熱工測(cè)量?jī)x表

1、熱工測(cè)量?jī)x表張華 趙文柱編著主講：丁燕鴻課程要求課程要求 本課程應(yīng)在掌握：熱工儀表基礎(chǔ)知識(shí)、掌握測(cè)量中溫度、壓力、物位、流量等測(cè)量知識(shí)及相關(guān)儀表（重點(diǎn)）；尤其溫度、壓力測(cè)量原理與儀器裝置的使用；熟悉熱工顯示儀表及儀表裝置的安裝與故障維修知識(shí)，并有一定的實(shí)際動(dòng)手調(diào)試維護(hù)能力。難點(diǎn)： 1. 測(cè)量誤差的表示形式； 2. 誤差產(chǎn)生的原因； 3. 誤差的種類(lèi)。掌握： 測(cè)量的基本概念；誤差分類(lèi)；儀表的組成及其性能指標(biāo)；儀表的基本誤差和允許誤差；儀表的引用誤差；儀表的精度等級(jí)。了解： 檢測(cè)技術(shù)與儀表的作用及發(fā)展； 測(cè)量的不確定。 1.1 測(cè)量的基本知識(shí)測(cè)量的基本知識(shí) 1.1.1測(cè)量的概念測(cè)量的概念 借助專(zhuān)門(mén)

2、工具、通過(guò)實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，求得被測(cè)的量。比較：將被測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較。 根據(jù)國(guó)際通用計(jì)量學(xué)基本名詞的推薦“測(cè)量是以確定量值為目的的一組操作”。這里的量值均指物理量而言。第第1章章 緒論緒論 1.1.2測(cè)量與檢測(cè)的聯(lián)系與區(qū)別 1.1.3測(cè)量的意義 測(cè)量是按照某種規(guī)律，用數(shù)據(jù)來(lái)描述觀察到的現(xiàn)象，即對(duì)事物作出量化描述。測(cè)量是對(duì)非量化實(shí)物的量化過(guò)程。 著名科學(xué)家門(mén)捷列夫（俄國(guó)）有一句名言：“沒(méi)有測(cè)量，就沒(méi)有科學(xué)?！?月日 “世界計(jì)量日” 檢測(cè)就是去認(rèn)識(shí) 西門(mén)子（德國(guó)）1.1.4測(cè)量的構(gòu)成要素測(cè)量的構(gòu)成要素 包括（1）測(cè)量對(duì)象與被測(cè)量； （2）測(cè)量環(huán)境； （3）測(cè)量方法； （4）測(cè)量單位；

3、 （5）測(cè)量資源； （6）數(shù)據(jù)處理與測(cè)量結(jié)果例：曹沖稱(chēng)例：曹沖稱(chēng)象象方法：方法：?裝置：船、石頭、小秤；裝置：船、石頭、小秤；檢查檢查、測(cè)量測(cè)量，從而得到：，從而得到：定性定性、定量定量的結(jié)果。的結(jié)果。 1.2 測(cè)量方法測(cè)量方法直接測(cè)量法、間接測(cè)量法、組合測(cè)量法 測(cè)量方法的分類(lèi)有許多種，按如何取得測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)有： (1）直接測(cè)量法，就是將被測(cè)量直接與所選用的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，或者用預(yù)先標(biāo)定好的測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量，從而直接得出測(cè)量值的方法。如用鋼卷尺測(cè)長(zhǎng)度，用玻璃管水位計(jì)測(cè)水位等。 (2) 間接測(cè)量法，即利用被測(cè)量與某些量有確知的函數(shù)關(guān)系，用直接測(cè)量法測(cè)得這些有關(guān)量的數(shù)值，代入已知的函數(shù)關(guān)系算出

