化学工业出版社
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化工仪表及自动化第一章 检测仪表基本知识化学工业出版社
www.cip.com.cn内容提要
测量过程与测量误差
测量仪表的品质指标
测量系统中的常见信号类型
检测系统中信号的传递形式
检测仪表与测量方法的分类
化工检测的发展趋势
1
化学工业出版社
www.cip.com.cn测量过程与测量误差测量 是用实验的方法,求出某个量的大小。
qVQ?
举例 测一段导线的长度直接测量间接测量测量实质,是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。
2
化学工业出版社
www.cip.com.cn测量过程与测量误差测量误差,由仪表读得的被测值 (测量值 )与被测参数的真实值之间的差距。
测量误差按其 产生原因 的不同,可以分为三类：
系统误差疏忽误差偶然误差
3
化学工业出版社
www.cip.com.cn测量过程与测量误差绝对误差
t
tI
x
xx
x
xx
x
或
0
0
0
tI xx
xI：仪表指示值,xt：被测量的真值
0xx
由于真值无法得到
x：被校表的读数值,x0,标准表的读数值相对误差
4
化学工业出版社
www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
5
1.测量仪表的准确度 （ 精确度 ）
说明,仪表的测量误差可以用绝对误差 Δ 来表示 。 但是,
仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同 。 因此,常说的,绝对误差,指的是绝对误差中的最大值 Δ max。
两大影响因素绝对误差和仪表的标尺范围化学工业出版社
www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
%1 0 0m a x 标尺下限值标尺上限值?
相对百分误差 δ
允许误差
%1 0 0 标尺下限值标尺上限值 差值仪表允许的最大绝对误允?
6
化学工业出版社
www.cip.com.cn检测仪表的品质指标仪表的 δ 允 越大,表示它的精确度越低；反之,仪表的 δ 允 越小,表示仪表的精确度越高 。 将仪表的允许相对百分误差去掉,±,号及,％,号,便可以用来确定仪表的精确度等级 。 目前常用的精确度等级有 0.005,0.02，
0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等 。
小结
7
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www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
%8.0%1 0 02 0 07 0 0 4
8
举例例 1-1 某台测温仪表的测温范围为 200~700℃,校验该表时得到的最大绝对误差为 ± 4℃,试确定该仪表的相对百分误差与准确度等级 。
解 该仪表的相对百分误差为如果将该仪表的 δ 去掉,±,号与,％,号,其数值为 0.8。
由于国家规定的精度等级中没有 0.8级仪表,同时,该仪表的误差超过了 0.5级仪表所允许的最大误差,所以,这台测温仪表的精度等级为 1.0级 。
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www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
9
仪表的准确度等级 是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 。
准确度等级数值越小,就表征该仪表的准确度等级越高,
仪表的准确度越高 。 工业现场用的测量仪表,其准确度大多在 0.5级以下 。
仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上 。
举例 1.5
1.0如：
化学工业出版社
www.cip.com.cn检测仪表的品质指标注意在工业上应用时,对检测仪表准确度的要求,
应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定,
这样才能保证生产的经济性和合理性。
10
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www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
%100 标尺下限值标尺上限值 最大绝对差值变差
2.检测仪表的恒定度变差 是指在外界条件不变的情况下,用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程 （ 即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小 ） 测量时,被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的差值 。
图 1-1 测量仪表的变 差
11
仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则应及时检修。
化学工业出版社
www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
12
3.灵敏度与灵敏限仪表的灵敏度 是指仪表指针的线位移或角位移,与引起这个位移的被测参数变化量的比值 。 即
xS?
式中,S为仪表的灵敏度； Δα为指针的线位移或角位移；
Δx为引起 Δα所需的被测参数变化量 。
仪表的灵敏限 是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量 。 通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半 。
注意,上述指标仅适用于指针式仪表 。 在数字式仪表中,
往往用分辨率表示 。
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www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
13
4.反应时间反应时间 就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标 。 反应时间长,说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值,那就不宜用来测量变化频繁的参数 。
仪表反应时间的长短,实际上反映了仪表动态特性的好坏 。
仪表的反应时间有不同的表示方法当输入信号突然变化一个数值后,输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值 。
仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的 63.2％ （ 95％ ） 所用的时间,可用来表示反应时间 。
化学工业出版社
www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
%100m a x 仪表量程 ff?
14
5.线性度线 性度 是表征线性 刻度仪 表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度 。 通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系 。
图 1-2 线性度示意图式中,δf为线性度 （ 又称非线性误差 ） ； Δfmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差 （ 以仪表示值的单位计算 ） 。
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www.cip.com.cn检测仪表的品质指标
6.重复性重复性 表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致,重复性就好,重复性误差就小。
图 1-3 重复性示意图
%100m a x 仪表量程 ZZ?
