《过程检测及仪表》-第１章　过程检测技

１.１测量的概念１.１.１测量的定义测量就是借助于专用的技术工具，将研究对象的被测变量与同性质的标准量进行比较，并确定出测量结果准确程度的过程，简单地说，测量就是用实验的方法求出某个量的大小。比如用精度为０．５级，量程为０～５００ｍｍ的直尺以ｍｍ为单位测量容器中液位高度，得到液位高度犡＝３００ｍｍ，则表示液位的高度约为３００ｍｍ，相应误差不超过２．５ｍｍ。上例表明，测量过程包含三个含义：确定基准单位；将被测变量与基准单位比较；估计测量结果的误差。下一页返回下一页下一页下一页返回下一页返回下一页下一页返回下一页１.１测量的概念１.１.２测量方法对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。按被测变量变化速度分为静态测量和动态测量；按测量敏感元件是否与介质接触，可分为接触式测量和非接触式测量；按比较方式分为直接测量和间接测量；按测量原理分为偏差法、零位法、微差法等。１．按比较方式分（１）直接测量是指用事先标定好的测量仪表对某被测变量直接进行比较,从而得到测量结果的过程。例如上例中的容器液位测量。返回上一页下一页上一页下一页返回下一页下一页返回下一页返回下一页上一页返回下一页１.１测量的概念１.１.２测量方法对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。按被测变量变化速度分为静态测量和动态测量；按测量敏感元件是否与介质接触，可分为接触式测量和非接触式测量；按比较方式分为直接测量和间接测量；按测量原理分为偏差法、零位法、微差法等。１．按比较方式分（１）直接测量是指用事先标定好的测量仪表对某被测变量直接进行比较,从而得到测量结果的过程。例如上例中的容器液位测量。上一页返回下一页１.１测量的概念（２）间接测量是指多个仪表（或环节）所组成的一个测量系统。它包含了被测变量的测量、变换、传输、显示、记录和数据处理等过程。这种测量方法在工程中应用广泛。例如，用电子皮带秤测量煤的输送量，可通过荷重传感器测出检测点处有效称量段犔０上的煤的质量犠，通过测速传感器测出检测点处煤的传送速度狏，经信息处理单元对犠／犔０及狏进行合成处理后送入显示单元显示瞬时输送量，再送入比例计算器显示输送总量。２．按测量原理分（１）偏差法用测量仪表的指针相对于刻度初始点的位移（偏差）来直接表示被测量的大小。指针式仪表是最常用的一种类型。如图１．１所示弹簧秤。在用此方法测量的仪表中，分度是预先用标准仪器标定的，如弹簧秤用砝码标定。这种方法的优点是直观、简便，缺点是精度较低、量程窄。上一页返回下一页１.１测量的概念（２）零位法将被测量与标准量进行比较，二者的差值为零时，标准量的读数就是被测量的大小。这种方法要求有一灵敏度很高的指零机构。例如，图１．２所示天平就是用这个原理。这种方法具有很高的测量精度，但响应慢、测量时间长，不宜测量快速变化的信号。（３）微差法是将偏差法和零位法组合起来的一种测量方法。测量过程中将被测量的大部分用标准信号去平衡，而剩余部分采用偏差法去测量。这种方法准确度高，不需要微进程的可变标准量，测量速度快，指零机构用一个有刻度可指示偏差量的指示机构所代替。无论采用哪种方法进行测量，都是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。返回上一页１.２测量误差及处理１.２.１测量误差的概念测量的目的，是希望能正确地反映客观实际，也就是要测量参数的“真实值”。但是，人们无论怎么努力（包括从测量原理、测量方法、仪表精度等方面进行的努力），都无法测得“真实值”，而只能尽量接近“真实值”。也就是说，测量值与“真实值”之间始终存在着一定差值，这一差值就是测量误差。实际上，往往是利用精度较高的标准仪表指示值作为被测参数的真实值，而一般检测仪表的指示值与标准仪表的指示值之差就是测量误差，该差值越小，说明测量仪表的可靠性越高。因此，求知测量误差的目的就在于用来判断测量结果的可靠程度。返回下一页１.２测量误差及处理１.２.２测量误差的分类１．