化工测量及仪表第9章

第9章日新月异的测量技术及应用化学工业出版社•近十年来，测量技术日新月异，测量领域和范围在不断地拓宽，测量新思维也在不断涌现。随着Internet的出现并非常迅速地渗透到人们生活的各个领域，这为测量与仪表技术带来了新的应用空间和机遇。本章将简要介绍红外传感器原理与应用、仿生测量技术、一体化测量技术、软测量技术以及网络化仪表与网络化传感器等数方面的内容。第9章目录•9.1红外传感器原理与应用•9.2仿生测量技术•9.3一体化测量技术•9.4软测量技术•9.5网络化仪表与网络化传感器9.1红外传感器原理与应用•1．红外辐射基本概念•红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。任何物体，只要它的温度高于热力学零度（0K即-273℃），就有红外线向周围空间辐射。红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称红外线。它的波长在0.75μm~1000μm的范围内。•2.红外传感器原理与结构•红外传感器是一种能探测红外线的器件，能把红外辐射量变化转换成电量变化。•按其工作原理可分为热电型和光电型红外传感器。•3.红外传感器的应用•红外传感器应用越来越广泛，它可以用于非接触式的温度测量、气体成分分析、无损探伤、热像检测、红外遥感及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。下面就列举红外传感器的几个应用。（1）人体感应（检测）•以陶瓷材料作为检测元件的热电型红外传感器，其性能稳定，价格非常便宜，在常温下可检测1~20μm宽波长范围的红外线。因而在自动门等等开关电路中，被有效地用作检测人体的传感器。•人感应自动门、人感应自动灯、人感应自动水阀门等等（2）红外热辐射高温计•红外高温计中使用了热电型红外传感器。可对用热电阻、热电偶难以测量的高达数千度的高温进行非接触性测量，最高达3200℃。并可在不扰乱被测物表面温度的情况下测量温度。当被测物处在移动或旋转状态时，非接触测量法更为有效。（3）红外无损探伤•焊接缺陷检测•铸件内部缺陷探测•疲劳裂纹探测（4）红外报警器（生命探测器）•报警器使用的传感器可以是利用强介电体钽酸锂单晶热电效应的热电型红外传感器，这种传感器随被测物体所辐射的红外辐射量的变化而产生输出，故当被测物体进入传感器视野和离开传感器视野范围时，就会产生信号输出。它用于防盗、报警、来客告之以及野外生命探测非接触探测等设备中。（5）红外探测技术在军事上的应用•红外技术首先是在军事应用中发展起来的，至今其在军事应用中仍占重要地位。因为红外技术有如下特点：红外辐射看不见，可以避开敌方目视观察；白天黑夜均可使用，特别适于夜战的场合；采用被动接收系统，比用无线电雷达或可见光装置更安全、隐蔽，不易受干扰、保密性强；利用目标和背景辐射特性的差异，能较好地识别各种军事目标，特别是可以发现伪装的军事目标；分辨率比微波好，比可见光更能适应多种天气条件。红外探测的缺点是工作时受云雾影响很大。•a.红外侦察•在战争中，为了掌握敌方的情况，可利用红外技术作各种侦察活动。如观察敌方的行踪，查明敌方地面军事设施或搜索发现敌人、敌机等•b.红外雷达•红外雷达具有搜索、跟踪、测距等多种功能，一般采用被动式探测系统。红外雷达包括搜索装置、跟踪装置、测距装置以及数据处理与显示系统等。9.2仿生传感器•当前，仿生技术在国内外发展迅速，已成为了一门相当热门的技术。众所周知，我们人类就是一部相当复杂的机器，在身体内集成了各种各样既灵敏又精确的传感器。如何去仿造我们人类的（或其他生物的）这种高度发达的传感器成为了现今科学家研究的热点。仿生传感器又可细分成“触觉”、“压觉”、“接近觉”和“视觉”等多种仿生传感器。•1.位置觉传感器•位置觉传感器又称为计算机视觉，主要检测被敏感对象的明暗度、位置、运动方向、形状特征等。•2.人工视网膜•人的视网膜分为几层，其中一层带有感光体，有两种感光细胞，即视杆细胞和视锥细胞。