第一讲1-测量概念.ppt

2020 2 17 1 工业装备测控技术 第一讲 1过程检测技术测量基本知识 1 2020 2 17 2 概述 过程装备控制是指在过程设备上 配上一些自动化装置以及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动 使设计 制造 装配 安装等在不同程度上自动地进行 这种利用自动化装置来管理生产过程的方法就是生产过程自动化 过程装备控制是生产过程自动化最重要的一个分支 是安全生产的重要保证 2020 2 17 3 生产过程自动化系统包含的内容 自动检测系统 为了随时了解生产过程中各工艺参数的变化情况 采用各种检测仪器 如热电偶 热电阻 压力传感器等 自动连续地对各种工艺变量 如温度 压力 流量 液位等 进行测量 信号联锁系统 为了确保安全生产 常对这些关键性变量设置信号报警或联锁保护装置 自动操纵系统 按预先规定的程序 自动地对生产设备进行某种周期性操作 极大地减轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置 自动控制系统 利用自动控制仪表及装置 对生产过程中某一工艺变量进行自动调节 使它在受到外界干扰影响偏离正常状态后 能够自动地重新回复到规定的范围之内 从而保证生产的正常进行 2020 2 17 4 测量基本知识 为实现对生产过程的自动控制 首先必须对生产过程的各参数进行可靠的测量 学习和掌握过程测试及应用 能够在科研和生产中面临的测试任务面前 正确的选择测试原理和方法 正确的选择所需要的技术工具 组成合适的测试系统 完成需要的测试任务 测量就是为取得任一未知参数而做的全部工作 测量的目的是为了准确地获取表征被测对象特征的某些参数的定量信息 测量技术推动科学的新发现 在过程设备的控制中 测试是最重要的手段 测量是判断事物质量指标的重要手段 测量技术的状态反映了一个国家的经济发展和科学技术水平 2020 2 17 5 测量方法 1 直接测量与间接测量直接测量法将被测量与单位能直接比较 立即得到比值 或者仪表能直接显示出被测参数数值的测量方法被称为直接测量法 间接测量法采用直接测量方法不能直接得到测量结果 而需要先测出一个或几个与被测量有一定函数关系的其他量 然后根据此函数关系计算出被测量的数值 这种方法被称为间接测量法 2020 2 17 6 2 等精度测量和不等精度测量等精度测量法在测量过程中 使影响测量误差的各因素 环境条件 仪器仪表 测量人员 测量方法等 保持不变 对同 被测量值进行次数相同的重复测量 这种测量方法称为等精度测量法 不等精度测量法在测量过程中 测量环境条件有部分不相同或全部不相同 如测量仪器精度 重复测量次数 测量环境 测量人员熟练程度等有了变化 所得测量结果的可靠程度显然不同 这种方法称为不等精度测量法 2020 2 17 7 3 接触测量与非接触测量接触测量法仪表的某一部分 一般为传感器部分 必须接触被测对象 被测介质 非接触测量法仪表的任何部分均不与被测对象接触 过程检测多数采用接触测量法 2020 2 17 8 4 静态测量与动态测量静态测量在测量过程中 如被测参数恒定不变 则此种测量称为静态测量 动态测量被测参数随时间变化而变 此种测量方法称为动态测量 2020 2 17 9 检测仪器与设备 1 感受件 传感器 传感器是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分 它的作用是感受被测量的变化 直接从对象中提取被测量的信息 并转换成一相应的输出信号 2 中间件 变送器或变换器 变换器是检测仪表中的中间环节 它由若干个部件组成 它的作用是将传感器的输出信号进行变换 实现放大 远距离传送 线性化处理或转变成规定的统一信号 供给显示器 调节器等 3 显示件 显示器 显示器的作用是向观察者显示被测量数值的大小 它可以是瞬时量的显示 累积量的显示 越限报警等 也可以是相应的记录显示 2020 