仪表基础知识资料.docx
《仪表基础知识资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《仪表基础知识资料.docx（45页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
仪表基础知识资料
一、测量误差与仪表质量指标
1、何谓测量误差？
为什么会产生测量误差？
测量值与真实值之间的差异就是测量误差。
人们进行测量的目的是要求得到被测量值的真实值，尽管真实值客观存在。
但是，在实际测量中，由于测量原理和方法、测量仪表（或设备）、测量环境及测量者本身都要受到许多主、客因素的影响，因而很难测量到被测量参数的“真实值”。
这就是为什么会产生测量误差的主要原因。
这种情况在测量中是普遍存在的。
2、按误差数值表示的方法，误差可分为：
绝对误差、相对误差、引用误差。
按误差出现的规律，可分为：
系统误差、随机误差、疏忽误差。
按仪表使用条件，可分为：
基本误差、附加误差。
3、什么是绝对误差、相对误差、引用误差？
绝对误差：
是测量值与真实值之差。
相对误差：
是绝对误差与被测量值之比，常用绝对误差与仪表示值之比，以百分数表示。
引用误差：
绝对误差与量程之比，以百分数表示。
仪表的精度等级是根据引用误差来划分的。
4、某一压力表刻度为0－100KPa，在50KPa处测量值为49.5KPa，求在50KPa处仪表示值的绝对误差、相对误差、引用误差？
解：
绝对误差＝50－49.5＝0.5KPa；相对误差＝（0.5/50）×100％＝1％
引用误差＝（0.5/100）×100％＝0.5％
5、什么是系统误差、偶然误差、疏忽误差？
各有何特点，产生的原因是什么?
系统误差：
又称规律误差，其大小和符号均不改变或按一定规律变化。
其主要特点是容易消除或修正。
产生的原因主要是仪表本身的缺陷，使用仪表的方法不正确，观察者的习惯或偏向，单因素环境条件的变化等。
偶然误差：
又称随机误差，其出现完全是随机的。
其主要特点是不易发觉，不好分析，难于修正，但它服从与统计规律。
产生的原因很复杂，它是许多复杂因素微小变化的共同作用所致。
疏忽误差：
又叫粗差，其主要特点是无规律可循，且明显地与事实不符。
产生这类误差的主要原因是观察者的失误或外界的偶然干扰。
6、系统误差的求解方法
方法1：
（公式法）δ总＝±（ΣCi2）1/2；Ci—系统中各单元仪表的最大引用误差；
n---单元仪表数
方法2：
（系统联校法）即在一次元件端加入标准信号值，在二次表读取示值，计算引用误差，在各校验点中选取最大的引用误差，作为该测量系统的系统误差。
7、什么叫基本误差和附加误差？
仪表的基本误差是指在规定的参比工作条件下，即该仪表在标准工作条件下的最大误差，一般仪表的基本误差也就是该仪表的允许误差。
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。
8、什么叫准确度和准确度等级？
准确度是指测量值与实际值的一致程度。
习惯上又称为精确度或精度。
是仪表基本误差的最大允许值。
准确度等级是仪表按准确度高低分成的等级，习惯上又称为精确度等级或精度等级。
9、仪表的精度等级是根据引用误差来划分的。
10、回差（也叫变差）是当输入量上升和下降时，同一输入的两相应输出量间的最大差值。
11、灵敏度是表达仪表对被测参数变化的灵敏程度。
它是指仪表达到稳定状态以后，其输出增量与输入增量之比。
比值越大，仪表越灵敏。
仪表测量结果的准确度不仅与仪表的精度等级有关，还与仪表的（量程）有关。
12、仪表的量程和测量范围是否一致？
有什么区别？
