第一章 热工测量的基本概念

1、 热工测量及仪表 选用教材：热工测量及仪表 第一章 热工测量的基本概念 主要内容主要内容 v一、测量的基本概念一、测量的基本概念 v二、测量方法二、测量方法 v三、热工测量系统的组成三、热工测量系统的组成 v五、仪表的主要质量指标五、仪表的主要质量指标 v六、仪表的检定六、仪表的检定 1.1 测量的基本概念 n1.1.1 测量的意义 日常生活中处处离不开测量 科学的进步和发展离不开测量， 离开测量就不会有真正的科学。 n 没有望远镜就没有没有望远镜就没有 天文学，没有显微天文学，没有显微 镜就没有细胞学，镜就没有细胞学， 没有指南针就没有没有指南针就没有 航海事业航海事业 1.1.1 测量的意

2、义（续） 生产发展离不开测量 农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长 度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出 现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。 现代化的工业生产中，处处离不开测量 例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点 在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开 测量 例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中 受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、 机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。 1.1.2 测量技术的发展与研究的内容 知识的获取往往从测量开始。人类在其 自身的社会发展中创造并发展了测量学 科，人类早期的测量活动涉及对长度 （距离）、时间、面积

3、和重量等量的测 量。随着社会的进步和科学的发展，测 量活动的范围不断扩大，测量的工具和 手段不断精细和复杂化，从而也不断地 丰富和完善了测量的理论。 n测量的发展 公元前3000年，古埃及人建立了长度的统一标准埃 尔 ； 秦始皇在统一六国后，建立了统一的度量制度 ； 今天，测量学科已渗透到人类活动的每个领域。 科学技术的迅猛发展给测量学这一古老的学科 注入了新的活力，现代电子技术、尤其是信息 技术的发展更是推动测量学科迅猛发展。因此 测量学是一门多学科交叉的边缘学科。 n测量的内涵及其科学性: “凡存在之物，必以一定的量存在。” “当你能测量你在谈及的事物，并将它用数字表达时， 你对它便是有所

4、了解的；而当你不能测量它，不能将它 用数字表达时，你的知识是贫瘠的和不能令人满意的。” William Thompson 1.1.2 测量的定义 n1.狭义测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。 在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直 接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和 单位共同表示的测量结果。 测量结果测量数值测量结果测量数值. .测量单位，测量单位，即：即： 0 xxx 1.1.2 测量的定义 n1.狭义测量的定义 测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。 在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直 接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用

5、数值和 单位共同表示的测量结果。 图11 测量的比较原理 (a) 天平直接比较（b）弹簧称间接比较 1.1.2 测量的定义（续） 被测物体的重量等于标被测物体的重量等于标 准砝码的重量准砝码的重量 被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上 的刻度是事先与标准量进行比较的结果。的刻度是事先与标准量进行比较的结果。 1.1.2 测量的定义（续） n2.广义测量的定义 广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量， 而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测 量。 例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地 震源测定、卫星定位等。 而测量

6、结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信 息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对 象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。 广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息 的感知和信息识别两个环节。 1.1.2 测量的基本概念（续） n测量的内涵 测量对象：被测客体中的相应的量值信息； n测量目的：从被测对象取得一个定量的认识； 测量过程: 通过实验去认识对象的过程 测量方法：比较； nA.直接比较 B.间接比较；C.需要测量仪器； 测量标准：同类已知单位。 测量结果：最终能表示给测量主体（人） 1.1.3 测量的基本要素 n1.测量的基本要素 被测对象、测量仪器、测量技术、测量 人员和测

7、量环境 被测对象 测量人员 测试仪器系统 信 息 显 示 感知和识别 1.1.3 测量的基本要素（续） 对对象象 属属性性 影影响响影影响响 影影 响响 测测量量策策 略略、算算法法 数数据据状状态态 参参数数命命令令 被被测测信信息息 原原理理 方方法法 被被测测 对对象象 仪仪器器 系系统统 测测量量 人人员员 测测量量 环环境境 激激励励信信号号 选选择择 仪仪器器 决决定定 方方法法 图图1 1- -3 3 测测量量的的基基本本要要素素 1.1.3 测量的基本要素（续） n2.测量过程基本要素之间的互动关系 论证阶段: 测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、 被测对象的特点、属性，

