第一章　過程檢測技術基礎

第一節　過程檢測的基本概念

一、檢測

檢測就是用專門的技術工具，依靠實驗和計算找到被測量的值（大小和正負）。例如水銀溫度計，是把水銀（汞）封裝在真空等徑的玻璃管內，構成一個專門的技術工具；然后根據水銀熱脹冷縮的原理，計算出水銀在不同溫度時上升的高度，并加以溫度刻度，或者以實驗的方法，加以刻度標定，就構成了水銀溫度計，用來檢測溫度，這就是檢測。檢測的目的是為了在限定的時間內，盡可能正確地收集被測對象的有關信息，以便獲取被測對象的參數，從而管理和控制生產。在生產過程中，為了監督和控制生產，使生產按照設計目標運行，就必須了解各設備、工段、車間的各有關參數信息，這就需要檢測。檢測是生產過程中的眼睛，是過程控制中最重要的一環，生產過程中，可以沒有自動控制，但絕不能沒有檢測。

檢測通常包括兩個過程：一是能量形式的一次或多次轉換過程；二是將被測變量與其相應的測量單位進行比較。前者一般應包括檢測（敏感）元件、變換（或轉換）器、信號傳輸和信號處理四部分；后者一般應包括測量電路及顯示裝置兩部分。如圖1-1所示。

二、檢測系統與檢測儀表

1.檢測系統

檢測系統包括被測對象及檢測的全過程，即一個檢測系統除被測對象外，總包括檢測的兩個過程。但對某一具體檢測系統而言，除被測對象外，檢測元件和顯示裝置總是必需的，而其余幾部分則視具體系統結構而異。例如用水銀溫度計檢測加熱器的溫度時，就構成了一個溫度檢測系統，在此系統中，加熱器為被測對象；在檢測過程中，首先水的熱能傳遞給玻璃，再由玻璃傳遞給水銀，水銀受熱則水銀柱升高，水的熱能就轉換成水銀柱的位能，這是能量形式的一次轉換；在溫度讀數時，是將水銀柱的高度與玻璃上標準溫度刻度進行比較而顯示出溫度讀數，這是測量單位的比較過程；該檢測系統除加熱器外，只包括檢測元件（水銀）和顯示裝置（玻璃刻度）兩個部分。

圖1-2所示為一流量檢測系統，圖中A為流體通過的管道，即被測對象；1為節流裝置（包括節流元件和取壓裝置），1'為取壓導管，這兩部分即為流量檢測元件，它把管道內的流體流量轉換成差壓信號（Δp=p1-p2），這是能量形式的一次轉換，即把流體的動能轉換成靜壓能（勢能）；2為差壓變送器，它把差壓信號轉換成標準電流信號（0～10mA DC或4～20mA DC），這是能量形式的二次轉換；3為電流信號的傳輸線，將安裝在現場的變送器信號，傳輸到控制室；4為開方器，將輸入信號作開方處理后輸出，其輸出信號與流體流量呈線性關系，便于后面顯示儀表顯示；5為顯示儀表，通常由測量電路和顯示裝置兩部分組成；所以該檢測系統除被測對象外，由包括檢測元件和顯示裝置在內的完整的六部分組成。若該系統不用開方器4（處理環節），而把差壓變送器的信號直接送顯示儀表顯示，也是可以的，不過此時顯示儀表的流量刻度只能是非線性（開方關系）的，故這個流量檢測系統除被測對象外，由包括檢測元件和顯示裝置在內的五部分組成。

當檢測系統在進行測量時，首先是通過檢測元件、變送器、傳輸、處理四部分把被測變量的能量形式經過多次轉換，變成了與被測變量成一定對應關系（例如線性關系）的電信號或氣信號或其他信號，這就是檢測系統中的第一過程；下面要進行的是將經多次轉換過的信號通過測量電路（或測量裝置）和顯示裝置，進行測量單位的比較過程，即第二過程，這第二過程往往由顯示儀表完成。

2.檢測儀表

檢測儀表是實現參數檢測過程的重要一環，是組成檢測系統必不可少的部分，它往往是檢測過程中的一部分或全部。例如用水銀溫度計檢測某一容器（對象）溫度，組成溫度檢測系統時，除被測對象外，它包括了檢測元件（水銀）和顯示裝置（玻璃刻度）在內的能直接進行參數檢測的全過程。又例如用熱電偶和數字顯示儀表配合檢測某一對象的溫度時，則熱電偶為檢測元件，而數字顯示儀表只是檢測過程中測量電路和顯示裝置兩部分，而不包括檢測元件、 變換等其他部分，所以該儀表只是測量過程中的一部分。