15
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www.cip.com.cn检测系统中的常见信号类型作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型
1.位移信号
2.压力信号
3.电气信号
4.光信号
16
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www.cip.com.cn检测系统中信号的传递形式
1,模拟信号在时间上是连续变化的,即在任何瞬时都可以确定其数值的信号。
2,数字信号数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号,
通常用二进制数,0”和,1”组合的代码序列来表示。
3,开关信号用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。
17
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www.cip.com.cn检测仪表与测量方法的分类
1.检测仪表的分类
① 依据 所测参数 的不同,可分成压力 (包括差压、负压 )检测仪表、流量检测仪表、物位 (液位 )检测仪表、温度检测仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。
②按 表达示数 的方式不同,可分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。
③按 精度等级及使用场合 的不同,可分为实用仪表、范型仪表和标准仪表,分别使用在现场、实验室和标定室。
18
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www.cip.com.cn检测仪表与测量方法的分类
2.测量方法的分类按照测量结果的获得过程 直接测量间接测量
19
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www.cip.com.cn检测仪表与测量方法的分类
（ 1）直接测量利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，直接从显示结果获得被测参数的具体数值的测量方法。
根据被测参数获得方式的不同,直接测量又有偏差法与平衡法（零位法）之分。
除此之外,还有一种将平衡法与偏差法结合起来的 微差法
20
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www.cip.com.cn检测仪表与测量方法的分类
（ 2）间接测量当被测量不宜直接测量时,可以通过测量与被测量有关的几个相关量后,再经过计算来确定被测量的大小。
21
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www.cip.com.cn化工检测的发展趋势
1.检测技术的现代化
2.检测仪表的集成化、数字化、智能化
3.软测量技术和虚拟仪器
22
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www.cip.com.cn例题分析
1,某台具有线性关系的温度变送器,其测温范围为 0～ 200℃,
变送器的输出为 4～ 20mA。对这台温度变送器进行校验,得到下列数据,
输入信号 标准温度 /℃ 0 50 100 150 200
输出信号
/mA
正行程读数 x正正行程读数 x反
4
4.02
8
8.10
12.01
12.10
16.01
16.09
20
20.01
试根据以上校验数据确定该仪表的变差、准确度等级与线性度。
23
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4 输入下限值输入上限值 输出下限值）温度值（输出上限值I
)(840200 )420(50 mAI
解,该题的解题步骤如下。
(1)根据仪表的输出范围确定在各温度测试点的输出标准值 x标。任一温度值的标准输出信号 (mA)为例如,当温度为 50℃ 时,对应的输出应为其余类推。
24
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(2)算出各测试点正、反行程时的绝对误差 Δ 正 与 Δ 反,并算出正、反行程之差 Δ 变,分别填入下表内 (计算 Δ 变 时可不考虑符号,取正值 )。
输入信号 /℃ 0 50 100 150 200
输出信号
/mA
正行程读数 x正反行程读数 x反标准值
4
4.02
4
8
8.10
8
12.01
12.10
12
16.01
16.09
16
20
20.01
20
绝对误差
/mA
正行程 Δ正反行程 Δ反
0
0.02
0
0.10
0.01
0.10
0.01
0.09
0
0.01
正反行程之差 Δ变 0.02 0.10 0.09 0.08 0.01
25
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(3)由上表找出最大的绝对误差 Δ max,并计算最大的相对百分误差 δ max。由上表可知
)(10.0m a x mA
%6 2 5.0%1 0 0420 10.0m a x
去掉 δ max的,±,号及,%”号后,其数值为 0.625,数值在
0.5～ 1.0之间,由于该表的 δ max已超过 0.5级表所允许的 δ 允,
故该表的准确度等级为 1.0级。
26
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%6 2 5.0%1 0 0420 m a x 变变?
(4)计算变差由于该变差数值在 1.0级表允许的误差范围内,
故不影响表的准确度等级。注意若变差数值 Δ 变 max
超过了绝对误差 Δ max,则应以 Δ 变 max来确定仪表的准确度等级。
27
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(5)由计算结果可知,非线性误差的最大值 Δ fmax = 0.10,
故线性度 δ f为
%625.0%100420 10.0%100m a x 仪表量程 ff?
注意在具体校验仪表时,为了可靠起见,应适当增加测试点与实验次数,本例题只是简单列举几个数据说明问题罢了。
28
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2,某台测温仪表的测温范围为 200～ 1000℃,工艺上要求测温误差不能大于 ± 5℃,试确定应选仪表的准确度等级。
解,工艺上允许的相对百分误差为
%6 2 5.0%1 0 02 0 01 0 0 0 5允?
