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测-控-基-础(1)

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主讲人:隋秀香测 控 基 础2009年 4月学习本课程意义 测控是一门综合性的技术学科。 测控与生产过程有紧密的联系。 测控系统充分利用了计算机技术。绪 论 科学的利用测量仪表是获取可靠信息的主要途径和手段。 测量技术的应用:日常生活中:汽车钻井生产中:综合录井仪,随钻测量航空航天中:阿波罗 10号 控制和测量一样在生活和生产中发挥重要作用。控制技术的应用:日常生活中:例如汽车化工生产中:压力控制课程意义测控技术使我们能更有效 、 更准确的观察和操纵设备 , 了解和控制生产工艺和过程 , 实现生产过程自动化 。现代生产中的科技人员不仅要懂工艺和设备还必须具有测控方面的相关知识 , 以便在生产岗位和科学研究中发挥更大的作用 。总之 , 测控在日常生活 、 工业生产等领域都发挥越来越大的作用 , 掌握一定的测控知识有利于提高石油工程有关作业中的测量与自动化水平 。课程意义泥浆循环系统泥浆池泥浆泵 立管水龙带空气包排出口泥浆净化池 振动筛泥浆返出口水龙头钻杆井眼除泥器除砂器除气器砂泵泥浆返出口泥浆吸入管泥浆灌注泵砂泵关乎安全生产中的测控现场数据时实传输,对现场进行实时监测。钻台泥浆池 泵仓振动筛信 号……PM(ES(2)))毒性气体检测点火井 喷重点测量课题二 :钻井防碰测量与识别系统预测的钻井轨迹到达目的层 ,减少复杂地层钻井的碰撞事故;使钻井周期缩短;有利于保护油气层和快速钻井。不同的传感器安装位置振动传感器所钻新井位于两井之间 ,偏向某一口所钻新井位于两井中间所钻新井位于可能靠近其它平台所钻轨迹数据传输井下流量计: 准确地测量出不同层段的注水量。井下产量计: 准确地测量出油不同层段的产量。对于摸清井下状况,指导油田开发、生产,具有十分重要的意义。关乎提高生产效率的测控第一章 测控基本概念( 2)第一节 生产过程自动化第二节 测量过程、仪表的性能指标第二章 压力的测量与变送( 4)第三章 物位的测量与变送( 4)第四章 流量的测量与变送( 4)第五章 温度的测量变送与显示( 6)课 程 内 容第六章 密度的测量与变送 ( 4)第七章 计算机控制系统 ( 6)第八章 数据采集( 2)课 程 内 容课程的基本要求 掌握 生产过程自动化中 测控的基本知识 掌握压力、温度、流量、物位等主要参数的测量方法 掌握计算机数据采集与处理系统的功能及应用 熟悉石油工程中部分参数测量、监测方法参 考 书杜鹃, 《 测量仪表与自动化 》 ,石油大学出版社, 2002年 10月王家帧等, 《 传感器与变送器 》 ,清华大学出版社,1996年李华等, 《 51系列单片计实用接口技术 》 ,北京航空航天大学出版社, 1993强锡富, 《 传感器 》 ,机械工业出版社,, 1988第一节 生产过程自动化一、生产过程自动化定义在生产过程中,在生产设备上配备一些自动化仪表、装置来显示、记录和控制生产过程中的重要工艺参数,使整个生产过程能自动维持正常状态,当受到外界干扰的影响而偏离正常状态时,又能自动调回到规定的数值范围。第一章 测控基本概念1、 生产自动化的原理框图二、生产自动化系统的组成通常采用的生产过程自动化系统可分为以下几类:( 1)自动检测系统:对生产过程的各个参数进行检测,并把测量结果自动的指示和记录下来。( 2)自动报警和保护系统:生产过程不正常时可能引起事故,必要时要采取紧急措施,如:打开安全阀或切断某些通路,以防事故发生和扩大。2、生产自动化系统分类( 3) 自动操纵系统:按预先规定的步骤,对生产设备进行周期性的操作。4) 自动调节系统:是生产过程自动控制的主要组成部分。生产中某些工艺条件发生变化引起生产过程偏离正常状态时,需要调节装置对某些重要参数进行调节使其能自动调回到规定的数值范围,生产能自动维持正常状态。2、生产自动化系统分类例 1:以液位储槽的控制系统为例,假设 A、 设 、 统处于平衡,阀门开度不变。