自动检测技术基础

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1、刘玉长自动检测和过程控制 (第4版) 电子课件 刘玉长上篇 自动检测自动检测技术主要介绍工业过程控制中温度 、压力、流量、物位、成分、机械量等的检测 原理、方法与检测仪表。内容如下：检 测 技 术 基 础流 量 测 量 与 仪 表物 位 检 测 仪 表成 分 分 析 仪 表温 度 检 测 与 仪 表压 力 检 测 与 仪 表机 械 量 测 量 与 仪 表显 示 仪 表新 型 检 测 技 术 与 仪 表 刘玉长第一章 自动检测技术基础本章介绍自动检测技术、仪表的基 本概念与有关测量误差及处理的基本原 理与方法。第一节 自动检测的基本概念 第二节 测量误差及处理方法 第三节 测量不确定度刘玉长第一

2、节 自动检测的基本概念一、检测检测即测量，是为准确获取表征被测对象 特征的某些参数的定量信息，利用专门的技术工 具，运用适当的实验方法，将被测量与同种性质 的标准量(即单位量)进行比较，确定被测量对标 准量的倍数，找到被测量数值大小的过程。 刘玉长二、检测的基本方法检测方法是实现检测过程所采用的具体方 法。根据检测仪表与被测对象的特点，检测方法 主要有以下几种： (1)接触式与非接触式; (2)直接、间接与组合测量； (3)偏差式、零位式与微差式测量。还有其他的分类(如根据物理量、检测原理) 。刘玉长三、检测仪表的组成检测仪表是实现检测过程的物质手段，是 测量方法的具体化，它将被测量经过一次或

3、多次 的信号或能量形式的转换，再由仪表指针、数字 或图像等显示出量值，从而实现被测量的检测。 电量/数字量电量物理量检测仪表的组成框图被测 对象传感器变送器显示、记 录装置刘玉长(一) 传感器传感器也称敏感元件，一次元件，其作用 是感受被测量的变化并产生一个与被测量呈某种 函数关系的输出信号。 传感器分类：根据被测量性质分为机械量 传感器、热工量传感器、化学量传感器及生物量 传感器等；根据输出量性质分为无源电参量型传 感器(如电阻式传感器、电容式传感器、电感式 传感器等)与发电型传感器(如热电偶传感器、光 电传感器、压电传感器等)。 刘玉长(二) 变送器其作用是将敏感元件输出信号变换成既保 存

4、原始信号全部信息又更易于处理、传输及测量 的变量，因此要求变换器能准确稳定的实现信号 的传输、放大和转化。 刘玉长(三) 显示(记录)仪表 也称二次仪表，其将测量信息转变成人感 官所能接受的形式，是实现人机对话的主要环节 。显示仪表可实现瞬时或累积量显示，越限和极 限报警，测量信息记录，数据自动处理，甚至参 量调节功能。一般有模拟显示、数字显示与屏幕 显示三种形式。 刘玉长四、检测仪表的分类v按被测参数性质分：过程参数(温度、压力、 流量、物位、成份 )、电气参数(电能、电流、电 压等)与机械量(位移、速度、振动等)；v按使用性质分类：实用型、范型和标准型； v其他分类方式：工作原理不同，分为

5、模拟式 、数字式和图像式等；按仪表功能的不同，可分 为指示仪、记录仪、积算仪等；按仪表系统的组 成方式的不同，分为基地式仪表和单元组合式仪 表；按仪表结构的不同，分为开环式仪表与闭环 式(反馈式)仪表。 刘玉长五、检测仪表的主要性能指标v静态性能指标: 不必考虑仪表输入量与输出量之间的动态 关系而只需考虑静态关系，联系输入量与输出量 之间的关系式中不含有时间变量。 v动态性能指标: 是测量仪表在动态工作过程中所呈现出的 特性，其反映测量仪表对随时间变化的被测量所 响应的性能，通常采用时域特性与频域特性等来 表征。 以下仅介绍静态性能指标。刘玉长(一)测量范围与量程测量范围:指在正常工作条件下，

