热工仪表与测量1-误差分析

1、热工仪表及测量技术周彦波 主讲2012.4参考书目：参考书目：u书名：热工测量及仪表（第二版）书名：热工测量及仪表（第二版）主编：吴永生主编：吴永生 方可人方可人出版：东南大学出版：东南大学u书名：热工过程检测仪表书名：热工过程检测仪表主编：程大亨主编：程大亨出版：东北电力学院出版：东北电力学院n著名科学家门捷列夫n月日n“世界计量日” “没有测量，就没有科学。第一章第一章 测量的基本知识测量的基本知识第一节第一节 课程简介课程简介热工测量热工测量是热能与动力专业的学科基础是热能与动力专业的学科基础课。课。 通过本课程的学习，使同学们通过本课程的学习，使同学们n掌握热工参数的正确测量方法；掌握

2、热工参数的正确测量方法；n掌握常用测量仪表的基本原理、主要性能，使用特点；掌握常用测量仪表的基本原理、主要性能，使用特点；n了解电厂热力设备和动力机械的检测系统的组成方法，了解电厂热力设备和动力机械的检测系统的组成方法， 从而能在实际工作中知道如何正确的选择和使用测量仪表。从而能在实际工作中知道如何正确的选择和使用测量仪表。u测量技术可分为若干分支，如测量技术可分为若干分支，如力学测量、力学测量、电学测量、热工测量电学测量、热工测量等。等。u热工测量是指热工测量是指温度、湿度、压力、流量、温度、湿度、压力、流量、烟气成分烟气成分等参数的测量。等参数的测量。2 2应用方面应用方面 （1）过程监测

3、：过程监测：对过程参数的监测。对过程参数的监测。 （2）过程控制：过程控制：为生产过程的自动控制为生产过程的自动控制提供依据。提供依据。 （3）试验分析与系统辨识：试验分析与系统辨识：解决科学上解决科学上的和过程上的问题，一般需要综合运用理的和过程上的问题，一般需要综合运用理论和实验的方法。测量技术应用于实验分论和实验的方法。测量技术应用于实验分析，是测量技术的一个典型应用。析，是测量技术的一个典型应用。 二、测量方法二、测量方法u测量：测量：就是用实验的方法，把被测量与就是用实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，确定两者的同性质的标准量进行比较，确定两者的比值，从而得到被测量的量值。

4、比值，从而得到被测量的量值。u使测量结果有意义的使测量结果有意义的2个要求：个要求：u用来进行比较的标准量应该是国际上或国家用来进行比较的标准量应该是国际上或国家所公认的，且性能稳定。所公认的，且性能稳定。u进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。测量单位 n国际单位制 代号为SI n法定计量单位 n我国的法定计量单位包括：n(1)国际单位制的基本单位；n(2)国际单位制的辅助单位；n(3)国际单位制中具有专门名称的导出单位；n(4)国家选定的非国际单位制单位；n(5)由以上单位构成的组合形式的单位；n(6)由词头和以上单位构成的十进倍数和分数单位。 测量的

5、基本方程式：测量的基本方程式： X = aU 式中，式中， X 被测量；被测量； U 标准量（即选用的测量单位）；标准量（即选用的测量单位）； a 被测量与标准量的数字比值。被测量与标准量的数字比值。u测量方法测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。就是实现被测量与标准量比较的方法。u测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）： （1）直接测量法：直接测量法：使被测量直接与选用的标准量进行比使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者预先标定好了的测量仪表进行测量，从而直接较，或者预先标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求得被测量数值的测量方法。求得被测量

6、数值的测量方法。 （2）间接测量法：间接测量法：通过直接测量与被测量有某种确定函通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数数关系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。（3）组合测量法：组合测量法：测量中使各个未知量以不同的组合形测量中使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件以获得这种不同组合），根式出现（或改变测量条件以获得这种不同组合），根据直接测量或间接测量所获得的数据，通过解联立方据直接测量或间接测量所获得的数据，通过解联立方程组以求得未知量的数值，这类测量称

7、为组合测量。程组以求得未知量的数值，这类测量称为组合测量。u测量方法的其它分类方式：测量方法的其它分类方式：u按不同的测量条件分：按不同的测量条件分：等精度测量与非等等精度测量与非等精度测量精度测量u按被测量在测量过程中的状态不同分：按被测量在测量过程中的状态不同分：静静态测量与动态测量态测量与动态测量第二节第二节 测量系统的组成及其功能测量系统的组成及其功能 一、测量系统的组成一、测量系统的组成 测量系统由四个基本环节组成：传感器、测量系统由四个基本环节组成：传感器、变换器或变送器、传输通道和显示装置。变换器或变送器、传输通道和显示装置。传感器变换器传输通道显示装置被测量测量值二、测量环节的