当由于某种原因使 点,变送器输出较大信号,调节器通过与给定值比较,发出一个指令,使阀门开大,流出液体 位逐渐下降。反之亦然 。3. 生产过程中自动调节系统的应用例 2: 炉温控制系统,在热处理过程中,常需要炉温保持恒值或按一定规律变化,如在矽钢片热处理过程中,常需要连续 10个小时以上保持 680° ± 5° 的恒温,其控制原理如图所示:3. 生产过程中自动调节系统的应用电位器 1,它比例与给定的炉温 680° ± 5° ,是个定值。热电偶是炉温的测量元件,把实际炉温 2,两个电压在放大器的输入端进行比较,产生的差值电压经放大器放大后,输出电压 在热处理炉的加热电阻丝两端。在正常情况下,电阻丝产生的热量与炉子向周围环境散发的热量相等,使炉内温度保持在某一数值 果环境温度下降,散热增加,炉内温度降低,于是 到电阻丝上的电压 会产生更多的热量,炉内温度会自动上升。反之,如果环境温度上升,则炉内温度会自动下降。3. 生产过程中自动调节系统的应用3. 生产过程中自动调节系统的应用3. 生产过程中自动调节系统的应用. 生产过程中自动调节系统的应用一般说来,自动调节系统都是由 调节对象,变送器、调节器和执行器 组成,形成了一个反馈系统,调节作用就是通过这种反馈作用来实现的。4. 自动调节系统的基本结构框图调节系统的术语介绍:调节对象:生产工艺设备被调参数:保持不变的工艺参数给定值:被调参数需保持的工艺指标规定的数值测量值:被调参数实测值检测变送环节:直接测量被调参数元件,将检测元件信号转换成标准统一信号的仪表调节单元:测量信号和给定信号比较所得偏差,按一定数学规律输出调节信号去控制执行器。干扰:引起被调参数变化的各种因素。4. 自动调节系统的基本结构框图1. 加快生产速度,降低生产成本,提高产品质量。2. 减轻劳动强度,改善劳动条件。3. 保证安全,防止事故的发生。4. 改变劳动方式,提高操作人员的文化技术水平。三、生产过程自动化的意义一、变量的测量在生产过程中为了对各种变量进行检测和控制,首先把这些变量转换成容易比较且便于传送的信息,这就要用到敏感元件、传感器、变送器、转换器。按照传统观念,传感器归于检测技术,变送器则归于自动化。敏感元件:能够敏感的感受被测变量并做出响应的元件。如:铂电阻感受温度的升降而改变阻值,它是温度敏感元件。弹性膜盒能感受压力的高低而引起形变,是压力敏感元件。敏感元件的输出响应与输入量之间如果是线性的正比或反比关系最便于使用。即使是非线性关系,只要这种关系不随时间而变化也可以满足使用的基本要求。第二节 测量基本概念传感器:具有对被测量敏感,而且具有将被测量的响应传送出去的功能。绝大多数传感器的输出为便于远传是电量形式。如:电压、电阻、频率等。也有利用压缩空气的压力大小传送信息的,这种方法在抗电磁干扰和防爆安全方面比电传要优越,但气源和管路投资大,传送速度低。传感器的输出物理量不拘一格,数值范围没有限制,只要便于传送,且其它仪表易于接收所传送的信息,就满足生产和科研的应用 。测量基本概念(续)变送器: 变送器是单元组合仪表中不可缺少的基本单元之一。变送器的任务是把各种非电量的工艺参数(如压力、流量、温度、液位等),变换成统一标准信号,然后根据系统的需要,传送到有关单元控制和显示或记录,即输出标准信号的传感器。例如:直流电流 40气压力: 20是通用的标准信号。有了统一的信号形式和数值范围,就便于把各种变送器和其它仪表组成检测系统或调节系统。测量基本概念(续)75424把非标准信号转换成标准信号,使之与带有标准信号的输入电路或接口的仪表配套。如:气电转换器能把20量仪表:是将被测参数信号经过一次或多次能量形式变换和传送,最后由指针或数字形式显示出来。虽然测量仪表的种类、使用条件、原理、结构不同,但基本组成都如下图:测量基本概念(续)如:电磁流量计测量基本概念(续)00 l/200二、测量过程1、测量概念用实验方法借助一定的仪器或设备把被测量者与其相应的测量单位进行比较,求出二者比值,从而得出被测量者数值大小的过程。表示如下:A-被测量者, 量单位, g-比值上式取近似值是考虑到任何测量都必然存在误差。