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发布时间:2020-06-29 09:32:07

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作者:张宏建、黄志尧、周洪亮、冀海峰 编著

出版社:化学工业出版社

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自动检测技术与装置

自动检测技术与装置试读:

自动化国家级特色专业系列规划教材指导委员会孙优贤 吴 澄 郑南宁 柴天佑俞金寿 周东华 李少远 王红卫陈 虹 荣 冈 苏宏业    

本书以信息为主线,从信息的获取、变换与处理、输出与显示等角度来介绍检测技术、检测仪表和检测系统。本书首先介绍检测技术的一般概念和检测仪表的共性知识,包括测量误差、准确度等;然后介绍各种检测元件的检测原理和使用特点;接着重点介绍各种常见参数的检测方法和检测仪表;最后简单介绍检测技术的最新进展,包括软测量技术、机器视觉系统及其图像处理等。

本书可以作为高等学校自动化、测控技术与仪器、电子信息工程、电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等相关专业的教材,也可以作为从事检测技术及仪表的研究生、科研工作者及工程技术人员的参考用书。书名:自动检测技术与装置(第三版)作者:张宏建等编著CIP号:第005928号ISBN:978-7-122-33684-2责任编辑:唐旭华 郝英华出版发行:化学工业出版社(北京市东城区青年湖南街13号 100011)购书咨询:010-64518888售后服务:010-64518899网址:http://www.cip.com.cn版权所有 违者必究总序

随着工业化、信息化进程的不断加快,“以信息化带动工业化、以工业化促进信息化”已成为推动我国工业产业可持续发展、建立现代产业体系的战略举措,自动化正是承载两化融合乃至社会发展的核心。自动化既是工业化发展的技术支撑和根本保障,也是信息化发展的主要载体和发展目标,自动化的发展和应用水平在很大意义上成为一个国家和社会现代工业文明的重要标志之一。从传统的化工、炼油、冶金、制药、机械、电力等产业,到能源、材料、环境、军事、国防等新兴战略发展领域,社会发展的各个方面均和自动化息息相关,自动化无处不在。

本系列教材是在建设浙江大学自动化国家级特色专业的过程中,围绕自动化人才培养目标,针对新时期自动化专业的知识体系,为培养新一代的自动化后备人才而编写的,体现了我们在特色专业建设过程中的一些思考与研究成果。

浙江大学控制系自动化专业在人才培养方面有着悠久的历史,其前身是浙江大学于1956年创立的化工自动化专业,这也是我国第一个化工自动化专业。1961年该专业开始培养研究生,1981年以浙江大学化工自动化专业为基础建立的“工业自动化”学科点被国务院学位委员会批准为首批博士学位授予点,1984年开始培养博士研究生,1988年被原国家教委批准为国家重点学科,1989年确定为博士后流动站,同年成立了工业控制技术国家重点实验室,1992年原国家计委批准成立了工业自动化国家工程研究中心,2007年启动了由国家教育部和国家外专局资助的高等学校学科创新引智计划(“111”引智计划)。经过50多年的传承和发展,浙江大学自动化专业建立了完整的高等教育人才培养体系,沉积了深厚的文化底蕴,其高层次人才培养的整体实力在国内外享有盛誉。

作为知识传播和文化传承的重要载体,浙江大学自动化专业一贯重视教材的建设工作,历史上曾经出版过很多优秀的教材和著作,对我国的自动化及相关专业的人才培养起到了引领作用。当前,加强工程教育是高等学校工科人才培养的主要指导方针,浙江大学自动化专业正是在教育部卓越工程师教育培养计划的指导下,对自动化专业的培养主线、知识体系和培养模式进行重新布局和优化,对核心课程教学内容进行了系统性重新组编,力求做到理论和实践相结合,知识目标和能力目标相统一,使该系列教材能和研讨式、探究式教学方法和手段相适应。

本系列教材涉及范围包括自动控制原理、控制工程、检测和传感、网络通信、信号和信息处理、建模与仿真、计算机控制、自动化综合实验等方面,所有成果都是在传承老一辈教育家智慧的基础上,结合当前的社会需求,经过长期的教学实践积累形成的。大部分教材和其前身在我国自动化及相关专业的培养中都具有较大的影响,例如《过程控制工程》的前身是过程控制的经典教材之一、王骥程先生编写的《化工过程控制工程》。已出版的教材,既有国家“九五”重点教材,也有国家“十五”“十一五”规划教材,多数教材或其前身曾获得过国家级教学成果奖或省部级优秀教材奖。

本系列教材主要面向自动化(含化工、电气、机械、能源工程及自动化等)、计算机科学和技术、航空航天工程等学科和专业有关的高年级本科生和研究生,以及工作于相应领域和部门的科学工作者和工程技术人员。我希望,这套教材既能为在校本科生和研究生的知识拓展提供学习参考,也能为广大科技工作者的知识更新提供指导帮助。

本系列教材的出版得到了很多国内知名学者和专家的悉心指导和帮助,在此我代表系列教材的作者向他们表示诚挚的谢意。同时要感谢使用本系列教材的广大教师、学生和科技工作者的热情支持,并热忱欢迎提出批评和意见。  2011年8月第三版前言《自动检测技术与装置》(第二版)于2010年8月出版发行,受到了广大读者的欢迎,先后印刷了5次,为多所高等院校选用。为适应科学技术的发展和新的教学体系,现结合教材使用过程各方面的反馈意见,经修订编写了第三版。