8、功能二、测量环节的功能1、传感器（敏感元件）、传感器（敏感元件）u它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。u理想敏感元件应满足的要求：理想敏感元件应满足的要求：u敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。系。u敏感元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一敏感元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一切可能的输入信号不敏感。切可能的输入信号不敏感。u在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态。被测介质的状态。2、变换器（变送器）变换器（变送器）u

9、它是传感器和显示装置中间的部分，它是将传它是传感器和显示装置中间的部分，它是将传感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部件。件。u对变换器的要求：性能稳定，精确度高，使信对变换器的要求：性能稳定，精确度高，使信息损失最小。息损失最小。3、显示装置、显示装置u它是测量系统直接与观测者发生联系的部分它是测量系统直接与观测者发生联系的部分u显示装置的基本形式：显示装置的基本形式：u模拟式显示元件模拟式显示元件u数字式显示元件数字式显示元件u屏幕式显示元件屏幕式显示元件4、传输通道、传输通道u它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。它是仪表各环节间输入、输出信

10、号的连接部分。u分为电线、光导纤维和管路等。分为电线、光导纤维和管路等。第三节第三节 测量误差与测量精度测量误差与测量精度一、测量误差的概念一、测量误差的概念u测定值与被测量真值之差称为测定值与被测量真值之差称为测量的绝对误差测量的绝对误差，或简称测量误差。或简称测量误差。 = x X0 式中，式中， 测量误差；测量误差； x 测定值（例如仪表指示值）；测定值（例如仪表指示值）； X0 被测量的真值。被测量的真值。u真值一般无法得到，所以用实际值真值一般无法得到，所以用实际值X代替代替X0。u对于绝对误差，应注意下面几个特点：对于绝对误差，应注意下面几个特点：u绝对误差是有单位的量，其单位与测

11、定值和实际值相同。u绝对误差是有符号的量，其符号表示出测定值与实际值的大小关系。u测定值与被测量实际值之间的偏离程度和方向通过绝对误差来体现。u示值的绝对误差与约定值之比值称为示值的绝对误差与约定值之比值称为相对误差相对误差，其为无量纲数，以百分数表示。其为无量纲数，以百分数表示。u一般约定值一般约定值m有如下几种取法：有如下几种取法：um取取测量仪表的指示值测量仪表的指示值x时，时，称为称为标称相对误差标称相对误差；um取取测量的实际值测量的实际值X时，时，称为称为实际相对误差实际相对误差；um取取仪表的满刻度值仪表的满刻度值时，时，称为称为引用相对误差引用相对误差。100%mu对于相同的被

12、测量，用绝对误差评定其对于相同的被测量，用绝对误差评定其测量精度的高低。但对于不同的被测量，测量精度的高低。但对于不同的被测量，则应采用相对误差来评定。则应采用相对误差来评定。u测量过程中存在测量误差是不可避免的，测量过程中存在测量误差是不可避免的，任何测量值只能近似反映被测量的真值。任何测量值只能近似反映被测量的真值。u测量过程中无数随机因素的影响，使得即使测量过程中无数随机因素的影响，使得即使在同一条件下对同一对象进行重复测量也不在同一条件下对同一对象进行重复测量也不会得到完全相同的测量值。会得到完全相同的测量值。u被测量总是要对敏感元件施加能量才能使测被测量总是要对敏感元件施加能量才能使

13、测量系统给出测量值，这就意味着测量值并不量系统给出测量值，这就意味着测量值并不能完全准确的反映被测参数的真值。能完全准确的反映被测参数的真值。二、测量误差的来源二、测量误差的来源1、仪器误差仪器误差它是由于设计、制造、装配、检定等的它是由于设计、制造、装配、检定等的不完善以及仪器使用过程中元器件老化、不完善以及仪器使用过程中元器件老化、机械部件磨损、疲劳等因素而使测量仪机械部件磨损、疲劳等因素而使测量仪器设备带有的误差。器设备带有的误差。减少仪器误差的主要途径是根据具体测减少仪器误差的主要途径是根据具体测量任务，正确地选择测量方法和使用测量任务，正确地选择测量方法和使用测量仪器。量仪器。2、人

14、身误差人身误差它指由于测量者感官的分辨能力、视觉它指由于测量者感官的分辨能力、视觉疲劳、固有习惯等而对测量实验中的现疲劳、固有习惯等而对测量实验中的现象与结果判断不准确而造成的误差。象与结果判断不准确而造成的误差。减少人身误差的途径减少人身误差的途径3、影响误差影响误差它是指各种环境因素与要求条件不一致它是指各种环境因素与要求条件不一致而造成的误差。而造成的误差。主要的影响因素是环境温度、电源电压主要的影响因素是环境温度、电源电压和电磁干扰等。和电磁干扰等。4、方法误差方法误差它是所使用的测量方法不当，或对测量设它是所使用的测量方法不当，或对测量设备操作使用不当，或测量所依据的理论不备操作使用

