化工儀表及其自動化

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化 第一章第一章 檢測儀表基本知識檢測儀表基本知識 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 n 測量過程與測量誤差測量過程與測量誤差 n 測量儀表的品質(zhì)指標(biāo)測量儀表的品質(zhì)指標(biāo) n 測量系統(tǒng)中的常見信號類型測量系統(tǒng)中的常見信號類型 n 檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式 n 檢測儀表與測量方法的分類檢測儀表與測量方法的分類 n 化工檢測的發(fā)展趨勢化工檢測的發(fā)展趨勢 1 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 1、測量過程與測量誤差、測量過程與測量誤差 測量測量是用實驗的方法,求出某個量的大小。 qVQ 舉例 測一段

2、導(dǎo)線的長度 直接測量直接測量 間接測量間接測量 測量實質(zhì)測量實質(zhì): :是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比 較的過程。 2 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 測量誤差測量誤差: :由儀表讀得的被測值 (測量值)與被測參數(shù) 的真實值之間的差距。 測量誤差按其測量誤差按其產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因的不同的不同, ,可以分為三類：可以分為三類： 系統(tǒng)誤差 疏忽誤差 偶然誤差 3 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 （1）絕對誤差 t tI x xx x xx x 或 0 0 0 tI xx xI：儀表指示值, xt：被測量的真值 0 xx 由于真值無法得到 x：被校表的讀數(shù)值，x

3、0 ：標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)值 （2）相對誤差 4 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 測量誤差常用的兩種表示方法: 2、檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo)、檢測儀表的品質(zhì)指標(biāo) 5 說明說明:儀表的測量誤差可以用絕對誤差來表示。但是,儀 表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點不相同。因此,常說的 “絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大值max。 兩大影響因素 絕對誤差和儀表的標(biāo)尺范圍 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 %100 max 標(biāo)尺下限值標(biāo)尺上限值 %100 標(biāo)尺下限值標(biāo)尺上限值 差值儀表允許的最大絕對誤 允 6 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 儀表的允越大，表示它的精確度越

4、低；反之，儀表 的允越小，表示儀表的精確度越高。將儀表的允許相對 百分誤差去掉“”號及“”號，便可以用來確定儀表的 精確度等級。目前常用的精確度等級有0.005，0.02， 0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。 小結(jié)小結(jié) 7 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 %8 . 0%100 200700 4 8 舉例 例1-1某臺測溫儀表的測溫范圍為200700，校驗該表 時得到的最大絕對誤差為4，試確定該儀表的相對百分 誤差與準(zhǔn)確度等級。 解解 該儀表的相對百分誤差為 如果將該儀表的去掉“”號與“”號,其數(shù)值為0.8。由 于國家規(guī)定的精度等級中沒

5、有0.8級儀表,同時,該儀表的誤差超 過了0.5級儀表所允許的最大誤差,所以,這臺測溫儀表的精度等 級為1.0級。 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 9 儀表的準(zhǔn)確度等級儀表的準(zhǔn)確度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。 準(zhǔn)確度等級數(shù)值越小,就表征該儀表的準(zhǔn)確度等級越高, 儀表的準(zhǔn)確度越高。工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表,其準(zhǔn)確度大多在 0.5級以下。 儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標(biāo)志在儀表面 板上。 舉例舉例 1.5 1.0 如： 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 注意注意 在工業(yè)上應(yīng)用時,對檢測儀表準(zhǔn)確度的要求, 應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)操

6、作的實際情況和該參數(shù)對整個工藝 過程的影響程度所提供的誤差允許范圍來確定, 這樣才能保證生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。 10 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 %100 標(biāo)尺下限值標(biāo)尺上限值 最大絕對差值 變差 變差變差是指在外界條件不變的情況下,用同一儀表對被測 量在儀表全部測量范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即被測參數(shù)逐漸由 小到大和逐漸由大到小）測量時,被測量值正行和反行所得 到的兩條特性曲線之間的差值。 圖1-1 測量儀表的變差 11 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 12 儀表的靈敏度儀表的靈敏度是指儀表指針的線位移或角位移,與引起 這個位移的被測參數(shù)變化量的比值。即 x