测量基本概念(续)( 1)按测量方式分类 直接测量:被测量对象与测量单位直接进行比较(如:温度计测体温) 间接测量:对几个以与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量,通过函数关系求得被测量的结果。(如通过测矩形的长、宽求出矩形面积)2、测量方法测量过程 (续)( 2)按接触方式分类 接触式测量:测量敏感元件直接与被测介质接触得到被测结果的方法。如:体温计、 测量方法(续)测量过程 (续)非接触式测量:测量过程中测量仪表的任何部分都不与被测介质接触就能得到测量结果的方法。它不干扰被测对象,特别是在一些接触式测量方法不能胜任的场合,例如:多普勒超声流量计 。测量过程 (续)三、仪表的测量误差及性能指标1、测量误差概念测量误差:某一参数的测量值与真实值之差。测量过程中始终存在各种各样的影响因素使得测量结果不可能绝对准确,只能尽量接近真实值,测量值与真实值之间始终存在着一定差值,这一差值称为测量误差。一个测量结果只有知道其测量误差或指明其误差范围时,这种测量结果才有意义。测量基本概念(续)2、误差的分类测量误差按其产生的原因不同,分为三类:系统误差: 在同一条件下多次测量同一被测参数时,测量结果的误差大小和符号均保持不变,或在条件改变时按某一确定规律变化的误差。产生原因:测量过程中仪表使用不当,元件老化、外界条件变化等引起的一种误差。单纯增加测量次数是无法减少系统误差对测量结果的影响,但在找出误差原因后,可通过对测量结果引入适当的修正值加以消除。仪表的测量误差及性能指标 (续)随机误差: 在相同条件下,对某一参数进行重复测量时,测量结果的误差大小和符号均不固定,且无一定规律的误差。产生原因复杂,是由于那些我们尚无法认识或无法控制的因素(如电子噪声干扰)造成的。对单次测量,随机误差无法控制。对于系列重复测量结果,它的分布服从统计规律。可以通过求多次测量结果的算术平均值作为最终的测量结果,以减少随机误差对测量结果的影响。仪表的测量误差及性能指标 (续)疏忽误差 :测量结果显著偏移被测量的实际值所对应的误差。产生原因:操作人员在测量操作、读数或记录数据时粗心大意造成的,带有这种误差的测量结果几乎没有意义。结论:从产生的原因来看,系统误差和疏忽误差可以克服。但随机误差能尽可能减少其影响,不可能完全被消除。所以测量只能接近真实而永远达不到真实值。仪表的测量误差及性能指标 (续)仪表的测量误差及性能指标 (续)3、仪表的性能指标仪表的性能指标是衡量仪表性能好坏、质量优劣的主要依据,是正确选择使用仪表的依据。因此必须了解仪表的性能指标才能正确选用和使用仪表 。绝对误差和相对误差( 1)绝对误差仪表的测量值与真实值之间的代数差,表示 为:a=续)( 1)绝对误差例题:第一组:被测参数的实际值是 000 ,被测参数的测量值 x=1005则其绝对误差是多少?第二组: 00 x=105其绝对误差是多少?仪表的测量误差及性能指标 (续)a=+55知道被测参数的真实值是困难的,一般采用标准表(精确度较高的仪表)的指示值作为测量的真实值。( 2)相对误差测量值的绝对误差与其真实值之比的百分数。00*00仪表的测量误差及性能指标 (续)例题:一组:被测参数的实际值是 000 ,被测参数的测量值 x=1005 ,则其相对误差是多少?二组:被测参数的实际值是 000 ,被测参数的测量值 x=1005则其相对误差是多少?仪表的测量误差及性能指标 (续)r=0.5%r=5%一组: 000x=1005 a=+5 r=组: 00 x=105 则 a=+5 r=5%虽然两组的绝对误差相等,但一组的相对误差比二组小的多,显然一组比二组准确,因此相对误差比绝对误差更能说明测量结果的准确程度。仪表的测量误差及性能指标 (续)相对误差反映的是测量值在某一点上的准确度,不能反映仪表在整个测量范围内的准确度。仪表的准确度不仅与绝对误差有关,还与仪表的测量范围有关,工业上一般采用引用误差来衡量仪表的准确度。仪表的测量误差及性能指标 (续)引用误差测量值的绝对误差与测量仪表的量程之比的百分数。即:式中: 绝对误差仪表测量范围的上限值与下限值之差。%1 00%1 00 0 下上 续)最大引用误差 (又称 仪表的基本误差)在规定的工作条件下,当被测量平稳的增加或减少时,仪表测量范围内各点绝对误差的最大者 它是仪表基本误差的主要形式,也是仪表的主要性能指标之一,可以确切反映仪表的测量精度。