1、自動(dòng)控制系測(cè)控技術(shù)與儀器教研室主講人：盧艷軍檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化儀表2022-5-14測(cè)控教研室2課程說(shuō)明及課程要求：課程說(shuō)明及課程要求：l教材：張毅、張寶芬等編著教材：張毅、張寶芬等編著自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 2005.32005.3l該課程為學(xué)科基礎(chǔ)課，考核方式：閉卷考試。該課程為學(xué)科基礎(chǔ)課，考核方式：閉卷考試。l學(xué)時(shí)分配：理論教學(xué)學(xué)時(shí)分配：理論教學(xué)4848學(xué)時(shí)，同時(shí)設(shè)置單列實(shí)學(xué)時(shí)，同時(shí)設(shè)置單列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)8 8學(xué)時(shí)。學(xué)時(shí)。l考勤缺席三分之一者或作業(yè)不完成超過(guò)三分之考勤缺席三分之一者或作業(yè)不完成超過(guò)三分之一者取消參加期末考試資格。一者取消參加

2、期末考試資格。l成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)成績(jī)成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)成績(jī)10%10%，期末考試成績(jī)，期末考試成績(jī)90%90%。2022-5-14測(cè)控教研室3本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容 本課程是關(guān)于過(guò)程參數(shù)檢測(cè)和自動(dòng)本課程是關(guān)于過(guò)程參數(shù)檢測(cè)和自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的化儀表系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的知識(shí)。共分為三個(gè)部分：知識(shí)。共分為三個(gè)部分： 1 1、基礎(chǔ)知識(shí)引論、基礎(chǔ)知識(shí)引論 2 2、過(guò)程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)、過(guò)程參數(shù)檢測(cè)技術(shù) 3 3、儀表系統(tǒng)分析、儀表系統(tǒng)分析 2022-5-14測(cè)控教研室4第一篇第一篇 基礎(chǔ)知識(shí)引論基礎(chǔ)知識(shí)引論1.1.緒緒 論論 l檢測(cè)（檢測(cè)（Detection)Detection)是

3、是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研和生活等各方面的有關(guān)信息通過(guò)的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研和生活等各方面的有關(guān)信息通過(guò)檢查與測(cè)量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過(guò)程。檢查與測(cè)量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過(guò)程。檢測(cè)單元檢測(cè)單元完成完成對(duì)各種過(guò)程參數(shù)的測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理；對(duì)各種過(guò)程參數(shù)的測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理；儀表單元儀表單元?jiǎng)t則是實(shí)現(xiàn)各種控制作用的手段和條件，它將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行是實(shí)現(xiàn)各種控制作用的手段和條件，它將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并通過(guò)相應(yīng)的單元實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的調(diào)節(jié)；運(yùn)算處理，并通過(guò)相應(yīng)的單元實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的調(diào)節(jié)；l測(cè)量

4、測(cè)量 （Measurement)Measurement)是借助專門的技術(shù)和儀表設(shè)備，采是借助專門的技術(shù)和儀表設(shè)備，采用一定的方法取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的實(shí)踐過(guò)程。用一定的方法取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的實(shí)踐過(guò)程。本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容l典型的檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)及工業(yè)檢測(cè)儀表控典型的檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)及工業(yè)檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)l檢測(cè)和儀表中常用的基本性能指標(biāo)檢測(cè)和儀表中常用的基本性能指標(biāo)測(cè)量范圍、上下限、量程；零點(diǎn)遷移和量程遷測(cè)量范圍、上下限、量程；零點(diǎn)遷移和量程遷移；靈敏度和分辨率；誤差；精確度；滯環(huán)、移；靈敏度和分辨率；誤差；精確度；滯環(huán)、死區(qū)和回差死區(qū)和回差l檢

