柴油機測試技術(shù)課件

船舶柴油機測試技術(shù)1—測量和誤差分析二溫度檢測三壓力檢測四流量檢測五液位檢測六轉(zhuǎn)速、功率和扭矩檢測七排氣成分及煙度的檢測第一章 測量和誤差分析2一、測量概述二、測量儀器的主要性能指標(biāo)三、測量誤差與測量精度四、測量數(shù)據(jù)的表示方法第一節(jié) 測量概述一、測量1、基本概念：測量是人們借助于專門設(shè)備，通過實驗手段對客觀事物的量獲取數(shù)值的認(rèn)識過程,包括測量的誤差分析和數(shù)據(jù)處理等.測量可用下式表述：-未知物理量;-測量單位;-未知物理量的數(shù)值在實踐中,往往需要知道某個物理量在某一時刻數(shù)值的大小,因而必須對它進(jìn)行檢測,所需檢測的物理量稱為被測參數(shù)或被測量。32、主要研究內(nèi)容測量原理、測量方法、測量系統(tǒng)、測量數(shù)據(jù)處理。3、在輪機工程中的應(yīng)用過程監(jiān)測：對過程參數(shù)的監(jiān)測.例如,為了船舶安全、經(jīng)濟地航行,對船舶動力裝置運行過程中的參數(shù)(如排氣溫度、冷卻水溫度、滑油壓力、轉(zhuǎn)速、氣缸壓力)進(jìn)行間歇或連續(xù)的測量.過程控制：在自動控制系統(tǒng)中,測量環(huán)節(jié)是控制量輸出的依據(jù).

(如為控制燃油以規(guī)定的粘度(12~25cSt)噴入燃燒室,測量燃油單元中黏度控制器內(nèi)燃油的溫度).44、柴油機被測參數(shù):溫度、壓力、流量(耗量)、液位、轉(zhuǎn)速、扭矩、排氣成分、振動、噪聲等。靜態(tài)參數(shù)被測參數(shù)在整個測量過程中的數(shù)值大小不隨時間變化。如：大氣壓力、穩(wěn)定工況下的轉(zhuǎn)速及排氣溫度等。動態(tài)參數(shù)被測參數(shù)在整個測量過程中的數(shù)值大小隨時間變化。如：過渡工況下的轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)壓力、振動等。這些參數(shù)可以是周期信號，也可以是隨機信號(每次測量結(jié)果都不相同,更不能預(yù)測，但多次測量結(jié)果具有共同的統(tǒng)計特性，可用概率統(tǒng)計特性來描述).5二、測量方法按測量結(jié)果產(chǎn)生的方式把測量方法分為：直接測量法、間接測量法、組合測量法。直接測量法:被測量的數(shù)值可直接從測量儀表獲取。如：水銀溫度計測溫度，彈簧管壓力表測量壓力。間接測量法:被測量的數(shù)值不能夠直接從測量儀表讀得,而是對與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的量進(jìn)行直接測量，然后通過公式運算求得被測量。如柴油機有效輸出功率：63）組合測量法利用直接測量和間接測量的數(shù)據(jù)求得被測量的方法.在組合測量中,未知量與已知量存在已知的函數(shù)關(guān)系,如：鉑電阻測溫時,電阻值與溫度關(guān)系:為確定鉑電阻的溫度系數(shù),首先需測得不同溫度下的電阻值,再解聯(lián)立方程組,得到a、b數(shù)值.7三、測量系統(tǒng)為了測得某一被測物理量的值,總要使用若干個測量設(shè)備,并把它們按一定的方式組合起來。例如,測量水的流量,常用標(biāo)準(zhǔn)孔板獲得與流量有關(guān)的差壓信號,然后將差壓信號輸人差壓流量變送器,經(jīng)過轉(zhuǎn)換、運算,變成電信號,再通過連接導(dǎo)線將電信號傳送到顯示儀表,顯示出被測流量值。為實現(xiàn)一定的測量目的而將測量設(shè)備進(jìn)行的組合稱為測量系統(tǒng)。如果脫離開具體的物理系統(tǒng),任何一個測量系統(tǒng)都是由有限個具有一定基本功能的測量環(huán)節(jié)組成的。所謂測量環(huán)節(jié)是指建立輸入和輸出兩種物理量之間某種函數(shù)關(guān)系的一個基本部件。8一般測量系統(tǒng)由四種基本環(huán)節(jié)組成:傳感器、信號變換與調(diào)理元件、顯示元件、傳送元件。1、傳感器直接與被測對象發(fā)生聯(lián)系,感知被測參數(shù)的變化,同時對外界發(fā)出相應(yīng)的信號。須滿足如下要求:僅隨被測參數(shù)的變化而變化,不受其它非被測參數(shù)的干擾；它的輸出信號與被測參數(shù)之間呈單值函數(shù)關(guān)系；

