線性化處理或轉變成規(guī)定的統(tǒng)一信號 供給顯示器 調節(jié)器等 3 顯示件 顯示器 顯示器的作用是向觀察者顯示被測量數(shù)值的大小 它可以是瞬時量的顯示 累積量的顯示 越限報警等 也可以是相應的記錄顯示 2020 2 17 10 誤差基本知識 1 測量誤差與分類 系統(tǒng)誤差 隨機誤差 粗大誤差 2020 2 17 11 誤差基本知識 1 測量誤差與分類 系統(tǒng)誤差是指在相同條件下 多次測量同一被測量值的過程中出現(xiàn)的一種誤差 它的絕對值和符號或者保持不變 或者在條件變化時按某一規(guī)律變化 系統(tǒng)誤差是由于測量工具本身的不準確或安裝調整得不正確 測試人員的分辨能力或固有的讀數(shù)習慣 測量方法的理論根據(jù)有缺陷或采用了近似公式等原因所造成的 2020 2 17 12 誤差基本知識 1 測量誤差與分類 隨機誤差又稱偶然誤差 它是在相同條件下多次測量同一被測量值的過程中所出現(xiàn)的絕對值和符號以不可預計的方式變化的誤差 隨機誤差大多是由測量過程中大量彼此獨立的微小因素對被測值的綜合影響所造成的 2020 2 17 13 誤差基本知識 1 測量誤差與分類 粗大誤差明顯地歪曲測量結果的誤差稱為粗大誤差 這種誤差是由于測量操作者的粗心 如讀錯 記錯 算錯數(shù)據(jù)等 不正確地操作 實驗條件的突變或實驗狀況尚未達到預想的要求而匆忙實驗等原因所造成的 2020 2 17 14 2 測量的精密度 準確度和精確度 精密度對同一被測量進行多次測量 測量的重復性程度稱為精密度 測量的精密度取決于隨機誤差 因為隨機誤差反映了在相同條件下對同一被測量進行多次測量時 所得測量結果的離散程度 隨機誤差越小 測量值分布越密集 測量結果的重復性越好 測量的精密度越高 反之亦然 準確度對同一被測量進行多次測量 測量值偏離被測量真值的程度稱為準確度 測量的準確度取決于系統(tǒng)誤差的大小 系統(tǒng)誤差愈小 則測量的準確度愈高 精確度精密度與準確度的綜合稱精確度 它反映了測量結果中系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合數(shù)值 即測量結果與真值的一致程度 也反映了系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合影響程度 2020 2 17 15 2 測量的精密度 準確度和精確度 圖3 4重復測量時的散點圖圖中xo代表被測量的真值 x代表多次測量值的平均值 b 準確而不精密 c 既精密又準確 d 既不精密又不準確 a 精密而不準確 2020 2 17 16 3 不確定度 測量的不確定度是表示用測量值代表被測量真值的不肯定程度 它是對被測量的真值以多大的可能性處于以測量值為中心的某個量值范圍之內的一個估計 不確定度是測量精確度的定量表示 不確定度愈小的測量結果 其精確度愈高 在評定測量結果的不確定度時 應先行剔除壞值并對測量值盡可能地進行修正 2020 2 17 17 4 儀表的基本誤差限 儀表的基本誤差限可以用絕對誤差 相對誤差或引用誤差來表示 絕對誤差是指儀表指示值與被測變量的真值之間的代數(shù)差 即 X X Ao 3 4 式中 X 絕對誤差 X 儀表指示值 Ao 被測變量的真值 式 3 4 中的真值Ao通常用約定真值或一系列測量結果的算術平均值來代替 一般情況下 被測變量的真實數(shù)值 理想真值 是未知的 在工程上 常用更高一級標準儀器的測量值Xo來代替真值Ao 稱之為約定真值 2020 2 17 18 4 儀表的基本誤差限 相對誤差為測量的絕對誤差與被測變量的約定真值 實際值 之比 通常用百分數(shù)表示 與絕對誤差相比較 相對誤差更能說明測量結果的精確程度 2020 2 17 19 4 儀表的基本誤差限 引用誤差 2020 2 17 20 誤差分析與處理 隨機誤差分析與處理 2020 2 17 21 隨機誤差分析與處理 2020 2 17 22 隨機誤差分析與處理 2020 2 17 23 隨機誤差分析與處理 2020 2 17 24 隨機誤差分析與處理 2020 2 17 25 隨機誤差分析與處理 2020 2 17 26 隨機誤差分析與處理 隨機誤差的消除隨機誤差產生的原因是由很多微小變化的總和引起的 難以具體分析 但是其中幾個因素還是比較明確的 如摩擦 間隙 噪聲等 為了減小摩擦引起的隨機誤差 最根本的辦法就是從結構 原理上盡量避免采用存在摩擦的可動部分 例如儀表中用張絲代替軸或軸承 