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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,3,第,2,章 过程检测仪表,检测仪表的组成和信号标准,过程检测仪表的接线方式,测量误差和精度等级,常用的数字滤波方法,主要内容,过程控制中的软测量技术,安全防爆的基本概念,温度、压力、流量、物位和成分检测仪表的选型和安装,1,2.1,检测仪表组成及接线方式,过程控制的“,眼睛,”;,许多过程控制系统不能长期使用的主要原因就在于,传感器故障,!,2,2.1,检测仪表组成及接线方式,2.1.1,检测仪表组成,功能,用于确定被控变量的当前值,组成,传感器,变送器,感受被控参数的变化,传送出相应的信号,将检测信号进行处理后,调制成标准信号,3,2.1,检测仪表组成及接线方式,变送器的标准信号,电动信号,气动信号,4-20mA,电流信号(远距离,35Km,),1-5V,电压信号(近距离),20-100kPa,气压信号,注意:控制器和执行器的标准信号与变送器的相同,4,若仅采用两根导线将热电阻接入电桥,,将会由于远距离连接导线的电阻而引入误差。,2.1,检测仪表组成及接线方式,2.1.2,过程检测仪表的接线方式,电流二线制、四线制,电流三线制,二线制线路简单,节省电缆,四线制仪表的工作电源可为直流,,也可为交流,5,2.1,检测仪表组成及接线方式,现场总线方式,现场总线是新近发展的一种,通信协议方式,;,以,HART,为例,在一条电缆上同时传输直流,4,20mA,的,模拟信号,和,数字信号,。,在直流,4,20mA,基础上叠加幅值为,0.5mA,的正弦调制波作为数字信号。,频移键控(,FSK,),6,2.2,测量误差及处理,2.2.1,测量误差的基本概念,1.,真值,变量本身所具有的真实值,一般无法得到。,约定真值,相对真值,无系统误差情况下,多次测量的平均值。,标准仪表的测量值。,2.,测量误差,测量值与真值之间存在的差别。,绝对误差,相对误差,引用误差,7,2.2,测量误差及处理,仪表,测量值,与被测参数,真实值,之差。,:,绝对误差,M:,测量值,A:,约定或相对真值,绝对误差,相对误差,仪表,绝对误差,与,真实值,的百分比。,:,相对误差 ,:,绝对误差,A:,约定或相对真值,引用误差,仪表,绝对误差,与,仪表量程,的百分比。,m,:,引用误差 ,:,绝对误差,X:,仪表的量程,8,3.,仪表精度等级,2.2,测量误差及处理,我国仪表精度等级有:,0.005,、,0.02,、,0.05,、,0.1,、,0.2,、,0.35,、,0.4,、,0.5,、,1.0,、,1.5,、,2.5,、,4.0,等。,级数越小,精度越高;级数越大,精度越低。,仪表的精度等级应视工艺需求而定,不能片面追求高精度。,把仪表允许的最大引用误差去掉,“,”,号和,“,”,号,便可以用来确定仪表的精度等级。,去掉,“,”,号,去掉,“,”,号,仪表的最大引用误差,仪表的准确度等级,9,2.2,测量误差及处理,某压力表刻度,0,100kPa,,在,50kPa,处测量值为,49.5kPa,,,(,1,)求在,50kPa,处仪表示值的绝对误差、相对误差、引用误差,(,2,)如果用该仪表进行多次测量,误差分别为,-0.45,、,0.3,、,0.2,、,-0.1kPa,,求该仪表的精度等级?,相对误差,引用误差,绝对误差,EX1:,误差和精度求解,I,最大引用误差,精度等级,10,2.2,测量误差及处理,某根据控制系统工艺设计要求,需要选择一个量程为,0,100kPa,的压力表,压力检测误差小于,0.45,kPa,,,应该选择何种精度等级的压力表?,EX2:,误差和精度求解,II,最大引用误差,精度等级,11,2.2,测量误差及处理,2.2.2,测量变送中的几个问题,测量元件,安装位置不当,及,测量仪表本身特性,等容易引入,纯滞后,,应力求避免。