熱工測量儀表

1、熱工測量儀表張華 趙文柱編著主講：丁燕鴻課程要求課程要求 本課程應在掌握：熱工儀表基礎知識、掌握測量中溫度、壓力、物位、流量等測量知識及相關儀表（重點）；尤其溫度、壓力測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，并有一定的實際動手調(diào)試維護能力。難點： 1. 測量誤差的表示形式； 2. 誤差產(chǎn)生的原因； 3. 誤差的種類。掌握： 測量的基本概念；誤差分類；儀表的組成及其性能指標；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。了解： 檢測技術與儀表的作用及發(fā)展； 測量的不確定。 1.1 測量的基本知識測量的基本知識 1.1.1測量的概念測量的概念 借助專門

2、工具、通過實驗和對實驗數(shù)據(jù)的分析計算，求得被測的量。比較：將被測量和標準量進行比較。 根據(jù)國際通用計量學基本名詞的推薦“測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測量與檢測的聯(lián)系與區(qū)別 1.1.3測量的意義 測量是按照某種規(guī)律，用數(shù)據(jù)來描述觀察到的現(xiàn)象，即對事物作出量化描述。測量是對非量化實物的量化過程。 著名科學家門捷列夫（俄國）有一句名言：“沒有測量，就沒有科學。” 月日 “世界計量日” 檢測就是去認識 西門子（德國）1.1.4測量的構成要素測量的構成要素 包括（1）測量對象與被測量； （2）測量環(huán)境； （3）測量方法； （4）測量單位；

3、 （5）測量資源； （6）數(shù)據(jù)處理與測量結果例：曹沖稱例：曹沖稱象象方法：方法：?裝置：船、石頭、小秤；裝置：船、石頭、小秤；檢查檢查、測量測量，從而得到：，從而得到：定性定性、定量定量的結果。的結果。 1.2 測量方法測量方法直接測量法、間接測量法、組合測量法 測量方法的分類有許多種，按如何取得測量結果進行分類有： (1）直接測量法，就是將被測量直接與所選用的標準量進行比較，或者用預先標定好的測量儀表進行測量，從而直接得出測量值的方法。如用鋼卷尺測長度，用玻璃管水位計測水位等。 (2) 間接測量法，即利用被測量與某些量有確知的函數(shù)關系，用直接測量法測得這些有關量的數(shù)值，代入已知的函數(shù)關系算出

4、被測量的數(shù)值。例如，通過測量導線電阻、長度以求出電阻率，節(jié)流裝置通過測量差壓、溫度、壓力從而測出流量等。 (3)組合測量法，當被測量與直接測量的一些量不是一個函數(shù)關系，需要求解一個方程組才能取得時即為組合測量。 如測量某電阻的溫度系數(shù)，其電阻值與溫度的關系為： Rt =Ro(l+At+Bt2)， 式中Rt是溫度為toC時電阻的數(shù)值，可以直接測得；溫度t也可直接測得。要取得系數(shù)A和B，需要解一個二元一次方程組。 1.3測量分類測量分類1 靜態(tài)測量和動態(tài)測量；2 等精度測量和不等精度測量；3 電量測量和非電量測量；4 工程測量與精密測量 1.4 測量誤差1.4.1測量誤差的基本概念： 測量所得的值

5、與被測事物的真實值之間的差異。 在實際測量時，無論什么樣的測量儀表，也不論其質(zhì)量多高，它的測量結果與被測量的實際值之間總會存在一定的差值，這個差值就是誤差。誤差的定義：測量結果與被測量真值之間的偏差值。 真值：理論真值：有嚴格定義的理論值；約定真值：常用多次測量的平均值；相對真值：高精度儀表測得的結果。xx1.4.2 測量誤差的分類 根據(jù)測量誤差的性質(zhì)及產(chǎn)生的原因，測量誤差可以分為3大類： A 系統(tǒng)誤差 B 隨機誤差 C 粗大誤差 系統(tǒng)誤差 在同一測量條件下，對同一被測參數(shù)進行多次重復測量，誤差的數(shù)值大小和符號都相同或按照某個確定規(guī)律變化，此種誤差稱為系統(tǒng)誤差。 一般可以通過實驗的方法找到系統(tǒng)

