过控技术-第三章-课件.ppt
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1、1 第三章第三章 过程检测技术过程检测技术 3.1 3.1 测量与误差的基本知识测量与误差的基本知识 3.1.1 3.1.1 测量的基本概念测量的基本概念 1.1.测量:人类对自然界的客观事物取得测量:人类对自然界的客观事物取得“数量概念数量概念”的的认识过程。认识过程。2.2.测量过程:使用专门设备,求出被测未知量的数值。测量过程:使用专门设备,求出被测未知量的数值。3.3.应用领域:生产过程、科学实验与日常生活应用领域:生产过程、科学实验与日常生活 4.4.测量目的:准确获取被测对象特征参数的定量信息。测量目的:准确获取被测对象特征参数的定量信息。5.5.测量技术反映了一个国家的经济发展和
2、科学技术水平测量技术反映了一个国家的经济发展和科学技术水平2 6.6.测量的定义:测量的定义:借助仪器设备,把被检测量与相应单位进行借助仪器设备,把被检测量与相应单位进行比较,求取二者之比值,得到被检测量数值大小比较,求取二者之比值,得到被检测量数值大小的过程。的过程。用数学形式描述测量的基本方程式为用数学形式描述测量的基本方程式为:00/xXu式中式中:-:-被检测量的真实数值,简称为真值;被检测量的真实数值,简称为真值;-被检测量;被检测量;u-u-单位。单位。0X0 x3测量过程三要素:测量过程三要素:测量单位测量单位;测量方法测量方法;测量仪器与设备。测量仪器与设备。3.1.1.23.
3、1.1.2测量方法:测量方法:1 1测量方法的分类测量方法的分类 (1)(1)直接测量法:直接测量法:用用“被检测量被检测量”与单位进行直接比较得到比值;与单位进行直接比较得到比值;能在仪表上直接读出的能在仪表上直接读出的“被检测量被检测量”的数值。的数值。4(2 2)间接测量法)间接测量法 在测量中,被检测量不能与标准量直接进行比较,在测量中,被检测量不能与标准量直接进行比较,只能通过对与被检测量有函数关系的其他物理量进行只能通过对与被检测量有函数关系的其他物理量进行测量,再通过计算得到被测量的值。测量,再通过计算得到被测量的值。例:测量水泵的轴功率例:测量水泵的轴功率N N,是通过可以进行
4、直接测量的转,是通过可以进行直接测量的转矩矩M M和转速和转速n n,然后经过计算得到轴功率,然后经过计算得到轴功率N N。9554MnNKW5(3)(3)等精度测量和不等精度测量等精度测量和不等精度测量 等精度测量法:等精度测量法:在环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法均保持不变情在环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法均保持不变情况下,对同一组被检测量进行次数相同的重复测量。况下,对同一组被检测量进行次数相同的重复测量。利用等精度测量法所得到的每个参数的测量数据,其可靠程利用等精度测量法所得到的每个参数的测量数据,其可靠程度是相同的。度是相同的。不等精度测量法:不等精度测量法:在测量过程
5、中,测量环境条件不相同,如测量仪器精度、重在测量过程中,测量环境条件不相同,如测量仪器精度、重复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度有变化,所得到的测复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度有变化,所得到的测量结果的可靠程度不同,称不等精度测量法量结果的可靠程度不同,称不等精度测量法6等精度测量与不等精度测量的适用场合:等精度测量与不等精度测量的适用场合:在进行科学研究或重要的检定工作时,在众多的被检测量中,为了获在进行科学研究或重要的检定工作时,在众多的被检测量中,为了获得其中某几个参数更可靠和精度更高的测量结果才采用不等精度测量法。得其中某几个参数更可靠和精度更高的测量结果才采用不等精度测量
6、法。通常工程技术中,采用的是等精度测量法。通常工程技术中,采用的是等精度测量法。(4)(4)接触测量与非接触测量接触测量与非接触测量 接触测量法:测量时仪表的某一部分接触测量法:测量时仪表的某一部分(一般为传感器部分一般为传感器部分)必须必须接触被测对象接触被测对象(被测介质被测介质)。非接触测量法:仪表的任何部分均不与被测对象接触。非接触测量法:仪表的任何部分均不与被测对象接触。7(5)(5)静态测量与动态测量静态测量与动态测量 被测参数不随时间变化或随时间变化非常缓慢,称静态被测参数不随时间变化或随时间变化非常缓慢,称静态测量。测量。被测参数随时间变化,称为动态测量。被测参数随时间变化,称
