【正文】 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 過程裝備控制技術及應用 第三章 過程檢測技術（ 1） — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 內(nèi)容提要 ? 測量與誤差的基本知識 ? 測量過程與測量誤差 ? 儀表的性能指標 ? 工業(yè)儀表的分類 ? 傳感器概述 ? 傳感器基本概念及組成 ? 傳感器分類 ? 傳感器特性及標定 ? 新型傳感器介紹 ? 傳感器的選用 ? 現(xiàn)代傳感器技術的發(fā)展 ? 壓力測量 ? 壓力單位及測壓儀表 ? 彈性式壓力計 ? 電氣式壓力計 ? 智能型壓力變送器 ? 壓力計的選用及安裝 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 內(nèi)容提要 ?溫度檢測及儀表 ?溫度檢測方法 ?熱電偶溫度計 ?熱電阻溫度計 ?電動溫度變送器 ?一體化溫度變送器 ?智能式溫度變送器 ?測溫元件的安裝 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 內(nèi)容提要 ? 流量檢測及儀表 ? 概述 ? 差壓式流量計 ? 轉(zhuǎn)子流量計 ? 橢圓齒輪流量計 ? 渦輪流量計 ? 電磁流量計 ? 漩渦流量計 ? 質(zhì)量流量計 ? 物位檢測及儀表 ? 概述 ? 差壓式液位變速器 ? 電容式物位傳感器 ? 核輻射物位計 ? 稱重式液罐計量儀 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量與誤差的基本知識 ? 測量的基本概念 ? 測量定義 ?測量是人類對自然界的客觀事物取得數(shù)量概念的一種認識過程。在這一過程中，借助于專門的設備，通過實驗方法，求出被測未知量的數(shù)值。即測量就是為取得任一未知參數(shù)而做的全部工作。 ? 測量方法 ?測量方法是指實現(xiàn)被測量與單位進行比較并取得比值所采用的方法。 ?測量原理是指儀器、儀表工作所依據(jù)的物理、化學等具體效應。 ?根據(jù)分類依據(jù)的不同，測量方法主要有以下幾種分類方法。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量的基本概念 (1)直接測量與間接測量 ? 直接測量法 ?將被測量與被測量的單位直接比較，立即得到比值，或者儀表能直接顯示出被測量數(shù)值的測量方法稱之。 ?例如，用米尺測物體長度、用水銀溫度計測溫度等。 ?特點：可以直接得出測量結(jié)果，測量過程簡單、迅速；缺點是測量精度不容易達到很高。 ?工程技術中應用最廣的一種方法。 ? 間接測量法 ?先測出一個或幾個與被測量有一定函數(shù)關系的其他量，然后計算出被測量的數(shù)值，這種方法稱之。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量的基本概念 （ 2）等精度測量與不等精度測量 ? 根據(jù)測量條件的不同，測量方法可以分為等精度測量法和不等精度測量法。 ? 等精度測量法 ? 在測量過程中，使影響測量誤差的各因素保持不變，對同一被測量值進行次數(shù)相同的重復測量，這種測量方法稱為等精度測量法。 ? 等精度測量所獲得的測量結(jié)果，其可靠程度是相同的。通常工程技術中采用 ? 不等精度測量法 ? 在測量過程中，測量環(huán)境條件有部分不相同或全部不相同，所得測量結(jié)果的可靠程度不同，這種方法稱為不等精度測量法。 ? 通常在科學研究及重要的精密測量或檢定工作中采用。為了獲得更可靠和精確度更高的測量結(jié)果 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量的基本概念 (3)接觸測量與非接觸測量 ?接觸測量：儀表的某一部分 (一般為傳感器部分 )必須接觸被測對象 (被測介質(zhì) )。 ?非接觸測量：儀表的任何部分均不與被測對象接觸。 ?過程檢測多數(shù)采用接觸測量法。 (4)靜態(tài)測量與動態(tài)測量 ?按照被測量在測量過程中的狀態(tài)不同，測量可分為靜態(tài)測量與動態(tài)測量 ?靜態(tài)測量：在測量過程中，被測參數(shù)恒定不變。 ?動態(tài)測量：被測參數(shù)隨時間變化而變。 ?動態(tài)測量的分析與處理比靜態(tài)測量復雜得多。 ?過程檢測中的被測參數(shù)嚴格講均屬動態(tài)測量?？山瞥伸o態(tài)測量對待。