自动检测技术绪论PPT课件.ppt

本课程共计 授课40 实验12学时主教材 自动检测技术及仪表控制系统 张毅等编著 化工社参考教材 自动检测技术及应用 梁森等编著 机械社自动检测技术与装置 张宏建主编 化工社现代检测技术及仪表 孙传友等编著 高教社现代检测技术与系统 蔡萍等编著 高教社自动化系统工程设计与实施 林敏等编著 电子社微机控制技术及应用 林敏等编著 高教社 1 自动检测技术和仪表装置是实现自动化控制系统的基础 本课程将以工业仪表控制系统为主线 介绍工业生产中有关过程参数检测和自动化仪表系统的基础知识和应用技术 第一篇检测技术和仪表系统的基础知识 第二篇过程参数检测技术 包括温度 压力 流量 物位 成分分析 机械量等参数 第三篇仪表系统所包含的变送 显示等单元仪表 第四篇系统控制技术 过程控制和计算机控制课程 第五篇现代检测和仪表技术的最新发展和应用 2 第一篇基础知识引论1 绪论2 误差分析与数据处理3 检测系统的组成及分类 3 检测 是利用各种物理 化学效应 选择合适的方法与装置 将生产 科研 生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程 自动检测技术 能够自动完成整个检测处理过程的技术 检测技术的地位和作用 1 在连续生产过程中 2 在机械制造行业中 3 在交通控制管理中 4 在国防科技开发中 5 在日常家电技术中 绪论 4 任何一个自动化控制系统都必然要应用一定的检测技术和相应的仪表单元 而检测技术与仪表两部分是紧密相关的 相辅相成的 它们是控制系统的重要基础 检测单元完成对各种过程参数的测量 并实现必要的数据处理 仪表单元则是实现各种控制作用的手段和方法 它将检测得到的数据进行运算处理 并通过相应的单元实现对被控变量的调节 随着新技术的不断涌现 特别是先进检测技术 现代传感器技术 计算机技术 网络技术和多媒体技术的出现 给传统的自动控制系统带来了新的挑战 并由此引出许多新的发展 如虚拟仪器 软测量技术 数据融合理论与方法以及最新发展的传感器网络技术等 本章给出常规检测仪表控制系统的组成 结构 并介绍有关检测和仪表相关技术的基本概念和名词术语 5 1 1检测仪表控制系统结构1 2检测仪表基本概念1 3检测仪表技术发展趋势 6 1 1检测仪表控制系统结构 工业生产过程必然会受到各种干扰因素的影响 使得工艺参数经常偏离所希望的数值 为了实现优质高产和保证生产安全平稳地运行 必须对生产过程实施有效地控制 人工操作 尽管人工操作也能控制生产 但由于受到生理上的限制 人工控制满足不了大型现代化生产的需要 自动控制 在人工控制基础上发展起来的自动控制系统 可以借助于一整套自动化装置 自动地克服各种干扰因素对工艺生产过程的影响 使生产能够正常运行 下面我们以液体贮糟的液位控制为例来说明检测仪表控制系统的基本构成 1 1 1控制系统的基本构成 7 在生产中液体贮槽常被用来作为进料罐 成品罐或者中间缓冲容器 从前一个工序来的物料连续不断地流人槽中 而槽中的液体又被送至下一道工序进行处理 为了保证生产过程的物料平衡 工艺上要求将贮槽内的液位控制在一个合理的范围 由于液体的流入量受到上一工序的制约是不可控的 因此流入量的变化是影响槽内液体波动的主要因素 严重时会使槽内液体溢出或抽空 解决这一问题的最简单方法 就是根据槽内液位的变化相应地改变液体的流出量 8 1 人工操作 靠人眼观察玻璃管液位计 测量元件 的指示高度 并通过神经系统传人大脑 大脑将观察的液位高度与所期望的液位高度进行比较 判断出液位的偏离方向和程度 并经过思考估算出需要改变的流出量 然后发出动作命令 手根据大脑的指示 改变出口阀门的开度 相应地增减流出量 使液位保持在合理的范围内 2 自动控制 通过在生产设备 装置或管道上配置自动化仪表装置 部分或全部地替代现场工作人员的手动操作 使生产过程能在不同程度上自动地进行 图1 1人工操作图 9 在进行控制系统的工程设计时 按工艺流程的顺序和要求 将所确定的控制方案标注到工艺流程图中 这种将测量控制点与工艺流程图相结合的图形文档就称为工艺控制流程图 如图l 2所示 槽内液体的高度由液位变送器检测并将其变换成统一的标准信号后送到控制器 控制器将接收到的变送器信号与事先置入的液位期望值进行比较 并根据两者的偏差按某种规律运算 然后将结果发送给执行器 调节阀 执行器将控制器送来的指令信号转换成相应的位移信号 去驱动阀门的动作 从而改变液体流出量 以实现液位的自动控制 