与第二版相比,第三版基本上保留了第二版的主要内容,但更新、补充和调整了不少地方,变动较大的章节主要有:(1)由于红外和超声波传感器的应用越来越重要和普及,第2章新增了2.11节(红外传感器)和2.12节(超声波传感器);(2)原第3章3.7节(机械量测量仪表)和3.9节(检测仪表的检定)部分,整节删除,并大幅度精简了原3.8节(显示仪表与装置)中陈旧的内容,以使相关内容更为紧凑并突出重点内容;(3)机器人技术的飞速发展使机器视觉检测越来越受到关注,因此,原第4章4.2节“图像检测系统”更新为“机器视觉系统及其图像处理技术”,并进行了内容的更新补充,并将原4.3节(过程层析成像)并入4.2节中,变为4.2.4节(过程层析成像);新增了4.3节(多传感器数据融合技术)。其他章节无大的修改,主要是内容及措辞上的完善。

第三版保留了前两版的特点和体系,强调“原理-元件-仪表-检测系统”这一教学主线,使内容更丰富、完整和与时俱进。

本书内容已制作成用于多媒体教学的电子课件,并将免费提供给采用本书作为教材的大专院校使用,如有需要可联系cipedu@163.com。

参加第三版修订工作的均为多年从事本课程教学的任课老师,修订工作由张宏建组织牵头,黄志尧负责第1章、第3章的修订,周洪亮负责第2章的修订,冀海峰负责第4章的修订。全书由张宏建和黃志尧整理定稿。

由于编者自身的水平和学识所限,虽经努力,书中难免存在不妥和遗漏之处,恳请读者批评指正。编著者        2018年12月于杭州浙大求是园  第二版前言

本书第一版自2004年出版以来得到了广大读者的关注,荣获第八届中国石油和化学工业优秀教材奖一等奖,使用量也较大。现根据读者的反馈意见以及科学技术的最新发展,经修订编写了第二版。与第一版相比,第二版对部分章节作了调整,如删去原书的第4章(检测技术中的信息处理与传输技术)、第3章的3.8节(变送器),其中的部分内容插入到相关章节中;对原书的第2章2.1节(检测技术的原理与方法)、第3章的3.1节(检测仪表的构成和设计方法)、3.5节(流量检测仪表)、3.9节(显示记录仪表与装置)以及第5章(现代检测技术)做了较大的调整;对其他章节也作了相应的修改。第二版尽量保持第一版的特点和体系,但努力在内容上更丰富、体系上更完整。

本书以广义信息论为主线,从检测元件和检测仪表角度,介绍和讨论有关信息的获取、信息的变换、信息的处理和信息的显示等方面的技术。

根据笔者多年来的教学实践体会,在结合本书教学时采用自学讨论式这样的一种教学方式较为合适。课堂教学主要讲一些有关检测技术及仪表的共性问题,然后布置思考题与习题,让学生在做习题和回答思考题的过程中看书,参考其他教材,学生之间相互讨论;教师选择部分有代表性的思考题让学生上讲台来回答、讨论甚至争论,最后教师进行归纳和总结。有条件的教师可以引导学生根据自己的爱好和特点撰写小论文、小报告。通过这样的教学活动,可以提高学生的学习积极性和学习兴趣,保证教学质量和教学效果。在教学内容安排上,教师可以根据专业特点选择本书的章节。对于自动化等相关专业,建议选择本书的第1、第2和第3章作为教学重点内容,第4章作为选学内容。

本书内容已制作成用于多媒体教学的电子课件,并将免费提供给采用本书作为教材的大专院校使用,如有需要可联系:cipedu@163.com。

参加第二版修订工作并负责第1章编写的有张宏建;第2章有周洪亮、张宏建;第3章有黄志尧、张宏建;第4章有冀海峰。全书由张宏建整理定稿。

由于水平有限,书中难免存在不妥之处,恳请读者批评指正。编著者       2010年7月于杭州浙大求是园  第一版前言

本书是为高等学校自动化专业编写的国家“十五”规划教材,也可以作为测控技术与仪器等相关专业开设的“传感技术”“检测技术”等专业课程的教材。随着信息技术的飞速发展,信息的获取、信息的处理、信息的传输、信息的显示已成为信息领域的关键技术。基于这个思想,本书以广义信息论为主线,介绍和讨论自动检测技术和自动化仪表中的信息技术。本书的主要特点有:

(1)力求将最新的传感技术、仪表技术及信息传输和处理技术等及时反映在教材中,同时还增加了软测量、图像检测和虚拟检测等现代检测技术;

(2)以信息为主线,围绕信息的获取、信息的变换、信息的处理、信息的传输和信息的显示等方面来讨论检测技术与检测系统;

(3)将传感技术与检测技术和自动化仪表结合起来,读者在通过本书的学习后不仅能理解一个个独立的传感器的原理,而且可以掌握由传感器及其他环节(仪表)构成的完整的检测系统。

根据作者多年来的教学实践的体会,在结合本书教学时采用自学讨论这样的一种教学方式较为合适。课堂教学主要讲一些有关检测技术及仪表的共性问题,然后布置思考题和习题,让学生在做习题和回答思考题的过程中看书,参考其他教材,学生之间相互讨论;教师可选择部分有代表性的思考题让学生上讲台来回答、讨论甚至争论,最后教师进行归纳和总结。如有条件,教师可以引导学生根据自己的爱好和特点撰写小论文、小报告。通过这样的教学活动,可以提高学生的学习积极性和学习兴趣,保证教学质量和教学效果。在教学内容安排上,教师可以根据专业特点选择本教材的章节。对于自动化专业,建议将本书的第1、第2和第3章作为教学重点内容,第4、第5章作为选学内容。

