检测仪表基本知识.ppt

第1章 过程检测技术基础 内容提要 测量过程与测量误差测量仪表的品质指标测量系统中的常见信号类型检测系统中信号的传递形式检测仪表与测量方法的分类化工检测的发展趋势 什么是检测 检测就是去认识 检测是认识自然界的主要手段 W Von Siemens 从信息论角度讲 检测就是获得信息的过程 在科研 生产和军事等领域 检测是必不可少的过程 通常所讲的检测是指使用专门的工具 通过实验和计算 进行比较 找出被测参数的量值或判定被测参数的有无 检测的过程就是用敏感元件将被测参数的信息转换成另一种形式的信息 通过显示或其它形式被人们所认知 一 测量过程 测量 以确定量程为目的 用试验方法将被测参数的量值 被测量 与标准量的量值作比较 确定出被测量的大小 如 用精度为0 5级 量程为0 300毫米的直尺以毫米为单位测量物体的长度 若测得物体长度为60毫米 相应最大误差是多大 若测得物体长度为200毫米呢 1 1测量的概念 测量方法 按照测量方式分类 1 直接测量 2 间接测量 用标定的仪器 仪表进行测量 从而直接测得待测量的数值 这种方法是工程上广泛采用的方法 被测量本身不易直接测量 但可以通过与被测量有一定有关系的其他量 一个或几个 来求出被测量的数值 优点 测量过程简单迅速 缺点 测量精度不高 例如测量某固体的密度时 可以通过称重 量出其几何尺寸 计算出体积 再计算密度 1 偏差法测量 用测量仪表的指针相对于刻度初始点的位移 偏差 来直接表示被测量的大小 在经过校准的仪器仪表上读取数值 特点 它是以间接的方式实现被测量与标准量 校准结果 的比较 例如用电磁式仪表 测量电路中的电流 电压 就属于偏差式测量 这种测量方法过程直观 方便 简单 迅速 但是精度较低 量程窄 测量方法 按照测量原理分类 2 零位法测量 在测量过程中 用指零仪表 如检流计 的零位指示测量系统的平衡状态 用已知的基准量决定被测量 只要零指示器的灵敏度足够高 零位法测量的准确度几乎等同于标准量的准确度 因而测量准确度很高 例如用惠斯登电桥测量电阻 天平称重也是这个道理 是常用于在实验室和做精密测量的一种方法 平衡状态 需要进行反复调节 即使采用一些自动平衡技术 检测速度仍然较慢 因此测量时间过长 不适用于快速变化的信号 不足 3 微差法测量 偏差测量法和零位测量法相结合 它通过测量被测量与标准量之差 通常这个差值很小 来测得被测量的值 在实际测量中 由于测量设备不准确 测量方法不完善 测量程序不规范及测量环境因素的影响 都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值 测量本身所具有的真正的值 如三角形的内角和等于180度 计量部门指定的值 如标准法码的重量 标准尺等 1 误差公理 2 示值的表示 1 理论真值 真值是个理想的概念 一般是很难知道的 制图中不允许标注 封闭 尺寸 2 指定 约定 真值 一切测量都有存在 误差自始至终存在于所有科学实验中 这就是误差公理 1 2测量误差及处理 上一级标准表所体现的值当作准确无误的值 如 标准温度计 标准仪器 测试带 语音 图象 测量器具上所标定的数值 灯泡 220V100W 由测量器具指示的被测量的值 3 实际值 相对真值 4 标称值 标称值并不一定等于他的真值或实际值 5 示值 测量值 X 3 误差的表示方法 绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值 即 仪表指示值T 被测量的真值 概述 另一种表示方法 测量值 绝对误差 如1000 1 绝对误差 由于真值无法得到 x 被校表的读数值 x0 标准表的读数值 概述 用来说明测量精度的高低 实际相对误差 绝对误差与实际值 或测量值 的百分比 相对误差 引用误差 相对百分误差 绝对误差与量程的百分比 概述 引用误差SP 仪表量程 最大引用误差 满度误差 用于确定仪表的精度 4 按误差出现的原因分类 1 系统误差 2 随机误差 在一定测量条件下 测量值中含有不变或按一定规律变化的误差 其大小和方向均不会改变 主要由仪表本身的缺陷 观测者的习惯或偏向等因素产生 系统误差越小 测量就越准确 有很多复杂原因的微小变化的总合所引起的误差 可以用统计规律来描述 可以从理论上估计对测量结果的影响 如果一个测量结果的随机误差和系统误差均很小 则表明该测量既精密又正确即精确 它表现测量结果的离散性 随机误差越小 精密度越高 3 粗大误差 疏忽误差 由于人为的原因和环境干扰等原因使测量结果显著偏离其实际值所造成的误差 如果确属粗大误差 该值应舍去不用 4 缓变误差特点 变化难以预测 且随时间发生变化误差产生的原因 由仪表内部的元器件老化过程引起的 处理方法 可更换元器件 零部件或通过不断校正加以克服和消除 5 按误差测试的条件分类 