测量基础和压力测量测控课件

,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,过程控制基础及应用,浙江大学信息学院控制系,*,*,*,一、测量过程与测量误差,1,、测量过程,参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。,被测,变量,传感器,参数检测的基本过程,被测对象,变送器,显示装置,传感器,又称为检测元件或敏感元件，它直接响应被测变量，经能量转换并转化成一个与被测变量成对应关系的便于传送的输出信号，如,mV,、,V,、,mA,、,、,Hz,、位移、力等等。,由于传感器的输出信号种类很多，而且信号往往很微弱，一般都需要经过变送环节的进一步处理，把传感器的输出转换成如,0,10mA,、,4,20mA,等标准统一的模拟量信号或者满足特定标准的数字量信号，这种检测仪表称为,变送器,。,有些时候，传感器可以不经过变送环节，直接通过显示装置把被测量显示出来。,第,1,章 测量仪表基本知识,2024/11/15,1,2,、测量误差,测量误差,仪表测得的,测量值,与,被测真值,之差,由于真值在理论上是无法真正被获取的，因此，测量误差就是指检测仪表（精度较低）和标准表（精度较高）在同一时刻对同一被测变量进行测量所得到的,2,个读数之差。即：,x,0,标准表读数,测量误差的几种表示形式：,绝对误差,实际相对误差,标称相对误差,相对百分误差,2024/11/15,2,二、测量仪表的品质指标,1,、测量仪表的准确度（精确度）,一台测量范围,0,1000kPa,的压力测量仪表，其最大绝对误差,10kPa(,在整个量程范围内,),，另一台测量范围,0,400kPa,的压力测量仪表，其最大绝对误差,5kPa,，请问哪一台压力检测仪表的精度更高？,虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。,通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。,由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差,:,仪表的,精度等级,（,精确度等级,）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。,2024/11/15,3,仪表的精确度等级,仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。,把仪表允许的最大相对百分误差去掉“,”,号和“”号，便可以用来确定仪表的精度等级。,目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：,0.005,，,0.02,，,0.05,，,0.1,，,0.2,，,0.4,，,0.5,，,1.0,，,1.5,，,2.5,，,4.0,等。,所谓的,0.5,级仪表，表示该仪表允许的最大相对百分误差为,0.5,，以此类推。,精度等级一般用一定的符号形式表示在仪表面板上：,1.5,1.0,仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一,。,精度等级数值越小，表示仪表的精确度越高。,精度等级数值小于等于,0.05,的仪表通常用来作为标准表，而工业用表的精度等级数值一般大于等于,0.5,。,2024/11/15,4,2,、非线性误差,在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。测量仪表的非线性误差就是用来表征仪表的输出量和输入量的实际对应关系与理论直线的吻合程度。,通常非线性误差用实际测得的输入输出特性曲线（也称为校准曲线）与理论直线的之间的最大偏差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,被测变量,仪表输出,理论,实际,2024/11/15,5,3,、变 差,在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测变量在全量程范围内进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，对应于同一被测值的仪表输出可能不等，二者之差的绝对值即为变差。,变差的大小，根据在同一被测值下正反特性间仪表输出的最大绝对误差和测量仪表量程之比的百分数来表示：,被测变量,仪表输出,下行程,上行程,2024/11/15,6,4,、灵敏度和分辨力,灵敏度是表征检测仪表对被测量变化的灵敏程度，它是指仪表输出变化量和输入变化量之比，即,灵敏度,y/x,分辨力又称为灵敏限，是仪表输出能响应和分辨的最小输入变化量，它也是灵敏度的一种反映。对数字式仪表来说，分辨力就是数字显示仪表变化一个,LSB,（二进制最低有效位）时输入的最小变化量。,2024/11/15,7,5,、动态误差,相对百分误差、非线性误差、变差都是稳态（静态）误差。,动态误差是指检测系统受外扰动作用后，被测变量处于变动状态下仪表示值与参数实际值之间的差异。,引起该误差的原因是由于检测元件和检测系统中各种运动惯性以及能量形式转换需要时间所造成的。,衡量各种运动惯性的大小，以及能量传递的快慢常采用时间常数,T,和传递滞后时间（纯滞后时间）,两个参数表示,它们的存在会降低检测过程的动态性能，其中纯滞后时间,的不利影响会远远超过时间常数,T,的影响。,2024/11/15,8,三、测量系统中的常见信号类型,作用于测量装置输入端的被测信号，要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型：,1,、,位移信号：,是一种机械信号，包括直线位移和角位移。在测量力、压力、质量、振动等物理量时，要先把它们转换成位移量再处理。,2,、,压力信号：,包括气压信号和液压信号，工业检测中主要应用气压信号。,3,、,电气信号：,有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等。,传送快、滞后小、可远距离传递、便于和电子计算机联接。,4,、,光信号：,包括光通量信号、干涉条纹信号、衍射条纹信号、莫尔条纹信号等。可是连续的，也可是断续（脉冲）式的。,2024/11/15,9,四、测量系统中信号的传递形式,从传递信号的连续性的观点来分，在检测系统中传递信号的形式可以分为模拟信号、数字信号和开关信号：,1,、,模拟信号：,模拟信号,：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号。