热工测量仪表基础概念PPT课件

1、u 课程的基本要求和特点 通过学习，学生能初步掌握信息提取、信息转换以及信息处理的理论和方法。本课程涉及热力发电厂热工过程的主要参数，如温度、压力、流量、水位、炉烟成分的测量方法及测量仪表。热工过程中需要检测的参数相当多，本课程注重归纳共性的测量技术的基本理论和测量变换元件的物理方法和概念。通过典型参数测量示例，举一反三，使学生初步掌握热工测量及仪表的基本理论、基本技术和基本方法。 第1页/共63页总评成绩根据平时成绩(包括考勤、作业、实验等，占30%)和期末考试成绩（占70%）综合评定。 u考核方式u 课程安排34学时：26理论 4实验 2习题 2其他第2页/共63页火电厂火电厂第3页/共6

2、3页第一章第一章 热工测量的基本概念热工测量的基本概念一 热工测量的意义测量：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测技术：检测过程：测量信号检出（极为重要）信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理检测：是意义更为广泛的测量1、检测与测量第4页/共63页测量的基本方程式：测量的基本方程式： X0 = U, X0 xU, 式中，式中， X0 被测量；被测量； U 标准标准 量（即选用的测量单量（即选用的测量单位）；位）； 被测量与标准量的数字比值，真被测量与标准量的数字比值，真值。值。 x 测量值。测量值。测量过程的三要素：测量方法、测量单位、测量工具第5页/共63页2、检测的分类

3、被测量值的物理属性：电量、非电量检测原理（物理的、化学的、生物学的）：检测方法：直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态等电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等第6页/共63页3、测量单位被测量 基准量避免混乱 - 国际单位制（SI）：长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 光量实物单位-千克标准原器米-光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485能量（J）=力 距离大得多/小得多-词头：mm、m、nm（10-9m）； kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）单位测量：比较SI 基本单位：倍数（结果）SI 组合单位：七个物理量单位 -

4、 相互独立由基本单位导出 =质量 加速度 距离J = kg（m/s2）m = m2kg/s2能量 - 焦（耳）：长度、质量、时间（m）（kg）（s）（A）（K）（mol）（cd） 第7页/共63页二 测量方法选择：被测量的性质、特点和测量任务要求（1）按测量结果的获取方式： 直接测量、间接测量（2）按被测量与测量单位的比较方式： 偏移法测量、零位法测量、微差法测量（3）按传感器与被测对象是否直接接触： 接触式测量、非接触式测量（4）按被测量在测量过程中的状态分： 静态测量、动态测量第8页/共63页静态测量 第9页/共63页 对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。 最高、最低温度计第10页/共

5、63页 动态测量动态测量 地震测量振动波形第11页/共63页便携式仪表便携式仪表 可以显示波形的便携式仪表第12页/共63页直接测量直接测量 电子卡尺第13页/共63页间接测量间接测量 对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。 第14页/共63页接触式测量接触式测量 第15页/共63页非接触式测量非接触式测量 例：雷达测速车载电子警察第16页/共63页离线测量离线测量 产品质量检验第17页/共63页在线测量在线测量 在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。第18页/共63页检测方法第19页/共63页 0 10 X（一）直接测量（一）直接测量直接测量

6、直接测量能直接得到被测量的数值的测量方法。能直接得到被测量的数值的测量方法。1 1 直接比较测量法直接比较测量法0第20页/共63页2 2、微差测量法、微差测量法 将被测量和与其量值只有微小差别的已知量进行比较，将被测量和与其量值只有微小差别的已知量进行比较，测出这两个量值间的差值，从而确定被测量的测量方法。测出这两个量值间的差值，从而确定被测量的测量方法。 这种方法的优点是，当已知量的精确度很高，而其值又这种方法的优点是，当已知量的精确度很高，而其值又很接近被测量时，很接近被测量时，用较低精度的测量仪表，也能得到高用较低精度的测量仪表，也能得到高精度的测量结果精度的测量结果。 例如：已知甲精