,测量滞后,问题,主要由,测量元件的惯性,造成,在系统设计中应尽可能选用快速测量元件。,多路循环测量时,应保证每路信号控制的,实时性,。,1.,信号滞后问题,12,2.2,测量误差及处理,电流信号,较,电压信号,抗干扰能力强,传输距离远;,不同电流信号,传输距离,视变送器,带载能力,而定,带载能力一般在,250-750,之间;,采用通信方式时,信号有时需加,转换器,或,中继器,以延长传输距离。,2.,传感器信号传输距离问题,13,2.2.3,测量信号的处理,2.2,测量误差及处理,1.,测量信号的滤波处理,过程控制系统中,测量信号往往带有,噪声,;,关于测量信号的滤波,可以采用,模拟滤波电路,,还可以采用,软件数字滤波,来消除噪声。,测量信号的处理包括对测量信号进行,线性化处理,和,滤波处理,14,数字滤波,即,程序滤波,,通过计算机软件滤去干扰信号,提高信号的真实性。,在计算机中常采用数字滤波消除,低频干扰,。,常用的数字滤波有如下几种:,1.,算术平均值滤波,2.,程序判断滤波,3.,中位值法滤波,4.,一阶惯性滤波,2.2,测量误差及处理,2.,数字滤波,15,2.2,测量误差及处理,数字滤波使用时注意的问题:,根据具体情况选择采用。在实际应用中,一般先对采样值进行,程序判断滤波,,然后再应用,算术平均滤波,或,一阶惯性滤波,等方法处理;,应保证测量值的,实时性,和,真实性,。,对于存在较大干扰的信号,应从,抑制干扰,角度去考虑,而不是仅仅滤波!,16,2.2,测量误差及处理,某换热器的温度控制系统方块图。系统的被控参数为,出口物料温度,,要求保持在(,20020,),,控制参数为,加热蒸汽的流量,。,1.,说明图中,R,、,E,、,Q,、,C,、,F,所代表的,专业术语,内容。,2.,说明,Z,、,I,、,P,的,信号范围,。,3.,气动执行器的,输入、输出,各是什么,物理量,?,EX3:,换热器温度控制系统,17,2.2,测量误差及处理,1.,R,为给定值,,E,为偏差(,E=R-Z,),,Q,为控制变量,,C,为被控变量,,F,为干扰变量。,2.,Z,的信号范围为,4,20mA DC,,,I,的信号范围也为,4,20mA DC,,,P,的信号范围为,20,100kPa,。,3.,气动执行器的输入信号为,20,100kPa,的气压信号,,输出信号为加热蒸汽的流量。,18,2.3,安全防爆基础,2.3.1,危险场所划分,在石油、化工等多个行业,大量存在含有,易燃材料,的场合(,危险区域,),如原油及其衍生物、酒精、天然气等。,易燃材料,与,空气混合,成为具有火灾或爆炸危险的混合物,一旦产生,电火花,具有点燃混合物的能量,则产生火灾或爆炸。,安全防爆是一项综合性技术,与,过程控制,关系密切。,19,2.3,安全防爆基础,1.,危险区分类表,根据国际电工委员会(,IEC,)和相应的国标和行标,根据,可燃物质的形态,、,形成爆炸混合物的频度,和,爆炸混合物的持续时间,,将危险区分为,三类八级,。,2.,燃点和闪点,可燃物受热发生,自燃的最低温度,。达到这一温度,可燃物质与空气接触,不需要明火作用,就能自行燃烧。 如汽油的燃点为,220,。,燃点,闪点,易燃物或可燃液体挥发出的蒸气与空气形成,混合物,遇火源发生燃烧的最低温度,。如汽油闪点,39,。,20,2.3,安全防爆基础,为了确保电子设备在危险场所安全使用,发展了多种防爆技术:,隔爆型(,d,),本安型(,i,),增安型(,e,),正压型(,p,),油浸型(,o,),充砂型(,q,),各种防爆技术规范由国家标准强制规定,不同的防爆技术适用于不同的场合。,3.,防爆技术,21,4.,仪器防爆标志,2.3,安全防爆基础,Ex,:,防爆仪表,d,:,隔爆型,B,:,指工厂用仪表,;,指煤矿用仪表, A,(丙烷等), B,(乙烯等),和,C,(氢气、乙炔等),T6,:,85 ,根据自燃温度,T,将易燃性气体或蒸汽混合物分为,450,、,300,、,200,、,135,、,100,和,85 ,六组。