仪表的量程是指仪表范围的上限值和下限值之间的代数差。
仪表的测量范围是指该仪表可以按规定精度对被侧变量进行测量的范围。
从数值上讲，它们有时相同，有时是不相同的。
13、零点误差是指仪表在规定的参工作条件下，输入为零时的误差。
如果输入为测量范围的下限时，则称为始点误差。
14、稳定性是指在规定的工作条件下，输入保持恒定时，仪表输出在规定时间内保持不变的能力，通常用零点漂移来衡量。
15、零漂是指仪表在参比工作条件下，输入一个恒定的值（零或测量范围的下限值）时的输出变化。
16、当用仪表对被测参数进行测量时，仪表指示值总是经过一段时间才能显示出来，这段时间称为仪表的反应时间。
如果仪表不能及时反应被测参数，便要造成误差，这种误差称为动态误差。
17、动态误差的大小常用时间常数、全行程时间和滞后时间来表示。
18、时间常数是指当输入阶跃变化时，仪表的输出值到达其稳定值的63.2％所需的时间。
全行程时间是指满量程阶跃变化时，输出由下限移至上限，或反行程移动所需的时间。
通常以全量程的5％作为输出下限值，全量程的95％作为输出上限值。
19、MTBF是指平均无故障时间，它是衡量仪表可靠性的一个重要指标。
MTTR是指仪表故障的平均修复时间。
仪表的可用性是指仪表在某时刻具有或维持规定功能的能力，可用性公式为：
A=MTBF/（MTBF+MTTR）×100%。
二、仪表主要性能指标
一、概述
在工程上仪表性能指标通常用精确度（又称精度）、变差、灵敏度来描述。
仪表工校验仪表通常也是调校精确度、变差、和灵敏度三项。
变差是指仪表被测变量（可理解为输入信号）多次从不同方向达到同一数值时，仪表指示值之间的最大差值，或者说是仪表在外界条件不变的情况下，被测参数由小到大变化（正向特性）和被测参数由大到小变化（反向特性）不一致的程度，两者之差即为仪表变差，如图1-1-1所示。
变差大小取最大绝对误差与仪表标尺范围之比的百分比：
变差=[△max／（标尺上限值-标尺下限值）]×100%（1-1-1）
其中△max=∣A1-A2∣
变差产生的主要原因是仪表传动机构的间隙，运动部件的摩檫，弹性元件滞后等。
随着仪表制造技术的不断改进，特别是微电子技术的引入，许多仪表全电子化了，无可动部件，模拟仪表改为数字仪表等等，所以变差这个指标在智能型仪表中显得不那么重要和突出了。
灵敏度是指仪表对被测参数变化的灵敏程度，或者说是对被测的量变化的反应能力，是在稳态下，输出变化增量对输入变化增量的比值：
S=△L/△x（1-1-2）
式中S----仪表灵敏度；
△L----仪表输出变化增量；
△X----仪表输入变化增量；
灵敏度有时也称“放大比”，也是仪表静态特性曲线上各点的斜率。
增大放大倍数可以提高仪表灵敏度，单纯加大灵敏度并不改变仪表的基本性能，即仪表精度并没有提高，相反有时会出现振荡现象，造成输出不稳定。
仪表灵敏度应保持适当的量。
然而对于仪表用户，诸如化工企业仪表工来讲，仪表精度固然是一个重要指标，但在实际使用中，往往更强调仪表的稳定性和可靠性，因为化工企业检测与过程控制仪表用于计量的为数不多，而大量的是用于检测，另外，使用在过程控制系统中的检测仪表其稳定性、可靠性比精度更为重要。
一、精确度
仪表精确度简称精度，又称准确度。
精确度和误差可以说是孪生兄弟，因为有误差的存在，才有精确度这个概念。
仪表精确度简言之就是仪表测量值接近真值的准确程度，通常用相对百分误差（也称相对折合误差）表示。
相对百分误差公式如下：
δ=[△x/（仪表上限值-仪表下限值）]×100%（1-1-3）
式中δ----检测过程中相对百分误差；
（仪表上限值-仪表下限值）----仪表测量范围；
△X----绝对误差，是被测参数测量值x1和被测参数标准值x0之差。