8、及现有仪器设备状况， 拟定合理的测试方案。 设计阶段 * 选择测试仪器，组建测试系统。 * 制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测 试程序） 实施阶段 * 对仪器和系统实施测试操作（发控制命令）， 按照逻辑和时序完成测量过程，取得测量数据; * 分析测量误差并显示测量出结果。 1.1.3 测量的基本要素（续） 执执行行测测量量操操 作作 测测试试数数据据处处 理理 测测量量结结果果显显 示示 结结 束束 设设置置仪仪器器工工作作参参 数数 实实 施施 阶阶 段段 被被测测对对象象 设设 计计 阶阶 段段 测测量量任任务务要要求求 组组建建测测量量系系统统 需需 求求 分分 析析 拟拟定定测测

9、量量方方案案 现现有有仪仪器器设设备备 选选用用测测量量仪仪器器 （测测试试硬硬件件平平台台） 决决定定测测量量技技术术 （测测试试软软件件平平台台） 完完成成仪仪器器互互连连拟拟定定测测量量步步骤骤 开开 始始 论论 证证 阶阶 段段 1.1.3 测量的基本要素（续） n3.被测对象信息 广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及 其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。 n4.测量仪器系统量具和仪器 测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等 n5.测量的主体测量人员 手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成 自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策

10、略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。 n6.测试技术 测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。 1.1.3 测量的基本要素（续） n7.测量环境 n测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间 的一切物理和化学条件的总和。 n测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气 雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负 载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。 1.1.3 测量的基本要素（续） n环境对测量的影响 nA. 环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、 电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感， 因此，原则上测量应在被测对象

11、的正常或额定工作条件下进 行。 nB. 环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到 仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测 量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的 元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响 量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。 nC. 环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈 杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生 不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。 1.1.3 测量的基本要素（续） n应采取适当的控制措施，尽量减少由于环 境影响而产生的误差。 n恒温、恒湿、稳压和防震。 n抗干扰、防噪声的

12、措施，如接地、屏蔽、 隔离、滤波等。 n仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化 环境。 1.1.3 测量的基本要素（续） n仪器以工作环境条件的不同要求分为三组： I组：良好的环境条件，温度+10+35oC，相对湿度80% （在35oC上），只允许有轻微的振动。 II组：一般的环境条件，温度10+40oC，相对湿度 80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。 III组：恶劣的环境条件，温度40+55oC，相对湿度 90%（在35oC上），允许频繁的搬动和运输中受到较大 的冲击和振动。 nI组高精度计量用仪器 nII组通用仪器 nIII组野外、机载等仪器 1.1.4 测量的本质和基本前提 n测

13、量的本质： 采集和表达被测物理量 ； 与标准作比较。 n将度量数字X作为比较量N（标准）的倍 数赋予被测量x则有 ： X=xN（1.1） n从量纲上考虑对应上式有下述公式成立 ： d=- d（1.2） d表示量纲。 n测量的前提： 被测的量必须有明确的定义； 测量标准必须事先通过协议确定。 n没有明确定义 （如：气候的“舒适度”或人的 “智力”等 ）的量，在上述的意义上是不可测 的。 n基本标准（绝对标准）：彼此相互独立的标准 。 在国际度量衡大会（CGPM：Confrence Gnrale des Poids et Msures ）上定义了七个基 本标准：长度、质量、时间、温度、电流、光强和

14、 原子物理中的物质量。 1.1.5 标准及其单位 n各国在商业及其它涉及公众利益的范围内都 制定有法定计量学的规定条例，这些条例涉 及法定计量学的三大范畴： 确定单位和单位制； 确定国家施加影响的范围（测量仪表的校准义务， 官方监督职能和校准能力）； 实施校准和官方监督。 n目的： 保证正当竞争 ； 保护公民免遭不公平对待或由不正确计量结果所带 来的损害； 保护消费者利益。 1.1.6 单位和单位制 n根据定义而令系数为1的量称为单位。 n单位是表征测量结果的重要组成部分， 又是对两个同类量值进行比较的基础。 英呎feetfeet 1.1.6 单位和单位制（续） n1960年第十一届国际计量大

15、会上正式通过 国际单位制SI。 n1984年2月国务院颁布了中华人民共和 国法定计量单位，决定我国法定计量单 位以国际单位制为基础。 nSI有7个基本单位 n国际单位制（SI） ： 国际度量衡大会在1960年将大会以前确定的 七个基本单位的系统命名为“国际单位制”， 国 际 上 统 一 缩 写 为 S I （ S y s t m e International dUnits）。 n基本单位： 七个基本单位分别赋于七个基本量，经协议 规定认为是彼此独立的 。 国际单位的基本量和基本单位 1.1.6 单位和单位制（续） n国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头 和国际单位制的十进倍数单位三部

