仪器仪表的功能在于用物理

1、1 绪 论1.1 序言仪器仪表的功能：在于用物理、化学和生物的方法，获取被测对象的组份、状态、运动和变化的信息，通过信息的转换和处理，使其成为易于人们阅读、识别和表达（信息显示、转换和运用）的量化形式或进一步信号化进入其他自动化系统。1.1.1 检测技术与仪表的重要性1） 仪表是人们认识世界的工具，机器是人们改造世界的工具，认识世界是改造世界的前提王大珩（两院院士、“两弹一星”元勋，“863计划”倡导者之一）；2） 器仪表是信息产业（IT），是现代信息链的源头技术（信息的获取、处理、传输和应用）。钱学森院士：“新技术革命的关键是信息技术，信息技术是由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成，测

2、量技术则是关键和基础”；3） 测量蕴含在人类生产生活的各个方面，长短、快慢、轻重、冷热、亮暗、浓淡仪器仪表工业是国民经济的“倍增器”，是科学研究的“催化剂”，是军事上的“战斗力”。4） 现代仪器仪表是集光、机、电为一体，综合物理、化学、生物、材料、计算机等多学科发展的高新技术领域；5） 测量与科学技术的发展相互制约、相互促进。1.1.2 开设本课程的意义 1）自动化专业的主要专业内容之一：为运行人员提供操作依据为自动化装置提供准确及时的测量信号为宏观技术管理、经济管理提供参考依据检测技术及仪表自控理论及装置计算机软、硬件，网络技术等利用仪表装置完成控制策略，实现对生产过程的干预，使其按照预定的

3、要求运行。达到安全、经济、高效（自控原理、控制系统、模糊、神经元）实现智能功能的工具和手段（计算机原理、计算机控制系统、单片机、网络、DCS、PLC）感知并以可观测的方式表达被测参数（检测技术及仪表、现代测试技术、）图1 自动化专业主要内容及课程体系自动化就是用广义的机器来部分代替、完全取代或超越人的体力活动和智力活动。自动化专业学生在专业阶段将要学习的主要内容及工作方向如图1所示：2） 保证生产过程安全、经济运行及实现自动化的前提条件和必要条件3） 改善劳动条件、提高劳动效率和设备可靠性的重要依据4） 创业、就业的重要方向：研究开发-制造生产-代理销售-成套设计-运行维护；1.1.3主要内容

4、1） 测量、误差、测量仪表的基本概念；2） 过程工业主要测量参数的测量原理、测量仪表；3） 调节器、执行器等自动化装置介绍；4） 检测领域新技术介绍。1.1.4 特点及学习方法1）本课程以工程测量为背景研究和解决测量原理及测量仪表问题（区别于实验室精密测量仪器和计量）；2） 测量参数划分章节，各章之间相对独立，联系较少；3） 容涉及学科多，是各学科内容的综合，讲授的只能为典型知识，不可能面面俱到，因此，纯理论知识不深，着重强调知识的应用性；4） 学习时，应掌握课程特点，善于理解、掌握实质、记忆与推理结合，及时预习，带着问题听课，有疑难及时与教师沟通。5） 强化基本概念、理论、方法的掌握，避免“

5、压题”、“突击”、“参考往届试题”等投机式学习。1.2 典型仪表控制系统举例1）重点掌握控制系统中的共性部件：测量（传感）+变送+调节+执行+对象2）了解个部件在不同控制系统中的具体体现形式，哪些部件发生了变化，那些没变。1.3 基础知识和基本概念1.3.1 测量的基本概念1）测量的定义：用实验的方法，把被测量与所选定的测量单位进行比较，求其比值以获得被测量数值的过程。2）三要素：l 测量单位：必须预先确定；（计量学科的主要内容） l 测量工具：单位的实物复现形式；l 测量方法：进行比较的实验；3）测量的基本方程式： （1-1）其中：X为被测量； 为比值；x为测量单位；为测量误差。常被称为仪表

