自动化仪表基础知识（高端培训）

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1、过程控制系统安调与检修,第一章,过程控制系统 基本概念,过程控制系统基本概念,1-1 绪论 1-2 过程控制系统的性能指标 1-3 自动化仪表基础知识 1-4 防爆与防护,1-3 自动化仪表基础,1-3 自动化仪表基础,3-1 概述 3-2 分类 3-3 基本技术指标 3-4 测量基本知识,3-1 概述,1、定义：自动化仪表不是指电流表、电压表、示波器这些通用仪表，而是指生产自动化中，特别是连续生产过程自动化中必需的一类专门的仪器仪表,2、作用： 代替人们对生产过程进行测量、控制、监督和保护，是实现生产过程自动化必不可少的技术工具。,3、发展过程,(1)仪表化与局部自动化阶段(20 世纪506

2、0 年代) 这个阶段的主要特点是：采用的过程检测控制仪表为基地式仪表和部分单元组合式仪表，而且多数是气动仪表。,过程控制系统的结构绝大多数是单输入单输出系统。 被控参数主要是温度、压力、流量和液位四种工艺参数，控制的目的主要是保持这些工艺参数的稳定、确保生产安全。 过程控制系统分析、综合的理论基础是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论。,(2) 综合自动化阶段(20 世纪6070 年代中期) 大量采用单元组合仪表(包括气动和电动)和组装式仪表。与此同时，计算机开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制(Direct Digital Control，DDC)和设定值控制(Statistical

3、 Process Control，SPC)。,在自动化仪表过程控制系统的结构方案方面，相继出现了各种复杂的控制系统，如串级控制、前馈反馈复合控制、Smith 预估控制以及比值、均匀、选择性控制等，一方面提高了控制质量，另一方面也满足了一些特殊的控制要求。,自动化仪表控制系统的分析与综合的理论基础，由经典控制理论发展到现代控制理论。控制系统由单变量系统转向多变量系统，以解决生产过程中遇到的更为复杂的问题。,(3) 全盘自动化阶段(20 世纪70年代中期至今) 开始采用以微处理器为核心的智能单元组合仪表(包括可编程序控制器等)；成分在线检测与数据处理的应用也日益广泛；模拟调节仪表的品种不断增加，可

4、靠性不断提高，电动仪表也实现了本质安全防爆，适应了各种复杂过程控制的要求。,在过程控制系统的结构方面，由单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定值控制发展到最优控制、自适应控制，由自动化仪表控制系统发展到计算机分布式控制系统等。,(4)计算机时代 当前，自动化仪表控制已进入了计算机时代，进入了所谓计算机集成过程控制系统(Computer Integrated Process System，CIPS)的时代。,CIPS 利用计算机技术，对整个企业的运作过程进行综合管理和控制，包括市场营销、生产计划调度、原材料选择、产品分配、成本管理，以及工艺过程的控制、优化和管理等全过程。分布式控制系统，

5、先进过程控制策略以及网络技术、数据库技术等将是实现CIPS 的重要基础。,4、分类,一般将自动化仪表分为过程检测仪表和过程控制仪表,一次仪表 过程检测仪表 二次仪表 自动化仪表 调节器、可编程调节器 过程控制仪表 执行器 操作器,一次仪表-将被测量转换为便于计量的物理量所使用的仪表。 二次仪表-将测得的信号变送转换为可计量的标准电气信号并显示的仪表。即包括变送器和显示装置。,按使用能源分： 液动仪表、气动仪表和电动仪表 按结构形式分： 基地式仪表、单元组合式仪表和组装式仪表等,按信号类型分： 模拟式仪表和数字式仪表 按单元组合方式分： 气动单元组合仪表和电动单元组合仪表,标准信号: 气动控制仪

6、表：0.020.1MPa的模拟气压信号，作为仪表间的标准联络信号。,电动控制仪表： 电动型:010mA（DC）电流信号 电动型:420mA（DC）电流信号 15V（DC）电压信号,气动控制仪表的特点：结构简单，性能稳定可靠，维护方便，价格便宜，并且具有本质安全防爆性能，特别适用于石油、化工等有爆炸危险的场所。,电动控制仪表的特点：可以实现无滞后的远距离传送，同时又具有能源简单、便于和计算机配合的特点。由于采取安全火花防爆措施解决了防爆问题，电动仪表同样也能应用于易燃易爆的危险场所，因此在工业生产过程中得到越来越广泛的应用。,单元组合式仪表,按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单

7、元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；,基地式仪表,一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内 同时具有检测、控制与显示的功能 结构简单、价格低廉、使用方便 通用性差，信号不易传递 一般应用于简单控制系统中。,模拟式：传输信号通常为连续变化的模拟量，其线路简单，操作方便，价格较低 模拟式仪表：基地式 单元组合式 组件组装式仪表,数字式：传输信号为断续变化的数字量。 数字式仪表： 现场级数字仪表 可编程调节器 可编程控制器,可编程调节器： 具有比传统模拟仪表更为丰富的运

