化工仪表及自动化 .基本知识

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难点:
评定仪表的技术指标及 相关计算。
1.1测量的概念
测量(measurement)是人类认识自然 界中客观事物,并用数量概念描述客观 事物,进而达到逐步掌握事物的本质和 揭示自然界规律的一种手段, 即对客观 事物取得数量概念的一种认识过程。
在测量过程中,要借助于专门工具,通 过试验和对试验数据的分析计算,求得 被测量的值,获得对于客观事物的定量 的概念和内在规律的认识。
便于处理和传输的信号
人的五官:眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤
视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉
传感器是 科学的感 觉器官
敏感元件是测量系统与被测对象发生联 系的部分,它直接接收来自被测介质的 能量,并且产生一个以某种方式与被测 量有关的输出信号。
理想的敏感元件应满足以下几方面的要 求:
①稳定的函数关系;
②只对被测信号敏感,对一切可能的输 入信号不敏感;
其他分类方法:
按测量条件分:等精度测量与非等精度 测量;
按被测量在测量过程中的状态分:静态 测量和动态测量。
按被测量的属性分:电量测量和非电量 测量。
按对测量结果的要求不同分:工程测量 和精密测量。
按被测参数不同分:热工测量、成份测 量和机械测量等
1.4 测量系统及组成 为实现一定的测量目的而将设备进行的组合称 为测量系统。任何测量系统都是由有限个具有 一定功能的测量环节组成的。
2.系统误差与随机误差
系统误差(systematic error):在相同的条件 下,多次重复测量同一量时,误差的大小和符 号保持不变,或按照一定的规律变化,这种误 差称为系统误差。
其误差的数值和符号不变的称为恒值系统误差。 反之,称为变值系统误差。变值系统误差又可 分为累进性的、周期性的和按复杂规律变化的 几种类型。
1.6测量技术的发展状况
1.敏感元件向着高精度、大测量范围、小型化 和高智能方向发展;
2.测量技术的实时化与自动化;
3.测量原理、测量手段的重大突破:
例如光纤传感器、液晶传感器、以高分子有机 材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器 等 ;另外,代替视觉、嗅觉、味觉和听觉的各 种仿生传感器和检测超高温、超高压、超低温 和超高真空等极端参数的新型传感器也是今后 传感器技术研究和发展的重要方向
精确度是测量的正确度和精密度的综合反映。 精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。 精确度有时简称为精度。下图形象地说明了系 统误差、随机误差对测量结果的影响,也说明 了正确度、精密度和精确度的含意。
由于在任何一次测量中,系统误差和随机误 差一般都同时存在。所以按其对测量结果的影 响程度分三种情况处理:系统误差远大于随机 误差的,基本上按纯系统误差处理;系统误差 很小或已经修正时,可按纯随机误差处理:系 统误差和随机误差影响差不多时,二者均不可
1.7 评定仪表的技术指标
1.最大引用误差与精度等级
在规定的工作条件下,当被测量平稳增加和减
少时,所有测量值中最大绝对误差(绝对值)与
量程的比值的百分数,称为该系统的最大引用
误差,符号为δ max ,可表示为:
max

max 量程
100%
最大引Байду номын сангаас误差是检测系统基本误差的主要形式,
故也常称为检测系统的基本误差。它是检测系
待测量的大小在一定条件下都有一个客 观存在的值,称为真值。真值是一个理 想的概念,一般是不可知的。我们通常 所说的真值主要有以下三类:
(1)理论真值或定义真值 如三角形的三 个内角之和等于180°等;
(2)计量学约定真值 根据国际计量委员 会通过并发布的各种物理参量单位的定 义,利用当今最高科学技术复现的这些 实物单位基准,其值被公认为国际或国 家基准、称为约定真值。
3000 6000
钢铁厂
20000
一个电站
5000
一辆汽车
30~100
一架飞机
3600
因此,无论是在科学实验中还是在生产 过程中,一旦离开了测量,必然会给工 作带来巨大的盲目性。