7、确身高为例如：已知甲精确身高为170cm，若乙比甲高出，若乙比甲高出5cm，于是可知乙的身高为于是可知乙的身高为175cm第21页/共63页3 3、零位测量法、零位测量法通过调整一个或几个已知数值的量使之与被测量达到平衡，从而确定被测量的测量方法，也称为平衡测量法或补偿测量法。第22页/共63页I=0I=0I=0ExExExE0E0ExE0Ex第23页/共63页 零位测量法其零位测量法其 优点优点是可获得较高的精确度；是可获得较高的精确度； 缺点缺点是测量中需进行平衡操作，测量过程较是测量中需进行平衡操作，测量过程较复杂。复杂。 这种测量方法在工程参数测量和实验室测量这种测量方法在工程参数测量

8、和实验室测量中应用很普遍，如天平称重、电位差计和平中应用很普遍，如天平称重、电位差计和平衡电桥测毫伏信号或电阻值、零位式活塞压衡电桥测毫伏信号或电阻值、零位式活塞压力计测压等。力计测压等。第24页/共63页（二）间接测量（二）间接测量 通常在采用直接测量很不方便，或误差较大，通常在采用直接测量很不方便，或误差较大，或缺乏直接测量仪器时，才使用间接测量。或缺乏直接测量仪器时，才使用间接测量。 方法为：先对一个或几个与被测量有确定函方法为：先对一个或几个与被测量有确定函数关系的量进行直接测量，然后通过代表该数关系的量进行直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格求得被测量，函数关系的公式、

9、曲线或表格求得被测量，这类方法就称为间接测量。这类方法就称为间接测量。第25页/共63页IIC C第26页/共63页I0 I第27页/共63页一般来说，间接测量法需要测量的量较多，因此一般来说，间接测量法需要测量的量较多，因此测量和计算的工作量较大，引起误差的因素也较测量和计算的工作量较大，引起误差的因素也较多。多。第28页/共63页 三个基本部分组成：感受件、显示件、传送件1.1. 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定义：直接感受被测量并将其转化成相应的输出信号。也称：敏感元件、一次元件、发送输出信号。也称：敏感元件、一次元件、发送器。如热电偶器。如热电偶 2)

10、 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，最输出信号与被测量之间必须是单值函数，最好是线性关系好是线性关系 三、热工仪表的组成三、热工仪表的组成第29页/共63页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：v 温度感受件，压力感受件（按被测参数）v 能量转换型(热电偶);能量控制型(热电阻)（输 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）第30页/共63页2. 显示件：1) 1) 定义：定义：向观察者显示被测量的数值、量值的装置向

11、观察者显示被测量的数值、量值的装置2 2）分类：）分类： 显示仪表显示仪表显示被测量的瞬时值显示被测量的瞬时值 记录仪表记录仪表记录被测量随时间变化记录被测量随时间变化 积算仪表积算仪表显示被测量对时间的积分显示被测量对时间的积分 信号式仪表信号式仪表反映被测量是否超过允许的反映被测量是否超过允许的 限值限值 调节式显示仪表调节式显示仪表根据被测量与规定值的偏差情况，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发出对被测对象进行调节的信号第31页/共63页3. 传送件：1) 1) 定义：定义：将感受件输出的信号按显示件的要求传将感受件输出的信号按显示件的要求传输给显示件。输给显示

12、件。2 2）具有功能：）具有功能： 1 1）单纯传输）单纯传输 2 2）感受件输出信号放大）感受件输出信号放大 3 3）把信号变送成统一标准信号（变送器）把信号变送成统一标准信号（变送器) )第32页/共63页四、仪表内信号传输过程四、仪表内信号传输过程 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。仪表是各环节的连接。1. 仪表各环节连接方式：开环（系统）和闭环（系统），开环（系统）和闭环（系统），每一个环节：传递函数每一个环节：传递函数 （灵敏度）（灵敏度）2. 开环系统k1k2k3IT电流力矩角度动圈表方框图X位移特点