8、算和控制功能，它可以提供多种软件功能模块，由用户根据生产控制的要求通过组态完成各种运算处理和复杂控制，具有很大的应用灵活性，但其软件系统比较复杂。,3-3 测量基本知识,1、分类 （1）直接测量 （2）间接测量 （3）组合测量,按被测量在测量过程中的状态 （1）动态测量 （2）静态测量,2、组成,（1）传感器 （2）变送器 （3）传输通道 （4）显示装置,3、误差,(1) 绝对误差和相对误差,绝对误差：测量结果与被测量的真值之间的差值。 绝对误差=测量值真值 相对误差：测量的绝对误差与约定值的百分比。,实际相对误差：测量的绝对误差与被测量的实际值（真值）之百分比。 标称相对误差：测量的绝对误差

9、与仪表示值之百分比。 引用相对误差：测量的绝对误差与仪表的量程的百分比。,引用相对误差,引用误差 仪表量程,(2) 系统误差、随机误差和粗大误差,系统误差：在偏离测量规定条件时或由于测量方法引入的因素所引起的、按某确定规律变化的误差。,特点：有一定规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素，引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。 产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。,随机误差：在实际测量条件下，多次测量同一个量时，如果误差的绝对值和符号以不可预定方式变化，则这类误差称为随机误差。 特点：变化难以预测

10、,产生的原因：随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的各种随机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结果。 随机误差在多次测量的总体上服从一定统计规律，可利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。,粗大误差：超出在规定条件下预期的误差。 特点：无任何规律可循。 产生的原因：引起的原因主要是由于操作者的粗心（如读错、算错数据等）、不正确操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙测试等原因所造成的。,系统误差:提高仪表精度或改变测试方法 随机误差:多次测试,求平均值 粗大误差:直接剔除,处理办法,(3)基本误差、附加误差和允许误差,基本误差：指仪表在规定的正常工

11、作条件下所具有的误差。,附加误差-指仪表超出规定的正常工作条件时所增加的误差。 允许误差-指仪表的允许的误差界限。,(4) 静态误差和动态误差,静态误差：与被测量的变化速度无关的误差。 动态误差：在被测量的信息处于变动状态下仪表示值与被测量的实际值之间的差异，叫动态误差。,在测量系统中，当被测量随时间变化时，在测量信号的转换和传递过程中，会遇到各种运动惯性和时间上的滞后，使得表示值（输出量）在时间上不能与被测量的实际值（输入量）精确吻合。,3-4 基本技术指标,1 量程 量程：该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。 测量下限：测量范围的最小值，简称下限。 测量上限：测量范围的最大值，简称

12、上限。,仪表的量程可以用来表示其测量范围的大小，是其测量上限值与下限值的代数差，即 量程= 上限值-下限值,被测量值在满刻度的2/3左右，能提高测量精度。,2 准确度（精确度） 仪表的准确度指仪表的允许误差与仪表量程之百分比。,思考,去掉精确度(最大引用误差)的“%”号，就是仪表的精度等级,工业部规定仪表的精度等级： 0.005，0.02，0.1，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。,一般工业用表为0.54级精度。,例1：有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0100和100300，校验仪表时得到它们的最大绝对误差均为2，试确定这两台仪表的精度等级。 解:这两台仪表的最大引用误差

13、分别为,一台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级为1级。,去掉最大引用误差的“%”号，其数值分别为2和1，由于国家规定的精度等级中没有2级仪表，同时该仪表的误差超过了1.5级仪表所允许的最大误差，所以这台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级正好为1级。,由此可见，两台测量范围不同的仪表，即使它们的绝对误差相等，它们的精度等级也不相同，测量范围大的仪表精度等级比测量范围小的高。,例2 某台测温仪表的工作范围为0500，工艺要求测温时测量误差不超过4，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？ 解：根据工艺要求，仪表的最大引用误差为：,应选择0.5级的仪表才能满足要求,去掉最

14、大引用误差的“”号和“%”号，其数值为0.8，介于0.51.0之间，若选择精度等级为1.0级的仪表，其最大绝对误差为5，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级的仪表才能满足要求。,3 变差（回差） 在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值和仪表量程之比的百分数称为回差，也称变差。,4、灵敏度与灵敏限,灵敏度-测量仪表对被测参数变化的灵敏程度。通常用仪表的输出变化量，如指针的线位移或角位移与引起此位移的被测参数变化量之比来表示。,提高仪表的灵敏度可采用增加放大部分的放大倍数来实现。不过仪表的性能主要取决于仪表的基本误差。,灵敏限-引起仪表示值发生变化的被测参数的最小变化量。 通常灵敏限应不大于仪表允许误差的一半。,作业 P10 1、有两台测量仪表，其测量范围分别为0800和6001100，已知其绝对误差的最大值均为6，试求它们的准确度等级。,2、某设备被测温度为400左右，现有两支温度计，一支测量范围为01000，准确度等级为1.0，另一支范围为0600，准确度等级为1.5，应选择哪一支温度计进行测量？为什么？,