所谓标准值是精确度比被测仪表高3～5倍的标准表测得的数值。
从式（1-1-3）中可以看出，仪表精确度不仅和绝对误差有关，而且和仪表的测量范围有关。
绝对误差大，相对百分误差就大，仪表精确度就低。
如果绝对误差相同的两台仪表，其测量范围不同，那么测量范围大的仪表相对百分误差就小，仪表精确度就高。
精确度是仪表很重要的一个质量指标，常用精度等级来规范和表示。
精度等级就是最大相对百分误差去掉正负号和%。
按国家统一规定划分的等级有0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.35,0.5,1.0,1.5,2.5,4等。
仪表精度等级一般都标志在仪表标牌上，如◇中有0.5,○有0.5，0.5等，数字越小，说明仪表精确度越高。
要提高仪表精确度，就要进行误差分析。
误差通常可以分为疏忽误差、缓变误差、系统误差和随机误差。
疏忽误差是指测量过程中人为造成的误差，一则可以克服，二则和仪表本身没有什么关系。
缓变误差是由于仪表内部元器件老化过程引起的，它可以用更换元器件、零部件或通过不断校正加以克服和消除。
系统误差是指对同一被测参数进行多次重复测量时，所出现的数值大小或符号都相同的误差，或按一定规律变化的误差，可以通过分析计算加以处理，使其最后的影响减到最小，但是难以完全消除。
随机误差（偶然误差）是由于某些目前尚未被人们认识的偶然因素所引起，其数值大小和性质都不固定，难以估计，但可以通过统计方法从理论上估计其对检测结果的影响。
误差来源主要指系统误差和随机误差。
在用误差表示精度时，是指随机误差和系统误差之和。
二、稳定性
在规定工作条件内，仪表某些性能随时间保持不变的能力称为稳定性（度）。
仪表稳定性是化工企业仪表工十分关心的一个性能指标。
由于化工企业使用仪表的环境相对比较恶劣，被测量的介质温度、压力变化也相对比较大，在这种环境中投入仪表使用，仪表的某些部件随时间保持不变的能力会降低，仪表的稳定性会下降。
衡量或表征仪表稳定性现在尚未有定量值，化工企业通常用仪表零点漂移来衡量仪表的稳定性。
仪表投入运行一年之中零位没有漂移，说明这台仪表稳定性好，相反仪表投入运行不到3个月，仪表零位就变了，说明仪表稳定性不好。
仪表稳定性的好坏直接关系到仪表的使用范围，有时直接影响化工生产。
仪表稳定性不好造成的影响往往比仪表精度下降对化工生产的影响还要大。
仪表稳定性不好，仪表维护量也大，是仪表工最不希望出现的事情。
三、可靠性
仪表可靠性是化工企业仪表工所追求的另一个重要性能指标。
可靠性和仪表维护量是相辅相成的，仪表可靠性高说明仪表维护量小，反之仪表可靠性差，仪表维护量就大。
对于化工企业检测与过程控制仪表，大部分安装在工艺管道、各类塔、釜、罐、器上，而且化工生产的连续性，多数有毒、易燃易爆的环境，这些恶劣条件给仪表维护增加了很多困难，一是考虑化工生产安全，二是关系到仪表维护人员人身安全，所以化工企业使用检测与过程控制仪表要求维护量越小越好，亦即要求仪表可靠性尽可能地高。
随着仪表更新换代，特别是微电子技术引入仪表制造行业，使仪表可靠性大大提高。
仪表生产厂商对这个性能指标也越来越重视，通常用平均无故障时间MTBF来描述仪表的可靠性。
一台全智能变送器的MTBF比一般非智能仪表如电动Ⅲ变送器要高10倍左右，它可高达100～390年。
三、计量知识
第一节法定计量单位
一、常用化工计量单位对照
化工企业常用计量单位以及非法定计量单位对照与换算列表于表1-3-6。
表1-3-6化工企业常用计量单位对照表
序号
量
非法定计量单位
法定计量单位
备注与换算
单位名称
符号
单位名称
符号
1
