1 基础知识引论

自动检测技术及

仪表控制系统

AutomaticDetectionTechnologyandInstrumentcontrolSystem

1课程说明及课程要求：教材：张毅、张宝芬等编著《自动检测技术及仪表控制系统》化学工业出版社2005.3课程性质：该课程为专业课，考核方式是闭卷考试。学时分配：理论教学48学时，同时设置单列实验8学时。成绩评定：平时成绩15%，期末考试成绩85%。无故缺勤3次（包括3次）者或作业不完成超过三分之一者取消参加期末考试资格。2本课程的主要内容

本课程是关于过程参数检测和自动化仪表系统的基础理论和应用技术的知识。共分为三个部分：

1、基础知识引论

2、过程参数检测技术

3、仪表系统分析

3第一篇基础知识引论1.绪论

检测（Detection)是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研和生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。检测单元完成对各种过程参数的测量，并实现必要的数据处理；仪表单元则是实现各种控制作用的手段和条件，它将检测得到的数据进行运算处理，并通过相应的单元实现对被控变量的调节；测量（Measurement)是借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的实践过程。4本章主要内容典型的检测仪表控制系统及工业检测仪表控制系统的一般结构检测和仪表中常用的基本性能指标测量范围、上下限、量程；零点迁移和量程迁移；灵敏度和分辨率；误差；精确度；滞环、死区和回差检测仪表技术发展趋势51.1检测仪表控制系统

下面以天然气脱硫的过程为例，来了解一下典型检测仪表控制系统。在这个系统中需要控制的参数分别为压力、液位和流量，这将构成PC、LC、FC三个单参数调节系统。1.1.1典型的检测仪表控制系统6

其中PC的作用是实现对天然气压力的调节，对于实现压力调节的单参数控制子系统PC，结构框图如图1-2所示：压力参数检测，实现检测信号转换和传输实现被控量控制实现调节规律计算7同理，流量调节控制子系统FC的结构框图如图1-3所示：图1-3脱硫塔流量控制系统结构框图实现安全火花防爆检测流量并对检测信号进行转换和传输8

可见：在无特殊条件要求下，常规工业检测仪表控制系统的构成基本相同，而与具体采用的仪表类型无关。由此可见：无论是压力还是流量调节控制，都需要的基本单元：变送单元（transducingunit）：参数检测及信号转换和传输的单元；调节单元(regulatingunit)：实现调节控制规律的单元；执行单元(actuatingunit)：实现被控变量控制作用的单元；91.1.2检测仪表控制系统结构分析被控（被测）对象(measurant)：是控制系统的核心，它可以是单输入单输出对象，也可以是多输入多输出。检测单元(detectingunit)：是控制系统实现控制调节作用的基础，它完成对所有被测变量的直接或间接测量。变送单元(transducingunit)：完成对被测变量信号的转换和传输。调节单元(regulatingunit)：完成调节控制规律的运算。执行单元(actuatingunit)：是实现控制的执行机构，接收控制信号驱动执行机构调节被控变量。显示单元(displayunit)：是控制系统的附属单元。

闭环回路控制系统MeasurantDetectingunitTransducingunitDisplayunitRegulatingunitActuatingunitOperator101.2.1测量范围、上下限、量程测量范围(measuringrange)：是仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限(lowerrangelimit)和测量上限(upperrangelimit)；

测量范围表示法：下限值～上限值。仪表的量程：是测量上限与下限值的代数差，即：量程=测量上限值-测量下限值记为：1.2基本概念11例1：一个温度测量仪表的下限值是-50℃，上限值是150℃，则其测量范围可表示为-50～150℃，量程为200℃。由此可见，给出仪表的测量范围便知其上下限及量程，反之，如果只给出仪表的量程，却无法确定其上下限及测量范围。例2：某秤测量范围为：0～100公斤，则量程为100公斤，秤的上下限分别为：100公斤、0公斤。121.2.2零点迁移和量程迁移仪表的零点：指测量下限。仪表测量范围的另一种常用的表示方法：是给出仪表的零点和量程。零点迁移：通常将零点的变化称为零点迁移；量程迁移：量程的变化称为量程迁移。标尺特性曲线X-Y：

