检测技术与仪表【一】

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1、 检测技术与仪表讲授内容:第一部分：绪论检测技术的基础知识 第二部分：温度测量 第三部分：压力、压差测量 第四部分：流量测量 第五部分：物位测量 第六部分：过程成分分析仪器 第七部分：机械量测量 第八部分：显示仪表介绍讲 授：许晓平昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系第一部分：绪论检测技术的基础知识检测技术和测量仪器的重要作用典型控制系统生产现场情况检测技术与仪表的理论基础关于测量与仪表的相关概念和定义；一、测量及测量方法二、测量误差及其处理方法三、测量仪表的质量指标 热工检测系统简介仪表的防爆和防护的有关知识。计算举例 检测技术与仪表第一部分：绪论仪器仪表是现代信息链中的源头技术仪器仪表

2、的功能:是利用物理、化学和生物的方 法来获取被测对象的组分、状态、运动和变 化的信息，通过转换和处理，使这些信息成 为易于人们阅读和识别的量化形式。1) 新技术革命的关键是信息技术; 2) 信息技术由测量技术、计算机技术和通信技 术三部分组成，测量技术则是关键和基础。1.1 序 言检测技术及仪器仪表的重要作用“仪器仪表是人们认识世界的工具。” 1) 科研工作是对未知进行探索，必然要借助实验方 法和仪器设备； 2) 科研的创新工作都是从研究新的测试方法和实验 仪器开始的； 3) 检测技术和仪器仪表的发展代表着科技进步的前 沿，是科技发展的支柱。 在工农业生产、环境保护和能源节约中都发挥着重要 的

3、作用 1)担负着对生产过程的监测和控制； 2)是保证生产连续、高效、安全和无污染运行的关 键。 在产品质量评估、计量标准实施中 起着技术监督的“物质法官”的作用。1.1 序 言检测技术及仪器仪表的重要作用1.1 序 言检测技术及仪器仪表的重要作用检测技术及仪器仪表的研制、生产和应用将推动企业 信息化进程企业信息化就是利用现代的信息获取技术（传 感器、检测方法）、信息处理技术（计算机、数据处 理方法）和信息传输技术（网络总线技术）对企业进 行全方位、多角度、高速安全的检测和控制，实现以 信息流控制物质流和资金流。 通过信息资源的开发和有效利用来提高企业的生产 能力和经营管理水平； 建立：以生产过

4、程为核心的自动化系统；以财务成 本管理为核心的企业管理信息系统和以电子商务为核 心的发展决策支持和现代营销系统。 1.1 序 言检测技术及仪器仪表的重要作用检测技术和仪器仪表发展： 向光、机、电一体； 综合多种学科发展的高新技术领域； 向微型化、智能化、集成化和网络化方向发展 ； 采用微机电子技术（MEMS）、纳米技术、功能 材料、仿生学技术和网络通信技术领域中的最新 成果已成为检测技术和仪器仪表的发展方向。 企业信息化内涵：生产过程自动化、管理网络化 和决策智能化三者的结合，而生产过程自动化是 信息化的基础和前提。1.2 典型控制系统自动化控制系统经历了四个发展阶段： 仪表控制系统； 数字直

5、接控制系统（DDC，Direct Digital Control）； 分布式控制系统（DCS，Distributed Control System）； 现场总线控制系统（FCS, Field bus Control System）。一、仪表控制系统用单元组合仪表构成的控制系统。例：精馏塔仪表控制系统组成。 1.2 典型控制系统精馏是（化工、炼油生产中广泛）用来使液 体混合物组分分离并提纯的工艺手段。利用了各组分挥发难易程度不同的原理。典型设备是精馏塔。如图1.1所示。P31.2 典型控制系统混合组分1.2 典型控制系统 塔顶管线上压力调节回路： v 维持塔压的恒定； v 调节阀改变制冷剂的流量

