1过程检测技术及仪表

过程检测技术及仪表大连理工大学电信与电气学部主讲教师：宋彤0绪论0.1检测技术的概念、地位与应用1）基本概念：a.检测：获得信息的过程，是认识自然界的手段。主要包括两方面内容：检验用专门的技术工具，依靠实验、计算和比较的方法对研究对象的特性进行度量、验证。测量应用测试手段对被测参数进行定量的过程。b.基本方法：能量转换（转换为电量信号）+单位比较c.基本任务：获取被检测对象的信息。（在限定的时间内，尽可能正确地收集被测对象的有关信息）d.目的：反映、揭示客观世界存在的各种运动状态及规律。以检测为基础，实现对对象过程的控制、安全防护、优化处理等操作进行工业过程管理及经济核算。2）检测技术的应用：a.地位：是各种生产、生活活动的重要基础技术。直接反映了现代科学技术的水平。b.应用：日常及工业生产：温度、湿度、压力、流量、物位、成分、距离、高度、角度、转速、速度、加速度军工：飞机、舰船、导弹、卫星等速度、定位、轨迹医疗：疾病检查、诊断控制器Gc(s)执行器Gv(s)被控对象Gp(s)测量变送Gm(s)euqYzrf3）应用举例：控制系统中检测技术应用方框图被控对象检测与变送单元执行单元调节单元显示单元操作人员自动控制系统一般结构本课程内容0.2本课程介绍1)课程性质：专业技术基础课程。2)课程内容：①检测技术的基本概念检测技术的基本理论基础检测系统组成，系统中各组成环节的作用和功能检测误差、分类及处理方法。检测仪表的基本性能及要求，仪表选择。②工业参数自动检测技术及仪表一次检测元件（敏感元件）及信号转换原理。主要工业参数的检测原理主要包括：温度检测、压力测量、流量测量、物位测量、成分测量等检测仪表的特性及选型、检测系统构成及应用。③信号变换技术主要介绍各种变送器的结构、功能和信号转换技术。④显示仪表主要介绍各种显示仪表的分类、构成原理及应用特点。⑤智能检测系统简单介绍智能技术在检测领域的应用及智能检测仪表构成和应用特点3)课程任务及重点①课程任务：系统了解自动检测技术的基础知识，基本方法；掌握检测过程中信号获取、信号变换及处理、误差分析及处理等技术方法；了解各种测量仪表的构成、工作原理及应用特性；能够设计简单的检测系统及选择测量仪表。②课程重点：检测系统中的有关概念（含误差分析）；各种工业参量的检测原理、信号转换电路构成原理；检测方案（系统）的设计方法及应用特点。4)基础知识（前期课程）电路，电子线路5)主要参考书张宏建，《自动检测技术及装置》，化学工业出版社，2004杜维，《过程检测技术及仪表》，化学工业出版社，1999张宝芬，《自动检测技术及仪表控制系统》，化学工业出版社，2000周培森，《自动检测与仪表》，清华大学出版社，1.过程检测技术基础1.1过程检测基本概念检测：用专门的技术工具，依靠实验和计算获得所关心参数的特性及数值过程。要求及目的：在限定的时间内，尽可能正确地收集被测对象的有关信息；并以此为基础，实现对对象特性的验证；实现过程管理、控制、安全防护、优化处理等操作。检测过程：能量转换过程+单位比较过程1.1.1检测系统基本构成及概念1）构成单元及各单元功能a.能量转换过程含：检测元件、变换器、信号传输和信号处理部分b.测量单位比较、输出过程含：测量电路、显示记录装置被测对象传感器信号调理电路采集处理信号传输记录显示稳压电源检测系统组成框图变送器能量转换部分单位比较部分执行器控制及功率放大器①传感器：检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。a.构成：敏感元件+信号转换部分b.作用：感受指定被测参量的变化，并按照一定规律将其转换成一个相应的便于应用的信号。c.分类：被测参数分类：温度、流量、位移、加速度、成分等转换机理分类：机械式、电磁式、超声波式、光电式等d.输出信号：模拟信号（电流、电压）、数字信号e.基本要求：单值性、精确性、稳定性、灵敏度、耐蚀性等②信号调理电路为方便检测系统后续环节处理或显示，完成对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等处理的功能电路。