,EX4: (,ExdBT6,),仪表类型和功能,22,2.3,安全防爆基础,2.3.2,防爆安全栅,安全栅安装在安全场所,作为,控制室仪表,和,现场仪表,的关联设备。,一方面,传输信号,,另一方面,限制,进入危险场所设备的,能量,。,分为,齐纳式安全栅,与,隔离式安全栅,两种。, = E,AB,(t,,,0) - E,AB,(t,0,,,0),电子密度不同,扩散运动,两种金属接触,接触电势,e,AB,(,t,),达到动态平衡,E,AB,(t,,,0),:工作端温度为,t,,自由端温度为,0,时产生的热电势,E,AB,(t,0,,,0),:工作端温度为,t,0,,自由端温度为,0,时产生的热电势,31,2.4,温度检测,基本为定型生产,有,标准化分度表,。,常用型号:,铂铑,30,-,铂铑,6,热电偶,(也称双铂铑热电偶,分度号,B,),;测温范围,300-1600,。,铂铑,10,-,铂电偶,(分度号,S,),;测温范围,0-1300,。,镍铬,-,镍硅热电偶,(分度号,K,);测温范围,-50-1000,。,2.,常用热电偶型号,32,2.4,温度检测,3.,热电偶冷端补偿,将冷端温度保持为,0,,或者进行一定的,修正,等,对热电偶冷端温度的处理。,E,AB,(t,,,t,0,) = E,AB,(t,,,0) - E,AB,(t,0,,,0),冷端温度补偿,1.,冷端温度不恒定,2.,冷端温度高于,0,33,2.4,温度检测,冷端温度,补偿,冰点槽法,修正法,温度修正,热电势修正,自动补偿法,冷端补偿电桥法,pn,结补偿法,导线补偿法,34,2.4,温度检测,2.4.3,热电阻,工作原理,:利用某些导体或半导体的,电阻值,随,温度,的变化而改变的性质来测定温度。,特点,:性能稳定、测量精度高,一般可在,-270,900,范围内使用。,适用性,:在,中、低温区,,用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高;,35,2.4,温度检测,工业热电阻的材料要求:,电阻随温度的变化呈,线性关系,;,电阻温度系数大,;,电阻率大,;,热容量小,;,在测温范围内具有,稳定的物理和化学性能,。,热电阻的材料主要有,铂、铜,和镍。,36,2.4,温度检测,包括,正温度系数,PTC,、,负温度系数,NTC,和,临界温度电阻,CTR,连续测温,中主要采用负温度系数,NTC,;而,PTC,和,CTR,一般用于制作,位式作用温度开关,。,热容量小,响应快;但互换性差,热电特性非线性大。测温范围,-50-300,。,热敏电阻,37,2.4,温度检测,2.4.4,集成式温度传感器,利用,pn,结的伏安特性,与,温度,之间的关系研制的一种固态传感器。,特点:,体积小,热惯性小、反应快,测温精度高,稳定性好,价格低,分为,电压型,和,电流型,两种,电压型温度系数约,10mV/,;电流型温度系数约,1,A/K,。,38,2.4,温度检测,AD590,是常用的,电流型,集成式温度传感器,供电电压,:直流,+4+30V,;,测温范围,:,-55+150,;,温度系数,:,1A/,K,可进行,长距离传输,(100m),39,2.4,温度检测,2.4.5,接触式测温元件的选型与安装,根据工艺要求的,测温范围,和,使用要求,确定,相应分度号,的热电偶、热电阻,。,优先选择,一体化热电偶,或,热电阻温度变送器,,直接输出,标准信号,。,根据环境条件选用不同型式的接线盒。潮湿或露天场所选用,防溅式,、,防水式,;易燃易爆场合注意,防爆,。,选型,40,2.4,温度检测,测量流动介质温度时,应保证传感器与介质充分接触,与被测介质成,逆流状态,(至少呈正交式)安装。,感温点应处于管道中,流速最大,的地方。,尽可能,增大,传感器的,插入深度,,温度计应斜插或在管道弯头处插入。,当测温管道过细(直径小于,80,)时,安装测温元件需,加装扩充管,。