測量技術(shù)的基本知識(shí)

過程參數(shù)檢測及儀表

系部：自動(dòng)化系教研室：測控技術(shù)與儀器教師：張立峰hdlfzhang@126.com2021/6/2712021/6/2722021/6/2732021/6/2742021/6/2752021/6/276第一章緒論

測量的意義及發(fā)展方向

測量方法

測量系統(tǒng)

測量儀表的主要性能指標(biāo)儀表的檢定

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第一節(jié)測量的意義及發(fā)展方向

一、測量與誤差

1.測量的定義：測量是利用某種工具并以實(shí)驗(yàn)或計(jì)算的方法獲取被測參數(shù)數(shù)值的過程。具體說，是指被測參數(shù)與預(yù)先確定的被測參數(shù)的“單位”進(jìn)行比較，并獲取比值的過程。

2.測量的基本公式：

x=αUx

式中x——被測參數(shù)（被測量）的數(shù)值;

Ux——測量單位；

α——測量獲得的比值，又稱為測量值。

實(shí)際的關(guān)系式應(yīng)該是

x≈αUx

2021/6/2783.測量過程有三要素一是測量單位；二是測量方法；三是測量工具。二、檢測技術(shù)及儀表的發(fā)展趨勢

（1）傳感器逐漸向集成化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、組合化方向發(fā)展；（2）不斷拓展測量領(lǐng)域和范圍，努力提高檢測精度和可靠性；（3）軟測量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合處理方法等新技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；（4）非接觸法檢測技術(shù)得到重視和發(fā)展；（5）檢測系統(tǒng)智能化。2021/6/279

第二節(jié)測量方法的分類

根據(jù)分類依據(jù)的不同，測量方法主要有以下幾種分類方法1、直接測量、間接測量、組合測量2、接觸測量與非接觸測量3、靜態(tài)測量與動(dòng)態(tài)測量4、偏差法、零差法、微差法5、等精度測量、非等精度測量

2021/6/2710第三節(jié)測量系統(tǒng)一．測量系統(tǒng)的組成2021/6/2711

一個(gè)完整的檢測過程，一般應(yīng)包括：①信息的提取——

用傳感器來完成。②信號(hào)的放大、轉(zhuǎn)換與傳輸——

用中間轉(zhuǎn)換裝置來完成。③信號(hào)的顯示和記錄——

用顯示器、指示器或記錄儀完成。④信號(hào)的處理和分析——

用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)分析儀、頻譜分析儀等來完成。2021/6/2712二、測量系統(tǒng)各部分的作用

1、檢出部分檢出（detection)部分是測量系統(tǒng)中形式最多樣、與被測對象關(guān)聯(lián)最密切的部分。擔(dān)當(dāng)檢出功能的器件統(tǒng)稱為傳感器（Sensor)。

對傳感器有以下的要求：①傳感器的輸出信號(hào)與被測參數(shù)在數(shù)值上應(yīng)呈單值關(guān)系，最好是線性關(guān)系；②傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)該只響應(yīng)被測參數(shù)的變化，其他一切可能的輸入信號(hào)（包括噪聲信號(hào)）不能影響輸出信號(hào)；③傳感器對被測對象狀態(tài)的影響應(yīng)盡量小。

2021/6/2713傳感器的輸出一般有以下一些特點(diǎn)：①輸出量為電壓、電流或頻率的變化，或者是通過電阻、電容、電感的改變轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率的變化。有模擬量和數(shù)字量兩種形式。②輸出的電信號(hào)一般較微弱，如電壓信號(hào)為毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)，電流信號(hào)為毫安級(jí)甚至納安級(jí)。③由于傳感器內(nèi)部噪聲的存在，輸出信號(hào)與噪聲混在一起。若傳感器的信噪比較小而輸出的信號(hào)又弱時(shí)，則信號(hào)淹沒在噪聲中。④傳感器的輸出特性呈線性或非線性。⑤外界環(huán)境如溫度、濕度、電磁場等的變化會(huì)影響傳感器的輸出特性。2021/6/2714（2）信號(hào)變換部分信號(hào)變換（Signalconversion）是使檢出的信號(hào)變換成適合于分析處理的信號(hào)。進(jìn)行變換時(shí)，重要的是考慮原始信號(hào)中哪些信息是希望了解的，以及如何不丟失和不歪曲有用信息。（3）分析處理顯示部分顯示部分是測量系統(tǒng)的輸出部分。測量系統(tǒng)通過它的顯示元件向觀察者反映被測參數(shù)的數(shù)值。顯示元件按其顯示方式的不同可分為模擬式顯示元件、數(shù)字式顯示元件和屏幕式顯示元件三種。2021/6/2715