6、检测系统或 仪表能够测量的被测量值的总范围，测量范围用 下限值ymin至上限值ymax来表示，即ymin ymax。 测量量程:为测量范围上限与下限的代数差， 即yFS=ymax-ymin 刘玉长(二)准确度定义：准确度也称精确度，是指测量结果与实际值 相一致的程度，是测量的一个基本特征。 max仪表所允许的误差界限，即允许误差；yFS 仪表量程。通常用准确度(精度)等级来表示仪表的准 确度，其值为准确度去掉“符号”及“%”后的数 字再经过圆整取较大的约定值。 刘玉长准确度等级(精度等级) 国际法制计量组织(OIML)建议书No.34推荐 ，仪表的准确度等级采用以下数字：(1,1.5,1.6,

7、2,2.5,3,4,5,6)10n ,n=1,0,-1,-2,-3等 上述数列中禁止在一个系列中同时选用 1.510n和1.610n，310n也只有证明必要和合理 时才采用。 我国自动化仪表精度等级【GB/T13283-2008 】有0.01、0.02、(0.03)、(0.05)、0.1、0.2、0.25 、(0.3)、(0.4)、0.5、1.0、1.5、(2.0)、2.5、4.0、 5.0等级别(括号内的精确度等级不推荐采用)。 一般科学实验用的仪表精度等级在0.05级以 上；工业检测用仪表多在0.15.0级，其中校验用 的标准表多为0.1或0.2级，现场用多为0.55.0级 。刘玉长例1：

8、某压力表的量程为10MPa，测量值的允许 误差为0.03MPa，则仪表的准确度等级为？解：0.03/10100%=0.3%因为我国的自动化仪表精度等级中不推荐 采用0.3级仪表，所以仪表的准确度等级应为0.5 级。刘玉长(三) 线性度 仪表实测输入输出特性 曲线与理想线性输入输出特 性曲线的偏离程度(如图)。用 实际输入输出特性曲线与理 想输入输出特性曲线间最大 偏差值m与量程yFS之比百 分数来表示，如图。 仪表线性度示意图 1-实测曲线;2-理想曲线刘玉长(四)变差变差也称回差或迟滞误差，在外界条件不 变的前提下，使用同一仪表对某一参数进行正反 行程(即逐渐由小到大和逐渐由大到小)测量，两

9、 示值之差为变差，变差反映仪表检验时所得的上 升曲线与下降曲线经常出现不重合的现象。 原因：检测装置中的弹性元件、机械传动 中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。 刘玉长(五)重复性重复性指在测量装置在同一工作环境，被 测对象参量不变的条件下，输入量按同一方向 做多次（三次以上）全量程变化时，输入输出 特性曲线的一致程度。用输入输出特性曲线间 最大偏差值R与量程yFS之比百分数来表示，如 图。 XyFSxyDR0刘玉长(六)分辨力分辨力是指仪器能检出和显示被测信号的 最小变化量，是有量纲的数。分辨率是指仪器分 辨力除以仪表的量程。 对数字仪表而言，如果没有其他附加说明 ，一般认为该表的最后一位所表

10、示的数值就是它 的分辨力。分辨力的数值小于仪表的最大绝对误 差。而最大示值的倒数为数字表的分辨率。例如 ，3位表的最大示值为1999，则分辨率为：1/19991/2000=0.0005= 0.05% 即万分之五 。 刘玉长第二节 测量误差及处理方法在测量过程中，由于测量方法的差异性， 测量工具准确性，观测者的主观性、外界条件的 变化及某些偶然因素等的影响，使得被测量的测 量结果与客观真值之间总存在一定的差值，这种 差值称为测量误差。 刘玉长一、测量误差(一) 测量误差的表示方法 1、绝对误差 被测量的测量值(xi)与真值(x0)之差。即=xi- x0真值x0是指被测量的客观真实值，有以下几种取