檢測儀表就其本身的結構而言，無論是模擬式還是數字式，一般都具有變換、比較（測量裝置）和顯示裝置三部分。而其變換部分往往是由若干個環節按一定方式連接而成，根據連接方式的不同，有兩種結構形式。

（1）開環結構　開環結構儀表的特點是：全部信息變換只沿著一個方向進行，如圖1-3所示。其中x為輸入量，y為輸出量，K1，K2，…，Kn為各環節的傳遞系數，u0，u1，…，un分別為作用于各環節的干擾。由于開環結構儀表是由多個環節串聯而成，因此儀表的相對誤差等于各環節相對誤差之和，即

　　 （1-1）

式中，δ為儀表的相對誤差；δi為各環節的相對誤差。

儀表的靈敏度等于各環節靈敏度之積，即

　　 （1-2）

式中，S為儀表的靈敏度；Si為各環節的靈敏度。

下面對開環結構儀表作一簡要討論：由圖1-3可知，儀表的輸出y不僅與各環節的傳遞系數K1，K2，…，Kn以及輸入量x有關，還受各個環節干擾u0、u1、…，un的影響，除非提高各環節抗外界干擾的能力，否則開環結構儀表很難獲得高精度。該結構一般為簡易儀表，如數顯表、彈簧管壓力表等。

由式（1-1）、式（1-2）可知：若要增加儀表靈敏度S，必須增加環節的個數或增大環節的靈敏度Si。增加環節個數，儀表的相對誤差δ必增大；若不增加環節個數，而提高環節靈敏度，則對應較小的輸入信號，就能得到相同的指針偏轉，故儀表對應的測量范圍必減小；若絕對誤差不變，儀表相對誤差δ必將隨著增大。因此開環儀表在增加靈敏度的同時，儀表的相對誤差也相應增大，從而降低了儀表精度。另一方面由于靈敏度增加，儀表的穩定性將大大降低，為了保證儀表具有較好的穩定性，則開環結構儀表的靈敏度不易做得很高。一般來說在同一量程的條件下，靈敏度高的儀表精度不一定都高；但精度高的儀表，靈敏度都是比較高的。

（2）閉環結構　閉環結構儀表有兩個通道，一為正向通道，一為反饋通道，其結構如圖1-4所示。其中x為輸入量，y為輸出量；Δx為正向通道輸入量，y為輸出量；反饋通道輸入量為y，輸出量為xf。K1，K2，…，Kn為正向通道各環節的傳遞系數（或稱放大倍數），β1，β2，…，βm為反饋通道各環節的傳遞系數。則正向通道的總傳遞系數， 反饋通道的總傳遞系數為。

由圖1-4可知

所以

當K?1時，則

　　 （1-3）

由式（1-3）可知：對于閉環結構儀表，若正向通道總傳遞系數K足夠大，則閉環結構儀表的特性取決于反饋通道的倒特性，而主通道各環節性能的改變不會影響儀表的輸出y。這為設計、制造儀表帶來了很多好處，只要精心挑選元器件制作反饋通道，而對主通道不必苛求，就可以較方便地（相對開環而言）獲得高精度和高靈敏度的儀表。

不難推導閉環結構儀表的相對誤差為

δ?-δf　　 （1-4）

式中，δf為反饋通道的相對誤差。

閉環結構儀表的靈敏度為

S?1/Sf　　 （1-5）

式中，Sf為反饋通道靈敏度（β）。有關δ、S的詳細推導請參見第四章第一節。

由式（1-4）、式（1-5）可知：閉環結構儀表在正向通道總傳遞系數足夠大的情況下，采用較小的反饋通道靈敏度S（β），即β<1，就可獲得較高的儀表靈敏度，而儀表的相對誤差卻可以大大減小。這就是閉環結構儀表可以較易獲得高精度、高靈敏度的原因所在。

三、檢測儀表的基本性能

儀表的基本性能，是指評定儀表品質的幾個質量指標。

1.精度（精確度，也叫準確度）

（1）相對百分誤差　在用檢測儀表對過程參數進行檢測時，總伴隨著有誤差產生，即在檢測過程中，不僅需要知道儀表的指示值，還應該知道該指示值接近參數真實值的準確程度，以便估計指示值（測量值）的誤差大小，常用相對百分誤差δ表示，即