令被测量为x，输出仪表指针位置为y。则：横坐标X=(x/量程)×100%纵坐标Y=(y/标尺长度)×100%可见，标尺特性曲线一定过原点和(100%,100%)。13零点迁移(zerotransfer)：仪表零点变为-2mm，其量程不变，则其测量范围为-2~8mm。其标尺特性曲线由原线段1平移至线段2。量程迁移(rangetransfer)：仪表零点不变，量程改变，量程变大：变为15mm，则其测量范围为0~15mm。其标尺特性曲线移至线段3。量程变小：变为8mm，则其测量范围为0~8mm。其标尺特性曲线移至线段4。0100%100%XY120%2-20%80%367%125%4假设有一测位移仪表，其测量范围为0~10mm，则量程为10mm。其标尺特性曲线如图线段1。14结论：单纯零点的标尺特性曲线的斜率不变。单纯量程迁移的标尺特性的斜率有所变化，量程变大，斜率变大，超量程会损坏仪表（线段3）。量程变小，斜率变小，欠量程没有充分利用仪表的标尺显示（线段4）。零点迁移与量程迁移并存的情况较多，可扩大仪表的通用性。151.2.3灵敏度和分辨率灵敏度(sensitivity)：是仪表对被测参数变化的灵敏程度。表示方法为：仪表输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。在稳态条件下即:灵敏度的特点：可见量程迁移灵敏度的改变；零点迁移则灵敏度不变。灵敏度有量纲灵敏度具有可传递性仪表分辨率（resolution,称仪表灵敏限、灵敏阈）。它表示引起输出值变化的最小输入量变化值。当输入有微小变化时输出就有变化，则说明分辨率高。灵敏度高，则分辨率高。162.4误差(error)示值和约定真值、绝对误差和相对误差、引用误差、最大引用误差和允许误差、误差、静态误差与动态误差。示值和约定真值示值：仪表指示装置所显示的被测值称为示值。约定真值：实际中，常用精度等级比较高的仪表测出的，或用特定方法确定的约定真值代替被测量的真值。绝对误差和相对误差绝对误差：绝对误差=示值-约定真值。

相对误差：常用百分数表示，即相对误差越小，精度越高17例如：测量L1=10mm的尺寸，误差δ1=±8μmT2=80℃的温度,误差δ2=±0.005℃比较两次测量精度的高低。（不可用绝对误差表示）解：因此，测温试验的精度高。相对误差可用来比较测量不同的被测量的精度高低。18引用误差引用误差：用量程取代相对误差公式中的约定真值得引用误差，即:

例如：量程为-10V～10V的电压表，在测5.02V的电压时，示值为5V，则此时，该电压表的引用误差为：最大引用误差允许误差：仪表在出厂时要规定引用误差的允许值，简称允许误差。

(5-5.02)/20=-0.1%19误差

误差=基本误差+附加误差基本误差：仪表在使用时按照严格规定的环境条件进行测量，而产生的误差。附加误差：仪表在超出规定的工作条件工作时，所产生的额外的误差。静态误差与动态误差静态误差：指仪表静止状态时的误差，或被测量变化十分缓慢时所呈现的误差。即仪表的稳态误差。仪表静态误差应用更普遍。动态误差：指仪表因惯性延迟所引起的附加误差，或变化过程中的误差。201.2.5精确度(precision)仪表的精确度：允许的最大引用误差去掉百分号和±号后的数字来衡量的。例如：某仪表的最大引用误差为-0.5%，则其精度等级为0.5级。精度等级：按仪表工业规定将精确度划分为若干个等级，称为精度等级。1.0级的意思是在规定条件下实际测量的绝对误差不会超过量程的±1%。精度等级的数字越小，精度越高。图为精度等级的确定方法21例题:最大引用误差±2.5%。最大绝对误差Δm=(±2.5%)×(1.5-0)=0.0375MPa其最大相对误差为0.0375/0.70=5.4%在正常情况下，用0.5级、量程为100℃温度表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差是多少？

Δm=(±0.5%)×100=±0.5℃现有精度为0.5级的0～300℃的和精度为1.0级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计更好？首先考察被测量是否在仪表的测量范围内，再求最大允许误差：

Δm1=(±0.5%)×300=±1.5℃Δm2=(±1.0%)×100=±1.0℃

可见，选用1.0级的0～100℃的温度计更好。某压力表精度为2.5级，量程为0～1.5MPa，试求（1）该表的最大引用误差是多少？（2）可能出现的最大绝对误差是多少？（3）测量结果显示为0.70MPa时，其相对误差是多少？221.2.6滞环、死区和回差滞环(hysteresis,aftereffect)：元件具有储能效应造成。死区效应(deadband)：也叫不灵敏区。仪表内部的某些单元具有死区效应所造成。回差：亦称变差，或来回变差。231.2.7重复性和再现性重复性(repeatability)：在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输入值进行测量所得的多个输出值之间相互一致的程度称为仪表的重复性。重复性是衡量仪表不受随机因素影响的能力。再现性(reproducibility)：再现性包括滞环和死区，它是仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示，如图1-10中所示。再现性是仪表性能稳定的一种标志。241.2.8可靠性可靠度(reliability)：表征仪表可靠性的尺度有多种，最基本的是可靠度。它是衡量仪表能够正常工作并发挥其功能的程度。有效度：另一个表示仪表可靠性的综合指标是有效度。

平均无故障工作时间为正常工作时相邻两次故障时间间隔的平均值；平均故障修复时间指仪表修复所用的平均时间。还有一些需要考虑的因素：漂移、上升时间等漂移(drift)：保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的缓慢变化。分为时漂和温漂。可说明仪表工作的稳定性能，如果仪表需要长时间运行，这一性能更为重要。25响应时间(responsetime)：当仪表输入阶跃变化时，输出从一个稳态值到另一个稳态值所需要的时间。由于传感器响应输入量的变化