仪器仪表主要性能指标 仪器仪表是如何工作的

一、概述
　　在工程式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如示。变差大小取最大绝对误差与仪表标尺范围之比的百分比：
变差产生的主要原因是仪表伟动机构的间隙，运动部件的磨擦，弹性元件滞后等。取胜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：
灵敏度有时也称"放大比"，也是仪表静特性贴切线上各点的斜率。增加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。
二、精确度
　　仪表精确度科称精度，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：
（1-1-3）
式中δ-检测过程中相对百分误差；
（标尺上限值-标尺下限值）--仪表测量范围；
Δx-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, 0.2,0.35,1.0,1.5,
2.5,4等，仪表精度等级一般都标志在仪表标尺或标牌上，如 , ,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。
三、复现性（重复性）
　　测量复现性是在不同测量条件下，如不同的方法，不同的观测者，在不同的检测环境对同一被检测的量进行检测时，其测量结果一致的程度。测量复现性必将成为仪表的重要性能指标。
测量的精确性不仅仅是仪表的精确度，它还包括各种因素对测量参数的影响，是综合误差。以电动Ⅲ型差压变送器为例，综合误差如下式所示：
（1-1-4）
式中e0-(25±1)℃状态下的参考精度，±0.25%或±0.5%；
e1-环境温度对零点（4mA）的影响，±1.75%;
e2--环境温度对全量程（20mA）的影响，±0. 5%;
e3-工作压力对零点（4mA）的影响，±0.25%;
e4--工作压力对全量程（20mA）的影响，±0.25%;
将e0、e1、e2、e3、e4的数值代入式（1-1-4）得：
　　这说明0.25级电动Ⅲ变送器测量精度由于温度和工作压力变化的影响由原来的0.25级下降为1.87,说明这台仪表复现性差.它也说明对同一被测的量进行检测时,由于测量条件不同,受到环境温度和工作压力的影响,其测量结果一致的程度差.
　　若用一台全智能差变送器代替上例中电动Ⅲ型差压变送器,对应式(1-1-4)中的e0=±0.0625%,e1+e2=±0.075%,e3+e4=±0.15%,代入式(1-1-4)得e综=±0.18%,要比电动Ⅲ型差压变送器e综=±1.87%小得多,说明全智能差压变送器对温度和压力进行补偿、抗环境温度和工作压力能力强。可以用仪表复现性来描述仪表的抗干扰能力。
　　测量复现性通常用不确定度来估计。不确定度是由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度，可采用方差或标准差（邓方差的正平方根）表示。不确定度的所有分量分为两类：
A类：用统计方法确定的分量
B类：用非统计方法确定的分量
设A类不确定度的方差为si2（标准差为si），B类不确定度假定存在的相应近似方差为ui2(标准差为（ui），则合成不确定度为：
（1-1-5）
四、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。徇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，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双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。
五、可靠性
　　仪表可靠性是化工企业仪表工所追求的另一重要性能指标。可靠性和仪表维护量是相反相成的，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，使仪表可告性大大提高。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。

工业生产现场用于测量的仪表种类有很多种，比如用于流量测量的电磁流量计、智能超声波流量计，用于液位和压力测量的液位变送器，压力变送器等仪表，但有一个共同的特点都是需要外部供电的，容易受电磁干扰， 目前我们抑制电磁干扰的方法主要有三种：屏蔽、滤波和接地。

1屏蔽

屏蔽是用来减少电磁场向外或向内穿透的措施，一般常用于隔离和衰减辐射干扰。屏蔽按其原理分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽三种。静电屏蔽的作用是消除两个电路之间由于分布电容耦合产生的电磁干扰，屏蔽体采用低电阻金属材料制成，屏蔽体必须接地。电磁屏蔽的作用是防止高频电磁场的干扰，屏蔽体采用低电阻的金属材料制成，利用屏蔽金属对电磁场产生吸收和反射以达到屏蔽的目的。磁屏蔽的作用是防止低频磁场的干扰，屏蔽体采用高导磁、高饱和的磁性材料来吸收或损耗电磁场以达到屏蔽的目的。

电磁干扰的影响与距离的关系非常密切，距干扰源越近，干扰场强越大，影响越大。在电子仪器仪表中，电子元件的布置常受体积限制，常采用低电阻金属材料或磁性材料制成封闭体，把防护间距不够的元件或部位隔离起来，以减少或防止静电或电磁的干扰。

2滤波

滤波可以抑制电磁的传导干扰。敏感电子设备通过电源线、电话线、控制线、信号线等传导电磁干扰信号。对于传导干扰常采用低通滤波器滤波，可以得到有效抑制。但在进行电磁兼容性设计时，必须考虑滤波器的特性：频率特性、阻抗特性、额定电压及电压损耗、额定电流、漏电电流、绝缘电阻、温度、可靠性、外型尺寸等。

2接地

在设备或装置中，接地是为了使设备或装置本身产生的干扰电流经接地线流入大地，一般常用于对传导干扰的抑制。理想的接地体是一个零电位、零阻抗的物理实体，作为各有关电路中所有信号电平的参考点，任何不需要的电流通过它都不产生电压降。这种理想的接地实体实际上是近似的。

 

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