6、读数、指示值、示值等<例> 测量书桌的长度。长度单位：米测量工具：米尺测量方法：尺与桌面比较，获得结果误差：尺子本身制造、测量过程、环境条件、读数习惯5） 测量的分类：l 对精度要求的不同：一般测量：对测量结果无需给出误差值或估计侧得值的可信度。（生活测量）；工业测量：对测量结果只需考虑误差的最大可能性。（技术测量）实验室测量：对取得的测量结果要估计器误差，并评定其不确定度（精密测量）。l 测量方法的不同：直接测量：单位与被测量直接比较即可获得比值。间接测量：通过测量值的函数运算后才能获得被测量。（如电阻率）。接触测量：测量工具直接接触被测对象，感受其变化后得出测量结果。非接触测量

7、：测量工具无需直接接触被测对象，就能感受其变化得出测量结果。能量变换型：将被测参数的能量转换成另一种易测量的能量类型。（电、光等）能量控制型：被测参数的变化使其它参数发生变化，从而控制外部能量。偏位法测量：被测参数使测量装置的参数产生偏差，以此进行刻度；（开环）平衡法测量：上述偏差用已知参数进行平衡，偏差为零时由已知量刻度被测量；微差法测量：综合上两种方法的优点。l 被测参数时变状态不同：静态测量：被测量在测量过程中无需考虑时间因素。动态测量：测量过程中，被测量处于时变状态中。l 测量条件的不同：等精度测量：在相同条件下进行测量，数据无论偏差大小，具有相同的可信度不等精度测量：在不同的条件下测

8、量的数据。1.4 测量的误差与测量不确定度1.4.1 测量误差1）绝对误差定义：测量结果减被测量真实值所得的偏差称为测量的真误差，简称误差。公式：2）相对误差定义：绝对误差除以被测量的真值的百分数。公式：3）真实值（真值）：与给定的特定量定义一致的值。严格讲用测量的方法无法获得。4）常用真值：l 理论真值（理论值、定义值）：根据一定的理论，在严格的条件下按定义确定的真值。l 约定真值（相对真值、代替真值、指定值）：国际计量大会认定，得到大家公认的各种基准、标准或相当于标准的指示值。l 最佳估计值：常数委员会给出的物理常量与常数，如真空中光速等。l 传递值（参考值、实际值）：由计量网传递下来的标

9、准仪器、标准量器和标准物质所给出的值。5）误差产生的原因：（测量仪表精度 ¹ 测量精度）l 原理误差：测量原理及测量方法本身先天存在的误差。如：对被测对象的有关知识认识不足，为考虑到一些因素造成 客观条件限制，只能近似测量 测量原理本身的近似性 测量设备干扰被测对象 运算中常数近似、有效数字取舍 动态参数只能用静态方法等l 装置误差：使用的测试设备本身固有的误差l 环境误差：环境因素对测量工作的影响（温度、湿度、大气压、电场、磁场、振动）l 人员误差：测量人员的操作过程引入的误差。（感官、习惯、技术水平、反应滞后、粗心、误读、），特异功能6）误差的种类：l 系统误差：测量误差的大小、

10、方向都是恒定或有规律变化误差。有规律，可预知，可补偿（因机理复杂，只能减小误差但不能完全消除误差）l 随机误差：测量误差的大小、方向都是随机变化的误差。不可预知、不能控制，多次测量符合统计规律。l 疏忽误差：明显歪曲测量结果的误差。仪器故障、人员疏忽、重大干扰等。多数情况属于坏值，可根据一定的规则加以剔除。1.4.2 测量的不确定度1999年5月1日起，国内正式实施国家计量技术规范JJF1059-1999测量不确定度评定与表示代替旧规范JJF1027-1991测量误差及数据处理中的有关误差部分内容，与国际惯例接轨。1） 测量不确定度含义：表示测量结果正确与否的可疑程度，是给定条件下测量结果的分

11、散性描述，表明了随机效应和系统效应对测量结果所造成影响的大小。2） 不确定度与误差的区别：P15 表1.1（其它内容略）1.5 仪表的组成及其性能指标1.5.1 仪表的基本组成：1）传感器（敏感元件、一次元件、感受件、测量元件、发送器等）：与被测对相直接联系，感受被测量的变化，并发出一个与被测量相对应的可观测信号作为输出。如：波纹管侧压力。对传感器的要求：l 单值性：输出与被测量单值关系，最好是线性关系；l 复现性：在不同的测量条件下测量值应在一定的准确度内一致；l 选择性：传感器输出只对被测量变化敏感，否则将产生误差；l 超然性：对被测量的干扰尽可能小；l 灵敏性：输出信号尽可能大；l 稳定