2 17 10 误差基本知识 1 测量误差与分类 系统误差 随机误差 粗大误差 2020 2 17 11 误差基本知识 1 测量误差与分类 系统误差是指在相同条件下 多次测量同一被测量值的过程中出现的一种误差 它的绝对值和符号或者保持不变 或者在条件变化时按某一规律变化 系统误差是由于测量工具本身的不准确或安装调整得不正确 测试人员的分辨能力或固有的读数习惯 测量方法的理论根据有缺陷或采用了近似公式等原因所造成的 2020 2 17 12 误差基本知识 1 测量误差与分类 随机误差又称偶然误差 它是在相同条件下多次测量同一被测量值的过程中所出现的绝对值和符号以不可预计的方式变化的误差 随机误差大多是由测量过程中大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响所造成的 2020 2 17 13 误差基本知识 1 测量误差与分类 粗大误差明显地歪曲测量结果的误差称为粗大误差 这种误差是由于测量操作者的粗心 如读错 记错 算错数据等 不正确地操作 实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙实验等原因所造成的 2020 2 17 14 2 测量的精密度 准确度和精确度 精密度对同一被测量进行多次测量 测量的重复性程度称为精密度 测量的精密度取决于随机误差 因为随机误差反映了在相同条件下对同一被测量进行多次测量时 所得测量结果的离散程度 随机误差越小 测量值分布越密集 测量结果的重复性越好 测量的精密度越高 反之亦然 准确度对同一被测量进行多次测量 测量值偏离被测量真值的程度称为准确度 测量的准确度取决于系统误差的大小 系统误差愈小 则测量的准确度愈高 精确度精密度与准确度的综合称精确度 它反映了测量结果中系统误差和随机误差的综合数值 即测量结果与真值的一致程度 也反映了系统误差和随机误差的综合影响程度 2020 2 17 15 2 测量的精密度 准确度和精确度 图3 4重复测量时的散点图图中xo代表被测量的真值 x代表多次测量值的平均值 b 准确而不精密 c 既精密又准确 d 既不精密又不准确 a 精密而不准确 2020 2 17 16 3 不确定度 测量的不确定度是表示用测量值代表被测量真值的不肯定程度 它是对被测量的真值以多大的可能性处于以测量值为中心的某个量值范围之内的一个估计 不确定度是测量精确度的定量表示 不确定度愈小的测量结果 其精确度愈高 在评定测量结果的不确定度时 应先行剔除坏值并对测量值尽可能地进行修正 2020 2 17 17 4 仪表的基本误差限 仪表的基本误差限可以用绝对误差 相对误差或引用误差来表示 绝对误差是指仪表指示值与被测变量的真值之间的代数差 即 X X Ao 3 4 式中 X 绝对误差 X 仪表指示值 Ao 被测变量的真值 式 3 4 中的真值Ao通常用约定真值或一系列测量结果的算术平均值来代替 一般情况下 被测变量的真实数值 理想真值 是未知的 在工程上 常用更高一级标准仪器的测量值Xo来代替真值Ao 称之为约定真值 2020 2 17 18 4 仪表的基本误差限 相对误差为测量的绝对误差与被测变量的约定真值 实际值 之比 通常用百分数表示 与绝对误差相比较 相对误差更能说明测量结果的精确程度 2020 2 17 19 4 仪表的基本误差限 引用误差 2020 2 17 20 误差分析与处理 随机误差分析与处理 2020 2 17 21 随机误差分析与处理 2020 2 17 22 随机误差分析与处理 2020 2 17 23 随机误差分析与处理 2020 2 17 24 随机误差分析与处理 2020 2 17 25 随机误差分析与处理 2020 2 17 26 随机误差分析与处理 随机误差的消除随机误差产生的原因是由很多微小变化的总和引起的 难以具体分析 但是其中几个因素还是比较明确的 如摩擦 间隙 噪声等 为了减小摩擦引起的随机误差 最根本的办法就是从结构 