第1章_自动检测技术基础.ppt

自动检测和过程控制(第4版)电子课件,上篇自动检测,自动检测技术主要介绍工业过程控制中温度、压力、流量、物位、成分、机械量等的检测原理、方法与检测仪表。内容如下：,检测技术基础,流量测量与仪表,物位检测仪表,成分分析仪表,温度检测与仪表,压力检测与仪表,机械量测量与仪表,显示仪表,新型检测技术与仪表,第一章自动检测技术基础,本章介绍自动检测技术、仪表的基本概念与有关测量误差及处理的基本原理与方法。第一节自动检测的基本概念第二节测量误差及处理方法第三节测量不确定度,第一节自动检测的基本概念,一、检测检测即测量，是为准确获取表征被测对象特征的某些参数的定量信息，利用专门的技术工具，运用适当的实验方法，将被测量与同种性质的标准量(即单位量)进行比较，确定被测量对标准量的倍数，找到被测量数值大小的过程。,二、检测的基本方法,检测方法是实现检测过程所采用的具体方法。根据检测仪表与被测对象的特点，检测方法主要有以下几种：(1)接触式与非接触式;(2)直接、间接与组合测量；(3)偏差式、零位式与微差式测量。还有其他的分类(如根据物理量、检测原理)。,三、检测仪表的组成,检测仪表是实现检测过程的物质手段，是测量方法的具体化，它将被测量经过一次或多次的信号或能量形式的转换，再由仪表指针、数字或图像等显示出量值，从而实现被测量的检测。,电量/数字量,电量,物理量,检测仪表的组成框图,被测对象,传感器,变送器,显示、记录装置,(一)传感器,传感器也称敏感元件，一次元件，其作用是感受被测量的变化并产生一个与被测量呈某种函数关系的输出信号。传感器分类：根据被测量性质分为机械量传感器、热工量传感器、化学量传感器及生物量传感器等；根据输出量性质分为无源电参量型传感器(如电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等)与发电型传感器(如热电偶传感器、光电传感器、压电传感器等)。,(二)变送器,其作用是将敏感元件输出信号变换成既保存原始信号全部信息又更易于处理、传输及测量的变量，因此要求变换器能准确稳定的实现信号的传输、放大和转化。,(三)显示(记录)仪表,也称二次仪表，其将测量信息转变成人感官所能接受的形式，是实现人机对话的主要环节。显示仪表可实现瞬时或累积量显示，越限和极限报警，测量信息记录，数据自动处理，甚至参量调节功能。一般有模拟显示、数字显示与屏幕显示三种形式。,四、检测仪表的分类,按被测参数性质分：过程参数(温度、压力、流量、物位、成份)、电气参数(电能、电流、电压等)与机械量(位移、速度、振动等)；按使用性质分类：实用型、范型和标准型；其他分类方式：工作原理不同，分为模拟式、数字式和图像式等；按仪表功能的不同，可分为指示仪、记录仪、积算仪等；按仪表系统的组成方式的不同，分为基地式仪表和单元组合式仪表；按仪表结构的不同，分为开环式仪表与闭环式(反馈式)仪表。,五、检测仪表的主要性能指标,静态性能指标:不必考虑仪表输入量与输出量之间的动态关系而只需考虑静态关系，联系输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。动态性能指标:是测量仪表在动态工作过程中所呈现出的特性，其反映测量仪表对随时间变化的被测量所响应的性能，通常采用时域特性与频域特性等来表征。以下仅介绍静态性能指标。,(一)测量范围与量程,测量范围:指在正常工作条件下，检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围，测量范围用下限值ymin至上限值ymax来表示，即yminymax。测量量程:为测量范围上限与下限的代数差，即yFS=ymax-ymin,(二)准确度,定义：准确度也称精确度，是指测量结果与实际值相一致的程度，是测量的一个基本特征。,max仪表所允许的误差界限，即允许误差；yFS仪表量程。,通常用准确度(精度)等级来表示仪表的准确度，其值为准确度去掉“符号”及“%”后的数字再经过圆整取较大的约定值。,准确度等级(精度等级),国际法制计量组织(OIML)建议书No.34推荐，仪表的准确度等级采用以下数字：(1,1.5,1.6,2,2.5,3,4,5,6)10n,n=1,0,-1,-2,-3等上述数列中禁止在一个系列中同时选用1.510n和1.610n，310n也只有证明必要和合理时才采用。