过程控制第一节课件.ppt

1、Chapter 1Fundamentals of Measurements,class01.ppt,Objectives,When you finish this chapter, you will be able to: Understand the definition of measurement and instrument; Have a general grasp of measuring system; Master the error theory and their corresponding usages; Understand the characteristics of

2、 instruments and their usages.,What is measurement?,What is instrument?,The process of gathering information from the physical world and comparing it with agreed stands Mathematics Description Where, Xmeasurand X0standards Kresult,1.1.1 Definition of Measurement (测量),例1,用精度为0.5%，测量范围为0500mm的直尺 测量容器液

3、位高度，得到X=350mm。,Standard ：mm Result ：350 Error ：2.5mm,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,信息转换,检测是更广泛的测量概念,1.1.2 Definition of Instrument (仪表),A device for recording, measuring, or controlling, especially such a device functioning as part of a control system.,1.1.3 Definition of Sensors (传感器),A sensor is

4、 a device that receives a signal or stimulus and responds with an signal. The term sensor （传感器）should be distinguished from transmitter（变送器）. A sensor converter of one type of energy into another A transmitter converts any type of energy into electrical.,1.2 Instrument classification,According to in

5、put parameters of sensor (measured parameters) Temperature; Pressure; Flow; Level; Displacement; Speed; Other According to output parameters of sensor Analog sensor; Digital sensor According to detection means used in sensor Biological ; Chemical; Electrical; Mechanical; Radioactivity; Other,1 Basic

6、 Concept,1.1 Definition(measurement, instrument, sensor) 1.2 Instrument classification 1.3 The measuring system Any measuring system can be broadly represented by the three-block diagram. The block represent the following functional elements. A sensor A signal conditioner A recorder or display,Trans

7、mitter,Primary quantities,Sensor,Signal conditioner,Recorder or display,Fig 1.1 Block diagram of a basic measurement system,Conditioned signal,Transduced signal,Section I Contents,1. Basic concepts 1.1 Definition (measurement, instrument, sensor) 1.2 Instrument classification 1.3 Measuring system,Se

8、ction I main vocabulary,measurement, instrument, sensor, transmitter, Input parameters, measured parameters, Temperature, Pressure, Flow, Level, Output parameters, Analog sensor, Digital sensor, Detection means, Biological, Chemical, Electrical, Mechanical, Radioactivity, signal conditioner, recorde

9、r, display,作业(email),能力拓展：生活中的传感器 留意观察自己身边的事物，试举出至少三个传感器应用的例子，并指出这些传感器在其中的作用和它们有何共同特点？,2 Error Theory,2.1 Definition of Error The difference between a computed or measured value and a true or theoretically correct value. Mathematically describe: Where, X_Measured value T_True value,What is true valu

10、e?,真值：,被测量的客观真实值,理论真值：,理论上存在、计算推导出来,如：三角形内角和180,约定真值：,国际上公认的最高基准值,如：基准米,(氪-86的能级跃迁在真空中的辐射波长),相对真值：,利用高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真值,1m=1 650 763.73 ,What are major sources of measurement error?,Instrument factors Wear and Aging, Improper calibration Environmental factors Improper measure method Staff facto

11、rs Carelessness, Improper observational method Measured Parameters factors,2 Error Theory,2.2 Error Classification According to the express mode According to measurement conditions According to the rule of error appearance,2 Error Theory,2.2 Error Classification According to the express mode Absolut

12、e error(绝对误差） Relative Error（相对误差） Calibration Error（引用误差）,温度计1，测量200 时的绝对误差为 0.5 温度计2，测量800时绝对误差为 1 求各自的相对误差是多少？,由相对误差公式，得 温度计1的相对误差 是 0.25 温度计2的相对误差 是 0.125%,结论： 相对于测量的实际值 而言，温度计2的测量结果准确度高,解：,例2,测量范围为01000 的温度计，测量各温度点时，产生的绝对误差均为 1 问测量200 、800 时，产生的相对误差是多少？,由相对误差公式，得 200 的相对误差 是 0.5 800 的相对误差 是 0.1

