Process Control & Instrumentation Technology
主要内容
检测仪表功能、原理性组成
气动、电动仪表信号标准
测量误差、真值、精度
测量变送中的几个主要问题
测量信号的处理
数字滤波
Process Control & Instrumentation Technology
检测仪表功能及组成
功能：确定被测参数的量值
组成：
传感器（含敏感元件）：检测仪表中的首要部件，它直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触）。感受被测参数的变化，并发出与之相适应的信号（压力变化、电阻变化等）。
变送器：能输出标准信号的传感器。
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气动、电动仪表信号标准
电动仪表,4-20mA,DC（远距离）； 1-5V，
DC（柜内传输）
气动仪表,20-100Kpa
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对传感器的三个要求
高准确性，传感器的输出信号与被测参数成严格的单值函数关系。
高稳定性，不受时间或环境温度变化等因素的影响。
高灵敏度，被测参数微小变化时，输出量变化明显。
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测量误差与真值
测量误差：测量值与真实值之间存在的差别
真值：一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。
在计算误差时，一般用约定真值或相对真值来代替。
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约定真值与相对真值
约定真值：一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。
实际测量中以在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。
相对真值：指当高一级标准器的误差仅为低一级的 1/3以下时，可认为高一级的标准器或仪表示值为低一级的相对真值。
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仪表读数误差
读数误差的实质，是仪表读数与被测参数真实值之差。
仪表的读数误差只能是读数与约定真值或相对真值之差。
△ =M-A
△ —— 读数绝对误差；
M—— 仪表读数；
A—— 约定真值或相对真值。
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仪表绝对误差与相对误差
绝对误差：在测量范围内，各读数误差的最大值。
相对误差：仪表的绝对误差与真值的百分比。
引用误差：绝对误差与仪表量程的百分比
%100XS m
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仪表基本误差
这是指在仪表制造厂保证的条件下仪表的相对误差值，即规定使用条件下的相对误差。
规定使用条件：包括温度、相对湿度、电源电压、安装方式等 。
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仪表的附加误差
附加误差是仪表在非规定的参比工作条件下使用时另外产生的误差。
如电源波动附加误差，温度附加误差等。
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仪表精度等级
又称准确度级，是按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。
我国仪表精度等级有,0.001,0.005,0.02,0.05、
0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。
级数越小，精度（准确度）就越高。
科学实验用的仪表精度等级在 0.05级以上；工业检测用仪表多在 0.1～ 4.0级，其中校验用的标准表多为 0.1或 0.2级，现场用多为 0.5～ 4.0级。
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仪表的灵敏度
仪表的灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。
它是指仪表在达到稳定状态以后，仪表输出信号变化△ α 与引起此输出信号变化的被测参数（输入信号）变化量△ x之比，
用 S表示灵敏度
xS?

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仪表的灵敏限
指能够引起仪表指示值（输出信号）发出变化（动作）的被测参数（输入信号）的最小（极限）变化量。
与灵敏度是不同的概念。
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测量变送中的几个主要问题
纯滞后问题
由于测量元件安装位置不当及测量仪表本身特性等容易引入纯滞后。
测量滞后问题
主要由测量元件本身的特性造成。在系统设计中可选用快速测量元件。
信号传送滞后问题
主要是指 QDZ仪表气压信号在管路传送过程中所造成的滞后。
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测量信号的处理
测量信号的校正
测量信号噪声（干扰）的滤波
低通
高通
带通
对测量信号进行线性化处理
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数字滤波
数字滤波即程序滤波，通过计算机软件
（运算与判断）滤去干扰信号，提高信号的真实性。
在计算机中常采用数字滤波消除低频干扰
常用的数字滤波有如下几种：算术平均值滤波、程序判断滤波、中位值法滤波和一阶惯性滤波等。
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算术平均值滤波
又称为递推平均滤波，对周期性等幅振荡的干扰有较明显的滤波效果。
n
i
ii XnY
1
1
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程序判断滤波
当 时，则 Xi为输入计算机的采样值。
当 时，应将 Xi-1采样值作为第 i次采样值输入计算机。
B值的选择主要决定于对象的被测参数的变化速度
BXX ii1
BXX ii1
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中位值法滤波
连续采样三次以上的被测值，从中选择大小居中的那个值作为有效的测量信号
适用场合：对变化速度不太快的参数，去掉其干扰脉冲。
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一阶惯性滤波
实质上是通过计算机的算式来实现动态的
RC低通滤波
1
1
)(
)(
sTsX
sY
f
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智能仪表
自动化仪表及装置向着智能化、数字化、模块化、高精度化和小型化的方向发展，智能化是最重要的特点。
与常规仪表相比，智能仪表：
测量精度高
自动校准
自动修正误差
自诊断的能力
允许灵活地改变功能，实现高级控制。
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例题 1
某压力表刻度 0～ 100kPa，在 50kPa处测量值为 49.5kPa，求在 50kPa处仪表示值的绝对误差、示值相对误差和示值引用误差？
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例题 1
仪表示值的绝对误差：
仪表示值的相对误差：
仪表示值的引用误差：
k p a5.05.4950
%1%1 0 050 5.0
%5.0%100100 5.0m?
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例题 2
下图是乙烯裂解气温度控制系统。采用液态丙烯，使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯流量使温度控制在（ 15± 1.5） ℃ 。
TTTC
乙烯裂解气丙烯冷却器气态丙烯液态丙烯
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例题 2
指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？
试画出该控制系统的组成方块图。
试比较示意图和方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。
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例题 2
被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气的出口温度；操纵变量为气态丙烯的流量。
在示意图中，气态丙烯的流向是由丙烯冷却器流出。
而在方块图中，气态丙烯作为操纵变量，其信号的流向是指向丙烯冷却器的。
控制器 执行器 丙烯冷却器扰动
θθ sp
测量变送
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例题 3
某换热器的温度控制系统方块图如下图。系统的被控变量为出口物料温度，要求保持在
（ 200± 20） ℃,操纵变量为加热蒸汽的流量。
电动控制器电- 气转换器换热器
R I QE P C
F
测量、变送
-
Z
气动执行器
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例题 3
说明图中 R,E,Q,C,F所代表的专业术语内容。
说明 Z,I,P的信号范围。
气动执行器的输入、输出各是什么物理量？
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例题 3
R为给定值,E为偏差（ E=R-Z）,Q为操纵变量,C为被控变量,F为干扰变量。
Z的信号范围为 4～ 20mA DC,I的信号范围亦为 4～ 20mA DC,P的信号范围为 20～
100kPa。
气动执行器的输入信号为 20～ 100kPa的气压信号，输出信号为加热蒸汽的流量。