热工仪表与自动控制课件

热工仪表与自动控制-空调0931班 1.热工测量仪表是指i测量热工参数的工业仪表，是为热力设备试验和运行而设计的，用以测试与监测热能利用中的各种参数（t，p，v，Q，等）。2.热工自动调节是对锅炉、采暖、供热、通风、制冷与空气调节等过程进行监测与控制，用以代替操作、管理及科研人员的直接劳动，使热力工程、热能利用、空气调节等生产运行过程在不同程度上自动运行。3.测量与调节 测量是调节的依据，调节则是测量的目的之一 4.学习任务第一讲-绪 论一.热工仪表与自动控制的含义 有六条：掌握热工测量仪表的选择设计及安装事项 把握好误差理论 熟练掌握数据处理 掌握自动控制的基本理论 初步能够绘制自动控制原理 能够配合电气人员进行自动控制系统的安装调试工作。二.热工仪表的发展史 1.实验室-现场 2.在线测量-远程读数 3.简单的物理仪器-热工自控的专用仪表 4.基地式仪表-单元组合式仪表、组装式仪表-计算机式的综合仪表(三个阶段)5.简单仪表-简单自动调节仪表复杂自控系统 6.-多参数、最优控制、智能控制，看重人机工程，强调环境效益三.热工仪表的组成 1.热工测量仪表传感器变换器显示器 2.热工自动化仪表传感器或变换器显示、报警、记录等观察者调节器执行器供热通风与空调等过程各种热工参数图1-1 热工仪表的狭义组成.四.热工仪表的分类 1.仪器与热工仪表 2.按其被测参数种类分：3.按显示功能分类：4.按传感器变换原理分类：5.按仪表的结构与构造原理分类：6.按其能源来划分：7.其它分类方法。仪表要通过现场使用及主要技术条件来选择。第二讲 测量的基本知识（一）1)测量是从客观事物中提取有关信息并加工整理为数据的过程。（也就是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。）（也是求被测量与标准单位的比值的过程。）X0 ax 这里X0指被测量的真值；a 为测量单位；x 为测得量，即所测数值；ax指一般意义上的绝对测量误差，2)测量过程三要素:测量单位；测量方法;测量仪器与设备。3)数据三要素：测得量（数值）；单位；测量误差。X0 ax ax=x xa 一.测量的概念二.基本测量方法 1)非零测量法、零位测量法与微差法 例：水银温度计、完全平衡天平、U型管测压计 2）接触法与非接触法 3）静态测量法与动态测量法 静态测量是稳态测量，一般 是点参数测量；动态测量的值是时间的函数，一般要求在瞬间完成一次测量，测量精度很高。4）直接测量法与间接测量法 直接测量法与接触法的区别；间接测量不一定是非接触测量。5）多次测量与单次测量；等精度测量与不等精度测量三.测量系统 1)测量系统 系统是指一些部件（单元）组合，完成一定的指定任务。测量系统是指为完成测量任务而组合在一起的总体，研究时必须将整个测量系统（包括测量中所有环节，被测对象与观察操作者）作为整体来研究。有狭义和广义之分。？简单：一般：复杂：2)传感器传感器是测量系统与被测对象直接发生联系的部分。它的作用是感受被测量的大小后，输出一个相应的信号，把被测量转换为易于传差额 显示的物理量。？传感器特点：准确性和稳定性方面：灵敏性方面：负载效应方面：经济性、耐腐蚀性等方面：?传感器位置（测点）：3)中间变换器 有时也称变送器，它的作用是将传感器的输出信号进行远距离的发送、放大、线性化或转换成统一信号，供显示仪器用。？不合格产品引起：信号失真？实物：4）显示装置 也称测量终端，显示可以是瞬量指示、累积量指示、越限和极限报擎等，也可以是相应记录显示等。总体上显示方式有指示式、数字式和屏幕式。？显示方式的优缺点：？各举几例：四.测量误差1)绝对误差测量值与被测量的真值之间的差：=xi-X0 X0 X0=axax=x xa 2)相对误差 绝对误差与真值的百分比:=100%3)系统误差系统误差是在偏离规定条件或由于测量方法所引入的因素，按其确定规律所引起的误差。当偏离规定条件时，误差的绝对值和符号保持恒定；当测量条件改变量，按某一确定规律变化。?产生的原因与解决措施：4)随机误差随机误差是在测量条件下，多次测量同一量时，误差 的绝对值和符号以不可预定方式变化的误差。它可以通过统计学与概率论来进行研究，可定其区间与出现的概率。怎么办：5)粗大误差粗大误差是指超过规定条件下预期的误差。也称粗差、坏值、异常值。产生的原因系严重的偏离规定条件，如使用有缺陷的仪器，测量仪器不正确，错误读取示值等。？怎么办6)另外还有引用误差、基本误差和允许误差0X五.测量精度1)精密度是指在一定条件下进行多次测量时，测量结果彼此之间符合的程度。是随机误差的大小的表示。2)准确度是指在规定条件下，在测量 中所有系统误差的综合。表示了系统误差。3)精确度表示测量结果与真值的一致程度。是随机误差和系统误差的综合表示。(a)(b)(c)(a)随机误差小（精密度高），系统误差大（准确度小）；（b)随机误差大，系统误差小；（c）随机误差和系统误差均小，精确度高精密度高，精确度不一定高；精确度高，则精密度和准确度都高。