1.3 测量方法
测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。
按测量结果产生的方式分,测量方法可分为直 接测量法、间接测量法和组合测量法。
忽略,应分别按不同方法处理。
粗大误差(gross error):明显歪曲测量 结果的误差称作粗大误差,又称过失误 差或粗大误差主要是人为因素造成的。 例如,测量人员工作时疏忽大意,出现 了读数错误、记录错误、计算错误或操 作不当等。另外,测量方法不恰当,测 量条件意外的突然变化,也可能造成粗 大误差。
在军事上,仪器仪表是“战斗力”。
现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”。
科学技术与生产水平的高度发达,要求有 更先进的测试技术与仪器作基础。
在现代装备系统的设计和制造工作中,测试工作 已占首位。
一些生产过程或装备使用监测仪表数量的统计 数据:
生产过程(装备) 监测仪表数量(台)
大型发电机组 大型石油化工厂
1.直接测量法:是被测量直接与选用的标准量 进行比较,或者用预先标定好的测量仪器进行 测量,从而直接得到被测量数值的测量方法。
2.间接测量法:通过直接测量与被测量有某种 函数关系的其它各个变量,然后将所测量的数 值带入函数关系进行计算,从而得到被测量数 值的方法。
组合测量法:测量中使各个未知量以不 同的组合形式出现(或改变测量条件以 获得不同的组合),根据直接测量或间 接测量所获得的数据,通过联立方程求 解的到未知量的数值。
四、 传送元件的作用:将信号从一个环 节送到另一个环节,建立环节输入输出 信号之间的联系。如导线、导管、光纤、 无线电等。要求其能量损失小、失真小, 不易引入干扰等。
1.5 测量误差与测量精度
误差(error)测量结果不可能准确地反 映被测量的真值而存在的偏差即为测量 误差。
任何测量结果都有误差 ——误差公理。
有三种基本形式:
①模拟显示元件:用指示器与标尺的相对位置 的变化表示被测量的大小。其特点是结构简单、 价格低廉、易产生视差,以曲线形式记录。
②数字式显示元件:以数字的形式显示被测量 的大小。其特点是不产生视差、反应迅速、精 度高,但直观性差,有量化误差。
③屏幕显示元件:CRT 、液晶显示。模拟数 字均可,其特点是形象、数据量大,便于比较 判断,价格较贵。
为了便于对误差进行分析和处理,人们 通常把测量误差从不同角度进行分类
按照误差的表示方法可以分为绝对误差 和相对误差;
按照误差出现的规律,可以分为系统误 差、随机误差和粗大误差;
按照被测量与时间的关系,可以分为静 态误差和动态误差等。
1.绝对误差与相对误差 绝对误差(absolute error)是仪表的指 示值x与被测量的真值x0之间的差值, 用Δ表示:
(3)标准器相对真值 用比被校仪器高级的标 准器的量值作为相对真值。如果高一级标准器 的误差是低一级标准器误差的1/5(1/3~ 1/20),可认为前者为后者的相对真值。
例如,用1.0级、量程为2A的电流表测得某电 路电流为1.80A,改用0.1级、量程为2A的电流 表测同样电流时为1.802A,则可将后者视为前 者的相对真值。
Δ=x-x0 Δ:测量误差; X: 测量值; X0: 真值。
式中,真值可为约定真值,也可是由高精度标 准器所测得的相对真值。绝对误差说明了系统 示值偏离真值的大小,其值可正可负,具有和 被测量相同的量纲单位。
相对误差(relative error):绝对误差与约定 值之比。用δ表示: 100%
检测装置本身性能不完善、测量方法不完善、 测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原 因都可能产生系统误差。例如,某仪表刻度盘 分度不准确,就会造成读数偏大或偏小,从而 产生恒值系统误差。温度、气压等环境条件的 变化和仪表电池电压随使用时间的增长而逐渐 下降,则可能产生变值系统误差。
系统误差的特点是可以通过实验或分析的方法, 查明其变化规律和产生原因,通过对测量值的 修正,或者采取一定的预防措施,就能够消除 或减少它对测量结果的影响。系统误差的大小 表明测量结果的正确度。它说明测量结果相对 真值有一恒定误差,或者存在着按确定规律变 化的误差。系统误差愈小,则测量结果的正确
度愈高。