4、被測(cè)量的數(shù)值。例如，通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線電阻、長(zhǎng)度以求出電阻率，節(jié)流裝置通過(guò)測(cè)量差壓、溫度、壓力從而測(cè)出流量等。 (3)組合測(cè)量法，當(dāng)被測(cè)量與直接測(cè)量的一些量不是一個(gè)函數(shù)關(guān)系，需要求解一個(gè)方程組才能取得時(shí)即為組合測(cè)量。 如測(cè)量某電阻的溫度系數(shù)，其電阻值與溫度的關(guān)系為： Rt =Ro(l+At+Bt2)， 式中Rt是溫度為toC時(shí)電阻的數(shù)值，可以直接測(cè)得；溫度t也可直接測(cè)得。要取得系數(shù)A和B，需要解一個(gè)二元一次方程組。 1.3測(cè)量分類(lèi)測(cè)量分類(lèi)1 靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量；2 等精度測(cè)量和不等精度測(cè)量；3 電量測(cè)量和非電量測(cè)量；4 工程測(cè)量與精密測(cè)量 1.4 測(cè)量誤差1.4.1測(cè)量誤差的基本概念： 測(cè)量所得的值

5、與被測(cè)事物的真實(shí)值之間的差異。 在實(shí)際測(cè)量時(shí)，無(wú)論什么樣的測(cè)量?jī)x表，也不論其質(zhì)量多高，它的測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的實(shí)際值之間總會(huì)存在一定的差值，這個(gè)差值就是誤差。誤差的定義：測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值之間的偏差值。 真值：理論真值：有嚴(yán)格定義的理論值；約定真值：常用多次測(cè)量的平均值；相對(duì)真值：高精度儀表測(cè)得的結(jié)果。xx1.4.2 測(cè)量誤差的分類(lèi) 根據(jù)測(cè)量誤差的性質(zhì)及產(chǎn)生的原因，測(cè)量誤差可以分為3大類(lèi)： A 系統(tǒng)誤差 B 隨機(jī)誤差 C 粗大誤差 系統(tǒng)誤差 在同一測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，誤差的數(shù)值大小和符號(hào)都相同或按照某個(gè)確定規(guī)律變化，此種誤差稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。 一般可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法找到系統(tǒng)

6、誤差的變化規(guī)律及產(chǎn)生的原因，并對(duì)測(cè)量結(jié)果加以修正，或者采取一定的措施，如改善測(cè)量條件和改進(jìn)測(cè)量方法等，使系統(tǒng)誤差減小或消除，從而得到更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。 隨機(jī)誤差 在同一測(cè)量條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量時(shí)，誤差的數(shù)值大小在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化，符號(hào)的變化也不可預(yù)見(jiàn)，這就稱(chēng)為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差也叫偶然誤差。 隨機(jī)誤差是由于測(cè)量過(guò)程中許多獨(dú)立的、微小的偶然因素(如儀器儀表中傳動(dòng)部件的間隙和摩擦，振動(dòng)或沖擊等干擾、溫度或濕度變化干擾、交流電源或電磁場(chǎng)變化等)所引起的綜合結(jié)果，表現(xiàn)為具有隨機(jī)性，隨機(jī)誤差使得測(cè)量數(shù)據(jù)存在分散性。大多數(shù)情況下，隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)特性服從正態(tài)分布，另外還有三角分布、梯形分布、均勻分

7、布 粗大誤差 明顯歪曲了測(cè)量結(jié)果的異常誤差稱(chēng)為粗大誤差。含有粗大誤差的測(cè)量值屬于錯(cuò)誤的測(cè)量值，一般稱(chēng)為壞值，正常的測(cè)量結(jié)果中不應(yīng)含有壞值，應(yīng)根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的某些準(zhǔn)則判斷哪個(gè)測(cè)量值是壞值，然后從測(cè)量數(shù)據(jù)組中加以剔除。 粗大誤差產(chǎn)生的原因可能是由于人為的操作失誤，包括觀測(cè)者粗心大意導(dǎo)致操作不當(dāng)或讀數(shù)錯(cuò)誤等。另外，測(cè)量設(shè)備突然出現(xiàn)異?；驕y(cè)量條件的突然變化引起儀器產(chǎn)生不易察覺(jué)的故障，以及異常的或很大的外界干擾等因數(shù)都可能導(dǎo)致粗大誤差。 一般而言，對(duì)于測(cè)量結(jié)果的處理，首先是判斷并剔除粗大誤差，接下來(lái)，研究的誤差項(xiàng)通常只有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩種，所以在評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果時(shí)就常采用系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差來(lái)衡量。 1

