儀器儀表的功能在于用物理

1、1 緒 論1.1 序言儀器儀表的功能：在于用物理、化學(xué)和生物的方法，獲取被測對象的組份、狀態(tài)、運(yùn)動和變化的信息，通過信息的轉(zhuǎn)換和處理，使其成為易于人們閱讀、識別和表達(dá)（信息顯示、轉(zhuǎn)換和運(yùn)用）的量化形式或進(jìn)一步信號化進(jìn)入其他自動化系統(tǒng)。1.1.1 檢測技術(shù)與儀表的重要性1） 儀表是人們認(rèn)識世界的工具，機(jī)器是人們改造世界的工具，認(rèn)識世界是改造世界的前提王大珩（兩院院士、“兩彈一星”元勛，“863計劃”倡導(dǎo)者之一）；2） 器儀表是信息產(chǎn)業(yè)（IT），是現(xiàn)代信息鏈的源頭技術(shù)（信息的獲取、處理、傳輸和應(yīng)用）。錢學(xué)森院士：“新技術(shù)革命的關(guān)鍵是信息技術(shù)，信息技術(shù)是由測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)三部分組成，測

2、量技術(shù)則是關(guān)鍵和基礎(chǔ)”；3） 測量蘊(yùn)含在人類生產(chǎn)生活的各個方面，長短、快慢、輕重、冷熱、亮暗、濃淡儀器儀表工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”，是科學(xué)研究的“催化劑”，是軍事上的“戰(zhàn)斗力”。4） 現(xiàn)代儀器儀表是集光、機(jī)、電為一體，綜合物理、化學(xué)、生物、材料、計算機(jī)等多學(xué)科發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域；5） 測量與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相互制約、相互促進(jìn)。1.1.2 開設(shè)本課程的意義 1）自動化專業(yè)的主要專業(yè)內(nèi)容之一：為運(yùn)行人員提供操作依據(jù)為自動化裝置提供準(zhǔn)確及時的測量信號為宏觀技術(shù)管理、經(jīng)濟(jì)管理提供參考依據(jù)檢測技術(shù)及儀表自控理論及裝置計算機(jī)軟、硬件，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等利用儀表裝置完成控制策略，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的干預(yù)，使其按照預(yù)定的

3、要求運(yùn)行。達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效（自控原理、控制系統(tǒng)、模糊、神經(jīng)元）實(shí)現(xiàn)智能功能的工具和手段（計算機(jī)原理、計算機(jī)控制系統(tǒng)、單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、DCS、PLC）感知并以可觀測的方式表達(dá)被測參數(shù)（檢測技術(shù)及儀表、現(xiàn)代測試技術(shù)、）圖1 自動化專業(yè)主要內(nèi)容及課程體系自動化就是用廣義的機(jī)器來部分代替、完全取代或超越人的體力活動和智力活動。自動化專業(yè)學(xué)生在專業(yè)階段將要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容及工作方向如圖1所示：2） 保證生產(chǎn)過程安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)自動化的前提條件和必要條件3） 改善勞動條件、提高勞動效率和設(shè)備可靠性的重要依據(jù)4） 創(chuàng)業(yè)、就業(yè)的重要方向：研究開發(fā)-制造生產(chǎn)-代理銷售-成套設(shè)計-運(yùn)行維護(hù)；1.1.3主要內(nèi)容

4、1） 測量、誤差、測量儀表的基本概念；2） 過程工業(yè)主要測量參數(shù)的測量原理、測量儀表；3） 調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等自動化裝置介紹；4） 檢測領(lǐng)域新技術(shù)介紹。1.1.4 特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法1）本課程以工程測量為背景研究和解決測量原理及測量儀表問題（區(qū)別于實(shí)驗室精密測量儀器和計量）；2） 測量參數(shù)劃分章節(jié)，各章之間相對獨(dú)立，聯(lián)系較少；3） 容涉及學(xué)科多，是各學(xué)科內(nèi)容的綜合，講授的只能為典型知識，不可能面面俱到，因此，純理論知識不深，著重強(qiáng)調(diào)知識的應(yīng)用性；4） 學(xué)習(xí)時，應(yīng)掌握課程特點(diǎn)，善于理解、掌握實(shí)質(zhì)、記憶與推理結(jié)合，及時預(yù)習(xí)，帶著問題聽課，有疑難及時與教師溝通。5） 強(qiáng)化基本概念、理論、方法的掌握，避免“