时间
sec（〞）
（′）
hr
y,yr
秒
分
小时
天（日）
年
S
min
h
d
a
1min=60s
1h=60min=3600s
1d=24h=86400s
2
长度
公尺
埃
公厘
毫微米
市尺
英尺
英寸
À
m/m
mμm
ft
in
米
米
毫米
纳米
米
米
毫米
m
m
mm
nm
m
m
mm
1公尺=1m
1À=10*（-10）m
1公厘=1mm
1mμm=10*（-9）m=1nm
1市尺=1/3m
1ft=12in=30.48cm
1in=25.4mm
3
面积
平方英寸
in²
平方米
㎡
in²=6.451cm²
4
体积
容积
立方
立升,公升
cum
CC,cc
立方米
毫升
升
m³
ml
L,l
1cum=1m³
1cc=1ml
1L=1dm³=10¯³m³
5
速度
秒米,米秒,每秒米
米每秒
m/s
6
加速度
米每秒平方,每平方秒米
米每二次方秒厘米每二次方秒
m/s²
cm/s²
1cm/s²=10ˉ²m/s²
7
质量
公吨
磅
T
吨
t
1t=1000kg
1磅=0.4536g
8
物质的量
克原子,克分子,克当量
摩[尔]
mol
1mol
以当量粒子作为基本单元
9
密度
每立方米千
克,每立方厘米克
Kg/M³
g/cm³
千克每立方米，克每立方厘米
Kg/m³,
g/cm³
1Kg/M³=1Kg/m³比重用相对密度代替
10
物质的量浓度
当量浓度
克分子浓度
N
M
摩[尔]每升，摩[尔]每升，
mol/L
mol/L
1N≈1mol/L（对于-价）
1M≈1mol/L（对于-价）以当量粒子作为基本单元
11
动力粘度
厘泊
cP
帕[斯卡]秒
Pa·s
1cP=1×10¯³Pa·s
12
粘度
秒
s
照用
13
运动粘度
斯托克斯
厘斯托克斯
St
cSt
二次方米每秒，二次方米每秒，
m²/s
m²/s
1St=10*（-4）m²/s
1cSt=10*（-6）m²/s
14
能,功,热
千克力米
Kgf·m
千瓦小时
Kw·h
1Kgf·m=9.80665N·m
15
能,功,热
国际蒸汽表卡,热化学卡,马力小时
calit
calth
焦[耳]
焦[耳]
焦[耳]
J
J
J
1calit=4.1868J
1calth=4.184J
1Kw·h=3.6MJ
1马力小时=2.6478MJ
16
热容
卡/度
cal/℃
焦[耳]每摄氏度
J/℃
1cal/℃=4.184J/℃
17
比热容
卡/克·度
cal/g℃
焦[耳]每克摄氏度
J/（g℃）
1cal/g℃=4.184J/（g℃）焦[耳]每克开[尔文]同时可用
18
热力学温度
温差
开氏度
度
°K
deg
开（尔文）
开（尔文）
K
K
19
摄氏温度
摄氏度
℃
照用
20
表面张力
尔格/厘米²
erg/cm²
焦耳每平方米，牛[顿]每米
J/m²
N/m
1erg/cm²=10¯³J/m²=10¯³N/m
21
压力,压强
千克力每平方厘米,毫米汞柱,毫米水柱,标准大气压
Kgf/cm²
mmHg
mmH2O
atm
帕[斯卡]
帕[斯卡]
帕[斯卡]
帕[斯卡]
Pa
Pa
Pa
Pa
1Kgf/cm²=98.0665KPa
1mmHg=133.322Pa
1mmH2O=9.80665Pa
1atm=101.325KPa
22
力,重力
千克力
kgf
牛[顿]
N
1kgf=9.80665N
23
力,矩
门尼
kgf·cm
牛[顿]米
N·m
1kgf·cm=0.098N·m
24
转矩
公斤力每厘米
kgf·cm
牛[顿]厘米
N·cm
1kgf·cm=9.80665Nm
25
转动惯量
公斤平方米
Kg·m²
千克二次方米