随机误差(random error):相同条件下, 多次测量同一量时,其误差的大小和符 号以不可预见的方式变化,这种误差称 为随机误差。
随机误差是测量过程中,许多独立的、 微小的,偶然的因素引起的综合结果。
在任何一次测量中,只要灵敏度足够高, 随机误差总是不可避免的。而且在同一 条件下,重复进行的多次测量中,它或 大或小,或正或负,既不能用实验方法 消除,也不能修正。
总之,测量就是取得未知参数值而做的,包括 测量的误差分析和数据处理等计算工作在内的 全部工作。
从计量学的角度讲,测量就是用实验的方法, 把被测量与同性质的标准量进行比较,确定两 者的比值,从而得到被测量的量值的过程。其 目的是获得被测对象的确定量值,关键是进行 比较。
则被测量的值可表示为:X=aU
m
m:约定值: 指示值——标称相对误差;
实际值——实际相对误差;
满刻度值——引用相对误差。
相对误差有大小、正负。无单位,用“%”表 示。
用相对误差通常比其绝对误差能更好地说明不 同测量的精确程度,一般来说相对误差值小, 其测量精度就高;相对误差本身没有量纲。
对于相同的被测量,用绝对误差可以评定其测 量精度的高低,但对于不同的测量量,则应采 用相对误差来评定。
含有粗大误差的测量值称为坏值或
异常值。坏值应从测量结果中剔除。
在实际测量工作中,由于粗大误差的误差数值 特别大,。容易从测量结果中发现,一经发现 有粗大误差,可以认为该次测量无效,测量数 据应剔除,从而消除它对测量结果的影响。
坏值剔除后,正确的测量结果中不包含粗大误 差。因此,要分析处理的误差只有系统误差和 随机误差两种。
但是,利用概率论的一些理论和统计学 的一些方法,可以掌握看似毫无规律的 随机误差的分布特性,确定随机误差对 测量结果的影响。
随机误差的大小表明测量结果重复一致 的程度,即测量结果的分散性。通常, 用精密度表示随机误差的大小。随机误 差大,测量结果分散,精密度低。反之, 测量结果的重复性好,精密度高。
③在测量过程中,敏感元件应该不干扰 或尽量少干扰被测介质的状态。
二、变换元件的作用:将敏感元件输出 的信号变换成显示元件易于接收的信号, 即变换成性质上、强弱上显示元件所能 接收的信号。要求其性能稳定、精度高, 信息损失小。
三、显示元件的作用:测量系统与观察 者发生联系的部分。要求将被测信号变 成人们的感官能识别的形式。(翻译) 可以进行指示、记录。
统的最主要质量指标,可很好地表征检测系统
的测量精确度。
精度等级: 取最大引用误差百分数的分 子作为检测仪器(系统)精度等级的标 志,也即用最大引用误差去掉±号和百分 号(%)后的数字来表示精度等级,精度 等级用符号G表示。
测量环节是指建立输入和输出两种物理量之间 某种函数关系的基本部件。
有四个基本环节:敏感元件、变换元件、显 示元件和 传送元件。
测量系统: 敏感元件
变换元件
显示元件
传感器(重要、关键)
一、敏感元件(传感器)的作用
传感器 --- 被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件/装置
物理量、化学量、生物量/其他
式中:X: 被测量;
U: 标准量;
a: 被测量与标准量的数字比值。
欲使测量结果有意义,测量必须满足以 下条件:
1. 用来测量比较的标准量应该是国际上 或国家公认的,且性能稳定;
2. 进行比较所用的方法和仪器必须经过 校准验证。
1.2 测量的意义 人类的知识许多是依靠测量得到的。
信息产业是21世纪的首要产业。仪器仪表 也制造业是信息产业的龙头。

SI基本单位名称 符号
长度
米,公尺metre
m
质量
公斤Kilogram
kg
时间
秒second
s
电流
安培ampere
A
温度
开Kelvin
K
物量(物质量) 摩耳mole
mol
亮度
烛光candela
cd
如基本物理常数中的冰点绝对温度 T0 273.15 K , 真空中的光速 c 2.99792458 108 m s1 等 ;
化工仪表及自动化
主讲教师:周丽雯 开课单位:材冶学院热能系
第一章 概述
本章主要内容: 1.测量的概念; 2.测量的意义; 3.测量的方法; 4.测量系统及组成; 5.测量误差与测量精度; 6.测量技术的发展状况; 7.评定仪表的技术指标。
重点:
测量方法、测量系统及 组成、评定仪表的技术 指标。