,安装,41,2.5,压力检测,压力概念,弹性式,应变片式,压阻式,选型和安装,42,2.5,压力检测,绝对压力,Pa,,物体所承受的实际压力,其零点为绝对真空。,表压力,P,,,指高于大气压力时的绝对压力与大气压力之差。,真空度,(负压),Ph,,,大气压力与低于大气压力时的绝对压力之差。,压力基本概念,详细的测压仪表分类参照表,2-7,43,工业压力变送器,数字压力变送器,通用压力变送器,隔离压力变送器,高温压力变送器,隔离压差变送器,隔离液位变送器,微压变送器,电容压力变送器,隔膜压力变送器,绝压变送器,双膜压差变送器,微型探针压力计,暖风空调压力计,湿式压力变送器,本安压力变送器,OEM,血压计,OEM,压力芯片,2.5,压力检测,44,2.5,压力检测,2.5.1,弹性式压力检测,原理:,利用各种弹性元件,在被测介质压力作用下产生弹性变形的原理来测量压力的。,弹性元件,被测压力,位移,平薄膜,波纹膜,波纹管,单圈弹簧管,多圈弹簧管,45,2.5,压力检测,2.5.2,应变片式压力检测,1.,基本原理,电阻应变原理,压缩应变,拉伸应变,阻值减小,阻值增加,外力作用,S,增加,L,增加,因尺寸,(,l,s,),变化引起阻值变化。,2.,结构和工作过程,3.,信号的转换,4.,特点,5.,总结,46,2.5,压力检测,2.,结构和工作过程,r,2,沿径向贴放,作为,温度补偿片,r,1,沿轴向贴放,作为,测量片,r,1,r,2,膜片受到外力作用,r,1,产生轴向压缩应变,,S,增加,r,2,产生径向拉伸应变,,L,增加,阻值变小,阻值变大,结论,压力与应变片阻值呈对应关系,1,外壳 ;,2,应变筒;,3,密封膜片,应变片式压力传感器,47,3.,信号的转换,2.5,压力检测,不受压时,r,1,= r,2,=r,0,r,3,=r,4,=r,若应变片受压,r,1,= r,0,+r,1,;,r,2,= r,0,+r,2,(r,1,r,2,),结论,压力与应变片阻值呈正比关系,最终输出为电压信号。,48,4.,特点,2.5,压力检测,测量范围,大,具有良好的,动态效应,,适用于快速变化的压力测量,具有明显的,温漂和时漂,,精度不是很高,5.,总结,应变片,桥式电路,被测压力,P,阻值的变化,R,不平衡电压,U,49,2.5,压力检测,2.5.3,压阻式压力检测,压阻式压力传感器是根据,压阻效应,造成的。,其压力敏感元件是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成的,扩散电阻,,受到外力作用时,扩散电阻的,阻值,由于,电阻率,的变化而变化。,50,2.5,压力检测,2.5.4,压力表的选择与安装,量程的选择,根据,被测压力的大小,确定,仪表量程,。,对于弹性式压力表,测量稳定压力时,最大压力值应不超过满量程的,3/4,;,测量波动压力时,最大压力值应不超过满量程的,2/3,最低测量压力值应不低于满量程的,1/3,。,精度的选择,根据生产允许的最大测量误差(引用误差),确定仪表的精度等级。,一般工业:,1.5,级或,2.5,级,科研或精密测量:,0.05,级或,0.02,级,1.,压力表的选择,51,2.5,压力检测,使用环境及介质性能的考虑,根据,环境条件的恶劣程度,(如高温、腐蚀、潮湿、振动等)和,被测介质的性能,(如温度高低、腐蚀性、易结晶、易燃、易爆等)确定压力表的种类和型号。,压力表外形尺寸的选择,现场,就地指示,的压力表表面直径一般为,100mm,,在,标准较高,或,照明条件较差,的场合选用表面直径为,200250mm,的压力表,盘装压力表直径为,150mm,或用矩形压力表。,52,2.5,压力检测,有一台空压机的缓冲罐,其工作压力变化范围为,13.5,16,MPa,,工艺要求,最大测量误差为,0.8,MPa,,试选一合适的压力表(包括测量范围、精度等级)。