图1 2工艺控制流程图 1 1 2自动控制系统的描述工艺控制流程图自动控制系统原理 方框 图 1 工艺控制流程图 10 2 字母代号 11 12 图1 17计算机控制流程图示例 13 2 自动控制系统方框图为了更清楚的表示控制系统各环节的组成 特性和相互间的信号联系 一般都采用方框图 每个方框表示组成系统的一个环节 两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系 进入方框的信号为环节输入 离开方框的为环节输出 图1 3自动控制系统方框图 14 被控对象指需要实现检测控制的设备 机器或生产过程 如本例中的液体贮槽 检测元件和变送器的作用是对被控变量进行直接或间接的测量并把其转换为测量值 比较机构的作用是比较设定值与测量值并输出其差值 控制装置的作用是根据偏差的正负 大小及变化情况 按某种预定的控制规律给出控制作用 比较机构和控制装置通常组合在一起 称为控制器 执行器的作用是接受控制器送来的控制作用 相应地去改变操纵变量 显示单元是控制系统的附属单元 它将检测单元测量获得的有关参数显示给操作人员 15 使用常规仪表的中央控制室1 16 使用常规仪表的中央控制室2 17 1 2检测仪表基本概念 1 2 1测量范围 上下限和量程1 2 2零点调整和满度调整1 2 3灵敏度和分辨力 分辨率1 2 4误差1 2 5精确度1 2 6滞环 死区和回差1 2 7重复性和再现性1 2 8可靠性 18 1 2 1测量范围 测量上下限和量程 测量范围 仪表在满足精度情况下进行正常测量的被测变量的变化范围 测量上 下限 测量范围的最大 高 值和最小值 低 测量下限也称零点测量上限也称满度 仪表量程 大小 测量上限与测量下限之间的代数差 19 1 2 2零点迁移和量程迁移 零点迁移 根据测量要求 对零点的调整 量程大小不变 斜率不变 量程迁移 根据测量要求 对上限的调整 量程大小改变 斜率改变 零点迁移是把零点调离 零 零点调整是把零点调至 零 20 1 2 3灵敏度和分辨力 分辨率 灵敏度 是指稳态时仪表的输出变化量 Y与输入变化量 X的比值 它表示仪表对被测参数变化的灵敏程度 K Y X也即输出输入特性曲线的斜率 零点迁移则灵敏度不变 量程迁移则灵敏度发生变化 灵敏度实质上等同于放大倍数 只是前者有量纲 后者无量纲 分辨力 在规定的测量范围内仪表能够检测出的被测量的最小变化量 是一个有量纲的数 数字式仪表的分辨力是指最低一位数码所代表的输入量 分辨率 将分辨力除于仪表的量程 分辩率常以百分比或几分之一表示 在多个仪表组成的测控系统中 其总灵敏度是各仪表灵敏度的乘积 21 误差理论中 所谓一个量的真值 是指在某一时刻和某一状态下体现出的客观值 也即被测量所具有的客观真实大小 1 理论真值一个量严格定义的理论值通常叫理论真值 这是可知的真值 例如 平面三角形三内角之和恒为180 圆周角为360 同一量值自身之差为零而自身之比为1 等等 由于理论真值在实际测量工作中难以获得 常用约定真值或相对真值来代替理论真值 1 2 4误差 22 2019 12 30 23 2 约定真值是一个接近真值的值 它与真值之差可忽略不计 实际测量中以在没有系统误差的情况下 足够多次的测量值之平均值作为约定真值 3 相对真值是指当高一等级标准仪器或仪表示值为低一级仪器或仪表的相对真值 24 测量误差是仪表测量过程中获得被测参数的测量值 示值 与约定真值之间的差距 绝对误差是指测量值与约定真值之间的代数差 简称为误差 绝对误差 测量值 约定真值相对误差以百分数表是 有三种表示方法 实际相对误差 绝对误差 约定真值 100 示值 标称 相对误差 绝对误差 测量值 100 相对百分误差或引用误差 绝对误差 量程 100 最大引用误差 最大绝对误差 量程 100 允许误差即允许的最大引用误差或允许的相对百分误差的最大值 允许误差又称为满刻度相对误差 25 1 2 5精确度仪表的精确度 准确度 是最大引用误差去掉 号及 后的数值来衡量的 精度等级是按国家仪表工业统一规定 把仪表精确度划分成的若干等级 常用仪表的精度等级有0 05级 0 1级 0 2级 0 4级 0 5级 1 0级 1 5级 2 5级等 精度等级 允许误差 是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 允许误差 允许的最大引用误差 越小 精度就越高 与最大绝对误差 量程大小有关 在设计测控系统选用仪表时 