第1章-检测技术基本知识

第1章-检测技术基本知识综述化工自动化的意义及目的加快生产速度、降低生产成本、提高产品产量和质量。减轻劳动强度、改善劳动条件。能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用率、保障人身安全的目的。生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，以适应当代信息技术革命和信息产业革命的需要。化工自动化的发展20世纪40年代以前绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。低效率，花费庞大。20世纪50年代到60年代人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。20世纪70年代以来，化工自动化技术水平得到了很大的提高20世纪70年代，计算机开始用于控制生产过程，出现了计算机控制系统20世纪80年代末至90年代，现场总线和现场总线控制系统得到了迅速的发展化工仪表及自动化系统的分类按功能不同，分四类：检测仪表(包括各种参数的测量和变送)显示仪表(包括模拟量显示和数字量显示)控制仪表(包括气动、电动控制仪表及数字式控制器)执行器(包括气动、电动、液动等执行器)各类仪表之间的关系自动检测系统中主要的自动化装置敏感元件传感器显示仪表对被测变量作出响应,把它转换为适合测量的物理量。对检测元件输出的物理量信号作进一步信号转换将检测结果以指针位移、数字、图像等形式,准确地指示、记录或储存。8图0-2热交换器自动检测系统示意图本学科的作用通过本门课程的学习,应能了解主要工艺参数(温度、压力、流量及物位)的检测方法及其仪表的工作原理及特点;能根据工艺要求,正确地选用和使用常见的检测仪表及控制仪表;能了解化工自动化的初步知识,理解基本控制规律,懂得控制器参数是如何影响控制质量的;能根据工艺的需要,和自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案;能为自控设计提供正确的工艺条件和数据;能在生产开停车过程中,初步掌握自动控制系统的投运及控制器的参数整定;能了解检测技术和控制技术的发展趋势和最新发展动态。第1章检测技术的基本知识

第1节概述1、检测的概念定义：生产过程，定性、定量检测。目的：自动调节或操纵。检测特点：1）形态多样2）参数性质多样3）变量变化范围宽4）检测方式多样5）检测环境恶劣第1章检测技术的基本知识

第1节概述2、测量的单位1000《国际单位制（）》（1991年第六版）。名称单位名称 单位符号长度米 m质量千克（公斤） 时间秒 s电流安[培] A热力学温度开[尔文] K物质的量摩[尔] 发光强度坎[德拉] 第1章检测技术的基本知识

第2节检测仪表分类及组成传感器、变送器、一体机分类方法1）被测量温度、压力、流量、物位、机械量、过程分析2）测量原理电容、电磁、压电、光电、超声波、核辐射3）输出信号模拟式、数字式、检测开关4）结构和功能测量结果显示、是否有微处理器（虚拟仪器）第1章检测技术的基本知识

第3节检测仪表的品质指标1、灵敏度输出增量与输入增量的比值△△X2、线性度理想特性曲线为直线01023、分辨率能检测出被测量量的最小变化的能力，可用绝对值和百分比表示4、滞环、死区和回差滞环-由于仪器材料特性造成的上升曲线与下降曲线不重合的情况死区-超出仪器元件的最小检测能力，不引起一起响应的区域回差-实际上升曲线和下降曲线间存在的最大差值，又称变差、来回差第1章检测技术的基本知识

第3节检测仪表的品质指标5、重复性和再现性多次相同测试其结果一致的的程度6、精确度被测量的结果与真实值之间的一致程度，有相应的精度等级P6表1-3-17、长期稳定性在规定时间内保持不超过允许误差范围的能力8、动态特性被测量随时间变化时，仪器输出追随被测量变化的特性 精度等级0.10.20.51.01.52.02.55.0允许误差/(%)0.10.20.51.01.52.02.55.0引用误差/(%)≤0.1≤0.2≤0.5≤1.0≤1.5≤2.0≤2.5≤5.0工业常见仪表精度等级(国家规定为12级)0.005，0.01，0.02，0.04，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0第1章检测技术的基本知识

第4节测量误差及误差分析 检测仪表不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，也使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。1、研究误差的意义 误差始终存在，不可消除，但我们可使之越来越小，1）提高认识，正视来源，努力消除或减小误；2）正确处理数据，合理计算结果，使之接近真实值；3）监测系统组成正确、设计合理，仪表与检测方法正确。第1章检测技术的基本知识

第4节测量误差及误差分析2、误差的定义1）真值 a、真值一个量严格定义的理论值通常叫理论真值 b、约定真值根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最高科学技术复现的这些实物单位基准，被公认为国际或国家基准，称为约定真值。 c、相对真值如果高一级检测仪器(计量器具)的误差仅为低一级检测仪器的误差的3～10，则可认为前者是后者的相对真值。2）标称值计量或测量器具上标注的量值，称为标称值。3）示值检测仪器（或系统）指示或显示（被测参量）的数值叫示值，也叫测量值或读数。第1章检测技术的基本知识

