《检测技术基本概念》PPT课件.ppt

自动检测及控制,主讲：杨立清 2011.02,内蒙古科技大学信息学院,教材 刘玉长.自动检测和过程控制(第4版).冶金工业出版社 主要参考书： 厉玉鸣.化工仪表及自动化（第4版）.化学工业出版社 潘永湘.过程控制与自动化仪表.机械工业出版社,自动检测及控制的实际应用,1.人与机器的机能对应关系：,2.检测及控制技术在各领域的应用,换热器的控制,丙烯冷却器的控制,反应器的控制,精馏塔的控制,夜视瞄准机系统（非冷却红外传感器技术）；激光测距仪（可精确的定位目标）,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,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,第一节 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。,测量：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作,检测：是意义更为广泛的测量，检测=测量+信号检出（极 为重要）,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)。,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,(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)。,(二) 变送器,其作用是将敏感元件输出信号变换成既保存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。,(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。,四、检测仪表的分类,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)； 按使用性质分类：实用型、范型和标准型； 其他分类方式：工作原理不同，分为模拟式、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。,五、检测仪表的主要性能指标,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。 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。,(一)测量范围与量程,测量范围:指在正常工作条件下，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,(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。,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： (1,1.5,1.6,2,2.5,3,4,5,6)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。,例1：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。,(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,(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。,(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。,X,yFS,x,y,DR,0,(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。,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。,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1299792458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 1/3 测量系统标准差 检定。,2、相对误差,相对误差是指被测量的绝对误差与约定值的百分比，通常有三种表示方式： (1)实际相对误差：约定值为被测量的真值。 实=/x0 100% (2)给出值相对误差：约定值可选“测量值”、“标称值”、“实验值”、“示值”、“刻度值”等。 给=/x 100% (3)引用误差：约定值为仪表量程yFS。 引=/ yFS 100%,(二) 误差分类,误差产生的原因很多，表现形式也是多种多样，可从不同角度对测量误差进行分类: 1、按误差出现规律分 分为系统误差、随机误差和粗大误差。 (1)系统误差(system error)： 指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，它反映了测量结果对真值的偏离程度，可用“正确度”的概念来表征。 性质：有规律，可再现，可以预测。 原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差。 处理：理论分析、实验验证修正。,(2)随机误差(random error),指在实际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的误差，它反映了测量结果的分散性，可用“精密度”的概念来表征。通常呈正态分布，如图。 性质：对称性、单峰性、有界性与抵偿性。 原因：装置误差、环境误差、使用误差。 处理：统计分析、计算处理减小。,随机误差的正态分布及其性质,对称性:正、负误差出现的概率相等； 单峰性:小误差出现的概率大(为0时概率最大)； 有界性:误差出现在3范围以外的可能性几乎为0； 抵偿性:当测量次数足够多时，其算术平均值趋于0。,95.45%,99.73%,68.26%,-3s -2s -s 0 s 2s 3s,f(x-a),x-a,(3) 粗大误差( abnormal error )： 指由于错误的读取示值，错误的测量方法等所造成，明显歪曲了测量结果的误差。这种测量值一般称为坏值或异常值，应根据一定的规则加以判断后剔除。 性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起。 原因：装置误差、使用误差。 处理：判断、剔除。,在实际应用中,系统误差、随机误差、粗大误差三种误差的划分并非一成不变。它们在一定条件下可互相转化：,较为随机时,有规律时,较