可供选择量程规格为,(,0,20,、,0,30,、,0,40,MPa,),解,缓冲罐的压力视为脉动压力,(1),仪表量程选择,EX4:,压力表的选择,设压力表量程为,0,A,MPa,根据题意,选择量程为,0,40MPa,53,2.5,压力检测,(2),确定精度等级,最大引用误差,精度等级,工艺要求最大测量误差,不大于,压力示值的,5%,,,如何求解精度等级?,思考,54,2.5,压力检测,2.,压力表的安装,测量高温(,60,以上)流体介质的压力时,为防止热介质与弹性元件直接接触,压力仪表之前应加装,U,形管,或,盘旋管,等形式的,冷凝器,,避免因温度变化对测量精度和弹性元件产生的影响。如图,(a),、,(b),测量腐蚀性介质的压力时,除选择具有防腐能力的压力仪表之外,还应加装,隔离装置,,利用隔离罐中的隔离液将,被测介质,和,弹性元件,隔离开来,如图,(c),、,(d),(a),(b),(c),(d),1,1,2,2,3,3,55,2.6,流量检测,流量概念,仪表分类,浮子式,56,2.6,流量检测,单位时间内流过管道横截面的流体数量,称为,瞬时流量,。,当流体的数量以体积表示时,称,体积流量,。,当流体的数量以质量表示时,称,质量流量,。,在某一段时间内流过管道横截面的流体总和称,总量,或,累积流量,。,一般只用于,计量考核,,不参于过程控制。,1.,流量的基本概念,57,常见流量传感器,靶式,流量计,旋翼式蒸汽流量计,气体涡轮流量计,金属转子流量计,椭圆齿轮流量计,玻璃转子流量计,电磁流量计,智能旋涡流量计,防爆涡轮流量计,58,2.,流量仪表的分类,2.6,流量检测,容积式流量计,速度式流量计,差压式流量计,利用,机械测量元件,把流体连续不断地分隔成,单位体积,并进行累加而计量出,流体总量,。,以测量管道内或明渠中流体的,平均速度,来求得流量。,利用,伯努利方程,的原理测量流量的仪表,,输出,差压信号,来反映流量的大小。,质量式流量计,测量流过流体的,质量,来求得质量流量。,59,2.6,流量检测,容积式流量计,速度式流量计,差压式流量计,椭圆齿轮流量计,节流式流量计,浮子式流量计,涡轮流量计,漩涡流量计,质量式流量计,电磁流量计,超声波流量计,科氏质量流量计,60,2.6,流量检测,2.6.3,浮子式流量计,1.,结构,2.,工作过程,3.,流量公式,4.,特点,5.,总结,H,1,。是由下往上逐渐扩大的锥形管,(通常用透明玻璃制成),2,。是放在锥形管内可自由运动的转子。,61,2.6,流量检测,2.,工作过程,H,0,初始阶段:,流量变化:,Q,0,H,1,Q,1,H,0,Q,0,Q,P,H,S,Q,P,H,1,H,1,Q,1,结论,流量与转子的平衡位置高度呈对应关系,V,62,2.6,流量检测,3.,流量公式,结论,流量与浮子高度呈线性关系,63,2.6,流量检测,4.,特点,主要适合检测中小流量,结构简单、使用方便,测量精度易受介质密度、粘度、温度、压力等影响,5.,总结,压差不变,被测流量,Q,节流面积,的变化,平衡位置高度,H,64,2.7,物位检测,物位概念,静压式,零点迁移,65,2.7,物位检测,1.,物位的基本概念,液位,料位,物位,界位,液位计,界面计,料位计,物位仪表,计量,监控,要求对物位检测的,绝对值,测得非常精确。,要求对物位检测的,相对值,测得非常精确。,意义,66,2.7,物位检测,2.,物位仪表的分类,液位测量,界位测量,物位测量,浮力式液位测量,电容式物位测量,超声波式物位测量,雷达式物位测量,核辐射式物位计,多相界面测量,静压式液位测量,光纤式液位测量,67,2.7,物位检测,2.7.2,静压式液位测量,1.,基本原理,2.,零点迁移系列问题,差压式液位计,是利用容器内的,液位改变,时,由液柱产生的,静压,也相应变化。,P = P,B,P,A,=,Hg,P,B,=,P,A,+Hg,68,2.7,物位检测,密度,和,重力加速度,为已知,压力计得到的,差压,与,液位高度,成正比。测量,液位高度,的问题转换为测量,差压,的问题。