7、为动态测量。动态测量的分析与处理静态测量复杂得多,对测量系统的要动态测量的分析与处理静态测量复杂得多,对测量系统的要求也高得多。求也高得多。83.1.1.33.1.1.3测量仪器与设备测量仪器与设备 测量仪器仪表的组成:测量仪器仪表的组成:传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。9 1.1.传感器:感受被检测量的变化,信息,并将被检测量转换成相应的电传感器:感受被检测量的变化,信息,并将被检测量转换成相应的电信号输出。信号输出。传感器是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分。传感器的好坏,传感器是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分。传感器
8、的好坏,直接影响检测仪表的质量。所以它是检测仪表的重要部件。直接影响检测仪表的质量。所以它是检测仪表的重要部件。对传感器的要求:对传感器的要求:(1 1)准确性)准确性:传感器的输出信号必须准确地反映被检测量的变传感器的输出信号必须准确地反映被检测量的变化,即:化,即:传感器输入输出关系必须是严格的单值函数关系,最好为线传感器输入输出关系必须是严格的单值函数关系,最好为线性关系性关系。10 (2 2)稳定性)稳定性 传感器输入、输出的单值函数关系应不随时间和温度的变化而传感器输入、输出的单值函数关系应不随时间和温度的变化而变化;变化;受外界干扰因素影响应很小;受外界干扰因素影响应很小;工艺上应
9、能准确地复现。工艺上应能准确地复现。(3 3)灵敏性)灵敏性 要求有较小的输入量便可得到较大的输出信号。要求有较小的输入量便可得到较大的输出信号。传感器的别名:传感器的别名:敏感元件、一次仪表敏感元件、一次仪表。112.2.中间变换器中间变换器(变送器变送器)功能及作用功能及作用:将传感器输出的信号进行放大、线性化处理、远距离传送并将传感器输出的信号进行放大、线性化处理、远距离传送并转变成规定的统一信号等。转变成规定的统一信号等。要求要求:准确稳定地传输、放大和转换信号,受外界干扰因素准确稳定地传输、放大和转换信号,受外界干扰因素的影响小,变换信号的误差小。的影响小,变换信号的误差小。3.3.
10、显示件显示件(显示器显示器)作用:显示被检测量的数值,可以显示瞬时量、累积量、越限作用:显示被检测量的数值,可以显示瞬时量、累积量、越限报警等。报警等。类型:指针式类型:指针式(模拟式显示模拟式显示);数字式;屏幕式;数字式;屏幕式(图像显示式图像显示式)。显示仪表常被称为二次仪表显示仪表常被称为二次仪表。123.1.2 3.1.2 误差误差一一.误差基础误差基础 测量误差:测量结果与被检测量真值之间的差异,称为测量误测量误差:测量结果与被检测量真值之间的差异,称为测量误差。差。只有在得到测量结果的同时,指出测量误差的范围,所得的测只有在得到测量结果的同时,指出测量误差的范围,所得的测量结果才
11、有意义。量结果才有意义。1 1测量误差及分类测量误差及分类根据测量误差的性质,误差分为:根据测量误差的性质,误差分为:系统误差系统误差随机误差随机误差粗大误差粗大误差误差误差13(1 1)系统误差)系统误差 在相同条件下,多次测量同一被检测量的过程中,误差的绝对在相同条件下,多次测量同一被检测量的过程中,误差的绝对值和符号恒定不变,或按某一规律变化。值和符号恒定不变,或按某一规律变化。产生原因:产生原因:a.a.测量工具不准确或安装调整不正确;测量工具不准确或安装调整不正确;b.b.测试人员的分辨能力差或读数习惯有误;测试人员的分辨能力差或读数习惯有误;c.c.测量方法有缺陷。测量方法有缺陷。
12、(2 2)随机误差)随机误差 在相同条件下多次测量同一被检测量的过程中,出现不可预计的在相同条件下多次测量同一被检测量的过程中,出现不可预计的误差。误差。产生原因:大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响。产生原因:大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响。例如,气温和电源电压的微小波动,气流的微小改变,电磁场微例如,气温和电源电压的微小波动,气流的微小改变,电磁场微变、大地微震等。变、大地微震等。14 单次测量的随机误差的大小和方向都不确定,在多次测量中随单次测量的随机误差的大小和方向都不确定,在多次测量中随机误差服从统计规律。机误差服从统计规律。可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。