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

7、布 粗大誤差 明顯歪曲了測量結果的異常誤差稱為粗大誤差。含有粗大誤差的測量值屬于錯誤的測量值，一般稱為壞值，正常的測量結果中不應含有壞值，應根據(jù)統(tǒng)計檢驗方法的某些準則判斷哪個測量值是壞值，然后從測量數(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，包括觀測者粗心大意導致操作不當或讀數(shù)錯誤等。另外，測量設備突然出現(xiàn)異?；驕y量條件的突然變化引起儀器產(chǎn)生不易察覺的故障，以及異常的或很大的外界干擾等因數(shù)都可能導致粗大誤差。 一般而言，對于測量結果的處理，首先是判斷并剔除粗大誤差，接下來，研究的誤差項通常只有系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩種，所以在評價測量結果時就常采用系統(tǒng)誤差與隨機誤差來衡量。 1

8、.4.3 誤差的表示方法分為絕對誤差和相對誤差兩種 絕對誤差絕對誤差只能反映誤差的大小，不能反映儀表的準確程度xx相對誤差 有3種表示方法（1）實際相對誤差（2）標稱相對誤差（3）引用相對誤差%100 x實%100 xx標%100FSxxminmaxxxxFS（4）最大引用誤差：也稱為測量系統(tǒng)的基本誤差，所有測量值中最大絕對誤差的絕對值與量程之比的百分數(shù)。%100maxmaxFSxx1.4.4 測量誤差的主要來源 (1)設備誤差計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械性能不完善所產(chǎn)生的誤差。例如，電橋中的標準電阻、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)方法誤差測量方法不完善引起的誤差，又稱為理論誤差。是指由于使用的測量方法不完善、理論依據(jù)不嚴密所產(chǎn)生的誤差，即凡是在測量結果的表達式中沒有得到反映的因素，而實際上這些因素又起作用時所引起的誤差。例如，用標準準孔板測量氣體流量時沒有加上溫壓補償，就會引起測量誤差。 (3)人員誤差測量人員主觀因素和操作技術所引起的誤差。由于人的感覺器官和運動器官的限制所造成的誤差。例如，讀錯刻度、念錯讀數(shù)等。對于某些需借助于人眼、人耳來判斷結果的測量，以及需進行人工調(diào)節(jié)等的測量工作，均會引入人身誤差。 (4)環(huán)境誤差由于實際環(huán)境條件與規(guī)定條件不一致

10、所引起的誤差。又稱為影響誤差，是指由于受到溫度、濕度、氣壓、電磁場、機械振動、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的。 1.5 測量系統(tǒng) 1.5.1 測量系統(tǒng)的組成 傳感器：由敏感元件和轉(zhuǎn)換部分組成。 感受被測的變化并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化成便于傳遞的輸出信號。 變換器：將傳感器傳來的信號經(jīng)過處理，變換顯示儀表所要求的信號。如放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器等。 顯示裝置：對被測參數(shù)指示、記錄 傳送元件：如導線、導管、光導纖維、無線電通信等四、自動檢測系統(tǒng)的組成 不帶微處理器時不帶微處理器時常將傳感器的功能與人類常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：大感覺器官相比擬：光敏傳感器光

11、敏傳感器-視覺視覺; 聲敏傳感器聲敏傳感器-聽覺聽覺;氣敏傳感器氣敏傳感器-嗅覺嗅覺; 化學傳感器化學傳感器-味覺味覺;壓敏、溫敏、流體傳感器壓敏、溫敏、流體傳感器-觸覺觸覺.人體信息測控過程與自動檢測系統(tǒng)的比較人體信息測控過程與自動檢測系統(tǒng)的比較自動檢測系統(tǒng)與自動檢測系統(tǒng)與人體信息測控過人體信息測控過程的比較程的比較人眼人眼傳感傳感器器大腦大腦計算計算機機人手人手執(zhí)行執(zhí)行機構機構傳感器：是指一個能將被測的非電量變換成電量傳感器：是指一個能將被測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：模擬顯示、數(shù)目前常用的顯示