按误差的表示形式可将误差分为三类（１）绝对误差测量值与“真实值”之间的差值，表示为：式中Δ———绝对误差；x———测量值，即被测变量的仪表示值；T———真实值，即在一定条件下被测变量实际值。上一页返回下一页１.２测量误差及处理（２）相对误差测量的绝对误差与真实值（或测量值）之比，表示为：式中δ———仪表在T处的相对误差。（３）引用误差绝对误差与量程比值的百分数，表示为：在实际应用时，通常用最大引用误差来描述仪表测量的质量，并用它来确定仪表的精度，表示为：式中δ引Ｍ———最大引用误差；ΔＭ———在测量范围内产生的绝对误差的最大值。上一页返回下一页１.２测量误差及处理２．按误差的出现的规律可将误差分为三类（１）系统误差（又称规律误差）即大小和方向（即符号）均不改变的误差。产生这种误差的原因，主要有仪表本身的缺陷，观测者的习惯或偏向，单因素环境条件的变化等。这类误差在测量中是容易消除或修正的，因为它是有规律的。（２）粗大误差（又称疏忽误差）产生这类误差的原因，是由于测量者在测量过程中疏忽大意所致。它比较容易被发觉，应将它从测量结果中去掉。由此说明，我们在工作中应认真、仔细，加强责任感，尽量避免产生这类误差。（３）随机误差（又称偶然误差）就是在同样的测量条件下，反复多次测量，各测量结果均不能重复的误差。这种误差是由偶然的原因引起的，因而它不易被发觉和修正。上一页返回下一页１.２测量误差及处理３．按误差测试的条件可将误差分为两类（１）基本误差在规定的工作条件下（如温度、湿度、电源电压、频率等一定），仪表本身具有的误差。可用最大引用误差的计算方法来表示基本误差的大小。（２）附加误差当仪表的工作条件偏离正常范围时所引起的误差。１.２.３测量误差的分析与处理１．系统误差分析与处理在同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可预知方式变化的测量误差，称为系统误差，这类误差表现为在同一条件下对同一给定量进行多次重复测量的过程中，其误差的绝对值和符号均保持不变，或当条件改变时，误差按某一确定的规律变化，且这种有规律变化的误差可以表示为某一个或某几个因素的函数，而这些因素的变化情况则是可以掌握的。这就为减少或消除误差提供了方便。上一页返回下一页１.２测量误差及处理事实上，实验或测量条件一经确定，系统误差就获得了一个客观上的恒定值，多次测量的平均值也不能减弱它的影响。对于系统误差的类型，较主要的已经研究得比较透彻了，对其规律性掌握得比较好；而对于那些次要的系统误差，可能掌握得不好或未掌握其规律性。这也表明了系统误差及其原因可能是已知的，也可能是未知的。因此按对系统误差掌握的程度又可将系统误差分为已定系统误差和未定系统误差。必须指出的是只有已定系统误差能够修正，其余误差都不能修正，但有的可以在测量中消除。上一页返回下一页１.２测量误差及处理消除系统误差有以下几个基本方法：以修正值的方法加入测量结果中消除之；在实验过程中消除一切产生系统误差的因素；在测量过程中，选择适当的测量方法，使系统误差抵消而不致带入测量结果中。下面简单介绍在测量过程中不使系统误差带入测量结果中的一些常用方法：（１）修正法通过机械调零、应用修正公式、增加自动补偿环节等措施消除系统误差。（２）异号法（反向对称法）改变测量中的某些条件，如测量方向等，使两种条件下测量结果的误差符号相反，取其平均值以消除误差。上一页返回下一页１.２测量误差及处理（３）交换法本质上也是异号，但形式上是将测量中的一些条件，如被测物的位置等交换，使产生系统误差的原因对测量结果起相反的作用，然后取交换前后测量结果的平均值，从而抵消系统误差。如用等臂天平称量时，若两臂存在微小的差异，为获得被测物的准确质量，就必须采用交换法。（４）替代法保持测量条件不变，用某一已知量替换被测量，再作测量以达到消除系统误差的目的。仍以天平称量为例，可先用某一平衡物与被测物平衡，然后拿掉被测物，用标准砝码替代并使之与前面的平衡物平衡，假定两次实验中天平力臂没有发生变化的话，那么被测物的质量就是该砝码的质量。上一页返回下一页１.２测量误差及处理２．