自动化仪表基础知识
第十二章 自动化仪表基础知识
第一节 测量误差知识
一、测量误差的基本概念
冶金生产过程大多具有规模大、流程长、连续化、自动化的特点,为了有效地进行工艺操作与生产控制,需要用各种类型的仪表去测量生产过程中各种变量的具体量值。虽然进行测量时所用的仪表与测量方法不同,但测量过程的机理就是相同的,即都就是将被测变量与其同种类单位的量值进行比较的过程。各种测量仪表就就是实现这种比较的技术工具。对于在生产装置上使用的各种测量仪表,总就是希望它们测量的结果准确无误。但就是在实际测量过程中,往往由于测量仪表本身性能、安装使用环境、测量方法及操作人员疏忽等主客观因素的影响,使得测量结果与被测量的真实值之间存在一些偏差,这个偏差就称为测量误差。
二、测量仪表的误差。
误差的分类方法多种多样,如按误差出现的规律来分,可分为系统误差、偶然误差与疏失误差;按仪表使用的条件来分,有基本误差、辅加误差;按被测变量随时间变化的关系来分,有静态误差、动态误差;按与被测变量的关系来分,有定值误差、累计误差。测量仪表常凋的绝对误差、相对误差与引用误差就是按照误差的数值表示来分类的。
1、绝对误差
绝对误差就是指仪表的测量值与被测变量真实值之差。用公式表示为: △C=Cm-Cr 式(1-1)
试中Cm代表测量值,Cr代表真实值(简称真值),△C代表绝对误差。事实上,被测变量的真实值并不能确切知道,往往用精确度比较高的标准仪器来测量同一被测变量,其测量结果当作被测变量的真实值。
绝对误差有单位与符号,但不能完整地反映仪表的准确度,只能反应某点的准确程度。我们将各点绝对误差中最大的称为仪表的绝对误差。绝对误差符号相反的值称为修正值。
2、相对误差
相对误差就是指测量的绝对误差与被测变量之比。用公式表示为
式(1-2)
式中AC为测量的绝对误差,Cr为被测变量的真实值。
由上式可见,相对误差C0就是一个比值,它能够客观地反映测量结果的准确度,通常以百分数表示。
如某化学反应釜中物料实际温度为300℃,仪表的示值为298.5℃。 求得测量的绝对误差
测量的相对误差
3、引用误差(相对折合误差或相对百分误差)
测量仪表的准确性不仅与绝对误差与相对误差有关,而且还与仪表的测量范围有关。工业仪表通常用引用误差来表示仪表的准确程度,即绝对值与测量范围上限或测量表量程的比值,以非分比表示:
式(1-3)
即式中△C为测量的绝对误差,Cmax为测量仪表上限值,Cmin为测量仪表下限值。
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引用误差也称相对折合误差或相对百分误差,其特点就是无量纲,有正负之分,能比较确切地反映仪表的准确程度。
由于引用误差与测量仪表的量程有关,在选用同一准确度的仪表测量被测变量时,为了减小被测点的绝对误差值,提高测量准确度,往往将仪表零点迁移,压缩仪表量程,现举例说明如下。
如上例被测介质的实际温度为300℃,现用一台量程为o～400℃的仪表测量,示值为298℃则可依据式(1—1)与式(1—3)求得测量的绝对误差
测量的引用误差
现将该仪表量程压缩为200～400℃,如引用误差仍要保持-0.5％。则该测量点允许的绝对误差为
由此可见,仪表量程压缩一半,则绝对误差减小一半,从而大大提高了仪表的测量准确度。
4、测量系统的误差
以上简要介绍了测量仪表的误差及计算方法,但在石油化工装置中大量应用着由多个单元仪表组成的测量系统或控制系统,如何求得整个系统的测量误差呢?通常采用以下两种方法。
一种用方与根计算方法来求得
式中Cai为系统中各单元仪表的最大引用误差,n为系统中单元仪表数。
例如用孔板、差压变送器、开方器、数字显示指示仪组成的流量测量系统,经过校验,
另一种用系统联校方法来求得,即在一次元件端加入标准信号值,通过中间各单元仪表的信号传递,最终在二次仪表读取示值来计算引用误差,在各校验点中选择最大的引用误差,作为该测量仪表系统误差。
5、仪表示值误差校验
为了使各类仪表准、灵、可靠地长周期运行,仪修人员要定期对运行中的仪表进行示值误差校验,并对停车检修后的仪表进行全性能周期检定,以考核仪表就是否符合技术性能指标,这里列举显示仪表示值误差的校验。
(1)校验方法
显示仪表虽然种类繁多,结构各异,但常用的校验方法有如下两种。
1) 信号较法 这就是一种比较常用的校验方法,用可调信号发生器向被校仪表与标准仪器加同—信号,将被校仪表的示值与标准仪表的示值进行比较,求出各点示值误差。如用手动压力泵同时给被校压力计与标准压力表输入信号。