5、壓題”、“突擊”、“參考往屆試題”等投機(jī)式學(xué)習(xí)。1.2 典型儀表控制系統(tǒng)舉例1）重點(diǎn)掌握控制系統(tǒng)中的共性部件：測量（傳感）+變送+調(diào)節(jié)+執(zhí)行+對象2）了解個部件在不同控制系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)形式，哪些部件發(fā)生了變化，那些沒變。1.3 基礎(chǔ)知識和基本概念1.3.1 測量的基本概念1）測量的定義：用實(shí)驗的方法，把被測量與所選定的測量單位進(jìn)行比較，求其比值以獲得被測量數(shù)值的過程。2）三要素：l 測量單位：必須預(yù)先確定；（計量學(xué)科的主要內(nèi)容） l 測量工具：單位的實(shí)物復(fù)現(xiàn)形式；l 測量方法：進(jìn)行比較的實(shí)驗；3）測量的基本方程式： （1-1）其中：X為被測量； 為比值；x為測量單位；為測量誤差。常被稱為儀表

6、讀數(shù)、指示值、示值等<例> 測量書桌的長度。長度單位：米測量工具：米尺測量方法：尺與桌面比較，獲得結(jié)果誤差：尺子本身制造、測量過程、環(huán)境條件、讀數(shù)習(xí)慣5） 測量的分類：l 對精度要求的不同：一般測量：對測量結(jié)果無需給出誤差值或估計側(cè)得值的可信度。（生活測量）；工業(yè)測量：對測量結(jié)果只需考慮誤差的最大可能性。（技術(shù)測量）實(shí)驗室測量：對取得的測量結(jié)果要估計器誤差，并評定其不確定度（精密測量）。l 測量方法的不同：直接測量：單位與被測量直接比較即可獲得比值。間接測量：通過測量值的函數(shù)運(yùn)算后才能獲得被測量。（如電阻率）。接觸測量：測量工具直接接觸被測對象，感受其變化后得出測量結(jié)果。非接觸測量

7、：測量工具無需直接接觸被測對象，就能感受其變化得出測量結(jié)果。能量變換型：將被測參數(shù)的能量轉(zhuǎn)換成另一種易測量的能量類型。（電、光等）能量控制型：被測參數(shù)的變化使其它參數(shù)發(fā)生變化，從而控制外部能量。偏位法測量：被測參數(shù)使測量裝置的參數(shù)產(chǎn)生偏差，以此進(jìn)行刻度；（開環(huán)）平衡法測量：上述偏差用已知參數(shù)進(jìn)行平衡，偏差為零時由已知量刻度被測量；微差法測量：綜合上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。l 被測參數(shù)時變狀態(tài)不同：靜態(tài)測量：被測量在測量過程中無需考慮時間因素。動態(tài)測量：測量過程中，被測量處于時變狀態(tài)中。l 測量條件的不同：等精度測量：在相同條件下進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)無論偏差大小，具有相同的可信度不等精度測量：在不同的條件下測

8、量的數(shù)據(jù)。1.4 測量的誤差與測量不確定度1.4.1 測量誤差1）絕對誤差定義：測量結(jié)果減被測量真實(shí)值所得的偏差稱為測量的真誤差，簡稱誤差。公式：2）相對誤差定義：絕對誤差除以被測量的真值的百分?jǐn)?shù)。公式：3）真實(shí)值（真值）：與給定的特定量定義一致的值。嚴(yán)格講用測量的方法無法獲得。4）常用真值：l 理論真值（理論值、定義值）：根據(jù)一定的理論，在嚴(yán)格的條件下按定義確定的真值。l 約定真值（相對真值、代替真值、指定值）：國際計量大會認(rèn)定，得到大家公認(rèn)的各種基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的指示值。l 最佳估計值：常數(shù)委員會給出的物理常量與常數(shù)，如真空中光速等。l 傳遞值（參考值、實(shí)際值）：由計量網(wǎng)傳遞下來的標(biāo)

