第一節(jié)　概　　述

一、測量過程與測量誤差

在生產(chǎn)過程中需要測量的參數(shù)是多種多樣的，相應(yīng)的檢測方法及儀表的結(jié)構(gòu)原理也各不相同，但從測量過程的實質(zhì)來看，卻都有相同之處。測量過程在實質(zhì)上都是將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比較的過程，而測量儀表就是實現(xiàn)這種比較的工具。各種測量儀表不論采用哪一種原理，它們都是要將被測參數(shù)經(jīng)過一次或多次的信號能量的轉(zhuǎn)換，最后獲得一種便于測量的信號能量形式，并由指針位移或數(shù)字形式顯示出來。例如各種爐溫的測量，常常是利用熱電偶的熱電效應(yīng)，把被測溫度轉(zhuǎn)換成直流毫伏信號（電能），然后變?yōu)楹练鼫y量儀表上的指針位移，并與溫度標(biāo)尺相比較而顯示出被測溫度的數(shù)值。

在測量過程中，由于所使用的測量工具本身不夠準(zhǔn)確，觀測者的主觀性和周圍環(huán)境的影響等等，使得測量的結(jié)果不可能絕對準(zhǔn)確。由儀表讀得的被測值與被測量真值之間，總是存在一定的差距，這一差距就稱為測量誤差。

測量誤差通常有兩種表示方法，即絕對誤差和相對誤差。

絕對誤差在理論上是指儀表指示值x_i和被測量的真值x_t之間的差值，可表示為

Δ=x_i-x_t　?。?-1）

所謂真值是指被測物理量客觀存在的真實數(shù)值，它是無法得到的理論值。因此，所謂測量儀表在其標(biāo)尺范圍內(nèi)各點讀數(shù)的絕對誤差，一般是指用被校表（精確度較低）和標(biāo)準(zhǔn)表（精確度較高）同時對同一被測量進(jìn)行測量所得到的兩個讀數(shù)之差，可用下式表示

Δ=x-x₀　?。?-2）

式中，Δ為絕對誤差；x為被校表的讀數(shù)值；x₀為標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)值。

測量誤差還可以用相對誤差來表示。相對誤差等于某一點的絕對誤差Δ與標(biāo)準(zhǔn)表在這一點的指示值x₀之比?？杀硎緸?/p>

　?。?-3）

式中，y為儀表在x₀處的相對誤差。

二、儀表的性能指標(biāo)

一臺儀表性能的優(yōu)劣，在工程上可用如下指標(biāo)來衡量。

1.精確度（簡稱精度）

任何測量過程都存在一定的誤差，因此使用測量儀表時必須知道該儀表的精確程度，以便估計測量結(jié)果與真實值的差距，即估計測量值的誤差大小。

前面已經(jīng)提到，儀表的測量誤差可以用絕對誤差Δ來表示。但是，必須指出，儀表的絕對誤差在測量范圍內(nèi)的各點上是不相同的。因此，常說的“絕對誤差”指的是絕對誤差中的最大值Δ_max。

事實上，儀表的精確度不僅與絕對誤差有關(guān)，而且還與儀表的測量范圍有關(guān)。例如，兩臺測量范圍不同的儀表，如果它們的絕對誤差相等的話，測量范圍大的儀表精確度較測量范圍小的為高。因此，工業(yè)上經(jīng)常將絕對誤差折合成儀表測量范圍的百分?jǐn)?shù)表示，稱為相對百分誤差δ，即

　?。?-4）

儀表的測量范圍上限值與下限值之差，稱為該儀表的量程。

根據(jù)儀表的使用要求，規(guī)定一個在正常情況下允許的最大誤差，這個允許的最大誤差就叫允許誤差。允許誤差一般用相對百分誤差來表示，即某一臺儀表的允許誤差是指在規(guī)定的正常情況下允許的相對百分誤差的最大值，即

　　（3-5）

儀表的δ_允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的δ_允越小，表示儀表的精確度越高。

事實上，我國就是利用這一辦法來統(tǒng)一規(guī)定儀表的精確度（精度）等級的。將儀表的允許相對百分誤差去掉“±”號及“%”號，便可以用來確定儀表的精確度等級。目前，我國生產(chǎn)的儀表常用的精確度等級有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。如果某臺測溫儀表的允許誤差為±1.5%，則認(rèn)為該儀表的精確度等級符合1.5級。為了進(jìn)一步說明如何確定儀表的精確度等級，下面舉兩個例子。