7、 S 式中,S為儀表的靈敏度;為指針的線位移或角位移;x 為引起所需的被測參數(shù)變化量。 儀表的靈敏限儀表的靈敏限是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參 數(shù)的最小變化量。通常儀表靈敏限的數(shù)值應(yīng)不大于儀表允 許絕對誤差的一半。 注意：注意：上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中， 往往用分辨率表示。往往用分辨率表示。 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 13 反應(yīng)時間反應(yīng)時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數(shù)變 化的品質(zhì)指標(biāo)。反應(yīng)時間長,說明儀表需要較長時間才能給 出準(zhǔn)確的指示值,那就不宜用來測量變化頻繁的參數(shù)。 儀表反應(yīng)時間的長短,實際

8、上反映了儀表動態(tài)特性的好壞。 儀表的 反應(yīng)時 間有不 同的表 示方法 當(dāng)輸入信號突然變化一個數(shù)值后，輸出 信號將由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值。 儀表的輸出信號由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值 的63.2（95）所用的時間，可用來表示 反應(yīng)時間。 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 %100 max 儀表量程 f f 14 線性度線性度是表征線性刻度儀表的輸 出量與輸入量的實際校準(zhǔn)曲線與理論 直線的吻合程度。通?？偸窍Ｍ麥y量 儀表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。 圖1-2 線性度示意圖 式中式中,f為線性度（又稱非線性誤差）;fmax為校準(zhǔn)曲線 對于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計算）。 商

9、洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 重復(fù)性重復(fù)性表示檢測儀表在被測參數(shù)按同一方向作全量 程連續(xù)多次變動時所得標(biāo)定特性曲線不一致的程度。若 標(biāo)定的特性曲線一致,重復(fù)性就好,重復(fù)性誤差就小。 圖1-3 重復(fù)性示意圖 %100 max 儀表量程 Z Z 15 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 3、檢測系統(tǒng)中的常見信號類型、檢測系統(tǒng)中的常見信號類型 作用于檢測裝置輸入端的被測信號作用于檢測裝置輸入端的被測信號,通常要轉(zhuǎn)換成以下幾種通常要轉(zhuǎn)換成以下幾種 便于傳輸和顯示的信號類型便于傳輸和顯示的信號類型 1.位移信號 2.壓力信號 3.電氣信號 4.光信號 16 商洛學(xué)院化學(xué)與

10、化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 4、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式、檢測系統(tǒng)中信號的傳遞形式 在時間上是連續(xù)變化的, 即在任何瞬時都可以確 定其數(shù)值的信號。 數(shù)字信號是一種以離散形式出現(xiàn)的不連續(xù)信號, 通常用二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”組合的代碼序列來表示。 用兩種狀態(tài)或用兩個數(shù)值范圍表示的不連續(xù)信號。 17 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 5、檢測儀表與測量方法的分類、檢測儀表與測量方法的分類 （ 依據(jù)的不同,可分成壓力 (包括差壓、負(fù)壓)檢 測儀表、流量檢測儀表、物位 (液位)檢測儀表、溫度檢 測儀表、物質(zhì)成分分析儀表及物性檢測儀表等。 按的方式不同,可分成指示型、記錄型、訊號

11、型、遠(yuǎn)傳指示型、累積型等。 按的不同,可分為實用儀表、范型 儀表和標(biāo)準(zhǔn)儀表,分別使用在現(xiàn)場、實驗室和標(biāo)定室。 18 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 按照測量結(jié)果的獲得過程 直接測量 間接測量 19 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 直接測量直接測量 利用經(jīng)過標(biāo)定的儀表對被測參數(shù)進(jìn)行測量,直接從 顯示結(jié)果獲得被測參數(shù)的具體數(shù)值的測量方法。 根據(jù)被測參數(shù)獲得方式的不同,直接測量又有偏 差法與平衡法（零位法）之分。 除此之外,還有一種將平衡 法與偏差法結(jié)合起來的微差微差 法法 20 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 間接測量間接測量 當(dāng)被測量不宜直接

