检测技术及仪表--1-绪论

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检测技术及仪表 (自动化专业)梁 伟

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成绩评定---请牢记！ 平时成绩10分；每旷课1次或者不交 每旷课1作业1次扣1 作业1次扣1分！

实验成绩20分； 期末考试70分。闭卷考试！ 课程性质：专业基础课(必修) 学时：36+10

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课程教学处理： 一、以教材为主线 没有永远不变的工程技术，永远在提高、发展才是真 理；书本一般都是有一些落后的；最新的工程知识和技术在 工厂。 二、辅助较新内容，来自应用和网络。 三、欢迎课堂交流 1、老师绝不可能永远是对的； 2、交流才能互相提高。 四、关于相互尊重 1、师道尊严是应该也必须要有的； 2、对学生的尊重也是必须有的； 3、遵守游戏规则----考试约定、课堂纪律、作业。

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课程的教学目的和任务检测技术是信息技术的核心之一，仪表则是自动化控制系 统的重要组成部分。本课程以过程检测与控制为对象，从信息 的获取(传感器)、信息的转换与处理(检测电路和变送器)、 信息的显示(显示仪表)、目标的控制(调节仪表),一直到 综合系统(DCS、FCS)这样一条教学链路，系统介绍了检测的 概念、误差理论、各类过程检测参数和传感器、电动单元组合 仪表及计算机测控系统的知识。 通过本课程的学习，应能深入掌握测量的基础理论知识； 掌握温度、压力、液位和流量这四个在过程控制系统中常用参 数的检测传感器、检测方法、检测电路和变送器原理；掌握电 动单元组合仪表的基础知识；掌握各种过程控制仪表的基本原 理、仪表实现和实际应用技术，建立一定的仪表开发基础，理 解计算机控制装置的本质。同时了解部分机械量测量方法。 通过本课程的学习，能够为后续的《过程控制工程》及 《计算机控制》等课程打下良好的基础。

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第一章 绪论 控制系统的发展过程 测量误差 传感器、 传感器、敏感器与变送器 仪表的防爆与防护

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1 控制系统的发展过程从系统复杂程度及功能，可以划分为四代：电动单元组合 电动单元组合 仪表、 仪表、 DDC (直接数字控制系统)、 直接数字控制系统)、DCS、FCS。 )、 、 。

1.1 电动单元组合仪表系统由一块块独立(系列)的仪表组成，典型的是DDZⅢ型表。使用统一24V供电，采用4~20mA或者1~5V信号。 系列仪表中有：变送器、显示仪表、记录仪表、调节器、电气 转换器等。最新为DDZ-S系列，也有称第四代的。目前在一些 简单系统中仍大量应用，多数仪表已经智能化了。难以构造大 型复杂系统，集中管理功能差；价格便宜。

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图1.1 常规仪表(变送器与数字显示仪表)

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1.2 DDC(直接数字控制系统) (直接数字控制系

统)直接数字控制DDC系统(Direct Digigtal Control)是 工业生产计算机控制系统中用得比较多的一种系统应用形式， 这类系统中的计算机除了经过输入通道对多个工业过程参数进 行检测采集外，它还代替模拟调节系统中的模拟调节器,按预定 的调节规定进行调节运算，然后将运算结果通过过程输出通道 输出并作用于执行机构，以实现多回路调节的目的。特点是功 能集中，性价比高；但功能完全集中于一台主机，风险大。 下图画出了DDC的基本结构，它仅画出一个控制回路，实际能够 完成多个回路。

图1.2 DDC框图

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1.3 DCS(集散控制系统) (集散控制系统)主要由操作站、通讯控制、控制站组成，集中管理，分散控制。 (1)分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C(Communication, Computer, Control、CRT)技术于一身的监控技术。 (2)从上到下的树状拓扑大系统，其中通信(Communication)是关键。 (3)PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 (4)是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。 (5)模拟信号，A/D—D/A、带微处理器的混合。 (6)一台仪表一对线接到I/O,由控制站挂到局域网LAN。 (7)DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站)的3级结 构。 (8)缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。 (9)用于大规模的连续过程控制，如石化等。 (10)制造商：SIEMENS(德)、Foxboro(美)、ABB(瑞士)、Yokogawa (日)、Honewell(美国)等。

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图 1.3 D CS 系 统 框 图

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1.4 FCS(现场总线控制系统) (现场总线控制系统)(1)基本任务是：本质(本征)安全、危险区域、易变过程、难于对付的 非常环境。 (2)全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。 (3)用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两 根线。 (4)在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。 (5)多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。 (6)是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。 (7)用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。 (8)由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机。 (9)局域网，再可与internet相通。 (10)改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。 (11)制造商：美Honeywell 、Smar 、Fisher— Rosemount、 AB/Rockwell、 Elsag— Bailey 、Foxboro 、Yamatake 、日Yokogawa、欧Siemens、 GEC— Alsthom 、Schneider、 proces—Data、 ABB等

。 (12)3类FCS的典型 1)连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的， 典型产品是FF、Profibus—PA; 2)分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车，典型产品是Profibus—DP、 CANbus; 3)多点控制如楼宇自动化，典型产品是LON Work、Profibus—FMS。

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传统的DCS,需要大量 ， 传统的 电缆和重复信号转换 模拟—数字 模拟)。 数字—模拟 (模拟 数字 模拟)。