測量過程中傳感器應(yīng)不干擾或盡量少干擾被測介質(zhì)的狀態(tài)。信號變換與調(diào)理傳感器被測量(非電量)顯示或記錄電信號92、信號變換與調(diào)理元件實現(xiàn)傳感器輸入信號的再轉(zhuǎn)換、放大或衰減、調(diào)制或解調(diào)、阻抗變換及運算等處理，使之成為便于顯示、記錄和控制的有用信號。如電橋電路、高阻抗輸入電路、集成放大電路、振蕩和脈沖調(diào)寬電路。要求：性能穩(wěn)定、精確度高、信息損失最小。103、顯示元件直接與觀測者發(fā)生聯(lián)系,把信號不失真地顯示出來，可以進(jìn)行記錄。三種基本形式：

1）模擬式顯示元件常見結(jié)構(gòu)是以指示器與標(biāo)尺的相對位置來連續(xù)指示被測參數(shù)的值。記錄時，以曲線形式給出數(shù)據(jù)。如示波器、波形記錄儀等。結(jié)構(gòu)簡單、價格低、易產(chǎn)生視差。數(shù)字式顯示元件直接以數(shù)字形式給出被測參數(shù)的值，不會產(chǎn)生視差。但直觀性差、且有量化誤差。記錄時可打印輸出數(shù)據(jù)。屏幕顯示元件既可模擬顯示，也可數(shù)字顯示，便于比較判斷。114、傳送元件建立各測量環(huán)節(jié)輸入、輸出信號之間的聯(lián)系。傳送元件可比較簡單,也可相當(dāng)復(fù)雜。導(dǎo)線、導(dǎo)管、光導(dǎo)纖維、無線電通信,都可作為傳送元件的形式。傳送元件一般較簡單,容易被忽視。實際上,由于傳送元件選擇不當(dāng)或安排不周,往往會造成信息能量損失信號波形失真、引入干擾,使測量精度下降。如壓力測量,導(dǎo)壓管過長使傳遞信號受阻,產(chǎn)生傳輸遲延,影響動態(tài)壓力測量精度。上述測量系統(tǒng)各組成部分的功能描述并不是唯一的,關(guān)鍵在于弄清它們在系統(tǒng)中的作用,同一元件在不同場合下可能使用不同的名稱.12第2節(jié) 測量儀器的主要性能指標(biāo)測量儀器的性能質(zhì)量很大程度上決定著測量結(jié)果的可靠程度。 分為:靜態(tài)特性、動態(tài)特性。一)靜態(tài)特性指當(dāng)輸入信號不隨時間變化(常量)時,其輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系。主要指標(biāo)：1、測量范圍2、靈敏度3、分辨率4、線性度5、遲滯6、零漂131、測量范圍測量系統(tǒng)所能測量的最小輸入量(下限)至最大輸入量(上限)之間的范圍。測量上限與下限代數(shù)差的絕對值稱為儀器的量程。如溫度計,測量范圍-200℃~+800℃,量程1000℃被測量最好落在系統(tǒng)量程的2/3～3/4處。量程太小則過載，太大則精度下降。142、靈敏度S：輸出信號的變化量與相應(yīng)的輸入信號變化量的比值。對于線性系統(tǒng),輸出量與輸入量的關(guān)系是直線,靈敏度就是直線的斜率。對于非線性系統(tǒng)，靈敏度隨輸入量而變化。靈敏度是一個有因次的量,如壓力傳感器,輸入量的單位是壓力單位(MPa),輸出量的單位是電壓單位(mv), 則靈敏度單位是mv

