热工测量仪表

1、热工测量仪表张华 赵文柱编著主讲：丁燕鸿课程要求课程要求 本课程应在掌握：热工仪表基础知识、掌握测量中温度、压力、物位、流量等测量知识及相关仪表（重点）；尤其温度、压力测量原理与仪器装置的使用；熟悉热工显示仪表及仪表装置的安装与故障维修知识，并有一定的实际动手调试维护能力。难点： 1. 测量误差的表示形式； 2. 误差产生的原因； 3. 误差的种类。掌握： 测量的基本概念；误差分类；仪表的组成及其性能指标；仪表的基本误差和允许误差；仪表的引用误差；仪表的精度等级。了解： 检测技术与仪表的作用及发展； 测量的不确定。 1.1 测量的基本知识测量的基本知识 1.1.1测量的概念测量的概念 借助专门

2、工具、通过实验和对实验数据的分析计算，求得被测的量。比较：将被测量和标准量进行比较。 根据国际通用计量学基本名词的推荐“测量是以确定量值为目的的一组操作”。这里的量值均指物理量而言。第第1章章 绪论绪论 1.1.2测量与检测的联系与区别 1.1.3测量的意义 测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。 著名科学家门捷列夫（俄国）有一句名言：“没有测量，就没有科学。” 月日 “世界计量日” 检测就是去认识 西门子（德国）1.1.4测量的构成要素测量的构成要素 包括（1）测量对象与被测量； （2）测量环境； （3）测量方法； （4）测量单位；

3、 （5）测量资源； （6）数据处理与测量结果例：曹冲称例：曹冲称象象方法：方法：?装置：船、石头、小秤；装置：船、石头、小秤；检查检查、测量测量，从而得到：，从而得到：定性定性、定量定量的结果。的结果。 1.2 测量方法测量方法直接测量法、间接测量法、组合测量法 测量方法的分类有许多种，按如何取得测量结果进行分类有： (1）直接测量法，就是将被测量直接与所选用的标准量进行比较，或者用预先标定好的测量仪表进行测量，从而直接得出测量值的方法。如用钢卷尺测长度，用玻璃管水位计测水位等。 (2) 间接测量法，即利用被测量与某些量有确知的函数关系，用直接测量法测得这些有关量的数值，代入已知的函数关系算出

4、被测量的数值。例如，通过测量导线电阻、长度以求出电阻率，节流装置通过测量差压、温度、压力从而测出流量等。 (3)组合测量法，当被测量与直接测量的一些量不是一个函数关系，需要求解一个方程组才能取得时即为组合测量。 如测量某电阻的温度系数，其电阻值与温度的关系为： Rt =Ro(l+At+Bt2)， 式中Rt是温度为toC时电阻的数值，可以直接测得；温度t也可直接测得。要取得系数A和B，需要解一个二元一次方程组。 1.3测量分类测量分类1 静态测量和动态测量；2 等精度测量和不等精度测量；3 电量测量和非电量测量；4 工程测量与精密测量 1.4 测量误差1.4.1测量误差的基本概念： 测量所得的值

5、与被测事物的真实值之间的差异。 在实际测量时，无论什么样的测量仪表，也不论其质量多高，它的测量结果与被测量的实际值之间总会存在一定的差值，这个差值就是误差。误差的定义：测量结果与被测量真值之间的偏差值。 真值：理论真值：有严格定义的理论值；约定真值：常用多次测量的平均值；相对真值：高精度仪表测得的结果。xx1.4.2 测量误差的分类 根据测量误差的性质及产生的原因，测量误差可以分为3大类： A 系统误差 B 随机误差 C 粗大误差 系统误差 在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量，误差的数值大小和符号都相同或按照某个确定规律变化，此种误差称为系统误差。 一般可以通过实验的方法找到系统

6、误差的变化规律及产生的原因，并对测量结果加以修正，或者采取一定的措施，如改善测量条件和改进测量方法等，使系统误差减小或消除，从而得到更加准确的测量结果。 随机误差 在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，误差的数值大小在一定范围内随机变化，符号的变化也不可预见，这就称为随机误差。随机误差也叫偶然误差。 随机误差是由于测量过程中许多独立的、微小的偶然因素(如仪器仪表中传动部件的间隙和摩擦，振动或冲击等干扰、温度或湿度变化干扰、交流电源或电磁场变化等)所引起的综合结果，表现为具有随机性，随机误差使得测量数据存在分散性。大多数情况下，随机误差的统计特性服从正态分布，另外还有三角分布、梯形分布、均匀分