,可以变换为电信号，即是平滑地、连续地变化的电压或电流信号。,例如,：连续变化的温度信号可以利用热电偶转换为与之成比例的连续变化的电势信号。,2,、,数字信号：,数字信号,：是一种以离散形式出现的不连续信号，通常用二进制数“,0”,和“,1”,组合的代码序列来表示。数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲和高低电平交替变化的电压信号。,连续变化的工艺参数（模拟信号）可以通过数字式传感器直接转换成数字信号。然而，大多数情况是首先把这些参数变换成电形式的模拟信号，然后再利用模拟,-,数字（,A/D,）转换技术把电模拟量转换成数字量。将一个模拟信号转换为数字信号时，必须用一定的计量单位使连续参数整量化，即用最接近的离散值（数字量）来近似表示连续量的大小。由于数字量只能增大或减小一个单位，所以，计量单位越小，整量化所造成的误差也就越小。,2024/11/15,10,3,、,开关信号：,开关信号,：用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。,例如,：用水银触点温度计来检测温度的变化时，可利用水银触点的“断开”与“闭合”来判断温度是否达到给定值。,在自动检测技术中，利用开关式传感器（如干簧管、电触点式传感器）可以将模拟信号变换成开关信号。,2024/11/15,11,五、过程检测仪表的分类,1,、根据所测参数的不同,，分成压力（差压、负压）测量仪表、流量测量仪表、物位（液位）测量仪表、温度测量仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。,2,、按表达示数的方式不同,，分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。,3,、按精度等级及使用场合的不同,，分成实用仪表、范型仪表和标准仪表，分别使用在现场、实验室、标定室。,2024/11/15,12,六、化工检测的发展趋势,由于化工生产过程中被测介质形态多样（气态、液态、固态及混合体）；有时还具有特殊性质（强腐蚀、强辐射、高温、高压、深冷、真空、高粘度等）；检测环境比较恶劣，存在众多的影响和干扰，如电源电压、频率波动，温度、压力变化，水汽、湿度、光照、辐射、盐雾、烟雾、粉尘等，这些情况都要求化工检测仪表有稳定的工作特性、高的抗干扰能力和相应的防护措施。,检测技术及仪器仪表的发展：,1,、,检测技术的现代化：,随着科学技术的发展，新技术、新材料、新工艺不断涌现，新的检测方法不断得到开发。,2,、,检测仪表的集成化、数字化、智能化：,传感器、集成电路、电子技术、数字化技术、微机技术的应用,2024/11/15,13,第,2,章 压力测量,压力,：由气体或液体均匀垂直地作用于单位面积上的力。,在生产过程中，通常遇到压力和真空度的测量。若压力不符合要求，不仅会影响生产效率，降低产品质量，还会造成严重生产事故。如化学反应中，压力既影响物料平衡关系，也影响化学反应速度。所以，压力的测量与控制，对保证生产过程正常进行，达到高产、优质、低消耗和安全是十分重要的。,2024/11/15,14,三种压力表示方法,绝对压力,p,a,表压力,p,负压或真空度,p,h,第一节 压力单位及测压仪表,p,a,绝对压力零线,p,p,h,p,a,大气压,p,0,1.0132510,5,Pa,绝对压力是指物体所受的实际压力。,表压是指一般压力表所测得的压力，它是高于大气压力的绝对压力与大气压力之差，即,真空度是指大气压与低于大气压的绝对压力之差，有时也称为负压，即,由于各种工艺设备和检测仪表通常是处于大气之中，本身就承受着大气压力，因此工程上通常采用表压或者真空度来表示压力的大小，一般的压力检测仪表所指示的压力也是表压或者真空度。,除特殊说明之外，以后所提及的压力均指表压。,2024/11/15,15,压力检测仪表的分类,目前工业上常用的压力检测方法和压力检测仪表很多，根据敏感元件和转换原理,的不同，一般分为四类：,(1),液柱式压力检测,一般采用充有水或水银等液体的玻璃,U,形管或单管进行测量。,(2),弹性式压力检测,它是根据弹性元件受力变形的原理，将被测压力转换成位移进行测量的。常用的弹性元件有弹簧管、膜片和波纹管等。,(3),电气式压力检测,它是利用敏感元件将被测压力直接转换成各种电量进行测量的仪表，如电阻、电荷量等。,(4),活塞式压力检测 它是根据液压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量来进行测量。,活塞式压力计的测量精度较高，允许误差可以小到,0.05,0.02,，它普遍被用作标准仪器对压力检测仪表进行检定。,2024/11/15,16,液柱式压力检测,液柱式压力检测是以,液体静力学原理,为基础的，它们一般采用水银或水为工作液，用,U,型管进行测量，常用于较低压力、负压或压力差的检测。,p,1,p,2,p,1,p,2,h,(a),(b),特点：直观、可靠、准确度较高等，但,U,形管只能测量较低的压力或差压，为了便于读数，,U,形管一般是用玻璃做成，易破损，另外它只能进行现场指示。,用,U,形管进行压力检测，其误差来源主要有：,温度误差,由使用环境温度的变化引起的测量误差。,它主要包括两个方面：一是标尺长度随温度的变化（要求,U,形管材料的温度系数极小）；二是工作液密度随温度的变化。例如水，当温度从,10,变到,20,时，其密度从,999.8kg/m,3,减小到,998.3kg/m,3,，相对变化量为,0.15,。,安装误差,当,U,形管安装不垂直时将会产生安装误差。例如 若倾斜,5,，读数误差约,0.38,。,2024/11/15,17,第二节 弹性式压力计,弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。,平薄膜 波纹膜 波纹管 单圈弹簧管 多圈弹簧管,膜 片,受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高，一般为,2.5,级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号；,波纹管,的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在低压区），常用于检测较低的压力（,1.0,10,6,Pa,），但波纹管迟滞误差较大，精