11、法：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,定义米是1 299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。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标准仪器的测量标准差3s原则，剔除坏值，并从(2)重新计 算； (6)判断有无系统误差，如有系差，查明原因 ，重新测量； (7)求算术平均值的标准偏差： (8)得出最终表达式，即：刘玉长(五)测量系统误差的合成 测量系统一般由若干个单元组成，测量过 程中各个环节都产生误差，为了确定整个系统 的误差，需要将每一个环节的误差综合起来， 称为误差的合成。刘玉长1、系统误

12、差的合成 (1)已定系统误差的合成： 大小和正负已知的系统误差称为已定系统 误差，它们的数值分别为E1, E2, Em，则已定 系统误差采用代数和的方法进行合成 (2)未定系统误差： 难以知道或不能确切掌握大小和方向的系 统误差称为未定系统误差，它们的数值分别为e1, e2, en，总的未定系统误差为 刘玉长2、随机误差的合成 设测量结果中有k个彼此独立的随机误差， 各单项的均方根误差分别为1,2,k，按方和 根的方法综合k个彼此独立的随机误差的均方根 误差：刘玉长3、误差综合若待测参数的系统误差为E(已定)和e (未定) ，随机误差为k，且相互独立，系统总的合成误 差y可用下式表示 ：刘玉长

13、例2:用电压表对某电压进行16次测量(见下表)。 要求给出包括误差在内的测量结果表达式。 序号xivivivi2|vi| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16205.30 204.94 205.63 205.24 206.65 204.97 205.36 205.16 205.71 204.70 204.86 205.35 205.21 205.19 205.21 205.320.00 -0.36 +0.33 -0.06 +1.35 -0.33 +0.06 -0.14 +0.41 -0.60 -0.44 +0.05 -0.09 -0.11 -0.09 +

14、0.02+0.09 -0.27 +0.42 +0.03 - -0.24 +0.15 -0.05 +0.50 -0.51 -0.35 +0.14 0.00 -0.02 0.00 +0.110.0081 0.0729 0.1764 0.0009 - 0.0576 0.0225 0.0025 0.2500 0.2601 0.1225 0.0196 0.0000 0.0004 0.0000 0.01210.09 0.27 0.42 0.03 - 0.24 0.15 0.05 0.50 0.51 0.35 0.14 0.00 0.02 0.00 0.11刘玉长解：求算术平均值计算残差ni(列于表中)，且

15、Sni =0。计算标准差s：按D=3s=1.3302原则(莱依特准则)知 x5=206.65为坏值(1.351.3302)，剔除。重新计算剩余15个数据的平均值、残差、 标准差，并判断有无坏值：显然剩余15个数中已无坏值。刘玉长检查测量数据中是否含有系统误差【以下 用贝塞尔公式与佩捷斯公式求得s1、s2之值比较 来判断。也可对vi 作图，判断有无系统误差】 。刘玉长求算术平均值的标准偏差：得出最终表达式，即：刘玉长第三节 测量不确定度一、 基本概念测量不确定度是评定测量结果质量的一个 重要指标，是误差理论发展和完善的产物，是建 立在概率论和统计学基础上的新概念，在检测技 术中具有十分重要的地位

16、。 (一)定义 测量不确定度(Uncertainty of measurement) 是表征合理地赋予被测量值的分散性并与测量结 果相联系的参数。 刘玉长(二)测量误差与测量不确定度的区别 测量误差和测量不确定度是误差理论中的两个重 要且不同的概念，它们都可用作测量结果准确度评定的 参数，是评价测量结果质量高低的重要指标： (1)误差是不确定度的基础，研究不确定度首先需要 研究误差，只有对误差的性质、分布规律、相互联系及 对测量结果的误差传递关系等有了充分的了解和认识， 才能更好地估计各不确定度分量，正确得到测量结果的 不确定度，用测量不确定度表示测量结果，易于理解、 便于评定，具有合理性和实用性。 (2)测量不确定度的内容不能包罗更不能取代误差理 论的所有内容，不确定度是现代误差理论的内容之一， 是对经典误差理论的一个补充。 刘玉长二、测量不确定度的分类与表达 不确定度按照其评定方法的不同，可以分 为A类评定(type A evaluation of uncertainty)和B类 评