12、性：在规定的工作条件下保持其恒定的计量性能（物理、化学性质稳定）；l 经济性：价格可被接受。2） 变换器：对传感器的输出信号进行某种形式的加工处理。如放大、变换信号性质、信号线性化等，以便于远传、显示或信号统一。变送器：凡输出标准信号的变换器就称之为变送器（4-20mA、0-10mA、20-100kP、标准协议的数字信号等）要求：信号处理后无失真。3）显示装置（二次仪表）：向观测者显示出被测量的数值（就地或远传显示）。要求：便于读数（模拟式、数字式、屏幕式）。1.5.2 仪表的性能指标：1）用户关心的内容l 计量性能l 可靠性（抗干扰能力、防护能力）l 防爆性能l 能耗l 使用方便性l 价格2

13、）用户的选表原则满足计量指标、使用安全可靠、维护量小、投资少；反对盲目追求高、精、尖。3）仪表的主要质量指标（计量性能）l 测量范围及量程：在允许的误差范围内，仪表所能给出的被测量值的集合测量范围；测量范围的最高值和最低值测量上限、测量下限；测量上限与测量下限代数差的模仪表的量程。l 仪表的输入输出特性：仪表的输入信号作为横坐标输出信号作为纵坐标画出的曲线输入/输出特性；零点迁移：通过仪表的调零机构，使特性曲线平移的过程（量程保持不变）；量程调整：通过仪表的调量程机构，使特性曲线斜率发生变化的过程。见P9 图1.6l 仪表的滞环和回差：滞环：仪表的实际上升曲线与下降曲线不重合时，形成的环状输入

14、/输出特性；（弹性元件的变形、磁滞效应等引起，同一输入量对应两个输出量）回差（变差）：上升曲线和下降曲线在同一输入量下最大的差值。l 灵敏度：S：仪表输出相应的变化与输入激励的变化,在x处的比值。说明：灵敏度就是仪表输入/输出特性曲线的斜率，仅当特性曲线为线性时，灵敏度为常数，且若不能保证线性特性，上式称为平均灵敏度。l 分辨率（灵敏限）：使测量仪表产生可察觉响应变化的最小激励变化值。l 死区（不灵敏区）：使测量仪表产生可察觉响应时的最小激励值（下限处）。l 仪表的引用误差：用测量仪表的量程代替真值所得到的相对误差。l 仪表的基本误差：在规定的技术条件下，在仪表的量程范围内，各点出现的示值误差

15、绝对值最大者（可用绝对、相对、引用误差来表示）。l 仪表的允许误差：在规定的条件下，允许仪表具有的误差最大值。l 仪表的精度等级：用引用误差表示的仪表允许误差（即仪表的最大引用误差）去掉%后的数字经过圆整后的数值。（系列值见P8）l 仪表合格的标准：仪表的基本误差仪表的允许误差<例>有一块温度表，测量范围为0200 0C，1.0级精度，经校验结果如下：0501001502000C0+2-3+1-40C问：此表基本误差是多少？是否合格？解：仪表的基本误差由定义：-4/200= -2% 允许误差由精度等级定义为：±1 % 故不合格。（也可计算出允许误差的绝对误差表示：

16、7;1 %´200= ±2 0C，实际-4 0C可见，不合格。）1.6 仪表的防爆问题1.6.1 基本概念 易燃易爆环境下对电动仪表使用提出的要求。（指仪表本身能否影响环境） 该技术首先在煤矿受到重视，国内外相继制定了有关标准。如国内GB3836.1爆炸环境用防爆电气设备通用要求其中包括自动化仪表；GB50058-92爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范等。1）防爆途径 隔离电路与环境结构防爆（隔爆仪表） 限制电路能量本质安全防爆（安全火花防爆仪表）l 结构防爆的措施严密的外壳，符合规定的螺纹、高质量的密封垫、导线出口采用密封结构、壳内留有气体膨胀空间；向壳内输送洁净空气维持