我国自动化仪表精度等级【GB/T13283-2008】有0.01、0.02、(0.03)、(0.05)、0.1、0.2、0.25、(0.3)、(0.4)、0.5、1.0、1.5、(2.0)、2.5、4.0、5.0等级别(括号内的精确度等级不推荐采用)。一般科学实验用的仪表精度等级在0.05级以上；工业检测用仪表多在0.15.0级，其中校验用的标准表多为0.1或0.2级，现场用多为0.55.0级。,例1：某压力表的量程为10MPa，测量值的允许误差为0.03MPa，则仪表的准确度等级为？解：0.03/10100%=0.3%因为我国的自动化仪表精度等级中不推荐采用0.3级仪表，所以仪表的准确度等级应为0.5级。,(三)线性度仪表实测输入输出特性曲线与理想线性输入输出特性曲线的偏离程度(如图)。用实际输入输出特性曲线与理想输入输出特性曲线间最大偏差值m与量程yFS之比百分数来表示，如图。,仪表线性度示意图1-实测曲线;2-理想曲线,(四)变差,变差也称回差或迟滞误差，在外界条件不变的前提下，使用同一仪表对某一参数进行正反行程(即逐渐由小到大和逐渐由大到小)测量，两示值之差为变差，变差反映仪表检验时所得的上升曲线与下降曲线经常出现不重合的现象。原因：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。,(五)重复性,重复性指在测量装置在同一工作环境，被测对象参量不变的条件下，输入量按同一方向做多次（三次以上）全量程变化时，输入输出特性曲线的一致程度。用输入输出特性曲线间最大偏差值R与量程yFS之比百分数来表示，如图。,X,yFS,x,y,DR,0,(六)分辨力,分辨力是指仪器能检出和显示被测信号的最小变化量，是有量纲的数。分辨率是指仪器分辨力除以仪表的量程。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。而最大示值的倒数为数字表的分辨率。例如，3位表的最大示值为1999，则分辨率为：1/19991/2000=0.0005=0.05%即万分之五。,第二节测量误差及处理方法,在测量过程中，由于测量方法的差异性，测量工具准确性，观测者的主观性、外界条件的变化及某些偶然因素等的影响，使得被测量的测量结果与客观真值之间总存在一定的差值，这种差值称为测量误差。,一、测量误差,(一)测量误差的表示方法1、绝对误差被测量的测量值(xi)与真值(x0)之差。即=xi-x0,真值x0是指被测量的客观真实值，有以下几种取法：,理论真值：,理论上存在、计算推导出来，如三角形内角和180。,约定真值：,国际上公认的最高基准值。如：基准米,定义米是1299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。,相对真值：,利用高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真值,标准仪器的测量标准差1.3302)，剔除。重新计算剩余15个数据的平均值、残差、标准差，并判断有无坏值：显然剩余15个数中已无坏值。,检查测量数据中是否含有系统误差【以下用贝塞尔公式与佩捷斯公式求得s1、s2之值比较来判断。也可对vi作图，判断有无系统误差】。,求算术平均值的标准偏差：得出最终表达式，即：,第三节测量不确定度,一、基本概念测量不确定度是评定测量结果质量的一个重要指标，是误差理论发展和完善的产物，是建立在概率论和统计学基础上的新概念，在检测技术中具有十分重要的地位。(一)定义测量不确定度(Uncertaintyofmeasurement)是表征合理地赋予被测量值的分散性并与测量结果相联系的参数。,(二)测量误差与测量不确定度的区别,测量误差和测量不确定度是误差理论中的两个重要且不同的概念，它们都可用作测量结果准确度评定的参数，是评价测量结果质量高低的重要指标：(1)误差是不确定度的基础，研究不确定度首先需要研究误差，只有对误差的性质、分布规律、相互联系及对测量结果的误差传递关系等有了充分的了解和认识，才能更好地估计各不确定度分量，正确得到测量结果的不确定度，用测量不确定度表示测量结果，易于理解、便于评定，具有合理性和实用性。