13、25%,结论：仪表测量范围内， 下限附近，测量的实际值小，产生的相对误差大； 上限附近，测量的实际值大，产生的相对误差小；,解：,例2,2 Error Theory,2.2 Error Classification According to the express mode According to measurement conditions Basic error Additional error According to the rule of error appearance,2 Error (误差）Theory,2.2 Error Classification According t

14、o the express mode According to measurement conditions According to the rule of error appearance Systematic Error Random Error Gross Error,Under the same conditions, repeatedly measure the same value,2 Error Theory,Systematic errors (系统误差） Character the rule and source of error is knowable Sources w

15、orn bearings or irregular spring tension on analogue meters. Improper calibration. power supply voltage fluctuation. Data processing Theoretical analysis and Experimental verification Data correction,思考题,如用称测量物体的重量，称盘的重量已有2两，则称出的结果总是比实际少2两，此处存在什么误差？ 测量一个直流电压信号，但该信号又受到交流50Hz正弦信号的影响，如图，此处存在什么误差？,2 Err

16、or Theory,Random errors （随机误差） Character the rule and source of error is unknowable,对称性,有界性,抵偿性,单峰性,2 Error Theory,Random errors （随机误差） Character the rule and source of error is unknowable Sources Many accidental factors. Data processing Statistical Analysis Reduce error,2 Error Theory,Gross errors（

17、粗大误差） Character Obviously incorrect. Sources Staff Improper measure method Environmental Data processing Delete,思考题,测交流电压，实测221V，记成2210V，此处存在什么误差？,思考题,用天平秤量某样品得到下列观测值：12.12、12.10、12.13、12.11、12.12、12.14、12.25、12.12、12.13、12.10、12.14 (g) 请问是否存在粗大误差？,在相同条件下，对同一量进行重复观测结果中，有时可以发现个别的观测值明显偏离其他观测值，但又往往找不到造

18、成偏离的原因，这样的值称为异常值。 如上例中的12.25。,2 Error Theory,Gross errors（粗大误差） Character Obviously incorrect. Sources Staff, Improper measure method, Environmental Data processing Delete,以3为置信区间，误差超过3异常值可认为坏值，予以消除。 “莱伊特准则”,思考题,上题解： 1、剔除异常值12.25后计算余下(n-1)观测值的算术平均值为12.12g； 2、计算剔除异常值后余下观测值的均方根误差(标准误差) =0.014g； 3、计算异常

19、值12.25与(n-1)观测值的算术平均值之差的绝对值 D=12.25-12.12=0.13g； 4、因D3,则可以判定异常值12.25为坏值，存在粗大误差(Gross errors )。,异常值的处理,当发现有明显偏离的观测值时，一般有以下处理方法： 1、正在观测时，发现仪器或方法出现偏离，应立即停止记录，待纠正偏离后，再进行观测记录。不应对原记录随意修改，而使其接近其他大多数观测值。 2、已经结束观测，对记录进行处理时发现可疑观测值，应尽量找出产生偏离的原因。,异常值的处理,3、当观测次数较少（46次），出现一个偏离较大的观测值，应在重复性条件下重新观测若干次（46次），再进行统计分析判断

20、（莱伊特准则）剔除异常值。 4、剔除的异常值，应保留在原始记录中。同时记录判断分析的过程，以供日后分析研究用。 5、对任何异常值，若无充分技术上、物理上说明异常的理由则不得随意进行剔除或修正。,2 Error Theory,2.1 Definition of error 2.2 Error Classification 2.3 Measurement system error,2 Error Theory,2.3 Measurement system error,Primary quantities,Sensor,Signal conditioner,Recorder or display,C

21、onditioned signal,Transduced signal,2 Error Theory,2.3 Measurement system error,练习：有一测温点，采用镍铬镍硅热电偶，基本误差14，采用铜康铜补偿导线，基本误差24，采用的温度记录仪，记录基本误差36，由于线路老化、仪表电桥电阻变化、工作环境电磁干扰等引起的附加误差46，试计算这一测温系统的误差为多少。 （10.2）,Section 2 Contents,2.Error Theory 2.1 Definition of error 2.2 Error Classification 2.3 Measurement s

