过程装备与控制技术检测

过程检测技术过程检测技术

生产过程自动化是现代生产的重要特征。为了高效率地进行生产操作，提高产品的质量和产量，对生产过程必须进行自动控制。为实现对生产过程的自动控制，首先必须对生产过程的各参数进行可靠的测量。

学习和掌握过程测试及应用，能够在科研和生产中面临的测试任务面前，正确地选择测试原理和方法，正确地选择所需要的技术工具，组成合适的测试系统，完成需要的测试任务。过程检测技术3.1测量基本知识3.2误差基本知识3.3压力测量3.4温度测量3.5流量测量3.6液位测量3.7物质成分分析3.8传感器概述测量与误差的基本知识一、测量的基本概念1.测量定义

测量是人类对自然界的客观事物取得数量概念的一种认识过程，在这一过程中借助于专门的设备，通过实验方法，求出被测未知量的数值。即测量就是为取得任一未知参数而做的全部工作。

测量的目的是为了准确地获取表征被测对象特征的某些参数的定量信息。

测量就是用实验的方法，借助一定的仪器或设备，把被测量与其单位进行比较，求取二者之比值，从而得到被测数值大小的过程。测量与误差的基本知识

设被测量为，其单位为，二者之比值为，则测量结果可用数学形式描述如下基本测量方程式

数值化后的比值称为被测量的真实数值，简称真值。

测量过程有三要素：测量单位、测量方法、测量仪器与设备。测量与误差的基本知识测量单位基本单位米(m)、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)、摩尔(mol)、坎德拉(cd)。辅助单位弧度(rad)、球面度(sr)。导出单位在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成的单位称为导出单位。测量与误差的基本知识2.测量方法决定测量方法的因素测量种类测量数值测量精度测量速度（1）直接测量与间接测量直接测量法将被测量与单位能直接比较，立即得到比值，或者仪表能直接显示出被测参数数值的测量方法.间接测量法测出一个或几个与被测量有一定函数关系的其他量，然后根据此函数关系计算出被测量的数值。测量过程简单测量精度不高测量与误差的基本知识（2）等精度测量和不等精度测法等精度测量法在测量过程中，使影响测量误差的各因素（环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法等）保持不变，对同一被测量值进行次数相同的重复测量。不等精度测量法在测量过程中，测量环境条件有部分不相同或全部不相同，如测量仪器精度、重复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度等有了变化，所得测量结果的可靠程度显然不同。测量与误差的基本知识（3）接触测量与非接触测量

用接触测量法测量时，仪表的某一部分（一般为传感器部分）必须接触被测对象（被测介质）。而采用非接触测量法时，仪表的任何部分均不与被测对象接触。过程检测多数采用接触测量法。（4）静态测量与动态测量静态测量在测量过程中，如被测参数恒定不变。动态测量在材料过程中，被测参数随时间变化而变。测量与误差的基本知识3.测量仪器与设备检测系统简单仪器感受件（传感器）

感受被测量的变化，直接从对象中提取被测量的信息，并转换成一相应的输出信号。准确性稳定性灵敏性敏感元件、一次仪表测量与误差的基本知识中间件（变送器或变换器）

将传感器的输出信号进行变换，实现放大、远距离传送、线性化处理或转变成规定的统一信号，供给显示器等。要求：能准确稳定的传输、放大和转换信号，且受外界其他因素的干扰影响小，变换信号的误差小。显示件（显示器）

向观察者显示被测量数值的大小，它可以是瞬时量的显示、累积量的显示、越限报警等，二次仪表指示式（模拟显示）、数字式和屏幕式（图象显示式）测量与误差的基本知识二、误差的基本概念研究误差的意义能正确认识误差的性质，分析产生误差的原因，采取措施，达到减少误差的目的；有助于正确处理实验数据，合理计算测量结果，以便在一定的条件下，得到最接近于真实值的最佳结果；有助于合理选择试验结果、测量条件及测量方法，使能在较经济的条件下，得到预期的结果。能合理确定检测结果的误差；测量与误差的基本知识误差产生的原因仪器仪表准确度的限制环境条件的变化测量方法的不够完善测量人员生理、心理上的原因分析误差的目的

