热工仪表控制及自动化(第一章)

热工仪表控制及自动化孟献丰主讲第一章测量的基本知识第一节测量的意义和测量方法

一、测量的意义1．测量的意义：

测量是人类对自然界中客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中，人们借助于专门工具，通过试验和对试验数据的分析计算，求得被测量的值，获得对于客观事物的定量的概念和内在规律的认识。测量技术可分为若干分支，如力学测量、电学测量、热工测量等。热工测量是指温度、湿度、压力、流量、烟气成分等参数的测量。第一节测量的意义和测量方法1、科学技术领域：新发现、新发明；2、生产活动中：新工艺、新设备；3、生产过程自动化、设备安全、经济运行的先决条件。2．应用方面（1）过程监测：对过程参数的监测。（2）过程控制：为生产过程的自动控制提供保障。（3）试验分析与系统辨识：解决科学上的和过程上的问题，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析，是测量技术的一个典型应用。

第一节测量的意义和测量方法二、测量方法测量的定义：就是用实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，确定两者的比值，从而得到被测量的量值。使测量结果有意义的要求：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。进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。第一节测量的意义和测量方法测量的基本方程式：

X=aU

式中，X——被测量；

U——标准量（即选用的测量单位）；

a——被测量与标准量的数字比值。第一节测量的意义和测量方法测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：（1）直接测量法：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，从而直接求得被测量数值的测量方法。（2）间接测量法：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关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。第一节测量的意义和测量方法（3）组合测量法：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，这类测量称为组合测量。第一节测量的意义和测量方法测量方法的其它分类方式：按不同的测量条件分：等精度测量与非等精度测量。按被测量在测量过程中的状态不同分：静态测量与动态测量。第一节测量的意义和测量方法问以下测量过程使用了哪种测量方法？通过公式测量功率用铂电阻温度计测量温度，电阻值与温度的关系是用水银温度计测量介质温度第二节测量系统的组成及其功能

一、测量系统的组成

测量系统的测试设备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。传感器变换器传输通道显示装置被测量测量值二、测量环节的功能1、传感器（敏感元件）它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分，故称一次仪表。

它是将被测量按一定规律转换成便于处理和传输的另一物理量的原件。

它是实现测量与自动控制的首要环节。第二节测量系统的组成及其功能理想敏感元件应满足的要求：敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。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。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。第二节测量系统的组成及其功能2、变换器（变送器）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件。对变换器的要求：性能稳定，精确度高，使信息损失最小。

变换可能是物理变换，也可能是将同性质物理量加以放大。第二节测量系统的组成及其功能3、显示装置它是测量系统直接与观测者发生联系的部分，称显示仪表。显示装置的基本形式：模拟式显示元件：指针式；数字式显示元件：数字形式，不产生视差；屏幕式显示元件：电视技术的应用，既可以显示数字，也可以显示曲线，具有形象性和易于读数的优点。

第二节测量系统的组成及其功能第二节测量系统的组成及其功能4、传输通道它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。分为电线、光导纤维和管路等。

应按规定要求进行布置和选择，否则会造成信息损失，信号失真和引入干扰。第三节测量误差与测量精度一、测量误差的概念测定值与被测量真值之差称为测量的绝对误差，或简称测量误差。