本书内容已制作成用于多媒体教学的电子课件,并将免费提供给采用本书作为教材的大专院校使用,如有需要可联系:txh@cip.com.cn。另外,与本书配套的《检测控制仪表学习指导》已经出版,该书收集了大量的例题与习题,给出了例题分析、题解与习题答案,欢迎广大师生及读者选用。

参加本书编写的有:第1章张宏建、戴克中、杨先麟;第2章张志君、张宏建;第3章张宏建、戴克中、冀海峰、韩雪飞;第4章蒙建波;第5章冀海峰、张志君。全书由张宏建整理定稿,韩雪飞和程路也参加了部分章节的整理工作。全书由李海青教授审定。

虽然编者对书稿作了多次校核,但由于水平有限,书中难免存在问题和错误,恳请读者批评指正。编者       2004年4月于杭州浙大求是园 1 检测技术基础1.1 检测技术的基本概念

检测是一种获得信息的过程。我们人类时刻都在用自己的五官感受周围的声音、图像、气味等大量信息,通过这些信息的获取,不断丰富自身的知识。事实上,世界上几乎所有的生物都有检测周围环境信息的器官,这些器官是生物赖以生存的必要条件。

在科学研究、工业生产和军事等领域中,检测是必不可少的过程。例如,在自动控制系统中,检测是其中一个非常重要的环节。典型的闭环控制系统中的控制器是根据给定值与被控变量(经测量变送)之间的差值,经一定的运算形成输出去控制操纵变量,如图1.1所示。控制器输出值的变化使被控变量逐渐接近给定值,直到两者相等。可以看出,如果没有检测手段检测出被控变量的变化,就不可能组成一个自动控制系统;如果被控变量的检测误差很大,那么这个控制系统就不可能实现精确的控制;如果测量变送单元的滞后较大,就得不到高质量的控制效果。图1.1 闭环控制系统框图

通常所讲的检测是指使用专门的工具,通过实验和计算,进行比较,找出被测参数的量值或判定被测参数的有无。也就是说,检测的结果可能是一个具体的量值,也可以是一个“有”或者“无”的信息。而完全以确定被测对象量值为目的的操作称为“测量”。由于二者有相同之处,所以在本书的文字描述中会根据需要有时用“检测”,有时用“测量”。

检测技术是研究如何获取被测参数信息的一门科学,涉及数学、物理、化学、生物、材料、机械、电子、信号处理和计算机等很多学科。因此,这些学科的进展都会不同程度地推进检测技术的发展。1.2 检测仪表的基本概念1.2.1 检测仪表的定义

(1)检测仪表

一般来说,检测的过程就是用敏感元件将被测参数的信息转换成另一种形式的信息,通过显示或其他形式被人们所认识。所以敏感元件和显示装置构成了检测仪表的基本组成部分,如图1.2所示。有的敏感元件的输出不能在显示装置上直接显示,而需要经过一定的变换后显示。数字检测仪表一般还配有必要的硬件和软件进行相关的处理。测量电路与显示装置配套使用,使显示的数值直接对应被测参数的大小。图1.2 检测仪表的组成框图

一般来说,一台检测仪表是一个相对独立使用的整体,它能实现某个参数的检测。即一台仪表能测一个参数,这也就是传统意义上的“一一对应”。例如,用电压表可以测量电压,用温度计可以测量温度。

(2)检测系统与检测装置

并不是所有参数的检测都能用单台检测仪表就能实现,有些参数的检测需采用多个检测仪表,并通过一定的数学模型运算后才能得到。例如,在测量电功率时,需要用一只电流表和一只电压表接入被测电路中,把电流表和电压表的读数相乘后才能得到电功率。这种利用若干个检测仪表实现某一个或多个参数测量所构成的系统称为检测系统,如图1.3所示。因此,检测仪表是检测系统的基本单元,一台检测仪表本身可视为一个检测系统,也可以是检测系统中的一个环节。图1.3 由若干个检测仪表组成的检测系统框图

检测系统并不都是由检测仪表所构成,有时,一个检测系统是由若干个敏感元件以及相应的信号变换、传输和处理以及显示装置等部分组成,如图1.4所示。图1.4 由若干个敏感元件组成的检测系统框图

随着科学技术的不断发展,有些专用的检测系统已被集成化,并把它们集成为一台检测仪表,这种检测仪表称为多参数检测仪表。因此,检测仪表与检测系统之间没有明显的界线。检测仪表或检测系统和它们必需的辅助设备所构成的总体称检测装置。

(3)相关术语

在学习检测技术过程中,除了检测仪表外,经常会看到其他一些与检测有关的专用名称,如传感器、变送器等。为了便于今后的学习,以下介绍本书用到的主要名称术语。

① 敏感元件(sensing element) 也称检测元件,是一种能够灵敏地感受被测参数并将被测参数的变化转换成另一种物理量的变化的元件。例如,用铜丝绕制而成的铜电阻能感受其周围温度的升降而引起电阻值的增减,所以铜电阻是一种敏感元件。又由于它能感受温度的变化,故称这种铜电阻为温度敏感元件。某种参数的敏感元件应该并且只对被测参数敏感,而对其他参数不敏感。