2) 直接校验法这种校验方法就是用标准仪器直接给被校仪表加信号,通过标准仪器的实际信号示值与被校仪表的检定点所对应的标准真值相比较,然后求出被校仪表该检定点的
它们的最大引用误差分别为Ca1=1％,Ca2=0、25％、Ca3=0.2％、Ca4=0.3％,则可求得
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误差,如用标准电阻箱校验配热电阻型动圈式指示仪或自动平衡电桥。
(2)校验步骤
1) 校验前的准备工作仪表的示值校验工作不论在现场还就是在检定室内进行,一般应做好如下准备工作。
① 熟悉仪表使用说明书中有关技术性能指标、接线方法、测试条件及注意事项等内容。 ② 正确选择标准仪器及配套设备,并对这些仪器与设备的可靠性进行检查。如标准仪器就是否有检定合格证,检定日期就是否在周检期内等。
⑧ 检查仪表的校验条件就是否符合技术要求。如环境温度、相对湿度、电源电压、气源质量与外界干扰等。
④ 检查仪表的外观及内部状况就是否有异常情况。如刻度标尺、印刷电路板及其她紧固件就是否松动,电路连接线就是否开焊等。
⑤ 正确接好校验线路,经确认无误后送电,电子式仪表一般需通电半小时后方可校验。
2) 刻度点校验方法仪表的校验点数一般规定不得少于5点,并要求均匀分布在测量范围的整数刻度线上。此外,对重要仪表还应追加校验“使用范围”(经常使用点的示值±仪表量程的10％左右)的示值误差,要求不超过仪表允许基本误差的1／2。
掌握正确的校验方法十分重要,这里强调几点在实际操作中容易被疏忽的问题。 ① 在进行上行程示值校验过程中,当指针将要靠近被校点刻度时,要注意缓慢增加输入信号,使指针与检验点刻度线完全重合,切勿超越越刻度线后再返回。下行程示值校验时亦同理,尤其要注意的就是进行上行程校验时,加入信号值应从低于量程下限位置开始,而进行下行程校验时,加入信号值应从高于量程上限位置开始。
② 标准仪器的准确度等级高于被校仪表,能读取较多位的有效数字,而被校仪表标尺刻度线分度不细,如果指针偏离刻度线,估算将产生较大视觉误差,尤其在非线性刻度时误差更大。为此要注意必须将仪表指针平稳移动到刻度线上,然后在标准仪器上读取信号值。
③ 在校验过程中,要根据不同显示形式的标准仪器正确读数,避免产生视觉误差。 4) 误差计算将上述从称准仪器中读取的实际示值代入误差计算公式,求得各被校点的绝对误差、变差与引用误差等。
三、仪表的质量指标
在工程上通常用以下几个质量指标来衡量仪表的品质。 1、允许误差与基本误差
根据仪表的使用要求,规定一个在正常情况下允许的最大误差,这个允许的最大误差叫允许误差。通常用最大引用误差来表示。
仪表的基本误差就是指仪表出厂时,制造厂保证该仪表在正常工作条件下的最大误差。一般仪表的基本误差也就就是该仪表的允许误差。
2、准确度与准确度等级
在正常使用条件下,仪表测量结果的准确程度叫仪表的准确度。引用误差越小,仪表准确度越高,而引用误差与仪表的量程范围有关,所以在使用同一准确度等级仪表时,往往采取压缩量程范围,以减小测量误差。
在工业测量中,为了便于表示仪表的质量,通常用准确度等级来表示仪表的准确程度。准确度等级就就是最大引用误差去掉百分号。准确度等级就是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。我国工业仪表等级一般划分为0、1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级,并标志在仪表刻度标尺或铭牌上。
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仪表准确度习惯上称精度,准确度等级习惯上称精度等级。 3、变差
在外界条件不变的情况下,当仪表的被测变量多次进行正反行程的测量,仪表指示值中的最大差值叫做变差,即
变差=上行程示值减去下行程示值差值的绝对值
产生变差的原因主要就是仪表传动机构的间隙、运动部件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等因素。变差不能超过仪表说明书中所规定的数值。
4、灵敏度与灵敏限·
灵敏度表达仪表对被测变量变化的敏感程度。仪表指针的位移变化量△S(或数字式仪表显示的数字),与引起这个位移变化量的被测变量变化值△U之比值叫做灵敏度S用公式表示如下