5、測(cè)儀表技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)檢測(cè)儀表技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1.11.1檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)下面以天然氣脫硫的過(guò)程為例，來(lái)了解一下典型檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中需要控制的參數(shù)分別為壓力、液位和流量，這將構(gòu)成PC、LC、FC三個(gè)單參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1.1.1 1.1.1 典型的檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)典型的檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)2022-5-14測(cè)控教研室7 其中其中PCPC的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣壓力的調(diào)節(jié)，的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣壓力的調(diào)節(jié)，對(duì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的單參數(shù)控制子系統(tǒng)于實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的單參數(shù)控制子系統(tǒng)PCPC，結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)構(gòu)框圖如圖如圖1-21-2所示：所示：壓力參數(shù)檢測(cè)，實(shí)壓力參數(shù)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換和現(xiàn)檢測(cè)信

6、號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸傳輸實(shí)現(xiàn)被控實(shí)現(xiàn)被控量控制量控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)規(guī)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)規(guī)律計(jì)算律計(jì)算2022-5-14測(cè)控教研室8 同理，流量調(diào)節(jié)控制子系統(tǒng)同理，流量調(diào)節(jié)控制子系統(tǒng)FCFC的結(jié)構(gòu)框圖的結(jié)構(gòu)框圖 如圖如圖1-31-3所示：所示：圖圖1-3 1-3 脫硫塔流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖脫硫塔流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖實(shí)現(xiàn)安全火實(shí)現(xiàn)安全火花防爆花防爆檢測(cè)流量并對(duì)檢檢測(cè)流量并對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳輸和傳輸 可見(jiàn)：在無(wú)特殊條件要求下，常規(guī)工業(yè)檢測(cè)可見(jiàn)：在無(wú)特殊條件要求下，常規(guī)工業(yè)檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)的構(gòu)成基本相同，而與具體采用的儀表控制系統(tǒng)的構(gòu)成基本相同，而與具體采用的儀表類型無(wú)關(guān)儀表類型無(wú)關(guān)。 由此可見(jiàn)：無(wú)論是壓力

7、還是流量調(diào)節(jié)控制，都由此可見(jiàn)：無(wú)論是壓力還是流量調(diào)節(jié)控制，都需要進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)及信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膯卧枰M(jìn)行參數(shù)檢測(cè)及信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膯卧兯蛦卧兯蛦卧?；需要?shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制規(guī)律的單元；需要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制規(guī)律的單元調(diào)調(diào)節(jié)單元節(jié)單元；需要實(shí)現(xiàn)被控變量控制作用的單元；需要實(shí)現(xiàn)被控變量控制作用的單元執(zhí)行單元執(zhí)行單元；這樣才能完成一個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)的全過(guò)程；這樣才能完成一個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)的全過(guò)程。 閉環(huán)回路控制系統(tǒng)閉環(huán)回路控制系統(tǒng)1.1.2 1.1.2 檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析檢測(cè)儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析l被控（被測(cè)）對(duì)象是控制系統(tǒng)的核心，它可以是單輸入單輸被控（被測(cè)）對(duì)象是控制系統(tǒng)的核心，它可以是單輸入單輸出對(duì)象，也可以

8、是多輸入多輸出。出對(duì)象，也可以是多輸入多輸出。l檢測(cè)單元是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)作用的基礎(chǔ)，它完成對(duì)所檢測(cè)單元是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)作用的基礎(chǔ)，它完成對(duì)所有被測(cè)變量的直接或間接測(cè)量。有被測(cè)變量的直接或間接測(cè)量。l變送單元完成對(duì)被測(cè)變量信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸。變送單元完成對(duì)被測(cè)變量信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸。l調(diào)節(jié)單元完成調(diào)節(jié)控制規(guī)律的運(yùn)算。調(diào)節(jié)單元完成調(diào)節(jié)控制規(guī)律的運(yùn)算。l執(zhí)行單元是實(shí)現(xiàn)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)執(zhí)行單元是實(shí)現(xiàn)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)被控變量構(gòu)調(diào)節(jié)被控變量l顯示單元是控制系統(tǒng)的附屬單元。顯示單元是控制系統(tǒng)的附屬單元。 2022-5-14測(cè)控教研室111.2.1 1