15、不当，或测量所依据的理论不严格，或对测量计算公式不适当简化等原严格，或对测量计算公式不适当简化等原因而造成的误差，也称理论误差。因而造成的误差，也称理论误差。原则上可通过理论分析和计算或改变测量原则上可通过理论分析和计算或改变测量方法来加以消除或修正。方法来加以消除或修正。三、测量误差的分类三、测量误差的分类1系统误差系统误差u在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测量，误差的绝对值和符号或者保持不变，或按量，误差的绝对值和符号或者保持不变，或按一定的规律变化，这类误差称为一定的规律变化，这类误差称为系统误差系统误差。u恒值误差恒值误差u变值误差：累进性

16、、周期性、按复杂规律变化变值误差：累进性、周期性、按复杂规律变化恒值恒值累进性累进性按复杂规律变化按复杂规律变化周期性周期性系统误差的特征系统误差的特征 2随机误差随机误差 在相同测量条件下，对同一被测量进行多在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测量，由于受到大量的、微小的随机因素的次测量，由于受到大量的、微小的随机因素的影响，测量误差的绝对值的大小和符号没有一影响，测量误差的绝对值的大小和符号没有一定的规律，且无法简单估计，这类误差称为定的规律，且无法简单估计，这类误差称为随随机误差机误差。指测量者无法严指测量者无法严格控制的因素格控制的因素u随机误差就随机误差就个体而言是无规律个体而言是

17、无规律的，不能通的，不能通过实验的方法来消除。过实验的方法来消除。u但在等精度条件下，只要测量次数足够多，但在等精度条件下，只要测量次数足够多，那么就会发现：那么就会发现：从总体来说随机误差服从从总体来说随机误差服从一定的统计规律一定的统计规律，可以从理论上来估计随，可以从理论上来估计随机误差对测量结果的影响。机误差对测量结果的影响。u随机误差与系统误差既有区别又有联系，随机误差与系统误差既有区别又有联系，二者之间并无绝对的界限，在一定条件下二者之间并无绝对的界限，在一定条件下可以相互转化。可以相互转化。u对某一具体误差，在某一条件下为系统误对某一具体误差，在某一条件下为系统误差，而在另一条件

18、下可为随机误差，反之差，而在另一条件下可为随机误差，反之亦然。亦然。 3粗大误差粗大误差 明显地歪曲了测量结果的误差称为明显地歪曲了测量结果的误差称为粗大误粗大误差差，大多是由于测量者粗心大意造成的。，大多是由于测量者粗心大意造成的。 粗大误差一经发现，必须立即从测量数据粗大误差一经发现，必须立即从测量数据中剔除。中剔除。问：下列误差属于哪类误差？问：下列误差属于哪类误差？（1 1）用一块普通万用表测量同一电压，重复）用一块普通万用表测量同一电压，重复测量测量2020次后所得结果的误差。次后所得结果的误差。（2 2）观测者抄写记录时错写了数据造成的误）观测者抄写记录时错写了数据造成的误差。差。

19、（3 3）在流量测量中，流体温度、压力偏离设）在流量测量中，流体温度、压力偏离设计值造成的流量误差。计值造成的流量误差。随机误差随机误差粗大误差粗大误差系统误差系统误差三、测量精度三、测量精度1准确度准确度u对同一被测量进行多次测量，测量值偏离被对同一被测量进行多次测量，测量值偏离被测量真值的程度称为测量真值的程度称为测量的准确度测量的准确度。u它反映它反映系统误差系统误差的影响，的影响，系统误差越小，准系统误差越小，准确度越高确度越高。2精密度：精密度：u对同一被测量进行多次测量，测量值重复一对同一被测量进行多次测量，测量值重复一致的程度，或者说测量值分布的密集程度，致的程度，或者说测量值分

20、布的密集程度，称为称为测量的精密度测量的精密度。u它反映它反映随机误差随机误差的影响，的影响，随机误差越小，精随机误差越小，精密度越高密度越高。3精确度精确度u精密度与准确度的综合指标称为精密度与准确度的综合指标称为精确度精确度，或称精，或称精度。度。u它反映它反映随机误差和系统误差随机误差和系统误差的综合影响。的综合影响。u精密度高的，准确度不一定高；准确度高的精密精密度高的，准确度不一定高；准确度高的精密度不一定高；但精确度高的，则精密度与准确度度不一定高；但精确度高的，则精密度与准确度都高。都高。精密度高精密度高准确度高准确度高精确度高精确度高3.精密度、准确度和精确度精密度、准确度和精