8、.4.3 誤差的表示方法分為絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差兩種 絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差只能反映誤差的大小，不能反映儀表的準(zhǔn)確程度xx相對(duì)誤差 有3種表示方法（1）實(shí)際相對(duì)誤差（2）標(biāo)稱(chēng)相對(duì)誤差（3）引用相對(duì)誤差%100 x實(shí)%100 xx標(biāo)%100FSxxminmaxxxxFS（4）最大引用誤差：也稱(chēng)為測(cè)量系統(tǒng)的基本誤差，所有測(cè)量值中最大絕對(duì)誤差的絕對(duì)值與量程之比的百分?jǐn)?shù)。%100maxmaxFSxx1.4.4 測(cè)量誤差的主要來(lái)源 (1)設(shè)備誤差計(jì)量器具本身所具有的誤差。由儀器、儀表本身及其附件所引入，出于儀器的電氣或機(jī)械性能不完善所產(chǎn)生的誤差。例如，電橋中的標(biāo)準(zhǔn)電阻、示波器的探極線等都含有誤差。儀器、儀表的零

9、位偏移，刻度不準(zhǔn)確，以及非線性等引起的誤差均屬于儀器誤差。 (2)方法誤差測(cè)量方法不完善引起的誤差，又稱(chēng)為理論誤差。是指由于使用的測(cè)量方法不完善、理論依據(jù)不嚴(yán)密所產(chǎn)生的誤差，即凡是在測(cè)量結(jié)果的表達(dá)式中沒(méi)有得到反映的因素，而實(shí)際上這些因素又起作用時(shí)所引起的誤差。例如，用標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)孔板測(cè)量氣體流量時(shí)沒(méi)有加上溫壓補(bǔ)償，就會(huì)引起測(cè)量誤差。 (3)人員誤差測(cè)量人員主觀因素和操作技術(shù)所引起的誤差。由于人的感覺(jué)器官和運(yùn)動(dòng)器官的限制所造成的誤差。例如，讀錯(cuò)刻度、念錯(cuò)讀數(shù)等。對(duì)于某些需借助于人眼、人耳來(lái)判斷結(jié)果的測(cè)量，以及需進(jìn)行人工調(diào)節(jié)等的測(cè)量工作，均會(huì)引入人身誤差。 (4)環(huán)境誤差由于實(shí)際環(huán)境條件與規(guī)定條件不一致

10、所引起的誤差。又稱(chēng)為影響誤差，是指由于受到溫度、濕度、氣壓、電磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)、聲音、光、放射性等影響所造成的附加誤差。其中溫度影響是最見(jiàn)的。 1.5 測(cè)量系統(tǒng) 1.5.1 測(cè)量系統(tǒng)的組成 傳感器：由敏感元件和轉(zhuǎn)換部分組成。 感受被測(cè)的變化并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成便于傳遞的輸出信號(hào)。 變換器：將傳感器傳來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，變換顯示儀表所要求的信號(hào)。如放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器等。 顯示裝置：對(duì)被測(cè)參數(shù)指示、記錄 傳送元件：如導(dǎo)線、導(dǎo)管、光導(dǎo)纖維、無(wú)線電通信等四、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 不帶微處理器時(shí)不帶微處理器時(shí)常將傳感器的功能與人類(lèi)常將傳感器的功能與人類(lèi)5大感覺(jué)器官相比擬：大感覺(jué)器官相比擬：光敏傳感器光