6、 改变顶回流 所携带热量的大小 改变塔顶的压力值。 v 控制原理框图如下压力调节调节阀制冷剂流 量对象塔顶压力 对象压力测量压力给定SP +-测量值PV偏差e干扰1.2 典型控制系统 进料量采用了流量定值调节： v 减少进料对塔平衡工况的影响； v控制原理框图如下流量调节调节阀流量对象流量测量流量给定SP +-测量值PV偏差e干扰1.2 典型控制系统 液位调节系统： v 防止塔底液面和冷凝储罐内物料液面产生大 的波动。 v 控制原理框图如下液位调节调节阀液位对象液位测量液位给定SP +-测量值PV偏差e干扰1.2 典型控制系统 温度控制： v 提高精馏新产品纯度和提高生产效率； v 调节阀改变

7、加热器加热介质量 控制塔内 温度值。 v 控制原理框图如下温度调节调节阀加热介质 流量对象塔顶底温 度对象温度测量温度给定SP +-测量值PV偏差e干扰1.2 典型控制系统 塔顶轻组分流量定值调节系统： v 建立稳定的操作条件； v 采用轻组分部分回流。精馏塔的6个典型单回路控制系统中包括了温度 、压力、流量和液位控制系统，它们都是由传感 器、变送器、调节器和执行器四大仪表单元组成 的。测量变送器送出的信号可同时送给显示记录单元 ，对被测量进行实时显示和曲线记录。1.2 典型控制系统单回路控制系统可用信号传递方块图表示 如图1.2所示。调节器执行器被控对象测量变送给定值SP +-测量值PV偏差

8、e单元仪表也可以组成复杂调节系统，但需 要更多的仪表和连线。 1.2 单回路控制系统方框图干扰二、数字直接控制系统由：工业控制计算机、I/O功能卡、信号调理模块以及传 感器、变送器和执行器共同组成； 一套DDC装置可以构成多回路控制系统； 精馏塔的6个控制回路可用一套DDC装置进行控制； 系统方块图如图1.3所示。1.2 典型控制系统信号调理模块：对P、T、L、F信号进行放大、修正 、补偿或输出信号转变成电流、电压信号； I/O卡：A/D、D/A转换； 计算机：6路信号分别与给定值进行比较 得偏差 e 按调节规律（PID（比例、积分、微分）运 算后输出控制量 I/O卡经D/A变换输出信号调 理

9、模块 转变成电流信号分别控制6个调节阀完 成控制任务。DDC控制系统完成复杂控制不需要增加硬件设 备。1.2 典型控制系统三、分布式控制系统 分布式控制系统（DCS），也称为集散控制系 统； 把分散控制和集中管理有机地结合起来。 可分成三层： 1) 最底层是I/O单元，它与现场的变送器、执 行器相连接，完成信号调理和数据转换的工作 ； 2) 第二层是操作监控层，它完成实时操作，系 统组态，过程监控的任务； 3) 第三层为调度决策层，它负责数据采集、专 家决策、效益分析、生产调度等工作。1.2 典型控制系统1.2 典型控制系统DCS系统方块图如图1.4所示。四、现场总线控制系统 所有仪器都是智能

10、化仪表（带有CPU微处理器 ）； 完成数据采集、控制运算、故障诊断等功能； 并具有数字通信接口； 实现了全数字通信； 系统的所有功能都由网络中的节点即智能仪表 独立运行完成； 任何节点故障只会影响自己而不会危及全局； 提高了系统的可靠性，简化了系统的结构，减 少了安装和连线的费用。1.2 典型控制系统1.2 典型控制系统FCS控制系统方块图如图1.5所示。从以上控制系统发展中可以看到： 传感器、变送器和执行器是控制系统的基础； 完成生产过程信息的获取和改变工艺的操作； 控制系统的升级和发展，只是改变了信息的传 输、加工和有效利用的手段。因此，检测技术、仪器仪表技术在自动化 技术中占有重要的地位

11、，在实际控制系统中发 挥着重要的作用。1.2 典型控制系统检测技术与仪表生产现场生产现场情况企业信息中心检测技术与仪表参数集中监控系统检测技术与仪表现场参数的检测检测技术与仪表现场参数的检测检测技术与仪表现场参数检测与显示检测技术与仪表现场参数检测检测技术与仪表现场参数检测检测技术与仪表现场执行机构检测技术与仪表I/O控制站检测技术与仪表系统操作站工艺流程及参数显示工艺流程及参数显示工艺流程及参数显示1.3 检测技术理论基础一、测量及测量方法测量是以确定量值为目的的一组操作。 包括:手工或按程序自动进行的操作； 结果:得到被测量的最终结果值； 它的不确定度的估计值； 全部的数据处理过程。或测量