对信号调理电路的一般要求能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；信噪比高，抗干扰性能要好。例:（热电阻测量桥路）热电阻型传感器Rt的输出信号为电阻值的变化。为便于处理，通常设计一个四臂电桥，把随被测温度变化的热电阻阻值转换成电压信号R1R2R3RtU0UsRWRW热电阻信号调理电路③数据采集及信号处理对连续模拟信号作离散化处理，将其转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，并以一定的方式把这些转换数据及时传递给后续处理单元。数据采集系统的主要性能指标：输入模拟电压信号范围转换速度(率)分辨率转换误差④输出、显示显示被测信号的瞬时值、累积值及变化状态。输出信号：0～100KPa气动信号4～20mA的电流信号，1～5V电压信号、数字信号及开关量信号等多种形式，显示方式指示式显示又称模拟式显示。数字式显示屏幕式显示模拟式显示数字式显示双回路数字/光柱显示屏幕式显示⑤动力源气动仪表140KPa压缩空气电动仪表220VAC;24VDC2）测量参数a.被测参数：敏感元件直接感受的变量参数b.待测参数：需要获取的变量参数3）测量方法a.直接测量：直接测量待测参数的测量方法。待测参数为被测参数。b.间接测量，通过测量与待测参数有关系的其他参数，并通过数学处理获取待测参数的测量方法。被测参数例1流量检测系统构成（直接测量）节流装置、变送器：能量转换（流体动能→压力能→电能）开方器：信号处理显示仪表：尺度比较，显示变送开方显示节流装置流体例2质量检测（间接测量）利用产品质量与温度的单值对应关系检测检测元件：热电阻（热电偶）转换电路电桥（电子电位差计）T2-1取样管放空..电加热棒T1电加热控制系统安全阀显示仪表转换计算单元冷却蛇管1.1.2检测仪表1）检测仪表分类a.依被测参量分类电工量：电压、电流、电阻、电容量、频率、磁场强度等热工量：温度、热量、热流、压力、真空度、流量、物位、界面等机械量：位移、力、力矩、重量、质量、速度、加速度、噪声、角度等；物性和成分量：成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；光学量：光强、光通量、光照度、辐射能量等；状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。b.依检测方法分类有源式和无源式依据敏感元件工作中是否需要外加能量分类有源式：需要外加能量源，如热电阻测温无源式：无需外加能量源，其自身具有提供能量的能力，如热电偶测温R1R2R3RtU0UsRWRW热电阻信号调理电路ABTmV接触式和非接触式依据敏感元件与被测介质间的位置关系分类接触式：检测元件需与被测介质接触，例如：利用热电阻测温非接触式：检测元件不需接触被测介质，例如辐射式测温平衡法和不平衡法此项主要针对转换器件c.依仪表应用能源分类机械式：利用敏感元件输出动力直接带动仪表传动装置，一般应用于现场测量及显示。电动仪表：以电作为仪表动力，输出亦为电信号。目前大部分仪表属于这种形式。气动仪表：以压缩空气作为仪表动力。具有防爆功能，一般应用于高度易燃易爆以及具有粉尘的环境。滞后较大。光电式仪表：近年发展的仪表。充分利用光的良好的抗干扰和绝缘隔离能力，仪表具有气动仪表的防爆及电动仪表的信号快速传递，易于处理的能力。d.转换方法分类信号转换：将非电物理或化学参量转换成电量，以便于处理。主要转换方式：电、磁转换利用元件的电气、磁气特性开发的转换元件及方法。常见形式：电阻式、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、霍尔式、振频式、感应同步器等；光电转换利用光电元件实现光信号到电信号的转换常见形式:光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维式等；其他方式声／电转换：超声波式、辐射能／电转换：x射线式、β射线式、γ射线式、化学能／电转换：各种电化学转换e.