9、.2.1 測(cè)量范圍、上下限、量程測(cè)量范圍、上下限、量程l測(cè)量范圍測(cè)量范圍：是儀表按規(guī)定的精度進(jìn)行測(cè)量的被測(cè)變量的范圍。l測(cè)量范圍的最小值和最大值分別稱為測(cè)量下限測(cè)量下限和測(cè)量上限測(cè)量上限； 測(cè)量范圍表示法測(cè)量范圍表示法：下限值上限值。l儀表的量程儀表的量程：是測(cè)量上限與下限值的代數(shù)差，即：量程量程= =測(cè)量上限值測(cè)量上限值- -測(cè)量下限值測(cè)量下限值記為：記為：下上LLL1.2 1.2 基本概念基本概念2022-5-14測(cè)控教研室12 例如，一個(gè)溫度測(cè)量?jī)x表的下限值是例如，一個(gè)溫度測(cè)量?jī)x表的下限值是 -50 -50 ，上限值是上限值是150 150 ，則其測(cè)量范圍可表示為，則其測(cè)量范圍可表示為-

10、 -50150 50150 ，量程為，量程為200 200 。由此可見(jiàn)，給出儀表的測(cè)量范圍便知其上下由此可見(jiàn)，給出儀表的測(cè)量范圍便知其上下限及量程，反之，如果只給出儀表的量程，卻無(wú)法限及量程，反之，如果只給出儀表的量程，卻無(wú)法確定其上下限及測(cè)量范圍。確定其上下限及測(cè)量范圍。又例如：某秤測(cè)量范圍為：又例如：某秤測(cè)量范圍為：0 0100100公斤，則量公斤，則量程為程為100100公斤，公斤，秤的上下限分別為：秤的上下限分別為：100100公斤、公斤、0 0公斤公斤2022-5-14測(cè)控教研室131.2.2 1.2.2 零點(diǎn)遷移和量程遷移零點(diǎn)遷移和量程遷移儀表的零點(diǎn)儀表的零點(diǎn)：指測(cè)量下限。儀表測(cè)量

11、范圍的另一種常用的表示方法儀表測(cè)量范圍的另一種常用的表示方法：是給出儀表的零點(diǎn)和量程。 零點(diǎn)遷移零點(diǎn)遷移：通常將零點(diǎn)的變化稱為零點(diǎn)遷移；量程遷移量程遷移：量程的變化稱為量程遷移。 例如，一把直尺的測(cè)量范圍為010cm。（此時(shí)零點(diǎn)為0cm）；如果把2cm處作為測(cè)量的起點(diǎn)，這時(shí)，測(cè)量范圍變?yōu)?28cm。（此時(shí)零點(diǎn)為-2cm）上圖為典型的單純零點(diǎn)遷移情上圖為典型的單純零點(diǎn)遷移情況。線段況。線段1 1為原來(lái)直尺的測(cè)量為原來(lái)直尺的測(cè)量特性曲線。線段特性曲線。線段2 2為零點(diǎn)遷移為零點(diǎn)遷移后的測(cè)量特性。二者斜率相同。后的測(cè)量特性。二者斜率相同?？梢?jiàn)，零點(diǎn)遷移至可見(jiàn)，零點(diǎn)遷移至-2cm-2cm，而量，而量程

12、不變。程不變。010cm10被測(cè)量真實(shí)長(zhǎng)度被測(cè)量真實(shí)長(zhǎng)度直直尺尺顯顯示示長(zhǎng)長(zhǎng)度度cm-28212被測(cè)量真實(shí)值儀表顯示值遷移前遷移后上圖為單純量程遷移的示意上圖為單純量程遷移的示意圖。量程遷移前與遷移后線圖。量程遷移前與遷移后線段的斜率有所變化。段的斜率有所變化。零點(diǎn)遷移與量程遷移并存的零點(diǎn)遷移與量程遷移并存的情況較多，可擴(kuò)大儀表的通情況較多，可擴(kuò)大儀表的通用性。用性。2022-5-14測(cè)控教研室151.2.3 1.2.3 靈敏度和分辨率靈敏度和分辨率l靈敏度靈敏度：是儀表對(duì)被測(cè)參數(shù)變化的靈敏程度。表示方法為：儀表輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。在穩(wěn)態(tài)條件下即靈敏度的特點(diǎn)：靈敏度的特點(diǎn)：