② 传感器(sensor) 它能直接感受被测参数,并将被测参数的变化转换成一种易于传送的物理量。很显然,有些传感器就是一个简单的敏感元件,例如上面提到的铜电阻。由于很多敏感元件对被测参数的响应输出不便于远传,因此需要对敏感元件的输出进行信号变换,使之具有远传功能。这种信号变换可以是机械式的、气动式的,更多的是电动(电子)式的。例如作为检测压力常用的膜片(详见后面章节有关内容)是一种压力敏感元件,虽然它能感受压力的变化并引起膜片的形变(位移),但由于该位移量非常小(一般为微米级),不便于向远方传送,所以它只是一个敏感元件,不是传感器。如果该膜片与一固定极板构成一对电容器极板,则膜片中心的位移将引起电容器电容量的变化,这样它们就构成了输出响应是电容量的压力传感器。

目前,绝大部分的传感器的输出是电量形式,如电势(电压)、电流、电荷、电阻、电容、电感、电脉冲(频率)等。有的传感器的输出则是气压(压缩空气)或光强形式。

③ 变送器(transmitter) 这是一种特殊的传感器,它使用的是统一的动力源,而且输出也是一种标准信号。所谓标准信号是指信号的形式和数值范围都符合国际统一的标准。目前,变送器输出的标准信号有:4~20mA直流电流;1~5V直流电压;0~5V直流电压;20~100kPa空气压力(气动仪表)以及数字信号传输协议(现场总线通信协议等)。

④ 被测参数(measured parameter) 也称被测量,是指敏感元件直接感受的测量参数。

⑤ 待测参数(parameter to be measured) 也称待测量,是指需要获取的测量参数。在大多数情况下,被测参数就是待测参数,例如用铜电阻测量温度,温度既是被测参数,也是待测参数。但在间接测量中,两者就有不同的含义。

⑥ 直接测量(direct measurement) 指不必测量与待测参数有函数关系的其他量,而能直接得到待测参数的量值。在这种情况下,被测参数就是待测参数。

⑦ 间接测量(indirect measurement) 通过测量与待测参数有函数关系(甚至没有函数关系)的其他量,经一定的数学处理才能得到待测参数的量值。在这种情况下,被测参数一般就不是待测参数。例如,通过测量长度确定矩形面积,长度是被测量,面积是待测量,这种通过用长度测量来获得面积的方法称为间接测量。1.2.2 检测仪表的分类

检测仪表有各种分类方法,以下是常见的分类方法。

① 按被测参数分类 每个检测仪表一般被用来测量某个特定的参数,根据这些被测参数的不同,检测仪表可分为:温度检测仪表(简称温度仪表,下同)、压力检测仪表、流量检测仪表、物位检测仪表等,它们分别用来测量温度、压力、流量和物位等参数。

② 按对被测参数的响应形式分类 检测仪表可分为连续式检测仪表和开关式检测仪表。前者是指检测仪表的输出值随被测参数的变化连续改变。例如,常见的水银温度计,当温度计附近温度发生变化时,温度计中的水银因热胀冷缩而导致水银高度的连续变化,改变了温度计的读数,因此这是一种连续式的检测仪表。开关式检测仪表是指在被测参数整个变化范围内其输出响应只有两种状态,这两种状态可以是电路的“通”或“断”,可以是电压或空气压力的“高”或“低”。例如,冰箱压缩机的间歇启动;电饭煲的自动保温等都是利用开关式的温度仪表实现的。

③ 按仪表中使用的能源和主要信息的类型分类 检测仪表可分为机械式仪表、电式仪表、气式仪表和光式仪表。

机械式仪表一般不需要使用外部能源,通常利用敏感元件的位移带动仪表的传动机构,使指针产生偏转,通过仪表盘上的刻度显示被测参数的大小。这种仪表一般安装在现场,属就地显示仪表。

电式仪表又称电动仪表,这类检测仪表用电源作为仪表能源,其输出信号也是电信号。现在绝大部分使用的检测仪表都为电式仪表,因为电式仪表所需电源容易得到,输出信号可以方便地传输和显示;信号的远传采用导线,成本较低。

气式仪表多用压缩空气作为仪表能源和信号的传递。由于仪表中没有使用电源,这类仪表可以使用在周围环境有易燃易爆气体或粉尘的场所。但是用压缩空气传递信号,滞后比较大;传递信号的气管路上任何泄露或堵塞都会导致信号的衰减或消失。

光式仪表不仅有气式仪表的优点,而且信号传递的速度非常快。目前,多采用光电结合以构成新型的光电式仪表,充分利用了光的良好抗电磁干扰和电绝缘隔离能力,以及电的易放大和处理能力强的特点,以实现仪表的信号处理、信号隔离、信号传输和信号显示。

④ 按是否具有远传功能分类 检测仪表可分为就地显示仪表和远传式仪表。有些检测仪表的敏感元件与显示是一个整体,例如,日常生活中经常看到的玻璃温度计;有些检测仪表的敏感元件将被测参数转换成位移量,而位移的变化进一步通过机构装置带动指针或机械计数装置直接指示被测参数的大小,例如,家用的水表、电表,把这类仪表称为就地显示仪表。就地显示仪表的特点是显示装置与敏感元件做成一个整体,使用时不能分离,仪表一般不具有其他形式的输出功能。