S=△S/△U
仪表的灵敏度在数值上等于单位被测变量的变化引起指针在刻度标尺上的位移变化,一般有四种表示方式,即角灵敏度、线灵敏度、分度灵敏度与分度值。
灵敏限也称不灵敏区或死区,就是摸仪表指针或数字显示不发生变化的被测变量的最大变化范围。一般仪表的灵敏限数值应不大于仪表允许误差绝对值的一半,即灵敏限≤允许误差/2
实际上仪表的不灵敏区与变差都就是由相同的原因引起的,只就是表达方式不同而已。 5、复现性(稳定性)
测量结果的复现性就是指在外界条件不变的情况下,同一操作人员,用同一台仪表对同一个被测值进行多次测量,所得结果之间的接近程度。各次测量值越接近,则仪表的复现性越好。
从误差的角度来瞧,复现性反映了偶然误差的大小,它不涉及示值与真值之间的误差大小。而准确度则直接表示与真值的接近程度。
6、仪表设备的防护
石油化工生产具有易燃、易爆、高温、高压与有毒等特点,仪表在这些特殊条件下工作,尤其就是一次元件、变送器、调节阀、连接管线等直接与被测介质接触,受到各种化学介质的侵蚀,必须采取相应的防护措施,才能确保仪表正常运行。
四、防爆问题
1、仪表防爆基本原理
爆炸就是由于氧化或其她放热反应引起的温度与压力突然升高的化学现象,它具有极大的破坏力,产生爆炸的条件就是:
① 存在爆炸性物质;
② 爆炸性物质与空气相混合后,其浓度在爆炸限以内; ③ 存在足以点燃爆炸性混合物的火花、电弧或过热。
防爆的原理就就是采取有效措施,阻止产生爆炸的三个条件同时出现。换言之,只要消除上述三个条件中的任何一个,就能防爆。
2、爆炸性物质与危险场所的划分
1) 爆炸性物质的划分在化工、炼油生产工艺装置中,把爆炸性物质分为矿井甲烷、爆炸性气体与蒸汽、爆炸性粉尘与纤维等三类。
2) 爆炸性气体的划分爆炸性气体(含蒸汽与薄雾)在标准试验条件下,根据可能引爆的
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最小火花能量大小,分为I、ⅡA、ⅡB、ⅡC四类。按其引燃温度分为T1、T2、T3、T4、T5、T6六组。
3) 爆炸性粉尘的划分爆炸性粉尘与纤维按其物理性质分为ⅢA、ⅢB两类;按其引燃温度分为T1-1、T1-2、T1-3三组。
3、爆炸危险场所的划分
(1)气体爆炸危险场所分为0、1、2区三个等级区域。0级区域指在正常情况下,爆炸性气体持续或长期存在;1级区域指在正常情况下,爆炸性气体有可能出现;2级区域指在正常情况下,爆炸性气体不能出现或偶尔短时间出现。
(2)粉尘爆炸危险场所分为10、11级两个等级区域。在10区域内爆炸性粉尘长期存在或短时间频繁出现;在11区域内爆炸性粉尘不能出现或在不正常情况下偶尔短时间出现。 以上简要介绍了爆炸性物质与危险场所的划分原则,详细分类、分级、分组情况见国家电气安全规程。
4、仪表的防爆标志了解上述防爆基本知识的实用意义正在于识别仪表的防爆标志,从而对仪表适用的防护型式、安装区域与可涉及的爆炸性物质一目了然,参见表12—1。
表12-1防爆仪表与电气设备的选型
爆炸危险区域 适用的防护型式 电气设备类型 (1)本质安全型(ia级) (2)其她特别为0区设计的电气设备(特殊型) (1)适用于0区的防护类型 (2)隔爆型 (3)增安型 1区 (4)本质安全型(ib级) (5)充油型 (6)正压型 (7)充砂型 (8)其她特别为1区设计的电气设备(特殊型) 2区 (1)适用于0区或1区的防护类型 (2)无火花型 符 号 la d e ib 0 p q n 0区 在防爆型仪表的铭牌与产品说明书中必须标注防爆标志,防爆标志由防爆电气设备的总标志Ex加其类型、类别、级别、组别构成,下面举例说明。
例1 Ex iaⅡC T6
防爆标志的含义为符合中国国家标准,采用ia级本质安全防爆法,可安装在0区,可允许涉及ⅡC类爆炸性气体,仪表表面温度不超过85℃
例2 Ex ibⅡC T4～6
该仪表符合中国国家标准,并同时采用了隔爆、增安与ib级本质安全防爆法,可涉及ⅡC类气体,且表面温度不超过85～135℃。如某种电磁流量变送器采用隔爆供电、增安接线盒,而信号为ib级本安。当使用环境温度范围高限为40～80℃时,仪表表面温度不超过85～135℃。
5、防爆措施
防爆的基本措施就是尽可能减少产生爆炸的三个条件同时出现的概率。具体措施如下。
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