9、準(zhǔn)儀器、標(biāo)準(zhǔn)量器和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所給出的值。5）誤差產(chǎn)生的原因：（測量儀表精度 ¹ 測量精度）l 原理誤差：測量原理及測量方法本身先天存在的誤差。如：對被測對象的有關(guān)知識認(rèn)識不足，為考慮到一些因素造成 客觀條件限制，只能近似測量 測量原理本身的近似性 測量設(shè)備干擾被測對象 運(yùn)算中常數(shù)近似、有效數(shù)字取舍 動態(tài)參數(shù)只能用靜態(tài)方法等l 裝置誤差：使用的測試設(shè)備本身固有的誤差l 環(huán)境誤差：環(huán)境因素對測量工作的影響（溫度、濕度、大氣壓、電場、磁場、振動）l 人員誤差：測量人員的操作過程引入的誤差。（感官、習(xí)慣、技術(shù)水平、反應(yīng)滯后、粗心、誤讀、），特異功能6）誤差的種類：l 系統(tǒng)誤差：測量誤差的大小、

10、方向都是恒定或有規(guī)律變化誤差。有規(guī)律，可預(yù)知，可補(bǔ)償（因機(jī)理復(fù)雜，只能減小誤差但不能完全消除誤差）l 隨機(jī)誤差：測量誤差的大小、方向都是隨機(jī)變化的誤差。不可預(yù)知、不能控制，多次測量符合統(tǒng)計規(guī)律。l 疏忽誤差：明顯歪曲測量結(jié)果的誤差。儀器故障、人員疏忽、重大干擾等。多數(shù)情況屬于壞值，可根據(jù)一定的規(guī)則加以剔除。1.4.2 測量的不確定度1999年5月1日起，國內(nèi)正式實(shí)施國家計量技術(shù)規(guī)范JJF1059-1999測量不確定度評定與表示代替舊規(guī)范JJF1027-1991測量誤差及數(shù)據(jù)處理中的有關(guān)誤差部分內(nèi)容，與國際慣例接軌。1） 測量不確定度含義：表示測量結(jié)果正確與否的可疑程度，是給定條件下測量結(jié)果的分

11、散性描述，表明了隨機(jī)效應(yīng)和系統(tǒng)效應(yīng)對測量結(jié)果所造成影響的大小。2） 不確定度與誤差的區(qū)別：P15 表1.1（其它內(nèi)容略）1.5 儀表的組成及其性能指標(biāo)1.5.1 儀表的基本組成：1）傳感器（敏感元件、一次元件、感受件、測量元件、發(fā)送器等）：與被測對相直接聯(lián)系，感受被測量的變化，并發(fā)出一個與被測量相對應(yīng)的可觀測信號作為輸出。如：波紋管側(cè)壓力。對傳感器的要求：l 單值性：輸出與被測量單值關(guān)系，最好是線性關(guān)系；l 復(fù)現(xiàn)性：在不同的測量條件下測量值應(yīng)在一定的準(zhǔn)確度內(nèi)一致；l 選擇性：傳感器輸出只對被測量變化敏感，否則將產(chǎn)生誤差；l 超然性：對被測量的干擾盡可能??；l 靈敏性：輸出信號盡可能大；l 穩(wěn)定

12、性：在規(guī)定的工作條件下保持其恒定的計量性能（物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定）；l 經(jīng)濟(jì)性：價格可被接受。2） 變換器：對傳感器的輸出信號進(jìn)行某種形式的加工處理。如放大、變換信號性質(zhì)、信號線性化等，以便于遠(yuǎn)傳、顯示或信號統(tǒng)一。變送器：凡輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的變換器就稱之為變送器（4-20mA、0-10mA、20-100kP、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)字信號等）要求：信號處理后無失真。3）顯示裝置（二次儀表）：向觀測者顯示出被測量的數(shù)值（就地或遠(yuǎn)傳顯示）。要求：便于讀數(shù)（模擬式、數(shù)字式、屏幕式）。1.5.2 儀表的性能指標(biāo)：1）用戶關(guān)心的內(nèi)容l 計量性能l 可靠性（抗干擾能力、防護(hù)能力）l 防爆性能l 能耗l 使用方便性l 價格2

