绪论(复习思考)要点.ppt

第一部分 绪论 检测技术的基础知识 检测技术和测量仪器的重要作用 控制系统的发展对仪器仪表提出的新要求 检测技术与仪表的理论基础 关于测量与仪表的相关概念和定义 一 测量及测量方法二 测量误差及其处理方法三 测量仪表的质量指标测量数据的估计和处理有关测量不确定度的评定与表示方法的新规范 仪表的防爆和防护的有关知识 检测技术与仪表 1 3检测技术理论基础 一 测量及测量方法 测量是以确定量值为目的的一组操作 包括 手工或按程序自动进行的操作 操作的结果 得到被测量的最终结果值 不确定度的估计值 全部的数据处理过程 测量是利用某种工具并以实验或计算的方法获取被测参数数值的过程 是指被测参数与预先确定的被测参数的 单位 进行比较 并获取比值的过程 测量过程有三要素 测量单位 测量方法 测量工具 1 测量 1 3检测技术理论基础 它可由下式表示 1 1 1 2 式中 x 被测量值 u 标准量 即测量单位 n 比值 纯数 含有测量误差 1 3检测技术理论基础 由测量所获得的被测量的量值叫测量结果 包括 比值和测量单位 还应给出测量结果的质量 测量结果的可信程度 用测量不确定度表示 因此 测量结果的完整表述应包括估计值 测量单位及测量不确定度 1 3检测技术理论基础 2 测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法 称为测量方法 根据获得测量值的方法可分为 直接测量 间接测量和组合测量 根据测量方式可分为 偏差式测量 零位式测量与微差式测量 根据测量条件不同可分为 等精度测量与不等精度测量 1 3检测技术理论基础 根据被测量变化快慢可分为 静态测量与动态测量 根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为 接触式测量与非接触式测量 根据测量系统是否向被测对象施加能量可分为 主动式测量与被动式测量等 1 3检测技术理论基础 1 直接测量 间接测量与组合测量 测得值直接与标准量进行比较 不需要经过任何运算 直接得到被测量的数值 这种测量方法称为直接测量 优点 测量过程简单而又迅速 缺点 测量精度不容易达到很高 1 3检测技术理论基础 首先对与被测量有确定函数关系的几个量进行直接测量 将直接测得值代入函数关系式 经过计算得到所需要的结果 这种测量称为间接测量 y f x 或y f x1 x2 xn 1 4 1 5 1 3检测技术理论基础 2 偏差式测量 零位式测量与微差式测量 用仪表指针的位移 即偏差 决定被测量的量值 这种测量方法称为偏差式测量 用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态 在测量系统平衡时 用已知的标准量决定被测量的量值 这种测量方法称为零位式测量 微差式测量 综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法 它将被测量与已知的标准量相比较 取得差值后 再用偏差法测得此差值 1 3检测技术理论基础 3 等精度测量与不等精度测量在整个测量过程中 若影响和决定误差大小的全部因素 条件 始终保持不变 对同一被测量进行多次重复测量 称为等精度测量 在不同的测量条件下 用不同精度的仪表 不同的测量方法 不同的测量次数以及不同的测量者进行测量和对比 这种测量称为不等精度测量 1 3检测技术理论基础 4 静态测量与动态测量被测量在测量过程中认为是固定不变的 对这种被测量进行的测量称为静态测量 不需要考虑时间因素对测量的影响 若被测量在测量过程中是随时间不断变化的 对这种被测量进行的测量称为动态测量 1 3检测技术理论基础 测量系统 传感器 变送器 变换器 和其它变换装置等的有机组合 图1 1表示测量系统组成结构框图 3 测量系统 1 测量系统构成 图1 1测量系统组成框图 1 3检测技术理论基础 传感器 感受被测量的大小 并输出相对应的可用输出信号的器件或装置 变送器 将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号 信号处理环节 将传感器输出信号进行处理和变换 显示装置 将被测量信息变成人的感官能接受的形式 以完成监视 控制或分析的目的 1 3检测技术理论基础 2 开环测量系统与闭环测量系统1 开环测量系统开环测量系统全部信息变换只沿着一个方向进行 如图1 2所示 y k1k2k3x 1 7 图1 2开环测量系统框图 1 3检测技术理论基础 2 闭环测量系统闭环测量系统有两个通道 一为正向通道 一为反馈通道 其结构如图1 3所示 图1 