12、是利用某种工具并以实验或计算的 方法获取被测参数数值的过程。即，指被测参 数与预先确定的被测参数的“单位”进行比较 ，并获取比值的过程。1、测 量测量过程三要素： 测量单位：预先被确定，并以实物加以复现； 测量方法：将被测量与其单位进行比较的方法； 测量工具：测量过程的具体体现与实施者； （为求取比值而实际使用的）一些仪器仪表与设备 。 可由下式表示：1.3 检测技术理论基础(1-1) (1-2) x被测量值； u标准量，即测量单位； n比值（纯数），含有测量误差。1.3 检测技术理论基础测量结果：由测量所获得的被测量的量值。可用：一定的数值表示；一条曲线或某种图形表示；包括：比值和测量单位。

13、注意：测量结果只是被测量的最佳估计值，并非真值。如何评价测量结果的质量呢？ 可信程度1.3 检测技术理论基础可信程度：它表征测量值的分散程度，用测量不 确定度表示。因此，测量结果的完整表述应包括： 估计值； 测量单位； 测量不确定度。测量过程：传感器从被测对象获取被测量的信息， 测量信号，经过变换、传输、处理，从而获 得被测量量值的过程。 1.3 检测技术理论基础测量过程的信息包括被测量值和比值等依托于物质在空间和时间上进行传递。当被测量作用到实际物体上某些参数发生变化，参数承载了信息而成为信号 选择其中适当的参数作为测量信号。例如，热电偶温度传感器参数热电势；差压流量传感器中的孔板参数差压p

14、。1.3 检测技术理论基础2、测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称 为测量方法。 分类 根据获得测量值的方法分：直接测量、间接测量和 组合测量； 根据测量方式分：偏差式测量、零位式测量与微差 式测量； 根据测量条件不同分：等精度测量与不等精度测量 ；1.3 检测技术理论基础 根据被测量变化快慢分：静态测量与动态测量； 根据测量敏感元件是否与被测介质接触分：接触式 测量与非接触式测量； 根据测量系统是否向被测对象施加能量分：主动式 测量与被动式测量等。（ 1）直接测量、 间接测量与组合测量 直接测量：测量时，测得值直接与标准量进行比较 ，不需要经过任何运算，直接得到被测量的数值。表示

15、：y = x (1 - 3) y被测量的值； x直接测得值。 1.3 检测技术理论基础例如，用电流表测量电流；用弹簧管压力表测 量压力等。 优点：测量过程简单而又迅速。 缺点：测量精度不容易达到很高。 间接测量：测量时，首先对与被测量有确定函数关 系的几个量进行直接测量，将直接测得值代入函数 关系式， 经过计算得到所需要的结果。表示：y=f(x)或y=f(x1,x2, ,xn) (1-4) (1-5) 1.3 检测技术理论基础区别：被测量y不能直接测量求得； 必须由测得值x或xi（i=1，2， n）经函数关 系计算确定。如：直接测量电压值U和电阻值R，根据式 P=U2/R求电功率P。间接测量手续较多， 花费时间较长。组合测量：被测量必须经过求解联立方程组求 得，方程组中方程的个数n要大于被测量y的个 数m，用最小二乘法求出被测量的数值。1.3 检测技术理论基础如：有被测量y1，y2，ym，直接测得值为 x1, x2, , xn，列被测量与测得值之间的函数 关系方程组，即 (1 - 6) 优点：精密测量方法。缺点：复杂；时间长。 应用：科学实验或特殊场合。1.3 检测技术理论基础(2)偏差式测量、 零位式测量与微差式测量偏差式测量：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测 量的量值。 优点：简单、迅速；缺点：精度较低。 零位式测量：用指零仪表的零位反映