工业仪表与工程测试第1章绪论.ppt

工业仪表与工程测试技术,姜奉华 办公室：材料楼307室 13864001380,课程要求： 工业仪表与工程测试技术所要解决的问题 本课程所学内容:仪表（热工，电工），测试温度T,压力P,体积V(物位，流量，成分，浓度) 学习方法：理论联系实际，要做到： 认真听课，做好课堂笔记，做好课后的练习和思考，如果不认真做练习和思考，那么这门课是学不好的。平时听不懂的问题及时提问，及时解决。 考试方法：采用闭卷考试的方法，没有难题、怪题，但量较大。,讲解的内容： 绪论 第1章 误差及其处理 第2章传感器 第3章 温度的测量 第4章 压力测量 第5章物位测量 第6章 流速和流量测量 第7章成份分析 第8章 粉尘浓度的测量,绪论,工程测试技术的地位和作用,1、科学研究：任何科学理论的建立和科学研究成果的获得都必须通过大量的试验与测量，并通过对测量所获得的数据进行合理的分析和计算来验证科学理论或研究成果的正确性和可靠性。 2、生产过程：为了保证生产的正常进行，必须对生产过程中的各种参数进行定时定期或在线连续测量，并在分析测量结果的基础上，对生产过程进行监视和控制，以保证产品的质量。 3、测量技术：应用测量仪器或仪表来实现测量目的的技术称为测试技术，应用于工程实践的测试技术则称为工程测试技术。 4、现代化的测试仪器是科学研究和生产实践的必要手段，其水平高低是科学技术发展的重要标志，同时也是科学研究和生产技术发展的重要的技术基础。,说明：测试技术随着科学技术和生产实践的发展而发展。科学技术的不断发展和生产实践水平的日益提高对测试手段和测试仪器提出了更高的要求，以满足更深更广的研究和更精细的生产控制的需要，促进了测试仪器以及测试技术的发展，而科学技术的发展又为研制新型的测试仪器提供了有力条件 。 说明：科学研究和工程技术中所要测量的参数大多为非电量，这些参数的物理特性或化学特性千差万别，在测量过程中，测量结果的传输和保存以及显示极不方便，因而促使人们利用电测技术所具有的测量精度高、反应速度快、数据传输方便并且能够连续自动记录等优点研究用电量测试的手段来进行这些非电量的测试，于是形成了非电量的电测技术。 非电量电测技术的内容：（1）研究用电测手段测量非电量的仪器和仪表；（2）研究如何正确和快速地进行非电量的测试。,工程技术领域，测试技术的作用有如下： （1）通过测量有关工艺参数，对生产过程的运行情况进行监视，使之保持在最佳工作状况；测量生产设备运转过程中的有关技术参数，并分析测试结果，判断设备的工作状态。 （2）将工艺参数的测量结果与设定值相比较，并根据偏差范围要求进行反馈，实现对工艺参数的调控，保证生产过程的要求。,（3）根据对工艺过程参数和设备性能参数测试结果的分析评价，发现问题，并提出相应的改进措施。通过测试来分析和评定改进措施实施后是否达到了预期效果。 （4）通过测试技术手段研究机械系统的响应特性和系统参数以及进行载荷识别，为机械系统的动态设计提供依据。,3例：哈尔滨大桥垮塌的原因：货车超载,测试系统的组成及特点,将被测量的非电信息变换成电信号,中间转换器，将传感器输出的电信号进行传输、放大和转换,模拟显示、数字显示、图像显示,笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪,仪表的分类： 按使用目的和用途分： 量具量仪、汽车仪表、拖拉机仪表、船用仪表、航空仪表、导航仪器、驾驶仪器、无线电测试仪器、载波微波测试仪器、地质勘探测试仪器、建材测试仪器、地震测试仪器、大地测绘仪器、水文仪器、计时仪器、农业测试仪器、商业测试仪器、教学仪器、医疗仪器、环保仪器等。,按功能分： 检测仪表、显示仪表、调节仪表和执行器等；其中检测仪表按被测物理量又分为温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、料位测量仪表和机械量测量仪表等。,温度测量仪表按测量方式分： 接触式测温仪表和非接触式测温仪表； 接触式测温仪表又可分为热电式、膨胀式、电阻式等。,包括 流速,仪器仪表性能的主要技术指标： 精确度、灵敏度、响应时间、重复性、线性度、漂移等。,精确度：仪表测量结果与被测量真值的一致程度。