(2)测量不确定度的内容不能包罗更不能取代误差理论的所有内容，不确定度是现代误差理论的内容之一，是对经典误差理论的一个补充。,二、测量不确定度的分类与表达,不确定度按照其评定方法的不同，可以分为A类评定(typeAevaluationofuncertainty)和B类评定(typeBevaluationofuncertainty)。A类评定是指对样本观测值用统计分析的方法进行不确定度评定，用标准偏差来表征。而B类评定则是指用不同于统计分析的其他方法进行不确定度评定的方法，据经验或资料及假设的概率分布估计的标准偏差表征。实际使用时，根据表示方式的不同，不确定度常常用到三种不同的术语：标准不确定度、合成不确定度和扩展不确定度。,标准不确定度、合成不确定度和扩展不确定度,(1)以标准偏差表示的不确定度就称为标准不确定度，用u表示。测量结果通常由多个测量数据子样组成，对表示各个测量数据子样不确定度的偏差，称为标准不确定度分量，常加小脚标进行表示，如u1,u2,un等。(2)由各不确定分量合成的标准不确定度，称为合成标准不确定度，当间接测量时，即测量结果是由若干其他量求得时，测量结果的标准不确定度等于各其他量的方差和(或)协方差加权和的正平方根，用符号uc表示。(3)考虑到被测量的重要性、效益和风险，在确定结果的分布区间时，合理的地将不确定度扩展k倍，从而得到扩展不确定度，用U或Up表示。在合成标准不确定度uc(y)确定之后，乘以一个包含因子k，即扩展不确定度U=kuc(y)，其中k为包含因子(置信系数)，一般取23，取3时应说明来源。,三、标准不确定度的评定,(一)标准不确定度的A类评定A类标准不确定度的评定通常采用标准偏差及自由度来表征，必要时要给出估计协方差：(1)若测量值的个数为n，被测量的个数为t，则自由度v=n-r；若另有r个约束条件，则v=n-r-t。(2)在同一条件下对被测参量x进行n次等精度测量，测量值为xi(i=1，2，n)，则测量结果的标准不确定度UA为(算术平均值标准差)：,(二)标准不确定度的B类评定,1、B类评定的信息源B类评定方法获得的不确定度不依赖于对样本数据的统计，而是设法利用与被测量有关的其他先验信息来进行估计。可以作为B类评定的信息来源有许多，常用的有以下几种：(1)过去的测量数据；(2)校准证书、检定证书、测试报告及其他证书文件；(3)生产厂家的技术说明书；(4)引用的手册、技术文件、研究论文和实验报告中给出的参考数据及不确定度值等；(5)测量仪器的特性和其他相关资料等；(6)测量者的经验与知识；(7)假设的概率分布及其数字特征。,2、B类标准不确定度的评定方法,(1)若由先验信息给出测量结果的概率分布及其“置信区间”和“置信水平”，则标准不确定度u(xi)为该置信区间半宽a与该置信水平p下的包含因子kp的比值，即u(xi)=a/kp；(2)若由先验信息给出的测量不确定度U为标准差的k倍时，则标准不确定度u(xi)为该测量不确定度U与倍数k的比值，即u(xi)=U/k；(3)若由先验信息给出测量结果的“置信区间”及其概率分布，则标准不确定度为该置信区间半宽b与该概率分布置信水平接近1的包含因子k1的比值，即u(xi)=b/k1。合理确定其测量分布及其在该分布置信水平下的包含因子是关键。具体可参见表1-1和表1-2。,表1-1正态分布置信水平p与包含因子kp,表1-2非正态分布置信水平p与包含因子kp,当无法确定分布类型时，GUM(GuidetotheExpressionofUncertaintyinMeasurement)建议采用均匀分布。,(三)标准不确定度合成,由各不确定分量合成的标准不确定度，称为合成标准不确定度，用符号uc表示:,式中ui第i个标准不确定度分量；ij第i和第j个标准不确定度分量之间的相关系数；m不确定度分量的个数。,标准不确定度传播公式(间接测量),对于间接测量的情形，标准不确定度可用如下公式(标准不确定度传播公式)计算：,函数F(Xl,X2,Xn)在(x1,x2,xn)处的偏导数，称为灵敏系数，在误差合成公式中称其为传播系数；其余同上。,(四)扩展不确定度的评定,扩展不确定度有两种不同的表示方法：(1)用合成标准不确定度uc乘以包含因子k，即U=kuc。(2)根据给定的置信概率或置信