kg·m²
26
波长
µ
λ
µ
λ
米
米
m
m
1µ=10*（-6）m
1λ=10*（-10）m
27
阻尼系数
公斤秒每厘米
Kgf·s/cm
牛[顿]秒每米
N·s/m
1Kgfs/cm=980.665N·s/m
28
级差
分贝
dB
照用，无量纲量
29
传热系数
卡每厘米秒度
cal/（cm²·s·℃）
焦[耳]每平方米秒摄氏度
J（m²·s·℃）
1cal/（cm²·s·℃）=41.8KJ（m²·s·℃）
30
导热系数
卡每厘米秒度
cal/（cm·s·℃）
焦[耳]每厘米秒摄氏度
J（cm·s·℃）
1cal/（cm·s·℃）=41.84J（cm·s·℃）
31
电导率
1/欧姆·厘米
1/Ω·cm
西[门子]每米
S/m
1/Ω·cm=100S/m
32
功率
每秒卡
每小时千卡
英制马力
cal/s
kcal/h
hp
瓦[特]
瓦[特]
瓦[特]
W
W
W
1cal/s=4.1868W
1kcal/h=0.163W
1hp=745.7W
33
电阻
欧[姆]
Ω
照用
34
电导
姆欧
Ω
西[门子]
S
1Ω=1S
35
电感
亨[利]
H
照用
36
磁通[量]
麦克斯韦
Mx
韦[伯]
Wb
1Mx=10*（-8）Wb
37
磁场强度
奥斯特
Oe
安[培]每米
A/m
1Oe≒10³/（4×3.14）A/m≈80A/m
38
磁感应强度
高斯
Gs
特[斯拉]
T
1Gs≒10*（-4）T
39
发光强度
烛光,支光
IK
坎[练拉]
cd
1IK=1.019cd
40
[光]照度
幅透英尺烛光
Ph
1m/ft²
勒[克斯]
勒[克斯]
lx
lx
1Ph=10*4lx
11m/ft²=10.76lx
41
光通[量]
流[明]
lm
照用
42
[光]亮度
尼特
nt
坎[德拉]
每平方米
cd/m²
1nt=1cd/m²
43
放射性[活度]
居里
Ci
贝可[勒尔]
Bq
1Ci=3.7×10*10Bq
44
旋转速度
每分钟转
Rpm,R
转每分
r/min
1r/min=1/60×（1/s）
45
频率
周
千周
兆周
赫[兹]
千赫[兹]
兆赫[兹]
Hz
kHz
MHz
第二节量值传递
一、量值传递定义
量值传递系统是指通过检定，将国家基准所复现的计量单位量值通过标准逐级传递到工作用计算器具，以保证被测对象所测得的量值准确一致的工作系统。
量值传递是计量领域中的常用术语，其含义是指单位量值的大小，通过基准、标准直至工作计量器具逐级传递下来。
它是依据计量法、检定系统和检定规程，逐级地进行溯源测量的范畴。
其传递系统是根据量值准确度的高低，规定从高准确度量值向低准确度量值逐级确定的方法、步骤。
二、企业量值传递系统
以某化工企业为例，其量值传递系统可用图表示：
温度计量量值传递系统见图1-3-1，力学计量量值传递系统（压力）见图1-3-2，力学计量量值传递系统（质量）见图1-3-4。
企业可以根据具体情况和需要建立若干个标准，可以很多，也可以少几个，其他量值传递系统不一一列出。
图1-3-2力学计量量值传递系统图（压力）
图1-3-4力学计量量值传递系统图（质量）
第三节常用计量器具
这里介绍的常用计量器具通常称为标准仪表（器），主要用于检定和调校在生产经营过程中使用的检测与过程控制用仪表（检测、控制和计量）。
化工企业中最常用的计量器具有直流数字电压表、直流数字万用表、标准电阻箱、标准压力表、标准直流电压电流源、标准气压源等等。
一、直流数字电压表
1、工作原理
直流数字电压表工作原理如图1-3-10所示。
被测信号（直流电压模拟信号）经输入电路，通过A/D变换器，将模拟信号转换成数字信号，数字信号通过电子计数器计数，再由数字显示器以数字形式输出（显示）。