FCS,所有设备连 ， 接在总线上( 接在总线上(双绞 ),控制任务更 线),控制任务更 分散。 分散。

图1.4 DCS与 FCS系统比较

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2 测量误差测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但由于 种种原因, 例如, 传感器本身性能不十分优良, 测量方法不十分 完善, 外界干扰的影响等, 都会造成被测参数的测量值与真实值 不一致, 两者不一致程度用测量误差表示。 测量误差就是测量值与真实值之间的差值。 它反映了测量 质量的好坏。  测量的可靠性至关重要, 不同场合对测量结果可靠性的要 求也不同。 例如, 在量值传递、经济核算、产品检验等场合应 保证测量结果有足够的准确度。当测量值用作控制信号时, 则要 注意测量的稳定性和可靠性。因此, 测量结果的准确程度应与测 量的目的与要求相联系、相适应, 那种不惜工本、不顾场合, 量的目的与要求相联系、相适应 那种不惜工本、不顾场合 一 味追求越准越好的作法是不可取的, 味追求越准越好的作法是不可取的 要有技术与经济兼顾的意识。

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2.1 测量误差的表示方法测量误差的表示方法有多种, 含义各异。 常用：绝对误差、 测量误差的表示方法有多种 含义各异。 常用：绝对误差、 相对误差、引用误差(满量程相对误差)表示。 相对误差、引用误差(满量程相对误差)表示。 可用下式定义: (1) 绝对误差可用下式定义 ) 绝对误差可用下式定义   =x-L

绝对误差; 测量值; 真实值。 式中: ——绝对误差 x——测量值 L——真实值。  式中 绝对误差 测量值 真实值 对测量值进行修正时, 要用到绝对误差。 对测量值进行修正时 要用到绝对误差。 修正值是与绝对 误差大小相等、符号相反的值, 实际值等于测量值加上修正值。 误差大小相等、符号相反的值 实际值等于测量值加上修正值。

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采用绝对误差表示测量误差, 采用绝对误差表示测量误差 不能很好说明测量质量的好 例如, 在温度测量时, 绝对误差 =1 ℃, 对体温测量来说是 坏。 例如 在温度测量时 绝对误差 不允许的, 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。 不允许的 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果

。 的定义由下式给出: (2) 相对误差的定义由下式给出 ) 相对误差的定义由下式给出     ×100% L 式中: 相对误差, 式中 δ——相对误差 一般用百分数给出  相对误差 一般用百分数给出; δ= ——绝对误差  绝对误差; 绝对误差 L——真实值。  真实值。 真实值 由于被测量的真实值L无法知道 实际测量时用测量值x代 由于被测量的真实值 无法知道, 实际测量时用测量值 代 无法知道 替真实值L进行计算 这个相对误差称为标称相对误差, 进行计算, 替真实值 进行计算 这个相对误差称为标称相对误差 即

ξ = × 100% x

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是仪表中通用的一种误差表示方法。 (3) 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。 它是相 ) 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法 对仪表满量程的一种误差, 一般也用百分数表示， 对仪表满量程的一种误差 一般也用百分数表示，即  γ=   × 100% 测量范围上限 - 测量范围下限

式中: 引用误差; 绝对误差。 式中 γ——引用误差 ——绝对误差。 引用误差 绝对误差 引用误差在工程上常称为满量程相对误差。 引用误差在工程上常称为满量程相对误差。  满量程相对误差 仪表精度等级是根据引用误差来确定的。 例如, 仪表精度等级是根据引用误差来确定的。 例如 0.5级表 级表 的引用误差的最大值不超过± 的引用误差的最大值不超过±0.5%,1.0级表的引用误差的最 ， 级表的引用误差的最 大值不超过± 大值不超过±1%。等级的级数通常为 。等级的级数通常为1,1.5,2,2.5,3,5,量度为 ， 10的整数幂次。  的整数幂次。 的整数幂次 在使用仪表和传感器时, 经常也会遇到基本误差和附加误 在使用仪表和传感器时 经常也会遇到基本误差和附加误 差两个概念。 两个概念。

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(4) 基本误差基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有 ) 的 误 差 。 例 如 , 仪 表 是 在 电 源 电 压 (220±5)V 、 电 网 频 率 ± (50±2)Hz、 环境温度(20±5)℃、 湿度 65%±5% 的条件 ± 、 环境温度 ± ℃ 湿度 ±  下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作, 下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作 则仪表所具有的 误差为基本误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的。 误差为基本误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的。  (5) ) 附加误差附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条

件下出现的误差。例如, 温度附加误差、频率附加误差、电源 件下出现的误差。例如 温度附加误差、频率附加误差、 电压波动附加误差等。 电压波动附加误差等。 

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2.2 误差的性质根据测量数据中的误差所

呈现的规律, 将误差分为三种, 即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量 数据处理。  (1) 系统误差对同一被测量进行多次重复测量时, 如果 误差按照一定的规律出现, 则把这种误差称为系统误差。例 如, 标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。  (2) 随机误差对同一被测量进行多次重复测量时, 绝对 值和符号不可预知地随机变化, 但就误差的总体而言, 具有 一定的统计规律性的误差称为随机误差。 

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引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的 微小因素, 一般无法控制。 微小因素 一般无法控制。对于随机误差不能用简单的修正 值来修正,只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能 值来修正 只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能 性的大小。 性的大小。  (3) 粗大误差，明显偏离测量结果的误差称为粗大误差 ) 粗大误差，明显偏离测量结果的误差称为粗大误差, 又称疏忽误差。 又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件 的突然变化而引起的。对于粗大误差, 的突然变化而引起的。对于粗大误差 首先应设法判断是否 存在, 然后将其剔除。 存在 然后将其剔除。

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