这些感光细胞把摄入的光转变成电信号，通过视网膜传递到神经节细胞。•3．听觉传感器•具有语音识别功能的传感器称为听觉传感器。听觉传感器是人工智能装置。包括声音检测转换和语音信息处理两部分。它能使机器人实现“人-机”通话，赋予机器人这些智慧的技术称为语音处理系统。•“人工耳蜗”又称为电子耳蜗，是目前唯一使全聋患者恢复听觉的装置，参见图9-2-1。人工耳蜗的研制始于美国和法国。近年来，随着电子信息高新技术的飞速发展，我国人工耳蜗研究也有了很大的进展。•4.触觉传感器•触觉传感器是模仿人的皮肤触觉功能的传感器。用来感知被接触物体的特性以及传感器接触对象物体后自身的状况，例如是否握牢对象物体和对象物体在传感器停步位等。触觉传感器还能感知物体表面特征和物理性能，如柔软性、弹性、硬度、粗糙度、材质等。•触须传感器•新的触须传感器基于了同样的工作原理，参见图9-2-5触须传感器。即人工触须根部由于物体接触所产生的微小位移，以此来判断接触物的位置、轮廓。9.3一体化测量技术•1综述•随着社会和科学技术的进步和发展，人们对传感器的需求越来越多，要求也越来越高。但在实际应用中，单一功能的传感器往往不能满足越来越高的系统要求。•例如，一个液压系统的工作是否正常，关键取决于两个主要工作参数即压力和流量是否处于正常的工作状态，以及系统温度、泵组功率等重要辅助参数的正常与否。因此进行液压系统状态检测和故障诊断，最关键的就是压力、流量、温度、功率参数的可靠获取。•传统的用三种传感器分别测量的方法，即使传感器精度很高，仍难以达到理想的测试结果。因为首先三种传感器在安装上必然存在位置差别，所测出的压力、流量、温度实际上并不是同一测量点的数值，距离测试模型的同点、同时、实时测量有很大差距。其次，三种传感器的分别接入系统，在接入过程中会引起过多泄漏，或相互干扰，从而影响测试的准确性，同时也增加了测试的复杂性。为了克服上述确定，就需要一种将三种传感器三位一体集成的设计思想，即在同一传感器主体上同时构造三个传感器，使三个参数的实测值集中在一点。这就是一体化测量技术的本质。•2一体化传感器结构模式若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。•3三位一体传感器实例•将三种传感器设计成一体的方案，是在涡轮传感器主体上预留压力传感器和温度传感器的接入口，实现三个传感器的一体化，结构原理图如图9-3-1所示：•本例提出的在流量传感器的主体上同时安装三种传感器，既方便了测量，又简化了系统。三位一体传感器的设计和应用，极大地提高了测试的可靠性和准确性。这种新型的液压系统检测仪，最后在单片机智能系统的监控下，能在液压系统的同一部位同时动态测出流量、压力、温度、功率四个重要的参数，为液压系统测试分析和故障诊断开辟了一个新方法。•总之一体化传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向。9.4软测量技术1.软测量技术产生背景一般解决工业过程的测量问题有两条途径：其一是沿袭传统的检测技术发展思路，通过研制新型的过程测量仪表，以硬件形式实现过程参数的直接在线测量；其二就是采用间接测量的思路。利用易于获取的其它的测量信息，通过计算来实现对被测变量的估计。近年来在过程控制和检测领域涌现出的一种新技术——软测量技术(Soft-sensingTechnique)正是这一思想的集中体现。本章结束•2.软测量技术的核心•软测量就是选择与被估计变量相关的一组可测变量，构造某种以可测变量为输入、被估变量为输出的数学模型，用计算机软件实现重要过程变量的估计。这类数学模型及相应的计算机软件也称为“软仪表”。图9-4-1为软测量的基本框架。软测量的基本框架•3软测量技术的实现步骤•(1)辅助变量的选择•(2)变量数目的选择•(3)检测点位置的选择•(4)测量数据的预处理•4.软测量的数学描述（建模）•软测量技术是依据某种最优化准则，利用由辅助变量构成的可测信息，通过软件计算实现对主导变量的测量，我们称之为软仪表。