13、可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。(3 3)粗大误差:)粗大误差:明显地歪曲测量结果的误差。明显地歪曲测量结果的误差。产生原因:产生原因:操作者的粗心操作者的粗心(如读错、记错、算错数据等如读错、记错、算错数据等)、不正确地操作、不正确地操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到要求而匆忙实验等原因所造实验条件的突变或实验状况尚未达到要求而匆忙实验等原因所造成的。成的。15 异常数据的判别与剔除方法异常数据的判别与剔除方法-采用采用物理判别法物理判别法和和统计统计判别法判别法 物理判别法物理判别法:根据人们对客观事物已有的认识,判别根据人们对客观事物已有的认识,判别由于外界干扰、人为误差
14、等原因造成实测数据偏离正常由于外界干扰、人为误差等原因造成实测数据偏离正常结果,在实验过程中随时判断,随时剔除。结果,在实验过程中随时判断,随时剔除。统计判别法统计判别法:给定一个置信概率,并确定一个置信限,给定一个置信概率,并确定一个置信限,凡超过此限的误差,就认为它不属于随机误差范围,将凡超过此限的误差,就认为它不属于随机误差范围,将其视为异常数据剔除。其视为异常数据剔除。16(1)(1)拉依达准则拉依达准则如果实验数据的总体如果实验数据的总体x x是服从正态分布的,则是服从正态分布的,则式中,式中,与与分别表示正态总体的数学期望和标准差。分别表示正态总体的数学期望和标准差。在实验数据中出
15、现大于在实验数据中出现大于33或小于或小于33数据的概数据的概率是很小的率是很小的 对于大于对于大于33或小于或小于33的实验的实验数据作为异常数据,予以剔除。数据作为异常数据,予以剔除。(|3)0.003P x17具体计算方法如下:具体计算方法如下:对于实验数据对于实验数据x x1 1,x,x2 2,x,x3 3,,x xn n,先计算其均值,先计算其均值 再用贝塞尔公式计算再用贝塞尔公式计算:11niixxn221111lim()lim11nniinniixxvnn如果某个测量值如果某个测量值 的残差满足的残差满足则应剔除该测量值则应剔除该测量值,其他值应重新计算剔除后的标准误差其他值应重
16、新计算剔除后的标准误差,再按准则判断再按准则判断,直至无坏值存在直至无坏值存在.不足不足:建立在无限次测量基础上建立在无限次测量基础上,只能用作粗大误差的近似只能用作粗大误差的近似判断判断3kkVxx18(2)(2)肖维奈准则肖维奈准则:在有限次的等精度测量数据中在有限次的等精度测量数据中,如果某一如果某一测量值剩余误差满足测量值剩余误差满足:bbcVxxk则应剔除该测量值则应剔除该测量值(3)(3)格拉布斯准则格拉布斯准则:根据正态分布理论提出的根据正态分布理论提出的,考虑到测考虑到测量次数及粗大误差误判概率量次数及粗大误差误判概率.凡剩余误差大于格拉布斯鉴凡剩余误差大于格拉布斯鉴别值的误差
17、属于粗大误差别值的误差属于粗大误差,相应的测量值应予剔除相应的测量值应予剔除.g(n,a)g(n,a)为格拉布斯准则判别系数为格拉布斯准则判别系数,与测量次数及粗大误与测量次数及粗大误差误判概率有关差误判概率有关.教材教材P64P64页页 表表3-23-2格拉布斯准则判别系数表格拉布斯准则判别系数表(,)bbVxxg n a193.1.33.1.3仪器仪表的主要性能指标仪器仪表的主要性能指标 仪表的性能指标是评价仪表性能差异、质量优劣的仪表的性能指标是评价仪表性能差异、质量优劣的主要依据。主要依据。仪表的性能指标包括:仪表的性能指标包括:技术指标;技术指标;经济指标;经济指标;使用指标。使用指
18、标。20 仪表技术指标包括:仪表技术指标包括:仪表误差;仪表误差;精度等级;精度等级;灵敏度;灵敏度;量程;量程;响应时间;响应时间;漂移等。漂移等。仪表经济的指标包括:仪表经济的指标包括:使用寿命;使用寿命;功耗;功耗;价格。价格。仪表使用的指标包括:仪表使用的指标包括:操作维修是否方便;操作维修是否方便;运行的可靠与安全;运行的可靠与安全;抗干扰与防护能力;抗干扰与防护能力;重量和体积重量和体积 ;自动化程度的高低。自动化程度的高低。21 1 1量程与精度量程与精度 (1 1)量程)量程 测量范围:仪表在规定精确度下,所测量的区域。测量范围:仪表在规定精确度下,所测量的区域。仪表量程:仪表
19、测量范围的上限与下限的代数差。仪表量程:仪表测量范围的上限与下限的代数差。上限上限-仪表测量的最高值或称满量程值;仪表测量的最高值或称满量程值;下限下限-仪表测量的最低值或称零位。仪表测量的最低值或称零位。3.1.1.33.1.1.3量程与精度量程与精度例例1 1:温度计的测量范围:温度计的测量范围:-200-200800800,仪表的测量上限:仪表的测量上限:800800;测量下限:测量下限:-200-200;仪表量程:仪表量程:10001000。例例2 2:温度计的测量范围:温度计的测量范围:0 0800800,仪表的测量上限:仪表的测量上限:800800;测量下限:测量下限:00;仪表量
