《过程检测基础》PPT课件

第1章过程检测基础 本章内容 一 检测技术的基本概念二 检测仪表的基本概念三 检测仪表的基本性能指标四 检测的基本方法五 测量误差及其分类六 测量系统的基本特性 学习目标 一 理解 检测 与 测量 二 理解检测仪表的性能指标含义三 掌握检测仪表的基本组成四 掌握检测的基本方法五 掌握测量误差及其分类六 掌握测量系统的基本特性 第1节检测技术的基本概念 检测 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 第2节检测仪表的基本概念 一 检测仪表 用敏感元件将被测参数的信息转换成另一种形式的信息 通过信息的处理 传输 显示等形式被人们所认识 测量过程的两个阶段 信号转换 将被测信息转换为易于测量的信息 如机械位移 电压 电流等 定标将被测参数与单位信号比较 确定具体数值 传感器 仪表 二 检测系统 由若干个检测仪表或传感器组成实现一个完整的或多个参数的测量例 电参数测量仪 电压 电流 功率 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 三 一些重要术语 检测与测量的关系 测量确定被测对象量值 检测可能是确定量值 也可以是判定被测参数的 有 或 无 也可以是一种预报 故障分析 被测参数与待测参数的关系 直接测量中 被测参数待测参数 间接测量中 被测参数待测参数 就是 一般不是 检测仪表的分类 温度检测仪表压力检测仪表流量检测仪表物位检测仪表 连续式检测仪表开关式检测仪表 机械式仪表电式仪表气式仪表光式仪表 就地显示仪表远传式仪表 模拟式仪表数字式仪表 普通型隔爆型本安型 民用工业用军事用 传递函数 相对误差 传递函数 相对误差 开环 闭环 环节越多 误差越大 精心制作反馈通道可获得较高的准确度和灵敏度 检测元件 闭环仪表无法克服或减小检测元件的任何误差 反馈通道的相对误差 测量范围和量程输入 输出特性稳定性重复性与再现性可靠性误差准确度与准确度等级动态响应特性 第3节检测仪表的基本性能指标 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 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 回差 变差 滞环 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 输入值 输出值 理论 实际 线性度 输入 输出特性曲线对相应直线的偏离程度 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 主要指标 保险期 仪表使用后能有效完成任务的期限 有效性 仪表在规定时间内能正常工作的概率 狭义可靠性 结构可靠性 工作时不出故障的概率 性能可靠性 满足原定要求的概率 可靠性 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 例题 故障率 2 1000h 100台表在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 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 1 0 632 T 响应时间 时间稳定性工作条件恒定时 输出在一段时间内随机变动量的大小 使用条件变化稳定性在规定的使用条件内 某个条件的变化对输出的影响 动态响应特性 T越短 动态响应特性越好 稳定性 一 按测量手续分类 1 直接测量 2 间接测量 用标定的仪器 仪表进行测量 从而直接测得到测量的数值 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 第4节检测的基本方法 3 组合测量 如果有多个被测量 而且被测量又与某些可以通过直接和间接测量方法测量结果存在一定的函数关系 则可先测这几个量 再求解函数关系组成的联立方程组 从而求得多个被测量的数值 显然这种方法是一种监用直接测量和间接测量的方式 以上三种测量方法中 直接测量快捷简便 间接测量和组合测量相对复杂 间接测量和组合测量多用于科学实验和一些特殊的场合 二 按测量方式分类 1 偏差式测量 直接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 这种测量方法过程比较简单 迅速 因此广泛应用于工程测量 2 零位式测量 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 零位式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 不足 3 微差式测量 偏差式测量法和零位式测量法相结合 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 时域测量主要测量被测量随时间的变化规律 例 使用示波器观察脉冲信号的上升沿 下降沿以及动态电路的暂态过程等 三 