软仪表的核心是表征辅助变量和主导变量之间的数学关系的软测量模型，如图9-4-1所示。因此构造软仪表的本质就是建立软测量模型。即建立由辅助变量构成的可测信息集到主导变量估计的映射，用数学公式表示为：)(fy•5.软仪表的在线校正•工业实际装置在运行过程中，随着操作条件的变化。其过程对象特性和工作点不可避免地要发生变化和漂移，因此在软仪表的应用过程中，必须对软测量模型进行在线校正才能适应新的工况。•6软测量技术的应用•随着生产技术的发展和生产过程的日益复杂，为了确保生产装置安全、高效地运行，需要对和系统稳定及产品质量密切相关的重要过程变量进行实时优化控制，这一切还是相当不容易的。精馏塔产品质量控制就是一个典型的例子。为了解决此类过程的控制问题，以前往往采用以下几种方法：第一种方法是质量开环控制，但此方法难以保证产品质量，在实际操作中，往往只能采用过度提纯的操作方式满足其质量指标；第二种方法是采用间接质量指标闭环控制，如精馏塔灵敏板温度控制，温差控制等，但此方法有时也不能很好地保证质量指标的控制精度；第三种方法是采用在线工业色谱仪，但由于其设备投资较大、维护成本高、可靠性差、和测量滞后时间长等缺点，在线控制的质量往往达不到要求。•为了解决上述复杂的精馏塔质量测量控制问题，软测量技术正显示出它的过人之处。软测量技术本身也是在不断解决众多复杂的测量控制问题中发展起来的。•软测量技术主要依据对可测易测过程变量（称为辅助变量如压力、温度等与难以直接测量的待测过程变量（称为主导变量，如产品分布、物料成分）之间的数学关系的认识，采用各种先进计算方法，用计算机软件实现对待测变量的估计。用软测量技术解决复杂的控制问题将会远远优于传统的控制方法。9.5网络化仪表及网络化传感器•第一部分网络化仪表•第二部分网络化传感器第一部分网络化仪表•1.产生背景•由于计算机微电子等技术的迅猛发展，测量技术与仪器仪表的研制也在不断取得进步和发展，相继诞生了智能仪器、PC仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等计算机自动测量系统。由于测量领域和范围在不断地拓宽，计算机与现代仪器设备间的界限也日渐模糊，现今更有计算机就是仪器的说法。而近年来随着Internet的出现并异常迅速地渗透到人们工作、生活的各个方面，这为测量与仪表技术带来了新的发展空间和机遇。网络化测量技术与具备网络功能的新型仪器应运而生。网络化仪器可以把信息系统与测量系统通过Internet连接起来实现资源共享，能高效地完成各种复杂艰巨的测量控制任务，从而促进了现代测量技术向网络化仪器测量的方向发展。•2．网络化仪器的应用•网络技术和计算机总线技术的不断进步，再加上测控任务的复杂化以及远程监测任务等迫切需求，促进了测控仪器向网络化的方向快速发展。•所以网络化仪器在智能交通、楼宇信息化、工业自动化、环境监测、远程医疗、石油化工以及电站等众多领域得到越来越广泛的应用。•3.网络化仪表的网络结构•现场总线使数字通信总线一直延伸到现场仪表，使许多现场仪表可通过一条总线进行双向多信息数字通信，从而取代传统使用的4~20mA模拟传输方式。这样通过现场总线组成网络化仪表测控系统如图9-5-1所示。•现场总线种类繁多，图9-5-1所示的结构，具有一定的代表性。•4．突出的优点•与传统测控仪表相比，基于现场总线的仪表单元具有如下优点：•(1)彻底网络化从最底层的传感器和执行器到上层的监控／管理系统，均通过现场总线网络实现互联，同时还可进一步通过上层监控／管理系统连接到企业内部网甚至Internet。•(2)一对N结构一对传输线，N台仪表单元，双向传输多个信号，接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易，彻底抛弃了传统仪表一台仪器、一对传输线只能单向传输一个信号的缺陷。第二部分网络化传感器•1．概述•传统的传感器只具有信号采集功能。它只能输出模拟信号，不具备信号的数字化和信号处理