16、分组成。 n国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。 例：5.4X10-9s=5.4ns SI基本单位的定义 n1米被定义为真空中的光在（1/299792458）秒时间内 所经过的距离的长度（1983年）。该标准的复制精度 可达 10-9 。 n1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国 际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一 根铂铱合金圆柱体。其复制精度可达10-9数量级。 n1秒被定义为铯133原子基本态的两个超精细结构能级 间跃迁所对应的周期时间的9192631770倍（1967年）。 n安培定义为流经在真空中两根平行且相距1m的无限 长直导线（其圆横截面可忽略不

17、计）上并能在其每米 长导线之间产生0.210-6N的电动力的不随时间变化 的电流量（1948年）。 SI基本单位的定义（续） n1开尔文被定义为水的三态点的热力学温 度的273.16分之一（1967年）。 n1坎德拉被定义为在101325N/m2的气压 和铂开始凝固的温度下垂直照射在表面积 为1/600000m2辐射黑体上的光强（1967 年）。 n1摩尔的定义是：一个由确定成份组成的 系统。如果它含有粒子的个数等于碳12 原子核的（12/1000）kg重量中所含原子 的个数，则该系统的物质量为一摩尔 （1971年），此处所述的粒子可以是原 子、分子、离子和电子等。 国际单位制的导出单位 导出

18、单位从基本单位出发，用乘、除符号 以代数式表达。不同的导出单位有各自专 门的各称和专门的单位符号，这些单位名 称和单位符号可单独使用。还能和基本单 位一起合成进一步的导出单位 。 用基本单位表示的SI导出单位 1. 热工测量：热工测量： 热力状态参数热力状态参数;热力生产过程相关参数的测量。热力生产过程相关参数的测量。 （压力、温度等；流量、液位、振动、位移、转速、（压力、温度等；流量、液位、振动、位移、转速、 烟气成分）烟气成分） 12 热工测量热工测量 测量过程的三要素：测量过程的三要素： 测量方法；测量单位；测量方法；测量单位； 测量工具测量工具 方法合理；单位稳定；工具准确 一、概述一

19、、概述 2、热工测量的作用：、热工测量的作用：反映设备运行；为自动化装置反映设备运行；为自动化装置 提供信号，为机组经济计算提供数据。提供信号，为机组经济计算提供数据。 随现代化电厂测点的增多，使用数据采集和屏随现代化电厂测点的增多，使用数据采集和屏 幕显示来显示处理数据。幕显示来显示处理数据。 火电厂火电厂 二、测量方法二、测量方法 n直接测量法直接测量法: :用测量仪器直接得到被测量。（直用测量仪器直接得到被测量。（直 尺测量长度尺测量长度, ,压力表测压力压力表测压力, ,玻璃温度计测温度）玻璃温度计测温度） 间接测量法：通过直接测量其它变量，再按函数关系计间接测量法：通过直接测量其它变

20、量，再按函数关系计 算求得被测量数值的方法（过热蒸汽的质量流量：测得算求得被测量数值的方法（过热蒸汽的质量流量：测得 的是过热蒸汽的温度、压力和标准节流装置的差压信号的是过热蒸汽的温度、压力和标准节流装置的差压信号 信号，计算后得到流量）信号，计算后得到流量） 1. 直接测量法和间接测量法直接测量法和间接测量法（被测（被测 值获取方式不值获取方式不 同同) 测量方法：测量方法：获得测量值的方法。获得测量值的方法。 根据不同的分类标准，可包括根据不同的分类标准，可包括 n偏差测量法：被测量的作用在测量工具上，其偏差测量法：被测量的作用在测量工具上，其 偏离测量工具的初始状态（零点），偏离量得偏离

21、测量工具的初始状态（零点），偏离量得 到被测量值。到被测量值。（单管压力计测压：压力作用使（单管压力计测压：压力作用使 管中水银柱偏离初始零刻度点，偏移量代表被管中水银柱偏离初始零刻度点，偏移量代表被 测压力值）测压力值） n微差测量法：被测量被一个同类准确已知的恒微差测量法：被测量被一个同类准确已知的恒 定量平衡了大部分，剩下的差值用偏差法测量。定量平衡了大部分，剩下的差值用偏差法测量。 测量结果是已知量值和偏差法测得值的代数和。测量结果是已知量值和偏差法测得值的代数和。 ( (检定热电偶：检定热电偶： 测量被校热电偶的热电势与标测量被校热电偶的热电势与标 准热电偶的微小差，来评价要检验的热