仪器仪表的精确度常用精确度等级来表示，如01级、02级、05级、10级、15级等，01级表示仪表总的误差不超过01范围。精确度等级数小，说明仪表的系统误差和随机误差都小，也就是这种仪表精密。,灵敏度：被测量增量与此增量引起的仪表示值增量之比，它反映仪表能够测量的最小被测量：,响应时间：仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的95时的时间为准。,工程测试的内容：,温度测量 压力测量 流量、流速测量 浓度测量 成分测定 物位（液位、料位）测量 噪声测量,工程测试的基本方法：,直接测量和间接测量方法 接触测量和非接触测量方法 偏位测量和差示测量方法 在线测量和离线测量方法 静态测量和动态测量方法,1、直接测量和间接测量方法,（1）直接测量方法： 无需进行函数关系的再运算，从实测数据中直接得到被测量值的测量方法。如：直尺长度测量、温度计测温、电压表测电压等。 （2）间接测量方法： 直接测量与被测量存在某种关系的各个物理量，通过一定的数学关系获得被测量。如：流量可通过流速和管道直径测定值而求得。,2、接触测量和非接触测量方法,（1）接触测量方法 仪表的一部分（传感器）与被测对象相接触并承受对象参数的作用。如：热电偶测温、扭矩式转速计测转速等。 （2）非接触测量方法 仪表的传感器不必与被测对象直接接触而给出测量结果的测量方法。如：光学高温计测温、雷达测速仪测量速度等。,3、偏位测量和差示测量方法,（1）偏位测量方法 被测量作用于仪表的比较装置（测量机构），使其某参量按已知关系变化，当此变化产生的反作用与被测量的作用相平衡时，则测量机构即可显示被测量。如磅秤称重、指针式仪器等。 （2）差示测量方法 被测量对仪表比较装置的作用由已知量部分或全部抵消，测量机构输出的是已知量与被测量的差值或零，由已知量得出被测量。如托盘天平称重、大象体重称量等。,4、在线测量和离线测量方法,（1）在线测量方法 在测量过程中，测量机构输出被测量的即时测量值的方法。如：波谱心律仪测心律、柜式电流表、电压表等。 （2）离线测量方法 取样离线后再行测量的方法。如：岩石成分的取样测定等。,瞬时性,迟滞性,Relationships between Engineering testing and atomization controlling,工程测试是自动化控制的基础 自动化控制是工程测试的目的 研究工业仪表和工程测试的最终目的是实现工业生产过程的高度自动化控制,参考书目：,热工参数测量及仪表 .何适生.1990 热工测量原理及其现代技术. 张秀彬. 1995 热工参数测量与处理.吕崇德. 2001 热工测量和仪表.朱祖涛. 1991 热工测量及仪表. 吴文德. 2000 热工过程检测仪表. 程大亨. 1997,Summary for Atomization Controlling Systems,Chapter One,科学史研究中，把17世纪看作近代自然科学诞生的分水岭。此前，自然科学未建立自己的传统，而是依附在哲学的传统和工匠的传统之上。 培根重要的哲学概念实验是自然科学的基础。 伽利略提出了科学实验的两个基本要素： 科学仪器测量、数字记录(表达)测量结果 使实验结果成为可定量比较和精确计算的数据。从此，自然科学由粗陋的观察、模糊的推断走向严肃的实验和严密的逻辑，与数学结成坚固的联盟，建立了自然科学自己的传统。,1.1 自动化及仪表发展概况,当人类活动领域越过感觉器官极限时，仪器仪表成了一切事业成功的前提。科学进展首先取决于仪器仪表的进展。 温度计和实用温标的发明（17、18世纪）使温度的概念具有更加准确的科学涵义，成为可以测量和定量计算的基本物理量。直接导致了热力学的诞生，发现了能量守恒定律和热机的一系列基本规律，为欧洲的产业革命奠定了坚实的科学基础。 电流表的发明（19世纪）使电学与磁学研究获得了一个又一个重大的发现，促进了电气时代的来临。 威尔逊云室和众多核物理探测仪器的发明（20世纪）揭开了原子核反应的神秘面纱，逐渐展现出微观世界的真实图景，奠定了原子核物理学与日后原子能利用的基础。近代自然科学是从真正意义上的测量开始的。