应兼顾精度等级和量程大小 通常希望示值落在仪表满度值的2 3处 26 仪表在出厂时要规定它的精度等级 以便使用时能根据精度及量程估算出可能的最大绝对误差 如何规定或确定正确的仪表等级 校表 取计算以后的允许误差所对应相等的或低一级的等级 例题1 某台测温仪表 其测量范围为100 600 经检验发现仪表的最大绝对误差为 6 试确定该仪表的精度等级 设计测控系统时 如何选用适宜的仪表等级 选表 通常是根据系统所允许的最大绝对误差与测量量程来算出允许误差 取计算以后相等的或高一级的仪表等级 例题2 设计某个测温系统 其仪表的测量范围为100 600 要保证测量值的最大绝对误差不超过 6 试选用何种精度等级的仪表 27 仪表在出厂时要规定它的精度等级 以便使用时能根据精度及量程估算出可能的最大绝对误差 如何规定或确定正确的仪表等级 校表 取计算以后的允许误差所对应相等的或低一级的等级 例题1 某台测温仪表 其测量范围为100 600 经检验发现仪表的最大绝对误差为 6 试确定该仪表的精度等级 解 该仪表的最大引用误差 6 600 100 100 1 2 1 0级 1 5级设计测控系统时 如何选用适宜的仪表等级 选表 通常是根据系统所允许的最大绝对误差与测量量程来算出允许误差 取计算以后相等的或高一级的仪表等级 例题2 设计某个测温系统 其仪表的测量范围为100 600 要保证测量值的最大绝对误差不超过 6 试选用何种精度等级的仪表 解 所选用仪表的最大引用误差 6 600 100 100 1 2 1 0级 1 5级 28 思考题 某弹簧管压力表的测量范围为0 1 6MPa 准确度等级为2 5级 校验时在某点出现的最大绝对误差为0 05MPa 问这块仪表是否合格 为什么 29 某弹簧管压力表的测量范围为0 1 6MPa 准确度等级为2 5级 校验时在某点出现的最大绝对误差为0 05MPa 问这块仪表是否合格 为什么 解1 求出该仪表的实际最大引用误差 该压力表的量程为1 6MPa 最大绝对误差为0 05MPa 则满刻度相对误差为 所以这块仪表不合格 仪表的精确度 准确度 是最大引用误差去掉 号及 后的数值来衡量的 解2 求出该仪表的最大引用误差 所允许的最大绝对误差 1 6MPa 2 5 0 04MPa 而该仪表最大绝对误差为0 05MPa 0 04MPa 所以这块仪表不合格 30 1 2 6滞环 死区和回差滞环 由于仪表元件具有储能效应 弹性变形 磁滞现象 使仪表测量时获得的上升曲线与下降曲线形成环状 回差 变差 实际上升曲线与下降曲线之间的最大差值 死区 不灵敏区 由于仪表元件具有死区效应 传动间隙 使仪表测量很小值时不足于引起输出的任何变化 31 1 2 7重复性和再现性重复性 在同一工作条件下 同方向连续多次对同一输入值进行测量所得的多个输出值之间相互一致的程度 用仪表上升曲线或下降曲线的最大离散程度表示 再现性 表示仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间的离散程度 取两种曲线之间离散程度最大点的值表示 稳定性 32 1 2 8可靠性 平均无故障工作时间 以相邻两次故障时间间隔的平均值 仪表正常工作方面 MTBF MeanTimeBetweenFailures 平均故障修复时间 仪表修复故障所用的平均时间 仪表出现故障方面 MTTR MeanTimeToRepair 综合性指标 有效度 MTBF MTBF MTTR 33 1 3检测仪表技术发展趋势 随着科学技术的不断发展 人们对检测系统的测量精度要求也相应地在提高 近年来 人们研制出许多高精度和宽量程的检测仪器以满足各种需要 人们还对传感器的可靠性和故障率的数学模型进行了大量的研究 使得检测系统的可靠性及寿命大幅度的提高 现在 许多检测系统可以在极其恶劣的环境下连续工作数十万小时 目前 人们正在不断努力进一步提高检测系统的各项性能指标 随着新技术的不断涌现 特别是先进检测技术 现代传感器技术 计算机技术 网络技术和多媒体技术的出现 给传统的自动控制系统带来了新的挑战 并由此引出许多新的发展 如虚拟仪器 软测量技术 数据融合理论与方法以及最新发展的传感器网络技术等 34 1 不断提高检测系统的测量精度 量程范围 延长使用寿命 提高可靠性随着科学技术的不断发展 人们对检测系统的测量精度要求也相应地在提高 近年来 人们研制出许多高精度和宽量程的检测仪器以满足各种需要 人们还对传感器的可靠性和故障率的数学模型进