根据测量误差的规律性，找出消除或减少误差的方法，科学地表达测量结果，合理地设计测量系统。测量与误差的基本知识1、测量误差及分类定义测量结果与被测变量的真值之差称为误差。分类系统误差、随机误差和粗大误差。（1）系统误差在相同条件下，多次测量同一被测量值的过程中出现的一种的误差，它的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按某一规律变化。原因：测量工具本身的不准确或安装调整得不正确、测试人员的分辨能力或固有的读数习惯、测量方法的理论根据有缺陷或采用了近似公式等。测量与误差的基本知识系统误差的类型（a）不变型（b）线性变化型（c）非线性变化型（d）周期性变化型（e）复杂规律变化型测量与误差的基本知识系统误差的发现试验对比法改变产生系统误差的条件进行不同条件下的测量，以发现系统误差。

设测量仪器读数的平均值为，基准仪器读数的平均值为，则与的差值可以看作测量仪器在对该物理量测量时的系统误差。替代法用标准的物理量（或精度比较高的已知量）代替被测物理量进行测试，求出测试结果与标准量的差值，即为系统误差。测量与误差的基本知识残差观察法根据残差的大小和符号的变化规律，直接由误差数据列或误差曲线来判断有无系统误差。

若有测量列，存在系统误差列，则定义残差为不变的系统误差递增型系统误差周期型系统误差周期递增型系统误差测量与误差的基本知识系统误差的减小和消除从产生系统误差根源上消除系统误差要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。

测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。注意周围环境对测量的影响，特别是温度对电子测量的影响较大。尽量减少或消除测量人员主观原因造成的系统误差。应提高测量人员业务技术水平和工作责任心，改进设备。测量与误差的基本知识用修正方法消除系统误差检定测量仪器和测量系统的误差，作出误差表或误差曲线；修正值＝－误差=－（测量值－真值）；实际值＝测量值＋修正值，即得到不包含系统误差的测量结果。不变系统误差的消除法抵消法对被测物理量进行两次适当的测量，使两次测量结果所产生的系统误差大小相等、方向相反，取两次测量的平均值，作为测量结果。交换法根据系统误差产生的原因，将某些条件交换。测量与误差的基本知识线性型系统误差的消除法－对称法√取某一时刻为中间点，则对称于此点的各对系统误差的算术平均值应相等。√将测量对称安排，取各对称点两次读数的算术平均值作为测量值。周期性系统误差的消除法－半周期法

每隔半个周期测量一次，两次读数的平均值作为测量值。测量与误差的基本知识（2）随机误差又称偶然误差，它是在相同条件下多次测量同一被测量的过程中所出现的绝对值和符号以不可预计的方式变化的误差。原因：测量过程中大量彼此独立的微小因素对被测量的综合影响所造成的。这些因素通常是测量者所不知道的，或者因其变化过分微小而无法加以严格控制的。

设在排除系统误差的条件下，对其真值为的被测量进行次等精度测量，测量结果为,则其随机误差为测量与误差的基本知识对称性绝对值相等的正误差和负误差出现的概率相等，即概率密度函数为偶函数。有界性绝对值很大的误差出现的概率趋于零，即随机误差的绝对值不会超出某一个值。单峰性绝对值小的误差出现的概率大于绝对值大的误差出现的规律。抵偿性随着测量次数的增加，随机误差的代数和趋于零。测量与误差的基本知识（3）粗大误差明显地歪曲测量结果的误差原因：测量操作者的粗心（如读错、记错、算错数据等）、不正确地操作、实验条件的突变或实验情况尚未达到预想的要求而匆忙实验等。检验：莱依特准则（3准则）肖维奈(Chauvenet)准则格拉布斯(Grubbs)准则测量与误差的基本知识2、误差表示方法◆绝对误差测得值与真值之差x，它表示误差的大小。◆相对误差绝对误差与被测量的真值之比称为相对误差，一般用百分数表示。◆引用误差测量仪表某一刻度点的绝对误差与满刻度值之比称为引用误差。测量与误差的基本知识3、测量精度准确度——测量值与真值相符合的程度，反映测量结果中的系统误差的影响。精密度——测量值集中的程度，反映测量结果中的随机误差的影响。精确度——反映测量结果中的系统误差和随机误差综合影响程度。测量与误差的基本知识即精密又准确精密但不准确即不精密又不准确测量与误差的基本知识3、仪器仪表的主要性能指标仪表技术方面误差、精度等级、灵敏度、变差、量程、响应时间、漂移等。仪表经济方面使用寿命、功耗、价格等。当然，性能好的仪表，总是希望它的使用寿命长、功耗底、价格便宜。仪表使用方面操作维修是否方便，运行是否可靠安全，以及抗干扰与防护能力的强弱，重量体积的大小，自动化程度的高低等等。测量与误差的基本知识（1）量程与精度量程仪表在保证规定的精确度的前提下所能测量的被测量的区域，称为仪表的测量范围。精度等级