21、确度(a).精密度高，准确度差精密度高，准确度差。(b).准确度高，精密准确度高，精密度差度差。(c).精密度、准确度都高，就是精确度精密度、准确度都高，就是精确度高高。第四节第四节 测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标1量程范围量程范围u仪表能够测量的最大输入量与最小输入量之仪表能够测量的最大输入量与最小输入量之间的范围称作间的范围称作仪表的量程范围仪表的量程范围，简称量程。，简称量程。u在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值。之绝对值。问：某温度计测量的最低温度为问：某温度计测量的最低温度为-20-20，最高温度为最高温度为100100

22、，它的量程是多少？，它的量程是多少？1202灵敏度灵敏度u在稳定情况下，仪表输出变化量在稳定情况下，仪表输出变化量L与引起此与引起此变化的输入量的变化量变化的输入量的变化量Xb之比值，定义为之比值，定义为仪仪表的灵敏度表的灵敏度。u用用S表示，即表示，即 式中，式中，S 仪表灵敏度仪表灵敏度 L、Xb 分别为输入与输出变化量分别为输入与输出变化量bLSX问：某测量范围是问：某测量范围是0100MPa的压力表，其满的压力表，其满量程时指针转角为量程时指针转角为270度，它的灵敏度是多少？度，它的灵敏度是多少？2.7度度/MPa 3灵敏限（分辨率、死区）灵敏限（分辨率、死区） 它表明仪表响应输入量

23、微小变化的能力指它表明仪表响应输入量微小变化的能力指标，即不能引起输出发生变化的最大输入变化标，即不能引起输出发生变化的最大输入变化幅度与量程范围之比的百分数。幅度与量程范围之比的百分数。4. 仪器基本误差仪器基本误差 仪表测量值中的最大示值绝对误差与仪表仪表测量值中的最大示值绝对误差与仪表量程之比值称为量程之比值称为仪表的基本误差仪表的基本误差。100%mjmL 5. 仪器允许误差仪器允许误差 它表示对测量仪表所允许的误差界限，即出它表示对测量仪表所允许的误差界限，即出厂的仪表都要保证基本误差不超过某一规定值，厂的仪表都要保证基本误差不超过某一规定值，此规定值叫此规定值叫允许误差允许误差。

24、6准确度等级准确度等级 它指根据测量仪表准确度大小所划分的等级或它指根据测量仪表准确度大小所划分的等级或级别。允许误差去掉百分号的数值就是级别。允许误差去掉百分号的数值就是准确度等准确度等级级，工程上称为精度等级。，工程上称为精度等级。7. 变差变差 在外界条件不变的在外界条件不变的情况下，使用同一仪表情况下，使用同一仪表对被测量进行反复测量对被测量进行反复测量（正行程和反行程）时，（正行程和反行程）时，所产生的最大差值与仪所产生的最大差值与仪表量程之比值称为表量程之比值称为变差变差，用用表示。表示。100%mmLLu正行程：正行程：测量系统的输入量从量程下限测量系统的输入量从量程下限增至量程

25、的上限的测量过程。增至量程的上限的测量过程。u反行程：反行程：测量系统的输入量从量程上限测量系统的输入量从量程上限减少至量程的下限的测量过程。减少至量程的下限的测量过程。8漂移 n在环境及工作条件不变的前提下，保持一定的输入信号，经过一段时间后，输出变化称为漂移。 二、仪表的校验二、仪表的校验n示值校验 n1示值比较法n用标准仪表与被校仪表同时测量同一参数n2标准状态法热工仪表校验后应达到哪些基本要求？n (1)基本误差不应超过该仪表的允许误差；n (2)变差不应超过该仪表的精确度等级值的1/2；n (3)应保证始点正确，偏移值不超过基本误差的1/2；n (4)指针在整个行程中应无抖动、摩擦、跳跃等现象；n (5)电位器或调节螺丝等可调装置，在调校后应留有余地；n (6)仪表附有电气接点装置时，其控制接点动作应正确，仪表校验后应加封印。习题：习题：1.某测温仪表的准确度等级为某测温仪表的准确度等级为1.0级，绝对级，绝对误差为误差为1，测量下限为负值（下限的，测量下限为负值（下限的绝对值为测量范围的绝对值为测量范围的10），试确定该），试确定该表的测量上限值、下限值和量程。表的测量上限值、下限值和量程。 （90， 10， 100 ）2.用