13、：v 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v 要保证仪表指示正确，必须保持每个环节灵敏度不变 X=K1K2K3I第33页/共63页开环结构仪表xK1u0K2u1Kn1nuyunniinKKKKK121niin121传递函数：相对误差第34页/共63页3. 闭环系统 e e - U滑线电阻放大器伺服电动机k1K2/sK3电子电位差 计方框图特点：1)含有负反馈 2) 仪表传递函数与反馈环节有关， 因此k3要求高，k1, k2性能可降低 故闭环精度较高12123( )( )k ksE ssk k k静态时：31ek第35页/共63页K1KnyxK0K2K3x12mxfxKKxk

14、KKy1100fK0第36页/共63页质量指标包括：计量性能、操作性能、可靠性、经济性五、仪表的质量指标1、测量范围和量程量程测量上限值测量下限值第37页/共63页2、准确度：仪表指示值接近被测量真值程度的质量指标（1）绝对误差绝对误差是仪表输出值与被测参数真值之间的差值，即0 xxx测量误差 测得值 真值客观真实值（未知）1m = 1650763.73 约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值 相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值如：米 - 公制长度基准 - 氪-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长 理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算

15、出的给定值光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485第38页/共63页（2）相对误差实际相对误差表示：百分数（%）- 分子分母量纲相同标称相对误差 = 100%绝对误差真值 = 100%xx0 = 100%xx相对误差 = 100%绝对误差测得值确切反映测量效果：被测量的大小不同 - 允许的测量误差不同被测量的量值小 - 允许的测量绝对误差也越小相对百分误差 = 100%（引用误差）绝对误差量程 = 100%x量程第39页/共63页（3）引用误差引用误差是绝对误差与仪表的量程比的百分数，即= 100%x量程质量G1=50g，误差1=2g；质量G2=2kg，误差2=50g，求各自相对误

16、差。 1= 100% = 100% = 4% 1G1G1的相对误差为250 2= 100% = 100% = 2.5% G2G2的相对误差为5020002- G2的测量效果较好【例1-1 】【解】第40页/共63页（4）仪表基本误差（5）仪表满刻度相对误差在标准条件下，仪表全量程范围内各输出值误差中绝对值最大者称为仪表的基本误差。仪表基本误差与仪表量程比的百分数在数值上就是仪表的准确度（6）允许误差这是仪表制造单位为保证仪表不超过基本误差而设的限值基本误差允许误差 仪表合格基本误差允许误差 仪表不合格第41页/共63页7）准确度与准确度等级仪表准确度：仪表给出接近于真值的响应能力我国电工仪表、

17、压力表的准确度等级（accuracy class）就是按照引用误差进行分级的。 当一个仪表的等级s选定后，用此表测量某一被测量时，所产生的最大绝对误差为 %mmxxs %mmxxxrsxx 最大相对误差为绝对误差的最大值与该仪表的标称范围（或量程）上限xm成正比选定仪表后，被测量的值越接近于标称范围（或量程）上限，测量的相对误差越小，测量越准确（公式2）（公式1）第42页/共63页仪表准确度等级选择原则 不应单纯追求测量仪表准确度越高越好，而应根据被测量的大小，兼顾仪表的级别和标称范围（或量程）上限合理进行选择。 选择被测量的值应大于均匀刻度测量仪表量程上限的三分之二，即 23mxx测量的最大

18、相对误差不超过 %1.5 %23mxmxrssx 即测量误差不会超过测量仪表等级的1.5倍。第43页/共63页某被测电压为100伏左右，现有0.5级、量程为300伏和1.0级、量程为150伏两块电压表，问选用哪一块合适？ 由公式2，当用0.5级、量程为300伏的电压表测量时，有 111300%0.5%1.5%100mxrsx 当用1.0级、量程为100伏的电表测量时，有 222150%1.0%1.5%100mxrsx 可见，如果量程选择适当，用1.0级电压表进行测量与用0.5级一样准确。考虑到仪表等级越高，成本越高，故应选择1.0级电压表进行测量。 【例1-2 】【解】第44页/共63页【例1

19、-3 】检定一只2.5级、量程为100V的电压表，发现在50V处误差最大，其值为2V，而其他刻度处的误差均小于2V，问这只电压表是否合格？ 由公式2，该电压表的引用误差为 22%100mmmUrU由于所以该电压表合格。2%2.5%【解】第45页/共63页【例1-4 】某1.0级电流表，满度值（标称范围上限）为100，求测量值分别为100，80和20时的绝对误差和相对误差。1231.0100 A,100 A,80 A,20 Amsxxxx，根据题意得 由公式1可知，最大绝对误差为 %100 1.0%1 Ammxx s 它们的相对误差分别为 111100%100%1%100mxxrx 221100