引用误差是一种简化的、实用方便的相对误差，常常在多档仪表和连续分度的仪表中应用。仪表的最大引用误差可以描述仪表的测量精度，一级标准仪表的准确度是：0.005,0.02,0.05二级标准仪表的准确度是：0.1,0.2,0.35,0.5三级标准仪表的准确度是：1,1.5,2.5,4.0测量与误差的基本知识例：现有0.5级的(0300)0C的和1.0级(0100)0C的两个温度计，要测量800C的温度，试问采用哪一个温度计好？解：用0.5级表测量时，可能出现的最大示值相对误差为：

用1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差为：测量与误差的基本知识例：某台测温仪表的量程是6001100C，仪表的最大绝对误差为4C，试确定该仪表的精度等级。解：仪表的最大引用误差这台仪表的等级应定为1.0级。例：仪表量程是6001100C，工艺要求该仪表指示值的误差范围为4C，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？解：根据工艺要求，仪表的最大引用误差故应选精度等级为0.5的仪表。测量与误差的基本知识（2）静态性能指标

仪表或装置在到达稳态后，输出的变化量与引起该变化量的输入变化量的比值，又称为灵敏系数。灵敏度线性度

仪表的标定曲线与拟合曲线之间的吻合程度。测量与误差的基本知识迟滞误差

在输入量增加和减少的过程中，对于同一输入量会得出大小不同的输出量，在全部测量范围内，这个差别的最大值与仪表的满量程之比值

迟滞误差是由于仪表内有吸收能量的元件（如弹性元件、磁化元件等），机械结构中有间隙以及运动系统的摩擦等原因造成的。测量与误差的基本知识漂移

输入量不变时，经过一定的时间后输出量产生的变化。温漂：温度变化而产生的漂移。零漂：当输入量固定在零点不变时，输出量的变化值引起的漂移。产生的原因：仪表弹性元件的失效、电子元件的老化等原因造成的。衡量仪表稳定值的重要指标测量与误差的基本知识重复性

在同一工作条件下，对同一输入值按同一方向连续多次测量时，所得输出值之间的相互一致程度称为重复性。传感器概述一、传感器基本概念及组成1、传感器基本概念（1）传感器的定义将被测物理量转换为与之有确定对应关系的输出量的器件或装置。把从被测对象中感受的有用信息进行变换、传送的器件。变送器、换能器、换能器、探测器传感器概述（2）传感器的组成敏感元件能直接感受、获取被测量并能输出与被测量有确定函数关系的其他物理量的元件。转换元件将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的部分。传感器概述辅助电路提供传感器所需要的能量，通常是电源，有些传感器系统常采用电池供电。测量电路把转换元件（或敏感元件）输出的电信号转换成便于测量、显示、记录、控制和处理的电信号后在输出。传感器概述二、传感器的分类按依据的效应物理传感器化学传感器生物传感器酶、抗体、激素等化学吸附选择性化学反应光、电、声、磁、热等传感器概述按工作原理应变式电容式电感式电磁式热电式光电式依据工作原理命名传感器概述按被测量位移速度温度压力气体成分浓度依据被测量命名传感器概述按使用的材料半导体传感器光纤传感器复合材料传感器金属传感器陶瓷传感器高分子材料传感器依据使用材料命名传感器概述按能量关系能量转换型传感器能量控制型传感器将被测量转换为输出量的能量由外部提供能量，由被测量控制输