,杰出的科学家们许多都是科学仪器的发明家，新的测量方法的创立者。,在人类的科学探索与生产活动中，仪器仪表逐渐形成了一种专门的学科，一种专门的产业。它支撑着社会的技术进步，为众多领域的科学探索活动提供实验和观测手段，为人类有序的生产活动与正常的社会生活提供必需的技术保障。 这种变化是文明前进的重要标志，是人类劳动科学化的重要特征。,仪器仪表科学技术继承了人类文明丰厚的遗产。自然科学领域的新发现，工程技术的新发明，不断充实它的内容，使它成为知识高度密集、高度综合的学科。,X-Ray衍射仪50万美元,1.1.1 自动化控制发展概况,人工控制：凭经验用人工观察现象、操作设备及控制生产过程 自动控制：借助于控制装置和信息技术控制生产过程,Dispersion Controlling System,1.1.2 仪表及测试技术发展概况,仪器仪表是人类扩大视野开拓新域的前导工具，时刻面临着严峻的挑战，它本身总是处于永不止息的创造发展之中。 随着工业生产过程向更高的精确度、更快的节奏和更复杂的流程发展，原有的技术已越来越不能适应要求。 随着人类活动领域的迅速扩大，传统仪器仪表无法应付的测量对象急剧增加。 随着自然科学领域探索活动的深入，要求仪器仪表具有更高的灵敏度和分辨率。,需要探索新的测量原理和方法，需要突破传统测量技术的阈值界限，需要超越经典的方法，以新的途径获取信号。在数量级的意义上具有更高的响应速度、更高的信噪比和更高的精确度。,在很多领域，仪器仪表已经成为工业生产设备、安全装置、社会技术保障体系、大型高速交通运载工具、医疗系统和国防工程的核心部件，已经同各种各样的工作对象融为一体，仪器仪表和它们的测量对象在空间上已经不能分离，必需服从苛刻的现场应用条件，经强烈的震动冲击，电磁干扰和大幅度的冷热剧变。,仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。人们用感觉器官去视、听、尝、摸外部事物，而显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计等仪器仪表，可以改善和扩展人的这些官能；有些仪器仪表如磁强计、射线计数计等可感受和测量到人的感觉器官所不能感受到的物理量；还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数，如高速照相机、计算机等。,仪器仪表在应用于生产活动、军事技术、服务于社会和科学研究的同时，已开始悄悄走进寻常百姓家，成为提高人们生活质量的重要手段。它给人们带来的影响将不亚于个人计算机的出现，这必将带来仪器仪表观念和技术的重大变化。,仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。广义上，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表、电动调节仪表以及集散型仪表控制系统等。,现代工程测试技术的发展趋势,仪器应用范围的扩大 新型传感器的研究 多功能测试仪器的开发 测试系统的智能化,仪器仪表科学技术，是信息时代的重要特征。 仪器仪表是信息的源头，在学科分类上属于“信息获得”技术的范畴，它与信息传输技术和信息处理技术共同构成当代信息科学技术的三大组成部分,当信息科学涉及到更深的层次，更多地关注自然及其与人的相互关系，更多地关注自然科学研究、生产活动、战争技术手段、人类健康、安全和环境的时候，如何获得自然界本身的信息，就是解决问题的首要前提，“信息获得”就成了后续工作的重要基础。,重视仪器仪表，是现代理性精神的体现。 理解仪器仪表，就是理解信息时代。,1.2 自动控制系统及类型Automatic Controlling System and its Types,1.2.1 自动控制系统(Automatic Controlling System ) 自动控制系统的主要组成部分： 被控过程、检测单元和变送器、控制器、执行器 被控过程：自动控制系统中需实现控制的设备、机器或生产过程 被控变量：被控过程内设定的物理量数值 干扰（扰动）：非控制装置操纵而又作用于过程并引起被控变量变化的因素。