22、ystem error,Section 2 main vocabulary,Measured value, True value, Absolute error, Relative error, Calibration error, Basic error, Additional error, Systematic error, Random error, Gross error, Measurement system error,3 Sensor Characteristics,3.1 Static performance (静态特性) 3.2 Dynamic performance (动态

23、特性) 3.3 Sensor calibration,3.1 Static performance,(1)Span (Input Full Scale) 测量范围（量程） A dynamic range of stimuli which may be converted by a sensor is called a span or an input full scale (FS).,3.1 Static performance,(2)Accuracy and Precision （精确度和精密度） Accuracy which really means inaccuracy. Inaccur

24、acy is measured as a highest deviation of a value by the sensor from the ideal or true value at its input. Precision related with random error,3.1 Static performance,(2)Accuracy and Precision,low Precision （随机误差大） high Accuracy（系统误差小）,low Precision （随机误差大） low Accuracy（系统误差大）,high Precision （随机误差小）

25、high Accuracy（系统误差小）,high Precision （随机误差小） low Accuracy（系统误差大）,3.1 Static performance,精度 精度 is comprised of distorting effects both systematic and random.,根据国家标准GB/T13283-91,常用的精度等级有：0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、 2.5、4.0、5.0,一般我们用仪表最大引用误差的大小来作为判断仪表精度的尺度。,1级表，即指该表的最大引用误差,某一标尺为0100m3/h的流量计出厂前经校

26、验，其测量最大绝对误差为0.8m3/h， 请确定仪表的精度等级。,该表的精度为1.0级,例3,思考题,精度高的仪表测量误差一定小吗？ 某设备被测温度4000C，一种温度计测量范围010000C, 精度1.0级，另一种温度计测量范围06000C，精度1.5级。请问你选择那一种温度计进行测量？,仪表选择的一般原则,量程选择 示值越接近满刻度值，示值相对误差值值越小，测量准确度越高；而示值越小，示值相对误差越大，测量准确度越低。 进行量程选择时应尽可能使示值能接近满刻度值，一般示值以不小于满刻度的2/3为宜。 精度选择 同样量程的仪表，仪表等级数越小，测量越准确；而对于不同量程、不同等级的仪表，我们

27、应该根据被测量的大小，兼顾仪表级别和量程上限，合理选择仪表。,3 Sensor Characteristics,3.1 Static performance (静态特性) (1)Span (Input Full Scale) (2)Accuracy and Precision (3)Hysteresis,3.1 Static performance,(3)Hysteresis （迟滞/回差/变差） A hysteresis error is a deviation of the sensors output at a specified point of the input signal wh

28、en it is approached from the opposite directions,某一标尺为0500的温度计出厂前经校验，其刻度 标尺各点测量值如下。 (1) 求仪表最大绝对误差 （2）确定仪表的回差和精度等级 （3）仪表使用一段时间后，重新校验时，仪表最大 误差为8，问该表是否符合原出厂时的精度等级。 (国标常用的精度等级有：0.5、1.0、1.5、 2.5),例4,标准表,被校表,3.1 Static performance,(4) linearity （线性度） Nonlinearity error is specified for sensors whose trans

29、fer function may be approximated by a straight line.,3.1 Static performance,(4) linearity（线性度）,理论拟合 过零旋转拟合 端点连线拟合 端点平移拟合 几种直线拟合方法,某一标尺为0500的温度计出厂前经校验，其刻度 标尺各点测量值如下。 （4）此仪表的非线性误差约为多少？,例4,标准表,被校表,3.1 Static performance,(5) Sensitivity（灵敏度） The ratio of the change in output to the corresponding change

30、in input under static or steady-state conditions.,3.1 Static performance,(5) Sensitivity（灵敏度）,3.1 Static performance,x,If elements of a system having static sensitivities of S1,S2,S3,etc. are connected in series or cascade , then the overall system sensitivity S is given by,(5) Sensitivity（灵敏度）,A te

31、mperature-measuring system incorporates a platinum resistance thermometer. A wheatstone bridge, a voltage amplifier, and a pen Recorder. The individual sensitivity are as follows: Sensor 0.35ohm/ wheatstone bridge 0.01V/ohm Amplifier gain 100V/V Pen recorder 0.1cm/V Determine a) the overall system s