20、%100%1.25%80mxxrx 331100%100%5%20mxxrx 可见，在同一标称范围内，测量值越小，其相对误差越大。【解】第46页/共63页3 线性度:检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度相对误差%100.maxSFLyLemaxL.SFy输出值与理想直线的最大偏差值理论满量程输出值理想直线：亦称非线性误差定义:( non-linearity )表达:xy拟合直线一般不存在或很难获得准确结果利用测量数据，通过计算获得第47页/共63页作图法求线性度演示作图法求线性度演示 （ 1 1拟合曲线 2 2实际特性曲线 ）第48页/共63页4 4 回差（变差）回差（变差） 同一输入量上

21、升和下降时，对应的两输出量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平均值之间的最大差值与量程之比的百分数数.(.(仪表运动系统的摩擦、间隙、弹性滞后等仪表运动系统的摩擦、间隙、弹性滞后等原因引起）原因引起）%100.maxSFHyHe第49页/共63页5 重复性与再现性%100/maxFSRRy重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量，按同一方向多次测量时，检测仪表的各输出值之间的一致程度。yx0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。再现性是指在相同测量条件下，在规定的

22、相对较长的时间内，对同一被测量从两个方向上重复测量时，检测仪表的各输出值之间的一致程度。重复性不包括回差，再现性包括回差，也包括了重复性第50页/共63页定义：分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。输入量从某个任意值(非零值)缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率。 它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。 一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。 6 分辨率:第51页/共63页死区当系统输出信号不发生变化时所对应的输入信号的变化

23、范围- 系统元件的摩擦及空程等现象引起的第52页/共63页7 灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。可表示为dxdys xys或它是输入输出特性曲线的斜率。第53页/共63页如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。否则，它将随输入量的大小而变化。 一般希望灵敏度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。x0ydydx由于输入和输出的变化量一般都 有不同的量纲，所以灵敏度s也是有量纲的。如输入量为温度(C)，输出量为标尺上的位移(格)，则s的量纲为格/C。如果输入量和输出量是同类量，则

24、此时s可理解为放大倍数。因此，灵敏度比放大倍数有更广泛的含义。第54页/共63页8 漂移定义：工作条件和输入信号不变定义：工作条件和输入信号不变, ,经规定时间后输出的变化经规定时间后输出的变化, ,称为漂移称为漂移以仪表量程各点上输出的最大变化量与量程之比的百分数表示以仪表量程各点上输出的最大变化量与量程之比的百分数表示第55页/共63页9 动态响应特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。如果规定仪表输出值变化量达到稳定值的63.2% ,则所需要的时间称为仪表的响应时间，也称为仪表的时间常数。这个时间短，说明仪表的动态响应特性好tT10.632yy第56页/共63页六、仪表的检定

25、检定检定: :根据规定的指标根据规定的指标, ,评定仪表的性能评定仪表的性能, ,以确定以确定仪表是否合格仪表是否合格标准：国家计量检定规程标准：国家计量检定规程 检定方法检定方法: :定点法和示值法定点法和示值法 定点法定点法: :被检测表检测某种标准值被检测表检测某种标准值, ,从而确定仪表的示值误差从而确定仪表的示值误差. . 示值比较法示值比较法: :被检仪表与标准仪表同时去测量同一被测量被检仪表与标准仪表同时去测量同一被测量, ,比较两者的指比较两者的指示值示值, ,确定仪表的质量指标确定仪表的质量指标第57页/共63页学习重点u 了解测量的基本概念：测量与检测，国际单位、测量方法等u 掌握仪表的三大组成部件u 掌握检测仪表的基本性能：测量范围和量程、灵敏度、死区、回差、线性度、重复性与再现性。u 掌握准确度等级选择原则，会进行选表 u 掌握绝对误差、相对误差u 掌握的检定