13、）用戶的選表原則滿足計量指標(biāo)、使用安全可靠、維護(hù)量小、投資少；反對盲目追求高、精、尖。3）儀表的主要質(zhì)量指標(biāo)（計量性能）l 測量范圍及量程：在允許的誤差范圍內(nèi)，儀表所能給出的被測量值的集合測量范圍；測量范圍的最高值和最低值測量上限、測量下限；測量上限與測量下限代數(shù)差的模儀表的量程。l 儀表的輸入輸出特性：儀表的輸入信號作為橫坐標(biāo)輸出信號作為縱坐標(biāo)畫出的曲線輸入/輸出特性；零點(diǎn)遷移：通過儀表的調(diào)零機(jī)構(gòu)，使特性曲線平移的過程（量程保持不變）；量程調(diào)整：通過儀表的調(diào)量程機(jī)構(gòu)，使特性曲線斜率發(fā)生變化的過程。見P9 圖1.6l 儀表的滯環(huán)和回差：滯環(huán)：儀表的實(shí)際上升曲線與下降曲線不重合時，形成的環(huán)狀輸入

14、/輸出特性；（彈性元件的變形、磁滯效應(yīng)等引起，同一輸入量對應(yīng)兩個輸出量）回差（變差）：上升曲線和下降曲線在同一輸入量下最大的差值。l 靈敏度：S：儀表輸出相應(yīng)的變化與輸入激勵的變化,在x處的比值。說明：靈敏度就是儀表輸入/輸出特性曲線的斜率，僅當(dāng)特性曲線為線性時，靈敏度為常數(shù)，且若不能保證線性特性，上式稱為平均靈敏度。l 分辨率（靈敏限）：使測量儀表產(chǎn)生可察覺響應(yīng)變化的最小激勵變化值。l 死區(qū)（不靈敏區(qū)）：使測量儀表產(chǎn)生可察覺響應(yīng)時的最小激勵值（下限處）。l 儀表的引用誤差：用測量儀表的量程代替真值所得到的相對誤差。l 儀表的基本誤差：在規(guī)定的技術(shù)條件下，在儀表的量程范圍內(nèi)，各點(diǎn)出現(xiàn)的示值誤差

15、絕對值最大者（可用絕對、相對、引用誤差來表示）。l 儀表的允許誤差：在規(guī)定的條件下，允許儀表具有的誤差最大值。l 儀表的精度等級：用引用誤差表示的儀表允許誤差（即儀表的最大引用誤差）去掉%后的數(shù)字經(jīng)過圓整后的數(shù)值。（系列值見P8）l 儀表合格的標(biāo)準(zhǔn)：儀表的基本誤差儀表的允許誤差<例>有一塊溫度表，測量范圍為0200 0C，1.0級精度，經(jīng)校驗結(jié)果如下：0501001502000C0+2-3+1-40C問：此表基本誤差是多少？是否合格？解：儀表的基本誤差由定義：-4/200= -2% 允許誤差由精度等級定義為：±1 % 故不合格。（也可計算出允許誤差的絕對誤差表示：

16、7;1 %´200= ±2 0C，實(shí)際-4 0C可見，不合格。）1.6 儀表的防爆問題1.6.1 基本概念 易燃易爆環(huán)境下對電動儀表使用提出的要求。（指儀表本身能否影響環(huán)境） 該技術(shù)首先在煤礦受到重視，國內(nèi)外相繼制定了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如國內(nèi)GB3836.1爆炸環(huán)境用防爆電氣設(shè)備通用要求其中包括自動化儀表；GB50058-92爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范等。1）防爆途徑 隔離電路與環(huán)境結(jié)構(gòu)防爆（隔爆儀表） 限制電路能量本質(zhì)安全防爆（安全火花防爆儀表）l 結(jié)構(gòu)防爆的措施嚴(yán)密的外殼，符合規(guī)定的螺紋、高質(zhì)量的密封墊、導(dǎo)線出口采用密封結(jié)構(gòu)、殼內(nèi)留有氣體膨脹空間；向殼內(nèi)輸送潔凈空氣維持