/MPa。153、分辨率：指儀表能測量到最小輸入量變化的能力,即能引起輸出量發(fā)生變化的最小輸入變化量,用 表示。由于儀表在全量程范圍內(nèi),各測量區(qū)間的 不完全相同,常用全量程范圍內(nèi)最大的 與滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)表示其分辨能力,稱為分辨率,用F表示,164、線性度(非線性誤差)：理想測量系統(tǒng)的輸入－輸出關(guān)系應(yīng)該是線性的,而實際測量系統(tǒng)并非如此.線性度是衡量測量系統(tǒng)的實際特性曲線與理想特性曲線之間符合程度.通常用儀表在全量程范圍內(nèi)的實際特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差與滿量程輸出值的百分比來表示.用 表示，顯然, 越小,系統(tǒng)線性度越好。17輸入輸出滿量程輸出滯后差5、遲滯：正行程：儀表的輸入從量程下限增至上限的測量過程.反行程：儀表的輸入從量程上限減至下限的測量過程.理想測量系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系應(yīng)該是單值的,但實際測量中對于同一輸入量,在正、反行程其輸出量往往不相等,稱為遲滯。遲滯差值：同一輸入量時,在正、反行程造成輸出量的差值。遲滯是由于儀表內(nèi)部的摩擦力、間隙、機械材料、電氣元件的滯后特性造成的。186、零漂表示傳感器在零輸入的狀態(tài)下,輸出值的漂移.一般分為時間零漂(時漂),溫度漂移(溫漂)：時間零漂（時漂）一般指在規(guī)定時間內(nèi),在室溫不變的條件下零輸出的變化。對于有源的傳感器,則是在標(biāo)準(zhǔn)的電源條件下,零輸出的變化情況。溫度漂移（溫漂）大多傳感器在溫度變化時特性會有所變化。一般用零點溫漂和靈敏度溫漂來表示這種變化的程度,即溫度每變化1℃,零點輸出(或靈敏度)的變化值?？捎米兓当旧?或用變化值與滿量程輸出之比來表示。19二)動態(tài)特性當(dāng)輸入隨時間變化時,輸出與輸入之間的關(guān)系。由于儀表的慣性和阻尼,使得輸入與輸出不完全一致,兩者的差異稱為動態(tài)誤差。如存在振幅誤差和相位差。根據(jù)輸入信號的不同形式，動態(tài)特性有以下幾種：1、階躍響應(yīng)特性:輸入為階躍信號時, 對應(yīng)的輸出特性稱階躍響應(yīng)特性。當(dāng)輸入在某時刻突然階躍到另一穩(wěn)定狀態(tài),輸出經(jīng)過一段時間后才能達(dá)到輸入對應(yīng)值。響應(yīng)狀態(tài)三種情況:周期性阻尼波動:輸出以衰減波動狀態(tài)趨于輸入,相當(dāng)于欠阻尼情況無波動緩慢趨于輸入量: 相當(dāng)于過阻尼情況無波動快速趨于輸入量: 相當(dāng)于臨界阻尼情況