随机误差分析与处理随机误差在测量次数足够多时，一般呈正态分布规律，具有对称性、有界性和抵偿性的特点，如图１．３所示。图中横坐标为随机误差，纵坐标为随机误差出现的概率犘（）对于随机误差来说，它对测量结果的影响可以用标准偏差（又称均方根误差）σ表示。式中n——测量次数;Xi——第i次测量值;Xi–X——称为残差(常用vi表示);X——测量结果的算术平均值。上一页返回下一页１.２测量误差及处理标准误差反映测量结果的分散程度，如图１．４所示。σ越小，分布曲线越尖锐，小误差出现的概率大，大误差出现的概率小；而σ越大，分布曲线越平坦，大误差和小误差出现的概率相差不大。上一页返回下一页１.２测量误差及处理理论计算表明，介于（－３σ，＋３σ）之间的随机误差出现的概率为０．９９７３，随机误差出现在此区间之外的概率仅为０．２７％。因此，在１０００次等精度测量中，只有可能３次随机误差超过（－３σ，＋３σ）区间，实际上可以认为这种情况很难发生。随机误差是由许多微小的、难以控制的或规律尚未被掌握的变化因素造成的。就单次测量而言，其误差值的出现纯属偶然，不具有任何确定的规律。但增加测量次数可以减少随机误差对测量结果的影响。上一页返回下一页１.２测量误差及处理３．粗大误差的处理已经知道了产生粗大误差的原因，试想如果在一系列测得值中混有“异常值”的话，那么必定会歪曲测量的结果，使测得值失去其可靠性和使用价值。因此，在数据处理之前应将“异常值”剔除。这样剩下的测得值就会使测量结果更符合客观情况。然而问题在于如何判别“异常值”，即如何判定测量值中是否含有“异常值”。而事实证明，若人为地丢掉一些误差大一点的，但不属于“异常值”的测得值以求得到精密度更好的结果，如此产生的所谓“高精度”测量结果是虚假的，它反而使原有的准确度降低了，所以处理“异常值”一定要持慎重的态度。当然剔除的关键在于正确的判别。下面介绍一种用于判别“异常值”的常用方法———莱依达准则。上一页返回下一页１.２测量误差及处理这是一种采用了统计学的方法。根据统计学的小概率原理：小概率事件在一次事件中几乎不可能发生。因此可以认为误差绝对值大于３σ的测得值为“异常值”。如果某个测得值的残余误差狏ｉ满足下式：│狏ｉ│＞３σ，则可认为测得值犡ｉ为含有粗大误差的“异常值”，应予剔除。下面我们给出具体判别步骤并举例说明。利用莱依达准则剔除粗差的步骤如下：按公式计算依次测量的结果xi的算术平均值;利用公式计算残余误差;计算残余误差的平方和上一页返回下一页１.２测量误差及处理上一页返回下一页④利用贝塞尔公式求出标准偏差:并算3;⑤将各与3比较，如出现，则判定第i个测量值Xi为含粗差的“异常值”，予以剔除;⑥将剔除了Xi后余下的n-1个测量结果相加后再计算其算术平均值;⑦再按②一⑤进行，若还有粗差仍予剔除，依此类推，一直到最后所有即剩下的所有测量值均不含粗差，这时算出的:

即为标准偏差。１.２测量误差及处理４．检测系统误差的确定检测系统的误差确定在由多个环节或仪表组成的检测系统中，整个系统的测量误差，不是系统中各个环节误差的简单叠加。因为各环节的误差不可能同时按相同的符号出现最大值，有时会相互抵消。因此必须按照概率统计的方法，用各环节误差的标准误差来估计系统的总误差。上一页返回下一页１.２测量误差及处理

【例题１-１】用ＷＺＰ３５０型铂电阻、ＸＭＺ６１０数字温度显示仪组成的测温系统。热电阻、显示仪的基本误差分别为σ１＝±３℃、σ２＝±１℃，连接热电阻和显示仪表的导线电阻变化所引起的基本误差为σ３＝±２℃，由于线路老化、接触电阻和环境电磁干扰带来的基本误差为σ４＝±２℃。试计算这一测温系统的误差为多少？解：根据检测系统误差综合原则，测温系统标准误差为答：此温度检测系统的标准误差为±４．２４℃。返回上一页１.３检测仪表的组成与分类１.３.１检测仪表的基本组成化工检测仪表品种多，类型复杂，结构各异。但是，它们都肩负着共同的任务———测量出被测变量的值。所以，它们在构成上具有明显的共性。它们大致都由检测传感部分、中间传送（包括放大）部分和显示（包括转换成其他信号）部分构成。各部分之间的关系如图１．５所示。