第三讲 测量的基本知识（二）误差处理 讲授目的要求：1.掌握等精度测量的数据处理 2.掌握间接测量的整理 3.对非等精度测量有所了解 4.随机误差的特性一.随机误差的特性1.等精度测量列是指用同一方法、同一仪表，对同一参数，进行的多次测量值。2.最优概值测量次数无限多时，就是真值;若有限次时近似等于真值。3.标准偏差 =是指作为测量列中单次测得值的不可靠性的评定标准，值愈大，测量值越来越分散，相对于真值，分散范围越来越大，反之，分散范围小。4.剩余误差 由此，标准偏差公式为=此式称为贝塞尔公式 nxxnii1nn22221nXxnniinniin12012)()(limlim121nn）0()(Xxxxiii5.随机误差的数据特征 对称性：对称于最优概值 单峰性：区域性（有限性）：在-,区间，误差的概率为0.683，2区间误差的概率为0.954，即95.4，在 3区间的概率为99.73，也就是测量次数在 3区间的概率为99.73 补偿性：当测量误差趋于 时，测量次数与其对应的误差的乘积趋于零。y（）-+3=0.5=1=2y（）二.随机误差的处理(z)称为置信概率，置信度，置信限用？表示，置信区间用?，?表示，1-(z)称为置信水平。y(?)为概率密度。比如(3)=0.49863，y(3)=0.9973=99.73 1.分布公式：概率密度函数 分布函数（一般所需）在 之间的概率 标准化随机误差的概率(式中Z=/)标准正态分布函数)2exp(21)(22ydy)2exp(21)(22dy)2exp(21)(2202)2exp(22)(dzzyzdzzz02)2exp(21)(2.随机误差处理步骤 求平均值-标准偏差-3-把结果表达出来三.直接测量的数据整理例2-1对某场合温度进行十五次测量得测量值如表所示，求最优概值及其误差。t(序次12345678t()105.30104.94105.63105.24104.86104.97105.35105.16序次9101112131415t()105.71104.70105.36105.21105.19105.21105.32CxxXCxXCCnCnCxnxxxxxxxniinii21.021.105307.021.10521.0208.00692.03307.00692.015268.027.0268.01150056.1121.1051515.1578)32.10594.10430.105(1511maxmax121或测量结果表达为：最优概值的极限误差：最优概值的标准偏差：测量列的标准偏差：解：求最优概值：步骤求平均值求列的标准偏差求平均值的标准偏差求平均值的极限误差写出表达式 例2-2：有一测量列为8.5，8.6，8.2，8.3，8.5，8.4，8.5，9.0，求这个数据。CttTCxXCCnCnCtntttxtttniinii2.04.816.043.832.04.832.01566.00522.03305.00522.07138.014.0138.017)429.85.8()429.86.8()429.85.8(14.8429.8759)5.84.85.83.82.86.85.8(711maxmax222121或 解：把9.0一数据剔除，有 求平均值求列的标准偏差求平均值的标准偏差求平均值的极限误差写出表达式四.间接测量的处理 间接测量是指形如Y=F(x,z,)的测量。Y是被测量，x、z是所测量，它们之间存在函数关系。间接测量误差处理步骤如下：Y=F（x1，x2）,x10、x20,1、2，x1，x2是自变量,x10、x20分别是x1，x2的最优概值，1、2分别是x1，x2的标准偏差。y0=F(x10，x20)22222121)()(xyxyy=2221DD iixy称作自变量xi的相对部分误差，记作Di,YDi称作自变量的相对标准偏差，YDi=5，记作D0i=5%。Yy称作Y的相对标准误差，Yy=20iD若说某测量误差为5，则记作0y，则0y=若知道测量次数，可求出y0的标准偏差和极限误差。最后写出Y的表达式例2-3：计算电阻R上功率P的标准误差，已知测量出：I=10.0A，I=0.2A，R=10.0，R=0.1。若已知测量次数为8，则p0=341.23/(8)0.5=43.73w 又知p0=I2R=10210=1000w故P=100043.73wP的相对误差为43.73/1000=4.37，相对标准误差为41.23/1000=4.12wIRIIIRRPIPIRPIRIPRIPRIRIRIP23.411.0102.0104104422222222224222222222）（）（得。代入标准误差公式，；，故因为解：例 2-4 设计某换热器传热系数K的测量系统已知某种换热器的传热系数K可以用式子K=QF-1t-1计算(式中t 为两种流体的对数平均温差，F为换热器的传热面积，Q为 换热量）t 可以通过冷却水与空气两种流体的进出口温度的测量，间接求得；Q可以通过冷却水温的改变量进行计算，即Q=CW，为冷却水的进出口温差。