12、器有四類：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特點：直觀、穩(wěn)定，直觀、穩(wěn)定，但但不夠準確。不夠準確。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：特點：直觀直觀101線線/240車用光柱車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液罐直觀地指示出儲液罐中的液位中的液位設定值設定值實際值實際值帶帶RS-232接口（或接口（或USB接口）的萬用表及實接口）的萬用表及實時圖像顯示。時圖像顯示。特點特點 能將測量到能將測量到的波形及數(shù)據(jù)的波形及數(shù)據(jù)存儲到計算機存儲到計算機中，可隨時重中，

13、可隨時重放，價格適中。放，價格適中。記錄儀記錄儀 主要用主要用來記錄被來記錄被檢測對象檢測對象的動態(tài)變的動態(tài)變化過程?；^程。無紙記錄儀（動畫演示）無紙記錄儀（動畫演示） 主要主要用來記錄用來記錄和存儲被和存儲被檢測對象檢測對象的動態(tài)變的動態(tài)變化過程。化過程。 存儲數(shù)存儲數(shù)據(jù)的大小據(jù)的大小由硬盤容由硬盤容量決定。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算機。是指計算機。 例如對振例如對振動進行頻譜動進行頻譜分析等。分析等。 1.5.2 測量系統(tǒng)的基本特性靜態(tài)特性指標 a 準確度及準確度等級 測量準確度：測量結果與真值之間的一致程度 準確度等級：最大引用誤差去掉%

14、后的數(shù)字，即為儀表的準確度等級數(shù)。 準確度等級序列：我國規(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。儀表的準確度等級應該在此序列中選擇。 注意：選擇儀表和檢定儀表時對準確度等級取值的區(qū)別。 b 測量儀表的誤差 （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 測量范圍和量程 測量范圍：被測量可按規(guī)定的準確度進行測量的范圍 量程：測量范圍的上、下限值的代數(shù)差。 儀表量程的選擇：最好使測量值落在量程的2/33/4處。 測量值接近儀表測量上限，儀表容易過載受損；接近測量下限，準確度下降。 d 靈敏度 ：輸

15、入量變化很小時，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是被測量的微小變化。靈敏度是儀表輸出輸入曲線上各點的斜率。 靈敏度越高，測量范圍越小、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)：也稱始動靈敏限，量程零點處能引起輸出量發(fā)生變化的最小輸入量。應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數(shù)表示。 f 線性度：是衡量測量系統(tǒng)實際特性曲線與理想特性曲線之間符合程度的一項指標。用實際特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差值與滿程量輸出值之比

16、來表示。%100maxFSLyL g穩(wěn)定性 系指儀表示值不隨時間和使用條件變化的性能。時間穩(wěn)定性以穩(wěn)定度表示，即示值在一段時間內(nèi)隨機變動量的大小。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表示。 h重復性：是指在相同條件下，重復測量同一個被測量，多次測量所得測量結果之間的一致程度。 i復現(xiàn)性：是指變化條件下，對同一個被測量，多次重復測量其示值不一致的程度。動態(tài)特性 是指儀表示值跟隨被測量隨時間變化的能力，一般用被測量初始值為零作單位階躍變化時，儀表示值隨時間變化所顯示的時間特性來評價。 (1)上升時間：示值從穩(wěn)態(tài)值的5%變到95%所需的時間。 (2)響

17、應時間：示值從開始變化到進入穩(wěn)態(tài)值加減基本允許誤差范圍內(nèi)所需時間。 (3)過沖量：示值最大振幅與穩(wěn)態(tài)值之差對穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)。 研究測量系統(tǒng)的動態(tài)特性必須建立測量系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型。1.6 測量技術的發(fā)展概況測量技術的發(fā)展概況 發(fā)展階段：（a）20世紀50-60年代，儀表化與局部自動化；（一部儀器）（b）20世紀60-70年代，綜合自動化；（一個車間）（c）20世紀70年代中期至今，全盤自動化。（一個工廠） （d）以后計算機得到了廣泛應用，傳感器由集成化、智能化方向開始發(fā)展。 顯示方式：模擬、數(shù)字、圖形、記錄儀等。 發(fā)展趨勢：新技術、新材料以及組合化和智能化4個方面。（1）在研究物理化學效應應用技術以及信號處理技術的基礎上研制新型傳感器；（2）采用新材料、新工藝的基礎上開發(fā)新型傳感器；（3）研究傳感器組合技術