202、頻率響應(yīng)特性:輸入為余弦信號,輸出在開始階段(過渡響應(yīng)階段)不是余弦信號,過渡響應(yīng)部分隨著時間而衰減、消失,在某一時刻進(jìn)入穩(wěn)態(tài)響應(yīng)階段,此時輸出是余弦信號。頻率響應(yīng)研究在穩(wěn)態(tài)階段的輸出與輸入間的關(guān)系。當(dāng)輸入信號振幅一定時，輸出信號振幅和相位差都隨頻率而變化。將(輸出與輸入)振幅比和相位差隨頻率的變化規(guī)律稱為頻率響應(yīng)。21第三節(jié) 測量誤差與測量精度一、真值與測量值某一時刻,某一物理量客觀存在的量值,稱為真值,用 表示。真值是未知量，測量目的是得到真值.通過測量儀器對該物理量檢測得到的結(jié)果稱為測量值,用 表示。受測量方法、測量者、儀器、測試人員和環(huán)境條件等影響,實際上真值是難以測量到的,真值是純理論上的定義值。22二、誤差產(chǎn)生的主要因素

1)設(shè)備誤差：由于儀器本身性能不完善所產(chǎn)生的測量誤差.(精度、特性、安裝、磨損等,誤差的有一定規(guī)律）方法誤差：測量方法或計算方法不完善所產(chǎn)生的測量誤差。人為誤差:測量者本身因素所帶來的測量誤差.(先天缺陷、心理狀態(tài)、觀察位置等）4）環(huán)境誤差:當(dāng)儀表使用時的實際環(huán)境條件與說明書給定的環(huán)境條件(壓力、溫度、濕度、振動、電磁場情況、電源電壓)不符時,會產(chǎn)生誤差。由于測量誤差與儀表的環(huán)境條件密切相關(guān),記錄測量結(jié)果時,要記錄環(huán)境條件。23三、誤差的分類按誤差的性質(zhì)進(jìn)行分類：1)系統(tǒng)誤差：誤差的量值是恒定的或按一定的規(guī)律變化的誤差。前者稱為恒值系統(tǒng)誤差，后者稱為變值系統(tǒng)誤差。例如游標(biāo)卡尺的測量頭磨損,會使測量值始終偏小,存在著一個負(fù)的數(shù)值不變的誤差。系統(tǒng)誤差的大小表明測量值偏離真值的程度。在誤差理論中,通常用“準(zhǔn)確度”一詞來表述。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因往往是可知的,其處理多屬測量技術(shù)上的問題,可通過實驗的方法加以消除,或通過引入修正值的方法加以修正。242)隨機誤差(偶然誤差):相同條件,同一被測量重復(fù)測量時,即使系統(tǒng)誤差被消除或修正后,每次的測量結(jié)果仍隨機變化(變化量相當(dāng)小)。隨機誤差的產(chǎn)生取決于測量中隨機因素的影響。隨機誤差就個體而言是無規(guī)律的,不能通過實驗的方法消除,但在等精度條件下,只要測量次數(shù)足夠多,總體上服從一定的統(tǒng)計規(guī)律,可以從理論上估計隨機誤差對測量結(jié)果的影響。隨機誤差的大小,表明了測量結(jié)果的分散程度。在誤差理論中,常用“精密度”一詞來表征。253)粗大誤差(過失誤差):測量者在測量中的過失而產(chǎn)生顯然與事實不符的誤差。它具有明顯的不合理性,這主要是由于測量人員的粗心大意引起的,該測量值必須剔除。誤差處理：對于系統(tǒng)誤差,校準(zhǔn)儀表、或引入更正值；對于隨機誤差,多次測量,求取平均值；對于粗大誤差數(shù)據(jù),剔除之。26四、測量誤差的表示絕對誤差、相對誤差、引用誤差1、絕對誤差:測量值與被測量的真值之差。它表示誤差在數(shù)值上的大小。實際應(yīng)用中,由于真值一般是未知的,通常用高一級儀器的測量值 來代替