（温度、振动、涡流） 检测元件和变送器 检测元件的作用： 感受工艺变量的变化，并将其转换为电信号或气压信号等,变送器的作用： 将检测元件的检测信号转换成统一标准的气压信号(20 100kPa)或直流电流信号（010mA），并输送至控制器。 测量值：检测变送装置输出的信号。 控制器 作用：将来自检测元件及变送器的测量值与设定值进行比较得出偏差，根据偏差大小及其变化趋势，按预定控制规律进行运算后，向执行器输出相应的控制信号。 偏差：设定值与测量值之差 执行器 作用：接受控制信号，改变操纵变量，克服扰动影响，实现控制要求。 自动控制系统的其它辅助装置：电气阀门定位器、显示装置、运算单元等。,1.2.2 自动控制系统结构分类(Classification of structure of Automatic Controlling System ),（1）开路程控制系统（Opened circuit Controlling system）: 按设定值控制：待测值与设定值保持一定的函数关系。当设定值变化时，操纵变量随之变化。,按扰动控制（前馈控制）：扰动出现时，操纵变量随之变化,开路控制的特点： (characterristics of opened circuit Controlling system) 操纵变量对被控变量起控制作用；但被控变量未回到控制装置，不影响操纵变量，整个信息流不形成闭合回路程。 不能保证被控与设定值相吻合，难以保证控制质量。,（2）闭环（反馈）控制系统(Closed Circuit Controlling System)：,按偏差进行控制，即依据被控变量检测与设定值的偏差，按控制规律调整控制。 类型：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统,说明：r(t):设定值；y(t):测量值；e(t):偏差；u(t):调节器输出 c(t):被控变量；q(t):操纵变量；f(t):扰动,闭路控制系统的特点：(characteristics of closed circuit Controlling system),被控变量通过控制装置影响操纵变量，形成闭合会路。 控制质量高。,1.3 静态测量和动态测量Static state testing and dynamic state testing,1.3.1 静态测量测量时被测量物理量处于静止或动平衡状态。 1.3.2 动态测量 测量时被测物理量处于渐变状态,1.4 闭环控制系统的过渡过程及其控制指标The transition process of closed circuit system and its controlling indexes,1.4.1 闭环控制系统的过渡过程 振荡衰减过程和非衰减振荡过程 等幅振荡过程 发散振荡和非发散振荡过程,稳定快,衰减振荡,不能稳定,振荡加剧,衰减振荡,非衰减振荡,等幅振荡,发散振荡,非振荡发散,C 余差 控制系统过渡过程终了时，设定值与被控变量稳态值之差。 D 回复时间Ts和振荡频率W 回复时间：控制系统过渡时间的长短，即控制系统在受到阶跃扰动后，被控变量从原有的稳态值达到新的稳态值所需要的时间。 振荡频率：在衰减比相同的情况下，振荡频率与回复时间成反比。,（2） 综合控制指标,通过偏差的某些函数对时间的积分来表述，以兼顾衰减比、超调量、回复时间等各方面因素 三种表达形式： 1）绝对值积分鉴定IAE 2）平方积分鉴定ISE 3）时间乘以绝对值的积分鉴定ITAE,IAE=,ISE=,ITAE=,1.5 自动控制系统的实现方式Means to realize automatic controlling,生产过程控制系统通过自动化仪表、计算机等实现。 单元组合仪表： 气动单元组合仪表：变送单元、调节单元 、显示单元 、计算单元 、定值单元 、辅助单元 、转换单元，各单元间用20100KPa的标准气压信号相互联系 电动单元组合仪表：变送单元、调节单元 、显示单元、计算单元 、定值单元 、辅助单元 、转换单元 和执行单元，各单元之间用010mA或420mA 直流电流的标准信号联系。 电动单元组合仪表与其动单元组合仪表在一个系统内可混合使用，中间用电器转换器（转换单元）将信号转换。,End,