要求所选的仪表的相对百分误差不能大于工艺上的 δ 允,
才能保证测温误差不大于 ± 5℃,所以所选仪表的准确度等级应为 0.5级。当然仪表的准确度等级越高,能使测温误差越小,但为了不增加投资费用,不宜选过高准确度的仪表。
29
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测量过程与测量误差
测量仪表的品质指标
测量系统中的常见信号类型
检测系统中信号的传递形式
检测仪表与测量方法的分类
化工检测的发展趋势
1
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www.cip.com.cn测量过程与测量误差测量 是用实验的方法,求出某个量的大小。
qVQ?
举例 测一段导线的长度直接测量间接测量测量实质,是将被测参数与其相应的测量单位进行比较的过程。
2
化学工业出版社
www.cip.com.cn测量过程与测量误差测量误差,由仪表读得的被测值 (测量值 )与被测参数的真实值之间的差距。
测量误差按其 产生原因 的不同,可以分为三类：
系统误差疏忽误差偶然误差
3
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www.cip.com.cn测量过程与测量误差绝对误差
t
tI
x
xx
x
xx
x
或
0
0
0
tI xx
xI：仪表指示值,xt：被测量的真值
0xx
由于真值无法得到
x：被校表的读数值,x0,标准表的读数值相对误差
4
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5
1.测量仪表的准确度 （ 精确度 ）
说明,仪表的测量误差可以用绝对误差 Δ 来表示 。 但是,
仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同 。 因此,常说的,绝对误差,指的是绝对误差中的最大值 Δ max。
两大影响因素绝对误差和仪表的标尺范围化学工业出版社
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%1 0 0m a x 标尺下限值标尺上限值?
相对百分误差 δ
允许误差
%1 0 0 标尺下限值标尺上限值 差值仪表允许的最大绝对误允?
6
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www.cip.com.cn检测仪表的品质指标仪表的 δ 允 越大,表示它的精确度越低；反之,仪表的 δ 允 越小,表示仪表的精确度越高 。 将仪表的允许相对百分误差去掉,±,号及,％,号,便可以用来确定仪表的精确度等级 。 目前常用的精确度等级有 0.005,0.02，
0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等 。
小结
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%8.0%1 0 02 0 07 0 0 4
8
举例例 1-1 某台测温仪表的测温范围为 200~700℃,校验该表时得到的最大绝对误差为 ± 4℃,试确定该仪表的相对百分误差与准确度等级 。
解 该仪表的相对百分误差为如果将该仪表的 δ 去掉,±,号与,％,号,其数值为 0.8。
由于国家规定的精度等级中没有 0.8级仪表,同时,该仪表的误差超过了 0.5级仪表所允许的最大误差,所以,这台测温仪表的精度等级为 1.0级 。
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9
仪表的准确度等级 是衡量仪表质量优劣的重要指标之一 。
准确度等级数值越小,就表征该仪表的准确度等级越高,
仪表的准确度越高 。 工业现场用的测量仪表,其准确度大多在 0.5级以下 。
仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上 。
举例 1.5
1.0如：
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应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定,
这样才能保证生产的经济性和合理性。
10
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%100 标尺下限值标尺上限值 最大绝对差值变差
2.检测仪表的恒定度变差 是指在外界条件不变的情况下,用同一仪表对被测量在仪表全部测量范围内进行正反行程 （ 即被测参数逐渐由小到大和逐渐由大到小 ） 测量时,被测量值正行和反行所得到的两条特性曲线之间的差值 。
图 1-1 测量仪表的变 差
11
仪表的变差不能超出仪表的允许误差，否则应及时检修。
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12
3.灵敏度与灵敏限仪表的灵敏度 是指仪表指针的线位移或角位移,与引起这个位移的被测参数变化量的比值 。 即
xS?
式中,S为仪表的灵敏度； Δα为指针的线位移或角位移；
Δx为引起 Δα所需的被测参数变化量 。
仪表的灵敏限 是指能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量 。 通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半 。
注意,上述指标仅适用于指针式仪表 。 在数字式仪表中,
往往用分辨率表示 。
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13
4.反应时间反应时间 就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标 。 反应时间长,说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值,那就不宜用来测量变化频繁的参数 。
仪表反应时间的长短,实际上反映了仪表动态特性的好坏 。
仪表的反应时间有不同的表示方法当输入信号突然变化一个数值后,输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值 。
仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的 63.2％ （ 95％ ） 所用的时间,可用来表示反应时间 。
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14
5.线性度线 性度 是表征线性 刻度仪 表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度 。 通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系 。
图 1-2 线性度示意图式中,δf为线性度 （ 又称非线性误差 ） ； Δfmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差 （ 以仪表示值的单位计算 ） 。
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6.重复性重复性 表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致,重复性就好,重复性误差就小。
图 1-3 重复性示意图
%100m a x 仪表量程 ZZ?