远传式仪表是指相应测量信息可以实现远距离传输的仪表,其显示装置可以远离敏感元件。在这种检测仪表中,敏感元件在信息变换后,进一步进行信号的放大和转换,使之形成可以远传的信号。远传信号的形式一般有空气压力、电压、电流、电抗、光强等。随着信息技术的发展,远传信号还可以是无线的。为了便于现场观察和维护,有些远传式的检测仪表不仅能将信号远传,在远距离显示被测参数值,而且在就地也有相应的显示装置。

⑤ 按信号的输出(显示)形式分类 检测仪表可分为模拟式仪表和数字式仪表。模拟式仪表是指仪表的输出或显示是一个模拟量,人们通常看到的用指针显示的检测仪表,如指针式的电压表、电流表等,均为模拟式仪表。数字式仪表是指仪表的显示直接以数字(或数码)的形式给出,或是以数字通信编码形式输出和传输。由于敏感元件(包括某些传感器以及变送器)的输出以模拟信号为主,所以在数字式仪表中一般要有模/数(A/D)转换器件,实现从模拟信号到数字信号的变换。也有一些传感器的输出直接是数字量,而不需要A/D转换,例如,用来测风速的风速仪将风速转换成叶片的转动速度,而叶片每转动一周,风速仪就输出若干个脉冲,其频率正比于风速的大小。随着计算机技术的应用日益普遍,目前数字式仪表已成为主流。另外,为了满足不同使用者的需要,有些仪表既有数字功能,又有模拟式仪表的功能。例如,现在使用的很多变送器除了有现场数字显示(参数设定)功能外,还能产生可以远传的4~20mA的模拟信号和数字通信信号。这类仪表现一般归为数字仪表,因为它具备了数字仪表的功能和特征。

⑥ 按应用的场所,检测仪表也有各种分类方法 根据安装场所有无易燃易爆气体及危险程度,检测仪表有普通型、隔爆型及本安型。普通型仪表不考虑防爆措施,只能用在非易燃易爆场所;隔爆型仪表在内部电路和周围易燃介质之间采取了隔爆措施,允许使用在有一定危险性的环境里;本安型仪表依靠特殊设计的电路保证在正常工作及意外故障状态下都不会引起燃爆事故,可用在易燃易爆严重的场所。对隔爆型和本安型仪表的具体要求以及相应的等级详见国家有关标准的规定。

根据使用的领域,检测仪表有民用的、工业用的和军事用的。民用仪表一般在常温、常压下工作,对仪表的准确度要求较低。工业用仪表由于应用场合的千差万别,一般对仪表的被测对象的温度、压力、腐蚀性有各自的规定,从而出现了许多系列性仪表,如耐高温仪表、耐腐蚀仪表、防水仪表等。工业用仪表一般对仪表准确度和可靠性均有较高的要求。军事用仪表的性能有更高的要求,除了工业用仪表中要考虑的各种因素外,还要特别考虑仪表的抗震性能,抗电磁干扰的性能,另外还要求仪表有很高的可靠性和较短的响应时间。

⑦ 按仪表的结构形式分类 检测仪表可分为开环结构仪表和闭环结构仪表。由于结构形式的不同,这两类仪表的性能有较大的差别。下面分别作一介绍。

a.开环结构仪表。图1.5是开环结构仪表的框图。这种仪表由若干个环节串联组成,仪表的信息和变换只沿一个方向传递,每个环节的传递函数K(i=1,2,…,n)(在只考虑静态情况下,为放大倍数k)都与输出量iiy有关,同时,每个环节上的干扰u也直接影响输出量。只有当每个环节i的准确度都很高,抗干扰能力较强时,整个仪表的测量准确度才能得到保证。因此开环结构的仪表一般为简易仪表,准确度较低。图1.5 开环结构仪表框图

从图1.5中可看出开环结构仪表的传递函数K为各环节传递函数之积,即K=KK…K=K   (1.1)12ni

假设仪表误差是由各环节传递函数误差引起的,设各环节的相对误差为,则整台仪表的相对误差δ等于各环节相对误差之和,即δ=++…+=   (1.2)

这进一步说明整个仪表的误差取决于各个环节的误差。环节越多,误差也越不容易控制。

b.闭环结构仪表。图1.6是闭环结构仪表的框图,闭环式仪表也称平衡变换式仪表。图1.6 闭环结构仪表框图

被测参数x在经过检测元件变换后作为闭环系统的输入量x,并和s反馈量x相比较。产生的偏差Δx为闭环系统正向通道的输入量;仪表f的输出是y。K,K,…,K和β,β,…,β分别为正向通道和反馈通道的传12n12m递系数。根据反馈理论,仪表输出y与被测参数x之间有以下关系y=x=x   (1.3)

式中,K=K为正向通道的总传递函数;K为检测元件的传递函数; i0β=β为反馈通道的总传递函数。当Kβ≫1时,有iy≈x   (1.4)

由此可以进一步推出,闭环结构仪表的相对误差δ为δ=-δ   (1.5)β

式中,为检测元件的相对误差;δ为反馈通道的相对误差。β

由上述公式可知,如果闭环结构仪表的正向总传递函数K很大(一般总能满足),则仪表特性主要取决于反馈通道的特性,正向通道各环节的性能对仪表的输出影响很小。因此,在仪表制造中,只要精心制作反馈通道就可以获得较高的准确度和灵敏度。但是,由式(1.5)也可知,闭环结构仪表的相对误差与检测元件的误差直接有关,其误差无法通过仪表构成闭环来减少。