12、測量時,可以通過測量與被測 量有關(guān)的幾個相關(guān)量后,再經(jīng)過計算來確定被測量的 大小。 21 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 6、化工檢測的發(fā)展趨勢、化工檢測的發(fā)展趨勢 （1 1）. .檢測技術(shù)的現(xiàn)代化檢測技術(shù)的現(xiàn)代化 （2 2）. .檢測儀表的集成化、數(shù)字化、智能化檢測儀表的集成化、數(shù)字化、智能化 （3 3）. .軟測量技術(shù)和虛擬儀器軟測量技術(shù)和虛擬儀器 22 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 例題分析例題分析 1. 某臺具有線性關(guān)系的溫度變送器,其測溫范圍為 0200, 變送器的輸出為 420mA。對這臺溫度變送器進(jìn)行校驗,得 到下列數(shù)據(jù): 輸入信號標(biāo)準(zhǔn)溫度/

13、050100150200 輸出信號 /mA 正行程讀數(shù)x正 反行程讀數(shù)x反 4 4.02 8 8.10 12.01 12.10 16.01 16.09 20 20.01 試根據(jù)以上校驗數(shù)據(jù)確定該儀表的變差、準(zhǔn)確度等級與線性 度。 23 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 4 輸入下限值輸入上限值 輸出下限值）溫度值（輸出上限值 I )(84 0200 )420(50 mAI 解解: :該題的解題步驟如下。 (1)根據(jù)儀表的輸出范圍確定在各溫度測試點的輸出標(biāo) 準(zhǔn)值x標(biāo)。任一溫度值的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(mA)為 例如,當(dāng)溫度為50時,對應(yīng)的輸出應(yīng)為 其余類推。 24 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程

14、系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 (2)算出各測試點正、反行程時的絕對誤差正與反 ,并算 出正、反行程之差變 ,分別填入下表內(nèi)(計算變時可不考 慮符號,取正值)。 輸入信號/050100150200 輸出信號 /mA 正行程讀數(shù)x正 反行程讀數(shù)x反 標(biāo)準(zhǔn)值 4 4.02 4 8 8.10 8 12.01 12.10 12 16.01 16.09 16 20 20.01 20 絕對誤差 /mA 正行程正 反行程反 0 0.02 0 0.10 0.01 0.10 0.01 0.09 0 0.01 正反行程之差變 0.020.100.090.080.01 25 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工

15、程系 (3)由上表找出最大的絕對誤差max ,并計算最大 的相對百分誤差max。由上表可知 )(10. 0 max mA %625. 0%100 420 10. 0 max 去掉max的“”號及“%”號后,其數(shù)值為0.625 ,數(shù)值在 0.51.0之間,由于該表的max已超過0.5級表所允許的允, 故該表的準(zhǔn)確度等級為1.0級。 26 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 %625. 0%100 420 max 變 變 (4)計算變差 由于該變差數(shù)值在1.0級表允許的誤差范圍內(nèi), 故不影響表的準(zhǔn)確度等級。注意若變差數(shù)值變max 超過了絕對誤差max ,則應(yīng)以變max來確定儀表的 準(zhǔn)確度等級。 27 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 (5)由計算結(jié)果可知,非線性誤差的最大值fmax = 0.10 , 故線性度f為 %625. 0%100 420 10. 0 %100 max 儀表量程 f f 注意注意 在具體校驗儀表時,為了可靠起見,應(yīng)適當(dāng)增加測試 點與實驗次數(shù),本例題只是簡單列舉幾個數(shù)據(jù)說明問題罷 了。 28 商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系商洛學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程系 2.