11、敏傳感器-視覺(jué)視覺(jué); 聲敏傳感器聲敏傳感器-聽(tīng)覺(jué)聽(tīng)覺(jué);氣敏傳感器氣敏傳感器-嗅覺(jué)嗅覺(jué); 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器-味覺(jué)味覺(jué);壓敏、溫敏、流體傳感器壓敏、溫敏、流體傳感器-觸覺(jué)觸覺(jué).人體信息測(cè)控過(guò)程與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的比較人體信息測(cè)控過(guò)程與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的比較自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與人體信息測(cè)控過(guò)人體信息測(cè)控過(guò)程的比較程的比較人眼人眼傳感傳感器器大腦大腦計(jì)算計(jì)算機(jī)機(jī)人手人手執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)傳感器：是指一個(gè)能將被測(cè)的非電量變換成電量傳感器：是指一個(gè)能將被測(cè)的非電量變換成電量的器件。的器件。 能將溫度轉(zhuǎn)換為電壓的傳感器能將溫度轉(zhuǎn)換為電壓的傳感器熱電偶熱電偶目前常用的顯示器有四類(lèi)：模擬顯示、數(shù)目前常用的顯示

12、器有四類(lèi)：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀等字顯示、圖象顯示及記錄儀等 模擬顯示的模擬顯示的特點(diǎn)特點(diǎn)：直觀、穩(wěn)定，直觀、穩(wěn)定，但但不夠準(zhǔn)確。不夠準(zhǔn)確。光柱也屬于模擬顯示光柱也屬于模擬顯示光柱顯示的光柱顯示的特點(diǎn)：特點(diǎn)：直觀直觀101線線/240車(chē)用光柱車(chē)用光柱儀表顯示儀表顯示既能顯示光柱，也有數(shù)字顯示既能顯示光柱，也有數(shù)字顯示直觀地指示出儲(chǔ)液罐直觀地指示出儲(chǔ)液罐中的液位中的液位設(shè)定值設(shè)定值實(shí)際值實(shí)際值帶帶RS-232接口（或接口（或USB接口）的萬(wàn)用表及實(shí)接口）的萬(wàn)用表及實(shí)時(shí)圖像顯示。時(shí)圖像顯示。特點(diǎn)特點(diǎn) 能將測(cè)量到能將測(cè)量到的波形及數(shù)據(jù)的波形及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，可隨時(shí)重中，

13、可隨時(shí)重放，價(jià)格適中。放，價(jià)格適中。記錄儀記錄儀 主要用主要用來(lái)記錄被來(lái)記錄被檢測(cè)對(duì)象檢測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程?；^(guò)程。無(wú)紙記錄儀（動(dòng)畫(huà)演示）無(wú)紙記錄儀（動(dòng)畫(huà)演示） 主要主要用來(lái)記錄用來(lái)記錄和存儲(chǔ)被和存儲(chǔ)被檢測(cè)對(duì)象檢測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程?；^(guò)程。 存儲(chǔ)數(shù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的大小據(jù)的大小由硬盤(pán)容由硬盤(pán)容量決定。量決定。數(shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置 數(shù)據(jù)處數(shù)據(jù)處理裝置理裝置主要主要是指計(jì)算機(jī)。是指計(jì)算機(jī)。 例如對(duì)振例如對(duì)振動(dòng)進(jìn)行頻譜動(dòng)進(jìn)行頻譜分析等。分析等。 1.5.2 測(cè)量系統(tǒng)的基本特性靜態(tài)特性指標(biāo) a 準(zhǔn)確度及準(zhǔn)確度等級(jí) 測(cè)量準(zhǔn)確度：測(cè)量結(jié)果與真值之間的一致程度 準(zhǔn)確度等級(jí)：最大引用誤差去掉%