22、电偶的准热电偶的微小差，来评价要检验的热电偶的 精度）精度） 2. 偏差测量法、微差测量法、零差测量法偏差测量法、微差测量法、零差测量法（被（被 测量与测量单位比较方式）测量与测量单位比较方式） n零差测量法：使已知量和被测量的差值为零，零差测量法：使已知量和被测量的差值为零， 这时偏差测量仅起检零作用，已知量即为测量这时偏差测量仅起检零作用，已知量即为测量 值。值。 隐含：隐含： (1)(1)已知量是连续可调的，随时可通过已知量是连续可调的，随时可通过 调节调节 得到被测量。得到被测量。 (2)(2)已知量可容易的准确测量已知量可容易的准确测量 （用电位差计测量热电偶产生的（用电位差计测量热

23、电偶产生的 热电势。）热电势。） 2. 偏差测量法、微差测量法、零差测量法偏差测量法、微差测量法、零差测量法 n静态测量法：被测量在测量过程中不随时间变静态测量法：被测量在测量过程中不随时间变 化，或变化速率相对于测量速率变化十分缓慢化，或变化速率相对于测量速率变化十分缓慢 n动态测量法：测量过程中被测量随时间有明显动态测量法：测量过程中被测量随时间有明显 变化变化 3. 静态测量法和动态测量法（静态测量法和动态测量法（测量过程中的测量过程中的 状态）状态） 三个基本部分组成：感受件、显示件、传送件 n感受件感受件 1) 1) 定义：直接感受被测量并将其转化成相应的输出定义：直接感受被测量并将

24、其转化成相应的输出 信号。也称：敏感元件、一次元件、发送器。如信号。也称：敏感元件、一次元件、发送器。如 热电偶热电偶 2) 2) 要求要求： 输出信号必须随被测量变化输出信号必须随被测量变化 输出信号只能随被测量变化输出信号只能随被测量变化 输出信号与被测量之间必须是单值函数，最好输出信号与被测量之间必须是单值函数，最好 是线性关系是线性关系 三、热工测量系统的组成三、热工测量系统的组成 1-被测对象； 2-传感器；3-变换器； 4-显示装置；5-传送 通道 3) 分类：分类： v 温度感受件，压力感受件（按被测参数）温度感受件，压力感受件（按被测参数） v 能量转换型能量转换型(热电偶热电

25、偶);能量控制型能量控制型(热电阻热电阻)（输（输 出信号能量的主要来源）出信号能量的主要来源） v 模拟式和准数字式（输出信号的形式）模拟式和准数字式（输出信号的形式） 2. 显示件： (1) 定义：向观察者显示被测量的数值、量值的装置 (2）分类： 显示仪表显示被测量的瞬时值 记录仪表记录被测量随时间变化 积算仪表显示被测量对时间的积分 信号式仪表反映被测量是否超过允许的 限值 调节式显示仪表根据被测量与规定值的偏差 情况，发出对被测对象进行调节的信号 3. 传送件： 1) 定义：将感受件输出的信号按显示件的要求传输 给显示件。 2）具有功能： 1）单纯传输 2）感受件输出信号放大 3）把

26、信号变送成统一标准信号（变送器) 四、测试系统原理框图 n传感器 ：从被测对象获取有用的信息，并将其转 换为适合于测量的变量或信号。 n信号调理部分 ：对从传感器所输出的信号作进一 步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤 波、储存、重放、和一些专门的信号处理。 n显示和记录部分：将经信号调理部分处理过的信 号用便于人们所观察和分析的介质和手段进行记 录或显示。 n被测对象和观察者也是测试系统的组成部分，它 们同传感器、信号调理部分以及数据显示与记录 部分一起构成了一个完整的测试系统。 仪表内信号传输过程 n仪表内每一次信号的转换和传输可作为一个环节， 整个仪表是各环节的连接。 1. 仪表各

27、环节连接方式：开环（系统）和闭环（系 统），每一个环节：传递函数 （灵敏度） 2. 开环系统 k1 k2 k3 IT 电流电流 力矩力矩 角度角度 动圈表方框图动圈表方框图 X 位移位移 特点：特点： v各环节开环串联，信号沿一个方向传输。各环节开环串联，信号沿一个方向传输。 v按偏差测量法工作按偏差测量法工作 v要保证仪表指示正确，必须保持每个环节灵敏度要保证仪表指示正确，必须保持每个环节灵敏度 不变不变 X=KX=K1 1K K2 2K K3 3I I 仪表内信号传输过程 3. 闭环系统 e e - U 滑线电阻 放大器伺服电动机 k1K2/s K3 电子电位差电子电位差 计方框图计方框图