第4节测量误差及误差分析3、误差分类根据测量误差的性质、产生测量误差的原因，可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。1）系统误差在相同条件下，多次重复测量同一被测参量时，其测量误差的大小和符号保持不变，或在条件改变时，误差按某一确定的规律变化。定值系统误差、变值系统误差。2）随机误差测量误差的大小与符号均无规律变化。通常用精密度精密度越高，随机误差越小。3）疏忽误差疏忽误差是指明显超出规定条件下预期的误差，特点是误差数值大，明显歪曲了测量结果。正常的测量数据应是剔除了疏忽误差的数据，因此我们通常研究的测量结果误差中仅包含系统和随机两类误差。第1章检测技术的基本知识

第4节测量误差及误差分析4、误差的表示方法1)绝对误差 测量值X与真值L之间的代数差值Δ称为检测系统测量值的绝对误差：±Δ 真值=测量值+修正值(仪器校准时使用)2)相对误差绝对误差Δ与真值L的比值，称为检测系统测量的相对误差δ，常用百分数表示： δ=Δ×100%≈Δ×100%3)引用误差 指示值的绝对误差Δ与仪表量程B之比值 δΔ×100%第1章检测技术的基本知识

第4节测量误差及误差分析5、准确度、精密度和精确度 准确度系统误差大小的程度 精密度测量随机误差大小

精确度是测量的准确度与精密度的总称，在实际测量中，影响精确度的可能主要是系统误差，也可能主要是随机误差

第1章检测技术的基本知识

第5节系统误差的消除方法系统误差及分类系统误差又称可测定误差或恒定误差。 具单向性（大小、正负一定）、可消除（原因固定）、重复测定重复出现。 （1）方法误差 （2）仪器误差 （3）试剂误差 （4）操作误差第1章检测技术的基本知识

第5节系统误差的消除方法1、消除根源方法原理的正确；仪表设计加工合理；正确使用；环境优化。2、结果修正定期检测保证仪表正常并得出修正值（与测量误差的绝对值相等而符号相反的值）；Δ3、特殊方法测量1）恒定系差消除法零示法，替代法，交换法2）变值系差消除法等时距对称观测法，半周期偶数观测法第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值 可以通过不同方法消除的系统误差与随机误差通常同时发生。1、随机误差的分布规律及统计特性 随机误差的数值事先是无法预料的，它受各种复杂的随机因素的影响，通常把这类依随机因素而变、以一定概率取值的变量称为随机变量。根据概率论的中心极限定理:如果一个随机变量是由大量微小的随机变量共同作用的结果，那么只要这些微小随机变量是相互独立或弱相关的，且均匀地小(即对总和的影响彼此差不多)，则无论它们各自服从于什么分布，其总和必然近似于正态分布。显然，随机误差不过是随机变量的一种具体形式，当随机误差是由大量的、相互独立的微小作用因素所引起时，通常都遵从正态分布规律。

第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值

随机误差的正态分布概率密度函数的数学表达式为称为高斯公式。

ε—随机误差，是测量值x与被测量真值L之差;

p(ε)—随机误差的概率密度函数;

σ—标准偏差。

正态分布曲线。

第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值随机误差的统计特性表现在以下4个方面:

(1)有界性：在一定条件下的有限测量值中，误差的绝对值不会超过一定的界限。

(2)单峰性：绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的误差出现的次数多。

(3)对称性：绝对值相等的正误差和负误差出现的次数大致相等。

(4)抵偿性：相同条件下对同一量进行多次测量，随机误差的算术平均值随着测量次数n的无限增加而趋于零，即误差平均值的极限为零。其表达式为有些误差并不完全满足上述特性，根据具体情况，仍可按随机误差处理。第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值2、测量值的算术平均值与标准偏差1）算术平均值与被测量真值的估计值 当被测量的真值未知时，只能通过多次重复测量获得的观侧值，来求取被测量真值的估计值，并估算其误差的大小。 在无系差和粗差的条件下，对某一被测量x进行n次等精度侧量(即在相同条件下，用相同的仪表和测量方法，由同一测量者以同样的细心程度进行多次测量)，得到n个观测值。通常以这些观测值的算术平均值作为被测量真值的最佳估计值，下面分析算术平均值与被测量真值的关系。 由概率论知，随机变量的数学期望表征了随机变量的位置特征，定义为第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值 可以证明，对于等精度无系差测量，当测量次数n时，观测值的算术平均值依概率收敛于数学期望，即 数学期望对某一被测量进行无限次测量时所得到的统计平均值。几何意义是概率密度曲线与横轴所包围面积重心的横坐标。 测量值一般都是离散型随机变量，而且测量次数也不可能无限地多。如果对于某个具有未知真值L的物理量，重复进行n次等精度、独立、无系统误差的测量，得到n个观测值。∞第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值 由于观侧值不含有系统误差，每个观测值的误差为 将上式两边分别对i求和并除以n，则得 根据随机误差的抵偿性表达式 于是可知第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值 由式(1-5)和式(1-6)可知，在消除了系统误差之后，无限次测量的统计平均值就是被测量的真值。由于无限次测量在实际上是做不到的，通常把多次等精度测量结果的算术平均值作为被测量真值L的最佳估计值。 在实际测量工作中，在未知被测量真值的情况下，通常以算术平均值代替真值作为测量结果。用残差(又称剩余误差)代替测量误差。 以算术平均值代替真值作为测量结果具有最小残差平方和，因此算术平均值是被测量真值的最佳估计值。 以上以等精度测量为前提，精确度越高的侧量数据越接近被测量的真值，因此在算术平均值中占有更大的权重，于是有“加权平均值”的概念。加权平均值又称广义算术平均值，是不等精度测量条件下被测量真值的最佳估计值。第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值2）标准偏差