3闭环测量系统框图 系统的输入输出关系为 1 8 1 3检测技术理论基础 二 测量误差及其处理方法 1 研究误差的意义 2 误差来源 在测量过程中 误差产生的原因可归纳为以下几个方面 1 测量装置误2 环境误差3 方法误差4 人员误差 1 3检测技术理论基础 3 测量误差的定义及表示方法 误差 就是测得值与被测量的真值之间的差 误差 测量值 真值 1 3检测技术理论基础 1 3检测技术理论基础 测量误差的表示方法 绝对误差 相对误差及引用误差来表示 1 绝对误差绝对误差可用下式定义 x L式中 绝对误差 x 测量值 L 真值 绝对误差是有正 负并有量纲的 修正值 是指为消除系统误差用代数法加到测量结果上的值 即 真值 测得值 修正值由此得修正值 真值 测得值可见 修正值与误差值的大小相等而符号相反 1 3检测技术理论基础 2 相对误差 绝对误差与被测量的真值之比值的百分数称为相对误差 即 相对误差也可能为正值或负值 是无量纲数 通常是以百分数 来表示 1 3检测技术理论基础 3 引用误差 1 3检测技术理论基础 是相对于仪表满量程的一种误差 又称满量程相对误差 一般也用百分数表示 即 式中 引用误差 绝对误差 仪表精度等级是根据最大引用误差来确定的 1 16 最大引用误差 在规定的条件下 当被测量平稳增加或减小时 在仪表全量程内所测得各示值的绝对误差 取绝对值 的最大值与满量程的比值之百分数 称为仪表的最大引用误差 它能很好表明仪表的测量精确度 故是仪表最主要的质量指标 1 3检测技术理论基础 1 3检测技术理论基础 4 测量误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律及产生的原因可将其分为系统误差 随机误差和粗大误差 1 测量不确定度的定义及与测量误差的比较 1 测量不确定度的概念 表征合理地赋予被测量值的分散性 与测量结果相联系的参数称为测量不确定度 1 5测量不确定度的评定与表示方法 测量不确定度的评定与表示方法 2 测量不确定度的表示方式 不确定度又可分为标准不确定度u 合成不确定度uc和扩展不确定度U和UP 3 测量误差与测量不确定度的差别 1 5测量不确定度的评定与表示方法 1 6仪表的组成与分类 1 仪表的组成 传感器 变换器 显示部分 传输通道四个基本功能环节组成 2 分类 按不同的依据 可把热工仪表作不同的分类 常见的分类方法有 1 按参数种类不同 过程测量仪表可分为温度 压力 流量 物位 成分析及机械量等测量仪表 2 按显示功能的不同 可分为指示仪表 记录仪表 积算仪表及信号式仪表等 3 按仪表组成系统的方式不同 可分为直接变换式和平衡式两种仪表 1 6仪表的组成与分类 1 仪表的质量指标 1 仪表的测量范围 上 下限及量程 在保证规定精确度的前提下 仪表所能测量的被测量的区域称为仪表的测量范围 在上述相同条件下 仪表所能测量的最高 最低值分别称为仪表测量的上限和下限 量程是指测量范围上限与下限的代数差 1 7仪表的质量指标 1 7仪表的质量指标 2 仪表的误差与精确度等级 示值误差 是指仪表的某一个测量值 示值 的误差 它反映在该点仪表示值的准确性 三种形式表示 示值的绝对误差 示值的相对误差 示值的引用 折合 误差 仪表的基本误差与精确度等级在规定的正常工作条件下 仪表整个刻度范围内各点示值误差中绝对值最大的误差的绝对值称为仪表的基本误差 一般可用绝对误差和引用误差两种形式表示 仪表的基本误差不超过某个规定的数值 此数值就被称为仪表的允许误差 允许误差是一种极限误差 在仪表刻度范围内各点的示值误差均应小于至多等于允许误差值 测量精确度 是指测量结果与被测量的真值之间的一致程度 以引用误差形式表示的允许误差去掉百分号剩下的数值就称为仪表的精确度等级 俗称精度等级 允许误差 精确度等级是仪表的重要质量指标 1 7仪表的质量指标 3 测量仪表的滞环 死区和回差 变差 仪表的实际上升曲线和下降曲线并不重合 而形成环状 称为滞环 由于测量仪表内部传动机构的间隙和摩擦阻力 或放大器有一定的灵敏限值 在输入量较小时 输出量并不发生变化或变化很小 这一段称为特性曲线的不灵敏区或死区 上升曲线和下降曲线在同一输入量下最大的差值称为回差或变差 如图1 6所示 1 7仪表的质量指标 1 7仪表的质量指标 变差的大小 取在同一被测参数值下 正 反特性间仪表指示值的最大绝对误差与仪表的标尺范围之比的百分数 1 7仪表的质量指标 通常规定仪表的变差不超过仪表精确度等级所允许的误差 1 7仪表的质量指标 4 仪表的灵敏度与灵敏限 分辨率 灵敏度 是表征测量仪表对被测参数变化的灵敏程度 是指仪表在稳态下输出变化量对输入变化量的比值 