仪器仪表及自动化理论知识

1仪器、仪表及自动化理论知识第一节仪表的基本概念一、测量、测量误差、直接测量和间接测量。１．什么是测量误差？答：测量值与真实值之间的差值，叫测量误差？２．什么是直接测量和间接测量？答：直接测量是指被测参数直接以一定的标准量比较出来。间接测量是将直接测量到的数据代人一定的公式，计算出所要求的被测参数值。３．什么是测量？答：是将被测参数信号形式进行转换和传送，并将其与相应测量单位进行比较的过程，叫测量。二、仪表误差、变差、灵敏度和灵敏限。１．什么是仪表的允许误差，仪表的精度及精度等级？答：允许误差指仪表在规定的正常情况下允许的百分比误差的最大值。仪表的精度指允许误差去掉百分号（％）后的值。精度等级是国家统一规定，分的一系列标准百分比的值。２．什么是仪表的变差？答：指在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某一参数进行正反行测量时，二者之间的差值。３．什么是仪表的灵敏度和灵敏限？2答：灵敏度是用来表达测量仪表对被测参数变化的灵敏程度。灵敏度由仪表测量指示值的变化量和引起此变化的被测参数的变化量之比表示。灵敏限是指引起仪表指示值发生可见变化的被测参数的最小变化量。４．什么是测量系统的动态误差？答：是指测量系统中被测参数信息处于变动状态下仪表指示值与被测参数实际值之间的差异。三、压力、工程大气压、物理大气压、表压力、绝对压力。1、什么是压力？答：压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力。２、什么是工程大气压？答：工程大气压是工业上常用的单位，即１ＫＧ垂直而均匀地作用在１平方厘米的面积上所产生的压力，以kgf/cm2表示。３、什么是物理大气压？答：物理大气压等于水银密度为１３．５９５１克／ｊ米３，和重力加速度为９８０．６６５厘米/秒2时，高度为７６０ｍｍ的汞柱作用在底面上所产生的力。四、压电效应、压磁效应、压电阻效应。１、什么是压电效应？当某些晶体受压发生机械变形时，在其相对的两个面上产异性电荷，这种没有外电场存在，由于变形而引起的电现象叫压电效应。2、什么是压磁效应？当铁磁物质受压后，不仅材料内部的机械应力随压力变化，而且材料的导磁系数也随之发生变化，这种现象称压磁效应。３、什么是压电阻效应？3当半导体晶体受压时，会暂时改变晶体结构的对称性，从而改变了半导体的导电机构，表现为其电阻率的变化，这一效应称压电阻效应。五、模拟显示仪表、数字显示仪表、图像显示仪表。1、模拟显示仪表：是以指针（记录笔）的偏转角或位移量来模拟显示被测参数的连续变化，缺点是传动机构多，精度低，速度慢。模拟显示仪表有：动圈显示仪表、自协平衡式显示仪表、自动平衡式显示仪表。2、数字显示仪表：直接从数字形式显示出被测参数值，精度高，速度快。3、图象显示仪表：用屏幕的方法直接用图形、字符、曲线以及数字等方式进行显示。第二节常用仪表的测量工作原理及操作一、概述生产过程自动化系统包括工业电子计算机系统和常规模拟仪表系统。它是伴随着科学技术的发展和工业生产过程的需要而迅速发展起来的新领域。在工业生产过程中，自动化是保证生产稳产、高质、高产、低耗的必要条件，是提高劳动生产率的重要手段，是工业企业现代化的重要标志。仪表和自动化技术的发展，经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展过程。在许多生产过程中，管道和设备容器的环境往往是在高温、真空、深冷条件下，并在易燃、易爆、有腐蚀、有毒性的情况下进行连续操作的。因此要把各项工艺参数维持在某一最佳范围内，就必须实现生产过程自动化。仪表自动化在20世纪40年代开始出现，那时的仪表体积大，精度低。随着科学技术的不断发展，生产向大规模、高效率、连续、综合性方面发展。20世纪50年代开始采用0.02～0.1MPa统一气压信号的气动仪表和20～40mA直流信号的电动仪表，从而实现集中控制。