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量的基本概念 ? 測量儀器與設備 ?組成 : 傳感器、變送器、顯示器幾個環(huán)節(jié)，如圖 31所示。 (1)感受件 (傳感器 ) ?傳感器（敏感元件、一次儀表等）作用：感受被測量的變化，直接從對象中提取被測量的信息，并轉(zhuǎn)換成相應的輸出信號。 ?傳感器是檢測儀表的重要部件，有如下要求。 ?①準確性 傳感器的輸出信號必須及時準確地反映被測量的變化。單值函數(shù)關系；最好是線性關系。 ?②穩(wěn)定性 函數(shù)關系不隨時間和溫度而變化，受其他因素的影響小，能準確地復現(xiàn)。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量的基本概念 ?③ 靈敏性：較小的輸入量便可得到較大的輸出信號。 ?④其他：經(jīng)濟性、耐腐蝕、低能耗等。 (2)中間件 (變送器或變換器 ) ?變送器是檢測儀表中的中間環(huán)節(jié)，它的作用是將傳感器的輸出信號進行變換，實現(xiàn)放大、遠距離傳送、線性化處理或轉(zhuǎn)變成規(guī)定的統(tǒng)一信號，供給顯示器等。 ?對變迭器的要求是：能正確穩(wěn)定地傳輸、放大和轉(zhuǎn)換信號，且受外界其他因素的干擾影響小，變換信號的誤差小。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量的基本概念 (3)顯示件 (顯示器 ) ?作用：顯示被測量數(shù)值的大小。它可以是瞬時量的顯示、累積量的顯示、越限報警等，也可以是相應的記錄顯示。通常稱為二次儀表。 ?顯示方式有三種類型：指示式 (模擬式顯示 )、數(shù)字式和 ?屏幕式 (圖像顯示式 )。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量誤差的基本概念 分析測量誤差的目的，是根據(jù)測量誤差的規(guī)律性，找出消除或減少誤差的方法，科學地表達測量結(jié)果，合理地設計測量系統(tǒng)。 ? 測量誤差及分類 ? 測量過程是將被測變量與其的標準量進行比較的過程。 ? 測量誤差：測量值與其真值之差。任何測量過程都不可避免地存在誤差，其真值是未知的。 ? 靜態(tài)誤差：當被測變量不隨時間變化時，其測量誤差稱之。 ? 動態(tài)誤差：當被測變量隨時間而變化時，在測量過程中所產(chǎn)生的附加誤差稱之。 一般在未加特別說明的情況下，測量誤差指靜態(tài)誤差。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量誤差及分類 分類：按其性質(zhì)可分為 系統(tǒng)誤差、隨機誤差、粗大誤差 (1)系統(tǒng)誤差 ?定義：在相同條件下，多次測量同一被測量值的過程中出現(xiàn)的、絕對值和符號或者保持不變，或者在條件變化時按某一規(guī)律變化的誤差。 ?產(chǎn)生原因： ?測量工具不準確或安裝調(diào)整不正確； ?測試人員的分辨能力或固有的讀數(shù)習慣； ?測量方法的理論依據(jù)有缺陷或采用了近似公式，等 ?處理方法： — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量誤差及分類 (2)隨機誤差（偶然誤差） ?定義： 在相同條件下多次測量同一被測量值的過程中所出現(xiàn)的、絕對值和符號都以不可預計的方式變化的誤差。 ?產(chǎn)生原因：大多是由測量過程中大量彼此獨立的微小因素，即隨機因素，對被測值的綜合影響產(chǎn)生的。這些因素通常是測量者所不知道的，或者因其變化過分微小而無法加以嚴格控制的。 ?處理方法：隨機誤差服從統(tǒng)計規(guī)律，可以利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法來估計其影響。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 測量誤差及分類 (3)粗大誤差（疏失誤差） ?定義：明顯地歪曲測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差。 ?產(chǎn)生原因： ?測量者的粗心 (如讀錯、記錯、算錯數(shù)據(jù)等 )，操作不正確； ?實驗條件不正確 ?壞值：含有粗大誤差的測量值稱為異常值或壞值。 ?處理方法：所有的壞值均應從測量結(jié)果中剔除。 ?注意：測量數(shù)列中包含壞值，不可能得到真實測量結(jié)果。把正常測量數(shù)據(jù)當壞值刪除，會對測量結(jié)果造成歪曲。