例1　某臺測溫儀表的測溫范圍為200～700℃，校驗該表時得到的最大絕對誤差為+4℃，試確定該儀表的精度等級。

解　該儀表的相對百分誤差為

如果將該儀表的δ去掉“+”號與“%”號，其數(shù)值為0.8。由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，同時，該儀表的誤差超過了0.5級儀表所允許的最大誤差，所以，這臺測溫儀表的精度等級為1.0級。

例2　某臺測溫儀表的測溫范圍為0～1000℃。根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過±7℃，試問應(yīng)如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？

解　根據(jù)工藝上的要求，儀表的允許誤差為

如果將儀表的允許誤差去掉“±”號與“%”號，其數(shù)值介于0.5～1.0之間，如果選擇精度等級為1.0級的儀表，其允許的誤差為±1.0%，超過了工藝上允許的數(shù)值，故應(yīng)選擇0.5級儀表才能滿足工藝要求。

由以上兩個例子可以看出，根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級和根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級，情況是不一樣的。根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級時，儀表的允許誤差應(yīng)該大于（至少等于）儀表校驗所得的相對百分誤差；根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級時，儀表的允許誤差應(yīng)該小于（至多等于）工藝上所允許的最大相對百分誤差。

儀表的精度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。精度等級數(shù)值越小，就表征該儀表的精確度等級越高，也說明該儀表的精確度越高。0.05級以上的儀表，常用來作為標(biāo)準(zhǔn)表；工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表，其精度大多是0.5級以下的。

儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標(biāo)志在儀表面板上，如、等。

2.變差

變差是指在外界條件不變的情況下，用同一儀表對被測量在儀表全部測量范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即被測參數(shù)逐漸由小到大和逐漸由大到?。y量時，被測量值正行和反行所得到的兩條特性曲線之間的最大偏差，如圖3-1所示。

造成變差的原因很多，例如傳動機構(gòu)間存在的間隙和摩擦力、彈性元件的彈性滯后等等。變差的大小，用在同一被測參數(shù)值下，正反行程間儀表指示值的最大絕對差值與儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

　?。?-6）

必須注意，儀表的變差不能超出儀表的允許誤差，否則，應(yīng)及時檢修。

3.靈敏度與靈敏限

儀表指針的線位移或角位移，與引起這個位移的被測參數(shù)變化量之比值稱為儀表的靈敏度，用公式表示如下

　?。?-7）

式中，S為儀表的靈敏度；Δα為指針的線位移或角位移；Δx為引起Δα所需的被測參數(shù)變化量。

所以儀表的靈敏度，在數(shù)值上就等于單位被測參數(shù)變化量所引起的儀表指針移動的距離（或轉(zhuǎn)角）。

所謂儀表的靈敏限，是指能引起儀表指針發(fā)生動作的被測參數(shù)的最小變化量。通常儀表靈敏限的數(shù)值應(yīng)不大于儀表允許絕對誤差的一半。

值得注意的是，上述指標(biāo)僅適用于指針式儀表。在數(shù)字式儀表中，往往用分辨力來表示儀表靈敏度（或靈敏限）的大小。

4.分辨力

對于數(shù)字式儀表，分辨力是指數(shù)字顯示器的最末位數(shù)字間隔所代表的被測參數(shù)變化量。如數(shù)字電壓表顯示器末位一個數(shù)字所代表的輸入電壓值。顯然，不同量程的分辨力是不同的，相應(yīng)于最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力，也叫靈敏度。通常以最高分辨力作為數(shù)字電壓表的分辨力指標(biāo)。例如，某表的最低量程是0～1.0000V，五位數(shù)字顯示，末位一個數(shù)字的等效電壓為10μV，便可說該表的分辨力為10μV。當(dāng)數(shù)字式儀表的靈敏度用它與量程的相對值表示時，便是分辨率。分辨率與儀表的有效數(shù)字位數(shù)有關(guān)，如一臺儀表的有效數(shù)字位數(shù)為三位，其分辨率便為千分之一。

5.線性度

線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準(zhǔn)曲線與理論直線的吻合程度。如圖3-2所示。通常總是希望測量儀表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。因為在線性情況下，模擬式儀表的刻度就可以做成均勻刻度，而數(shù)字式儀表就可以不必采取線性化措施。

線性度通常用實際測得的輸入-輸出特性曲線（稱為校準(zhǔn)曲線）與理論直線之間的最大偏差與測量儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

　?。?-8）

式中，δ_f為線性度（又稱非線性誤差）；Δf_max為校準(zhǔn)曲線對于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計算）。

