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第一篇 基础知识引论 1

1.绪论 1

1.1. 检测仪表控制系统 1

1.1.1.典型检测仪表控制系统 1

1.1.2.检测仪表控制系统结构分析 2

1.2.基本概念 4

1.2.1.测量范围、上下限及量程 4

1.2.2.零点迁移和量程迁移 4

1.2.3.灵敏度和分辨率 5

1.2.4.误差 5

1.2.5.精确度 6

1.2.6.滞环、死区和回差 7

1.2.7.重复性和再现性 8

1.2.8.可靠性 8

1.3.检测仪表技术发展趋势 9

思考题与习题 9

2.误差分析基础 11

2.1.检测精度 11

2.2.误差分析的基本概念 11

2.2.1.真值、测量值与误差的关系 11

2.2.2.几种误差的定义 12

2.2.3.测量的准确度与精密度 12

2.3.误差原因分析 13

2.4.误差分类 13

2.5.误差的统计处理 14

2.5.1.随机误差概率及概率密度函数的性质 14

2.5.2.正态分布函数及其特征点 15

2.5.3.置信区间与置信概率 16

2.6.误差传递法则 17

2.6.1.误差传递法则 17

2.6.2.不等精度测量的加权及其误差 18

2.7.误差估计 19

2.7.1.平均值的误差表示方法 19

2.7.2.平均值与标准偏差的无偏估计 19

2.7.3 测量次数少的误差估计 20

2.8.粗大误差检验 20

2.9.最小二乘法及其应用 21

2.9.1.最小二乘法原理 21

2.9.2.最小二乘法在多元间接检测中的应用 21

2.9.3.最小二乘法在曲线拟合中的应用 23

思考题与习题 24

3.检测技术及方法分析 25

3.1.检测方法及其基本概念 26

3.1.1.开环型检测与闭环型检测 26

3.1.2.直接检测与间接检测 26

3.1.3.绝对检测与比较检测 27

3.1.4 偏差法与零位法 27

3.1.5 强度变量检测与容量变量检测 27

3.1.6 微差法 28

3.1.7.替换法 28

3.1.8.能量变换与能量控制型检测元件 28

3.1.9.主动探索与信息反馈型检测 29

3.2.检测系统模型与结构分析 29

3.2.1.检测系统的基本功能 29

3.2.2.信号转换模型与信号选择性 29

3.2.3.检测系统的结构分析 30

3.3.提高检测精度的方法 33

3.3.1.时域信号选择方法 33

3.3.2.频域信号选择方法 33

3.4.多元化检测技术 35

3.4.1.多元检测与检测方程式 36

3.4.2.多元复合检测 36

3.4.3.多元识别检测 37

3.4.4.多传感器融合的概述 39

3.4.5.构造化检测 39

3.4.6.多点时空检测 39

思考题与习题 41

第二篇 过程参数检测技术 42

4.温度检测 42

4.1.测温方法及温标 42

4.1.1.测温原理及方法 42

4.1.2.温标 42

4.2.接触式测温 45

4.2.1.热电偶测温 45

4.2.2.热电阻测温 52

4.2.3.集成温度传感器 57

4.3.非接触式测温 57

4.3.1.辐射测温原理 58

4.3.2 辐射测温仪表的基本组成及常用方法 58

4.3.3.辐射测温仪表 59

4.3.4.辐射测温仪表的表观温度 61

4.4.光纤温度传感器 62

4.4.1.液晶光纤温度传感器 63

4.4.2.荧光光纤温度传感器 63

4.4.3.半导体光纤温度传感器 63

4.4.4.光纤辐射温度计 64

4.5.测温实例 64

4.5.1.管道内流体温度的测量 64

4.5.2.烟道中烟气温度的测量 65

4.5.3.非接触法测量物体表面温度 66

思考题与习题 66

5.压力检测 67

5.1.压力单位及压力检测方法 67

5.1.1.压力的单位 67

5.1.2.压力的几种表示方法 68

5.1.3.压力检测的主要方法及分类 68

5.2.常用压力检测仪表 69

5.2.1.弹性压力计 69

5.2.2.力平衡式压力计 73

5.2.3.压力传感器 74

5.3.测压仪表的使用及压力检测系统 79

5.3.1.测压仪表的使用 79

5.3.2.压力检测系统 80

思考题与习题 82

6.流量检测 84

6.1.流量检测基本概念 84

6.1.1.流量的概念和单位 84

6.1.2.流量检测方法及流量计分类 85