只有利用相關理論，經(jīng)過正確的分析判斷，才能確認那些屬于壞值。 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 粗大誤差的檢驗與剔除 ? 壞值判斷方法：統(tǒng)計判別法。 ? 基本思路：規(guī)定一個置信概率和相應的置信系數(shù)，即置信區(qū)間，誤差超過此區(qū)間的測量值，都屬于壞值。 ? 統(tǒng)計判別法準則很多，根據(jù)理論上的嚴密性和使用上的簡便性，介紹以下幾個準則。在準則中， σ表示標準差，用貝塞爾 (Bessel)公式求得。即： 式中： n測量次數(shù)； xi第 i個測量值； xi的算術平均值； vixi的剩余誤差。 ? ? ???????? ?????niinniin Vnxxn12121111 l i ml i m?xx ii ??V???nx1iix— 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 粗大誤差的檢驗與剔除 (1)拉依達準則 (3σ 準則 ) 對某一測量值 xk(1＜ k＜ n) 的剩余誤差 Vk， 如果： 則該測量值存在粗大誤差。 ?按上述準則剔除壞值 xk后，應重新計算剔除壞值后的標準誤差。，再按準則判斷，直至余下的值無壞值存在。 ?3σ 準則是建立在無限次測量的基礎上的，當進行有限次測量時，該方法并不可靠。 ?特點：簡單，可用作粗大誤差的近似判斷。 ?3??? xkk xV— 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 粗大誤差的檢驗與剔除 (2)肖維奈 (Chauve)準則 在一系列等精度測量數(shù)據(jù) 中， 若： 則： xb可判別為可疑值或壞值剔除。 式中， Vb為測量值 xb(1bn)的剩余誤差， kc：判別系數(shù) (表 31) 表 31 肖維奈準則的判別系數(shù)表 nxxx , ?21?cbb kxxV ???— 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 粗大誤差的檢驗與剔除 (3)格拉布斯 (Grubbs)準則 準則規(guī)定：凡剩余誤差大于格拉布斯鑒別值的誤差，都屬于粗大誤差，相應的測量值是壞值，應予剔除。即： 式中， [g(n, a)]σ 格拉布斯準則鑒別值； g(n, a)格拉布斯準則判別系數(shù)，與測量次數(shù) n及粗大誤差誤判概率 a有關。見表 32。 特點：該準則根據(jù)正態(tài)分布理論提出，理論推導嚴密，使用比較方便。 ? ?? ??angxxV bb ,???— 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 粗大誤差的檢驗與剔除 ? 應用：格拉布斯判別方法可用于有限測量次數(shù)時的粗大誤差判定，是目前應用較廣泛的粗大誤 — 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 粗大誤差的檢驗與剔除 例 31 應用以上介紹的三種粗大誤差判別方法，分別對下列測量數(shù)據(jù)進行判別，若有壞點，則舍去。 測量數(shù)據(jù) xi： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 解： n=12，平均值： ＝ 剩余誤差 =： ， ， ， ， ， ， ， , , ， ， 。 按貝塞爾方程計算標準差 : ? 方法一：按拉依達準則 3σ＝ Vmax＝ V9＝ ＜ 3 σ 因而 x9不屬于粗大誤差，該組數(shù)中無壞值。 ??? 121xiix xx ii ??V1 .0??? ??niiVn1211?— 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 粗大誤差的檢驗與剔除 方法二：按肖維奈準則 由表 31查得，當 n＝ 12時， K＝ ， Kσ ＝ 因： Vmax=V9=＞ Kσ 所以， x9屬于粗大誤差，即該組數(shù)中的 ，剔除。 對剩余的 11個數(shù)值再進行粗大誤差判別。算得 n=11, 剩余誤差 Vi＝ ， ， ， ， ， ， ， ， , ， 由表 31可查得，當 n＝ 11時， K＝ ， Kσ =。 vi中無一數(shù)值的絕對值 Kσ ，因而剩余的 11個數(shù)中無壞值。 38 .5 8x 121?? ??i ix??— 過程裝備及控制系 — 賀鴻 太原理工大學化學化工學院 ?? 粗大誤差的檢驗與剔除 方法三：按格拉布斯法 選 a為 ，由表 32可得，當 n＝ 12時， g(n, a)＝ ，