6.反應(yīng)時間

當(dāng)用儀表對被測量進(jìn)行測量時，被測量突然變化以后，儀表指示值總是要經(jīng)過一段時間后才能準(zhǔn)確地顯示出來。反應(yīng)時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo)。反應(yīng)時間長，說明儀表需要較長時間才能給出準(zhǔn)確的指示值，那就不宜用來測量變化頻繁的參數(shù)。因為在這種情況下，當(dāng)儀表尚未準(zhǔn)確顯示出被測值時，參數(shù)本身卻早已改變了，使儀表始終指示不出參數(shù)瞬時值的真實情況。所以，儀表反應(yīng)時間的長短，實際上反映了儀表動態(tài)特性的好壞。

儀表的反應(yīng)時間有不同的表示方法。當(dāng)輸入信號突然變化一個數(shù)值后，輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值。儀表的輸出信號（即指示值）由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%所用的時間，可用來表示反應(yīng)時間，也有用變化到新穩(wěn)態(tài)值的95%所用的時間來表示反應(yīng)時間的。

三、工業(yè)儀表的分類

工業(yè)儀表種類繁多，結(jié)構(gòu)形式各異，根據(jù)不同的原則，可以進(jìn)行相應(yīng)的分類。

1.按儀表使用的能源分類

按使用的能源來分，工業(yè)自動化儀表可以分為氣動儀表、電動儀表和液動儀表。目前工業(yè)上常用的為電動儀表。電動儀表是以電為能源，信號之間聯(lián)系比較方便，適宜于遠(yuǎn)距離傳送和集中控制；便于與計算機聯(lián)用；現(xiàn)在電動儀表可以做到防火、防爆，更有利于電動儀表的安全使用。但電動儀表一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；易受溫度、濕度、電磁場、放射性等環(huán)境影響。

2.按信息的獲得、傳遞、反映和處理的過程分類

從工業(yè)自動化儀表在信息傳遞過程中的作用不同，可以分為五大類。

（1）檢測儀表　檢測儀表的主要作用是獲取信息，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。在生產(chǎn)過程中，檢測儀表主要用來測量某些工藝參數(shù)，如溫度、壓力、流量、物位以及物料的成分、物性等，并將被測參數(shù)的大小成比例地轉(zhuǎn)換成電的信號（電壓、電流、頻率等）或氣壓信號。

（2）顯示儀表　顯示儀表的作用是將由檢測儀表獲得的信息顯示出來，包括各種模擬量、數(shù)字量的指示儀、記錄儀和積算器，以及工業(yè)電視、圖像顯示器等。

（3）集中控制裝置　包括各種巡回檢測儀、巡回控制儀、程序控制儀、數(shù)據(jù)處理機、電子計算機以及儀表控制盤和操作臺等。

（4）控制儀表　控制儀表可以根據(jù)需要對輸入信號進(jìn)行各種運算，例如放大、積分、微分等?？刂苾x表包括各種電動、氣動的控制器以及用來代替模擬控制儀表的微處理機等。

（5）執(zhí)行器　執(zhí)行器可以接受控制儀表的輸出信號或直接來自操作人員的指令，對生產(chǎn)過程進(jìn)行操作或控制。執(zhí)行器包括各種氣動、電動、液動執(zhí)行機構(gòu)和控制閥。

上述各類儀表在信息傳遞過程中的關(guān)系可以用圖3-3來表示。

3.按儀表的組成形式分類

（1）基地式儀表　這類儀表的特點是將測量、顯示、控制等各部分集中組裝在一個表殼里，形成一個整體。這種儀表比較適于在現(xiàn)場做就地檢測和控制，但不能實現(xiàn)多種參數(shù)的集中顯示與控制。這在一定程度上限制了基地式儀表的應(yīng)用范圍。

（2）單元組合儀表　將對參數(shù)的測量及其變送、顯示、控制等各部分，分別制成能獨立工作的單元儀表（簡稱單元，例如變送單元、顯示單元、控制單元等）。這些單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號互相聯(lián)系，可以根據(jù)不同要求，方便地將各單元任意組合成各種控制系統(tǒng)，適用性和靈活性都很好。

化工生產(chǎn)中的單元組合儀表有電動單元組合儀表和氣動單元組合儀表兩種。國產(chǎn)的電動單元組合儀表以“電”、“單”、“組”三字的漢語拼音字頭為代號，簡稱DDZ儀表；同樣，氣動單元組合儀表簡稱QDZ儀表。

本章將介紹幾個主要工藝參數(shù)的檢測方法及儀表。顯示儀表、控制儀表及執(zhí)行器將分別在第四章、第五章、第六章中介紹。