闭环结构的仪表虽然可获得较高的准确度和灵敏度,但如果仪表设计不当,易产生输出的不稳定。1.2.3 检测仪表的基本性能

评定检测仪表的技术性能有很多质量指标,以下是常用的一些术语。

(1)测量范围和量程

每台检测仪表都有一个测量范围,仪表工作在这个范围内,可以保证仪表不会被损坏,而且仪表输出值的准确度能符合所规定的值。这个范围的最小值和最大值分别称为仪表的测量下限和测量上限。测量上限和测量下限的代数差称为仪表的量程,即

量程=测量上限值-测量下限值

例如,一台温度检测仪表的测量上限值是1000℃,下限值是-100℃,则其测量范围为-100~1000℃,量程为1100℃。

仪表的量程在检测仪表中是一个非常重要的概念,它除了表示测量范围以外,还与它的准确度、准确度等级有关系,与仪表的选用也有关系。

(2)输入-输出特性

检测仪表的输入-输出特性主要包括仪表的灵敏度、死区、线性度、回差等。

① 灵敏度 灵敏度S是检测仪表对被测量变化的灵敏程度,常以在被测量改变时,经过足够时间检测仪表输出值达到稳定状态后,仪表输出变化量Δy与引起此变化的输入变化量Δx之比表示,即S=   (1.6)

可以看出,灵敏度就是仪表输入-输出特性曲线的斜率。灵敏度高的仪表表示在相同输入时具有较大的输出信号,或者从仪表示值中可读得较多的有效位数。对于线性的检测仪表,灵敏度S为恒定常数;而对于非线性的检测仪表,S值与输入值x有关。灵敏度实质上是个有量纲的放大倍数,它具有可传递性,对于一组串联使用的仪表,其总灵敏度是各个仪表的灵敏度之积。

检测仪表的灵敏度可以用增大仪表的放大倍数来提高,但仅加大灵敏度而不改变仪表的基本性能实际上并不能提高仪表的准确度。同时,检测仪表的输出也并非越大越好,对于变送器而言,由于输出范围是一定的,量程越小,变送器的整体灵敏度就越高;量程越大,则灵敏度就越低。

② 死区 是指检测仪表输入量的变化不致引起输出量可察觉变化的有限区间。引起死区的原因主要有检测机理的局限、电路的偏置不当、机械传动中的摩擦和间隙等。

死区也叫“不灵敏区”,在这个区间内,仪表的灵敏度为零或较低,被测参数的有限变化不易被有效检测到。

③ 线性度 各种检测仪表的输入-输出特性曲线最好具有线性特性,以便于信号间的转换和显示,利于提高仪表的整体准确度。仪表的线性度是表示仪表的输入-输出特性曲线对相应理论直线的偏离程度。一般地,具有线性特性的检测仪表,往往由于各种因素的影响,使其实际的特性偏离线性,如图1.7所示。衡量实际特性偏离线性的程度用非线性误差来表示,它是实际值与理论值之间的绝对误差的最大值Δ'与仪表量程比的百分数,即max图1.7 检测仪表的非线性误差非线性误差=×100%   (1.7)

④ 回差 回差也称变差,是指检测仪表在全量程范围内对于同一被测量在其上升和下降时对应输出值间的最大误差,如图1.8所示。由于特性曲线像环状一样,回差有时也称为“滞环”。回差的存在使得检测仪表在同一被测量时有不止一个的输出值,从而出现误差。引起仪表出现回差的原因是仪表敏感元件的吸收能量,例如,运动部件的摩擦、弹性元件的弹性滞后、磁性元件的磁滞损耗等。仪表的回差用同一被测量的对应正行程和反行程输出值间的最大差值Δ″与仪表量max程比的百分数表示,即回差=×100%   (1.8)图1.8 检测仪表的回差

(3)误差

检测仪表的误差是由多种原因引起的,除了前面所述的回差、非线性误差外,还有很多描述仪表误差的术语。

① 绝对误差 仪表输出值与被测参数真值之间的差值,即Δx=x-x   (1.9)0

式中,Δx为绝对误差;x为仪表的输出值;x为被测参数的真值。由0于一般情况下真值不易得到,通常是用标准仪表(准确度等级更高的仪表)的测量结果作为约定真值。检测仪表在各输出值的绝对误差是不一样的。

② 相对误差 仪表的绝对误差与约定真值比的百分数,即δ=×100%   (1.10)

式中,δ为仪表的相对误差。因为检测仪表在应用时被测量不宜过小,一般希望接近于仪表的上限值,所以对于检测仪表大多采用“引用误差”代替相对误差。

③ 引用误差 仪表的绝对误差与仪表的量程比的百分数,也用δ表示,即δ=×100%   (1.11)

④ 仪表基本误差 在标准条件下,仪表全量程范围内各输出值误差中最大的绝对误差称为仪表的基本误差。由于仪表在各输出值的绝对误差是不一样的,而对于给定的一台仪表,其仪表基本误差只有一个,因此,仪表基本误差是表征仪表准确度的一个重要指标,并且仪表的准确度等级的定义也以此为基础。

⑤ 仪表满刻度相对误差 仪表基本误差与仪表量程比的百分数。它在数值上就是仪表的准确度。

⑥ 允许误差 这是仪表制造单位为仪表设定的一个误差限值,其大小稍大于仪表基本误差。仪表在正常使用时误差不应超过仪表的允许误差。为了合理地显示检测仪表的输出,通常规定仪表标尺的最小分格值或数字显示值不能小于仪表允许误差的绝对值。