28、 特点：特点：1)含有负反馈含有负反馈 2) 仪表传递函数与反馈环节有关，仪表传递函数与反馈环节有关， 因此因此k3要求高，要求高，k1, k2性能可降低性能可降低 故闭环精度叫高故闭环精度叫高 12 123 ( ) ( ) k ks E ssk k k 静态时：静态时： 3 1 e k 1.4.2 基于差值示零的直接比较法 1.差值检测原理: 被测量与标准量直接进行比较 需要一个具有比较功能的电路，要求比较的范 围宽、灵敏度和分辨力高； 需要一个与被测量同类的可变标准量参与比较， 要求标准量准确且可细微调节。 比较功能可由运算功能来实现 有两种方式： 差值运算比较 比例运算比较 xs y 比

29、较电路比较电路 被测量被测量标准量标准量 1.4.2 基于差值示零的直接比较法 n2. 差值示零的平衡调节 n（1）零示法原理: xs 1.4.2 基于差值示零的直接比较法 （2）实现平衡调节的结构 K1 K2 减减法法比比较较或或 比比例例比比较较 K3 变变换换 变变换换 变变换换 指指示示器器 ux us y0 0 x s （a a) ) 双双通通道道对对称称输输入入结结构构 mu或 当当 则则 s k k x 1 2 12 kk x s 1.4.2 基于差值示零的直接比较 法（续） n对称差动的桥式结构 (b) 对称桥式结构(b) 对称桥式结构 s sx 激励源激励源 y=0y=0 2

30、 r 1 r 当当 时，时， 1 2 r xs r 12 rr xs 1.7 仪表的质量指标仪表的质量指标 1. 可靠性指标 有效性(MTBF) 平均无故障时间 平均无故障工作时间平均修复时间 2. 计量性能指标： 1) 准确度:仪表指示值接近测量真值程度 仪表的示值误差:表征指示值的准确程度 绝对误差： 相对误差： x 指示值指示值 真值真值 1 0 0 % x r 相对误差更能说明示值的准确程度相对误差更能说明示值的准确程度 示值误差有正负示值误差有正负 相对误差更能说明示值的准确程度相对误差更能说明示值的准确程度 示值误差有正负示值误差有正负 1.7 仪表的质量指标 仪表的基本误差 (1

31、) 仪表的基本误差：量程范围内各示值误 差中的绝对值最大者 仪表量程A：仪表测量上限与下限之差 (2)仪表的引用误差： (3) 最大引用误差： maxj A 100% y r A max max 100% A y r A 计量性能指标计量性能指标 1) 准确度（又称精确度）准确度（又称精确度）: 仪表的准确度等级： 允许误差：基本误差不能超过的限值 ， 仪表的 准确度等级：仪表的最大引用误差 去 掉百分号后余下的 数字 国家标准系列：0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 4 七个工业仪表准确度等级，数字越小，精确度越高 （看P10例题） yu r yu 1.7 仪表的质量指标 2)

32、线性度线性度: 检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度 相对误差相对误差 %100 . max SF L y L e max L .SF y 输出值与理想直线的最大偏差值输出值与理想直线的最大偏差值 理论满量程输出值理论满量程输出值 理想直线：理想直线： 亦称非线性误差亦称非线性误差 定义定义: ( non-linearity ) 表达表达: x y 拟合直线拟合直线 一般不存在或很难获得准确结果一般不存在或很难获得准确结果 利用测量数据，通过计算获得利用测量数据，通过计算获得 1.7 仪表的质量指标 3)回差（变差或迟滞误差） 同一输入量上升和下降时，对应的两输出量平均值之间 的最大差值与量程之比的百分数.(仪表运动系统的摩擦、 间隙、弹性滞后等原因引起） %100 . max SF H y H e 1.7 仪表的质量指标 4)重复性和重复性误差 重复性：同条件下，输入信号多次按同一方向全 量程变化，仪表输出值的一致程度。或指传感 器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化 时，所得特性曲线不一致的程度。 重复性误差：在同一工作条件下从同方向对同一 输入值进行多次连续测量所获得的