原理上尽量避免采用存在摩擦的可动部分 例如仪表中用张丝代替轴或轴承 差压变送器中采用支撑弹簧等 噪声对测量带来的误差各式各样 为了减小噪声对测量带来的误差 可在仪表和测量系统中采取屏蔽 接地 对称平衡 滤波 选频和去耦等办法 因为数字电路比模拟电路受噪声的影响要小些 所以采用数字仪表可以提高抗干扰能力 减小误差 随机误差处理在等精确度条件下 以尽可能多次数的重复测量作为样本数据 取样本数据的平均数作为真值估计 并计算确定其均方根误差的真值估计范围 2020 2 17 27 2 系统误差的分析与处理 系统误差的估计系统误差可分为两类 恒定系统误差指误差大小和符号在测量过程中不变的误差 变值系统误差它是一种按照一定规律变化的系统误差 根据变化特点又可分为累积性系统误差和周期性系统误差 2020 2 17 28 2 系统误差的分析与处理 系统误差的消除为了进行正确的测量 取得可靠的数据 在测量前或测量过程中 必须尽力减少或消除系统误差的来源 消除误差的方法 a尽可能选择精确度高的仪表b用精确度高的仪表校准使用的仪表C采用零读数法d采用替代读数法e采用交换读数法f还有采用对称法 微差法 比较法等 2020 2 17 29 3 粗大误差的检验与剔除 在测量过程中 一般情况下不能及时确定哪个测量值是坏值而加以舍弃 必须在整理数据时加以判别 判断坏值的方法有几种 概括起来都属于统计判别法 其基本方法是规定一个置信概率和相应的置信系数 即确定一个置信区间 将误差超过此区间的测量值 都认为是属于不仅包含随机误差的坏值 而应予以剔除 2020 2 17 30 3 粗大误差的检验与剔除 2020 2 17 31 3 粗大误差的检验与剔除 2020 2 17 32 误差综合 2020 2 17 33 误差综合 2020 2 17 34 仪器仪表的主要性能指标 仪表的性能指标是评价仪表性能差异 质量优劣的主要依据 也是正确的选择仪表和使仪表达到准确测量目的所必须具备和了解的知识 仪表的性能指标主要有技术 经济及使用三方面的指标 仪表技术方面的指标有误差 精度等级 灵敏度 变差 量程 响应时间 漂移等 2020 2 17 35 仪器仪表的主要性能指标 1 量程与精度 量程仪表的量程是指测量范围上限与下限的代数差 精度等级用仪表的最大引用误差值去除百分比符号来描述仪表的测量精度仪表的精确度等级已经系列化 只能从下列数据中选取最接近的合适数值作为精确度等级 即0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 2 5 5 0 2020 2 17 36 仪器仪表的主要性能指标 1 静态性能指标仪表的特性有静态特性和动态特性之分 它们所描述的是仪表的输出变量与输入变量之间的对应关系 当输入变量处于稳定状态时 仪表的输出与输入之间的关系称为静态特性 这里介绍几个主要的静态特性指标 2020 2 17 37 仪器仪表的主要性能指标 线性度一般说来 总是希望仪表具有线性特性 亦即其特性曲线最好为直线 但是 在对仪表进行标定时人们常常发现 那些理论上应具有线性特性的仪表 由于各种因素的影响 其实际特性曲线往往偏离了理论上的规定特性曲线 直线 在测试技术中 采用线性度这一概念来描述仪表的标定曲线与拟合直线之间的吻合程度 如图3 6所示 图中a表示标定曲线 b表示拟合直线 2020 2 17 38 仪器仪表的主要性能指标 迟滞误差在输入量增加和减少的过程中 对于同一输入量会得出大小不同的输出量 在全部测量范围内 这个差别的最大值与仪表的满量程之比值称为迟滞误差 迟滞误差是由于仪表内有吸收能量的元件 如弹性元件 磁化元件等 机械结构中有间隙以及运动系统的摩擦等原因造成的 2020 2 17 39 仪器仪表的主要性能指标 漂移是指输入量不变时 经过一定的时间后输出量产生的变化 由于温度变化而产生的漂移称温漂 当输入量固定在零点不变时 输出量的变化值引起的漂移称为零漂 重复性仪表的重复性用全测量范围内的各输入值所测得的最大重复