(4)准确度与准确度等级

判定仪表测量精确性的主要指标是它的准确度,其定义是“仪表给出接近于真值的响应能力”。知道了仪表的准确度就可以估计测量结果与约定真值的差距。仪表的准确度通常是用仪表满刻度相对误差的大小来衡量。准确度常常也称精度或精确度。

按照国家有关标准的规定,仪表的准确度划分为若干等级,称准确度等级。国家统一规定所划分的等级有…,0.05,0.1,0.25,0.35,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0,…。仪表的准确度等级按以下方法确定,首先用仪表满刻度相对误差略去其百分号(%)作为仪表的准确度,再根据国家统一划分的准确度等级,选其中数值上最接近又比准确度大的准确度等级作为该仪表的准确度等级。准确度等级的数字越小,仪表的准确度越高,或者说仪表的测量误差越小。【例1.1】 有一台压力仪表,其量程为100kPa,经检验发现仪表的基本误差为0.6kPa。问这台压力仪表的准确度为多少?准确度等级又为多少?

解 由题意可以算出仪表满刻度相对误差为0.6%,略去其百分号,则该压力仪表的准确度为0.6。由于0.6大于准确度等级中的0.5,而小于1.0,所以该仪表的准确度等级应为1.0级。【例1.2】 拟对某压力容器的压力进行测量,正常压力在150kPa左右,要求压力测量误差不大于4.5kPa,问应选择什么样的压力检测仪表才能满足测量要求。

解 由题意,选择的压力仪表的基本误差应小于4.5kPa才能满足测量要求。另一方面,压力检测仪表的量程一般应比正常被测压力大30%以上,可选择压力仪表的量程为250kPa,则仪表满刻度相对误差应小于4.5/250=1.8%,从而选择的压力仪表的准确度等级应为1.5。

如压力仪表的量程改选为400kPa,则同理可以算得其准确度等级应为1.0。图1.9 仪表的动态响应曲线

由此可知,在基本误差不变的前提下,仪表的量程选得越大,则准确度要求越高,反之越低。

(5)动态响应特性

前面介绍的各种仪表误差或仪表准确度等都是指仪表的稳态(静态)特性,仪表的动态响应特性则反映仪表输出值跟随被测量随时间变化的能力。一般用被测量初始值为零作单位阶跃变化时,仪表输出值达到或接近稳定值的时间进行评价。如果规定仪表输出值变化量达到稳定值的63.2%,则所需要的时间称仪表的响应时间,也称仪表的时间常数,如图1.9中的T。这个时间短,说明仪表的动态响应特性好。

准确度高的仪表不一定动态响应特性好,反之亦然。而且很多仪表由于其敏感元件以及制造的原因,准确度和动态响应特性之间有一定的矛盾,二者不能兼得。

(6)稳定性

检测仪表的稳定性可以从两个方面来描述,时间稳定性和工作条件变化稳定性。

① 时间稳定性 它表示在工作条件保持恒定时,仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小。

② 工作条件稳定性 它表示仪表在规定的工作条件内某个条件的变化对仪表输出的影响。以仪表的供电电压影响为例,如果仪表规定的使用电源电压为(220±20)V AC,则实际电压在200~240V AC内可用电源每变化1V时仪表输出值的变化量来表示仪表对电源电压的稳定性。

(7)重复性与再现性

① 重复性 在相同的测量条件下,对同一被测量,按同一方向(由小到大或由大到小)多次测量时,检测仪表提供相近输出值的能力称为检测仪表的重复性。这些测量条件应包括相同的测量程序,相同的观察者,相同的测量设备,在相同的地点以及在短的时间(相同的环境条件)内重复。

② 再现性 是指在相同的测量条件下,在规定的相对较长的时间内,对同一被测量从两个方向(由小到大以及由大到小)上重复测量时,检测仪表的各输出值之间的一致程度。

检测仪表的重复性和再现性由全测量范围内对同一被测量重复测量中仪表输出值之间的最大差值与量程比的百分数来表示。数值越小,说明仪表的质量越高,但并不意味着仪表的准确度高。重复性和再现性的优良只是保证仪表准确度的必要条件。

重复性不包括回差,它是衡量仪表不受随机干扰的能力,而再现性包括了回差,也包括了重复性。

(8)可靠性

随着现代工业生产自动化程度的日益提高,检测仪表的任务不仅是提供精确的测量信息或数据,而且常常是自动化生产过程中的一个组成部分。检测仪表的故障会影响控制系统,甚至会导致整个生产装置的严重事故,这就促使人们重视和研究仪表的可靠性。衡量检测仪表的可靠性,目前主要有三个指标来描述,它们是保险期、有效性和狭义可靠性。

① 保险期 仪表使用后能有效地完成规定任务的期限,超过了这一期限可靠性就逐渐降低。

② 有效性 仪表在规定时间内能正常工作的概率。概率的大小取决于系统故障率的高低、发现故障的快慢和故障修复时间的长短。

③ 狭义可靠性 由结构可靠性和性能可靠性两部分组成。前者指仪表在工作时不出故障的概率,后者指仪表能满足原定要求的概率。

定量描述检测仪表可靠性的度量指标有可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均故障修复时间等。可靠度R(t)是指仪表在规定工作时间内无故障的概率。如有100台同样的仪表,工作了1000h后只坏了一台,就可以说这批仪表在1000h后的可靠度是99%。反之这批仪表的不可靠度F(t)就是1%。显然R(t)=1-F(t)。