（4）通信接口與總線（Communicationinterfaceandbus）部分其基本功能是管理兩個(gè)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息的傳輸和交換。一個(gè)大型檢測系統(tǒng)中有許多測量分系統(tǒng)或測量節(jié)點(diǎn)，分系統(tǒng)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)信息和測量狀態(tài)、上位機(jī)向下發(fā)布命令或各分系統(tǒng)之間交換信息都通過接口進(jìn)行。2021/6/2716三、熱工儀表及其分類

（l）按參數(shù)種類不同，熱工儀表可分為溫度、壓力、流量、料位、成分分析及機(jī)械量等測量儀表。

（2）按顯示功能的不同，可分為指示儀表、記錄儀表、積算式儀表及信號(hào)式儀表等。

（3）接儀表組成系統(tǒng)的方式不同，可分為直接變換式和平衡式兩種儀表。2021/6/2717

第四節(jié)測量儀表的主要性能指標(biāo)

一、儀表的計(jì)量性能指標(biāo)幾個(gè)概念：

儀表測量范圍

儀表在保證規(guī)定精確度的前提下所能測量的被測量的區(qū)域稱為儀表的測量范圍。儀表的上、下限

在上述相同條件下儀表所能測量的被測量的最高、最低值分別稱為儀表測量的上限和下限（簡稱上、下限，又稱儀表的零位和滿量程值）。儀表的量程

儀表的量程是指測量范圍上限與下限的代數(shù)差。2021/6/27181、準(zhǔn)確度

（1）示值誤差示值誤差是指儀表的某一個(gè)測量值（示值）的誤差，它反映在該點(diǎn)儀表示值的準(zhǔn)確性。示值誤差?？捎萌N形式表示。1）示值的絕對誤差2）示值的相對誤差3）示值的引用（折合）誤差示值的絕對誤差和示值的相對誤差不能作為儀表的誤差。2021/6/2719(2)儀表的基本誤差與精確度等級(jí)

基本誤差

在規(guī)定的正常工作條件下，儀表整個(gè)量程范圍內(nèi)各點(diǎn)示值誤差中絕對值最大的誤差稱為儀表的基本誤差。一般可用絕對誤差（δb）和引用誤差(γb)兩種形式表示。

2021/6/2720允許誤差

按計(jì)量部門的規(guī)定，儀表廠家保證某一類儀表的基本誤差不超過某個(gè)規(guī)定的數(shù)值，此數(shù)值就被稱為儀表的允許誤差（容許誤差）。允許誤差也可用絕對誤差與引用誤差兩種形式表示，其符號(hào)分別為δa和γa。

注意:允許誤差是一種極限誤差，在儀表刻度范圍內(nèi)各點(diǎn)的示值誤差均應(yīng)保證小于至多等于允許誤差值。

2021/6/2721精確度等級(jí)以引用誤差（γa）的形式表示的允許誤差去掉百分號(hào)剩下的數(shù)值就稱為儀表的精確度等級(jí)（或準(zhǔn)確度等級(jí)），俗稱精度級(jí)。

要掌握:

精確度合格的儀表應(yīng)滿足其基本誤差不大于儀表的允許誤差，是否滿足這一要求是儀表檢定工作的主要任務(wù)之一。注意理解：基本誤差、允許誤差和儀表的精確度等級(jí)的關(guān)系。2021/6/27222、儀表的靈敏度儀表的靈敏度是指其輸出信號(hào)的變化值與對應(yīng)的輸入信號(hào)變化值的比值。用數(shù)學(xué)形式表示，在某一點(diǎn)處儀表的靈敏度為式中S——在某一點(diǎn)處儀表的靈敏度；

φ——儀表的輸出信號(hào)；

x

——儀表的輸入信號(hào)。求得儀表的靈敏度后注意：

不要把單位丟掉?。。?021/6/27233、線性度

線性度反映儀表的輸入一輸出特性曲線與選用的對比直線之間的偏離程度。線性度又稱為非線性誤差。常用的對比直線有三種情況，對應(yīng)有三種線性度的表示方式:1）端基線性度2）零基線性度3）最小二乘線性度2021/6/2724

三種線性度表示法示意（a）端基線性度（b）零基線性度（c）最小二乘線性度注意：選用的對比直線不同，計(jì)算結(jié)果不同。端基：直接連接兩端點(diǎn)；零基：下限值重合，最大正負(fù)絕對值相等2021/6/27254、回差（又稱變差、滯后誤差）