,1.,差压式液位计的基本测量原理与哪种测量方式相同?,液柱式压力计,2.,差压式液位计测量过程中要注意避免哪方面产生的误差?,温度误差,3.,理论上还可以根据流体静力学原理来测量哪个量?,密度,结论,思考,69,2.7,物位检测,2.,零点迁移系列问题,(,1,),.,零点迁移问题产生的原因及具体表现形式?,(,2,),.,如何进行零点迁移及迁移弹簧的实质?,(,4,),.,正迁移与负迁移的异同,?,(,3,),.,迁移的实质?,(,5,),.,迁移和调零的异同,?,思考,70,(,1,),.,零点迁移问题产生的原因及具体表现形式?,2.7,物位检测,H=0,时:,P =0,,,I=4mA,H=,H,max,时:,P =,P,max,,,I=20mA,变送器输入输出关系为:,P =,Hg,无迁移时,+,-,71,2.7,物位检测,正压室压力:,P,1,= h,1,2,g + H,1,g + P,0,负压室压力:,P,2,= h,2,2,g + P,0,压差为:,P=H,1,g -,(,h,2,- h,1,),2,g,形成固定压差,-,(,h,2,- h,1,),2,g,变送器输入输出关系为:,有迁移时,H=0,时,,P = -,(,h,2,- h,1,),2,g,,,P, 0,,,I,4mA,。,H=,H,max,时,,P,P,max,,,I,20mA,。,72,2.7,物位检测,2.,零点迁移问题的具体表现形式:,由于,固定压差(,h,2,- h,1,),2,g,的作用,液位的,零值与满量程,与变送器的输出,上、下限值,无法相对应,,即:,H=0,时,,I,4mA,;,H=,H,max,时,,I,0,,称为,正迁移,。,相同:,都形成了一定的固定压差,向某一方向产生迁移。,正迁移:,固定压差大于零,向正方向迁移。,负迁移:,固定压差小于零,向负方向迁移。,不同:,76,2.7,物位检测,(,5,) 迁移和调零的异同,相同:,都是使变送器的,输出起始值,与,被测量起始点,相对应。,迁移:调整量较大,调零:调整量较小,不同:,77,2.8,成分测量,精馏塔系统中塔顶、塔底,馏出物组分浓度,的检测和控制。,锅炉燃烧系统烟道气中,O,、,CO,、,CO,2,等气体含量,的检测和控制。,制药过程中,PH,值,的检测和控制。,啤酒生产过程中,氧含量、浊度,的检测和控制等。,工业生产中的,成分,和,物性,参数都是最直接的控制指标。,高质量、高效率,人民健康、生产安全,1.,成分测量的基本概念,意义,78,2.8,成分测量,2.,成分检测方法,热导式气体成分测量,氧化锆氧量成分测量,气相色谱成分测量,浊度检测,红外式气体成分测量,电导仪检测,酸度检测,成分测量,物性测量,79,2.8,成分检测,2.8.2,红外式气体成分测量,1.,工作原理,2.Bell,定律,3.,应用,红外线是波长范围,780,10,6,(,nm,),的不可见光,不同的组分对不同波长的红外线,具有选择性吸收特性,80,2.8,成分检测,2.Bell,定律,式中:,I,0,为入射光强度;,I,为透射光强度;,l,为待测组分厚度,;,c,为待测组分的浓度,;,k,为待测组分吸收系数。,结论,当,I,0,、,l,、,k,一定时,红外线经过待测组分的,透射光强度,I,和,待测组分浓度,c,之间成单值函数关系。,待测组分浓度,透射光强度,81,3.,应用,2.8,成分检测,红外分析仪,吸收峰的位置,吸收峰的强度,组分,浓度,82,2.9,过程控制中的软测量技术,软测量(,Soft-Sensing,)技术的发展,基本思路是基于一些,过程变量,与过程中,其他变量,之间的关联性(,数学模型,),2.9.1,软测量技术,主导变量,辅助变量,辅助变量选择,数据采集和处理,数学模型建立,模型在线校正,83,数据获取,预处理和,特征提取,训练建模,决策过程,2.9,过程控制中的软测量技术,EXAMPLE:,苹果内部品质的软测量,84,
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