在实际测量中，只知道测量值的算术平均值是不够的，还需要对测量数据相对于算术平均值的离散程度加以说明，这可以用标准偏差来表示。

由概率论知，方差表征了随机变量相对于数学期望的离散程度。方差愈大，随机变量的值在数学期望左右分布得愈宽。被测量x的方差记作，并定义为 对于连续型随机变量，上式可写成第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值 标准偏差σ是方差的均方根值，又称为均方根偏差。等精度的无限测量列，标准偏差可表示为

在实际测量中，真值无法知道，测量有限，此时，可借助贝塞尔公式用算术平均值和残差来表示标准偏差的估计值，即 贝塞尔公式求出的标准偏差，可用来表征在给定的等精度条件下任一次测量结果的离散程度，又称为单次测量的标准偏差。第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值3）算术平均值的标准偏差 对于有限次等精度测量，可以用有限个观侧数据的算术平均值作为测量结果。尽管算术平均值是被侧量真值的最佳估计值，但由于实际的侧量次数有限，算术平均值毕竟还不是真值，其本身也含有随机误差.假若各观测值服从正态分布，则算术平均值也是服从正态分布的随机变量。可以证明，算术平均值的标准偏差为 式中σ算术平均值的标准偏差;σ单次测量的标准偏差;n测量次数。

第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值 以估计值代替σ，即可得到算术平均值的标准偏差的估计值为 由上式可以看出，算术平均值的标准偏差比单次测量的标准偏差小倍。因此，用作为测量结果将比单次测量值，具有更高的精密度。测量次数n越多，值越小，侧量结果的精密度也越高。但是，由于与测量次数n的平方根成反比，精密度的提高将随着n的增加而越来越慢.因此，在实际测量中，一般取10~20次左右即可第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值3、置信区间与置信概率

当测量次数为有限时，只能求出算术平均值及估计值来分别作为被测量的真值及标准偏差的估计值。

因此，引出置信区间和置信概率的概念。

有限次侧量结果的算术平均值也是一个随机变量。用算术平均值来代替被测量的数学期望(被测量真值L)，会存在一个随机误差即 该误差的绝对值小于给定的任一微小量的概率为 公式中的区间表示算术平均值在规定概率下可能的变化范围，称为置信区间。置信区间表明了侧量结果的离散程度，可作为测量精密度的标志。第1章检测技术的基本知识

第6节随机误差及其估值 算术平均值落入某一置信区间的概率表明测量结果的可靠性，亦即值得信赖的程度，称为置信概率。 上公式表示在一定概率下随机误差的极限值，故称为极限误差(或称误差限)。在无系统误差的情况下，δ也称为随机不确定度，通常表示为 式中—置信系数; —算术平均值的标准偏差估计值。 置信系数又称为分布因子，的数值可根据所要求的置信概率及测量次数而定，且可由分布表查得。 所谓分布又称学生分布，是一种适用于小样本(如有限次测量)的理论分布。一般来说，当测量次数较小时，分布与正态分布的差别较大，但当n＞30时，分布趋于正态分布。第1章检测技术的基本知识

第7节误差的综合

在测量中，有些未知量是不能直接测出的，必须先测出一些其他的有关量，然后按一定的函数关系求得有关量。这样的测量称为间接测量。 由于直接测量存在误差，所以根据直接测量值去计算的结果也必然带来误差。在已知各局部误差的基础上求函数的误差，称为误差的综合，也称为误差的传递。

第1章检测技术的基本知识

第8节测量结果的数据处理1、测量结果的表示方法与有效数字的处理原则1）测量结果的表示方法 在观测值或多次测量观测结果的算术平均值后加上相应的误差限。同一测量结果采用不同的置信概率，测量结果的误差限也不同。因此应该在相同的置信水平下，比较测量的精确程度。a、单次测量结果置信概率68.3%第1章检测技术的基本知识

第8节测量结果的数据处理2）有效数字处理原则a、有效数字的概念从第一个非零数字起至右边含有误差的一位为止，中间的所有数字称为有效数字。测量结果一般为被测真值的近似值，有效数