则 K=CWF-1t-1由此可以间接测量K，先用误差传递定律。有若要求K的测量误差在5以内，即0K=5%，则测量系统必须符合这个要求，选择各种测量仪器是重要的一环。需要定出各自变量的允许误差，进而定出仪器的精度等各种规格。知D0C=0，其它先根据等作用原则可得D0=2.5这样不尽合理，假定D0和D0F降低到1，则可求得 D0W=D0t=3.4%这样就可充分利用仪器设备而不必对水量和对数平均 温差苛求了，提高了整个测量系统的准确性和正确性。20202020200tFWCKDDDDD六.仪表的基本特性一）.测量仪表的静特性1.测量范围 是指在允许误差限内测量仪表的被测量值的范围。L=XminXmax。2.准确度等级 是根据测量仪表准确度大小所划分的等级或级别。？它的作用规定：允许误差去掉百分号的数值便是准确度，也称精度。我国热工仪表有15个等级序列，即0.005、0.01、0.02、（0.035）、0.04、0.05、0.1、0.2、（0.35）、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0，这就是精度等级。工业用测量仪表的精度等级一般为0.5级以下。？0.51.0 ，精度等级0.5精度1.0，精度0.5高质量于精度1.0？若知仪表基本误差为1.4，则其允许误差为1.5，精度等级为1.5。3.稳定度几种误差 1.引用误差 是指绝对误差 与测量范围上限值（下限值为零）或量程之比值，以百分数表示。公式为y=/Xm 100%2.基本误差 指测量范围中最大的绝对误差的绝对值和该仪表的测量上限或量程之比，以百分数表示。公式为j=|max|/Xm 100%3.允许误差 是指对测量仪表所允许的误差界限，以百分数表示。y j yx 在选用仪表时，尽可能选择量程小的仪表，并使测量值在上限或量程的三分之二左右（1）在测量中使用同一精度等级，量程又相同的仪表，那么引起仪表的绝对误差与被测参数的数值大小无关。（2）同一精度的仪表，如果量程 不等，则在测量中可能产生的绝对误差是不同的。（3）用户不能 随意给仪表升级使用，但可降级使用。3.稳定度 稳定度是指在规定工作条件内，测量仪表某些性能随时间保持不变的能力。它是由于仪表中之元件或环节的性能参数的随机性变动、周期性变动和随时间漂移等因素造成的。4.灵敏度与灵敏限 灵敏度是表征测量仪表对被测的量变化的反应能力。K=Y/X。而仪表灵敏限是仪表可察觉变化的被测的量的最小变化值 Xmin。它表征了仪表响应与输自变量微小变化的能力。5.线性度与变差 线性度用E表示为：E=y/Xm 100%变差用=yb/Xm 100%来表示，是正反行程的测量所产生的差值与测量范围之比。二）.动态特性 1.阶跃响应 阶跃响应是指仪表在输入阶跃信号时，其输出信号能否立即跟随输入信号变化的能力。若时间常数小，即惯性小，则阶跃响应好，仪表的动态特性好。时间常数是指在阶跃信号作用下，输出信号（或被调量）以最大速度变化到新稳态值时所南需的时间。2.频率响应 一般固有频率高，仪表频率特性好。yt1t0T作业 Page181:3.5.7.补充1：在相同条件下有一组测量值：10.1、10.2、10.5、10.3、10.2、10.6、10.3，求这个温度。补充2：用毕托管测风速，工作液体采用水，其密度为1000 Kg/m3，空气密度为1.29Kg/m3，求所测风速是多少。已知水柱高度数据为：12.6、12.5、12.3、12.4、12.0、12.1、12.4、12.3、12.4、12.5mmH2O。系统误差 原因：（1）误差与环境影响。如因测量工具结构上的缺点，刻度不正确或因温度、磁场等环境的影响使测量结构发生变化等。（2）方法误差，亦称理论误差，是由测量方法本身所形成的误差，或由于测量所依据的理论本身不完美等所引起的误差 （3）人员误差。如测量者的最小分辨力、反应速度和固有习惯等 分类：1.固定的系统误差；2.未定系统误差（逐次积累的误差，周期性变化的误差，变化规律复杂的系统误差）办法：认真地考虑测量方法，合理地配置仪器设备进行必要的度调试，对测量入修正值，还要配备合适的测量者。最终目的是尽可能减少系统误差，使之归入随机误差的范畴。随机误差 总原因：大量、随机、同批、微小无规律因素作用的结果。具体原因（1）仪表本身：（2）测试人员：（3）使用条件与环境的变化。办法：随不能消除，但可推知其区间与出现的概率。热工仪表的狭义组成控制器传感器变换器显示器 电 源控制器传感器变换器显示器 第一章 绪 论 一.热工仪表与自动控制的含义 二.测量与调节 三.热工仪表的发展史 四.热工仪表的组成 五.热工仪表的分类 总体上对这门课把握,属于一般了解内容第二章 1.测量：过程，数据，方法，系统等 2.测量误差 3.直接测量数据处理 4.间接测量数据处理 5.仪表的静动特性 熟练掌握测量的基本知识，能够进行误差分析和数据处理，对仪表的的静特性也要求掌握