。特點：與被測量具有同一量綱,其數(shù)值大小與所取的單位有關(guān).能反映誤差的大小和方向.當(dāng)被測量大小不同時,不能確切反映測量的精確程度.272、相對誤差:絕對誤差與真值的比值。以百分比表示。特點：是一個比值,其大小與被測量所取的單位無關(guān).能反映誤差的大小和方向.能夠確卻的反映測量的精確程度.對于相同的被測量,用絕對誤差評價測量精度；對于不同的被測量,用相對誤差評價測量精度.283、引用誤差:同一儀表,測量不同大小的被測量,其絕對誤差變化不大,但相對誤差卻有很大變化.測量值越小,相對誤差越大.一般用引用誤差來表示儀表的準(zhǔn)確性能.引用誤差：絕對誤差與儀表量限(滿刻度值)的百分比.引用誤差實際就是儀表最大讀數(shù)時的相對誤差,也稱為滿刻度相對誤差.特點：是一個比值，其大小與被測量所取單位無關(guān).只與儀器量程的滿度值（測量上限）有關(guān),而與被測量的大小無關(guān).29當(dāng)絕對誤差取最大值時,引用誤差為儀表的最大引用誤差。通常按最大引用誤差劃分儀表精確度等級.工程用儀器為0.5~4級,實驗室用儀器為0.2~0.5級.30[例]用精度1.5級,量限為20MPa的壓力表甲和精度0.4級,量限為100MPa的壓力表乙分別測量某壓力,讀數(shù)皆為

10MPa,試比較兩次測量結(jié)果的準(zhǔn)確性.[解]甲表的最大絕對誤差:最大相對誤差:乙表的最大絕對誤差:最大相對誤差:儀表乙的精度雖高,但測量誤差反而大(因為儀表精度一定時,量限越大的儀表最大絕對誤差越大).因此,選儀表時應(yīng)根據(jù)被測量的大小、兼顧精度等級和量程，通常要求儀表工作在滿量程的2/3區(qū)域.31第四節(jié)

測量數(shù)據(jù)的表示32一、有效數(shù)字

1、基本概念有效數(shù)字和誤差是兩個不同的概念,兩者密切聯(lián)系.有效數(shù)字是針對測量精度提出的,其目的是使計算精度與測量精度一致.計算精度高于或低于測量精度都不恰當(dāng).測量和數(shù)值計算中,正確確定有效數(shù)字表示測量結(jié)果非常重要。不論測量結(jié)果還是計算結(jié)果,除末位數(shù)字是可疑的之外,其余各數(shù)字都應(yīng)是可靠的,這樣的一組數(shù)字稱為有效數(shù)字.判斷:測量儀器精度一定情況下,把測量值中小數(shù)點后的位數(shù)增多,就可提高其測量精度？因為：有效數(shù)字的位數(shù)與小數(shù)點的位置無關(guān),小數(shù)點后的位數(shù)僅與所用的單位有關(guān),小數(shù)點的位置并不決定測量精度的標(biāo)準(zhǔn)。如燃油重10.05公斤與0.01005噸,有效數(shù)字均為4位.任一測量均存在誤差,計算結(jié)果的精度應(yīng)與測量精度相適應(yīng),高或低都是錯誤的。332、有效數(shù)字的基本法則：記錄測量值時僅保留1位欠準(zhǔn)數(shù)字。除另有規(guī)定外,通常有效數(shù)字的末位為欠準(zhǔn)數(shù)字,表示末位數(shù)有正負(fù)一個單位的絕對誤差。當(dāng)有效數(shù)字確定后,其余數(shù)字按“舍入規(guī)則”處理.舍入規(guī)則:凡欠準(zhǔn)數(shù)字后的第一位數(shù)大于5時,則須在欠準(zhǔn)數(shù)字上加1;而小于5時,應(yīng)舍棄不計;當(dāng)?shù)扔?時,根據(jù)概率統(tǒng)計規(guī)律定為:欠準(zhǔn)數(shù)字為奇數(shù)時,則加1;為偶數(shù)時,則舍棄不計。344)加減法計算時,各數(shù)所保留的小數(shù)點后的位數(shù),應(yīng)與所給各數(shù)中小數(shù)點后的位數(shù)最少者相同.49.27-3.4=45.87=45.9乘除法計算