17、内部正压，使环境易燃易爆气体无法进入壳内；壳内充油，带走热量、熄灭火花、隔离；壳内填充石英砂，熄弧隔热l 本安防爆的措施电压<1.2V, 电流<0.1A且能量<20或功率<25mW经检验后可直接用于任何场所（如热电偶、热电阻、光敏电池等）配套仪表、导线要考虑限制能量；本安仪表¹本安系统（必要但不充分）。2）燃烧和爆炸机理l 燃烧 自燃：受热自燃（外界加热使温度达到自燃点）；本身自燃（内部化学反应、物理、生物发热等引起，如煤堆）闪燃 需要火源接触。点燃可见，仪表要注意自身的温升（变压器、元器件等）l 爆炸：物质在瞬间以机械功的形式释放出大量能量和气体的现象。 物

18、理性：锅炉爆炸、爆管 化学性：炸药 仪表引起的爆炸多为温度过高或出现火花引发的化学性爆炸。l 发生爆炸的条件：可燃气与空气混合物在一定浓度范围内才能遇火爆炸。浓度不同则程度不同。<例>CO与空气的比例如下：CO < 12.5 不燃不爆 12.5 轻度爆炸（爆炸下限） 12.5<CO< 30.0% 燃爆逐渐加强30.0 最强30.0<CO< 80.0 % 燃爆逐渐减弱 80.0 轻度燃爆（爆炸上限） > 80.0% 不燃不爆l 燃烧与爆炸的异同：相同点：都是可燃物的氧化反应；不同点：反应速度不同，发出功率不同。<例> 1Kg煤块完全燃烧

19、 约需10min, 1Kg煤粉和空气均匀混合之后发生爆炸仅需0.2s；发热量均为2931kJ左右；发出功率则分别为4780W和1471´105W发生火灾时，燃烧与爆炸往往相互转化（如油罐燃爆：顶部挥发物在爆炸极限内遇火爆炸，而其下层液态油将紧跟着燃烧，当挥发物浓度在到极限范围再次爆炸；当挥发物浓度>上限时，先燃烧，耗到一定程度再爆炸）。l 常见可燃物气体的爆炸极限（20°C, 101.3Pa）名称下限上限甲烷515乙烷3.2212.45丙烷2.739.5乙烯2.7528.6乙炔*2.580一氧化碳12.580氢气*474说明：表中乙炔和氢气在常温下爆炸的危险性最大，因

20、为在较宽浓度范围内都有可能爆炸；当温度升高时，混合物的下限降低，上限上升，危险变大；环境中的氧气浓度升高时。混合物的下限降低，上限上升，危险变大；环境中的惰性气体浓度升高时，混合物的下限上升，上限降低，危险变小；容器的直径对爆炸极限也有影响，直径小，火焰难于蔓延，不易爆（如甲烷 D<0.4mm ；氢气D<0.1mm可以保证安全）。l 易爆混合物的最低引爆能量（点燃能量）：名称能量（mJ）甲烷0.47乙烷0.285丙烷0.305乙烯0.096乙炔0.019氢气0.017 （易燃爆）氨*1000.0 （不易燃爆）说明：对工作在易爆气体中的仪表，无论正常或异常，都不能产生能量过大的火花安全火花。l 粉尘的爆炸性：引爆能量相对较高，但危害较大 铝粉、镁粉等金属粉末 煤粉、碳粉等燃料粉末 面粉、淀粉等粮食粉末 塑料、染料等合成物粉末 鱼粉、血粉等饲料粉末 棉花、烟草等纤维粉末 木屑、纸屑等林产品粉末1.6.2 防爆等级和标志1）危险场所的分类、易爆程度分级与引燃温度分组：l 类别 I 类：由甲烷气体的煤矿井下； II 类：有各种易燃易爆气体的工业生产场所； III类：有易燃易爆粉尘的场所。l 级别 A 级：难以引爆 B 级：中间状态 C 级：最易引爆l 分组 T1组：最难自燃 T2