故障率λ是指仪表工作到t时刻时单位时间内发生故障的概率。可靠度和故障率的关系是-λtR(t)=e   (1.12)

平均无故障工作时间是仪表在相邻两次故障间隔内有效工作时的平均时间,用MTBF(Mean Time between Failure)来代表。对于不可修复的产品来说,把从开始工作到发生故障前的平均工作时间用MTTF(Mean Time to Failure)代表。两者可统称为“平均寿命”,它的倒数就是故障率。例如,某种检测仪表的故障率为2%/kh,就是说100台这样的检测仪表在工作1000h后,可能有2台仪表发生故障。或者说,这种仪表的平均无故障工作时间是50000h。平均故障修复时间MTTR(Mean Time to Repair)是仪表出现故障到恢复工作时的平均时间。1.3 测量误差的理论基础

测量的目的是希望通过检测得到被测参数的真实值(真值)。但由于各种原因,如测量方法不尽完善、检测装置缺陷、环境和人为因素等,造成被测参数的测量值与真值并不一致,它们之间总会存在一定的差异。研究被测参数的测量值与真值的不一致程度,并给予恰当的估计,于是就产生了“测量误差”这个基本概念。

研究误差理论和测量数据处理方法,其目的就是在认识和掌握误差规律的基础上,正确使用和评价检测装置,正确估计测量结果,指导测试工作,提高测量的准确度。

必须指出,真值是指通过完善的测量,获得的与给定特定量的定义一致的值。真值是一个理想的概念,一般是不可能准确知道的。但这并不排除真值可以不断地逼近,并且总是可能通过不断改进特定量的定义、测量方法和条件等,使获得的量值足够地逼近真值,满足测量的需要。也就是说,可用“约定真值”替代真值。约定真值的获得通常可通过计量基准、标准复现、权威组织推荐、高一级计量机构向下传递的量值或等精度测量条件下有限次测量的平均值等实现。对于检测仪表来说,约定真值可用以下方法来获取。图1.10 压力检测仪表检定系统示意图1—被检压力表;2—标准表;3—工作液;4—工作活塞;5—推进手轮系统;6—砝码活塞;7—砝码

① 标准表法 用准确度等级较高的仪表输出值作为约定真值,该仪表称为标准表。所谓准确度等级较高是指该标准表的基本误差应小于被检定检测仪表的基本误差(或被测参数允许绝对误差)的1/3。例如,某台压力检测仪表的基本误差为3kPa,用标准表来检定该压力仪表的测量误差,则标准表的基本误差应小于等于1kPa。检定时,标准表和被检定表同时感受同一个被测对象,如图1.10所示。

② 计量器具法 计量器具是用来测量并能得到被测对象精确值的一种技术工具或装置。用准确度较高的计量器具可直接或间接作为约定真值。图1.10中的砝码就是一种计量器具。由于砝码的质量是已知的,因此根据砝码的读数可以知道被测介质的压力大小。采用计量器具法时,可以不用标准表,或把标准表作为参考。

③ 平均值法 在没有标准表及计量器具的情况下,可用等精度测量条件下多次重复测量的平均值作为约定真值。当测量仪表的随机误差相对其他种类误差较大时,使用这种方法比较有效。1.3.1 测量误差的分类与测量不确定度

在本章1.2节有关检测仪表的基本性能中已经给出了检测仪表常用的一些误差的定义,为了更好地分析和处理产生的误差,提高测量的准确度,本节针对一般的检测系统(可以是单个的检测仪表)进一步对测量误差分类并分析其产生的原因。1.3.1.1 测量误差的分类

① 按误差本身因次分类 有绝对误差和相对误差两类。

绝对误差和相对误差的定义见式(1.9)~式(1.11)。对于同类的被测量(相同的被测参数,相同的测量范围),绝对误差可以评定其测量准确度的高低,但对于不同类的被测量,或不同的物理量,采用相对误差来评定其测量准确度较为确切。相对误差中,按式(1.11)计算的引用误差主要用于检测仪表中;式(1.10)计算的实际相对误差主要用于检测系统中。

② 按误差出现的规律分类 有系统误差、随机误差和粗大误差三类。

a.系统误差。在同一条件下,对同一被测参数进行多次重复测量时,所出现的数值、符号都相同的,或者按一定规律变化的误差称为系统误差。按其特点前者称为恒值系统误差,后者称为变值系统误差。系统误差包括测量原理或测量方法的不完善、标准量值的不准确、仪表本身的缺陷等引起的误差。系统误差通常是按一定规律变化的,可以对其进行修正。对于系统误差产生原因和规律较为明确的场合,系统误差可通过修正等措施得到有效的克服或消除;对于系统误差产生原因和规律难以确知的场合,系统误差一般难以通过修正等措施得到很好的消除,至多获得一定或有限程度的补偿。

b.随机误差。在同一测量条件下,多次重复测量同一被测量时,其绝对值和符号以不可预定的方式变化,即具有随机性的误差称为随机误差。随机误差的产生可能由于人们尚未认识的原因,或目前尚无法控制的某些因素(如电子线路中的噪声)的影响,即偶然因素所引起的。仪表中传动部件的间隙和摩擦、连接件的弹性形变、使用的环境条件,如温度、湿度、气压、振动、电磁场等的波动、各种噪声等都会对测量系统产生影响。随机误差的特点是,虽然就每次测量而言,测量误差是没有规律的,以随机方式出现,但在多次重复测量中其总体是符

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