20世纪60年代后期、随着半导体和集成电路的进一步发展，开是出现了DDZ-Ⅰ、DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ仪表，仪表信号也由0～10mA、1～5V演变成现在的4～20mA的信号，传输方式由串联（电流传送、电流接收）演变成现在的并联（电流传送、电压接收），供电方式由AC220V单边供电演变成现在的DC24V集中供电，并有断电备用电源（UPS）。以微处理器为基础的4过程控制仪表，把自动化水平推到了一个更高的水平。自动化内容包括：自动检测、自动信号报警与联锁保护、自动操纵、自动控制（自动调节）。其中自动检测和自动控制是核心部分，在生产中应用的最为广泛。二、仪表常识1、自控仪表的分类由于自控仪表种类繁多，分类方法也较多，现按生产过程信息形成方式划分如下：○1检测仪表：利用声、光、电、磁、热辐射来实现工艺参数测量的仪表，是信息获得的工具，如传感器、变送器等。主要基本量有温度、压力、流量、物位等。○2转换器：信息转换的工具，如放大、转换器、即电/气、气/电、模拟/数字、数字/模拟、电压/电流、光/电等转换器。○3显示仪表：显示被测参数数据信息的工具。按显示方式可分为指示仪、记录仪、信号报警器；按显示类别可分为模拟式显示、数字显示和字符图形显示三大类。○4控制仪表：信息处理的工具，如调节器、计算器、信号选择器、信号处理器、顺序控制器、批量控制器、输入输出装置等。○5执行器：是直接改变生产变量信息执行的工具。执行器由执行机构和调节机构两部分组成，执行机构接受控制信号，并将信号转换成位移以驱动调节机构，按工作原理可分为气动执行机构、电动执行机构和液动执行机构三大类。2、自动化设备一般具有的性能○1计量方面：计量方面的特性，如精度等级、复现性和漂移性等，这些指标会直接影响测量结果的准确性和精密性。○2使用方面：使用方面一般是指使用、操作、维护与检修是否方便，对安装条件和自动化水平情况有一定要求。○3抗干扰能力和防护能力方面：抗干扰能力的强弱直接影响到测量特性；5防护能力一般指自动化仪表设备的安全性、耐用性和可靠性。从以下几方面考虑：a、机械特性：如振动、撞击、加速度和挤压等的承受能力。b、电气特性：如耐压、绝缘性、抗电气干扰的能力。c、防辐射、防电磁场的性能。d、防爆性能：如使用在易燃易爆的环境中，是否有防护安全措施。e、气象环保能力：如灰尘、潮湿、腐蚀、霉蛀和温度波动等恶劣环境条件下的防护能力。f、设备本身能量的消耗及被测对象能量的消耗，特别是被测能量消耗大时，会直接影响测量的精度。3、仪表的品质指标○1测量仪表的精确度：精确度是用来表示仪表测量结果可靠程度的指标，它用引用误差来表示，这是因为精确度不仅与绝对误差值的大小有关，还与仪表的量程有关。○2测量仪表的恒定度：测量仪表的恒定度常用变差（又称回差）来表示。指仪表在外界条件不变的情况下，用同一仪表对某一参数值进行正反行程（即逐渐由小到大和逐渐由大到小）测量时，仪表正反行程指示值之间存在的差值，此差值即为变差，即变差=最大绝对差值/（标尺上限值-标尺下限值）×100%造成变差的原因很多。例如，传动机构的间隙、动件摩擦、弹性气件的弹性滞后的影响等。变差值不能超过精度允许的误差范围，否则为超差仪表。○3测量仪表的灵敏度（静态特性）：灵敏度是表示仪表对被测量变化的灵敏程度，是仪表的静态特性。当仪表到达稳定后，输出增量△Y（指针位移量）与输入增量△X（被测变量的变化量）之比来表示，即灵敏度=△Y/△X○4测量仪表的反应时间（动态特性）：“时间常数”指在参数值做阶跃变化后仪表示值达到参数变化值63.2%所用的时间。“阻尼时间”指仪表突然输入参数值到仪表增大值与输入值之差为该标尺范围±1%为止的时间间隔。○5漂移：漂移一般发生在电动单元组合仪表或电子仪表中，指在保持一定6输入信号的工作条件下，经过一段时间后输出的变化。漂移越小越好，漂移发生在起始点，称为零点漂移。4、仪表的静态特性在稳定状态下，仪表的输出（如显示值）与输入量之间的关系为代数方程，不含时间变量，称为仪表的静态特性。○1灵敏度：表达测量仪表对被测量变化的灵敏程度。○2灵敏限：指能引起仪表输出变化（如指针动作）的被测量的最小（极限）变化量，又称分辨率。○3线性度：说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离理想线性刻度特性的程度。