差壓變送器中采用支撐彈簧等 噪聲對測量帶來的誤差各式各樣 為了減小噪聲對測量帶來的誤差 可在儀表和測量系統(tǒng)中采取屏蔽 接地 對稱平衡 濾波 選頻和去耦等辦法 因為數(shù)字電路比模擬電路受噪聲的影響要小些 所以采用數(shù)字儀表可以提高抗干擾能力 減小誤差 隨機誤差處理在等精確度條件下 以盡可能多次數(shù)的重復測量作為樣本數(shù)據(jù) 取樣本數(shù)據(jù)的平均數(shù)作為真值估計 并計算確定其均方根誤差的真值估計范圍 2020 2 17 27 2 系統(tǒng)誤差的分析與處理 系統(tǒng)誤差的估計系統(tǒng)誤差可分為兩類 恒定系統(tǒng)誤差指誤差大小和符號在測量過程中不變的誤差 變值系統(tǒng)誤差它是一種按照一定規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差 根據(jù)變化特點又可分為累積性系統(tǒng)誤差和周期性系統(tǒng)誤差 2020 2 17 28 2 系統(tǒng)誤差的分析與處理 系統(tǒng)誤差的消除為了進行正確的測量 取得可靠的數(shù)據(jù) 在測量前或測量過程中 必須盡力減少或消除系統(tǒng)誤差的來源 消除誤差的方法 a盡可能選擇精確度高的儀表b用精確度高的儀表校準使用的儀表C采用零讀數(shù)法d采用替代讀數(shù)法e采用交換讀數(shù)法f還有采用對稱法 微差法 比較法等 2020 2 17 29 3 粗大誤差的檢驗與剔除 在測量過程中 一般情況下不能及時確定哪個測量值是壞值而加以舍棄 必須在整理數(shù)據(jù)時加以判別 判斷壞值的方法有幾種 概括起來都屬于統(tǒng)計判別法 其基本方法是規(guī)定一個置信概率和相應的置信系數(shù) 即確定一個置信區(qū)間 將誤差超過此區(qū)間的測量值 都認為是屬于不僅包含隨機誤差的壞值 而應予以剔除 2020 2 17 30 3 粗大誤差的檢驗與剔除 2020 2 17 31 3 粗大誤差的檢驗與剔除 2020 2 17 32 誤差綜合 2020 2 17 33 誤差綜合 2020 2 17 34 儀器儀表的主要性能指標 儀表的性能指標是評價儀表性能差異 質量優(yōu)劣的主要依據(jù) 也是正確的選擇儀表和使儀表達到準確測量目的所必須具備和了解的知識 儀表的性能指標主要有技術 經濟及使用三方面的指標 儀表技術方面的指標有誤差 精度等級 靈敏度 變差 量程 響應時間 漂移等 2020 2 17 35 儀器儀表的主要性能指標 1 量程與精度 量程儀表的量程是指測量范圍上限與下限的代數(shù)差 精度等級用儀表的最大引用誤差值去除百分比符號來描述儀表的測量精度儀表的精確度等級已經系列化 只能從下列數(shù)據(jù)中選取最接近的合適數(shù)值作為精確度等級 即0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 2 5 5 0 2020 2 17 36 儀器儀表的主要性能指標 1 靜態(tài)性能指標儀表的特性有靜態(tài)特性和動態(tài)特性之分 它們所描述的是儀表的輸出變量與輸入變量之間的對應關系 當輸入變量處于穩(wěn)定狀態(tài)時 儀表的輸出與輸入之間的關系稱為靜態(tài)特性 這里介紹幾個主要的靜態(tài)特性指標 2020 2 17 37 儀器儀表的主要性能指標 線性度一般說來 總是希望儀表具有線性特性 亦即其特性曲線最好為直線 但是 在對儀表進行標定時人們常常發(fā)現(xiàn) 那些理論上應具有線性特性的儀表 由于各種因素的影響 其實際特性曲線往往偏離了理論上的規(guī)定特性曲線 直線 在測試技術中 采用線性度這一概念來描述儀表的標定曲線與擬合直線之間的吻合程度 如圖3 6所示 圖中a表示標定曲線 b表示擬合直線 2020 2 17 38 儀器儀表的主要性能指標 遲滯誤差在輸入量增加和減少的過程中 對于同一輸入量會得出大小不同的輸出量 在全部測量范圍內 這個差別的最大值與儀表的滿量程之比值稱為遲滯誤差 遲滯誤差是由于儀表內有吸收能量的元件 如彈性元件 磁化元件等 機械結構中有間隙以及運動系統(tǒng)的摩擦等原因造成的 2020 2 17 39 儀器儀表的主要性能指標 漂移是指輸入量不變時 經過一定的時間后輸出量產生的變化 由于溫度變化而產生的漂移稱溫漂 當輸入量固定在零點不變時 輸出量的變化值引起的漂移稱為零漂 重復性儀表的重復性用全測量范圍內的各輸入值所測得的最大重復