返回下一页１.３检测仪表的组成与分类１．检测传感部分（１）敏感元件敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并作响应的元件。例如，弹性膜盒能感受压力的大小而引起形变，因此弹性膜盒是一种压力敏感元件。一般敏感元件输入／输出关系应是稳定的单值函数关系。（２）传感器传感器是从被检测参量中提取出有用信息（通常是电量）的器件。其结构由敏感元件本身（有时包括一次或二次转换元件）或者和部分的测量电路构成，有电量传感器（例如热电偶元件）和电参数传感器（例如应变片）两类。上一页返回下一页１.３检测仪表的组成与分类２．中间传送部分中间传送部分（也叫信号处理器）是把检测部分的输出的信号进行放大、转换、滤波、线性化处理，以推动后级显示器的工作。转换器是信号处理器的一种。传感器的输出通过转换器把非标准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号的输入电路或接口的仪表配套，实现检测或调节功能。所谓标准信号，就是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如，直流电流４～２０ｍＡ、直流电压１～５Ｖ、空气压力２０～１００ｋＰａ等都是当前通用标准信号。变送器是传感器与转换器的另一种称呼。凡能直接感受非电的被测量并将其转换成标准信号输出的传感转换装置就叫变送器。例如，差压变送器、电磁流量变送器等。上一页返回下一页１.３检测仪表的组成与分类３．显示部分将测量结果用指针、记录笔、数字值、文字符号（或图像）的形式显示出来。在生产过程中，有的仪表把三部分组装在一起，如弹簧管压力表。也有的则把三部分制成各自独立的仪表，如热电偶温度计，在这种情况下，人们又习惯于把感受元件部分叫做“一次仪表”，把显示部分叫做“二次仪表”。１.３.２检测仪表的分类化工生产中使用的仪表类型繁多、结构复杂，因而分类方法也不少，现就常见的几种分类方法简介如下：上一页返回下一页１.３检测仪表的组成与分类（１）依据所测参数的不同，可分成压力（包括差压、负压）检测仪表、流量检测仪表、物位检测仪表、温度检测仪表、物质成分分析仪表等。（２）按表达示数的方式不同，可分成指示型、记录型、信号型、远传指示型、累积型等。（３）按使用场合的不同，可分为实用仪表、范型仪表、标准仪表。返回上一页１.４检测仪表的性能指标一台检测仪表的好坏，可用它的性能指标来衡量。现将几项常见的性能指标简介如下。１.４.１量程量程是指仪表能接受的输入信号范围。它用测量的上限值与下限值的差值来表示。例如，测温范围是－５０℃～１２５０℃，则上限值是－１２５０℃，下限值是－５０℃，量程是１３００℃。量程的选择是仪表使用中的重要问题之一。一般规定：正常测量值在满刻度的５０％～７０％；若为方根刻度，正常测量值在满刻度的７０％～８５％。返回下一页１.４检测仪表的性能指标１.４.２精确度仪表精确度（简称精度）反映的是仪表在全量程范围内测量时可能产生的最大误差，即测量结果的可信程度。仪表精度是用基本误差来表示的。在规定的工作条件下，仪表基本误差的允许界限称允许误差。允许误差去掉“％”后的值就是国家规定的电工仪表的精度等级。为了方便仪表的生产及使用，我国规定的常用仪表的精度等级大致有：０．０１，０．０２，０．０５，０．１，０．２，０．３５，０．５，１．０，１．５，２．５，４．０等。上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标值得注意的是：仪表精度的高低不仅与测量范围内产生的绝对误差最大值有关，还与该仪表的量程有关。仪表基本误差越小，精度越高；基本误差不变时，量程越大，精度越高。因此在选择和确定仪表精度时，要同时考虑误差和量程这两个因素。在工业上应用时，检测仪表精度的要求，应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所要求的误差允许范围来确定，这样才能保证生产的经济性和合理性。