按被测量的性质的分类 1 时域测量也称为瞬时测量 2 频域测量也称为稳态测量 主要目的是获得被测量与频率之间的关系 如频谱分析仪分析信号的频谱 测量放大器的幅频特性 相频特性等 主要是对各类噪声信号进行动态测量和统计分析 3 随机测量 也称为统计测量 按对测量精度的要求可分为精密测量和工程测量 按测量时测量者对测量过程的干预程度可分为自动测量和非自动测量 按被测量与测量结果获取地点的关系可以分为本地测量和远地测量 遥测 除上述几种常见的分类方法还有其他一些分类方法 按被测量的属性可以分为电量测量和非电量的测量 四 测量方法的选择原则 从被测量本身的特点来考虑 例如按照被测量的性质可以分为时域测量 频域测量 数据域测量和随机测量 被测量的性质不同 采用的测量仪器和测量方法当然也不同 从测量所得到的精确度和灵敏度来考虑 工程测量和精密测量对这两者的要求有所不同 要注意选仪器 仪表的准确等级 还要选择测量误差满足要求的测量技术 考虑测量环境是否符合测量辆设备和测量技术的状况要求 尽量减少仪器 仪表对被测电路状态的影响 测量方法简单可靠 测量原理科学 尽量减少原理型的误差 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 真值 A0 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 3 指定 约定 真值 A 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 第5节测量误差及其分类 上一级标准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 A 4 标称值 标称值指并不一定等于他的真值或实际值 5 示值 测量值 X 测量误差的分析 1 按表示方法分析 1 绝对误差 另一种表示方法 测量值 绝对误差 如1000 1 测量值 实际值 X X A 2 相对误差 用来说明测量精度的高低 A 实际相对误差 绝对误差与实际值的百分比 准确度等级S 就是满度相对误差划分了7的等级 B 示值相对误差 绝对误差与测量值 示值 的百分比 C 满度相对误差 量程内的最大绝对误差与测量仪器满度值的百分比 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 如0 5级 表示它的满度相对误差不超过0 5 即 m 0 5 或 m 0 5 对于线性刻度 为了减小示值相对误差 在进行量程选择时 应尽可能接近满度值 一般以示值不小于满度值的2 3为宜 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 3 允许误差 就是满度相对误差 引用误差 例3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 2 按误差出现的规律分析 1 系统误差 2 随机误差 3 粗大误差 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 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 由于人为的原因和环境干扰等原因使测量结果显著偏立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 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 如果一个侧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 它表现了测量结果的离散性 随机误差说小 精密度越高 3 按误差来源分析 1 工具误差 2 方法误差 由于测量工具本身不完善引起的误差 由于测量方法不完善 所依据的理论不严密以及对测量定义不明确等原因所产生的误差 也叫理论误差 4 按被测量随时间变化速度分析 1 静态误差 2 动态误差 在被测量随时间变化很缓慢和基本不变的过程中产生的误差 在被测量随时间变化很快的过程中所产生的误差 一般惯性 滞后等环节造成的 5 按使用条件分析 1 基本误差 2 附加误差 测量系统在规定的标准条件下使用时 所产生的误差 使用条件偏离规定的标准条件时 产生基本误差以外的误差 6 按误差与被测量分析 1 定值误差 2 累积误差 误差对被侧量来说是一个定值 不随测量的变化而变化 在同一量程内误差值与被测量成正比地变化 一般是 零点 偏差造成的 一般是 增益 偏差造成的 1 精确度 1 精密度 精密度说明测量系统输出值的分散性 精密度是随机误差大小的标志 精密度越高说明随机误差越小 2 准确度 准确度说明测量系统输出值与真值的偏差程度 3 精度 精度是精密度与准确度两者的总和 精度常以满度相对误差 m 来表示 准确度是系统误差 有规律的 确定的 大小的标志 准确度越高意味着系统误差越小 第6节测量系统的基本特性 2 稳定性 1 稳定度 在规定时间内测量条件不变的情况下 由于系统中随机性变动 周期性变