6.2.体积流量检测方法 86

6.2.1.容积式流量计 86

6.2.2.差压式流量计 89

6.2.3.速度式流量计 100

6.3.质量流量检测方法 105

6.3.1.间接式质量流量测量方法 106

6.3.2.直接式质量流量计 106

6.4.流量标准装置 110

6.4.1.液体流量标准装置 110

6.4.2.气体流量标准装置 112

思考题与习题 112

7.物位检测 114

7.1.物位的定义及物位检测仪表的分类 114

7.1.1.物位的定义 114

7.1.2.物位检测仪表的分类 114

7.2.常用物位检测仪表 115

7.2.1.静压式液位检测仪表 115

7.2.2.浮力式物位检测仪表 117

7.2.3.其他物位测量仪表 120

7.3.影响物位测量的因素 125

7.3.1.液位测量的特点 125

7.3.2.料位测量的特点 125

7.3.3.界位测量的特点 126

思考题与习题 126

8.机械量检测 127

8.1.模拟式位移检测 127

8.1.1.电容式位移检测方法 127

8.1.2.电感式位移检测方法 129

8.1.3.差动变压器位移检测方法 130

8.1.4.光纤位移检测方法 131

8.2.光学数字式位移检测 131

8.2.1.光栅标尺 131

8.2.2.莫尔条纹标尺 132

8.2.3.激光扫描测长与图像检测 132

8.3.转速检测 133

8.3.1.离心力检测法 133

8.3.2.光电码盘转速检测法 134

8.3.3.空间滤波器式检测法 135

8.4.力的检测方法 136

8.4.1.金属应变元件 136

8.4.2.半导体应变元件 137

8.4.3.压电效应 138

8.4.4.压敏导电橡胶 138

8.5.加速度与振动检测 139

8.5.1.加速度检测原理 139

8.5.2.动电型振动检测方法 141

8.5.3.微机械加速度传感元件 142

思考题与习题 143

9.成分分析仪表 144

9.1.成分分析方法及分析系统的构成 144

9.1.1.成分分析方法及分类 144

9.1.2.自动分析系统的构成 144

9.2.几种工业用成分分析仪表 145

9.2.1.热导式气体分析器 145

9.2.2.红外线气体分析器 147

9.2.3.氧化锆氧分析器 149

9.2.4.气相色谱仪 151

9.2.5.半导体气敏传感器 154

9.2.6.工业酸度计 158

9.3.湿度的检测 161

9.3.1.湿度的表示方法及湿度检测的特点 161

9.3.2.干湿球湿度计 161

9.3.3.电解质系湿敏传感器 162

9.3.4.陶瓷湿敏传感器 162

9.3.5.高分子聚合物湿敏传感器 163

思考题与习题 164

第三篇 仪表系统分析 165

10.仪表系统及其理论分析 165

10.1.仪表发展概况 165

10.2.常用仪表分类及特性 166

10.2.1.常用仪表分类 166

10.2.2.电动单元组合仪表及DDZ-II型和DDZ-III型仪表比较 168

10.3.仪表输入输出静态特性分析 169

10.3.1.输入输出特性分析 169

10.3.2.仪表特性线性化处理分析 170

10.4.仪表系统建模 171

10.4.1.时域模型 172

10.4.2.频域模型 173

10.4.3.离散模型 174

10.5.仪表系统时域分析 175

10.5.1.时域分析指标 175

10.5.2.阶跃扰动动态特性分析 176

10.5.3.等速扰动动态特性分析 177

10.6.仪表系统频域分析 178

10.6.1.正弦扰动动态特性分析 178

10.6.2.频率响应Bode图分析 179

10.6.3.频带分析 180

10.7.混合仪表系统浅析 181

10.7.1.混合仪表系统建模 182

10.7.2.时域分析 183

10.7.3.频域分析 183

思考题与习题 184

11.变送单元 185

11.1.常用变送器工作原理 185

11.1.1.常用变送器结构分析 185

11.1.2.力矩平衡式原理 186

11.1.3.桥式电路原理 187

11.1.4.差动方式原理 188

11.2.典型差压变送器 189

11.2.1.DDZ-II型差压变送器 189

11.2.2.DDZ-III型差压变送器 191

11.2.3.差动电容式差压变送器 194

11.3.典型温度变送器 196