　　 （1-6）

式中，x為被測變量的測量值；x0為被測變量的標準值；x-x0=Δx為絕對誤差；（測量范圍上限值-測量范圍下限值）為儀表測量范圍。

由式（1-6）可知：儀表的相對百分誤差δ，不僅與絕對誤差有關，還與儀表的測量范圍有關。

（2）精度　儀表精度通常是用儀表相對百分誤差δ的大小來衡量的。

<儀表精度等級（儀表精確度等級）>是指儀表在規定的工作條件下，允許的最大相對百分誤差。按照國家統一規定所劃分的等級有：…，0.05，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，…，所謂1級表，即該儀表允許的最大相對百分誤差為1%，其余類推。精度等級的表示方法：如1級為，其余同。

【例1-1】　有一臺測壓儀表，其標尺范圍為0～500kPa，已知其絕對誤差最大值Δpmax=4kPa，求該儀表的精度等級。

解　先計算

該儀表的最大誤差大于0.5%，而小于1%，按儀表精度等級的劃分，該儀表的精度為1級。

現根據測量的需要，儀表的測量范圍改為200～400kPa，儀表的絕對誤差不變，此時儀表的最大相對百分誤差

故該儀表的精度等級為2.5級。同時也說明，儀表的絕對誤差相等，測量范圍大的儀表精度高，反之儀表精度低。

2.變差（回差）

在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對某一參數進行正反行程（即逐漸由小到大和逐漸由大到小）測量時，對應于同一被測值所得的儀表示值不等，兩者之差即為變差的絕對值，如圖1-5所示。變差的大小，取在同一被測變量值下正反特性間儀表指示值的最大絕對誤差Δ″max與儀表標尺范圍之比的百分數表示，即

　　 （1-7）

造成儀表變差的原因很多，如傳動機構的間隙，運動部件的摩擦，彈性元件的彈性滯后等，因此在儀表設計時，應在選材上，加工精度上給予較多考慮，盡量減小變差。

3.非線性誤差

對于理論上具有線性特性的檢測儀表，往往由于各種因素的影響，使其實際特性偏離線性，如圖1-6所示。非線性誤差則是衡量實際特性偏離線性程度的指標，它取實際值與理論值之間的絕對誤差的最大值Δ'max和儀表測量范圍之比的百分數，即

　　 （1-8）

4.靈敏度和靈敏限

靈敏度是表征檢測儀表對被測參數變化的靈敏程度，是指儀表在對應單位參數變化時，其指示的穩態位移或轉角，即

　　 （1-9）

式中，S為儀表靈敏度；Δα為儀表指針的直線位移或轉角；Δx為被測變量的變化值。

檢測儀表的靈敏度可以用增大環節的放大倍數來提高；若僅加大靈敏度，而不改變儀表基本性能，來企圖提高儀表精度是不合理的，反而可能出現似乎靈敏度很高，但精度實際上卻下降的虛假現象。為防止該現象，通常規定儀表標尺的最小分格值不能小于儀表允許誤差的絕對值。

靈敏限　即引起儀表示值可見變化的被測變量的最小變化值。一般來說，儀表靈敏限數值應不大于儀表允許誤差絕對值的一半。

5.動態誤差

上面所介紹的用來表示儀表精度的相對百分誤差、變差、非線性誤差都是穩態（靜態）誤差。動態誤差是指檢測系統受外擾動作用后，被測變量處于變動狀態下儀表示值與參數實際值之間的差異。引起該誤差的原因是由于檢測元件和檢測系統中各種運動慣性以及能量形式轉換需要時間所造成的。衡量各種運動慣性的大小，以及能量傳遞的快慢常采用時間常數T和傳遞滯后時間（純滯后時間）τ兩個參數表示。

（1）時間常數T　例如采用熱電偶和自動平衡式顯示儀表組成測溫系統，若被測變量有一階躍變化，則記錄儀表所顯示出來的響應曲線將按一定規律變化，如圖1-7所示，其中T為熱電偶與自動平衡儀表的時間常數。若T越大，則響應曲線上升越慢，動態誤差存在時間越長；反之，曲線上升越快，動態誤差存在時間越短。在檢測系統設計中，總是把T取得小一些。

（2）傳遞滯后（純滯后）時間τ　在成分分析系統中，由于存在較長的取樣管線和預處理環節，故有純滯后時間τ，如圖1-8所示。在純滯后時間τ內，動態誤差Δ1最大，且一直延續到τ時間結束；像時間常數T對動態誤差的影響是逐漸減少的。故在檢測系統中τ的不利影響遠遠超過時間常數T的影響，應引起足夠的重視，使τ越小越好。