定義：輸入量上升和下降時(shí)，同一輸入量相應(yīng)的兩輸出量平均值之間的最大偏差與量程之比的百分?jǐn)?shù)稱為儀表的回差。

產(chǎn)生的原因：它通常是由于儀表運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦、間隙、彈性元件的彈性滯后等原因造成的。

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5、分辨率

分辨率反映儀表對輸入量微小變化的反應(yīng)能力。模擬儀表的分辨率是指使儀表示值產(chǎn)生可觀察變化對應(yīng)輸入量的最小變化值；數(shù)字儀表的分辨率的定義是使末位數(shù)產(chǎn)生單位變化對應(yīng)的輸入量的變化值。對應(yīng)的輸入量變化值越小，分辨率就越高。從測量角度看，希望儀表分辨率高些好。2021/6/2727二、儀表的可靠性

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的日益提高，測量儀表的任務(wù)不僅是提供精確的讀數(shù)，而且常常是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的一個(gè)組成部分。測量儀表的故障會(huì)影響控制系統(tǒng)，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)裝置的嚴(yán)重事故。衡量檢測儀表的可靠性還沒有專門的尺度，目前主要有三個(gè)指標(biāo)來描述，它們是保險(xiǎn)期、有效期和狹義可靠性。

2021/6/2728①保險(xiǎn)期儀表使用后能有效地完成規(guī)定任務(wù)的期限，超過了這一期限可靠性就逐漸降低。②有效性儀表在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能正常工作的概率。概率的大小取決于系統(tǒng)故障率的高低、發(fā)現(xiàn)故障的快慢和故障修復(fù)時(shí)間的長短。③狹義可靠性由結(jié)構(gòu)可靠性和性能可靠性兩部分組成。前者指儀表在工作時(shí)不出故障的概率，后者指儀表能滿足原定要求的概率。

定量描述檢測儀表可靠性的度量指標(biāo)有可靠度、故障率、平均無故障工作時(shí)間、平均故障修復(fù)時(shí)間等。2021/6/2729●可靠度R(t)是指儀表在規(guī)定工作時(shí)間內(nèi)無故障的概率。如有100臺(tái)同樣的儀表，工作了1000h后只壞了一臺(tái)，就可以說這批儀表在1000h后的可靠度是99％。反之這批儀表的不可靠度F(t)就是1％。顯然R(t)=1－F(t)。●故障率是指儀表工作到

t時(shí)刻時(shí)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。可靠度和故障率的關(guān)系是。●平均無故障工作時(shí)間是儀表在相鄰兩次故障間隔內(nèi)有效工作時(shí)的平均時(shí)間，用MTBF(Mean

TimeBetweenFailure）來代表?！衿骄收闲迯?fù)時(shí)間MTTR(MeanTimetoRepair)是儀表出現(xiàn)故障到恢復(fù)工作時(shí)的平均時(shí)間。

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示值的修正值及修正系數(shù)

示值的修正值

被測量真值與儀表的示值之差稱為該示值的修正值，以符號(hào)c表示。

c＝α-x，α＝x+c顯然，c=-δ，即示值的修正值與誤差值大小相等但符號(hào)相反。

修正系數(shù)(K):

通過計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)方法求得的系數(shù)。α=Kx在實(shí)際工作中通過示值加修正值的方法對示值進(jìn)行修正，可提高測量結(jié)果的精確度。2021/6/2731舉例1:

一塊溫度表，測量范圍0—1000℃，0.5級(jí)準(zhǔn)確度，滿量程指針總位移為200mm，對該表檢定結(jié)果如下所示。求：（1）各示值的絕對誤差及相對誤差；（2）儀表的基本誤差，該儀表合格否？（3）儀表的平均靈敏度。被檢表讀數(shù)（℃）0，100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)（℃）0，99，202，304，398，502，604，705，800，895，10002021/6/2732舉例2:

已知某溫度儀表的的測溫范圍為200～600℃，儀表刻度盤上小圓圈內(nèi)標(biāo)有1.0數(shù)字，試問該儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)、允許誤差各為多少？儀表最大允許示值誤差為多少攝氏度？對上述溫度表進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，在各校驗(yàn)點(diǎn)上的數(shù)值如下表所示：儀表示值200，300，400，500，600標(biāo)準(zhǔn)表示值正200，301，399，498，601反200，300，398，497，601根據(jù)校驗(yàn)記錄，計(jì)算該表的基本誤差和變差？判斷該表是否合格？2021/6/2733第五節(jié)儀表的檢定

為評(píng)定儀表的計(jì)量性能（精確度