直流数字电压表中A/D变换器最常用的有双积分式和逐次比较式两种。
（1）双积分式数字电压表工作原理如图1-3-11所示。
Ux是被测直流电压，UR是基准电压。
测量工作可分成采样、比较和暂停三个阶段。
这类仪表抗干扰能力强，性能价格比高，一般用于直流电压测量和检测仪表校正等。
（2）逐次比较式数字电压表工作原理如图1-3-12所示。
在数字信号控制下，D/A变换器输出数值不同的基准量化电压，经比较器与输入的待测模拟电压UX进行比较，从最高位开始经反馈系统自动调节，逐次比较，逐步逼近，至两个电压平衡为止。
此时，比较寄存器所存储的二进制数码即表示被测电压大小。
这类仪表测量速度快，每秒可达数千次，但抗干扰能力弱。
一般用于多点巡回检测系统中多路直流电压测量。
图1-3-12逐次比较式数字电压表工作原理图
2、型号规格
常用直流数字电压表型号规格见表1-3-7。
日本横河公司数字多用表型号规格（包括数字电压表）见表1-3-8。
二、标准电压电流源
标准电压电流源输出高精度、高稳定性的电压和电流信号，作为标准信号输入被检定或被调校的仪表，是不可缺少的校验仪表。
通常用于检定、校验温度变送器、电子记录仪、电动调节器、数显仪表、电气阀门定位器、数据巡回采集仪、DCS系统现场控制单元等。
表1-3-7常用直流数字电压表型号规格
序号
型号
显示位数
最高分辨率µV
量程
V
准确度
（固有误差）
输入电阻
MΩ
备注
1
PZ8
4（1/2）
10
0.2
0.03%读数±2字
≥500
逐
次
逼
近
式
2
0.02%读数±2字
20
0.03%读数±2字
10
200
1000
2
PZ12A
4（3/4）
10配用
FH20直流毫伏单元可扩展到0.1
0.6
0.01%读数±2字
≥5×10³
双
积
分
式
6
60
0.02%读数±2字
10
600
1000
3
PZ26b
3（3/4）
10
0.06
0.02%读数±2字
≥100
0.6
0.1%读数±1字
6
60
10
600
1000
4
PZ38
4（1/2）
10
0.2
0.03%读数±2字
500
2
0.02%读数±2字
10³
20
0.03%读数±2字
10
200
1000
5
DS14-
1-1A
4（3/4）
10
0.6
0.005%读数±3字
6
0.003%读数±1字
60
0.03%读数±3字
600
6
DS26A
5
10
0.8
0.01%读数±6字
10³
8
0.006%读数±3字
DS26B
6
80
0.01%读数±5字
10
800
0.01%读数±3字
1000
0.03%读数±2字
三、标准气动压力信号源
气动压力信号源提供高精度、高稳定性的气动压力信号，作为检定或调校各类差压变送器、低压压力变送器、法兰差压变送器、气动调节器等仪表的标准输入信号，是使用频度相当高的检定（也称标准）仪表。
以日本横河株式会社产品2656标准气动压力信号源为例，其工作原理如图1-3-14所示。
仪表主要由电压分配器、伺服阀和压力传感器组成。
由压力设置盘上设定信号，通过D/A转换电路、脉冲宽度调制产生一个直流标准电压。
标准电压与来自压力传感器的反馈电压差通过伺服放大器放大输入伺服阀组件中的马达。
伺服阀组件由喷嘴阀、阀座、马达和传动齿
表1-3-8日本横河数字多用表型号规格
型号
7550（7551,7552）
7560（7561,7562）
2501A
数位
5（1/2）
6（1/2）
6（1/2）
直
流
电
压
量程
最大读数
分辨率
精度
输入阻抗
200mV
199.999
1µV
0.005%+6
升级会员 