20、程:仪表量程:800800。22(2 2)精度等级)精度等级 基本误差的最大允许值,称仪表的基本误差限基本误差的最大允许值,称仪表的基本误差限,仪表测量范围内各处指示值的误差不应超过此限值。仪表测量范围内各处指示值的误差不应超过此限值。仪表的基本误差限是定量地描述仪表精确度的仪表的基本误差限是定量地描述仪表精确度的重要指标,用重要指标,用“引用误差引用误差”表示。表示。1 0 0%qdS 引用误差:仪表的绝对误差与仪表的量程之比,引用误差:仪表的绝对误差与仪表的量程之比,用百分数表示。用百分数表示。式中:式中:q-q-用引用误差表示的基本误差限;用引用误差表示的基本误差限;-用绝对误差表示的基
21、本误差;用绝对误差表示的基本误差;S-S-仪表的满量程;仪表的满量程;d-d-常数常数23工业自动化仪表精度等级的划分:工业自动化仪表精度等级的划分:仪表的精确度等级只能从下列数据中选取最接近的仪表的精确度等级只能从下列数据中选取最接近的合适数值作为精确度等级:合适数值作为精确度等级:0.10.1,0.20.2,0.50.5,1.01.0,1.51.5,(2)(2),2.52.5,5.05.0级。级。工业生产过程中常用仪表等级为:工业生产过程中常用仪表等级为:1.01.05.05.0级。级。例:一毫伏表量程为例:一毫伏表量程为1V1V,精度为,精度为5.05.0级。级。100%5.0qS 1
22、5.0%50mV 无论毫伏表的指针在何处,最大的绝对误差不会超过无论毫伏表的指针在何处,最大的绝对误差不会超过50mV50mV。但各点的相对误差是不同的。但各点的相对误差是不同的。24 利用仪表的引用误差描述仪表的测量精度,并确利用仪表的引用误差描述仪表的测量精度,并确定仪表精度等级。定仪表精度等级。引用误差是一种简化的、实用方便的相对误差。引用误差是一种简化的、实用方便的相对误差。仪表在出厂检验时,其示值的最大引用误差不仪表在出厂检验时,其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值,此值称为允许引用误差能超过规定的允许值,此值称为允许引用误差Q Q:maxqQ25示值误差示值误差 error o
23、f indicationerror of indication示值误差示值误差=计量器具计量器具指示出来的测量值指示出来的测量值与与被测量值的实被测量值的实际数值际数值之差。它是由于计量器具本身的各种误差所引起之差。它是由于计量器具本身的各种误差所引起的。该误差的大小可通过计量器具的检定来得到。的。该误差的大小可通过计量器具的检定来得到。区分区分绝对误差绝对误差,实际相对误差实际相对误差,示值相对误差示值相对误差,引用误差引用误差。P125P125页页 5.5.检定一只量程为检定一只量程为5A5A的电流表的电流表,结果如下结果如下:输入量输入量/A A1 12 23 34 45 5示值示值/A
24、 A1.101.101.981.983.013.014.084.085.025.02(1)(1)试求仪表各示值的绝对误差试求仪表各示值的绝对误差,实际相对误差实际相对误差,示值示值相对误差相对误差,引用误差引用误差.(2)(2)确定仪表的精度等级确定仪表的精度等级.26 3.1.3.23.1.3.2静态性能指标静态性能指标仪表特性:仪表特性:描述仪表输出变量与输入变量之间的对描述仪表输出变量与输入变量之间的对应关系。应关系。静态特性:静态特性:当输入变量处于稳定状态时,仪表的输出当输入变量处于稳定状态时,仪表的输出与输入之间的关系。与输入之间的关系。动态特性:动态特性:当输入变量随时间变化时,
25、仪表的输出与当输入变量随时间变化时,仪表的输出与输入之间的关系。输入之间的关系。27(1 1)灵敏度)灵敏度 输入变化量与输出变化量的比值。输入变化量与输出变化量的比值。或输出增量或输出增量yy与输入增量与输入增量xx之比,即:之比,即:yKx式中式中:K K灵敏度;灵敏度;yy输出变量输出变量y y的增量;的增量;xx输入变量输入变量x x的增量。的增量。对于带有指针和标度盘的仪表,灵敏度可直观地理解对于带有指针和标度盘的仪表,灵敏度可直观地理解为单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量。为单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量。仪表仪表“输出输出-输入输入”关系为线性时,灵敏度为常数。关
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