%10 0m a xm a x  续)回差:在外界条件不变的情况下,使用同一仪表对某一参数进行正、反行程(被测参数由小到大和由大到小)测量时,所得仪表示值之间差值,称为回差。回差的大小,一般用在同一被测参数数值下,正、反行程时仪表示值之间的最大差值与仪表量程之比的百分数表示。仪表的测量误差及性能指标 (续)回差:一般用在同一被测参数数值下,正、反行程时仪表示值之间的最大差值与仪表量程之比的百分数表示,即仪表的测量误差及性能指标 (续)%1 0 0m a x  ( 反正要求仪表的回差不能超出仪表精度等级所限定的允许误差(即允许引用误差,是仪表出厂时所规定的引用误差的最大允许值) 8灵敏度:反映了仪表示值变化对被测参数变化的灵敏程度。例题 1:仪表的测量误差及性能指标 (续)通常规定:仪表标尺刻度上最小分格值不能小于仪表允许的绝对误差值。精度及其等级( 1) 精度表示正常使用条件下所得结果的可靠程度。一般用允许引用误差作为确定精度的尺度。允许误差是仪表出厂时所规定的 引用误差的最大允许值。是根据仪表的最大引用误差 : 号与 %号,其数值即为仪表的精度。仪表的测量误差及性能指标 (续)精确度及其等级( 2)精度等级它是按国家统一规定的允许误差的大小而划分的。某一级仪表的允许误差是指 :在正常情况下,国家规定这类仪表所允许具有的最大引用误差。仪表的测量误差及性能指标 (续)精确度及其等级( 2)精度等级例如:精度等级为 1级的仪表,其允许误差为 ± 1%,也就是说仪表在测量范围内各点处的引用误差均不允许超过± 1%。目前我国规定生产的仪表精度等级有: 属于同一等级的仪表均应满足它所规定的全部精度要求。仪表的测量误差及性能指标 (续)根据仪表校验数据来确定仪表精度等级例 2:根据工艺要求来选择仪表精度等级例 3:例题 (精确度及其等级)仪表的测量误差及性能指标 (续)根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级,要求是不同的。1、根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时,仪表的允许误差应大于或至少等于仪表校验结果所得到的最大引用误差;2、 根据工艺要求来选择仪表精度等级时,仪表的允许误差应该小于或至多等于工艺上所允许的 最大引用误差。仪表的测量误差及性能指标 (续)1、 按使用能源方式分( 1)电动单元组合仪表以电量为远传信号的仪表。Ⅱ 是能源为 220 输出信号为直流 0~ 10Ⅲ 是 + 24 输出信号为直流 4~ 20 2)气动单元组合仪表 燥的压缩空气(或为能源,的统一信号为 20~ 100炼厂,存在油气混合,为防止危险,一般采用氮气为能源)( 3)液动仪表以液压为工作能源的液动仪表。四、仪表的分类电动单元组合仪表和气动单元组合仪表的优缺点:( 1)电动单元组合仪表优点:信号便于远传,反应快,易于计算机联网缺点:易受电磁干扰,防爆能力不如气动表( 2)气动单元组合仪表 点:对环境要求低,防爆性能好,安全。缺点:铺设管路费用大,动作反应慢,传送距离近,不易与计算机联网 。仪表的分类2. 按组成测量或调节系统的方式分( 1)基地式仪表:测量、调节全装在一个壳体内的仪表。是专为某种被测参数在特定测量范围内使用的仪表。与单输入单输出的简单控制系统相适应。通用性差,不易构成复杂系统。( 2)单元组合式仪表:按照自动调节系统中各组成部分的功能(变送、调节、显示)和现场要求,分成若干个独立的单元。各单元之间用标准信号联系,在使用时再按一定的要求,将各单元组合一起。电动单元组合仪表通用性好,在石油工业种应用广泛。仪表的分类 (续)3. 按显示和记录方式分模拟式:用指针和标尺之间的相对位移或转角反映测量结果,如指针式。数字式:用数码的形式显示或记录测量结果。仪表的分类 (续)( 3)组件组装式仪表:用电路按功能构成很多插件,根据需要选择不同插件组成自动调节和控制系统
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