上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标【例题１-２】一块精度为０．５级，测量范围为０℃～５００℃温度测量仪表，试求：该仪表的最大引用误差、允许的绝对误差和该仪表本身具有的基本误差。解：（１）仪表允许的误差为仪表的精度加百分号该仪表的最大引用误差为±０．５％（２）仪表允许的绝对误差＝最大引用误差×（标尺上限值－标尺下限值）Δ允＝０．５％×（５００－０）＝２．５（℃）（３）该仪表本身具有的基本误差为±０．５％.上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标１.４.３线性度线性度是指仪表分度的均匀程度，即仪表特性曲线逼近直线的程度。由于线性仪表的分度和使用及信号处理比较方便，所以通常希望仪表具有线性特性。实际使用时，常用非线性误差来说明线性程度（即仪表的实际曲线偏离直线的程度），如图１．６所示。式中Δｍａｘ———仪表特性曲线与直线间的最大偏差；（Yｍａｘ－Yｍｉｎ）———（刻度上限－刻度限），即仪表量程。上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标１.４.４灵敏度及灵敏限检测仪表的灵敏度，用仪表输出的变化量（如指针的线位移或角位移）Δα与引起此变化的被测参数的变化量ΔX之比来表示，即：所谓仪表的灵敏限（也叫始动灵敏度），是指能引起仪表指针发生动作的被测参数最小变化量。通常仪表的灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差值的一半。上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标１.４.５检测仪表的恒定度检测仪表的恒定度常用变差（又称来回差）来表示。在外界条件不变的情况下，用同一仪表对某一参数值进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，仪表正反行程指示值之间存在的差值，即为变差，如图１．７所示。造成变差的原因很多，例如传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后的影响等。变差的大小，用仪表测量同一参数值时，正反行程指示值间的最大绝对差值与仪表标尺范围之比的百分数表示，即

必须注意，仪表的变差不能超过其基本误差，否则应及时检修。上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标【例题１-３】某压力表测量范围为０～４００ｋＰａ，对这台压力表进行校验，得到下列数据：试求：该压力表的最大绝对误差、最大变差、最大引用误差和精度等级。解：（１）最大绝对误差＝４０２－４００＝２（ｋＰａ）（２）最大绝对值差＝２０１．５－１９９＝２．５（ｋＰａ）取ΔＭ＝２．５ｋＰａ（３）最大引用误差上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标该压力表的计算精度为０．６２５级，故该表精度定为１．０级。上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标１.４.６检测仪表的反应时间当用仪表进行测量时，可以看到这样一种现象：仪表指示的被测值总要经过一段时间后，才能准确地指示出来，这是因为仪表本身存在一个“反应时间”的缘故。它可分为图１．８所示的两种情形。第一种情形如图１．８（ａ）所示。当参数在狋０时刻突然变化后，仪表不能立刻指示出被测参数，而是慢慢增加，经过一段时间后，才指示出参数的准确值。如用玻璃温度计测量体温就是这种情形。上一页返回下一页１.４检测仪表的性能指标第二种情形如图１．８（ｂ）所示。当参数在狋０时刻突然变化后，仪表指示迅速改变，但需经过几次摆动后，才指示出参数的准确值。如用电流表测量电流时，即可见到此种情形。一台仪表能不能尽快反映出参数的变化情况，也是很重要的品质指标。我们常常把它叫做仪表的动态特性。仪表的反应时间长短，反映了仪表动态特性的好坏。为了衡量仪表