11.3.1.DDZ-II型温度变送器 196

11.3.2.DDZ-III型温度变送器 199

11.4.新型变送器浅析 203

11.4.1.新型变送器发展趋势 203

11.4.2.微电子式变送器 204

11.4.3.数字式变送器 206

思考题与习题 207

12.显示单元 208

12.1.显示仪表工作原理 208

12.1.1.显示仪表结构分析 208

12.1.2.电位差计式自动平衡原理 209

12.1.3.电桥式自动平衡原理 210

12.1.4.差动变压器式自动平衡原理 210

12.2.传统显示及记录仪表 211

12.2.1.电位差计式自动平衡显示仪表 211

12.2.2.电桥式自动平衡显示仪表 215

12.3.数字式显示及记录仪表分析 220

12.3.1.数字模拟混合记录仪 220

12.3.2.全数字式记录仪 222

12.4.现代显示仪表浅析 223

12.4.1.现代显示义表发展趋势 223

12.4.2.虚拟显示及记录仪表 224

思考题与习题 225

13.调节控制单元 226

13.1.常规控制规律 226

13.1.1.典型控制系统 226

13.1.2.基本控制规律 227

13.1.3.常规控制规律 229

13.1.4.实用PID控制规律的构成 231

13.2.调节器控制规律的实现 235

13.2.1.DDZ-II型调节器PID控制规律的实现 235

13.2.2.DDZ-III型调节器PID控制规律的实现 237

13.2.3.数字式调节器控制规律的实现 242

13.3.常规调节器基本电路分析 245

13.3.1.DDZ-II型调节器基本电路分析 245

13.3.2.DDZ-III型调节器基本电路分析 246

13.3.3.数字式调节器基本电路分析 247

13.4.可编程序调节器 250

13.4.1.可编程序调节器的工作原理 250

13.4.2.程序控制规律的构成和实现 252

13.5.先进调节器浅析 254

13.5.1.增强型PID控制规律分析 254

13.5.2.改进型PID控制算法 256

13.5.3.虚拟调节仪表发展趋势 258

思考题与习题 259

14.执行单元 261

14.1.执行器工作原理 261

14.1.1.执行器分类与比较 261

14.1.2.执行器基本构成及工作原理 262

14.2.气动执行器 262

14.2.1.气动执行器基本构成 262

14.2.2.阀门定位器 264

14.3.电动执行器 265

14.4.调节阀 266

14.4.1.调节阀工作原理 266

14.4.2.调节阀结构及分类 267

14.4.3.调节阀的流量特性 270

14.4.4.调节阀的流量系数 271

思考题与习题 272

第四篇 系统控制技术 273

15.计算机仪表控制系统 273

15.1.仪表控制系统 273

15.1.1.闭环回路控制系统 273

15.1.2.闭环回路连续性分析 274

15.1.3.闭环回路数字化离散分析 275

15.1.4.闭环回路控制系统网络化分析 276

15.2.计算机控制系统 278

15.2.1.计算机控制系统的发展和评价 278

15.2.2.集中控制系统 279

15.2.3.集散控制系统 280

15.2.4.分布式控制系统 281

15.3.计算机控制系统发展趋势 282

15.3.1.控制系统的控制网络化 282

15.3.2.控制系统的系统扁平化 284

思考题与习题 286

16.现场总线控制系统 287

16.1.现场总线控制系统的发展 287

16.1.1.现场总线的产生 287

16.1.2.现场总线系统的发展过程 288

16.1.3.底层总线系统 289

16.1.4.现场总线控制系统特征 290

16.2.主要现场总线系统 291

16.2.1.CAN总线系统 291

16.2.2.LonWorks总线系统 293

16.2.3.ProfiBus总线系统 295

16.2.4.FF总线系统 297

16.3 现场总线控制系统 298

16.3.1.现场总线单元设备 298

16.3.2.现场总线控制系统机构 300

16.3.3.现场总线系统集成与扩展 302

16.4.现场总线控制系统发展趋势 305

16.4.1.控制系统的组织重构化 305

16.4.2.控制系统的工作协调化 306

思考题与习题 307

参考文献 308