δ=x－X0

式中，δ——测量误差；

x——测定值（例如仪表指示值）；

X0——被测量的真值。真值一般无法得到，所以用实际值X代替X0。对于绝对误差，应注意下面几个特点：绝对误差是有单位的量，其单位与测定值和实际值相同。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。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。第三节测量误差与测量精度示值的绝对误差与约定值之比值称为相对误差，其为无量纲数，以百分数表示。一般约定值m有如下几种取法：m取测量仪表的指示值x时，γ称为标称相对误差；m取测量的实际值X时，γ称为实际相对误差；m取仪表的满刻度值时，γ称为引用相对误差。第三节测量误差与测量精度对于相同的被测量，用绝对误差评定其测量精度的高低。但对于不同的被测量，则应采用相对误差来评定。第三节测量误差与测量精度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：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会得到完全相同的测量值。被测量总是要对敏感元件施加能量才能使测量系统给出测量值，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。二、测量误差的来源1、仪器误差它是由于设计、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、机械部件磨损、疲劳等因素而使测量仪器设备带有的误差。减少仪器误差的主要途径是根据具体测量任务，正确地选择测量方法和使用测量仪器。第三节测量误差与测量精度2、人身误差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象与结果判断不准确而造成的误差。3、影响误差它是指各种环境因素与要求条件不一致而造成的误差。主要的影响因素是环境温度、电源电压和电磁干扰等。第三节测量误差与测量精度4、方法误差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。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。第三节测量误差与测量精度三、测量误差的分类1．系统误差在相同测量条件下，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，或按一定的规律变化，这类误差称为系统误差。恒值误差：测量仪表指针零点偏移。变值误差：累进性、周期性、按复杂规律变化。系统误差就个体而言是有规律的，能通过实验的方法来消除。第三节测量误差与测量精度恒值累进性按复杂规律变化周期性系统误差的特征第三节测量误差与测量精度2．随机误差在相同测量条件下，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，这类误差称为随机误差。指测量者无法严格控制的因素第三节测量误差与测量精度随机误差就个体而言是无规律的，不能通过实验的方法来消除。但在等精度条件下，只要测量次数足够多，那么就会发现：从总体来说随机误差服从一定的统计规律，可以从理论上来估计随机误差对测量结果的影响。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，在一定条件下可以相互转化。对某一具体误差，在某一条件下为系统误差，而在另一条件下可为随机误差，反之亦然。第三节测量误差与测量精度

3．粗大误差明显地歪曲了测量结果的误差称为粗大误差，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中剔除。第三节测量误差与测量精度四、测量精度1．准确度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的准确度。它反映系统误差的影响，系统误差越小，准确度越高。第三节测量误差与测量精度2．精密度：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，称为测量的精密度。它反映随机误差的影响，随机误差越小，精密度越高。第三节测量误差与测量精度3．精确度精密度与准确度的综合指标称为精确度，或称精度。它反映随机误差和系统误差的综合影响。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，则精密度与准确度都高。第三节测量误差与测量精度精密度高准确度高精确度高第三节测量误差与测量精度第四节测量仪表的基本技术指标一．量程范围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仪表的量程范围，简称量程。在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值。

如何选择仪表？

先估计被测量大小，要求测量量在量程范围内，最好测量值在满刻度的三分之二。问：某温度计测量的最低温度为-20℃，最高温度为100℃，它的量程是多少？120℃2．灵敏度在稳定情况下，仪表输出变化量△L与引起此变化的输入量的变化量△Xb之比值，定义为仪表的灵敏度。用S表示，即式中，S——仪表灵敏度 △L、△Xb——分别为输入与输出变化量问：某测量范围是0～100MPa的压力表，其满量程时指针转角为270度，它的灵敏度是多少？2.7度/MPa第四节测量仪表的基本技术指标3．灵敏限（分辨率、死区）

它表明仪表响应输入量微小变化的能力指标，指能够引起测量仪表动作的被测量的最小变化量。4.仪器基本误差（仪表精度）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仪表的基本误差。第四节测量仪表的基本技术指标

5.仪器允许误差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，此规定值叫允许误差。

6．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级别。允许误差去掉百分号的数值就是准确度等级，工程上称为精度等级。第四节测量仪表的基本技术指标7.变差

在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测量进行反复测量（正行程和反行程）时，所产生的最大差值与仪表量程之比值称为变差，用ε表示。第四节测量仪表的基本技术指标正行程：测量系统的输入量从量程下限增至量程的上限的测量过程。反行程：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。第四节测量仪表的基本技术指标习题1.某测温仪表的准确度等级为1.0级，绝对误差为±1℃，测量下限为负值（下限的绝对值为测量范围的10％），试确定该表的测量上限值、下限值和量程。2.用测量范围为－50~+150kPa的压力表测量140kPa压力时，仪表示值为+142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差和引用相对误差。3.某1.5级测量范围为0~100kPa的压力表，在50kPa、80kPa、100kPa三点校验时，其示值绝对误差分别为－0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，试问该表是否合格？习题4.现有2.5级、2.0级、1.5级三块测温仪表，对应的测量范围分别为－100~+500℃、－50~550℃、0~1000℃，现要测量500℃的温度，其测量值的相对误差不超过2.5%，问选用哪块表最合适？（＋90℃，-10℃