第一章 检测技术及仪表基础知识

第一章检测技术及仪表基础知识教学目的及要求：1、掌握测量的基本概念及测量过程的构成。2、明确组成测量系统的几大环节及测量方法的分类。3、熟悉一般检测仪表的基本组成及描述测量仪表的基本性能指标。4、熟悉测量仪表的类别。measurement;measurementprocess;transformationofenergy;measurementunit;sensor(transducer);transmitter;displayinstruments;measurementmethods;performanceindex;stochasticerror;systematicerror;randomerror;precision;measurementrange;rangespan;sensitivity;resolution;nonlinearerror;dynamiccharacteristics;第一章检测技术基础知识主要外语词汇教学的主要内容一、测量的一般概念用专门的技术工具，并实验和计算找到被测量的值。二、测量过程：1、能量形式的一次或多次转换过程。2、将被测参数与相应的测量单位进行比较的过程。三、测量系统的基本构成：1、传感器：功能、技术特点2、变送器：功能、技术特点、盘后、现场的区别3、显示、记录仪表：常规型、新型四、测量方法的分类1、直接测量法：a）偏差法b）零位法c）微差法2、间接测量法3、组合测量法五、测量仪表的基本构成1、直接变换型结构2、平衡变换型结构六、测量仪表的基本性能及主要技术指标1、测量仪表的误差：1）基本误差2）附加误差2、误差的表示方法：1）绝对误差：，，2）相对误差：a）实际相对误差b）标称相对误差3）引用误差：3、测量仪表的精度4、测量仪表的几种常见误差1）非线性误差2）变差5、仪表的测量范围和量程6、仪表的输入、输出特性1）灵敏度2）分辩力3）灵敏限7、仪表的动态特性七、测量仪表的分类八、检测过程及误差Lx0xxniixnx101％量程＝引100第一章检测技术基础知识一．测量的一般概念所谓测量的概念一般是指用专门的技术工具，靠实验和计算找到被测量的值。一般说来，其检测的目的是希望能在限度的时间内尽可能正确地收集被测对象的未知信息，以便能掌握被测对象的参数，进而控制和管理生产过程。二．测量过程1.能量形式的一次或多次转换过程。2.将被测参数与相应的测量单位进行比较的过程。对此可用框图概述如下图1-1所示。一次敏感元件变换处理传输测量电路显示装置第一过程第二过程被测参数图1-1测量过程示意图水银是敏感元件，玻璃上的标准刻度即为显示装置。这个检测过程包括两个阶段。一是水银受热，水银柱升高，从而将感知的热能转换成水银柱位能的过程。这就是能量形式的一次转换。二是温度读数，是拿水银柱高度与玻璃上标准温度刻度进行比较的过程，这也就是测量的第二过程。Note:以上举例是在一个测量装置中同时包含了两个测量过程和几个测量部分的实例，但在工业实际中，更多的还是应用几个独立的测量部分，构成一个测量系统，来实现对某一过程参数的检测。一个测量系统的两个过程和传感器、显示装置两个部分是不可缺少的。举例：1.玻璃水银温度计测量水温。1．传感器（即敏感元件）传感器是任何一个测量系统所必须的，它的主要功能是：（1）变换功能：将被测量转换成便于传输和处理的物理量。（2）选择功能：能有效的选择有用信号，抑制无用噪声，如金属热电电阻，金属越纯，对温度越敏感。（3）信号输出：将有用信号输出。（显然这一功能一般要靠辅助电路完成）2．变送器：（有时与传感器融为一体）变送器的作用主要是将传感器送入的弱信号做滤波、线性化等必要处理后，经功率放大，变成标准信号输出。如0－10mA，4－20mA电流。Note：变送器有时独立存在，有产品，如温度变送器，有时与传感器同为一体，如压力变送器，有时与显示仪表同为一体。3．显示仪表：将变送器来的标准信号进行显示。有模拟式显示，如动圈表。有数字显示仪表还有数字、模拟兼而有之的，如CRT。三．测量系统的基本构成变送器显示仪表记录仪表一次表二次表传感器图1-2测量系统框图4．记录仪表：将变送器来的标准信号进行记录。有模拟式记录：有数字式记录：打印机。测量系统框图如图1-2所示Note：一个完整的测量系统一般可由这样四个独立的仪表部分组成。如用孔板测量流量。传感器－孔板。变送器（差压）。流量显示。流量记录。（亦可举热偶测温系统）当然根据需要，有时这四个仪表部分实际组合在一体，如压力表。最后强调，一次表和二次表的定义和区别。四、测量方法的分类1、直接测量法a）偏差法b）零位法c）微差法2、间接测量法3、组合测量法：1.直接变换型结构（开环结构）特点：全部信息变换只沿着一个方向进行。如图1-3所示。1k2k3knkyx1u2u3unu1nu图1-3开环结构示意图五.测量仪表的基本结构每个环节传递参数的变化及作用在每个环节上的干扰都全毫无衰减的影响输出量y，每个环节的变换必然都会对总结果y产生影响。因此这种仪表为了保证精度，必须对每个环节都有很高的要求，否则这类仪表的精度则不会很高，这类结构的仪表一般为简易型仪表，如弹簧管压力表，配热电偶，热电阻动圈式仪表等。nKKK,,2111,nuu2.平衡变换型结构（闭环结构）特点：这类仪表从各环节的联结关系上来看和开环仪表的区别在于它有两个变换回路，一个为正向变换回路，另一个为反向变换回路，又称为反馈回路，其结构框图如图1-4所示。1k2k3knkyx12mx+-fx图1-4闭环结构示意图显然这里变送回路的总传递函数为：nkkkkk321反向变送回路的总传递函数为：m321由于这是一个具有负反馈的闭合回路，所以总传递函数为：Xkky1kxy1当时，有如：平衡式测量仪表：电子电位差计：DU-V+图1-5电子电位差计示意图这说明：对于闭环结构的仪表，若正向变送回路总传递函数K很大，有，则仪表的特性主要取决于负反馈通道的特性，有只要负反馈通道的变换系数稳定，仪表的特性就比较稳定。这就是说，对于制造闭环结构的仪表，在设计制作中只要精心制作反馈通道，而对主通道不必苛求。