○4变差：在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对某被测量进行正、反行程测量时，在通过仪表同一刻度时两次测量实际值之差，称为该仪表的示值变差。三、测量仪表的工作原理测量仪表根据被测参数的不同，其种类也很多，工业生产过程中常见的被测参数有温度、压力流量、液位、料位、湿度、浓度、位移、转速等。其工作原理见图：四、测量过程及误差检测是指在生产过程中，为及时监视控制生产过程而对其中一些量进行的定性检查和定量测量和分析，也就是意义更为广泛的测量。例如：对蒸汽流量的测量，常用标准孔板发出差压信号输入差压变送器，转换成电量或气量信号，通过导线或压缩空气传输信号至显示仪表，显示被测流量值。1、生产过程检测的特点○1被测介质形态多样，有气态、液态、固态及混合态，并具有高温、高压、高黏度、高速度、强腐蚀、强辐射等特殊性质。○2被测量的量值有恒定量、变化量，量值范围也十分广泛。因此要求有多被测量检测传感器被测量输出显示信号变送放大7种检测原理和测量手段，如接触式、非接触式；单参数或多参数；好要有良好的静态特性和动态特性。○3检测有断续进行的，也有长期连续进行的。因此要求检测仪表有很高的再现性和可靠性。○4检测环境一般都在工业现场，环境比较恶劣，存在着较多较大的干扰和影响，如电源电压、频率波动、温度、湿度、光照、辐射、烟雾、粉尘等，这些要求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。○5检测出来的信号要便于显示、记录、调节。因此检测仪表常具有信号放大整流、微分、积分、模/数及数/模转换等环节。2、检测系统的组成及特点检测系统一般由检测元件、变送器（一次仪表）、显示仪表（二次仪表）信号传送线路和取源部件及辅助件组成。检测元件如热电偶、节流装置、热电阻、浮子、探头等，直接影响被测变量，并转换成适于测量的信号形式的仪表。变送器用以接受检测元件的信息，使之转换为电量或气体压力等信号，也可带刻度指针。继电器也接受检测元件的信息，但只设电气接点装置，不带指示，不起变送作用。显示仪表接受变送器的信号（有的直接接受检测元件的信息）转变成指示、记录笔、积算器的动作，或数字显示信息，用以反映被测量的数值。有时，显示仪表还带有附加的电气接点装置，当被监视的参数偏离允许值时，能通过电气回路自动发出声、光信号或对其他设备起控制作用。信号传送线路指测量装置的传递部分（如管、线、电缆），辅助件主要是完成检测工作所必须的附属装置、容器，如热电偶的冷端补偿器等。取源部件是指与被测介质直接接触的取出装置，如温度计插座、取样装置、取压装置、平衡容器、冷却器等。3、误差理论1）误差8○1示值绝对误差：仪表的示值（或测量值）与被测量的真值之间的代数差值称为指示值的绝对误差。○2示值相对误差：示值的绝对误差与被测量的真值之比，称为示值相对误差，常用百分数表示。○3示值引用误差：示值的绝对误差与该仪表的量程范围之比称为示值引用误差，以百分数表示。○4仪表基本误差：为了表征仪表的准确度采用了仪表的基本误差概念，仪表测量值中的最大示值绝对误差与仪表量程范围的比值，亦取仪表的诸示值引用误差中的最大值，称为仪表基本误差。2）仪表的精度等级仪表精度等级是衡量仪表测量示值准确程度的重要标志。仪表出厂根据设计及制造质量的不同，要求基本误差都不超过某一规定值，此规定即为基本误差，基本误差去掉百分号的数值称为仪表的精度等级。精度等级是由国家计量检定规程规定的，其序列为0.005、0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。具体根据新检定规程的要求，规定工业用一般弹簧管式压力表精度等级为1.6，温度类仪表中热电阻和热电偶例外（按检定规程规定工业用热电阻精度等级分为A、B，工业用廉金属热电偶和贵金属热电偶精度等级分为Ⅰ等、Ⅱ等）仪表精度是指仪表测量结果与约定真值间的一致程度，用来表示仪表测量结果可靠程度的指示。它用引用误差（即相对百分误差或允许误差）表示。准确度高，意味着系统误差和