1 基本误差 2 附加误差 在规定的工作条件下 如温度 湿度 电源电压等一定 仪表本身具有的误差 可用最大引用误差表示其大小仪表的精度等级在数值上反映基本误差的大小 当仪表的工作条件偏离正常范围时所引起的误差 1 检测系统中的常见信号类型 作用于检测装置输入端的被测信号 通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型 1 位移信号2 压力信号3 电气信号4 光信号 1 3检测仪表的组成与分类 2 检测系统中信号的传递形式 1 模拟信号 在时间上是连续变化的 即在任何瞬时都可以确定其数值的信号 2 数字信号 数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号 通常用二进制数 0 和 1 组合的代码序列来表示 3 开关信号 用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号 3 检测仪表的分类 依据所测参数的不同 可分成压力 包括差压 负压 检测仪表 流量检测仪表 物位 液位 检测仪表 温度检测仪表 物质成分分析仪表及物性检测仪表等 按表达示数的方式不同 可分成指示型 记录型 信号型 远传指示型 累积型等 按精度等级及使用场合的不同 可分为实用仪表 范型仪表和标准仪表 分别使用在现场 实验室和标定室 1 测量范围和量程 测量范围 测量下限 测量上限 量程 测量上限值 测量下限值 量程还与准确度及仪表选用有关 1 4检测仪表的性能指标 2 精确度 精度 表示仪表测量结果的可靠程度 仪表的精度是用基本误差表示的 目前我国生产的仪表的精度等级有 0 01 0 02 0 05 0 1 0 2 0 35 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等数值越小 表示仪表的精度等级越高 仪表的精度等级以一定的符号形式表示在仪表标尺板上 如1 0外加一个圆圈或三角形 精度等级1 0 说明该仪表允许误差为1 0 仪表的 允越大 表示它的精确度越低 反之 仪表的 允越小 表示仪表的精确度越高 将仪表的允许相对百分误差去掉 号及 号 便可以用来确定仪表的精确度等级 说明 仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同 因此 常说的 绝对误差 指的是绝对误差中的最大值 max 仪表的准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 准确度等级数值越小 就表征该仪表的准确度等级越高 仪表的准确度越高 工业现场用的测量仪表 其准确度大多在0 5级以下 仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上 例11 5级电压表 量程 0 100V 最大绝对误差 例21 0级电流表 量程100 A 测量值分别为100 80 20 A 绝对误差 示值相对误差 绝对误差均认为是最大绝对误差 误差的整量化 100 A时 80 A时 20 A时 在同一量程内 测量值越小 示值相对误差越大 检测仪表的品质指标 解该仪表的相对百分误差为 如果将该仪表的 去掉 号与 号 其数值为0 8 由于国家规定的精度等级中没有0 8级仪表 同时 该仪表的误差超过了0 5级仪表所允许的最大误差 所以 这台测温仪表的精度等级为1 0级 3 允许误差 就是满度相对误差 引用误差 例4要测量100 的温度 现有0 5级 0 300 和1 0级 0 100 的两个温度计 示值相对误差 0 5级 1 0级 应选用1 0级的温度计 价格低 误差小 例5 某台测温仪表的量程是600 1100 其最大绝对误差为 4 试确定该仪表的精度等级 由于国家规定的精度等级中没有0 8级仪表 而该仪表的最大引用误差超过了0 5级仪表的允许误差 所以这台仪表的精度等级应定为1 0级 解仪表的最大允许误差为 例6 某台测温仪表的量程是600 1100 工艺要求该仪表指示值的误差不得超过 4 应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求 0 8 介于允许误差 0 5 与 1 0 之间 如果选择允许误差为 1 0 则其精度等级应为1 0级 量程为600 1100 精确度为1 0级的仪表 可能产生的最大绝对误差为 5 超过了工艺的要求 所以只能选择一台允许误差为 0 5 即精确度等级为0 5级的仪表 才能满足工艺要求 解根据工艺要求 仪表的最大允许误差为 结论 校表 选表 仪表精度与量程有关 量程是根据所要测量的工艺变量来确定的 在仪表精度等级一定的前提下适当缩小量程 可以减小测量误差 提高测量准确性 式中 f为线性度 又称非线性误差 fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差 以仪表示值的单位计算 输入值 输出值 理论 实际 3 线性度 输入 输出特性曲线对相应直线的偏离程度 线性度差就要降低仪表精度 4 输入 输出特性 灵敏度 Const 死区 不灵敏区 输入变化不致引起输出可察觉变化的区间 灵敏度为零 起因 电路偏置不当 机械传动中的摩擦和间隙 有时故意将死区调大 防止输出随输入变化过快 分辨率 灵敏限 数字显示器最末位数字间隔代表被测量的变化与量程的比值 即仪表最低量程上最末一位改变一个数所表示的被测参数变化量 灵敏限指能引起仪表指针发生动作的被测参数最小变化量 通常应不大于仪表最大允许误差的一半 5 检测仪表的恒定度 变差是指在外界条件不变的情况下 用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程 即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小 测量时 被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的差值 图2 1测量仪表的变差 仪表的变差不能超出仪表的允许误差 否则应及时检修 0 25 50 75 100 输入值 输出值 正行程 反行程 同一被测量在上升和下降时输出值间的最大差值 注意 仪表的变差不能超出仪表允许误差 否则仪表应及时检修 形成原因 传动机构的间隙 运动部件的摩擦 弹性元件弹性滞后的影响 6 重复性 重复性表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度 若标定的特性曲线一致 重复性就好 重复性误差就小 图2 3重复性示意图 以下三个量的关系如何 再现性 回差 重复性 在相同条件下 按同一方向多次测量同一被测量时 仪表提供相近输出的能力 再现性 在相同条件下 在规定的较长时间内 对同一被测量从两个方向测量时 仪表输出值的一致程度 检测仪表的品质指标 6 反应时间 反应时间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标 反应时间长 说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值 那就不宜用来测量变化频繁的参数 仪表反应时间的长短 实际上反映了仪表动态特性的好坏 可靠度R t 规定时间内无故障的概率 故障率 仪表工作到t时刻时单位时间内发生故障的概率 平均无故障工作时间 MeanTimeBetweenFailure 仪表在相邻两次故障间隔内有效工作的平均时间 平均工作时间 MeanTimeToFailure 不可修复产品从开始工作到发生故障前的平均时间 平均寿命 平均故障修复时间 MeanTimeToRepair 仪表出现故障到恢复工作时的平均时间 7 可靠性主要指标 例题 故障率 2 1000h 即 100台仪表在1000小时内故障2台 可靠度R t exp 0 02 1000 t T 100 R 99 8 T 1000 R 98 t 10000 R 82 平均寿命 1000 0 02 50000h 相对误差 绝对误差 引用误差 仪表基本误差 仪表满刻度相对误差 允许误差 标准条件下 仪表全量程范围内各输出值误差中绝对值最大者 误 制造单位为保证仪表不超过基本误差而设的限值 一般希望被测量接近仪表上限值 故多用引用误差 复习 判定仪表测量精确性 准确度与准确度等级 先用满刻度相对误差略去百分号作为仪表的准确度 再选数值上与它最接近又比它大的等级作为该仪表的准确度等级 仪表基本误差越小 准确度越高 基本误差不变时 量程越大 准确度越高 准确度等级 0 05 0 1 0 25 0 35 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 例 仪表基本误差 2 3 量程 200仪表满刻度相对误差 1 15 准确度等级 1 5 敏感元件 sensor 感受被测参数并将其变化转换成另一种物理量的变化 传感器 transducer 直接感受被测参数 并将其变化转换成易于传送的物理量 变送器 transmitter 一种特殊的传感器 使用统一动力源 输出标准信号 被测参数 measured 用敏感元件直接感受的测量参数 待测参数 parametertobemeasured 需要获取的测量参数 直接测量 directmeasurement 不必测量与待测参数有关系的其它量 而直接得到待测量的量值 间接测量 indirectmeasurement 通过测量与待测参数有关系的其它量 经一定数学处理得到待测量的量值 一些重要术语 习题练习 例1 某台测温仪