32、ensitivity and b) the temperature change corresponding to a recorder pen movement of 4cm,0.035cm/；114.3,Exercise,一块精度为2.5级，测量范围为010MPa的压力表，其标尺分度最多分多少格？ 40格,例5,规定： 仪表标尺分格值不能小于仪表允许的绝对误差。,3.1 Static performance,(6) Resolution（分辨率） 分辨率是指传感器在任何刻度上使输出变化的最小输入信号增量。 (7) Dead band（死区/灵敏限） 灵敏限是指传感器在刻度起点处使输出变化的

33、最小输入信号增量。,3.1 Static performance,(7) Dead band （死区/灵敏限） Dead band is the insensitivity of a sensor in a specific range of input signals. In that range, the output may remain near a certain value (often zero) over an entire dead band zone.,3.1 Static performance,(8) Repeatability （重复性） 相同工作条件下，对同一输入值

34、按同一方向，连续多次测量的输出值的一致程度。,3.1 Static performance,(9) Reproducibility（再现性） 相同工作条件下，对同一输入值两个相反方向上重复测量的输出值一致程度。,3.1 Static performance,(10) Drift （漂移） 传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。 产生原因： 传感器自身结构参数老化 测试过程中环境发生变化,3.1 Static performance,(11)Reliability （可靠性） The probability that it will operate at an agreed lev

35、el of performance for a specified period.,Time in service,FIGURE the bathtub-shaped reliablity curve of instruments,3.1 Static performance,1、测量范围及量程(span, FS) 2、精度(accuracy a1理论灵敏度; a2 an非线性项系数,3.2 Dynamic performance,输入量随时间变化时传感器的响应特性。 Dynamic error：实际的传感器,输出信号不会与输入信号具有相同的时间函数,输出与输入间有差异。,误差原因：温度传感器

36、的热惯性 （比热容、质量）和传热热阻,动 态 测 温,3.2 Dynamic performance,传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一般都可以用下述的n阶微分方程（线性定常系统）描述：,a0,a1an,b0,b1bm是与传感器的结构特性有关的常系数。,线性时不变系统有两个重要的性质,叠加性 如果 则： 频率保持特性 如果 则：,3.2 Dynamic performance,3.2.1 Step response characteristics 阶跃响应特性 3.2.2 Frequency response characteristics 频率响应特性,一阶传感器的阶跃响应特性,上升

37、时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。,时间常数：传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间。,延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。,二阶传感器的阶跃响应特性,时间常数 延迟时间td 上升时间tr,峰值时间tp 响应时间ts 超调量 衰减比d,3.2 Dynamic performance,3.2.2 frequency response characteristics 频率响应特性 Amplitude-frequency characteristic (幅频特性) Phase-frequency characteristic (相频特性),一阶传感器的频率响应

38、特性,幅频特性,相频特性,二阶传感器的频率响应特性,幅频特性,相频特性,3.3 Sensor calibration,传感器的标定： 利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。 传感器的校准： 是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。,3.3 Sensor calibration,3.3.1 Static calibration 3.3.2 Dynamic calibration 一阶传感器的时间常数; 二阶传感器的固有角频率和阻尼系数,3.3

39、 Sensor calibration,3.3.1 Static calibration 传感器的静态标定是在输入信号不随时间变化的静态标准条件下确定传感器的静态特性指标，如迟滞、线性度、灵敏度、死区、重复性、再现性等。 静态标准是指没有加速度、没有振动、没有冲击（如果它们本身是被测量除外）及环境温度一般为室温（205），相对湿度不大于85%，大气压力为7kPa的情形。,3.3 Sensor calibration,3.3.1 Static calibration 选用标准表的最大误差1/3被校表的允许误差 静态标定步骤： 1.设置测量点(一般将全量程分成若干个等间距点); 2.分别由小到大或由大到小逐点完成标准输入，记录测量结果; 3.按第2步对传感器进行正、反行程的多次测量，得到多组测量数据; 4.对测量数据进行分析和处理，确定被校传感器的静态特性指标。,Section 3 main vocabulary,Static performance, Span, Full scale, Accuracy