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www.cip.com.cn检测系统中的常见信号类型作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号类型
1.位移信号
2.压力信号
3.电气信号
4.光信号
16
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1,模拟信号在时间上是连续变化的,即在任何瞬时都可以确定其数值的信号。
2,数字信号数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号,
通常用二进制数,0”和,1”组合的代码序列来表示。
3,开关信号用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。
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1.检测仪表的分类
① 依据 所测参数 的不同,可分成压力 (包括差压、负压 )检测仪表、流量检测仪表、物位 (液位 )检测仪表、温度检测仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。
②按 表达示数 的方式不同,可分成指示型、记录型、讯号型、远传指示型、累积型等。
③按 精度等级及使用场合 的不同,可分为实用仪表、范型仪表和标准仪表,分别使用在现场、实验室和标定室。
18
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2.测量方法的分类按照测量结果的获得过程 直接测量间接测量
19
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（ 1）直接测量利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，直接从显示结果获得被测参数的具体数值的测量方法。
根据被测参数获得方式的不同,直接测量又有偏差法与平衡法（零位法）之分。
除此之外,还有一种将平衡法与偏差法结合起来的 微差法
20
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（ 2）间接测量当被测量不宜直接测量时,可以通过测量与被测量有关的几个相关量后,再经过计算来确定被测量的大小。
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1.检测技术的现代化
2.检测仪表的集成化、数字化、智能化
3.软测量技术和虚拟仪器
22
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1,某台具有线性关系的温度变送器,其测温范围为 0～ 200℃,
变送器的输出为 4～ 20mA。对这台温度变送器进行校验,得到下列数据,
输入信号 标准温度 /℃ 0 50 100 150 200
输出信号
/mA
正行程读数 x正正行程读数 x反
4
4.02
8
8.10
12.01
12.10
16.01
16.09
20
20.01
试根据以上校验数据确定该仪表的变差、准确度等级与线性度。
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4 输入下限值输入上限值 输出下限值）温度值（输出上限值I
)(840200 )420(50 mAI
解,该题的解题步骤如下。
(1)根据仪表的输出范围确定在各温度测试点的输出标准值 x标。任一温度值的标准输出信号 (mA)为例如,当温度为 50℃ 时,对应的输出应为其余类推。
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(2)算出各测试点正、反行程时的绝对误差 Δ 正 与 Δ 反,并算出正、反行程之差 Δ 变,分别填入下表内 (计算 Δ 变 时可不考虑符号,取正值 )。
输入信号 /℃ 0 50 100 150 200
输出信号
/mA
正行程读数 x正反行程读数 x反标准值
4
4.02
4
8
8.10
8
12.01
12.10
12
16.01
16.09
16
20
20.01
20
绝对误差
/mA
正行程 Δ正反行程 Δ反
0
0.02
0
0.10
0.01
0.10
0.01
0.09
0
0.01
正反行程之差 Δ变 0.02 0.10 0.09 0.08 0.01
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(3)由上表找出最大的绝对误差 Δ max,并计算最大的相对百分误差 δ max。由上表可知
)(10.0m a x mA
%6 2 5.0%1 0 0420 10.0m a x
去掉 δ max的,±,号及,%”号后,其数值为 0.625,数值在
0.5～ 1.0之间,由于该表的 δ max已超过 0.5级表所允许的 δ 允,
故该表的准确度等级为 1.0级。
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%6 2 5.0%1 0 0420 m a x 变变?
(4)计算变差由于该变差数值在 1.0级表允许的误差范围内,
故不影响表的准确度等级。注意若变差数值 Δ 变 max
超过了绝对误差 Δ max,则应以 Δ 变 max来确定仪表的准确度等级。
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(5)由计算结果可知,非线性误差的最大值 Δ fmax = 0.10,
故线性度 δ f为
%625.0%100420 10.0%100m a x 仪表量程 ff?
注意在具体校验仪表时,为了可靠起见,应适当增加测试点与实验次数,本例题只是简单列举几个数据说明问题罢了。
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2,某台测温仪表的测温范围为 200～ 1000℃,工艺上要求测温误差不能大于 ± 5℃,试确定应选仪表的准确度等级。
解,工艺上允许的相对百分误差为
%6 2 5.0%1 0 02 0 01 0 0 0 5允?
要求所选的仪表的相对百分误差不能大于工艺上的 δ 允,
才能保证测温误差不大于 ± 5℃,所以所选仪表的准确度等级应为 0.5级。当然仪表的准确度等级越高,能使测温误差越小,但为了不增加投资费用,不宜选过高准确度的仪表。
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