14、后的數(shù)字，即為儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)數(shù)。 準(zhǔn)確度等級(jí)序列：我國(guó)規(guī)定為：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0。儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)該在此序列中選擇。 注意：選擇儀表和檢定儀表時(shí)對(duì)準(zhǔn)確度等級(jí)取值的區(qū)別。 b 測(cè)量?jī)x表的誤差 （1）示值誤差：儀表示值與真值之差 （2）最大允許誤差（容許誤差） c 測(cè)量范圍和量程 測(cè)量范圍：被測(cè)量可按規(guī)定的準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)量的范圍 量程：測(cè)量范圍的上、下限值的代數(shù)差。 儀表量程的選擇：最好使測(cè)量值落在量程的2/33/4處。 測(cè)量值接近儀表測(cè)量上限，儀表容易過(guò)載受損；接近測(cè)量下限，準(zhǔn)確度下降。 d 靈敏度 ：輸

15、入量變化很小時(shí)，輸出量變化與輸入量變化之比式中dy是儀表示值的微小變化；dx是被測(cè)量的微小變化。靈敏度是儀表輸出輸入曲線上各點(diǎn)的斜率。 靈敏度越高，測(cè)量范圍越小、穩(wěn)定性越差 分辨力：指能夠引起輸出量發(fā)生變化的輸入量的最小變化量。 死區(qū)：也稱(chēng)始動(dòng)靈敏限，量程零點(diǎn)處能引起輸出量發(fā)生變化的最小輸入量。應(yīng)小于儀表最小刻度的1/2。dxdyxyS lim e遲滯誤差（變差）是指儀表正向特性與反向特性不一致的程度，以正、反向特性之差的最大者與儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)表示。 f 線性度：是衡量測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際特性曲線與理想特性曲線之間符合程度的一項(xiàng)指標(biāo)。用實(shí)際特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差值與滿(mǎn)程量輸出值之比

16、來(lái)表示。%100maxFSLyL g穩(wěn)定性 系指儀表示值不隨時(shí)間和使用條件變化的性能。時(shí)間穩(wěn)定性以穩(wěn)定度表示，即示值在一段時(shí)間內(nèi)隨機(jī)變動(dòng)量的大小。使用條件變化的影響用影響誤差表示。如環(huán)境溫度的影響，是以溫度每變化一度示值變化多少來(lái)表示。 h重復(fù)性：是指在相同條件下，重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量，多次測(cè)量所得測(cè)量結(jié)果之間的一致程度。 i復(fù)現(xiàn)性：是指變化條件下，對(duì)同一個(gè)被測(cè)量，多次重復(fù)測(cè)量其示值不一致的程度。動(dòng)態(tài)特性 是指儀表示值跟隨被測(cè)量隨時(shí)間變化的能力，一般用被測(cè)量初始值為零作單位階躍變化時(shí)，儀表示值隨時(shí)間變化所顯示的時(shí)間特性來(lái)評(píng)價(jià)。 (1)上升時(shí)間：示值從穩(wěn)態(tài)值的5%變到95%所需的時(shí)間。 (2)響

17、應(yīng)時(shí)間：示值從開(kāi)始變化到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值加減基本允許誤差范圍內(nèi)所需時(shí)間。 (3)過(guò)沖量：示值最大振幅與穩(wěn)態(tài)值之差對(duì)穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)。 研究測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性必須建立測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。1.6 測(cè)量技術(shù)的發(fā)展概況測(cè)量技術(shù)的發(fā)展概況 發(fā)展階段：（a）20世紀(jì)50-60年代，儀表化與局部自動(dòng)化；（一部?jī)x器）（b）20世紀(jì)60-70年代，綜合自動(dòng)化；（一個(gè)車(chē)間）（c）20世紀(jì)70年代中期至今，全盤(pán)自動(dòng)化。（一個(gè)工廠） （d）以后計(jì)算機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，傳感器由集成化、智能化方向開(kāi)始發(fā)展。 顯示方式：模擬、數(shù)字、圖形、記錄儀等。 發(fā)展趨勢(shì)：新技術(shù)、新材料以及組合化和智能化4個(gè)方面。（1）在研究物理化學(xué)效應(yīng)應(yīng)用技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)上研制新型傳感器；（2）采用新材料、新工藝的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新型傳感器；（3）研究傳感器組合技術(shù)，