仪表使用性质分类国家标准规定，测量指示仪表的精度等级G分为0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.35,1.0,1.5,2.5,4,5.0等标准表：各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。(一般精度等级高于0.1级）实验室仪表：主要用于各类实验室中。此类仪表往往无特殊的防水、防尘措施。对于温度、相对湿度、机械振动等的允许范围也较小。仪表的精度等级较工业用表为高，不适于远距离观察及传送信号等。(一般精度等级高于0.1级）工业仪表：是长期使用于实际工业生产现场的检测仪表与检测系统。仪表应具有可靠的防护，能抵御恶劣的环境条件，且醒目的显示。工业用表的精度一般不很高，但要求能长期连续工作，并具有足够的可靠性。（工业用仪表精度等级为：0.1,0.2,0.35,1.0,1.5,2.5,5.0）根据应用环境检测仪表分为普通型，隔爆型和本安型。f.显示方式分类模拟仪表：一般指针式仪表数字仪表：以数字形式显示参数量。g.仪表构成方式开环结构闭环结构K2K1Kn仪表结构121nniiyKxKKKKK仪表输出K2K0Kn仪表结构0111nmiiiiKKyxKKK仪表输出βnβ2β1yxK11.2检测仪表基本性能1）测量范围和量程测量范围：能保证仪表示值准确度符合某一规定值的参数变化范围。是仪表的测量上限与下限限定的范围。量程：仪表测量上限与下限的代数差。例：仪表测量上限测量下限量程1000-100110010002008002）输入输出特性①灵敏度和分辨率a.灵敏度（S）：表征检测仪表对被测参数变化的灵敏程度。指仪表在对应参数做单位变化时，其指示的稳态位移或转角，即△y：达到稳态时仪表输出的变化量（指针的直线位移或转角）。△x：被测变量的变化值。ySxySx关于灵明度的说明：线性仪表灵敏度为常数；灵敏度具有可传递性，即对于串联使用仪表其总灵敏度为：S=∏Si（i=1，2，…）灵敏度是一个放大倍数，因此，可以通过增大环节的放大倍数提高灵敏度。注意：仅提高仪表放大倍数，不改变相应仪表基本性能，则仪表的准确度不能得到提高。通常规定仪表标尺的最小分格值不能小于仪表允许误差的绝对值。b.分辨率：在仪表测量范围内，能引起仪表示值可见响应的被测变量的最小变化量。分辨率是仪表灵敏度的一种表现；一般情况下仪表的灵敏度高则分辨率也高。②死区输入信号的变化量不能引起输出量发生可观察变化的有限区间。区间内仪表灵敏度为零。原因：电路偏置、机械传动的摩擦及间隙等。（起始位评价指标）（一般反映测量中间过程指标）③变差（回差）外界条件不变的情况下，同一仪表对某一参数进行正反行程测量时，对应于同一被测值所得的仪表示值不等，两者之差即为变差的绝对值。变差描述：仪表的变差由仪表在测量范围内正反特性间指示值的最大绝对误差与仪表标尺范围之比的百分数表示正行程反行程仪表变差特性仪表示值被测变量100max%变差测量上限测量下限变差产生原因：传动部件间隙、摩擦、弹性滞后等变差示意图：△〃max④线性度（非线性误差）非线性误差是衡量实际特性偏离线性程度的指标，描述：取量程范围内，实际值与理论值之间的绝对误差的最大值与仪表测量范围之比的百分数，即：△＇max理论实际被测变量仪表示值非线性误差特性=100max%非线性误差仪表测量范围上限仪表测量范围下限非线性误差示意图3）稳定性检测仪表的稳定性主要描述两个方面内容时间稳定性：表示在工作条件保持恒定时，在规定时间内仪表输出值与标称值之间的最大误差。条件变化稳定性：表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响。例：仪表对供电电压的稳定性设仪表规定的使用电源电压为(220±20)VAC，则仪表对电源电压的稳定性可用电源每变化1V时仪表输出值的变化量来表示。4）重复性与再现性重复性在相同测量条件下，对同一被测量，按同一方向(由小到大或由大到小)多次测量时，检测仪表提供相近输出值的一致程度。理论实际被测变量仪