13、可見(jiàn)可見(jiàn)量程遷移量程遷移靈敏度的改變；零點(diǎn)遷移零點(diǎn)遷移則靈敏度不變。靈敏度有量綱靈敏度有量綱，靈敏度具有可傳遞性：靈敏度具有可傳遞性：n儀表分辨率儀表分辨率（稱儀表靈敏限、靈敏閾）。它表示引起輸出值變化的最小輸入量變化值輸出值變化的最小輸入量變化值。當(dāng)輸入有微小變化時(shí)輸出就有變化，則說(shuō)明分辨率高。靈敏度高，則分辨率高。思考題：靈敏度與分辨率的關(guān)系。思考題：靈敏度與分辨率的關(guān)系。2022-5-14測(cè)控教研室161.2.4 1.2.4 誤誤 差差l示值和約定真值、絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差、引用誤差、最大引用誤差和允許誤差、誤差、靜態(tài)誤差與動(dòng)態(tài)誤差示值和約定真值示值和約定真值示值示值：儀表指示裝置所顯示的

14、被測(cè)值稱為示值。約定真值約定真值：實(shí)際中，常用精度等級(jí)比較高的儀表測(cè)出的，或用特定方法確定的約定真值代替被測(cè)量的真值。絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差l絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差：絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差= =示值示值- -約定真值。約定真值。 l相對(duì)誤差相對(duì)誤差：常用百分?jǐn)?shù)表示，即相對(duì)誤差越小，相對(duì)誤差越小，精度越高精度越高2022-5-14測(cè)控教研室17例如例如：測(cè)量L1=10mm的尺寸，誤差1=8m T2=80的溫度， 誤差2=0.005比較兩次測(cè)量精度的高低。（不可用絕對(duì)誤差表示）解：測(cè)溫試驗(yàn)的精度高測(cè)溫試驗(yàn)的精度高。相對(duì)誤差可用來(lái)比較測(cè)量不同的被測(cè)量的精度高低。相對(duì)誤差可用來(lái)比較測(cè)量不同的被測(cè)量的

15、精度高低。2022-5-14測(cè)控教研室18引用誤差引用誤差 引用誤差引用誤差：用量程取代相對(duì)誤差公式中的約定真值得引用誤差，即 例如：量程為-10V10V的電壓表，在測(cè)5.02V的電壓時(shí)，示值為5V，則此時(shí)，該電壓表的引用誤差為： (5-5.02)/20=-0.1%最大引用誤差最大引用誤差允許誤差允許誤差：儀表在出廠時(shí)要規(guī)定引用誤差的允許值，簡(jiǎn)稱允許誤差。2022-5-14測(cè)控教研室19誤誤 差差 誤差=基本誤差+附加誤差l基本誤差基本誤差：儀表在使用時(shí)按照嚴(yán)格規(guī)定的環(huán)境條件進(jìn)行測(cè)量，而產(chǎn)生的誤差。l附加誤差附加誤差：儀表在超出規(guī)定的工作條件工作時(shí)，所產(chǎn)生的額外的誤差。靜態(tài)誤差與動(dòng)態(tài)誤差靜態(tài)誤

16、差與動(dòng)態(tài)誤差l靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差：指儀表靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的誤差，或被測(cè)量變化十分緩慢時(shí)所呈現(xiàn)的誤差。即儀表的穩(wěn)態(tài)誤穩(wěn)態(tài)誤差。儀表靜態(tài)誤差應(yīng)用更普遍。差。儀表靜態(tài)誤差應(yīng)用更普遍。l動(dòng)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差：指儀表因慣性延遲所引起的附加誤差，或變化過(guò)程中的誤差。2022-5-14測(cè)控教研室201.2.5 1.2.5 精確度精確度l儀表的精確度儀表的精確度：允許的最大引用誤差去掉百分號(hào)和號(hào)后的數(shù)字來(lái)衡量的。例如：某儀表的最大引用誤差為-0.5%，則其精度等級(jí)為0.5級(jí)。精度等級(jí)精度等級(jí)：按儀表工業(yè)規(guī)定將精確度劃分為若干個(gè)等級(jí)，稱為精度等級(jí)。1.0級(jí)的意思是在規(guī)定條件下實(shí)際測(cè)量的絕對(duì)誤差不會(huì)超過(guò)量程的 1%。精度等級(jí)