7、布 粗大误差 明显歪曲了测量结果的异常误差称为粗大误差。含有粗大误差的测量值属于错误的测量值，一般称为坏值，正常的测量结果中不应含有坏值，应根据统计检验方法的某些准则判断哪个测量值是坏值，然后从测量数据组中加以剔除。 粗大误差产生的原因可能是由于人为的操作失误，包括观测者粗心大意导致操作不当或读数错误等。另外，测量设备突然出现异常或测量条件的突然变化引起仪器产生不易察觉的故障，以及异常的或很大的外界干扰等因数都可能导致粗大误差。 一般而言，对于测量结果的处理，首先是判断并剔除粗大误差，接下来，研究的误差项通常只有系统误差和随机误差两种，所以在评价测量结果时就常采用系统误差与随机误差来衡量。 1

8、.4.3 误差的表示方法分为绝对误差和相对误差两种 绝对误差绝对误差只能反映误差的大小，不能反映仪表的准确程度xx相对误差 有3种表示方法（1）实际相对误差（2）标称相对误差（3）引用相对误差%100 x实%100 xx标%100FSxxminmaxxxxFS（4）最大引用误差：也称为测量系统的基本误差，所有测量值中最大绝对误差的绝对值与量程之比的百分数。%100maxmaxFSxx1.4.4 测量误差的主要来源 (1)设备误差计量器具本身所具有的误差。由仪器、仪表本身及其附件所引入，出于仪器的电气或机械性能不完善所产生的误差。例如，电桥中的标准电阻、示波器的探极线等都含有误差。仪器、仪表的零

9、位偏移，刻度不准确，以及非线性等引起的误差均属于仪器误差。 (2)方法误差测量方法不完善引起的误差，又称为理论误差。是指由于使用的测量方法不完善、理论依据不严密所产生的误差，即凡是在测量结果的表达式中没有得到反映的因素，而实际上这些因素又起作用时所引起的误差。例如，用标准准孔板测量气体流量时没有加上温压补偿，就会引起测量误差。 (3)人员误差测量人员主观因素和操作技术所引起的误差。由于人的感觉器官和运动器官的限制所造成的误差。例如，读错刻度、念错读数等。对于某些需借助于人眼、人耳来判断结果的测量，以及需进行人工调节等的测量工作，均会引入人身误差。 (4)环境误差由于实际环境条件与规定条件不一致

10、所引起的误差。又称为影响误差，是指由于受到温度、湿度、气压、电磁场、机械振动、声音、光、放射性等影响所造成的附加误差。其中温度影响是最见的。 1.5 测量系统 1.5.1 测量系统的组成 传感器：由敏感元件和转换部分组成。 感受被测的变化并按一定规律转化成便于传递的输出信号。 变换器：将传感器传来的信号经过处理，变换显示仪表所要求的信号。如放大器、滤波器、A/D转换器等。 显示装置：对被测参数指示、记录 传送元件：如导线、导管、光导纤维、无线电通信等四、自动检测系统的组成 不带微处理器时不带微处理器时常将传感器的功能与人类常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：大感觉器官相比拟：光敏传感器光

11、敏传感器-视觉视觉; 声敏传感器声敏传感器-听觉听觉;气敏传感器气敏传感器-嗅觉嗅觉; 化学传感器化学传感器-味觉味觉;压敏、温敏、流体传感器压敏、温敏、流体传感器-触觉触觉.人体信息测控过程与自动检测系统的比较人体信息测控过程与自动检测系统的比较自动检测系统与自动检测系统与人体信息测控过人体信息测控过程的比较程的比较人眼人眼传感传感器器大脑大脑计算计算机机人手人手执行执行机构机构传感器：是指一个能将被测的非电量变换成电量传感器：是指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。的器件。 能将温度转换为电压的传感器能将温度转换为电压的传感器热电偶热电偶目前常用的显示器有四类：模拟显示、数目前常用的显示