17、內(nèi)部正壓，使環(huán)境易燃易爆氣體無法進(jìn)入殼內(nèi)；殼內(nèi)充油，帶走熱量、熄滅火花、隔離；殼內(nèi)填充石英砂，熄弧隔熱l 本安防爆的措施電壓<1.2V, 電流<0.1A且能量<20或功率<25mW經(jīng)檢驗后可直接用于任何場所（如熱電偶、熱電阻、光敏電池等）配套儀表、導(dǎo)線要考慮限制能量；本安儀表¹本安系統(tǒng)（必要但不充分）。2）燃燒和爆炸機(jī)理l 燃燒 自燃：受熱自燃（外界加熱使溫度達(dá)到自燃點(diǎn)）；本身自燃（內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)、物理、生物發(fā)熱等引起，如煤堆）閃燃 需要火源接觸。點(diǎn)燃可見，儀表要注意自身的溫升（變壓器、元器件等）l 爆炸：物質(zhì)在瞬間以機(jī)械功的形式釋放出大量能量和氣體的現(xiàn)象。 物

18、理性：鍋爐爆炸、爆管 化學(xué)性：炸藥 儀表引起的爆炸多為溫度過高或出現(xiàn)火花引發(fā)的化學(xué)性爆炸。l 發(fā)生爆炸的條件：可燃?xì)馀c空氣混合物在一定濃度范圍內(nèi)才能遇火爆炸。濃度不同則程度不同。<例>CO與空氣的比例如下：CO < 12.5 不燃不爆 12.5 輕度爆炸（爆炸下限） 12.5<CO< 30.0% 燃爆逐漸加強(qiáng)30.0 最強(qiáng)30.0<CO< 80.0 % 燃爆逐漸減弱 80.0 輕度燃爆（爆炸上限） > 80.0% 不燃不爆l 燃燒與爆炸的異同：相同點(diǎn)：都是可燃物的氧化反應(yīng)；不同點(diǎn)：反應(yīng)速度不同，發(fā)出功率不同。<例> 1Kg煤塊完全燃燒

19、 約需10min, 1Kg煤粉和空氣均勻混合之后發(fā)生爆炸僅需0.2s；發(fā)熱量均為2931kJ左右；發(fā)出功率則分別為4780W和1471´105W發(fā)生火災(zāi)時，燃燒與爆炸往往相互轉(zhuǎn)化（如油罐燃爆：頂部揮發(fā)物在爆炸極限內(nèi)遇火爆炸，而其下層液態(tài)油將緊跟著燃燒，當(dāng)揮發(fā)物濃度在到極限范圍再次爆炸；當(dāng)揮發(fā)物濃度>上限時，先燃燒，耗到一定程度再爆炸）。l 常見可燃物氣體的爆炸極限（20°C, 101.3Pa）名稱下限上限甲烷515乙烷3.2212.45丙烷2.739.5乙烯2.7528.6乙炔*2.580一氧化碳12.580氫氣*474說明：表中乙炔和氫氣在常溫下爆炸的危險性最大，因

20、為在較寬濃度范圍內(nèi)都有可能爆炸；當(dāng)溫度升高時，混合物的下限降低，上限上升，危險變大；環(huán)境中的氧氣濃度升高時?；旌衔锏南孪藿档停舷奚仙?，危險變大；環(huán)境中的惰性氣體濃度升高時，混合物的下限上升，上限降低，危險變??；容器的直徑對爆炸極限也有影響，直徑小，火焰難于蔓延，不易爆（如甲烷 D<0.4mm ；氫氣D<0.1mm可以保證安全）。l 易爆混合物的最低引爆能量（點(diǎn)燃能量）：名稱能量（mJ）甲烷0.47乙烷0.285丙烷0.305乙烯0.096乙炔0.019氫氣0.017 （易燃爆）氨*1000.0 （不易燃爆）說明：對工作在易爆氣體中的儀表，無論正?；虍惓＃疾荒墚a(chǎn)生能量過大的火花安全火花。l 粉塵的爆炸性：引爆能量相對較高，但危害較大 鋁粉、鎂粉等金屬粉末 煤粉、碳粉等燃料粉末 面粉、淀粉等糧食粉末 塑料、染料等合成物粉末 魚粉、血粉等飼料粉末 棉花、煙草等纖維粉末 木屑、紙屑等林產(chǎn)品粉末1.6.2 防爆等級和標(biāo)志1）危險場所的分類、易爆程度分級與引燃溫度分組：l 類別 I 類：由甲烷氣體的煤礦井下； II 類：有各種易燃易爆氣體的工業(yè)生產(chǎn)場所； III類：有易燃易爆粉塵的場所。l 級別 A 級：難以引爆 B 級：中間狀態(tài) C 級：最易引爆l 分組 T1組：最難自燃 T2