即可获得较高质量的仪表。（反馈通道可以精制的原因是元件少，可精选）xy11k1.精度：即仪表的示值与真值之间的一致。任何检测过程都存在着误差，因此在用检测仪表对过程参数进行检测时，不仅需要知道仪表的指示值，还应该知道该指示值接近参数真实值的准确程度，以便估计该仪表示值的误差大小。所以我们就用仪表精度这个参量来描述仪表示值接近真值的准确程度。那么如何定义仪表的精度呢？一般人们习惯用仪表的基本误差的引用误差作为判断仪表精度等级的尺度。（1）基本误差：仪表在规定条件下使用所存在的误差。它是由仪表本身的内部特性和制作质量等方面的缺陷造成的。任何仪表都存在基本误差，只是其大小不同而已。基本误差一般是由：非线性误差、变差、不完全平衡误差（仪表可动部分的重心与转轴不平衡）、刻度误差和调整误差等组成。（以上误差后面详讲）（还有：环境因素影响，如：温度、湿度、振动、电源、电压、频率、电磁场等）六、测量仪表的基本性能及主要技术指标基本误差大小的表示方法：i绝对误差：带量纲的实际误差值，以绝对数值表示。或（L为真值）（一般是用标准仪表多次测量后的算术平均值表示。）ii相对误差：以被测量的百分数表示。（称为实际相对误差）（称为标称相对误差）iii引用误差（又称为相对百分误差）：以仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数表示数值值表示般用标用标准仪表所测被测测参数的标准值。x00即仪表示值）被测参数的测量值。（xxxnxxnii10%1000xr%100xr％值标尺上限值－标尺下限％或量程1001000xxmax例如一台仪表的最大引用误差为0.45％，则我们就说该仪表的精度为0.5级。由此可以看到，最大引用误差只能用来作为判断仪表精度的尺度，而不能直接用引用误差的大小来表示仪表的精度，因为仪表的精度等级国家是有统一规定的。例1一台测量仪表，其标尺范围为0－400℃。已知其绝对误差最大值。求其引用误差。ctm5%25.110004005max％例2另一台测量仪表，标尺范围为0－200℃。已知其绝对误差最大值。求其引用误差。ctm5%5.21002005max％以上两例可以看出，相同的绝对误差，其量程大的仪表引用误差小，而量程小的仪表引用误差大。一般我们用仪表最大引用误差的大小来作为判断仪表精度的尺度。《仪表的精度等级》国家现行统一规定划分的精度等级有：0.35，0.5，1，1.5，2.5，4.0……早期划分的精度等级有：0.02，0.05，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0……精度等级的表示方法：一级表示为1.0，1.5级表示为1.5。一般都标注在仪表的表盘上。强调指出：前例中的，其仪表精度等级即为1.5级。，其仪表精度等级即为2.5级。%25.1max%5.2max1.51.5（精度的表达通常是以仪表最大引用误差去掉分号的数字，向上归整的相应精度等级来表达所谓1级表，即指该表的最大引用误差%1%5.0max例3有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0~100℃和100~300℃，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2℃，试确定这两台仪表的精度等级。%1%1001003002%2%1000100221概述解这两台仪表的最大引用误差分别为:一台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级为1级。例4某台测温仪表的工作范围为0~500℃，工艺要求测温时测量误差不超过±4℃，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？%8.0%10005004max概述解根据工艺要求，仪表的最大引用误差为应选择0.5级的仪表才能满足要求•小结：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。概述实际测量值理论值仪表示值被测参数max'图1-6非线性误差示意图其中：仪表校验曲线与理论直线之间的最大误差，即称为仪表的非线性误差的绝对误差，一般非线性误差也是用非线性的最大绝对误差与仪表量程范围的百分数表示。非线性误差＝％值标尺上限值－标尺下限100'max2.非线性误差：表征仪表的非线性特性偏离仪表理论上的线性特性的程度。对于理论上具有线性刻度特性的仪表，往往由于各种因素的影响，会使仪表的实际特性偏离其理论的线性特性。由此所产生的误差即称为非线性误差。如图1-6所示：图1-7变差示意图仪表示值被测参数''max反行程正行程即相同的被测参数，在仪表正反行程测量中所得到的示值不等。两者之差则为变差的绝对值。而变差的大小一般也是用其最大绝对误差与仪表量程之比的百分数表示。即：变差＝％值标尺上限值－标尺下限100''maxNote：引起仪表变差的原因多是由于仪表传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件的弹性滞后等影响因素引起的。故在仪表设计时，应在取材上、加工精度上给以较多考虑，以尽量减少变差。3．变差：指仪表在外界条件不变的条件下，其正向特性（即被测参数由小到大变化）和反向特性（即被测参数由大到小变化）不一致的程度。如图1-7所示：4.灵敏度与灵敏限灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，即S——仪表的灵敏度Δy——仪表输出变量的增量Δx——仪表输入变量的增量数字式仪表常用分辨力来表示灵敏度。分辨力是指数字仪表在最低量程上最末位数字改变一个字时所对应的物理量数值，它反映了数字仪表能够检测到的被测参数中最小变化的能力。灵敏限指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。xyS图1-8举例%Xt%ytrststtc常用的几个技术指标有：1.