12、器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等字显示、图象显示及记录仪等 模拟显示的模拟显示的特点特点：直观、稳定，直观、稳定，但但不够准确。不够准确。光柱也属于模拟显示光柱也属于模拟显示光柱显示的光柱显示的特点：特点：直观直观101线线/240车用光柱车用光柱仪表显示仪表显示既能显示光柱，也有数字显示既能显示光柱，也有数字显示直观地指示出储液罐直观地指示出储液罐中的液位中的液位设定值设定值实际值实际值带带RS-232接口（或接口（或USB接口）的万用表及实接口）的万用表及实时图像显示。时图像显示。特点特点 能将测量到能将测量到的波形及数据的波形及数据存储到计算机存储到计算机中，可随时重中，

13、可随时重放，价格适中。放，价格适中。记录仪记录仪 主要用主要用来记录被来记录被检测对象检测对象的动态变的动态变化过程。化过程。无纸记录仪（动画演示）无纸记录仪（动画演示） 主要主要用来记录用来记录和存储被和存储被检测对象检测对象的动态变的动态变化过程。化过程。 存储数存储数据的大小据的大小由硬盘容由硬盘容量决定。量决定。数据处理装置数据处理装置 数据处数据处理装置理装置主要主要是指计算机。是指计算机。 例如对振例如对振动进行频谱动进行频谱分析等。分析等。 1.5.2 测量系统的基本特性静态特性指标 a 准确度及准确度等级 测量准确度：测量结果与真值之间的一致程度 准确度等级：最大引用误差去掉%

14、后的数字，即为仪表的准确度等级数。 准确度等级序列：我国规定为：0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0。仪表的准确度等级应该在此序列中选择。 注意：选择仪表和检定仪表时对准确度等级取值的区别。 b 测量仪表的误差 （1）示值误差：仪表示值与真值之差 （2）最大允许误差（容许误差） c 测量范围和量程 测量范围：被测量可按规定的准确度进行测量的范围 量程：测量范围的上、下限值的代数差。 仪表量程的选择：最好使测量值落在量程的2/33/4处。 测量值接近仪表测量上限，仪表容易过载受损；接近测量下限，准确度下降。 d 灵敏度 ：输

15、入量变化很小时，输出量变化与输入量变化之比式中dy是仪表示值的微小变化；dx是被测量的微小变化。灵敏度是仪表输出输入曲线上各点的斜率。 灵敏度越高，测量范围越小、稳定性越差 分辨力：指能够引起输出量发生变化的输入量的最小变化量。 死区：也称始动灵敏限，量程零点处能引起输出量发生变化的最小输入量。应小于仪表最小刻度的1/2。dxdyxyS lim e迟滞误差（变差）是指仪表正向特性与反向特性不一致的程度，以正、反向特性之差的最大者与仪表量程之比的百分数表示。 f 线性度：是衡量测量系统实际特性曲线与理想特性曲线之间符合程度的一项指标。用实际特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差值与满程量输出值之比

16、来表示。%100maxFSLyL g稳定性 系指仪表示值不随时间和使用条件变化的性能。时间稳定性以稳定度表示，即示值在一段时间内随机变动量的大小。使用条件变化的影响用影响误差表示。如环境温度的影响，是以温度每变化一度示值变化多少来表示。 h重复性：是指在相同条件下，重复测量同一个被测量，多次测量所得测量结果之间的一致程度。 i复现性：是指变化条件下，对同一个被测量，多次重复测量其示值不一致的程度。动态特性 是指仪表示值跟随被测量随时间变化的能力，一般用被测量初始值为零作单位阶跃变化时，仪表示值随时间变化所显示的时间特性来评价。 (1)上升时间：示值从稳态值的5%变到95%所需的时间。 (2)响

17、应时间：示值从开始变化到进入稳态值加减基本允许误差范围内所需时间。 (3)过冲量：示值最大振幅与稳态值之差对稳态值的百分数。 研究测量系统的动态特性必须建立测量系统的动态数学模型。1.6 测量技术的发展概况测量技术的发展概况 发展阶段：（a）20世纪50-60年代，仪表化与局部自动化；（一部仪器）（b）20世纪60-70年代，综合自动化；（一个车间）（c）20世纪70年代中期至今，全盘自动化。（一个工厂） （d）以后计算机得到了广泛应用，传感器由集成化、智能化方向开始发展。 显示方式：模拟、数字、图形、记录仪等。 发展趋势：新技术、新材料以及组合化和智能化4个方面。（1）在研究物理化学效应应用技术以及信号处理技术的基础上研制新型传感器；（2）采用新材料、新工艺的基础上开发新型传感器；（3）研究传感器组合技术