用S来表 式中 S 仪表的灵敏度 x 被测参数的变化量 仪表指针的直线位移或转角位移 通常规定仪表标尺上的最小分格值不能小于仪表允许误差的绝对值 仪表的灵敏限 又称始动灵敏度 指引起仪表示值发生变化的被测量的最小变化量 通常仪表的灵敏限数值应小于仪表允许误差的一半 1 7仪表的质量指标 5 仪表的非线性误差 理论上具有线性输入 输出特性曲线的仪表 由于各种因素的影响 其实际特性曲线偏离理论的特性曲线 它们之间的最大偏差对量程范围的百分数称为非线性误差 6 仪表的重复性 同一工作条件 按同一方向输入信号 并在全量程范围内多次变化信号时 对应于同一输入值 仪表输出值的一致性称为重复性 它是以全量程上最大的不一致值相对于量程范围的百分数来表示的 7 仪表的不灵敏区 不能引起输出变化的输入信号范围 即缓慢地向增大或减小方向改变输入信号时 输出不发生变化的最大输入变化幅度相对于量程的百分数 称为不灵敏区 8 仪表的漂移 在保持一定的输入信号 环境和工作条件 经过一段时间后 输出的变化称为漂移 1 7仪表的质量指标 1 7仪表的质量指标 9 测量仪表的可靠性 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的能力 可靠性指标需要量化 下面先对几个专用名词进行定义 平均无故障时间 MTBF 它表示相邻两次故障间隔时间的平均值 它的倒数即故障率 平均修复时间 MTTR 它表示每次故障后修复时间的平均值 1 7仪表的质量指标 有效度AA的定义为 有效度A表示了工作时间在整个时间中所占的份额 当然A值越大则可靠性越高 1 7仪表的质量指标 10 仪表的零点迁移和量程迁移 仪表的输入 输出特性曲线 如图1 7所示 1 7仪表的质量指标 输出 输入 2 仪表的检定 为评定仪表的计量性能 精确度 灵敏度等 并确定其性能是否合格所进行的全部工作称为检定 又称校验 仪表的检定方法可归纳成示值比较法和标准物质法两种 1 7仪表的质量指标 1 标准物质检定法 标准物质是指能提供某一种参数的标准量值的物质 用被检定仪表去测标准物质提供的标准量以确定其性能的方法就称为标准物质检定法 1 7仪表的质量指标 2 示值比较检定法 这种方法是用标准表对被检定仪表进行检定 被检表和标准表同时测同一被测量 把标准表的示值当成真值 约定真值 比较二者的示值以确定被检仪表有关性能指标 这就是示值比较检定法 为保证检定工作的质量 一是要求标准表的精确度要足够高 一般要求其允许误差应小于 1 3 1 10 被检表的允许误差 二是在检定时 应严格保证标准表与被检表测量的是同一参数值 1 7仪表的质量指标 1 用一只标准压力表检定甲 乙两只压力表时 读得标准表的指示值为100kPa 甲 乙两表的读数各为101 0kPa和99 5kPa 求它们的绝对误差和修正值 62 计算举例分析 解 甲表的绝对误差 x1 x x0 101 0 100 1 0kPa乙表的绝对误差 x2 99 5 100 0 5kPa对仪表读数的修正值 甲表C1 x1 1 0kPa乙表C2 x2 0 5kPa 计算举例分析 2 某压力表刻度0 100kPa 在50kPa处计量检定值为49 5kPa 求在50kPa处仪表示值的绝对误差 示值相对误差和示值引用误差 解 仪表示值绝对误差 50 49 5 0 5kPa仪表示值相对误差 0 5 50 100 1 仪表示值引用误差 0 5 100 100 0 5 计算举例分析 计算举例分析 3 一台精度为0 5级的电桥 下限刻度值为负值 为全量程的25 该表允许绝对误差是1 试求该表刻度的上下限 解 量程为1 0 005 200 下限值为 200 25 50 该表刻度上下限为 50 150 1 有一个变化范围为320 360kPa的压力 若用下列A B两台压力变送器进行测量 那么在正常情况下哪一台的测量准确度高些 压力变送器A 1级 0 600kPa 压力变送器B 1级 250 500kPa 2 某台差压计的最大差压为1600mmH2O 精度等级为1级 试问该表最大允许的误差是多少 若校验点为800mmH2O 那么该点差压允许变化的范围是多少 3 有一块精度为2 5级 测量范围为0 100kPa的压力表 它的最小分度可为多少 最多可分多少格 4 在校验1级压力变送器时 手头只有一块0 600kPa 0 35级标准压力表 试问把它当作标准输出表来用行不行 有一个变化范围为320 360kPa的压力 若用下列A B两台压力变送器进行测量 那么在正常情况下哪一台的测量准确度高些 压力变送器A 1级 0 600kPa 压力变送器B 1 5级 250 500kPa 解 用变送器A时 测量结果的