17、的數(shù)字越小，精度越高。圖為精度等級(jí)的確定方法圖為精度等級(jí)的確定方法2022-5-14測(cè)控教研室21例題例題:l在正常情況下在正常情況下, ,用用0.50.5級(jí)、量程為級(jí)、量程為100100溫度表來(lái)溫度表來(lái)測(cè)量溫度時(shí)，可能產(chǎn)生的最大絕對(duì)誤差是多少？測(cè)量溫度時(shí)，可能產(chǎn)生的最大絕對(duì)誤差是多少？m m=(=(0.5%)0.5%)100=100=0.50.5l現(xiàn)有精度為現(xiàn)有精度為0.50.5級(jí)的級(jí)的0 0300300的和精度為的和精度為1.01.0級(jí)的級(jí)的0 0100100的兩個(gè)溫度計(jì)，要測(cè)量的兩個(gè)溫度計(jì)，要測(cè)量8080的溫度，試的溫度，試問(wèn)采用哪一個(gè)溫度計(jì)更好？問(wèn)采用哪一個(gè)溫度計(jì)更好？l某壓力表精度為

18、某壓力表精度為2.52.5級(jí)，量程為級(jí)，量程為0 01.5MPa1.5MPa，試求，試求（1 1）該表的最大引用誤差是多少？（）該表的最大引用誤差是多少？（2 2）可能出）可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差是多少？（現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差是多少？（3 3）測(cè)量結(jié)果顯示）測(cè)量結(jié)果顯示為為0.70MPa0.70MPa時(shí)，其相對(duì)誤差是多少？時(shí)，其相對(duì)誤差是多少？ 2022-5-14測(cè)控教研室221.2.6 1.2.6 滯環(huán)、死區(qū)和回差滯環(huán)、死區(qū)和回差l滯環(huán)滯環(huán)：元件具有儲(chǔ)能效應(yīng)造成。l死區(qū)效應(yīng)死區(qū)效應(yīng)：也叫不靈敏區(qū)。儀表內(nèi)部的某些單元具有死區(qū)效應(yīng)所造成l回差回差：亦稱變差，或來(lái)回變差。格允許誤差時(shí)，被檢表合量程變差當(dāng)

19、2022-5-14測(cè)控教研室231.2.7 1.2.7 重復(fù)性和再現(xiàn)性重復(fù)性和再現(xiàn)性l重復(fù)性重復(fù)性：在同一工作條件下，同方向連續(xù)多次對(duì)同一輸入值進(jìn)行測(cè)量所得的多個(gè)輸出值之間相互一致的程度稱為儀表的重復(fù)性。l再現(xiàn)性再現(xiàn)性：再現(xiàn)性包括滯環(huán)和死區(qū)，它是儀表實(shí)際上升曲線和實(shí)際下降曲線之間離散程度的表示，常取兩種曲線之間離散程度最大點(diǎn)的值來(lái)表示，如圖1-10中所示。l重復(fù)性重復(fù)性是衡量?jī)x表不受隨機(jī)因素影響的能力；再現(xiàn)性再現(xiàn)性是儀表性能穩(wěn)定的一種標(biāo)志。2022-5-14測(cè)控教研室241.2.8 1.2.8 可靠性可靠性l可靠度可靠度：表征儀表可靠性的尺度有多種，最基本的是可靠度。它是衡量?jī)x表能夠正常工作并發(fā)揮其功能的程度。有效度：另一個(gè)